低压渗碳在热处理转包业务中的优势

低压渗碳在热处理转包业务中的优势编译：ECM中国马晓丽工程师摘要：低压渗碳（LPC）工艺在上世纪90年代被引入西欧的热处理行业，主要应用于变速箱零件的渗碳。然而，低压渗碳在汽车行业齿轮渗碳上的成功阻碍了这个工艺在其他领域的发展---例如热处理转包业务，低压渗碳的优势也应当受到重视。简单回顾工艺的原理，在变速箱零件的典型应用的优势：当低压渗碳和高压气淬相结合时显著减少零件的变形。然后也介绍了低压渗碳不太为人所知的优点，例如结果的高的精确性和重现性，建模的可行性以及模拟的容易性，渗层的均匀性以及整体设备的灵活性等。阐明了这些优点在热处理分包业务中如何体现出来。关键词：渗碳，低压，分包当在上世纪70年代真空渗碳（在真空炉中渗碳）被首次介绍到美国时，最初的概念只是提供一种只使用丙烷作为渗碳气体对环境无害的工艺，而不采用传统的有毒的危险的一氧化碳和氢气混合气氛。当时使用的压力范围只是低于大气压（大约几百毫巴），以便能够使用一个风扇让渗碳气体穿过炉料。这种工艺的难点在于碳的控制，渗层深度均匀性的控制以及减少碳黑的形成。使用压力在毫巴范围的现代低压渗碳工艺的发展始于上世纪80年代，一个法国的汽车生产商推广此技术，采用更低的压力可以减少积碳，改善碳在炉料内的穿过性，甚至可以不需要风扇来搅拌渗碳介质。原因很简单，这是由于更长的平均分子自由程。然而由于这个工艺发展在当时有一个缺点，还不能被广泛接受。一个严重的局限性：关于渗碳表面积和炉子有效区尺寸的关系，取决于在一炉内零件与零件之间可接受的渗层深度的分散度。这个新工艺，现称作“低压渗碳（或LPC），真正的工业时代开始于1992年，一个炉子制造商设计了由几个有限体积的渗碳室组成的一条生产线（为了达到需要的生产量）。更新一步的进展是在90年代末，乙炔气体作为丙烷的选择气体被引入，从而显著改善了大量复杂几何形状零件组成的密集装料的处理能力。现在世界范围内已经安装了超过600个低压渗碳室，大部分生产线有4到6个室，以及一个油淬或者气淬室。室与室之间炉料的分配按照各个不同炉子制造者的设计而变化，但总是遵循相同的顺序：将炉料放入一个隔离室，抽空，在真空下转移炉料到渗碳室，渗碳，尽可能快地在真空下将炉料转移到淬火室，淬火，通过一个隔离室或者淬火室出料。不要忘记它的其他优势，LPC线是冷壁式设计，没有烟气，没有外部热辐射或者气体排放，这些优势是让LPC概念在汽车行业短时间内变得非常出名的关键因素。LPC设备可以直接安装在机加工车间，从而显著缩短生产周期和工艺运行成本。这种成功确实阻碍了LPC技术在热处理转包行业的发展，2000年之前只有少量设备安装在专业热处理厂。实际上低压渗碳工艺能够给热处理转包行业带来多种关键优势，如下所述。1.现代低压渗碳工艺原理目前为止所有用于低压渗碳的碳氢气体如表一所示，以一种非常简单的方式表明了气体分子在温度和压力条件下在钢铁表面的裂化产物。众所周知，甲烷分子在这些条件下并不能分解，除非我们使用等离子帮助，辉光放电裂解了紧靠钢铁表面的分子。因此甲烷气体可以被认为是纯LPC工艺中的惰性气体，只有在等离子激化后才具有活性，这个工艺就被称作PA-LPC,“等离子低压渗碳”。然而，除非确实需要等离子处理（例如表面预备活化处理，或者金属保护套局部防渗碳处理），鉴于低压渗碳工艺采用丙烷以及最近使用的乙炔这些显著的发展，不需要由于安装等离子装置导致的复杂的炉体设计，等离子低压渗碳已经基本不用了。另外，乙烯由于易于在炉子的冷区产生碳黑和焦油也不再被使用。可以说目前全世界范围内大约95%的工艺是采用丙烷或者乙炔（不需要等离子）。使用乙炔的比例的增长是由于乙炔分子具有转移碳原子到很大的表面积、到非常复杂的几何形面的能力，像长孔和/或盲孔。两种分子渗碳能力的不同在于，和丙烷相反，乙炔（如果在合适的操作条件下）不产生甲烷作为中间产物，而是产生基和分子（例如乙烯基），最终裂化为碳和氢气。2．变速箱零件应用正如已经在上文中介绍的那样，低压渗碳在汽车行业的成功是最直接的，这是由于设备可以由汽车或零部件制造商安装在线整合到机加工生产线。所有这些应用适用于变速箱零件像轴，小齿轮或者其他齿轮箱零部件。除了以上说到的优点之外，其它两个重要点也已经受到工程师和生产者们的重视：没有晶间氧化，减少变形。第一个优点其实从一开始就有报道，作为一种和传统气氛渗碳工艺在金相上的最典型的区别，低压渗碳工艺只使用不存在任何氧原子的气体分子，从而提高了以（或者接近）最终尺寸热处理、不需要磨加工或者渗碳后只需要修型处理的零件的表面硬度和疲劳性能。由于以下因素所致减少变形，对变速箱零件来说更加令人关注：-更好的温度均匀性（整个炉内，或者从齿轮的齿根到齿顶）导致渗层变化的碳的移动只取决于零件内部的几何尺寸。-采用高压气体而不是油来冷却，比较传统的气氛式渗碳密封淬火，真空设计的炉子淬火模式更容易实现。压力，速度的适当调节，冷却气体的特性可以允许冷却速度精确调节到需要的值，从而满足零件心部或者渗层的相应性能要求。当然局限性是对那些低淬透性材料制的厚重的零件冷却速度可能不是足够快，或者也可以通过采用更昂贵的气体和设备来达到（氦气，20巴，气体回收和压缩系统）。现在很普遍的可以看到专业热处理厂给汽车或零部件商提供中小批量变速箱零件的低压渗碳处理，达到和他们在自己厂里大批量生产得到的相同的质量。然而，由于热处理厂不易影响材料的选择，通常需要在他们的生产线同时具有气淬和油淬设备。尽可能的使用气体淬火，只有当材料的淬透性对应于重量和零件的厚度是很差时才选择使用油淬。图2所示，变速箱轴的装料，在一个专业热处理车间的准备阶段。显微照片（左上）显示从齿根到齿顶的显著的均匀性。这些零件在一个独立的淬火室采用20巴氮气淬火后的变形结果是和之前在盐浴中淬火的结果相当。很明显这个是非常有利的，但也要考虑到这个轴的形状上并没有大的直径改变，也没有很薄的截面。除非可以接受淬火后零件的校直处理，否则采用盐浴淬火是控制传统气氛渗碳后变形的唯一解决方案。实际上，最佳方案（低压渗碳+20巴淬火+校直）通常用于对变形要求非常敏感的轴类零件，好处是将校直操作造成开裂拒收的风险降到零。其它重型变速箱齿轮专家报道可以显著节约磨加工费用，与之前的传统工艺相比，低压渗碳最终加工成本可以下降从25%直至85%。3．低压渗碳在热处理转包行业特有的优势之前介绍的低压渗碳在转包行业应用的例子，对比专业热处理行业和自加工用户，并没有强调任何明显的优势。但是如果和大规模的自加工应用相比，转包业务有更专业的（或者至少更强）需求。3.1灵活性灵活性对专业热处理厂来说肯定是最重要的特种需求之一。他们要求设备不仅能够按照客户的需求开启或者关闭（显然对应于自加工用户就是峰值及谷值。），而且要求设备容许两个连续炉批之间工艺的变化。实际上，一个专业热处理厂在灵活性方面的梦想都可以通过LPC来实现：首先，真空技术可以允许尽可能快地随着工作的开始或者结束来开启或者关闭设备。最主要的是碳转移到工件表面的开始和停止是随着渗碳气体的注入而进行的，不会受保温层状态的影响（相对于传统的气氛渗碳炉和它们的砖保温结构）。随后一个中性淬火工艺可以紧挨在一个深层渗碳工艺之后，两种工艺处理都可以分别得到满意的金相结果。如果热室的加热能力可以达到1200度，渗碳的温度范围（900到1050度）就会尤其有用，特别适用于工具钢硬化的要求。3.2同一炉内件与件之间的偏差这对专业热处理厂来说是又一个关键因素，这些厂为了满足客户的短的交付周期，不得不将他们从客户那里收到的小批量订单零件按材料放入同一炉内处理。这对低压渗碳来说完全没有问题。如图3所示，这些不同批次的机加工零件可以像气氛炉一样很容易地放入同一炉内处理。唯一的要求是总的渗碳面积要限制在给定的值以内。渗碳表面积越大，渗层分布的弥散度也就越大（炉料中心部位零件和边缘部位零件渗层之间的偏差）。如果渗碳的变速箱零件是像图2所示的那样，那么这种针对低压渗碳工艺表面积的限制不会影响每炉的数量，这种情况下的限制参数是零件的重量或者尺寸。但是如果渗碳的是型面复杂的小零件（例如像自动导向系统的螺旋小齿轮）或者由许多复杂的深孔构成的小尺寸零件（例如像柴油喷射系统的一些零部件），总的渗碳表面积将会是决定每炉装炉量的关键因素。任何超过最大限定装炉量的尝试，都会导致位于炉料中心零件碳的缺乏，或者甚至在中心部位零件根本没有渗到碳。当讨论低压渗碳在商业热处理零件的应用时另一个问题就是处理大批量的可能性。如果采用乙炔（对小空间的渗碳以及渗层的均匀性都是非常有效的），就是图4所示的那样也是没有任何问题的。从一炉处理的15000件小零件中随意从不同的层抽取30件进行检测，检测到的渗层深度的偏差是±0.05mm(从0.43mm到0.53mm)，低于标准要求的偏差（0.4mm到0.6mm）。总的渗碳表面积低于3平放米，远远低于有效尺寸为900*600*600设备的极限渗碳表面积要求。每个零件都是均匀渗碳没有发现任何软点。对专业热处理厂来说，另一个存在的重要点就是不可能进行许多前期试验来确定层深、表面硬度以及表面碳浓度等。他处理的零件是属于客户的，任何不成功的试验都会导致一个问题就是由谁来承担废品费用。而时间通常总是压缩到最短。也就是说专业热处理厂必须在没有任何前期试验的情况下立即处理零件而且必须在第一炉就完全成功。使用低压渗碳对专业热处理厂来说是非常有利的。这是由于能够非常精确地预测并控制碳的转移（因为这只是基于已知的物理定律），模拟软件可以非常快速有效地指导使用者得到最好的渗碳循环的工艺参数。如图5着重强调了这种工艺的令人惊异的突出的精确性、可预测性以及重现性。这是一个新的低压渗碳室采用园环作为验收试验的例子。工艺的循环时间是通过模拟软件决定的。渗碳后通过检测每个圆环的重量的增加得到结果。这个参数很好测量，而且也非常好地体现了零件吸收碳的能力。图中的y轴显示了每一个圆环重量增加对应的所有测量值的平均值的变化量（从百分比）。这个平均值和模拟软件给出的期望值非常接近。左边的图表显示了所测量的圆环在炉料中放置的位置。让人惊讶的是两个位于炉料顶角部位的圆环（如图中最右边的两个立柱所示）和平均值的最大偏差不是在±5到10%之内，特别是有一个圆环显示重量比目标值增加了35%。实际上对渗层深度的影响并没有显示特别之处，所有的圆环的层深都在标准规定的0.6-0.8mm范围内。如果这是一台气氛渗碳炉，不会有任何不正常的报告，设备肯定可以被验收。但这是一台低压渗碳炉，需要进行进一步的分析和修正。最后分析结果表明，这是由于炉壁和炉膛之间的气体排放不合适，当乙炔（这里作为渗碳气体）气体的注入结束后，在扩散阶段乙炔分子通过加热电极吸附在炉膛内。问题解决后，就得到了非常满意的结果，所有的试验圆环的重量增加回到了±5%以内。这个经历的好处在于证明了使用低压渗碳设备必须得到突出的结果，同时所有的用于预测结果的模拟软件是足够可靠的，可以用来帮助指导技术人员揭露问题并找到解决方案。3.3洁净度洁净度要求被包含在合同那还是一件很遥远的事情。但是就算不需要热处理分包商将洁净度要求写到每个热处理零件的标准中，如果热处理之后返还的零件与之前颜色一样的白亮，那总会是一个额外的加分。渗碳零件不得不是黑色的、脏的（至少可以证明它们已经被处理过了）那个时代已经过去了。选择低压渗碳是正确的答案：如果控制得当，工艺过程一点都不会损坏零件表面质量或者甚至不会改变它的颜色。如果我们采用高压气体作为淬火介质，出炉后的零件会与它们进炉之前一样的白亮。因此，就算从纯粹的外表方面，低压渗碳处理后的好的洁净度也是增值的。现在已经针对这方面设定了一些新的标准，对传统的气氛渗碳工艺将会是一种压力。另外如果我们考虑液压装置或者柴油喷射系统零部件时，洁净度就不单是针对表面好看这样一个外观上要求而变为一个非常重要的要求。而和高压气淬相结合的低压渗碳就是最终的答案。4．低压渗碳在转包应用中的局限低压渗碳和其他工艺一样也有它自己的局限性。在此我们只是主要简述了属于工艺处理之前零件表面的预处理，这对专业