沖管滲碳設(shè)備及熱處理工藝的改進(jìn)

■崔建春

沖管滲碳設(shè)備及熱處理工藝的改進(jìn)

■崔建春

我公司熱處理車間所用RJJ-105井式氣體滲碳爐，采用電阻絲加熱，功率為105kW，最高使用溫度1200℃，主要用于沖管的滲碳、淬火處理，設(shè)備靠人工操作，精度難以保證。近期對(duì)傳統(tǒng)滲碳爐成功進(jìn)行了改造，井式氣體滲碳爐改為可控氣氛爐，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，并細(xì)化了沖管的滲碳、淬火工藝參數(shù)，使沖管的熱處理質(zhì)量有了大幅提高。

1. 原工藝

沖管是石油機(jī)械產(chǎn)品的重要零部件，材質(zhì)為20CrMnTi，要求表面進(jìn)行滲碳處理，滲層深度1.8～2.1mm。使用RJJ-105井式氣體滲碳爐處理，滲碳劑采用煤油，靠人工每隔30min觀察爐子排出廢氣火焰的高度，判斷爐內(nèi)碳勢(shì)的高低，若火焰高度低于80mm，說明爐內(nèi)碳勢(shì)低，應(yīng)加大煤油滴量，若火焰高度高于120mm，說明爐內(nèi)碳勢(shì)高，應(yīng)減少煤油滴量。由于設(shè)備落后，對(duì)爐內(nèi)碳勢(shì)控制差，滲碳時(shí)間較長(zhǎng)，需要13～14h。經(jīng)此處理的沖管表面炭黑嚴(yán)重，容易形成粗大碳化物，淬火后有軟點(diǎn)、變形等缺陷，為了消除粗大碳化物，必須增加磨削余量以保證淬火熱處理質(zhì)量。熱處理質(zhì)量見表1，滲層深度是在零件截面方向任意取4點(diǎn)檢測(cè)的值，從表中看到最大層深差達(dá)到0.20mm，硬度值是在零件圓周方向檢測(cè)的結(jié)果，技術(shù)要求55～63HRC。

為了提高沖管的淬火質(zhì)量，在淬火前必須增加粗磨工序，消除粗大碳化物，熱處理前余量為0.40～0.50mm，由于余量大需要多次磨削，并且需要再次加熱進(jìn)行淬火處理，生產(chǎn)成本高，效率低。具體工藝曲線見圖1。

2. 改進(jìn)后的工藝

（1）改進(jìn)滲碳設(shè)備改變單一的煤油滴注，采用煤油作為富化劑，乙醇作為載體劑。碳勢(shì)控制系統(tǒng)采用HT30000智能數(shù)顯可編程碳勢(shì)控制儀，以進(jìn)口高集成單片機(jī)為核心，PID調(diào)節(jié)技術(shù)，與HJT-Ⅱ型（柱狀整體型）氧探頭及進(jìn)口電磁閥配套，對(duì)爐氣碳勢(shì)進(jìn)行編程和PID調(diào)節(jié)控制，使碳勢(shì)自動(dòng)控制精度達(dá)到±0.05%C。將舊式控溫方式改為固態(tài)繼電器控制，采用日本進(jìn)口智能化儀表SR93，對(duì)每一區(qū)進(jìn)行自整定、自適應(yīng)溫度控制，控溫精度可以達(dá)到±1℃。以碳勢(shì)控制儀為主控儀表，SR93為下位儀表，在碳勢(shì)控制儀上設(shè)定溫度和碳勢(shì)，使操作更簡(jiǎn)便。滴注系統(tǒng)氧探頭根據(jù)爐內(nèi)CO2濃度情況形成一定的電勢(shì)，并將此數(shù)據(jù)傳遞給碳勢(shì)控制儀，控制儀與設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，利用電磁閥調(diào)節(jié)煤油和乙醇的滴量，直至碳勢(shì)達(dá)到最佳狀態(tài)。通過對(duì)設(shè)備的改造，減少人為操作的誤差。

圖1　原工藝曲線

表1　沖管滲碳及淬火后質(zhì)量

（2）工藝試驗(yàn)及結(jié)果分

析 20CrMnTi的化學(xué)成分如表2所示。

熱處理車間制訂了兩個(gè)工藝試驗(yàn)方案。

方案一：將滲碳工藝進(jìn)行了改進(jìn)，由原來的一段式滲碳，改為三段式滲碳。當(dāng)設(shè)備到達(dá)設(shè)定溫度930℃后，工件裝入爐內(nèi)，再次到達(dá)930℃后，進(jìn)入排氣階段，碳勢(shì)為0.4%，均溫30min，進(jìn)入強(qiáng)滲階段，碳勢(shì)升為1.1%，加速工件的滲速，當(dāng)滲層達(dá)到技術(shù)要求的2/3時(shí)，進(jìn)入擴(kuò)散期，碳勢(shì)為0.5%，到達(dá)技術(shù)要求值時(shí)進(jìn)行降溫，碳勢(shì)為0.5%，冷卻至880℃出爐坑冷，整個(gè)過程的關(guān)鍵是控制好碳勢(shì)和滲碳溫度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲碳速度明顯提高，在滲層深度不變的情況下，只需要10～11h，沖管冷卻后重新加熱進(jìn)行淬火處理，嚴(yán)格控制保溫時(shí)間。具體工藝曲線見圖2。

方案二：滲碳過程與方案一相同，滲碳完成后采用降溫至850℃，保溫30min直接淬火，具體工藝曲線見圖3。

兩種方案的檢驗(yàn)結(jié)果見表3，從表中可以看出兩種方案的結(jié)果差別不大，滲層最大偏差降低為0.05mm，粗大碳化物深度降低為0.08mm，硬度值均在56 ～57HRC之間，不存在軟點(diǎn)。

方案二嚴(yán)格控制碳勢(shì)，滲碳后在控制好淬火溫度的情況下直接淬火，金相組織均為1級(jí)。這樣熱處理次數(shù)，縮短了熱處理的工期，同時(shí)跟蹤幾批沖管，其變形量在技術(shù)要求范圍內(nèi)，熱處理后粗大碳化物深度降低，可使沖管熱處理前的余量減少，壓縮為0.25～0.30mm，磨削的次數(shù)也減少了，既保證了質(zhì)量，又節(jié)省了工時(shí)。

3. 結(jié)語

（1）改進(jìn)后的井式滲碳爐采用了碳勢(shì)控制儀精確控制碳勢(shì)，減少了人工操作的誤差，實(shí)現(xiàn)了滲碳工藝過程自動(dòng)化，設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好的效果。

（2）在滲碳過程中控制好碳勢(shì)和淬火溫度，滲碳后直接淬火是完全可行的，即可縮短熱處理的工作周期；由于粗大碳化物深度降低，能使沖管熱處理前的余量減少，磨削次數(shù)減少，節(jié)約了工時(shí)，加快了產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度。

圖2　方案一

圖3　方案二

表2　化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　（%）

表3　沖管滲碳及淬火后質(zhì)量

20150515

作者簡(jiǎn)介：崔建春，南陽二機(jī)石油裝備（集團(tuán)）有限公司，主要從事熱處理現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)工作。