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    通過調(diào)整COF值實現(xiàn)網(wǎng)帶爐量產(chǎn)

    2021-10-29 08:14:48易貞峰
    金屬加工(熱加工) 2021年10期
    關(guān)鍵詞:箔片緊固件脫碳

    易貞峰

    寧波群力緊固件制造有限公司 浙江寧波 315205

    1 序言

    我公司主要生產(chǎn)高強度緊固件,材料為SCM435、42CrMo、40Cr、35K、10B21等調(diào)質(zhì)鋼,wC主要在0.2%~0.42%,主要性能等級為8.8級、10.9級、12.9級等緊固件產(chǎn)品。按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]要求,緊固件產(chǎn)品除了需滿足硬度、抗拉強度、沖擊韌度等一系列力學(xué)性能要求外,還需滿足表面滲碳脫碳的要求。我公司主要熱處理設(shè)備為網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線,其中一條網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線型號為SY806-4(220V,250kW),可通入甲醇(直接通入爐內(nèi)進行裂解)和丙烷進行爐內(nèi)氣氛調(diào)節(jié),配備SSI AC20碳勢控制儀表控制丙烷流量閥的通斷。網(wǎng)帶爐淬火加熱區(qū)分為4個,每區(qū)配一支熱電偶并預(yù)留有監(jiān)視熱電偶位置,氧探頭位于3區(qū)位置,在淬火油槽處有排放裝置,廢氣經(jīng)過燃燒后直接排放。由于產(chǎn)能原因,需要將12.9級產(chǎn)品移至此條生產(chǎn)線進行熱處理生產(chǎn),但該生產(chǎn)線主要用于生產(chǎn)8.8級緊固件產(chǎn)品,之前偶爾處理12.9級緊固件產(chǎn)品,頻繁發(fā)生增碳現(xiàn)象。

    2 檢驗標(biāo)準(zhǔn)及體系要求

    2.1 檢驗方面

    按GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]規(guī)定,增碳或脫碳檢測方法有以下兩種。

    1)金相法:通過取距離螺紋末端1倍直徑長度,沿螺紋軸心線方向切開取縱向截面的試樣,鑲嵌后,用砂紙打磨、拋光,用3%的硝酸酒精進行腐蝕,在金相顯微鏡下進行觀測實際的脫碳層或增碳層。

    2)硬度法:按圖1所示測定3個點的值,其中E和H1的取值按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[1]規(guī)定進行,載荷選用為0.3kg(2.94N),硬度法為仲裁方法。在本文中用HV0.3(1)、HV0.3(2)、HV0.3(3)分別表示圖1中的1、2、3點位置的維氏硬度值,0.3表示載荷為0.3kg。

    圖1 脫碳試驗和增碳試驗的硬度測量

    脫碳判斷:按GB/T 3098.1—2010規(guī)定,應(yīng)滿足HV0.3(2)≥HV0.3(1)-30,否則視為脫碳。

    增碳判斷:按GB/T 3098.1—2010規(guī)定,應(yīng)滿足HV0.3(3)≤HV0.3(1)+30,否則視為增碳。

    本文主要闡述增碳控制,脫碳控制需要在淬火前的球化退火過程中進行,在此暫不述及。

    2.2 CQI-9熱處理體系要求

    按照CQI-9[2]熱處理體系要求,熱處理組織應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄕ{(diào)整并重新建立/確定實際的氣氛與原有的控制和備份的氣氛讀數(shù)之間的差異。為滿足CQI-9體系要求,我公司配備了1/10000天平、箔片以便對爐內(nèi)氣氛進行定碳,后來又配備了三氣分析儀以便對爐內(nèi)氣氛進行迅速有效的在線檢測。

    3 碳勢及碳勢控制

    碳勢是表征含碳氣氛在一定溫度下改變工件表面含碳量能力的參數(shù),如果爐內(nèi)氣氛的碳勢低于產(chǎn)品材料的碳含量,則產(chǎn)品表面有可能會脫碳;反之,如果爐內(nèi)氣氛的碳勢高于產(chǎn)品材料的碳含量,則產(chǎn)品表面有可能增碳。要控制產(chǎn)品表面的增碳或脫碳,須先控制住爐內(nèi)氣氛的碳勢,讓爐內(nèi)氣氛處于受控狀態(tài)。

    在一定溫度下,爐內(nèi)氣氛中的氧氣和碳勢存在一定的對應(yīng)關(guān)系。通常在碳勢控制過程中,碳控儀表借助插入爐膛內(nèi)的氧探頭取得一個代表氧含量的毫伏值,轉(zhuǎn)換成碳勢值與設(shè)定值比較,并根據(jù)比較結(jié)果控制丙烷通入爐內(nèi)的量達到碳勢控制。CQI-9要求定期驗證爐內(nèi)氣氛,以確保碳控儀表顯示值與爐內(nèi)碳勢真實值是正確對應(yīng)的,實際上也就是確定兩者之間的差值在允許范圍內(nèi),此范圍一般為±0.03%。

    4 試驗流程及結(jié)果

    4.1 摸底抽樣檢驗

    對在線熱處理DIN912的M24×120材料為ML20MnTiB鋼10.9級產(chǎn)品摸底抽樣檢驗,熱處理工藝參數(shù)見表1。

    表1 M24×120材料為ML20MnTiB鋼10.9級產(chǎn)品熱處理工藝參數(shù)

    從表1現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)看,生產(chǎn)過程無異常,接下來進行相關(guān)測試。

    1)金相檢測,如圖2所示。從金相上可看到,產(chǎn)品牙底增碳層深度約0.122mm,牙頂是約0.129mm,說明儀表顯示值0.18%是不真實的,需進行定碳(爐氣檢測),然后對碳控儀表進行修正。

    圖2 M24×120金相組織(100×)

    2)硬度法檢測,結(jié)果見表2。與金相法檢測得出的增碳結(jié)果相吻合,需對爐內(nèi)氣氛進行定碳。

    表2 硬度法檢測結(jié)果

    4.2 爐氣摸底檢測

    1)使用三氣分析儀進行在線檢測,得到爐內(nèi)氣氛各組分值及碳勢,見表3。

    表3 三氣分析爐內(nèi)氣氛值 (%)

    2)用定碳片在三區(qū)定碳,箔片原始厚度0.08mm,保溫30min,AC20儀表實際顯示0.18%,定碳方法按照J(rèn)B/T 10312—2001《鋼箔測定碳勢法》[3]進行,計算公式

    式中C——采用稱重法測得的鋼箔滲碳后的碳含量(%);

    C0——鋼箔滲碳前的原始碳含量(%);

    Wf、Wi——用分析天平測量的滲碳前后鋼箔的重量(g)。

    計算后得出爐內(nèi)實際碳勢為0.30%,見表4。

    表4 箔片法測量碳勢值

    三氣分析法和箔片法測試結(jié)果相差0.02%,可認(rèn)為測試結(jié)果可靠。

    由上面的兩種方法可知,爐內(nèi)實際碳勢高于碳控儀表的顯示值,需對碳控儀表進行修正。

    4.3 對碳控儀表SSI AC20進行COF參數(shù)修正

    SY806-4三永網(wǎng)帶爐沒有配備往爐內(nèi)通入空氣的通道,AC20碳控儀表控制的是丙烷流量閥,由此可得出修正爐內(nèi)碳勢的思路為:先固定尾氣的排放量,然后將通入爐內(nèi)的甲醇流量降下來,使得爐內(nèi)氣氛中的CO占比隨之下降,從而將爐內(nèi)氣氛的碳勢實際值降低,再使AC20碳控儀表的顯示值正確地顯示實際碳勢值,即可實現(xiàn)低碳勢的控制。當(dāng)碳勢設(shè)定值高于降低流量后甲醇能供給的碳勢時,由AC20碳控儀表控制丙烷電磁閥的開啟通入丙烷,降低流量后通入的甲醇裂解提供不了的碳勢差值由丙烷通入爐內(nèi)裂解來補充。這些都須基于AC20碳控儀表正確顯示爐內(nèi)實際碳勢。

    具體修正操作如下:

    1)鑒于前面的分析,先將尾氣排出量調(diào)節(jié)閥固定住,不允許調(diào)節(jié)其開啟大小,并固定產(chǎn)品裝載量。

    2)調(diào)整通入甲醇流量,將其由50mL/min降至25mL/min,因為通入爐內(nèi)的甲醇量少了,產(chǎn)氣量也隨之少了,爐壓隨之降低,導(dǎo)致淬火油槽處的尾氣火焰長度由400mm左右降到了300mm左右。

    3)SSI AC20碳控儀表操作說明書中修正COF參數(shù)方法為:將AC20的COF值200和顯示碳勢值0.40%(見圖3)相連PIVOT交于一點,通過此點將定碳所得真實值0.35%連接起來,延長線與右側(cè)線交于175,則所需設(shè)置的COF值即為175。實際可用內(nèi)插法計算求出所需的COF值,假設(shè)所需的COF值為X,則X/200=0.35/0.4,由此得出X=200×0.35/0.4=175,與在圖3上作圖所得結(jié)果一致。

    圖3 COF值與碳勢關(guān)系

    依此法,AC20儀表COF原始值為308,需要修正的COF參數(shù)值=308×0.3/0.18=513,在此暫取500。如果后面發(fā)現(xiàn)此值不合適再重新計算確定,同時將AC20碳勢表里的COF值更新為500。

    4.4 檢測COF參數(shù)修正后的爐氣

    同樣使用箔片定碳法和三氣分析法進行。熱處理工藝參數(shù)見表5,三氣分析儀分析結(jié)果見表6,箔片法定碳結(jié)果見表7。

    表5 熱處理工藝參數(shù)

    表6 三氣分析爐內(nèi)氣氛值 (%)

    表7 箔片法測量碳勢值

    由上結(jié)果可知,修正后CO的占比降至了25.6%,爐內(nèi)碳勢實際值降至了0.22%/0.24%,AC20儀表的顯示為0.22%。兩種方法檢測結(jié)果與儀表顯示均在0.03%以內(nèi),結(jié)果可以接受。

    4.5 檢測COF參數(shù)修正后熱處理爐內(nèi)的產(chǎn)品

    金相檢驗如圖4所示,從金相上看表面已無增碳層,說明爐內(nèi)氣氛在修正后達到預(yù)期的效果。

    圖4 COF修正后M24×120金相組織(100×)

    硬度法檢測金相樣件,結(jié)果見表8。

    表8 增碳測試數(shù)據(jù)

    表8數(shù)據(jù)與金相檢測結(jié)果吻合,說明經(jīng)過調(diào)整后,碳勢控制達到了預(yù)期的效果。

    4.6 進一步驗證處理12.9級產(chǎn)品符合性

    處理12.9級材料SCM435規(guī)格M12×80產(chǎn)品時,碳勢設(shè)置為0.35%,實際顯示也為0.35%,金相分析如圖5所示,從金相上看產(chǎn)品能達到要求。

    圖5 M12×180金相組織(100×)

    硬度法檢測金相樣件,結(jié)果見表9。

    表9 材料為SCM435鋼的產(chǎn)品增碳測試數(shù)據(jù)

    由檢測結(jié)果可知,材料由20MnTiB換為SCM435,爐內(nèi)碳勢同樣也能達到預(yù)期的要求。跟蹤 ML40Cr和SCM435材料的12.9級產(chǎn)品多批次生產(chǎn),發(fā)現(xiàn)均能達到要求。

    5 結(jié)束語

    SY806-4三永網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線AC20碳勢控制儀表的顯示碳勢與爐內(nèi)實際碳勢之差超出了要求,通過降低甲醇流量,固定住尾氣排放閥的開放量大小以及產(chǎn)品的裝載量,用三氣分析儀及箔片定碳法對爐內(nèi)氣氛進行檢測(箔片法為仲裁法,但三氣分析儀可得出爐內(nèi)氣氛組分),然后修改AC20儀表COF參數(shù)值為500,使?fàn)t內(nèi)氣氛得到精確控制,實現(xiàn)了在SY806-4三永網(wǎng)帶爐中量產(chǎn)12.9級緊固件產(chǎn)品的目的。

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