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        低壓滲碳技術(shù)在汽車變速箱行業(yè)中的應(yīng)用

        2018-08-23 02:00:46舒銀坤汪杰
        金屬加工(熱加工) 2018年8期
        關(guān)鍵詞:盲孔滲碳淬火

        ■ 舒銀坤,汪杰

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        現(xiàn)代汽車及零部件制造業(yè)最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)在于提高能效的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)“綠色”制造,保護(hù)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的可控氣氛滲碳/油淬作為一種有效的表面硬化技術(shù),已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用40余年。傳統(tǒng)的滲碳淬火工藝存在滲層均勻性差、容易出現(xiàn)黑色組織、生產(chǎn)能效低、CO2等有害氣體排放多等問題,因此迫切需要推廣應(yīng)用新技術(shù)來滿足汽車制造業(yè)日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求以及實(shí)現(xiàn)“綠色”熱處理。自20世紀(jì)90年代中期以來,真空低壓滲碳/高壓氣淬技術(shù)已逐步開發(fā)來滿足高質(zhì)量、高生產(chǎn)率和環(huán)境相容的要求。在歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家真空低壓滲碳技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。我公司變速箱中的各項(xiàng)制造技術(shù)水平一直居于行業(yè)前列,2015年斥資約5000萬元購置了由德國(guó)ALD公司制造的真空滲碳高壓氣淬熱處理生產(chǎn)線(見圖1),對(duì)變速箱中的齒輪軸進(jìn)行熱處理。

        一、低壓真空滲碳及高壓氣淬工藝

        1. 低壓真空滲碳原理及過程

        低壓滲碳的原理:低壓滲碳是一種非平衡的增強(qiáng)擴(kuò)散型滲碳工藝,工件在低壓(8~15mbar,1bar=105pa)真空狀態(tài)下,由交替的滲碳和擴(kuò)散構(gòu)成的脈沖式滲碳工藝過程。滲碳時(shí)爐內(nèi)通入滲碳?xì)怏w介質(zhì)(高純乙炔),乙炔在爐內(nèi)高溫低壓下充分裂解后滲入工件表面;強(qiáng)滲結(jié)束后,通入保護(hù)性氣體(高純氮?dú)猓┻M(jìn)行擴(kuò)散,此時(shí)工件表面的碳向工件內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。一次完整的滲碳和擴(kuò)散稱之為一次脈沖,脈沖循環(huán)的次數(shù)及每次脈沖所需的氣體流量根據(jù)工件材料的原始含碳量、裝爐數(shù)量及滲層要求通過計(jì)算機(jī)模擬生成。對(duì)于低壓真空滲碳過程,最主要的工藝參數(shù)是滲碳溫度、真空度和脈沖滲碳循環(huán)的時(shí)間節(jié)拍及氣體流量。

        圖1 德國(guó)ALD真空熱處理生產(chǎn)線

        圖2 低壓滲碳工藝過程

        滲碳工藝過程如圖2所示,爐室內(nèi)的工件在對(duì)流加熱下迅速被加熱到奧氏體化以上溫度(960℃),并進(jìn)行真空加熱使每一個(gè)區(qū)域的工件受熱均勻,隨后進(jìn)入多段脈沖滲碳擴(kuò)散階段,在脈沖滲碳階段結(jié)束后在真空加熱下進(jìn)入最終擴(kuò)散階段。真空加熱后在真空狀態(tài)下轉(zhuǎn)移至真空淬火室,采用高壓氦氣進(jìn)行淬火冷卻。

        2. 高壓氣淬工藝

        高壓氣淬可通過控制氣體壓力、流量,改變氣體的冷卻特性,與鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變相圖相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)更好的淬火冷卻效果。傳統(tǒng)的油淬火技術(shù)在淬火過程中經(jīng)歷三個(gè)主要階段:蒸氣膜階段、沸騰階段、對(duì)流階段,這三個(gè)階段的傳熱系數(shù)不同,工件不同位置的熱傳遞不均勻,導(dǎo)致淬火畸變大。而對(duì)氣體介質(zhì)而言,則僅靠對(duì)流熱傳遞,傳熱系數(shù)始終不變,因此可以保證熱傳遞均勻,從而減少熱處理畸變。兩種不同淬火方式對(duì)比如圖3所示。

        我公司配制的淬火室采用高純氦氣淬火,壓力可根據(jù)零件的不同要求從1~20bar自由調(diào)節(jié),8bar壓力的氦氣淬火能力和熱油淬火能力相當(dāng)。從氦氣使用的經(jīng)濟(jì)性考慮,該套淬火系統(tǒng)還配備了相應(yīng)的氦氣回收系統(tǒng)(見圖4),將淬火后的氦氣清潔回收再利用,回收率可達(dá)99.8%,此外淬火室還配備了導(dǎo)向擋板及風(fēng)扇,根據(jù)擋板方向的不同可以提供三種不同的冷卻方式(見圖5):①從上至下。②從下至上。③上下往復(fù)。對(duì)于不同形狀類型的零件為減小淬火變形提供了更多的淬火冷卻方式。

        二、真空滲碳與傳統(tǒng)滲碳比較

        與傳統(tǒng)的可控氣氛滲碳工藝相比,低壓真空滲碳技術(shù)顯現(xiàn)出以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn):

        (1)工藝時(shí)間短,能效高 傳統(tǒng)滲碳工藝溫度受到爐子性能的影響,最高使用溫度被限制在950℃以下,真空滲碳爐可以將最高使用溫度提高到1050℃。由于滲碳時(shí)碳的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的提高而加快,滲碳速度可以大幅提升,使獲得同樣滲碳深度的時(shí)間大幅縮短,有利于提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。以我公司推盤爐和真空爐生產(chǎn)效率相比(見表1),根據(jù)零件所要求的滲層不同,真空爐生產(chǎn)的工藝時(shí)間比傳統(tǒng)的推盤爐要節(jié)省40%~60%。

        圖4 氦氣回收系統(tǒng)

        圖5 三種淬火冷卻方式

        圖3 兩種不同淬火方式對(duì)比

        表1 低壓滲碳與可控氣氛滲碳效率對(duì)比

        (2)生產(chǎn)零件的清潔度高、成本低 由于采用高壓氣體淬火,零件在淬火后呈銀灰色、光亮狀,徹底解決了傳統(tǒng)用油淬火清洗和污染的問題,實(shí)現(xiàn)了無污染的清潔熱處理工序目標(biāo),同時(shí)節(jié)省了后續(xù)的清洗及清理拋丸工序,降低了生產(chǎn)成本。兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件對(duì)比如圖6所示。

        (3)工件無晶間氧化、無內(nèi)氧化,零件表面抗疲勞性提高 對(duì)于可控氣氛滲碳,傳統(tǒng)的推盤爐是貫通式的,且滲碳時(shí)通入了大量的甲醇(內(nèi)有氧原子)作為稀釋氣體,產(chǎn)生了一定的氧化性氣氛并與合金元素發(fā)生氧化反應(yīng),因此非馬氏體及內(nèi)氧化組織的產(chǎn)生是不可避免的。而低壓真空滲碳是在真空狀態(tài)下進(jìn)行,且使用高純乙炔(純度≥99.5%)作為滲碳介質(zhì),高純氮?dú)猓兌取?9.999%)作為擴(kuò)散時(shí)的稀釋氣體,在低壓真空滲碳狀態(tài)下氧的分壓極低,氧化作用被抑制,這樣就大大降低了非馬氏體及內(nèi)氧化組織的產(chǎn)生。兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件組織對(duì)比如圖7所示。

        圖6 兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件對(duì)比

        圖7 兩種滲碳爐生產(chǎn)的零件組織對(duì)比

        (4)改善盲孔位置處的滲碳 工件上的盲孔(不通孔)多為半封閉結(jié)構(gòu),其底部的氣體流動(dòng)性較差,活性碳原子無法及時(shí)得到補(bǔ)充,盲孔底部的滲碳層深度會(huì)明顯小于盲孔頂部的滲碳層深度,形成通常所說的“喇叭口”形狀。在真空滲碳的條件下,材料在真空加熱即均勻加熱結(jié)束后,開始脈沖滲碳,幾秒鐘便可達(dá)到滲碳的壓力,工件表面各部分就會(huì)均勻地處于滲碳?xì)夥罩虚_始滲碳。工藝要求的強(qiáng)滲時(shí)間結(jié)束后,真空泵組抽出滲碳?xì)夥眨謴?fù)到原來的真空度進(jìn)行擴(kuò)散。如此循環(huán)往復(fù)直至脈沖滲碳的次數(shù)結(jié)束。因此,在真空滲碳的條件下,盲孔的底部氣體流動(dòng)性不受封閉式結(jié)構(gòu)的影響,滲碳?xì)夥湛删鶆虺錆M整個(gè)盲孔,得到均勻的滲碳層,改善盲孔滲碳所出現(xiàn)的“喇叭口”現(xiàn)象。

        (5)淬火畸變小 表2分別列舉了兩種軸在采用不同熱處理工藝后的圓跳動(dòng)統(tǒng)計(jì)情況,對(duì)于軸類零件的校直我們采用三點(diǎn)測(cè)量控制,從表2中我們可以看出三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的圓跳動(dòng)同時(shí)都在0.04mm以內(nèi)的真空爐生產(chǎn)的零件達(dá)到66.67%,而連續(xù)爐生產(chǎn)出來的零件卻只占29.56%。且真空爐生產(chǎn)的軸類零件的圓跳動(dòng)幾乎沒有超過0.1mm,在提高校直節(jié)拍及產(chǎn)能的同時(shí)又大幅降低了零件由于圓跳動(dòng)過大而引起的校直斷裂的質(zhì)量問題。由于零件的變形較小,還可以降低熱處理后的磨削量,因此可以極大地降低零件的生產(chǎn)成本。

        三、工藝模擬

        對(duì)于低壓真空滲碳過程,最主要的工藝參數(shù)是滲碳溫度、真空度和脈沖滲碳循環(huán)的時(shí)間節(jié)拍及氣體流量。圖8為C-sim滲碳模擬的程序界面。

        模擬軟件主要需要輸入的參數(shù)有滲碳溫度、工件原始碳濃度、工件的裝載面積、試塊的材料及面積、最終表面碳濃度、要求的滲碳層深度及對(duì)應(yīng)的碳濃度,通過輸入這些參數(shù)即可模擬出脈沖滲碳循環(huán)的時(shí)間節(jié)拍及氣體流量,如圖9所示。

        表2 軸類零件熱處理后圓跳動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)

        圖8 C-sim 滲碳模擬界面

        最終表面碳濃度按照汽車行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn),一般設(shè)定為0.65%~0.8%。過高的表面碳濃度將會(huì)導(dǎo)致表面過高的殘留奧氏體和不適合的碳化物出現(xiàn),軟件中還根據(jù)不同合金設(shè)定了每次脈沖滲碳后表面最大的碳濃度,超過該濃度值則將可能產(chǎn)生碳化物組織;過低的表面碳濃度則不利于表面硬度及耐磨性的提高。工藝設(shè)定滲碳層深對(duì)應(yīng)的碳濃度可以根據(jù)SAE J 423或類似標(biāo)準(zhǔn)獲得,如515HV1對(duì)應(yīng)的碳濃度為0.35%。

        圖9 模擬輸出的低壓滲碳工藝

        另外,還可以將隨爐試塊的材料及表面積輸入到軟件中,軟件會(huì)根據(jù)此次裝爐量來計(jì)算試塊在該工藝熱處理后增重多少,在以后長(zhǎng)期穩(wěn)定地生產(chǎn)后,根據(jù)數(shù)據(jù)積累對(duì)比,可以通過稱重法來直接評(píng)定該爐零件大致的滲碳層深,節(jié)省了大量的檢測(cè)時(shí)間。軟件中還設(shè)置有e-function功能,該功能可模擬出每次脈沖滲碳的乙炔流量最大利用率,不僅節(jié)省了滲碳介質(zhì)的通入量,同時(shí)避免因乙炔流量過多導(dǎo)致的過滲及因產(chǎn)生過多炭黑而帶來的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)問題。

        四、結(jié)語

        (1)低壓真空滲碳是一種環(huán)保節(jié)能的“綠色”熱處理技術(shù),該技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量及制造產(chǎn)能都有極大的提高。

        (2)零件高壓氣體淬火后變形小,可以整體縮短零件的加工工序節(jié)拍,降低熱處理后的磨削量,可極大地降低零件的生產(chǎn)成本。

        (3)真空滲碳的工件盲孔位置滲碳均勻,無晶間及內(nèi)氧化,大幅提升了零件表面的抗疲勞性。

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