CN101187002A - 减少内氧化的渗碳工艺 - Google Patents
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Abstract
一种减少内氧化的渗碳工艺，采用了氮气和丙烷做载气，用甲醇分解为一氧化碳作为渗碳热处理的碳来源。本发明由于采用了氮气和丙烷做载气，因而在原理上能够有效减少渗碳时出现的内氧化现象，同时还减少了气氛渗碳时工业有害气体的排放；不需要气体发生装置，直接输入气体，节省了生产成本，降低了设备复杂程度，利于设备的维护；能够显著提高渗碳速度，极大地节约了能源，单位产值大为提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种减少内氧化的渗碳工艺，该工艺能够减少滴注热处理炉吸热式气氛渗碳时的内氧化问题。
背景技术
传统的吸热式气氛热处理，由于其必然存在的氧化性气氛，使工件表面及近表面脱碳，氧化严重，加大了热处理后零件的加工时间及加工难度，对金属材料也是一种极大的浪费。
而氮基气氛热处理技术是近年来发展起来的新工艺。它可以取代以石油液化气为原料的吸热式气氛或氨分解气氛等，由于其产生的氧化性气体极少(若气体纯度足够的话)可以达到无氧化加热和化学加热的目的。而且其气氛重现性与渗碳均匀性均不低于吸热式气氛热处理。
随着石油、天然气产品售价节节升高，吸热式气氛热处理工艺中石油或天然气产品的消耗极大，更加促成了氮基气氛热处理技术对传统吸热式气氛热处理的升级换代。
发明内容
本发明的目的就是提供一种减少内氧化的渗碳工艺，以解决现有技术存在的的问题。
本发明的技术方案是：采用具有前室和后室的渗碳炉，其特征在于：包括以下步骤：
(1)工件装料：将工件装于料架上；
(2)前清洗及烘干：将装于料架上的工件进行常规清洗和烘干，清除工件和料架表面不利于热处理的污染物；
(3)将工件送入渗碳炉的前室；
(4)向渗碳炉的后室通入氮气：排除后室的空气，防止内氧化；
(5)渗碳炉的前室换气：利用前后室之间的通气孔，用氮气将前室的空气排出，并继续通入氮气；
(6)将工件送入后室；
(7)后室加热至工艺需要的温度，经过常规的试验即可获得该温度值；
(8)向后室通入甲醇和丙烷，根据工艺需要调节氮气、甲醇和丙烷的流量。经过常规的试验即可获得该三种气体的流量比例。
(9)工艺运行时间根据渗碳厚度试验而定；
(10)工艺完成降温，停止通入甲醇和丙烷，并继续通入氮气，以排空后室中的渗碳气体；
(11)度降到较低时，工件出炉，停氮气。
所述的甲醇是以液态喷入，喷入后迅速气化并裂解成一氧化碳和氢气，在炉内的温度下甲醇的分解可以很快达到平衡，甲醇作为渗碳热处理的碳来源。
所述的氮气以液态形式存储，通入时能迅速气化，用来作为渗碳的保护气体；所述的丙烷为富化气丙烷。
所述的一氧化碳的体积百分含量是根据甲醇完全分解及通入富化气丙烷的比例计算而得，根据一氧化碳的量有试验得出其与碳势的关系，确定气态甲醇与气态氮气的体积百分比，可以通过控制它，实现对渗碳速度的控制。
所述的丙烷流量为气态甲醇与气态氮气合成气总量的约6％(体积比)，是渗碳最好的配置。
本发明由于采用了氮气和丙烷做载气，因而在原理上能够有效减少渗碳时出现的内氧化现象，同时还减少了气氛渗碳时工业有害气体的排放；不需要气体发生装置，直接输入气体，节省了生产成本，降低了设备复杂程度，利于设备的维护；能够显著提高渗碳速度，极大地节约了能源，单位产值大为提高。
具体实施例方式
本发明的工艺在具有前室和后室的渗碳炉内进行，包括以下步骤：
(1)工件装料：将工件装于料架上；
(2)前清洗及烘干：将装于料架上的工件进行常规清洗和烘干(表面没有液体为止)，清除工件和料架表面不利于热处理的污染物；
(3)将工件送入渗碳炉的前室；
(4)向渗碳炉的后室通入氮气：排除后室的空气，防止内氧化；
(5)渗碳炉的前室换气：利用前后室之间的通气孔，用氮气将前室的空气排出，并继续通入氮气；
(6)将工件送入后室；
(7)后室加热至工件的热处理工艺要求的温度，根据试验获得经验值(参加下面的具体实施例)。
(8)向后室通入甲醇和丙烷，并根据工艺需要调节氮气、甲醇和丙烷的流量(参加下面的具体实施例)。
(9)工艺运行时间根据渗碳厚度而定(参加下面的具体实施例)。
(10)工艺完成降温，停止通入甲醇和丙烷，并继续以原流量通入氮气，以排空后室中的渗碳气体甲醇。
(11)度降到较低时，工件出炉，停氮气。至此完成一个工艺过程。
下面以一个工件为例说明工艺中涉及的各个参数：
工件：20CrMo，外径90mm，高25mm，厚12mm的轴承圈；
客户技术要求：渗碳深度：0.8-1.0mm；
后室从室温加热至920℃，保温300分钟；其中前180分钟碳势为1.1，后120分钟碳势0.9。碳势(Carbon Potential，Cp)是表征含碳气氛在一定温度下与钢件表面处于平衡时可使钢表面达到的碳含量，一般采用低碳钢箔片测量，将厚度小于0.1mm的低碳钢箔片置于渗碳气氛介质中施行穿透渗碳后，测定钢箔的含碳量。此数值即为此渗碳介质在该渗碳温度下的碳势。
降温至910℃保温90分钟碳势0.8；
降温至850℃补碳碳势0.7，拉至前室，淬火。
三种气体的浓度参见表1的数据，从左数(下同)第二列表示一氧化碳的体积百分含量，是根据甲醇完全分解及通入富化气的比例计算而得，根据一氧化碳的量有试验得出其与碳势的关系。第三列表示甲醇的流量，甲醇是以液态喷入，喷入后迅速气化并裂解成一氧化碳和氢气，温度一定时，甲醇的分解可以很快实现平衡，甲醇是渗碳热处理的碳来源。第四列表示的是通入的氮气流量，氮气以液态形式存储，通入时能迅速气化，用来作为渗碳的保护气体。第五列表示的是甲醇(气态)与氮气(气态)的体积百分比，可以通过控制它，实现对渗碳速度的控制。第六列表示的是通入富化气丙烷的流量，它起稀释气体的作用，经过多次试验，检测丙烷流量为合成气的物质的量的约6％，是渗碳最好的配置。
表1、相关参数表
| 序号 | CO(％) | CH3OH(ml/h) | 气态N2(l/min) | CH3OH/N2 | 丙烷(l/min) |
| 1 | 15 | 1127.48 | 38.0688 | 0.2727 | 4.2 |
| 2 | 16 | 1200.06 | 35.9923 | 0.3077 | |
| 3 | 17 | 1275.06 | 33.9158 | 0.3469 | |
| 4 | 18 | 1350.07 | 31.8394 | 0.3913 | |
| 5 | 19 | 1425.07 | 29.7629 | 0.4419 | |
| 6 | 20 | 1500.08 | 27.6864 | 0.5 | |
| 7 | 21 | 1575.08 | 25.6099 | 0.5676 | |
| 8 | 22 | 1650.08 | 23.5334 | 0.6471 | |
| 9 | 23 | 1725.09 | 21.4570 | 0.7419 | |
| 10 | 24 | 1800.09 | 19.3805 | 0.8571 | |
| 11 | 25 | 1875.09 | 17.3040 | 1 | |
| … | … | … | … | … | |
| 12 | 33 | 2500 | 0 | - |
在具体实施过程中，根据需要的渗碳速度及渗碳时间，选择合适的CO百分浓度，根据计算试验了一个浓度参数24％，见表1中第10横栏中的数据。
根据具体热处理材料的不同，使用不同的工艺，因此温度和时间是变量；在热处理过程中，维持气体的流量始终不变(没有大变动，只有较小的波动)；炉内压力，在生产过程中是变量(不是真空炉)；使用的液态甲醇的密度是0.791g/cm3；丙烷的通入量是按照实际试验的出的最佳值(约4L/min)。由于工业用天然气价格上涨10％以上，而甲烷是由天然气的主要成分，因此工业用甲烷价格上涨幅度很大，采用本发明后，能够不使用甲烷，而氮气和甲醇的成本很低，从而极大的降低了成本。
Claims (5)
1.一种减少内氧化的渗碳工艺，采用具有前室和后室的渗碳炉，其特征在于：包括以下步骤：
(1)工件装料：将工件装于料架上；
(2)前清洗及烘干：将装于料架上的工件进行常规清洗和烘干，清除工件和料架表面不利于热处理的污染物；
(3)将工件送入渗碳炉的前室；
(4)向渗碳炉的后室通入氮气：排除后室的空气，防止内氧化；
(5)渗碳炉的前室换气：利用前后室之间的通气孔，用氮气将前室的空气排出，并继续通入氮气；
(6)将工件送入后室；
(7)后室加温至900～950℃；
(8)向后室通入甲醇和丙烷，并根据工艺需要调节氮气、甲醇和丙烷的流量；
(9)工艺运行时间根据渗碳厚度和渗碳气体浓度而定；
(10)工艺完成降温，停止通入甲醇和丙烷，并继续通入氮气，以排空后室中的渗碳气体；
(11)度降到较低时，工件出炉，停氮气。
2.根据权利要求1所述的减少内氧化的渗碳工艺，其特征在于：所述的甲醇是以液态喷入，喷入后迅速气化并裂解成一氧化碳和氢气，在炉内的温度下甲醇的分解可以很快达到平衡，甲醇作为渗碳热处理的碳来源。
3.根据权利要求1或2所述的减少内氧化的渗碳工艺，其特征在于：所述的氮气以液态形式存储，通入时能迅速气化，用来作为渗碳的保护气体；所述的丙烷为富化气丙烷。
4.根据权利要求3所述的减少内氧化的渗碳工艺，其特征在于：所述的一氧化碳的体积百分含量是根据甲醇完全分解及通入富化气丙烷的比例计算而得，根据一氧化碳的量有试验得出其与碳势的关系，确定气态甲醇与气态氮气的体积百分比，可以通过控制它，实现对渗碳速度的控制。
5.根据权利要求1所述的减少内氧化的渗碳工艺，其特征在于：所述的丙烷流量为气态甲醇与气态氮气合成气总量的约6％(体积比)，是渗碳最好的配置。
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