低壓真空滲碳與高壓氣淬技術(shù)具有無內(nèi)氧化，表面質(zhì)量好，變形微小，工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性好，熱處理零件綜合性能優(yōu)異，使用壽命長(zhǎng)，無污染無公害，耗電少，生產(chǎn)成本低，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車變速器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及摩托車齒輪等零件的熱處理。由于該項(xiàng)技術(shù)無論從工藝還是設(shè)備上已經(jīng)很成熟，已成為可行替代可控氣氛滲碳的有效方法。
一、技術(shù)
1、低壓真空滲碳（LPC）技術(shù)
常規(guī)氣體滲碳易產(chǎn)生表面內(nèi)氧化（IGO），在滲層表面薄層內(nèi)出現(xiàn)非馬氏體組織，從而降低齒輪的疲勞性能。低壓真空（1333~1.33×10-1Pa）滲碳用于齒輪和結(jié)構(gòu)鋼件等，可提高滲碳層質(zhì)量，表面無內(nèi)氧化。采用計(jì)算機(jī)模擬輔助控制的真空滲碳工藝，用較短的處理時(shí)間和較少的滲碳?xì)怏w消耗，保證取得良好的滲碳效果：滲碳層深度偏差≤±0.05mm，表面碳含量均勻度≤±0.05%。用乙炔取代丙烷滲碳已成為真空滲碳的發(fā)展趨勢(shì)。常規(guī)滲碳熱處理周期較長(zhǎng)，該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高溫（950~1050℃）滲碳，從而提高滲碳速度，是熱處理節(jié)能的重要方法之一。
2、高壓氣淬（HPGQ）技術(shù)
齒輪等零件滲碳后在氣體中冷卻比液體中冷卻的均勻，故淬火畸變小。許多氣體可用作氣淬氣體，如氬氣、氦氣、氫氣、氮?dú)庖约八鼈兊幕旌蠚怏w。用氮?dú)膺M(jìn)行齒輪的氣淬，比較經(jīng)濟(jì)，目前85%~95%氣淬室采用氮?dú)猓慊饓毫νǔ?MPa。高壓氣淬可以通過控制（惰性）氣體的壓力、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)最理想的淬火冷卻，從而減少齒輪畸變，提高心部強(qiáng)度。
3、低壓真空滲碳與高壓氣淬技術(shù)
低壓真空滲碳不僅可以有效地避免常規(guī)滲碳淬火出現(xiàn)的表面非馬氏體等組織缺陷，顯著改善齒輪等零件表面質(zhì)量，而且與高壓氣體淬火相結(jié)合可以顯著減少熱處理畸變，通過提高滲碳溫度可減少處理時(shí)間，從而降低能源消耗和氣體消耗。因此，真空低壓滲碳與高壓氣淬相結(jié)合是當(dāng)今一種先進(jìn)的滲碳淬火工藝，可以稱之為真正意義上的環(huán)保型綠色熱處理技術(shù)。
二、設(shè)備
真空熱處理爐可以按用途、真空度、工作溫度、作業(yè)性質(zhì)、爐型結(jié)構(gòu)及熱源等進(jìn)行分類。如按作業(yè)性質(zhì)可分為周期式真空爐、半連續(xù)和連續(xù)式真空爐。按爐型結(jié)構(gòu)形式可分為立式真空爐和臥式真空爐。
（1）單室低壓真空滲碳爐
零件加熱滲碳和高壓氣淬都在同一室內(nèi)進(jìn)行，冷速及生產(chǎn)效率相對(duì)較低。
（2）雙室及三室低壓真空滲碳爐
雙室爐由一個(gè)加熱滲碳室和一個(gè)氣淬室構(gòu)成（如Ipsen公司RVMotor型）。零件先在加熱室滲碳后降溫至淬火溫度，然后將零件推到冷卻室施行高壓氣淬，可以顯著提高冷速和生產(chǎn)效率。三室爐（如國(guó)產(chǎn)WZST型）中間是加熱室（滲碳室），一端是油冷室，另一端是氣淬室，滲碳件可從任意一端進(jìn)出。三室爐結(jié)構(gòu)（如ECM公司ICBP966型）也可以是前室為進(jìn)料和淬火用，中間室為零件周轉(zhuǎn)用，后室為滲碳用。雙室爐及三室爐適用于小批量、多品種的生產(chǎn)。
在雙室和三室爐中施加電場(chǎng)就可以施行低壓離子滲碳。離子滲碳用于航空齒輪處理時(shí)，其滲層更加均勻，齒根滲碳層更深。
（3）多室的半連續(xù)式低壓滲碳高壓氣淬爐（生產(chǎn)線）
在一個(gè)真空通道的兩側(cè)（臥式）設(shè)置多個(gè)滲碳室和一個(gè)高壓氣淬室等。零件先在加熱室加熱，到溫后通入滲碳?xì)怏w進(jìn)行滲碳，然后降溫到淬火溫度，零件被推入氣淬室。該爐型適用于批量較大的齒輪等零件滲碳淬火。該類爐型代表性企業(yè)有Ipsen、ALD及ECN公司等。
（4）多室的連續(xù)式低壓真空滲碳高壓氣淬自動(dòng)生產(chǎn)線
由若干個(gè)滲碳室、擴(kuò)散室、氣淬室、油淬室等組成。適用于大批量的齒輪等零件滲碳淬火。如ALD公司的VMKZQ型多室連續(xù)式真空爐生產(chǎn)線，其是進(jìn)行真空滲碳和高壓氣淬的連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線，直線排列，依次為裝載抽空室、加熱室、真空滲碳室（丙烷）、擴(kuò)散室、氣淬室（氦氣），各工作室間用密封隔熱閘門隔開。
與周期式真空滲碳爐（如單室爐）相比，半連續(xù)式及連續(xù)式真空滲碳爐生產(chǎn)效率可分別提高25%和40%左右。半連續(xù)式及連續(xù)式低壓滲碳高壓氣淬自動(dòng)生產(chǎn)線將成為高品質(zhì)齒輪等零件滲碳熱處理設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)之一。
目前，國(guó)內(nèi)真空熱處理設(shè)備主要生產(chǎn)廠家有：北京機(jī)電研究所、北京華翔電爐技術(shù)有限責(zé)任公司、北京航天萬源科技公司工業(yè)電爐廠、首都航天機(jī)械公司工業(yè)電爐廠、江蘇豐東熱技術(shù)股份有限公司、沈陽真空技術(shù)研究所等。
在我國(guó)國(guó)外知名獨(dú)資或合資企業(yè)/公司有：依西埃姆（北京）工業(yè)爐貿(mào)易有限責(zé)任公司、北京易西姆工業(yè)爐科技發(fā)展有限公司、益發(fā)工業(yè)爐（蘇州）有限公司、易普森工業(yè)爐（上海）有限公司、德國(guó)IVA（益發(fā)）工業(yè)爐有限公司（上海辦事處）、德國(guó)ALD真空工業(yè)股份公司上海辦事處、賽科沃克（天津）工業(yè)爐有限公司、愛發(fā)科中北真空（沈陽）有限公司、上海匯森益發(fā)工業(yè)爐有限公司等。
德國(guó)ALD公司的模塊化柔性低壓真空滲碳高壓氣淬生產(chǎn)線（見圖1），一字排開的是沒有前室的密封低壓滲碳爐，在軌道上行走的是公用高壓氣淬設(shè)施。低壓真空滲碳采用工藝模擬專家系統(tǒng)，保證金相組織；施行高壓氣體淬火，有效地降低齒輪變形；可用整合到整個(gè)生產(chǎn)線上，從而滿足大批量生產(chǎn)（欲了解更多齒輪低壓滲碳技術(shù)，可看《金屬加工（熱加工）》雜志2014年11期雜志。）。
圖 1
北京機(jī)電研究所生產(chǎn)的WZST系列三室真空高溫低壓滲碳爐，三室爐中間是加熱室（滲碳室），一端是油冷室，另一端是氣淬室。可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)齒輪等零件的滲碳淬火。
依西埃姆（北京）工業(yè)爐貿(mào)易有限責(zé)任公司（法國(guó)ECM全資子公司）的周期式或連續(xù)式低壓真空滲碳爐生產(chǎn)線（見圖2），現(xiàn)已用于浙江雙環(huán)齒輪有限公司、沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)、西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、哈爾濱東安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司等。
圖 2
易普森生產(chǎn)的RVHT-QGP型低壓真空滲碳高壓氣淬雙室爐，由1個(gè)加熱室和1個(gè)氣體淬火室組成。氣淬采用氮?dú)猓饣騼烧呋旌衔铮慊饓毫?MPa。用于16MnCr5鋼制斜角驅(qū)動(dòng)齒輪（單件重量4kg）滲碳淬火時(shí)，滲碳溫度930℃，滲碳化富化劑采用乙炔。
三、應(yīng)用
1992年法國(guó)ECM公司為雪鐵龍公司的變速器齒輪等生產(chǎn)提供一臺(tái)ICBP型低壓真空滲碳爐生產(chǎn)線。標(biāo)準(zhǔn)的低壓真空滲碳爐由一個(gè)或多個(gè)加熱滲碳室，一個(gè)氣淬室，一個(gè)裝卸料室，一個(gè)轉(zhuǎn)送室等組成。滲碳冨化氣采用丙烷氣，氣淬室采用高壓氮?dú)饫鋮s，氣淬壓力0.1~2MPa范圍可調(diào)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可同時(shí)控制多個(gè)滲碳室中進(jìn)行的不同工藝。
1998年法國(guó)雷諾變速箱工業(yè)公司采用法國(guó)ECM公司生產(chǎn)的ICBPH600TG低壓真空滲碳高壓氣淬生產(chǎn)線進(jìn)行齒輪的滲碳淬火處理。該條生產(chǎn)線由6個(gè)加熱滲碳室（最大裝爐量500kg）和1個(gè)2MPa的氣淬室組成。由一個(gè)壓縮機(jī)提供給儲(chǔ)氣罐高壓氮?dú)狻Ｓ糜?N13鋼制差動(dòng)環(huán)齒輪和齒輪軸滲碳淬火時(shí)，每件重量10~40kg。差動(dòng)環(huán)齒輪滲碳溫度980℃，降溫至860℃進(jìn)行高壓氣淬1500s，淬火壓力0.25MPa。齒輪軸滲碳溫度980℃，降溫至860℃進(jìn)行高壓氣淬，淬火壓力1.25MPa。同常規(guī)碳氮共滲推桿爐對(duì)比，一對(duì)齒輪的生產(chǎn)成本要節(jié)約23%左右。
目前，周期式低壓滲碳高壓氣淬爐、半連續(xù)式低壓滲碳生產(chǎn)線已在上海汽車工業(yè)集團(tuán)、一汽集團(tuán)、二汽神龍汽車公司等得到應(yīng)用，用于載重汽車變速器及發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、轎車發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器齒輪、重載汽車的齒套等零件的滲碳淬火。
1998年上汽股份汽車齒輪總廠引進(jìn)一臺(tái)法國(guó)ECM公司的ICBP-966型低壓真空滲碳爐，用于“別克”轎車自動(dòng)變速器主減速太陽輪、同步器齒套等零件滲碳淬火，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
之后又引進(jìn)2條ICBP低壓真空滲碳高壓氣淬生產(chǎn)線，如ICBP600TG型用于“通用”轎車GF6變速器齒輪等零件的滲碳淬火。
五糧液普什集團(tuán)公司引進(jìn)法國(guó)ECM公司ICBP-966型低壓真空滲碳?xì)獯銧t，三室結(jié)構(gòu)，一個(gè)滲碳室，一個(gè)中間室，一個(gè)淬火室。最高冷卻氣壓力2×106Pa，冷卻氣體為99.999%的高純度氮?dú)狻B碳富化劑的純度為98%的丙烷氣。用于精密齒輪滲碳淬火時(shí)，滲碳溫度950℃，氣體淬火。同常規(guī)井式爐氣體滲碳相比，縮短時(shí)間58%左右。
來源：熱處理生態(tài)圈
作者：金榮植
單位：哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司
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