輥底式熱處理爐表面氧化脫碳原因及預(yù)防措施

楊喜軍，郭永強，俞繼瑤，張鴻翔，文婧

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承零件的熱處理工藝不同于車、磨加工，特別是淬火熱處理幾乎是一個不可補救的過程，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，處置不當將造成整批產(chǎn)品的報廢，因此，對淬火加熱設(shè)備整體水平要求非常高。目前，國內(nèi)軸承零件熱處理的總體趨勢已轉(zhuǎn)向無氧化可控氣氛的熱處理或真空熱處理，傳統(tǒng)空氣熱處理爐因能耗高、零件表面氧化脫碳嚴重、淬火變形大等已逐漸退出舞臺。但即使是帶保護氣氛的熱處理爐淬火加熱仍存在由于設(shè)備設(shè)計缺陷或某些不可避免的原因而導(dǎo)致零件表面在加熱爐內(nèi)發(fā)生氧化脫碳，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

1 軸承零件表面氧化脫碳原因分析

氧化是指零件在淬火加熱時，與爐氣中的氧氣、水蒸氣以及二氧化碳等氧化性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使零件表面的化學(xué)性能發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。脫碳是指在加熱過程中零件中的碳與氣氛中的氧氣、水、二氧化碳及氫氣等發(fā)生反應(yīng)，形成含碳氣體逸出零件表面，使零件表面含碳量降低的現(xiàn)象[1]。如果零件在淬火爐內(nèi)加熱時爐氣中含碳量低于零件的含碳量，將發(fā)生鋼的表面脫碳。脫碳包括兩個過程：一是零件表面與爐內(nèi)氣氛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成含碳氣體逸出表面，表面碳濃度降低；二是表面碳濃度降低后在零件表面與內(nèi)部之間出現(xiàn)碳濃度差，內(nèi)部發(fā)生碳原子向外擴散。脫碳層只有在脫碳速度大于氧化速度時才能形成，當氧化速度很大時，可能不會發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即使脫碳層產(chǎn)生后，基體也會快速氧化而生成一層致密的氧化膜阻止碳原子向外逸出。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，才可能形成較深的脫碳層。在強氧化氣氛中加熱時，表面脫碳和表面氧化往往同時發(fā)生。一般情況下，軸承鋼的表面脫碳比表面氧化更容易發(fā)生。

熱處理爐內(nèi)的保護氣氛是多種氣體的混合物，有氧化性氣體、中性氣體、還原性氣體和滲碳性氣體等。在高溫下加熱時其化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，不論是氧化脫碳反應(yīng)，還是還原增碳反應(yīng)，除自由氧原子參與的反應(yīng)外，都能在一定條件下達到平衡，甚至進行可逆反應(yīng)。而氧對軸承鋼的氧化反應(yīng)是不可逆的，并且非常強烈，如軸承鋼在中性氣體氮中退火時，爐內(nèi)的含氧量只要有萬分之幾，就能使零件氧化。鹽浴氮基保護氣氛輥底式熱處理爐內(nèi)氣體的主要成分有一氧化碳、氫氣、氮氣、二氧化碳、水蒸氣和甲烷等。需首先對可能引起氧化脫碳的各種氣體進行分析，找出這些氣體進入爐內(nèi)的可能途徑，并逐項排除，從而解決由于氣氛問題造成的零件氧化脫碳。

1.1 O2的影響

氧化脫碳最常見的原因是爐內(nèi)有空氣進入，淬火加熱爐總長超過4 m，零件從進入爐膛到離開要經(jīng)過較長的加熱過程，中間任意一處出現(xiàn)問題都可能使零件出現(xiàn)氧化脫碳，如爐膛兩側(cè)或爐頂加熱器、光電開關(guān)、窺視孔出現(xiàn)泄漏問題等。氧氣具有很強的氧化性和脫碳性，氧化反應(yīng)為：2Fe+O2→2FeO，F(xiàn)e3C+O2→3Fe+CO2(不可逆反應(yīng))。一旦有氧氣進入爐內(nèi)，將會對爐內(nèi)零件造成致命的損傷。

1.2 H2O的影響

當爐內(nèi)有水或水汽進入時，水被高溫裂解形成活躍的氧離子，很容易與零件發(fā)生氧化反應(yīng)：2Fe+H2OFeO+H2，F(xiàn)e3C +H2O3Fe+H2+CO。氧離子既可以與鐵結(jié)合生成氧化鐵，也可以與鐵中的碳原子結(jié)合生成一氧化碳。因此，當爐內(nèi)水或水汽的含量達到一定濃度時，零件必然出現(xiàn)氧化脫碳。

1.3 CO2的影響

爐內(nèi)CO2對鐵及其碳化物的化學(xué)反應(yīng)為：Fe+CO2FeO+CO，F(xiàn)e3C +CO23Fe+2CO。一般爐內(nèi)很少出現(xiàn)單獨由CO2氣體造成的氧化脫碳，這主要是由于高溫加熱爐內(nèi)CO2氣體不可能大量存在，也很少有CO2氣體在爐內(nèi)大量產(chǎn)生。但CO2氣體能與爐內(nèi)的H2發(fā)生反應(yīng)，生成水而造成零件的氧化脫碳。

2 淬火爐結(jié)構(gòu)及氧化脫碳的原因

2.1 淬火爐和淬火槽的結(jié)構(gòu)

保護氣氛輥底式熱處理生產(chǎn)線淬火加熱爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前后鎖氣室、加熱爐、淬火槽等組成。加熱爐前端的前鎖氣室主要作用是防止在打開爐門進料時爐內(nèi)、外直接發(fā)生氣體交換，其設(shè)置有2道爐門，前端爐門有盤根密封并有機械自動預(yù)鎖緊裝置，后端爐門置于傳動輥棒上起隔熱作用，2道爐門逐級進料可有效防止空氣直接通過爐門進入加熱爐內(nèi)；出爐原理與進爐剛好相反，可以有效防止淬火槽內(nèi)鹽蒸氣和水蒸氣直接進入加熱爐，后鎖氣室頂部設(shè)置有加熱器和溫控系統(tǒng)，以防止零件在出爐進入鹽浴淬火過程中溫度下降過快；淬火加熱爐輥棒上、下各有一排加熱器；爐頂安裝有測溫熱電偶和監(jiān)測氧勢的氧探頭，爐頂中央安裝有一臺高溫攪拌風扇。

圖1 輥底式淬火爐及淬火槽結(jié)構(gòu)示意圖

采用熔鹽鹽浴淬火，淬火槽設(shè)計為2個工位，中間密封隔板將淬火槽分割成淬火室和出料室2個獨立空間，熔鹽液面高于密封隔板底部，使淬火室完全封閉。淬火室頂部有配重的放散閥，為防止高溫鹽蒸氣和水蒸氣(為改善淬火組織轉(zhuǎn)化，一般淬火槽內(nèi)加有適量的水)在密閉的淬火室內(nèi)急劇膨脹發(fā)生爆炸，放散閥會自動打開放氣(打開時間可調(diào))，也可以防止鹽蒸氣和水蒸氣向后鎖氣室擴散，影響淬火加熱爐內(nèi)的氣氛保持。

2.2 保護氣氛輥底爐氧化脫碳原因

保護氣氛輥底式淬火爐零件出現(xiàn)表面氧化脫碳除材料本身原因外，一般與爐體的氣密性有關(guān)，當爐內(nèi)與外部發(fā)生氣體交換時，保護氣氛將失去保護作用而導(dǎo)致零件表面氧化或脫碳。根據(jù)輥底爐結(jié)構(gòu)特點，其發(fā)生氣體泄漏的部位可能有前后爐門、加熱器安裝孔、測溫熱電偶安裝孔、氧探頭安裝孔、保護氣體通入管口、放散閥、窺視孔以及輥棒傳動裝置等。當出現(xiàn)零件氧化脫碳時，應(yīng)根據(jù)氧化脫碳層厚度進行分析判斷，采用逐項排除法分析解決問題。

當零件發(fā)生較嚴重的氧化或脫碳時，首先查看氧勢讀數(shù)。氧勢大小反映爐內(nèi)氣氛的氧濃度，氧勢越大說明氧的含量越少，爐內(nèi)氣氛的碳含量越高。正常生產(chǎn)保證氧勢為950～1 200 mV，氧勢過大過小都不利，氧勢過大可能使零件滲碳，反之則會脫碳。當發(fā)現(xiàn)氧勢不在正常范圍內(nèi)時，還需要分析氧勢測量裝置的可靠性，簡單方法是對氧探頭進行手動燒炭，以確認測量裝置的完好性。其次，檢查爐壓是否正常。保護氣氛輥底式淬火爐正常爐壓為(230±50)mm水柱，爐壓過高過低都不合適，爐壓過高說明通入爐內(nèi)的富化氣(丙烷、氮氣等)流量過大，既存在安全隱患，又浪費資源；爐壓過低可能是通入的氣體流量不足，或是爐內(nèi)密封出現(xiàn)問題，需要對爐膛密封進行專項檢查。

然而，微小的泄漏一般很難從氧勢或爐壓上反映出來，其對加熱爐整體性能參數(shù)影響也很小，往往會被忽略。但當零件表面出現(xiàn)氧化脫碳時，泄漏問題可能已經(jīng)很嚴重，這時再對設(shè)備進行檢查就顯得被動。因此，在日常工作中就應(yīng)該做好對可能發(fā)生泄漏部位的檢查和確認，以預(yù)防零件表面質(zhì)量問題的發(fā)生。

3 預(yù)防措施

熱處理加工是一個連續(xù)的過程，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，從取樣到得出檢驗結(jié)果需要近1 h，可能已經(jīng)造成重大損失。因此，需要設(shè)計使用部門與管理部門在日常工作中定期對可能發(fā)生泄漏的重點部位進行氣密性檢查，預(yù)防問題的發(fā)生。

3.1 點檢淬火加熱爐爐壓

爐壓直觀顯示加熱爐的氣密性，日常點檢淬火加熱爐爐壓，當爐壓小于170 mm水柱時，應(yīng)及時采取有效措施，防止發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量事故。

3.2 爐門密封性檢查

定期檢查(每月停爐時)爐門處密封條是否損壞、脫落，爐門有無變形；爐門導(dǎo)向機構(gòu)有無變形，固定機構(gòu)是否松動，確保爐門處無泄漏。

3.3 輻射管密封性檢查

輻射管幾乎分布整個淬火加熱爐爐膛，其長期處于高溫環(huán)境下，可能造成輻射管開裂、破損；受熱下垂可能導(dǎo)致凸緣口處密封不嚴；輻射管質(zhì)量不合格也可能使管壁破損漏氣；發(fā)熱元件對地短路瞬間可能將輻射管擊穿。因此，每半年對輻射管的氣密性進行一次檢查，并將輻射管旋轉(zhuǎn)180°安裝，以防止輻射管受熱朝一個方向彎曲變形。

3.4 檢測氧勢測量裝置的準確性

氧勢(碳勢)測量裝置通常為氧探頭，除依照使用說明進行日常維護外，需定期手動進行燒炭試驗，觀察氧勢(碳勢)的變化情況，及時清理積炭或更換氧探頭。

3.5 傳動鏈條防護蓋板密封性檢查

輥底式加熱爐主傳動電動機帶動大鏈條，大鏈條被壓鏈板、張緊輪機構(gòu)緊壓在輥棒鏈輪上，鏈輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動輥棒轉(zhuǎn)動，帶動輥棒上的料盤前進。輥棒傳動機構(gòu)的密封主要是依靠傳動鏈條防護蓋板，蓋板與爐體之間采用聚四氟乙烯固體密封材料。對傳動鏈條防護蓋板的氣密性應(yīng)每周至少檢查一次。

3.6 后鎖氣室爐門及放散閥氣密性檢查

熔鹽淬火槽內(nèi)有大量的水分，淬火時水受熱蒸發(fā)到淬火槽上方空間，當從加熱爐內(nèi)出料時，為防止凝聚在淬火槽上方的水汽可能隨著出料爐門的開啟擴散到主爐內(nèi)，應(yīng)每月定期檢查后鎖氣室爐門的密封性能，并保證淬火槽頂部蒸氣放散閥能夠正常開、閉。

3.7 氣體管道凝結(jié)水的排除

應(yīng)保證通入爐內(nèi)的富化氣為干燥氣體，每天檢查富化氣管道的流量計內(nèi)壁上是否有凝結(jié)水，一旦發(fā)現(xiàn)有水滴凝結(jié)，須查清凝結(jié)水是來自管網(wǎng)還是氣體發(fā)生裝置，并采取相應(yīng)的措施，如在輸氣管路最低點或者氣體發(fā)生裝置底部設(shè)置放水口等。

4 結(jié)束語

軸承零件氧化脫碳是一個系統(tǒng)性的問題，任何一個中間環(huán)節(jié)都可能是其誘因，因此，在分析判斷中不能憑主觀臆測而忽略任何一個可能的因素，須逐項排除才能盡快查明原因，而預(yù)防零件表面氧化脫碳的關(guān)鍵仍是日常的防護工作。