沖管滲碳設備及熱處理工藝的改進

■崔建春

沖管滲碳設備及熱處理工藝的改進

■崔建春

我公司熱處理車間所用RJJ-105井式氣體滲碳爐，采用電阻絲加熱，功率為105kW，最高使用溫度1200℃，主要用于沖管的滲碳、淬火處理，設備靠人工操作，精度難以保證。近期對傳統滲碳爐成功進行了改造，井式氣體滲碳爐改為可控氣氛爐，實現了生產過程的自動控制，并細化了沖管的滲碳、淬火工藝參數，使沖管的熱處理質量有了大幅提高。

1. 原工藝

沖管是石油機械產品的重要零部件，材質為20CrMnTi，要求表面進行滲碳處理，滲層深度1.8～2.1mm。使用RJJ-105井式氣體滲碳爐處理，滲碳劑采用煤油，靠人工每隔30min觀察爐子排出廢氣火焰的高度，判斷爐內碳勢的高低，若火焰高度低于80mm，說明爐內碳勢低，應加大煤油滴量，若火焰高度高于120mm，說明爐內碳勢高，應減少煤油滴量。由于設備落后，對爐內碳勢控制差，滲碳時間較長，需要13～14h。經此處理的沖管表面炭黑嚴重，容易形成粗大碳化物，淬火后有軟點、變形等缺陷，為了消除粗大碳化物，必須增加磨削余量以保證淬火熱處理質量。熱處理質量見表1，滲層深度是在零件截面方向任意取4點檢測的值，從表中看到最大層深差達到0.20mm，硬度值是在零件圓周方向檢測的結果，技術要求55～63HRC。

為了提高沖管的淬火質量，在淬火前必須增加粗磨工序，消除粗大碳化物，熱處理前余量為0.40～0.50mm，由于余量大需要多次磨削，并且需要再次加熱進行淬火處理，生產成本高，效率低。具體工藝曲線見圖1。

2. 改進后的工藝

（1）改進滲碳設備改變單一的煤油滴注，采用煤油作為富化劑，乙醇作為載體劑。碳勢控制系統采用HT30000智能數顯可編程碳勢控制儀，以進口高集成單片機為核心，PID調節技術，與HJT-Ⅱ型（柱狀整體型）氧探頭及進口電磁閥配套，對爐氣碳勢進行編程和PID調節控制，使碳勢自動控制精度達到±0.05%C。將舊式控溫方式改為固態繼電器控制，采用日本進口智能化儀表SR93，對每一區進行自整定、自適應溫度控制，控溫精度可以達到±1℃。以碳勢控制儀為主控儀表，SR93為下位儀表，在碳勢控制儀上設定溫度和碳勢，使操作更簡便。滴注系統氧探頭根據爐內CO2濃度情況形成一定的電勢，并將此數據傳遞給碳勢控制儀，控制儀與設定的工藝參數進行比對，利用電磁閥調節煤油和乙醇的滴量，直至碳勢達到最佳狀態。通過對設備的改造，減少人為操作的誤差。

圖1　原工藝曲線

表1　沖管滲碳及淬火后質量

（2）工藝試驗及結果分

析 20CrMnTi的化學成分如表2所示。

熱處理車間制訂了兩個工藝試驗方案。

方案一：將滲碳工藝進行了改進，由原來的一段式滲碳，改為三段式滲碳。當設備到達設定溫度930℃后，工件裝入爐內，再次到達930℃后，進入排氣階段，碳勢為0.4%，均溫30min，進入強滲階段，碳勢升為1.1%，加速工件的滲速，當滲層達到技術要求的2/3時，進入擴散期，碳勢為0.5%，到達技術要求值時進行降溫，碳勢為0.5%，冷卻至880℃出爐坑冷，整個過程的關鍵是控制好碳勢和滲碳溫度。結果發現滲碳速度明顯提高，在滲層深度不變的情況下，只需要10～11h，沖管冷卻后重新加熱進行淬火處理，嚴格控制保溫時間。具體工藝曲線見圖2。

方案二：滲碳過程與方案一相同，滲碳完成后采用降溫至850℃，保溫30min直接淬火，具體工藝曲線見圖3。

兩種方案的檢驗結果見表3，從表中可以看出兩種方案的結果差別不大，滲層最大偏差降低為0.05mm，粗大碳化物深度降低為0.08mm，硬度值均在56 ～57HRC之間，不存在軟點。

方案二嚴格控制碳勢，滲碳后在控制好淬火溫度的情況下直接淬火，金相組織均為1級。這樣熱處理次數，縮短了熱處理的工期，同時跟蹤幾批沖管，其變形量在技術要求范圍內，熱處理后粗大碳化物深度降低，可使沖管熱處理前的余量減少，壓縮為0.25～0.30mm，磨削的次數也減少了，既保證了質量，又節省了工時。

3. 結語

（1）改進后的井式滲碳爐采用了碳勢控制儀精確控制碳勢，減少了人工操作的誤差，實現了滲碳工藝過程自動化，設備具有結構簡單、操作方便、測量準確等優點，降低了工人的勞動強度，取得了良好的效果。

（2）在滲碳過程中控制好碳勢和淬火溫度，滲碳后直接淬火是完全可行的，即可縮短熱處理的工作周期；由于粗大碳化物深度降低，能使沖管熱處理前的余量減少，磨削次數減少，節約了工時，加快了產品生產進度。

圖2　方案一

圖3　方案二

表2　化學成分（質量分數）　（%）

表3　沖管滲碳及淬火后質量

20150515

作者簡介：崔建春，南陽二機石油裝備（集團）有限公司，主要從事熱處理現場技術服務工作。