CN111020141A - 一种可控气氛热处理加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控气氛热处理加工工艺，包括以下加工工艺：第一步，制备可控气氛第二步，工件渗碳处理第三步，净化可控气氛中的氢。通过可控气氛的作用，使得工件在渗碳的过程中，保持比较均匀性共渗，使得工件表面无白点，工件加工后表面色泽比较光滑，同时工件在实际应用过程中的强度和强度较之于传统工件明显提高，通过充氮时间的增长，使得可控气氛中的氢气含量大幅度降低，使得工件在共渗过程中，氢气的含量大幅度降低，从而增加工件的强度，使得工件在使用过程中，不会出现开裂的现象，通过干燥剂的作用，使得可控气氛中的氧气与水分大幅度降低，使得工件在共渗过程中的均匀性和深度大幅度提高，进一步增加工件在碳化时的速度和强度。
Description
技术领域
本发明涉及热处理加工技术领域，具体为一种可控气氛热处理加工工艺。
背景技术
可控气氛为，加热金属时为了保护金属表面和调节金属表面化学成分而使用的成分可以控制的气体，金属在可控气氛中加热时，可以避免表面氧化或脱碳，也可按照要求使表面增碳，可控气氛一般由两种以上的气体混合而成，当仅仅为了避免表面氧化时，也可采用单一的气体作为保护气体，例如氢、氩或氮气等，可控气氛主要用于金属热处理，也用于锻坯的少、无氧化加热。
随着科技的进步工件的硬度和质量要求越来越高，因此需要对工件表面做渗碳技术，增强工件的强度和使用耐久度，现有可控气氛的热处理加工工艺的工作原理为将原料气(丙烷、天然气或城市煤气)与空气按一定比例混合后通入发生器，由外部对其进行加热而制成的气氛，然后形成的气氛在渗透到工件表面形成渗碳层，CO和H2较多，而CO2和H2O则很少，所以可以有效防止工件氧化和脱碳，然而可控气氛在渗碳过程中，受到原料与工艺的影响，可控气氛中的氢气含量较高，可控气氛在渗入工件的过程中，氢气也会随之流动渗入到工件内部，受到氢气与工件的反应，造成工件出现氢脆的现象，导致工件的硬度大幅度降低，工件在储存过程中，受到氢气的影响，工件表面出现开裂的现象，且气体碳氮共渗后直接淬火氢气来不及析出，淬火后工件中也存在大量的过饱和氢，导致工件在加工中进一步加深开裂的深度和长度，一方面影响工件的正常使用，另一两面增加资源的浪费，从而降低工件在热处理加工时的使用率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可控气氛热处理加工工艺，解决了消除氢脆、工件开裂的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可控气氛热处理加工工艺，包括以下加工工艺：
第一步，制备可控气氛，将工件用工装夹具放入可控气氛炉中，然后开始制备所要加工的原料气，将一氧化碳、氢气、氮气、二氧化碳、水、甲烷与空气混合后，经管道通入可控气氛炉内，再通过加热器将气体加热至870℃，然后再加入适量催化剂，将混合气体中未燃烧的部分催化(当空气量较少时，混合气体先部分燃烧)，发生热裂解制得可控气氛；
第二步，工件渗碳处理，将反应后的可控气氛保持稳定后，再将渗剂输入炉内，在注入渗剂之前，需要确保炉内的可控气氛处于相对平衡的状态，通过流量计调节空气与燃料注入的剂量，确保可控气氛处于平衡，然后渗剂在高温下裂解反应，产生渗碳气体，渗碳气体在气固界面上发生碳的传递，在传递过程中发生工件对渗碳气氛的吸附和界面反应，产生活性碳原子，碳原子由工件表面向深度迁移扩散，最后再工件表面形成碳氮层；
第三步，净化可控气氛中的氢，在工件渗碳后期，停止供氮及甲烷，并在炉中充氮排除原炉气中包括氢在内的一切气体，再共渗结束时，通过含量在98％的氮、1％氧气和1％水汽，将炉温保持在820℃，充氮保持在一小时内，然后向可控气氛中加入10％的乙醇胺吸收气氛中多余的二氧化碳，再加入10％的氧化钙与可控气氛中的水结合生成水合物经过反应后排出可控气氛中多余的水分，再充氮排氢结束后淬油，再共渗结束后将工件迅速进行回火处理，回火温度在150℃，然后再对其进行冷却，工件冷却速度与室温保存相等；待工件取出后排列在放置架上即可。
优选的，所述可控气氛炉需具备以下工艺：炉膛密封性良好，炉内保持正压、炉膛必须强制炉气循环流动，炉内装设安装装置，且炉膛内壁构件抗气氛侵蚀。
优选的，所述充氮保持在一小时内，前20分钟以5m3/h，后40分钟以1.5m3/h时通氮，根据炉膛尺寸及气体温度和体积系数计算充氮的次数，前20分钟换气次数为11次，后40分钟换气次数为7次。
有益效果如下：
本发明，通过充高纯度的氮气剂量，消除可控气氛中的高含量氢，使得工件在共渗工艺中，提高工件的硬度和工件的耐久度，使得工件在使用中的磨损和强度增加，同时通过可控气氛的作用，使得工件在渗碳的过程中，保持比较均匀性共渗，使得工件表面无白点，工件加工后表面色泽比较光滑，亮度较高，同时工件在实际应用过程中的强度和强度较之于传统工件明显提高，通过充氮时间的增长，使得可控气氛中的氢气含量大幅度降低，使得工件在共渗过程中，氢气的含量大幅度降低，从而增加工件的强度，使得工件在使用过程中，不会出现开裂的现象，同时通过干燥剂的作用，使得可控气氛中的氧气与水分大幅度降低，使得工件在共渗过程中的均匀性和深度大幅度提高，进一步增加工件在碳化时的速度和强度。
具体实施方式
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种可控气氛热处理加工工艺，包括以下加工工艺：
第一步，制备可控气氛，将工件用工装夹具放入可控气氛炉中，然后开始制备所要加工的原料气，将一氧化碳、氢气、氮气、二氧化碳、水、甲烷与空气混合后，经管道通入可控气氛炉内，再通过加热器将气体加热至870℃，然后再加入适量催化剂，将混合气体中未燃烧的部分催化(当空气量较少时，混合气体先部分燃烧)，发生热裂解制得可控气氛，一氧化碳的含量在20-25％、氢气含量在30-40％、氮气含量在60-70％，其中二氧化碳、水、甲烷根据可控气氛其他的容量进行自定义增加，使得可控气氛趋于稳定的状态，气体在注入炉内之前，都需要经过管道上设置的过滤器进行过滤，保证气体中不含有其他的杂质，使得可控气氛中的气体纯度得到提高，便于可控气氛的稳定，从而增加可控气氛的使用率；
第二步，工件渗碳处理，将反应后的可控气氛保持稳定后，再将渗剂输入炉内，在注入渗剂之前，需要确保炉内的可控气氛处于相对平衡的状态，通过流量计调节空气与燃料注入的剂量，通过控制空气的注入量和燃料的注入量，可以控制可控气氛的浓度，使得可控气氛的碳势系数随之改变，便于对可控气氛进行实时调节，使得可控气氛可以适用于不同类型的工件，增加了不同工件在不同含量可控气氛下碳化的速度和均匀性，使得可控气氛可以适用于不同类型的工件，确保可控气氛处于平衡，然后渗剂在高温下裂解反应，产生渗碳气体，渗碳气体在气固界面上发生碳的传递，在传递过程中发生工件对渗碳气氛的吸附和界面反应，产生活性碳原子，碳原子由工件表面向深度迁移扩散，最后再工件表面形成碳氮层；
第三步，净化可控气氛中的氢，在工件渗碳后期，停止供氮及甲烷，并在炉中充氮排除原炉气中包括氢在内的一切气体，再共渗结束时，通过含量在98％的氮、1％氧气和1％水汽，将炉温保持在820℃，充氮保持在一小时内，消除可控气氛中高含量的氢气，使得可控气氛中氢气的含量大幅度降低，从而去除工件在共渗过程中，会掺杂氢气，造成工件的硬度大幅度降低，影响工件的正常使用，同时通过消除氢气的作用，使得工件的耐久度也能得到大幅度的上升，避免工件在使用与放置过程中，出现氢气残留在工件的内部，经过一段时间的反应，造成工件开裂，无法再次使用，然后向可控气氛中加入10％的乙醇胺吸收气氛中多余的二氧化碳，再加入10％的氧化钙与可控气氛中的水结合生成水合物经过反应后排出可控气氛中多余的水分，通过去除可控气氛中的水分，使得可控气氛中的碳势提高，使得工件在碳化过程中，均匀性大幅度提高，同时避免工件在高温加工过程中，出现炭黑的现象，增加工件在加工时的美观程度和使用强度，再充氮排氢结束后淬油，再共渗结束后将工件迅速进行回火处理，回火温度在150℃，通过控制回火的温度，使得工件中的氢气逐渐析出，使得工件中含氢的含量接近与零，从而增加工件在共渗时的强度，然后再对其进行冷却，工件冷却速度与室温保存相等，进一步取出工件中的含氢含量，使得工件中含氢含量进一步析出，有利于改善工件的氢脆性，进一步增加工件的强度；待工件取出后排列在放置架上即可，通过工件的放置也可将工件内部的含氢析出，从而消除工件的氢脆特性，增加工件的使用周期。
其中，所述可控气氛炉需具备以下工艺：炉膛密封性良好，使得可控气氛不会出现泄漏的现象，使得炉内的可控气氛保持相对较佳的状态，同时使得炉内的可控气氛更加平衡，炉内保持正压、炉膛必须强制炉气循环流动，炉内装设安装装置，且炉膛内壁构件抗气氛侵蚀，增加炉膛的使用周期，使得炉膛在使用过程中，不会出现可控气氛腐蚀出现可控气氛泄漏和可控气氛内含有杂质的现象，增加炉内可控气氛的稳定性和安全性，使得可控气氛在使用过程中，保持相对稳定的状态，同时通过多可控气氛的流动性增加，使得工件共渗的均匀性和时效性增加，便于加快工件的碳化，使得工件表层的碳化程度更加均匀性。
其中，所述充氮保持在一小时内，前20分钟以5m3/h，后40分钟以1.5m3/h时通氮，根据炉膛尺寸及气体温度和体积系数计算充氮的次数，前20分钟换气次数为11次，后40分钟换气次数为7次，通过充高含量的氮，使得可控气氛中的氢大幅度去除，使得可控气氛中的含量进一步得到净化，从而提高工件在共渗时碳势的均匀性，使得工件在加工后硬度和使用周期大幅度得到提高，增加工件在使用时的耐久度，从而提高工件的使用率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种可控气氛热处理加工工艺，其特征在于：包括以下加工工艺：
第一步，制备可控气氛，将工件用工装夹具放入可控气氛炉中，然后开始制备所要加工的原料气，将一氧化碳、氢气、氮气、二氧化碳、水、甲烷与空气混合后，经管道通入可控气氛炉内，再通过加热器将气体加热至870℃，然后再加入适量催化剂，将混合气体中未燃烧的部分催化(当空气量较少时，混合气体先部分燃烧)，发生热裂解制得可控气氛；
第二步，工件渗碳处理，将反应后的可控气氛保持稳定后，再将渗剂输入炉内，在注入渗剂之前，需要确保炉内的可控气氛处于相对平衡的状态，通过流量计调节空气与燃料注入的剂量，确保可控气氛处于平衡，然后渗剂在高温下裂解反应，产生渗碳气体，渗碳气体在气固界面上发生碳的传递，在传递过程中发生工件对渗碳气氛的吸附和界面反应，产生活性碳原子，碳原子由工件表面向深度迁移扩散，最后再工件表面形成碳氮层；
第三步，净化可控气氛中的氢，在工件渗碳后期，停止供氮及甲烷，并在炉中充氮排除原炉气中包括氢在内的一切气体，再共渗结束时，通过含量在98％的氮、1％氧气和1％水汽，将炉温保持在820℃，充氮保持在一小时内，然后向可控气氛中加入10％的乙醇胺吸收气氛中多余的二氧化碳，再加入10％的氧化钙与可控气氛中的水结合生成水合物经过反应后排出可控气氛中多余的水分，再充氮排氢结束后淬油，再共渗结束后将工件迅速进行回火处理，回火温度在150℃，然后再对其进行冷却，工件冷却速度与室温保存相等；待工件取出后排列在放置架上即可。
2.根据权利要求1所述的一种可控气氛热处理加工工艺，其特征在于：所述可控气氛炉需具备以下工艺：炉膛密封性良好，炉内保持正压、炉膛必须强制炉气循环流动，炉内装设安装装置，且炉膛内壁构件抗气氛侵蚀。
3.根据权利要求1所述的一种可控气氛热处理加工工艺，其特征在于：所述充氮保持在一小时内，前20分钟以5m3/h，后40分钟以1.5m3/h时通氮，根据炉膛尺寸及气体温度和体积系数计算充氮的次数，前20分钟换气次数为11次，后40分钟换气次数为7次。
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