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(qiáng)，俞繼瑤，張鴻翔，文婧

(洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 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(gè)不可補(bǔ)救的過程，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，處置不當(dāng)將造成整批產(chǎn)品的報(bào)廢，因此，對(duì)淬火加熱設(shè)備整體水平要求非常高。目前，國(guó)內(nèi)軸承零件熱處理的總體趨勢(shì)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(yán)重、淬火變形大等已逐漸退出舞臺(tái)。但即使是帶保護(hù)氣氛的熱處理爐淬火加熱仍存在由于設(shè)備設(shè)計(jì)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(shí)，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?xì)怏w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(shí)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(gè)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?xì)怏w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(kuò)散。脫碳層只有在脫碳速度大于氧化速度時(shí)才能形成，當(dāng)氧化速度很大時(shí)，可能不會(huì)發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即使脫碳層產(chǎn)生后，基體也會(huì)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(duì)較弱的氣氛中，才可能形成較深的脫碳層。在強(qiáng)氧化氣氛中加熱時(shí)，表面脫碳和表面氧化往往同時(shí)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(hù)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(shí)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(dá)到平衡，甚至進(jìn)行可逆反應(yīng)。而氧對(duì)軸承鋼的氧化反應(yīng)是不可逆的，并且非常強(qiáng)烈，如軸承鋼在中性氣體氮中退火時(shí)，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(hù)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?dú)?、二氧化碳、水蒸氣和甲烷等。需首先?duì)可能引起氧化脫碳的各種氣體進(jìn)行分析，找出這些氣體進(jìn)入爐內(nèi)的可能途徑，并逐項(xiàng)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(jìn)入，淬火加熱爐總長(zhǎng)超過4 m，零件從進(jìn)入爐膛到離開要經(jīng)過較長(zhǎng)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(qiáng)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(jìn)入爐內(nèi)，將會(huì)對(duì)爐內(nèi)零件造成致命的損傷。

1.2 H2O的影響

當(dāng)爐內(nèi)有水或水汽進(jìn)入時(shí)，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(dāng)爐內(nèi)水或水汽的含量達(dá)到一定濃度時(shí)，零件必然出現(xiàn)氧化脫碳。

1.3 CO2的影響

爐內(nèi)CO2對(duì)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(dú)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(hù)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(jìn)料時(shí)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(jī)械自動(dòng)預(yù)鎖緊裝置，后端爐門置于傳動(dòng)輥棒上起隔熱作用，2道爐門逐級(jí)進(jìn)料可有效防止空氣直接通過爐門進(jìn)入加熱爐內(nèi)；出爐原理與進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(cè)溫?zé)犭娕己捅O(jiān)測(cè)氧勢(shì)的氧探頭，爐頂中央安裝有一臺(tái)高溫?cái)嚢栾L(fēng)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(jì)為2個(gè)工位，中間密封隔板將淬火槽分割成淬火室和出料室2個(gè)獨(dú)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(huì)自動(dòng)打開放氣(打開時(shí)間可調(diào))，也可以防止鹽蒸氣和水蒸氣向后鎖氣室擴(kuò)散，影響淬火加熱爐內(nèi)的氣氛保持。

2.2 保護(hù)氣氛輥底爐氧化脫碳原因

保護(hù)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(dāng)爐內(nèi)與外部發(fā)生氣體交換時(shí)，保護(hù)氣氛將失去保護(hù)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(diǎn)，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(cè)溫?zé)犭娕及惭b孔、氧探頭安裝孔、保護(hù)氣體通入管口、放散閥、窺視孔以及輥棒傳動(dòng)裝置等。當(dāng)出現(xiàn)零件氧化脫碳時(shí)，應(yīng)根據(jù)氧化脫碳層厚度進(jìn)行分析判斷，采用逐項(xiàng)排除法分析解決問題。

當(dāng)零件發(fā)生較嚴(yán)重的氧化或脫碳時(shí)，首先查看氧勢(shì)讀數(shù)。氧勢(shì)大小反映爐內(nèi)氣氛的氧濃度，氧勢(shì)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(shì)為950～1 200 mV，氧勢(shì)過大過小都不利，氧勢(shì)過大可能使零件滲碳，反之則會(huì)脫碳。當(dāng)發(fā)現(xiàn)氧勢(shì)不在正常范圍內(nèi)時(shí)，還需要分析氧勢(shì)測(cè)量裝置的可靠性，簡(jiǎn)單方法是對(duì)氧探頭進(jìn)行手動(dòng)燒炭，以確認(rèn)測(cè)量裝置的完好性。其次，檢查爐壓是否正常。保護(hù)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?dú)獾?流量過大，既存在安全隱患，又浪費(fèi)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(duì)爐膛密封進(jìn)行專項(xiàng)檢查。

然而，微小的泄漏一般很難從氧勢(shì)或爐壓上反映出來，其對(duì)加熱爐整體性能參數(shù)影響也很小，往往會(huì)被忽略。但當(dāng)零件表面出現(xiàn)氧化脫碳時(shí)，泄漏問題可能已經(jīng)很嚴(yán)重，這時(shí)再對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查就顯得被動(dòng)。因此，在日常工作中就應(yīng)該做好對(duì)可能發(fā)生泄漏部位的檢查和確認(rèn)，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(gè)連續(xù)的過程，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，從取樣到得出檢驗(yàn)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(jì)使用部門與管理部門在日常工作中定期對(duì)可能發(fā)生泄漏的重點(diǎn)部位進(jìn)行氣密性檢查，預(yù)防問題的發(fā)生。

3.1 點(diǎn)檢淬火加熱爐爐壓

爐壓直觀顯示加熱爐的氣密性，日常點(diǎn)檢淬火加熱爐爐壓，當(dāng)爐壓小于170 mm水柱時(shí)，應(yīng)及時(shí)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(shí))爐門處密封條是否損壞、脫落，爐門有無變形；爐門導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有無變形，固定機(jī)構(gòu)是否松動(dòng)，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(gè)淬火加熱爐爐膛，其長(zhǎng)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(yán)；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(duì)地短路瞬間可能將輻射管擊穿。因此，每半年對(duì)輻射管的氣密性進(jìn)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(gè)方向彎曲變形。

3.4 檢測(cè)氧勢(shì)測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性

氧勢(shì)(碳勢(shì))測(cè)量裝置通常為氧探頭，除依照使用說明進(jìn)行日常維護(hù)外，需定期手動(dòng)進(jìn)行燒炭試驗(yàn)，觀察氧勢(shì)(碳勢(shì))的變化情況，及時(shí)清理積炭或更換氧探頭。

3.5 傳動(dòng)鏈條防護(hù)蓋板密封性檢查

輥底式加熱爐主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)大鏈條，大鏈條被壓鏈板、張緊輪機(jī)構(gòu)緊壓在輥棒鏈輪上，鏈輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輥棒轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)輥棒上的料盤前進(jìn)。輥棒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的密封主要是依靠傳動(dòng)鏈條防護(hù)蓋板，蓋板與爐體之間采用聚四氟乙烯固體密封材料。對(duì)傳動(dòng)鏈條防護(hù)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(shí)水受熱蒸發(fā)到淬火槽上方空間，當(dāng)從加熱爐內(nèi)出料時(shí)，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(kuò)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(jì)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(diǎn)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(gè)系統(tǒng)性的問題，任何一個(gè)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(cè)而忽略任何一個(gè)可能的因素，須逐項(xiàng)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(hù)工作。