鑿巖釬具滲碳工藝智能化控制研究

王志良，張 群，孟慶林

(金川鎳都實(shí)業(yè)有限公司 釬具廠，甘肅 金昌 737100)

0 引言

在釬具熱處理行業(yè)中，鑿巖釬具材料的滲碳好壞對(duì)于釬具材料的組織、機(jī)械性能等都有著決定性的影響[1]，目前國(guó)內(nèi)釬具行業(yè)熱處理技術(shù)水平與國(guó)際釬具巨頭Sandvik、Atlas差距尤為明顯，特別在熱處理工藝技術(shù)及設(shè)備智能化方面差距更大[2]，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的熱處理爐滲碳控制系統(tǒng)存在智能化程度較低、使用效果較差、難以滿(mǎn)足被處理工件的實(shí)際滲碳需求，需分多次輸入各階段的滲碳控制參數(shù)，操作比較復(fù)雜，并且滲碳工藝確定后，滲碳后的參數(shù)只有大致的范圍，沒(méi)有確定的結(jié)果要求，在實(shí)踐檢測(cè)中間可能存在一定的誤差，對(duì)工藝的改進(jìn)可能存在誤導(dǎo)，需反復(fù)地試驗(yàn)驗(yàn)證，要花費(fèi)大量的時(shí)間及研究費(fèi)用，得到的結(jié)果還是一個(gè)范圍，目標(biāo)和結(jié)果都比較含糊，這也是我們熱處理水平趕不上國(guó)際先進(jìn)水平的主要原因之一，國(guó)外Sandvik、Atlas釬具熱處理工藝人員辦事嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、負(fù)責(zé)、一絲不茍，敢于超越自我，我們要學(xué)習(xí)他們好的東西，更要有自己的想法。我們要通過(guò)努力實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作智能化的滲碳工藝控制，提高鑿巖釬具的質(zhì)量品質(zhì)，增強(qiáng)鑿巖釬具的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 影響鑿巖釬具滲碳智能化的因素及分析

影響鑿巖釬具滲碳智能化的因素較多，主要包括合金鋼碳含量及合金元素的作用、滲碳工藝、井式爐滲碳爐設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)、熱處理軟件仿真模擬，滲碳智能化工藝控制，根據(jù)釬具的生產(chǎn)工藝過(guò)程及使用的設(shè)備，下面對(duì)影響釬具的滲碳智能化的因素做進(jìn)一步具體分析。

1.1 合金鋼碳含量及合金元素的作用

在其他工藝條件相同的情況下，原始含碳量越高，滲碳層越薄，合金元素將改變滲層表面的碳濃度和深度，合金元素對(duì)滲層深度的作用取決于兩個(gè)因素，即表面碳含量的影響和對(duì)碳在奧氏體中擴(kuò)散速度的影響。一般而言，合金元素對(duì)表面含碳量的影響較大，由于其增加表面含碳量，故增加了碳濃度梯度，加速碳原子向內(nèi)部的擴(kuò)散速度，滲層增加。鑿巖釬具特別是重型鑿巖釬具采用的合金鋼主要成份為23CrNi3MoA，針對(duì)此種材料需制定特殊的熱處理工藝及仿真模擬。

1.2 滲碳工藝

滲碳就是將低碳鋼工件放在富碳?xì)夥盏慕橘|(zhì)中進(jìn)行加熱、保溫，使活性碳原子滲入工件表面，從而提高表層碳濃度，使工件的表面被碳所飽和從而獲得高碳的滲層組織。對(duì)于在交變載荷、沖擊載荷、較大接觸應(yīng)力和嚴(yán)重磨損條件下工作的機(jī)器零件，如鑿巖釬具，要求工件表面具有很高的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，而心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性，采用滲碳熱處理可滿(mǎn)足性能要求。影響滲碳熱處理的因素有滲碳溫度，滲碳時(shí)間，滲碳劑流量以及鋼的化學(xué)成分等。

1.2.1 滲碳溫度

滲碳溫度提高，可加快滲碳速度、縮短生產(chǎn)周期。但過(guò)高的溫度會(huì)影響奧氏體鋼的晶粒粗大，增加零件變形，滲層中的殘余奧氏體較多。

1.2.2 滲碳保溫時(shí)間

滲碳時(shí)間主要取決于要求獲得的滲碳層深度，它是影響滲碳溫度的主要參數(shù)，在滲碳劑滲碳能力一定的條件下，滲碳層深度是溫度和時(shí)間的函數(shù)，在相同的滲碳溫度下，滲碳層深度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，滲碳層的深度與時(shí)間呈拋物線(xiàn)關(guān)系。

1.2.3 滲碳劑流量

滲碳劑的流量直接關(guān)系到介質(zhì)的供碳能力，滴入適量的滲碳劑，使零件表面的分解氣體不斷地更新，產(chǎn)生活性碳原子，因此確定滲碳劑的流量時(shí)，應(yīng)使供給的碳原子與吸收的碳原子相適應(yīng)。在滲碳過(guò)程中，滲層的深度和表面濃度隨著滲碳劑的消耗量增大而增大。若流量太大，分解的活性碳原子來(lái)不及被吸附，將形成碳黑沉積在工件表面上，或被吸附后來(lái)不及擴(kuò)散，使?jié)B層表面碳濃度太高，造成表面有網(wǎng)狀滲碳體和殘余奧氏體增多；流量太小，表面濃度小，滲碳速度低，影響滲碳質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1.3 可控氣氛滲碳井式爐

鑿巖釬具的性能依靠先進(jìn)的熱處理工藝獲得，先進(jìn)的熱處理工藝靠先進(jìn)的熱處理設(shè)備來(lái)保證。可控氣氛滲碳井式爐的設(shè)計(jì)是生產(chǎn)鑿巖釬具的關(guān)鍵，目前深井式爐控溫的均勻性、循環(huán)通暢性可以達(dá)到工藝的要求，但需定期檢測(cè)并校正；滲碳過(guò)程可以按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的程序進(jìn)行自動(dòng)化滲碳，保證了鑿巖釬具質(zhì)量與滲碳工藝較高的吻合，消除了人為、設(shè)備等不利因素對(duì)鑿巖釬具的影響。

1.4 熱處理智能控制軟件及控制系統(tǒng)

目前應(yīng)用于國(guó)內(nèi)鑿巖釬具熱處理的控制系統(tǒng)可以通過(guò)熱處理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、碳勢(shì)的控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)編制熱處理滲碳工藝的自動(dòng)化控制，但需要事后檢測(cè)滲碳層深度、表面含碳量、碳化物級(jí)別等參數(shù)檢查滲碳效果的好壞，不同材料的釬具工藝需要反復(fù)地試驗(yàn)調(diào)整，存在每爐產(chǎn)品精確性不高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，還要花費(fèi)大量的時(shí)間和試驗(yàn)成本，熱處理工藝人員、操作人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)鑿巖釬具滲碳好壞尤為重要，為了解決鑿巖釬桿滲碳智能化的控制，利用一種智能化熱處理軟件及控制系統(tǒng)既能將釬具鋼、滲碳工藝、可控氣氛滲碳井式爐、滲碳溫度、滲碳劑結(jié)合為一體的控制系統(tǒng)，針對(duì)一種鑿巖釬具鋼材設(shè)置碳含量、合金元素成分進(jìn)行滲碳，將碳含量、合金鋼成分考慮到滲碳過(guò)程中，可以在確定強(qiáng)滲時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間的條件下模擬出碳含量與滲碳層的關(guān)系曲線(xiàn)，可以在確定滲碳層深度、表面碳含量的條件下模擬出強(qiáng)滲所需時(shí)間、擴(kuò)散所需時(shí)間，可以針對(duì)不同型號(hào)的釬桿設(shè)定碳含量與滲碳層的曲線(xiàn)，每一層都對(duì)應(yīng)一個(gè)碳含量進(jìn)行設(shè)定，再模擬出滲碳的強(qiáng)滲、擴(kuò)散時(shí)間，所需的滲碳濃度，上面所提的三種模擬方法通過(guò)計(jì)算機(jī)桌面演練出最佳方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)、熱處理軟件控制均可應(yīng)用于鑿巖釬具的滲碳實(shí)踐中。

2 鑿巖釬具滲碳智能化控制過(guò)程

2.1 碳含量、合金元素成分、熱處理?xiàng)l件設(shè)定

在鑿巖釬具滲碳熱處理過(guò)程中，可以根據(jù)不同材料滲碳熱處理進(jìn)行設(shè)定，將材料、碳含量、合金成分考慮到滲碳過(guò)程中，滲碳后淬火的烈度、產(chǎn)品的直徑、產(chǎn)品所需的硬度、滲碳淬火后的晶粒尺寸等因素都可以在滲碳熱處理前設(shè)定，通過(guò)程序的設(shè)定及智能化的控制，可以實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)定的目標(biāo)。以23CrNi3MoA為例進(jìn)行說(shuō)明，圖1中設(shè)定了23CrNi3MoA中空鋼釬桿的元素成分及熱處理?xiàng)l件。

2.2 滲碳層深度及碳含量的設(shè)定

通過(guò)合金元素的設(shè)定可以得到合金因素、碳含量等對(duì)滲碳過(guò)程的影響，也可以得到碳化物的極限條件。根據(jù)釬桿的型號(hào)設(shè)定碳層深度和在此深度下的碳含量，還可以具體到每一層的碳含量?？梢愿鶕?jù)工藝具體設(shè)定，可以對(duì)國(guó)外或國(guó)內(nèi)一些做的好的產(chǎn)品進(jìn)行碳層及碳含量分析，得出碳含量和碳層深度曲線(xiàn)，就可以直接設(shè)定到碳濃度分布圖中，見(jiàn)圖2。

圖1 材料元素及熱處理?xiàng)l件設(shè)定

圖2 碳層深度和碳含量設(shè)定

2.3 滲碳工藝的編輯

目前國(guó)內(nèi)最常用的一種方法是經(jīng)驗(yàn)法或事后檢測(cè)法，主要根據(jù)工藝人員的經(jīng)驗(yàn)及熱處理后檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行工藝編寫(xiě)的方法。滲碳過(guò)程中，滲碳溫度、強(qiáng)滲碳勢(shì)、擴(kuò)散碳勢(shì)、滲碳時(shí)間都設(shè)為定值，此種方法對(duì)人的依賴(lài)性較大，工藝人員水平的高低直接決定產(chǎn)品質(zhì)量的好壞,并沒(méi)有把設(shè)備及軟件先進(jìn)性發(fā)揮出來(lái)。第二種方法是將合金元素、碳含量、熱處理?xiàng)l件、碳層深度及此深度下的碳含量作為影響因素考慮到熱處理工藝中進(jìn)行設(shè)定，滲碳過(guò)程中，滲碳溫度、強(qiáng)滲碳勢(shì)、擴(kuò)散碳勢(shì)設(shè)為定值，滲碳時(shí)間不設(shè)定，達(dá)到設(shè)定的條件自動(dòng)進(jìn)入下一程序。第三種方法是將合金元素、碳含量、熱處理?xiàng)l件、碳含量和碳層深度曲線(xiàn)作為影響因素考慮到熱處理工藝中進(jìn)行設(shè)定，滲碳過(guò)程中，滲碳溫度、強(qiáng)滲碳勢(shì)、擴(kuò)散碳勢(shì)設(shè)為定值，滲碳時(shí)間不設(shè)定，達(dá)到設(shè)定的條件自動(dòng)進(jìn)入下一程序。 第三種方法和第二種方法比較，碳含量和碳層的關(guān)系更加具體化，需在碳含量及碳層深度比較明確的情況下使用，但準(zhǔn)確性較高。第二種方法考慮到了具體的鋼材、熱處理?xiàng)l件、碳層、碳含量的因素，將設(shè)備及軟件的優(yōu)越性發(fā)揮得較好，是滲碳工藝智能化控制過(guò)程發(fā)展的方向。

2.4 滲碳工藝的模擬

設(shè)定了滲碳條件和編輯了滲碳工藝后，就可以進(jìn)行滲碳工藝的模擬，為了節(jié)約模擬時(shí)間，提高效率，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行時(shí)間的設(shè)定，將模擬時(shí)間1秒鐘代替30分鐘或1小時(shí)，這將大大減少模擬時(shí)間，提高勞動(dòng)效率，為開(kāi)發(fā)鑿巖釬具產(chǎn)品提供寶貴的時(shí)間。模擬結(jié)束后，將產(chǎn)生溫度、碳勢(shì)、碳層深度的曲線(xiàn)圖，產(chǎn)生一個(gè)具體的表格，包含不同的溫度下，每一時(shí)間節(jié)點(diǎn)，碳層深度及碳含量的具體數(shù)值。為改進(jìn)滲碳工藝提供了直觀的曲線(xiàn)圖和確切的數(shù)據(jù)，由于模擬的效率較高，可以進(jìn)行大量的不同工藝方案的模擬，優(yōu)化出最佳的工藝方案。

3 鑿巖釬具滲碳工藝智能化控制的效果

通過(guò)對(duì)幾種不同型號(hào)鑿巖釬具的滲碳工藝模擬及實(shí)踐中智能化控制過(guò)程，智能化滲碳工藝模擬與智能化滲碳實(shí)踐結(jié)果非常接近，生產(chǎn)的鑿巖釬具產(chǎn)品投入到不同礦山使用，使用效果良好，經(jīng)過(guò)礦山的長(zhǎng)期試驗(yàn)及使用，鑿巖釬具的質(zhì)量穩(wěn)定性較好，整體使用壽命有較大的提高，得到了客戶(hù)的廣泛認(rèn)可。

4 結(jié)論

滲碳工藝控制智能化是制約國(guó)內(nèi)鑿巖釬具質(zhì)量的一個(gè)重要因素，本文分析了影響滲碳工藝控制智能化的主要因素，并詳細(xì)說(shuō)明了智能化控制及智能化模擬的過(guò)程，智能化滲碳工藝模擬與智能化生產(chǎn)實(shí)踐吻合較好，生產(chǎn)的鑿巖產(chǎn)品在礦山進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，為智能化控制提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。滲碳工藝智能化模擬可為鑿巖產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供最佳的技術(shù)方案，節(jié)約大量的研發(fā)時(shí)間及費(fèi)用。智能化滲碳控制過(guò)程可以將設(shè)備、控制系統(tǒng)、人員三者完美的結(jié)合，最大限度的發(fā)揮現(xiàn)有的資源能力，最終生產(chǎn)出高品質(zhì)的釬具產(chǎn)品。