低壓真空滲碳與高壓氣淬技術具有無內(nèi)氧化，表面質(zhì)量好，變形微小，工藝的穩(wěn)定性和重復性好，熱處理零件綜合性能優(yōu)異，使用壽命長，無污染無公害，耗電少，生產(chǎn)成本低，自動化程度高等優(yōu)點，目前已廣泛應用于汽車發(fā)動機、汽車變速器、航空發(fā)動機及摩托車齒輪等零件的熱處理。由于該項技術無論從工藝還是設備上已經(jīng)很成熟，已成為可行替代可控氣氛滲碳的有效方法。
一、技術
1、低壓真空滲碳（LPC）技術
常規(guī)氣體滲碳易產(chǎn)生表面內(nèi)氧化（IGO），在滲層表面薄層內(nèi)出現(xiàn)非馬氏體組織，從而降低齒輪的疲勞性能。低壓真空（1333~1.33×10-1Pa）滲碳用于齒輪和結構鋼件等，可提高滲碳層質(zhì)量，表面無內(nèi)氧化。采用計算機模擬輔助控制的真空滲碳工藝，用較短的處理時間和較少的滲碳氣體消耗，保證取得良好的滲碳效果：滲碳層深度偏差≤±0.05mm，表面碳含量均勻度≤±0.05%。用乙炔取代丙烷滲碳已成為真空滲碳的發(fā)展趨勢。常規(guī)滲碳熱處理周期較長，該項技術可以實現(xiàn)高溫（950~1050℃）滲碳，從而提高滲碳速度，是熱處理節(jié)能的重要方法之一。
2、高壓氣淬（HPGQ）技術
齒輪等零件滲碳后在氣體中冷卻比液體中冷卻的均勻，故淬火畸變小。許多氣體可用作氣淬氣體，如氬氣、氦氣、氫氣、氮氣以及它們的混合氣體。用氮氣進行齒輪的氣淬，比較經(jīng)濟，目前85%~95%氣淬室采用氮氣，淬火壓力通常為2MPa。高壓氣淬可以通過控制（惰性）氣體的壓力、流量，改變氣體的冷卻特性，與鋼的過冷奧氏體轉變相圖相結合，實現(xiàn)最理想的淬火冷卻，從而減少齒輪畸變，提高心部強度。
3、低壓真空滲碳與高壓氣淬技術
低壓真空滲碳不僅可以有效地避免常規(guī)滲碳淬火出現(xiàn)的表面非馬氏體等組織缺陷，顯著改善齒輪等零件表面質(zhì)量，而且與高壓氣體淬火相結合可以顯著減少熱處理畸變，通過提高滲碳溫度可減少處理時間，從而降低能源消耗和氣體消耗。因此，真空低壓滲碳與高壓氣淬相結合是當今一種先進的滲碳淬火工藝，可以稱之為真正意義上的環(huán)保型綠色熱處理技術。
二、設備
真空熱處理爐可以按用途、真空度、工作溫度、作業(yè)性質(zhì)、爐型結構及熱源等進行分類。如按作業(yè)性質(zhì)可分為周期式真空爐、半連續(xù)和連續(xù)式真空爐。按爐型結構形式可分為立式真空爐和臥式真空爐。
（1）單室低壓真空滲碳爐
零件加熱滲碳和高壓氣淬都在同一室內(nèi)進行，冷速及生產(chǎn)效率相對較低。
（2）雙室及三室低壓真空滲碳爐
雙室爐由一個加熱滲碳室和一個氣淬室構成（如Ipsen公司RVMotor型）。零件先在加熱室滲碳后降溫至淬火溫度，然后將零件推到冷卻室施行高壓氣淬，可以顯著提高冷速和生產(chǎn)效率。三室爐（如國產(chǎn)WZST型）中間是加熱室（滲碳室），一端是油冷室，另一端是氣淬室，滲碳件可從任意一端進出。三室爐結構（如ECM公司ICBP966型）也可以是前室為進料和淬火用，中間室為零件周轉用，后室為滲碳用。雙室爐及三室爐適用于小批量、多品種的生產(chǎn)。
在雙室和三室爐中施加電場就可以施行低壓離子滲碳。離子滲碳用于航空齒輪處理時，其滲層更加均勻，齒根滲碳層更深。
（3）多室的半連續(xù)式低壓滲碳高壓氣淬爐（生產(chǎn)線）
在一個真空通道的兩側（臥式）設置多個滲碳室和一個高壓氣淬室等。零件先在加熱室加熱，到溫后通入滲碳氣體進行滲碳，然后降溫到淬火溫度，零件被推入氣淬室。該爐型適用于批量較大的齒輪等零件滲碳淬火。該類爐型代表性企業(yè)有Ipsen、ALD及ECN公司等。
（4）多室的連續(xù)式低壓真空滲碳高壓氣淬自動生產(chǎn)線
由若干個滲碳室、擴散室、氣淬室、油淬室等組成。適用于大批量的齒輪等零件滲碳淬火。如ALD公司的VMKZQ型多室連續(xù)式真空爐生產(chǎn)線，其是進行真空滲碳和高壓氣淬的連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線，直線排列，依次為裝載抽空室、加熱室、真空滲碳室（丙烷）、擴散室、氣淬室（氦氣），各工作室間用密封隔熱閘門隔開。
與周期式真空滲碳爐（如單室爐）相比，半連續(xù)式及連續(xù)式真空滲碳爐生產(chǎn)效率可分別提高25%和40%左右。半連續(xù)式及連續(xù)式低壓滲碳高壓氣淬自動生產(chǎn)線將成為高品質(zhì)齒輪等零件滲碳熱處理設備的發(fā)展趨勢之一。
目前，國內(nèi)真空熱處理設備主要生產(chǎn)廠家有：北京機電研究所、北京華翔電爐技術有限責任公司、北京航天萬源科技公司工業(yè)電爐廠、首都航天機械公司工業(yè)電爐廠、江蘇豐東熱技術股份有限公司、沈陽真空技術研究所等。
在我國國外知名獨資或合資企業(yè)/公司有：依西埃姆（北京）工業(yè)爐貿(mào)易有限責任公司、北京易西姆工業(yè)爐科技發(fā)展有限公司、益發(fā)工業(yè)爐（蘇州）有限公司、易普森工業(yè)爐（上海）有限公司、德國IVA（益發(fā)）工業(yè)爐有限公司（上海辦事處）、德國ALD真空工業(yè)股份公司上海辦事處、賽科沃克（天津）工業(yè)爐有限公司、愛發(fā)科中北真空（沈陽）有限公司、上海匯森益發(fā)工業(yè)爐有限公司等。
德國ALD公司的模塊化柔性低壓真空滲碳高壓氣淬生產(chǎn)線（見圖1），一字排開的是沒有前室的密封低壓滲碳爐，在軌道上行走的是公用高壓氣淬設施。低壓真空滲碳采用工藝模擬專家系統(tǒng)，保證金相組織；施行高壓氣體淬火，有效地降低齒輪變形；可用整合到整個生產(chǎn)線上，從而滿足大批量生產(chǎn)（欲了解更多齒輪低壓滲碳技術，可看《金屬加工（熱加工）》雜志2014年11期雜志。）。
圖 1
北京機電研究所生產(chǎn)的WZST系列三室真空高溫低壓滲碳爐，三室爐中間是加熱室（滲碳室），一端是油冷室，另一端是氣淬室。可用于飛機發(fā)動機傳動齒輪等零件的滲碳淬火。
依西埃姆（北京）工業(yè)爐貿(mào)易有限責任公司（法國ECM全資子公司）的周期式或連續(xù)式低壓真空滲碳爐生產(chǎn)線（見圖2），現(xiàn)已用于浙江雙環(huán)齒輪有限公司、沈陽飛機工業(yè)集團、西安航空發(fā)動機公司、哈爾濱東安航空發(fā)動機公司、沈陽黎明航空發(fā)動機公司等。
圖 2
易普森生產(chǎn)的RVHT-QGP型低壓真空滲碳高壓氣淬雙室爐，由1個加熱室和1個氣體淬火室組成。氣淬采用氮氣，氦氣或兩者混合物，淬火壓力2MPa。用于16MnCr5鋼制斜角驅(qū)動齒輪（單件重量4kg）滲碳淬火時，滲碳溫度930℃，滲碳化富化劑采用乙炔。
三、應用
1992年法國ECM公司為雪鐵龍公司的變速器齒輪等生產(chǎn)提供一臺ICBP型低壓真空滲碳爐生產(chǎn)線。標準的低壓真空滲碳爐由一個或多個加熱滲碳室，一個氣淬室，一個裝卸料室，一個轉送室等組成。滲碳冨化氣采用丙烷氣，氣淬室采用高壓氮氣冷卻，氣淬壓力0.1~2MPa范圍可調(diào)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)可同時控制多個滲碳室中進行的不同工藝。
1998年法國雷諾變速箱工業(yè)公司采用法國ECM公司生產(chǎn)的ICBPH600TG低壓真空滲碳高壓氣淬生產(chǎn)線進行齒輪的滲碳淬火處理。該條生產(chǎn)線由6個加熱滲碳室（最大裝爐量500kg）和1個2MPa的氣淬室組成。由一個壓縮機提供給儲氣罐高壓氮氣。用于6N13鋼制差動環(huán)齒輪和齒輪軸滲碳淬火時，每件重量10~40kg。差動環(huán)齒輪滲碳溫度980℃，降溫至860℃進行高壓氣淬1500s，淬火壓力0.25MPa。齒輪軸滲碳溫度980℃，降溫至860℃進行高壓氣淬，淬火壓力1.25MPa。同常規(guī)碳氮共滲推桿爐對比，一對齒輪的生產(chǎn)成本要節(jié)約23%左右。
目前，周期式低壓滲碳高壓氣淬爐、半連續(xù)式低壓滲碳生產(chǎn)線已在上海汽車工業(yè)集團、一汽集團、二汽神龍汽車公司等得到應用，用于載重汽車變速器及發(fā)動機齒輪、轎車發(fā)動機及變速器齒輪、重載汽車的齒套等零件的滲碳淬火。
1998年上汽股份汽車齒輪總廠引進一臺法國ECM公司的ICBP-966型低壓真空滲碳爐，用于“別克”轎車自動變速器主減速太陽輪、同步器齒套等零件滲碳淬火，已達到國際先進水平。
之后又引進2條ICBP低壓真空滲碳高壓氣淬生產(chǎn)線，如ICBP600TG型用于“通用”轎車GF6變速器齒輪等零件的滲碳淬火。
五糧液普什集團公司引進法國ECM公司ICBP-966型低壓真空滲碳氣淬爐，三室結構，一個滲碳室，一個中間室，一個淬火室。最高冷卻氣壓力2×106Pa，冷卻氣體為99.999%的高純度氮氣。滲碳富化劑的純度為98%的丙烷氣。用于精密齒輪滲碳淬火時，滲碳溫度950℃，氣體淬火。同常規(guī)井式爐氣體滲碳相比，縮短時間58%左右。
來源：熱處理生態(tài)圈
作者：金榮植
單位：哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司
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