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CFC热处理工装——真空热处理炉用高品质工装
发布时间:2018-08-17 16:53:48| 浏览次数:






真空热处理用高品质工装-CFC工装

 


Rolf Terjung 著

 

如今,CFC(碳纤维增强碳)炉用工装是最先进的真空热处理标配。真空热处理的最重要的过程是使被处理的零部件外形和尺寸稳定。本文着重描述CFC工装的影响,及其如何在低压渗碳和高压气体淬火时,减少表面硬化部件的变形的用途。这些结果证实,使用独特设计的CFC材质的工装,可以减少和控制被处理零部件的变形。

 

各种文献中指出,真空热处理技术被认为是,高压气体淬火后的低压渗碳的表面硬化部件的外形和尺寸的变形,如今可以被控制,甚至是随之而来的机加工也可以减少或完全排除。这对减少零件生产时间和制造的成本很关键。这对需要复杂机加工的表面较大的齿轮部件的处理也很有利。因为高质量的需求(外形和尺寸公差,硬度参数),内环齿轮表面硬化选用低压渗碳和高压气体淬火,在生产过程中以6倍速自动传输。这个测试以ModulTherm system(ModulThermALD的一个品牌)表现。

 

金属对抗CFC工装

关于部件的几何和横截面,以环齿轮的外形和尺寸的为例。为了处理过程乐观,炉子制造商和客户决定使用特定的热处理参数,以便最小化热处理变形。热处理无法影响因在生产链中,环形齿轮内的金属在浇铸和软加工的空余的过程中,所释放的剩余压力而产生的变形。全炉量包含多层(3D批)批量(Fig.1)在对流(N2)和真空状态下,加热到处理温度。

 

为了达到渗透厚度0.3-0.5mm,渗碳使用乙炔在真空下大约900℃。工件被冷却到奥氏体温度,以氦气淬火。初步试验证明,由于它相对高的碳结构和小的横截面,变形结果使用氦气比氮气要好,钢级别AISI5130更适合用氮气。过程描述在图[2].使用高合金金属和CFC工装(石墨工装)。变形结果是导致平均变化和同心偏差。检测了15个部件的变形度,在不同的装载面和不同的层。结果体现在Fig.2.

 

Fig.2表明使用不同参数热处理后的均值的主要数据和分布图,以及未处理的“绿色”数值。

装载在标准气体淬火的金属工装上,平均值比“绿色”高,然而值得注意的是,增长分布超过上下限。当装到CFC工装上,数值下降50%。如果在CFC工装上,一直使用的淬火过程是,使用压力淬火和气体速度(动态淬火),效果更乐观。平均值会更加减少,分布会限制在指定范围内[1]。另外,研究表明,部件的变形在工装的不同部位和层上独立的。热处理过程在2006年开始系列投产。自2008年秋,变形值仅在随机基础上检测。介于持续乐观的淬火过程和CFC工装,这些环形齿轮可以直接运输,而不需要深加工。

 

CFC材料性质在形状和尺寸上的影响

在减少变形上,金属无法取代CFC。由于高强度和低密度,装载同样的工件,CFC工装的重量只有一般金属工装重量的10%。对于淬火过程,轻的工装意味着,更快更规律的冷却。轻量化的设计,减少零部件的接触面和支撑点,可以在碳化过程中,最小化的产生负面影响。同时,由于减少表面阻力,可以增加冷却气体的流通。在连接点和材质的变厚处,不会储存残留更多的热量返回给工件。因“不附加无用价值”工装材料的减少,变形(热感应压力)甚至在热对流时也最小化(1)。零件能更快更系统的加热。一个CFC工装只会消耗普通工装(Fig.320%的能量。把两种材质的扩张系数在1000℃下考虑在内(CFC:1x10-6/K,金属:12x10-6/K,CFC保持不变形。接触零件的工装的变形,可以忽略不计。为何以及CFC材料如何用于装载工件,见附件(4)。一些适用于制作真空CFC工装的材质特性如下:

低密度1.3-1.7/g/m³

上升温度弯曲强度(1000+-15%2000+-30%

极高的耐热冲击R1000

尺寸外形稳定(CFC工装的CTE大约1*10-6/K

 

工装设计减少零件变形

1:输入轴

近些年,对于精密零部件的最小化变形和减少制作成本的持续不断的需求,工厂技术需要最优的低压渗碳和高压气淬。直接合并热处理和生产线中的软化及硬化机加工,可减少产品生产时间,使生产过程效率化和经济化。合并的目的被称作一体化生产。

 

工件如今只是装载在单层(2维)上,以及气体上下流动的过程[3]。零件比起3维被加热和淬火更快更系统。大量的工装被减少了,更多的热能可以被传输到零件上。冷却时,冷却气体如此通过零件,直接被提取和均匀分布在零件上。这使得部件被热处理时,减少处理时间,另一方面,提高零件的质量,减少外形和尺寸的变形。[5]

 

为了尽可能的使用到该技术,一个CFC工装满载了30个轴。在渗碳960℃,1000℃和1050℃,变形规律成轴线集中和避开。为了尽可能的最小化变形,采用了2种方式测试,挂式和立式。

 

根据所用轴承的不同,收集在变形结果图Fig.4中。显示了最高值,平均偏差和标准偏差。最佳结果如图“standing”处,特性40µm可以满足3个温度都达到最佳。该例同时也体现出,由于少量工装和好的流量属性,CFC工装提供较低的偏差[6],使得处理过程相对可靠。

 

研究指出,普通零部件,减少外形和尺寸的改变,如文中所称述,提供更快更均匀的热量,旨在冷却气体更多的被零部件所吸收,最小化零件的变形度。此外,淬火箱的结构考虑在内,CFC工装上的零件的装载方式很重要。当“standing”批量装载这种输入轴,工装要根据如下标准进行设计:

零件横断面放置(大量)

变形规律

接触零部件(反面)

气流(热传导)

装载密度(效率)

装载能力(装载量)

正确位置

装载(自动,手动)

处理温度(接触反应,共熔)

 

结果显示在Fig.5。在系列生产中,装在零件和批量装到淬火箱,由自动化机械手执行。

 

2:薄壁环

薄壁环被装载在单层CFC工装上,进行真空硬化。环很难进行系列生产。零件被重新放在一个工装上,最好是圆形的。见图例Fig.6700环分不同批次,装到最优的工装上热处理后,测量和评估。圆环偏差结果见Fig.7

使用特殊设计的工装,可以最大减少圆环偏差25%,达到0.3mm,平均偏差50%,达到0.12mm。测出700个零件的最高和最低偏差值。没有圆环收到影响。新工装进行量产,并且以后都执行该标准。

 

总结

为了减少复杂零件的生产成本,控制热处理时的变形是关键因素。例如:在齿轮制造行业。

 

大量机加工的齿轮零件和薄壁环等的热处理时的变形,可以在低压渗碳和高压气淬中进行控制。通过使用CFC工装,结合不同处理过程(例:动力淬火),外形和尺寸的变形可以控制在一定范围内,在不同个案中,甚至可以完全消除。平均变形值的标准偏差,作为指导性的,可操作的外形偏差,是CFC工装所能提供的意义重大的价值。从3D2D的更多的装载改良方案,显示出处理的创新,及特殊的CFC工装可以更多的减少变形。处理更可靠,且生产成本也大大减少。如今还研发出了微合金钢,哪怕在高达1050℃的渗碳过程中,也可以阻止颗粒的增多。该发明仅适用于CFC工装上,确保工件加热和冷却均匀。




CFC工装



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