辊底式热处理炉表面氧化脱碳原因及预防措施

2014-07-21杨喜军郭永强俞继瑶张鸿翔文婧

轴承 2014年2期

杨喜军，郭永强，俞继瑶，张鸿翔，文婧

(洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039)

轴承零件的热处理工艺不同于车、磨加工，特别是淬火热处理几乎是一个不可补救的过程，设备一旦出现故障，处置不当将造成整批产品的报废，因此，对淬火加热设备整体水平要求非常高。目前，国内轴承零件热处理的总体趋势已转向无氧化可控气氛的热处理或真空热处理，传统空气热处理炉因能耗高、零件表面氧化脱碳严重、淬火变形大等已逐渐退出舞台。但即使是带保护气氛的热处理炉淬火加热仍存在由于设备设计缺陷或某些不可避免的原因而导致零件表面在加热炉内发生氧化脱碳，影响产品质量。

1 轴承零件表面氧化脱碳原因分析

氧化是指零件在淬火加热时，与炉气中的氧气、水蒸气以及二氧化碳等氧化性气体发生化学反应，从而使零件表面的化学性能发生转变的现象。脱碳是指在加热过程中零件中的碳与气氛中的氧气、水、二氧化碳及氢气等发生反应，形成含碳气体逸出零件表面，使零件表面含碳量降低的现象[1]。如果零件在淬火炉内加热时炉气中含碳量低于零件的含碳量，将发生钢的表面脱碳。脱碳包括两个过程：一是零件表面与炉内气氛发生化学反应，形成含碳气体逸出表面，表面碳浓度降低；二是表面碳浓度降低后在零件表面与内部之间出现碳浓度差，内部发生碳原子向外扩散。脱碳层只有在脱碳速度大于氧化速度时才能形成，当氧化速度很大时，可能不会发生明显的脱碳现象，即使脱碳层产生后，基体也会快速氧化而生成一层致密的氧化膜阻止碳原子向外逸出。因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，才可能形成较深的脱碳层。在强氧化气氛中加热时，表面脱碳和表面氧化往往同时发生。一般情况下，轴承钢的表面脱碳比表面氧化更容易发生。

热处理炉内的保护气氛是多种气体的混合物，有氧化性气体、中性气体、还原性气体和渗碳性气体等。在高温下加热时其化学反应很复杂，不论是氧化脱碳反应，还是还原增碳反应，除自由氧原子参与的反应外，都能在一定条件下达到平衡，甚至进行可逆反应。而氧对轴承钢的氧化反应是不可逆的，并且非常强烈，如轴承钢在中性气体氮中退火时，炉内的含氧量只要有万分之几，就能使零件氧化。盐浴氮基保护气氛辊底式热处理炉内气体的主要成分有一氧化碳、氢气、氮气、二氧化碳、水蒸气和甲烷等。需首先对可能引起氧化脱碳的各种气体进行分析，找出这些气体进入炉内的可能途径，并逐项排除，从而解决由于气氛问题造成的零件氧化脱碳。

1.1 O2的影响

氧化脱碳最常见的原因是炉内有空气进入，淬火加热炉总长超过4 m，零件从进入炉膛到离开要经过较长的加热过程，中间任意一处出现问题都可能使零件出现氧化脱碳，如炉膛两侧或炉顶加热器、光电开关、窥视孔出现泄漏问题等。氧气具有很强的氧化性和脱碳性，氧化反应为：2Fe+O2→2FeO，Fe3C+O2→3Fe+CO2(不可逆反应)。一旦有氧气进入炉内，将会对炉内零件造成致命的损伤。

1.2 H2O的影响

当炉内有水或水汽进入时，水被高温裂解形成活跃的氧离子，很容易与零件发生氧化反应：2Fe+H2OFeO+H2，Fe3C +H2O3Fe+H2+CO。氧离子既可以与铁结合生成氧化铁，也可以与铁中的碳原子结合生成一氧化碳。因此，当炉内水或水汽的含量达到一定浓度时，零件必然出现氧化脱碳。

1.3 CO2的影响

炉内CO2对铁及其碳化物的化学反应为：Fe+CO2FeO+CO，Fe3C +CO23Fe+2CO。一般炉内很少出现单独由CO2气体造成的氧化脱碳，这主要是由于高温加热炉内CO2气体不可能大量存在，也很少有CO2气体在炉内大量产生。但CO2气体能与炉内的H2发生反应，生成水而造成零件的氧化脱碳。

2 淬火炉结构及氧化脱碳的原因

2.1 淬火炉和淬火槽的结构

保护气氛辊底式热处理生产线淬火加热炉结构如图1所示，主要由前后锁气室、加热炉、淬火槽等组成。加热炉前端的前锁气室主要作用是防止在打开炉门进料时炉内、外直接发生气体交换，其设置有2道炉门，前端炉门有盘根密封并有机械自动预锁紧装置，后端炉门置于传动辊棒上起隔热作用，2道炉门逐级进料可有效防止空气直接通过炉门进入加热炉内；出炉原理与进炉刚好相反，可以有效防止淬火槽内盐蒸气和水蒸气直接进入加热炉，后锁气室顶部设置有加热器和温控系统，以防止零件在出炉进入盐浴淬火过程中温度下降过快；淬火加热炉辊棒上、下各有一排加热器；炉顶安装有测温热电偶和监测氧势的氧探头，炉顶中央安装有一台高温搅拌风扇。

图1 辊底式淬火炉及淬火槽结构示意图

采用熔盐盐浴淬火，淬火槽设计为2个工位，中间密封隔板将淬火槽分割成淬火室和出料室2个独立空间，熔盐液面高于密封隔板底部，使淬火室完全封闭。淬火室顶部有配重的放散阀，为防止高温盐蒸气和水蒸气(为改善淬火组织转化，一般淬火槽内加有适量的水)在密闭的淬火室内急剧膨胀发生爆炸，放散阀会自动打开放气(打开时间可调)，也可以防止盐蒸气和水蒸气向后锁气室扩散，影响淬火加热炉内的气氛保持。

2.2 保护气氛辊底炉氧化脱碳原因

保护气氛辊底式淬火炉零件出现表面氧化脱碳除材料本身原因外，一般与炉体的气密性有关，当炉内与外部发生气体交换时，保护气氛将失去保护作用而导致零件表面氧化或脱碳。根据辊底炉结构特点，其发生气体泄漏的部位可能有前后炉门、加热器安装孔、测温热电偶安装孔、氧探头安装孔、保护气体通入管口、放散阀、窥视孔以及辊棒传动装置等。当出现零件氧化脱碳时，应根据氧化脱碳层厚度进行分析判断，采用逐项排除法分析解决问题。

当零件发生较严重的氧化或脱碳时，首先查看氧势读数。氧势大小反映炉内气氛的氧浓度，氧势越大说明氧的含量越少，炉内气氛的碳含量越高。正常生产保证氧势为950～1 200 mV，氧势过大过小都不利，氧势过大可能使零件渗碳，反之则会脱碳。当发现氧势不在正常范围内时，还需要分析氧势测量装置的可靠性，简单方法是对氧探头进行手动烧炭，以确认测量装置的完好性。其次，检查炉压是否正常。保护气氛辊底式淬火炉正常炉压为(230±50)mm水柱，炉压过高过低都不合适，炉压过高说明通入炉内的富化气(丙烷、氮气等)流量过大，既存在安全隐患，又浪费资源；炉压过低可能是通入的气体流量不足，或是炉内密封出现问题，需要对炉膛密封进行专项检查。

然而，微小的泄漏一般很难从氧势或炉压上反映出来，其对加热炉整体性能参数影响也很小，往往会被忽略。但当零件表面出现氧化脱碳时，泄漏问题可能已经很严重，这时再对设备进行检查就显得被动。因此，在日常工作中就应该做好对可能发生泄漏部位的检查和确认，以预防零件表面质量问题的发生。