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真空渗碳技术的应用

来源:成都新德南光机械设备公司 | 发布时间:2021-06-23 |

摘要:双室渗碳油淬气冷真空炉具有效率高、节能、温度控制精准、温度均匀性好、工艺再现性好等特点。针对合金钢、高速钢、模具,齿轮。山东派金研制的双室渗碳油淬气冷真空炉,具有油淬和渗碳两种功能,该设备具有结构新颖、性能先进、能耗低、安全可靠等特点。
 概述: 随着我国装备制造业的迅速发展,齿轮需求量日益增多。齿轮工作承载大,冲击力强,要求安全性高。除了具有优良耐磨性,还要有较高接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。同时具有较高抗冲击力和抗过载能力。
近十几年来人们对利用真空系统的渗碳法表现出很大的兴趣,低压渗碳技术已日趋成熟。低压渗碳和气体渗碳相比,不仅可以形成无氧化物和无污染物的表面,而且把渗碳和气淬结合起来,改善了零件变形行为,提高了渗碳温度,减少了间歇式处理的时间,大大降低了气体和能量消耗,同时防止了炭黑的产生。

低压真空渗碳工艺:

1、真空渗碳定义;低压真空渗碳是一种改进的气体渗碳工艺,渗碳是远远低于大气压,典型的压力范围是300-2500Pa。其优点是钢表面保持非常洁净,因为没有气体的相互反应,真空环境下碳更快地达到钢的表面。
2、渗碳时羟类气体被引入渗碳室,裂解产生了活性碳原子,它们自由地渗入钢的表面,而氢和剩余碳氢化合物的副产品被真空泵排除了系统。目前我们采用真空渗碳的羟类气体是乙炔(C2H2)。
3、在低压真空渗碳中,羟类气体的裂解是非平衡反应,意味着钢表面很快能达到奥氏体中的碳饱和水平。通过重复多个强渗和扩散步骤,能够获得希望得到的碳分布和渗层深度。
4、低压真空渗碳工艺的控制是基于扩散理论的“奥氏体碳含量饱和值控制法”,即整个渗碳过程由数个渗碳程序集合组成,每个渗碳程序包括强渗和扩散两个阶段。确定每个子渗碳程序的个数和每个渗碳程序包括强渗期、扩散期时间需要依据材料的成分、渗层深度的要求和表面碳浓度的要求,在建立确定的数学模型后,利于计算机计算出来。

低压真空渗碳的特点:

1、低压真空渗碳,可以大幅度降低生产成本和大幅度提高设备利用率。这是因为低压真空渗碳的气氛非常简单,强渗期仅需乙炔,扩散期仅需氮气,且压力非常低,因此使用气氛的成本显著降低。另外,由于低压渗碳设备和工艺的特点,可进行高温渗碳,所以适当提高渗碳温度,可以大大缩短渗碳时间。
2、由于低压真空渗碳的控制系统能够对渗碳工艺进行精密控制,因此所处理工件有良好重复性,且工件变形小,表面光亮,无需渗碳后再进行机械加工。
3、低压真空渗碳技术有更大的灵活性,其设备可以作为独立设备,也可以与冷加工连成一条生产线。设备本身既可以是周期式的,适合小批量,多品种的生产情况。也可以是连续式的 ,有多个加热渗碳室,气淬室油淬室,进出料室,真空系统,工件自动运输系统等组成,适合大批量生产情况。另外开炉,停炉非常简单,每炉开炉只需半小时即可进入工作状态。
4、低压真空渗碳采用冷壁真空技术,无点火装置,无失火危险,无污染,洁净,安全,设备操作简单,维修容易。

低压真空渗碳设备的特点:

1、用户可以根据不同要求对真空渗碳设备做出多种选择;单室,双室,三室,
2、根据工件装载方式不同可选择;立式,卧式,
3、根据工件淬火方式不同可选择;油淬,气淬
4、根据处理室功能不同,可以在设备中选择预热室,渗碳室,淬火室等
5、可以选择不同有效加热区尺寸的炉,对应不同的装炉量。
6、设备可以安装在热处理车间,也可以与冷加工设备组成生产线。
7、设备根据生产量,可以是周期式真空渗碳设备,也可以是生产线式真空渗碳设备。
8、低压真空渗碳设备具有多种用途,能灵活地实现多种热处理工艺,如真空渗碳,真空碳氮共渗,真空渗碳+油淬,真空渗碳+气淬,以及真空炉全部功能。并可以用于对工业领域各类材料和零件进行相关热处理。低压真空渗碳设备具有多种用途,能灵活的实现多种热处理工艺,如真空渗碳、真空碳氮共渗、真空渗碳+油淬+气淬,并可以拥有对工业领域所使用的各种材料和零件进行相关的热处理,如12Cr2NI4A、12CrNi3A等高和金渗碳钢的渗碳及渗碳后淬火,20CrMnTi等结构钢的渗碳及渗碳后的淬火,1Cr13等不锈钢的渗碳及渗碳后的淬火,H13、W6Mo5Cr4V2等工模具钢的淬火、齿轮类零件、轴套类零件、精密轴承、油泵油嘴机械件、精密机械零件等得淬火、退火等。

渗碳油淬气冷真空炉:

设备选用乙炔气体作为渗碳碳源,可以有效解决选用渗碳甲烷或丙烷时气体过早分解产生炭黑和焦油、渗碳不均匀、无法对盲孔 長孔 小孔进行深层渗碳的问题。渗碳时在炉体内壁充N2作为保护气体防止对炉体造成污染。渗碳时产生的少量炭黑通过专门的过滤装置除去,避免了对环境和工件表面的污染。               
     齿轮在整个热处理技术中,渗碳处理占有相当大的比例。通过渗碳处理可实现在提高表面强度、硬度、耐磨、疲劳极限等性能的同时,还可保持心部的强韧性,使产品具有更高的综合力学性能。真空渗碳与普通气体渗碳相比具有以下特点:
1、可在较高温度(980~1100℃)下进行,真空对工件表面有净化作用,有利于碳原子被工件表面吸附,因而真空渗碳可加速渗碳过程。
2、工件在真空条件下渗碳,表面不脱碳,不产生晶界氧化,有助于提高零件的疲劳强度。
3、可直接将甲烷、丙烷或乙炔气体直接真空炉内渗碳,无须添置气体制备设备。
4、对于有盲孔、深孔、狭缝的零件,或不锈钢、含硅钢等普通气体渗碳效果不好甚至难以渗碳的零件,真空渗碳都可以获得良好的渗碳层。
5、真空渗碳的耗气量仅为普通气体渗碳的几分之一或十几分之一。
6、对环境基本上无污染。
低压渗碳不仅可以形成无氧化物和无污染物的表面,而且把渗碳和淬火结合起来,减少了零件变形,提高渗碳温度,减少了间歇式处理的时间,大大降低了气体和能量消耗,采用乙炔气体独特热分解作为渗剂防止了炭黑的产生。所处理的工件具有更大的渗碳层深度,渗碳层更加均匀,渗碳质量具有良好的重复性,具有工件变形小、表面光亮,无需渗碳后在进行机械加工,低压真空渗碳采用冷壁真空技术,无点火装置,无失火危险、无污染、洁净。

设备现状

真空渗碳技术美国于1950年进行研究,1960年申请专利 ,真空渗碳技术初见端倪。1972年Hayes Co.发表了这项技术,促进了真空渗碳技术的应用和发展,美国、日本等国竞相研制和开发真空热处理炉设备。
与此同时,各公司的真空渗碳炉均是以真空淬火为主体的通用型真空炉附加渗碳功能,是冷壁型的。目前这种炉子仍是真空渗碳的主要设备,生产应用较广。当真空渗碳温度高于600℃时,丙烷很容易分解为碳、氢和甲烷,这种分解速率非常快,几乎瞬间完成,所以当丙烷气进入加热室内便开始分解,在被加热工件的附近空间更是倾向于大量分解,致使加热室内极易形成碳黑,而在炉子中相对温度较低的部位,如内壳或管道内,丙烷还形成焦油,对真空泵组极为有害。
因而真空渗碳炉要求能够排除或烧掉炭黑,无论从工艺上或装备上实现排除炭黑都是十分必要的。
目前国内大部分采用可控气氛渗碳技术,但仍存在其无法克服的弊端。例如,可控气氛渗碳无法解决表面内氧化、高温渗碳层及深层渗碳的问题,气体渗碳也难以对不锈钢、含硅钢进行渗碳等等。
低压真空渗碳作为一全新且成熟的渗碳技术,在欧洲、美国、日本等地,已经在汽车、机械 、航空航天等领域获得了广泛的应用,呈现出逐渐替代可控气氛渗碳的趋势。尤其是在一些特定领域,更显示出其卓越的性能,如盲孔类零件的长型喷油嘴针阀体、销轴类零件的薄层渗碳等。这些件用一般的可控气氛渗碳是比较困难的,而真空渗碳却可轻易的加以解决。
关于渗碳方式,在低压真空状态下,渗碳方式是通过数个子渗碳程序组成的,包括多个强渗和子扩散,所以此工艺方式又称脉冲渗碳工艺方式。采取这种渗碳方式可以保证工件边角不会产生过渗,也能够保证工件表面不会积碳,形成碳黑。
因为真空渗碳时,渗碳件被均匀加热到渗碳温度后,才通入渗碳气体开始渗碳,并在渗碳过程中采用脉冲渗碳,所以渗碳层深度和表面含碳量都很均匀,渗碳层组织非常优异,不存在网状碳化物和晶间氧化的问题。
1、经济效益和主要经济效益指标:
低压真空渗碳炉在运行成本方面有着很强大得优势:加热时间短、抽真空快速、渗碳气体使用量少、淬火效率高、更长的使用寿命和更低的保养成本,正是由于有着这样的优点,使得设备在市场上具有较大的竞争优势。该设备集真空渗碳和真空淬火于一体,仅一台设备就可实现客户的多种工艺要求,深得客户的青睐。
2、社会效益:
3、市场预测分析及市场营销战略:
随着低压真空渗碳工艺和真空渗碳炉制造技术的进一步提高,真空渗碳的应用领域逐步推广,需要圆形可控气氛所不可能应用和涉及的领域,用真空渗碳工艺及设备会很容易加以解决,而在此过程中低压真空渗碳工艺及设备自身也将会得到长足的发展。

真空泄露故障现象分析与排除

对设备全面检测,真空漏率实测值约155Pa/h(1.16torr/h),标准为0.667Pa/h(/h(5×10-3torr/h ),冷态真空度约0.444Pa(2.8×10-4torr),标准0.0013Pa(1×10-5torr),热态最高真空度约0.0119Pa(8.9×10-5torr)。热态最高真空度为空炉测量,测量值随着炉温的变化而变化,炉温越高,真空度越高。正常情况下冷态真空度应高于热态真空度,因此可知,该设备出现了反常现象。通过对不同材料试件进行测试,不锈钢,出炉温度80℃,色泽,浅蓝色。可以确定炉体有漏点。
注:1托=133.322帕 或 1帕=7.5×10-3托

 故障分析及判断

   真空泄漏故障维修的关键,是看能否准确地判断出故障点(泄漏点)。真空度抽不上去的原因可能有多个,也许真空机组的抽气能力不够,也可能是漏率偏高,又或为两者比如,抽空时间相同而真空度偏低,这时候关闭主阀,如真空计指针很快下降,多数情况是真空室漏了,这时应先查出漏点。如真空计指针下降很慢,多数情况是真空机组抽气能力不够,这时可将重点放到查找真空泵及阀门的泄漏上,或是扩散泵油污染、氧化了,或是前级管路密封不好,泵油不足,或是泵油乳化,轴封漏油等。根据以往真空设备的维修经验,设备真空度在短时间内迅速下降,一般由炉盖、板阀、碟阀等动态密封件老化、划伤及氧化皮脱落至密封线上所致。可以通过清理更换密封件,手动开关阀门检修或氦质谱检漏仪检漏,因本单位没有氦质谱检漏仪所以使用真空计检漏法:使用酒精,丙酮等易挥发液体涂在可能泄漏的地方,如泄漏则酒精渗入并挥发,影响内部真空,如真空计读数有变化,则表明该处泄漏。通过丙酮或酒精检漏法等观察真空度变化,仔细查找漏点。由于该设备真空室与外界接口较多,如连接法兰、管道及真空管等,一时难找出漏点。另一方面,由于加工任务紧急,设备没有太、长停机时间,不可能对所有接口逐一拆卸检修。经过仔细观察设备加工过程中真空度的细微变化,发现了反常现象,即热态真空度高于冷态真空度,根据这一现象,从理论上加以分析可初步判定漏点可能在炉体的十二组加热水冷电极上或者在炉内的热交换器上如果漏点在热交换器上真空度应该没有这么高,加工出来产品的颜色也不是这样。热交换器上如果漏点就会渗透出水,渗透出来的水经过高温气化产生水蒸气,大家都知道水是由水分子构成的. 水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的.如果在真空系统中出现水分子真空度是不容易上去的,所以初步怀疑漏点在加热电极周围的密封圈上,因为加热电极的密封圈可能老化或已受热碳化,电极连接板上虽然有水冷却装置,但此处是发热源,热量较高,密封件容易老化。当密封件老化或碳化降低或失去弹性时,冷态真空度必然下降,只有当炉内加温时,电极上的密封件受热膨胀才能起到较好的密封作用。这一结论正好印证了上述的真空度反常现象,但缺乏实际检测。

  故障检修及改进

 拆卸最大怀疑点的上、下两个区的电极,结果发现有两组电极密封垫已经碳化,其他密封件也已经老化。更换原装密封件后试机,与之前比较有所改善,冷态真空度0.006Pa(4.5×10-5torr),但该值距标准真空度仍差半个数量级。经反复装调,仍没有实质性改变,于是怀疑是原装密封件达不到要求。因此对电极锥面的O形密封圈设计尺寸产生怀疑,锥面上原装的O形圈截面直径为3mm,密封槽深2.4mm,压缩量只有0.6mm,该指标略低于真空密封的标准设计要求,O形圈的弹性张力不足,难以起到较好的密封效果鉴于这种情况,决定采用截面直径为4mm的O形密封圈代替原装密封圈,其压缩量由原来的0.6mm增加至1.6mm。再次开机测试,冷态真空度提高到0.0008Pa(6×10-6torr),超出该设备的设计真空度。真空漏率减少到0.04Pa/h(3×10-4torr/h ),优于设备的标准漏率。
结论:真空炉维修后,经过几个月不停运转,其真空度、漏率都非常稳定真空热处理后的材料(PH15-5,18Ni)色泽均显出金属本色,设备进入正常工作状态。

控制合金元素在真空热处理挥发问题

合金材料在真空加热时,表面的化学成分与状态会经常发生变化。N例如钢的各种合金元素中以锰铬蒸气压最高,在真空中加热他们是最容易挥发的,如镍铬合金作为真空状态的加热元件,时间长后表面就变得粗糙了。合金元素的挥发使得表面的物理性质化学性质发生变化导致使用寿命的变化。为了解决这个问题一般在800度以下真空加热。800度以上一般通入惰性气体(氮气 氩气 )等。

铝合金真空钎焊的质量工艺指南

通过钎剂、钎料、真空度、工装夹具和钎焊工艺等对铝合金真空钎焊质量的影响实验研究,明确了这些关键因素的影响机理,归纳出了钎焊工艺设计的关键点。工作压强≤1 ×10-3 Pa 是铝真空钎焊的必要条件,尽可能减少工装的热容量是基本的设计原则。
  某零件的型腔结构复杂需要钎焊成型。该零件需要多层叠焊,在多条棱上和多个圆环上形成钎焊缝。要求焊缝的焊接圆角R ≤0.2mm ,不得有钎料漫流, 要求多层0.6mm 厚的板叠焊后平面度≤0.05mm。另一种零件是要把5 个组件焊接起来,要求两个矩形面对接焊接形成垂直的两个型腔,钎焊缝在型腔内表面要齐平,不得凸起或凹陷,两个型腔要对接平整,不得有错位。这些零件钎焊的特点是在窄而长的棱上形成焊缝,要求较高的焊接强度。
  这类对焊接圆角和型位公差、焊缝及型腔的粗糙度要求极其严格的铝合金硬钎焊,影响钎焊质量的工艺因素很多,工艺设计较复杂。
  对于精密零件的钎焊,真空钎焊是较合适的工艺,它不需要钎焊后清除钎剂工序。真空钎焊就是将钎料、钎焊组件用工装夹具装夹调试好后,放入真空钎焊炉中整体加热、保温、冷却而实现钎焊的一种焊接方法。真空钎焊具有尺寸变形小、焊后不需要清洗、可以实现多条焊缝、多个零件同时焊接、绿色环保的优点,复杂精密的铝合金硬钎焊零件可以选用真空钎焊方法。为制定这类复杂精密铝合金零件的真空钎焊工艺和检验规则,我们对影响铝合金真空钎焊质量的因素进行了系统地实验研究,本文对这些影响因素进行归纳总结。
1、钎焊材料
1.1、钎剂
  铝的化学活性强,通常表面有一层极为致密的氧化膜,氧化膜的性质非常稳定,在旧膜被破坏时,能迅速形成新膜。钎焊时需要钎剂破坏这层膜,否则熔化的钎料不能与母材润湿。铝真空钎焊使用适量镁粉作钎剂,利用镁蒸汽对铝氧化膜的置换与破坏作用来改善钎料的润湿性。镁蒸汽的渗入还会降低钎料与母材间的界面张力,从而增强了钎料的润湿能力。
  实验表明,母材和钎料表面的氧化膜在入炉前清除不彻底或在加热时又发生了一定的氧化,就会焊接不上;若使用较多的镁粉,又会导致钎料漫流,损害零件的粗糙度,焊缝截面焊接圆角半径也不易控制,镁粉会污染真空系统,需要及时清洁真空系统。而使用Al-Si-Mg 钎料,若在入炉前能够彻底清除母材和钎料表面的氧化膜,适当控制升温速率,在450 ℃左右停留30min 以上,尽可能多地排除空气,在整个升温过程中维持压强≤1 ×10-3Pa ,即使不使用钎剂也能很好的焊接,焊接强度与有无添加镁粉没有区别。采用Al-Si-Mg 系钎料,不再添加钎剂,钎焊效果也很好。
1.2、钎料
  零件的材质是3A21、6063 ,固- 液相线温度分别是643 ℃~654 ℃和615 ℃~655 ℃,选择与母材具有相同的主要相组元的铝- 硅系钎料,添加一定量的镁元素可降低液态钎料的表面张力,实验表明镁元素的含量不能太高,否则会产生漫流,甚至焊缝处形不成液态钎料的毛细现象,形不成焊缝截面圆角。镁在真空环境中快速挥发也改变了钎料的成分,使焊接强度不易控制。钎料的液相线与固相线越接近越好。通过对三种成分(Al-Si-Mg) 的钎料的实验筛选, 钎料的熔点范围在555 ℃~ 580 ℃的Al80Si14Mg6 钎料,焊接强度好,焊缝截面圆角半径也容易控制。与进口钎料钎焊性能的对比试验也进一步证明了该钎料形成的钎焊缝圆角、钎料漫流、颜色、稳定性均比进口的钎料要好。
2、真空钎焊炉
  铝的化学活性高,易氧化,压强≥6 ×10-3 Pa 时,在升温过程中,母材和钎料被氧化变为灰色,钎料不能润湿母材。只有在压强≤5 ×10 - 3 Pa 时,并且在500 ℃前缓慢升温,在450 ℃停留30min ,以保证在升温过程中压强保持在≤5 ×10-3 Pa ,才能实现钎焊。
  真空钎焊炉的压升率是保证钎焊质量的重要指标,压升率就是把真空炉的压强抽至工作压强,关闭真空系统停止抽气后,单位时间内炉子压强的回升速率,它是体现钎焊炉密封漏气性能的一个技术指标,也称为泄漏率,真空钎焊炉的压升率< 0.3Pa•h - 1可以焊接出质量较高的铝合金零件。如果压升率较大,即使工作压强维持在≤1 ×10-3Pa ,铝合金零件钎焊质量也不易保证。因为大功率的抽气系统可以掩盖密封漏气指标,泄漏进炉内的气体虽然被迅速抽出,但钎焊件还是被氧化。
  在500 ℃~600 ℃升温阶段升温速率对焊接质量有重要影响,升温速率低,在真空环境中钎料低熔点成分快速挥发,留下高熔点组元不熔,甚至形成漫流。保温结束后的冷却速率同样很重要,过慢的冷却,相当于延长了保温时间,会产生漫流、漏焊、熔蚀等缺陷。
  真空钎焊炉的极限压强应≤10 - 4 Pa ,工作压强满足≤1 ×10 -3 Pa ,压升率< 0.3Pa•h - 1 。应有足够的加热功率, 能够快速升温, 升温速率≥12 ℃•min -1 。真空钎焊炉应配备气冷系统,能够快速冷却。在保证零件形位公差的前提下应用最快的速率冷却。铝合金钎焊质量对钎焊炉的控温精度、炉温均匀性要求较高, ±5 ℃可以满足小型零件的真空钎焊,现在市场上±1 ℃控温精度、±3 ℃炉温均匀性的铝真空钎焊炉可以钎焊出质量很高的零件。
3、钎焊工装夹具
  工装夹具应设计成装配位置尺寸精度高和具备装夹力可以调整的功能,工装夹具使用1Cr18Ni9Ti较好,在钎焊温度时夹具有一定的弹性,使焊缝连接处有合适的间隙,形成毛细现象吸附住熔化钎料,缝隙太大就保持不住钎料。
  挥发的钎料在螺纹牙间会形成毛细吸附最后凝固在牙间,拆卸不下来。螺栓应使用粗牙螺纹。工装夹具在第一次使用前还应在空气炉中先加热氧化一次,以减少钎料对其的润湿性,降低对辐射热的反射率。
  我们攻关前期用的钎焊实验的工装夹具的热容量大,钎料不熔、漫流、漏焊、熔蚀等缺陷不断出现,即使调整其它工艺参数也无法避免。经观察分析,原因为真空钎焊是辐射传热,零件的升温和降温速率受工装夹具热容量的影响较大,升温和降温速率小,这相当于升温速率慢和保温时间长,相对应的钎焊缺陷就不可避免。后镂空该工装、开设减重孔,使其重量降低了50 %多,经实验钎焊缺陷消除,钎焊效果良好。在不损害刚度的前提下应尽量减少工装的热容量,可以靠减轻工装重量和使用密度小、比热容小的材料来实现,比如石墨。
4、钎焊工艺
4.1、铝合金真空钎焊的工艺流程
  铝合金真空钎焊的工艺流程:
  钎料裁剪→钎焊件母材和钎料表面的氧化膜去除→钎料固定→装配→真空钎焊→检验。
4.2、表面氧化膜的清除
  用氢氧化钠水溶液腐蚀钎料和母材的氧化膜,在室温下碱腐蚀反应缓慢,需要较高的浓度,腐蚀速度快不易控制,易出现麻点。腐蚀时间长,钎料减薄较严重。通过对比实验筛选出容易控制的腐蚀工艺:温度80 ℃~85 ℃,腐蚀时间45s~50s ,碱洗后用清水冲洗掉碱液和碎屑,用稀硝酸除掉腐蚀产物,用水冲净酸液,用酒精或丙酮脱水。关键参数是碱液的成分、浓度、腐蚀温度、腐蚀时间、硝酸溶液的浓度和腐蚀时间长短等。如果碱液的成分和浓度选择不当,容易造成氧化膜清除不彻底或过腐蚀。氧化膜清除不彻底,液态钎料将无法很好地润湿母材。零件和钎料的过度腐蚀,可能会使其成分比例发生一定程度的变化,甚至使钎料的成分发生某种程度的变化,影响二者的润湿性能和焊接强度。除了碱液的成分和浓度外,腐蚀温度和腐蚀时间也对清除效果有重要影响,合适的氧化膜清除工艺参数需要通过试验优化。钎料和母材的腐蚀速率不一样,钎料和母材的腐蚀应分开进行。
4.3、真空钎焊加热
  真空钎焊加热速率对钎焊质量有重要影响。加热速率快,零件的表面颜色暗,平面度差,对比实验发现分阶段升温效果较好。在加热时铝的活性增强,极少量的空气也能使其氧化,同时气体受热膨胀,降低升温速率,可以把热空气尽量多的抽出;升温速率快,另一个不利影响是零件易变形,零件靠辐射传热,升温快导致温度不均匀,产生热应力或分区域释放应力而变形。在接近钎焊保温温度时又需要快速升温。升温速度慢,在钎料的固- 液相线温度区间停留时间长,在真空环境下钎料低熔点组分和蒸汽压大的组元挥发严重,余下的钎料组分的熔点升高保持固态不熔,钎焊不上。这与钎焊工装热容量大时出现的情况是一样的。而对于零件的平面度,在这个阶段快速升温也是允许的。在500 ℃时应力已经释放完毕, 铝合金的再结晶温度低于500 ℃,500 ℃以上时铝合金的塑性好,热应力容易释放。在模拟试件钎焊实验时,在400 ℃保温30min 而后快速升温至600 ℃保温25min ,比直接升至600 ℃的钎焊效果好。进一步的实验结果是仅在450 ℃停留30min ,而后10 ℃•min -1升至620 ℃钎焊的某零件完全合格。
4.4、铝合金真空钎焊保温
  一般将保温温度控制在低于母材固相线温度而高于钎料液相线温度,温度过高,易产生母材熔蚀缺陷,温度过低易出现钎焊强度低,甚至钎料不全熔。钎焊保温时间以工件达到钎料液相线温度以后2min 左右为宜,保温时间过短,钎焊缝不饱满圆滑甚至钎料不完全熔化;保温时间过长,则出现钎料漫流或漏焊。保温时间的长短受零件和工装的热容量的影响,热容量大保温时间长些。不同的零件和装炉量的真空钎焊需要实验筛选出钎焊保温时间。
4.5、铝合金真空钎焊冷却
  钎焊保温时间不宜太长,保温结束后需要快速冷却,采用保护气体强制均匀冷却,以零件的变形程度满足要求为冷却速率最佳值。冷却慢与延长保温时间一样,会产生钎料漫流或漏焊缺陷,对于尺寸较大的零件,快速冷却非常重要,零件和工装热容量太大时即使气体强制冷却也无法消除此类缺陷,需要减少装炉量。
5、结论
(1) 钎料的选择
  注意事项:钎料的主组元应和母材相同,钎料的液相线温度要低于母材固相线温度至少30 ℃,温差越小对钎焊炉的控温精度、炉温均匀性要求越高;钎料的固相线与液相线之温度差要尽可能的小;在钎焊温度下,钎料的主要成分应具有较高的化学稳定性,即具有较低的氧化性,并具有较低的蒸汽压;钎料的主要成分元素与母材的主要成分元素在元素周期表中的位置应当尽量靠近,这样钎缝的抗腐蚀性能好。
(2) 钎焊工艺
  由于铝合金和钎料牌号、零件的形状和大小、对钎焊质量的不同要求等的差异,表面氧化膜清除碱液的成分、浓度、腐蚀温度和腐蚀时间,真空钎焊的真空度、升温速率、保温时间、冷却速率等工艺参数会略有差异,应根据不同的情况通过实验筛选优化,最终确定最佳的工艺参数组合。
(3) 铝合金真空钎焊炉
  真空钎焊炉的性能指标:
  工作压强≤1 ×10 - 3 Pa ,压升率< 0.3Pa•h -1 ,控温精度±1 ℃,炉温均匀性±3 ℃,具备气冷功能。
(4) 工装夹具
  工装夹具在保证刚度满足钎焊要求的前提下,尽量的简单、质轻。

量产大型的零件利用什么真空炉比较合适

真空烧结炉具有成本效益运行能力的一个重要因素就是经济的工艺气体和电力消耗。根据不同的 气体类型,烧结过程的这两大成本元素可以占到总成本的50%。为了节省气体消耗,必须实施可调节的气流分压模式,同时保证脱脂和烧结过程免受污染。为了减少电力消耗,用优化的加热元件制造热区来降低热损失。为了实现这些设计要点并将研发 成本控制在合理范围,一台现代的资源节约型的真 空烧结炉会运用流体动力学计算工具以找到最优化 的气流和热流模式。

不同炉型的适用性

不考虑量身定做、高度专业化的系统,市场上大 部分的烧结炉可以分为周期式真空炉和连续式气氛 炉。注射成形和催化/脱脂后的褐色零件包含有残余的聚合物,这两种炉型都提供了热法去除聚合物的方案。
一方面,如果是量产完全一致或者形状相似的相对大型的零件,充分利用连续式气氛炉比较合适。在这种情况下,周期短、烧结产能高,可以得到有利的成本收益率。然而在中小规模的生产线上,这种最低年产量150—200t、投入成本高、体积大的连续式气氛炉并不经济。而且,连续式气氛炉在维护上需要更长的停机时间,降低了生产灵活性。
另一方面,周期式真空烧结炉具备突出的脱脂烧结工艺控制技术。之前提及的限制,包括MIM零件成品的几何变形和化学分解都可以被有效解决。一种解决方式是通过精密的气体控制系统,层流的工艺气体将挥发的粘结材料冲走。另外,通过缩小热区容量,真空炉的温度均匀性非常好,可达lK。总体而言,真空炉很好的气氛清洁性、高真空烧结炉工艺参数可调节性以及较小的零件震荡,使它成为生产高质量零件(如:医疗器械)的技术选择。许多公司面临波动的订单状况,需要生产不同形状和材料的零件,真空 烧结炉的低投入和高周期灵活性将为他们创造有利 条件。运行一组真空炉不仅能提供富余的生产线,而且可以同时运行不同工艺程序。
然而,一些专业的具备上述技术优势的真空烧结炉受限于小的可用容量。它们在投入产出比上的 劣势以及较低的能源利用率,使零件的烧结成本可能抵消了在其它MIM工艺步骤中节省的成本。




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