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TD炉知识

目前,TD盐浴渗金属在国内的工业应用正处于起步阶段,与日本相比,不仅在应用范围、规模及经济社会效益上存在巨大差距,而且在许多相关技术上存在着许多待研发的课题。其中,TD盐浴渗金属的设备在国内还几乎是空白。在国内一些应用TD盐浴渗金属的单位目前主要用外热式坩埚盐浴炉。由于尚无正规生产研发此种设备的企业,各单位使用的外热式坩埚TD盐浴炉普遍存在如下问题:(1)热效率不高;(2)坩埚寿命不长;(3)盐浴防氧化问题;(4)操作机械化自动化程度不高;(5)盐浴偏析较严重。 针对上述问题,本文重点研究以下内容:(1)坩埚材料的耐蚀性及抗氧化性分析;(2)如何更有效地提高外热式坩埚TD盐浴炉的热效率;(3)如何更有效地防止盐浴偏析。 对盐浴炉用金属材料的研究,为避免试样在实验过程中产生覆层,又要使盐浴主要成分接近TD处理时的成分,选取硼砂浴配方(质量分数):氟化钠,12.5%;脱水硼砂,87.5%。材料中对高温耐蚀性及高温抗氧化性最大贡献的是NiCr元素,所选材料的Cr含量为15%-25%,Ni含量为9%-80%,几乎包括了主要的耐热耐蚀不锈钢。 通过对炉衬结构的改进、炉衬材料的选取及红外辐射材料的应用的方法解决现有外热式坩埚TD盐浴炉热效率低的问题。 盐浴成分的配比不同,有时造成TD处理过程中盐浴发生较大偏析,TD盐浴碳化物覆层的形成造成一定的影响。为了不影响盐浴的成分且能有效地减少盐浴偏析,综合考虑采用外加搅拌装置来实现。 对以上内容的研究结果为:1)试验所选用Cr-Ni不锈钢中,cr20ni35不锈钢在硼砂浴中具有最佳耐蚀性;试样的腐蚀主要集中在硼砂浴面与空气的交界面处,其它部位腐蚀较弱,硼砂浴中na2ob2o3的存在加速了试样的腐蚀;2)炉子采用大尺寸结构拼装,搁丝台成波浪形,在其表面涂覆一层以cr2o3fe2o3为主要材质的远红外辐射涂层,加强了炉内的辐射能量和强度,提高了热效率;3)加入盐浴搅拌装置,盐浴偏析问题得以改善;安装简易防高温氧化装置可以有效防止浴盐的老化。 利用以上研究结论和部分专利技术,对外热式坩埚TD盐浴炉进行了改进设计,使其功能、性能、操作方便性、热效率及使用寿命等均得到显著改善。

d处理(Toyota diffusion coating process)技术是由日本丰田中央研究所开发的,是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行表面强化(硬化)处理技术的总称。过去的一些文献将TD处理称为渗金属处理。实际应用最为广泛的是熔盐浸镀法(或称熔盐浸渍法、盐浴沉积法)在模具表面形成vcnbccr23c6-cr7c3等碳化物超硬“涂层”(实为渗层)。由于这些碳化物具有很高的硬度,所以经TD法处理的模具可获得特别优异的力学性能。一般来说,采用TD处理与采用cvd(化学气相沉积)、pvd(物理气相沉积)、pcvd(等离子化学气相沉积)等方法进行的表面硬化处理效果相近似,但由于TD法设备简单、操作简便、成本低廉,所以是一种很有发展前途的表面强化处理技术。TD处理在国外应用已相当普遍,但在国内报道并不多见。

     1.设备及盐浴成分

     td处理所用设备有普通外热式坩埚盐浴炉和采用将坩埚置入一内热式电极盐浴炉炉膛内的设备,后者不仅增大了设备体积及设备功率,而且这种电极盐浴炉还需配备专用变压器,故这种设备并不多用。

     盐浴成分:耐热坩埚中的盐浴,70-90%是硼砂(na2b4o7),根据涂覆层的组织成分要求,再加入能形成不同碳化物的物质,如:涂覆vc时,加入fe-v合金粉末或v2o5粉末。

    无水硼砂的熔点为740℃,其分解温度高达1573℃,在高温状态非常稳定。熔融硼砂具有溶解金属氧化物的能力,使工件表面保持洁净,有利于工件表面吸附活性金属原子。硼砂盐浴中的添加剂是vnbcr及其fe合金或氧化物粉末。目前,工具钢多采用vc涂层。如需涂覆nbccrc,则在硼砂中加入fe-nbfe-cr合金粉末或nb2o5cr2o3氧化物粉末。添加剂的数量要适当,既要满足渗入元素的浓度和扩散速度要求,又要使盐浴具有较好的流动性。

     如盐浴组成中含有金属氧化物,则需添加alcatife- tife-al等物质,以提高并保持盐浴的活性,使活性金属原子得以在盐浴中被还原出来。

    2.工艺概述

    将硼砂放入坩埚中加热熔化并升温至8001200℃,然后加入组成盐浴的其它物质,再将工件浸入盐浴中保温110h(浸渍时间长短取决于工艺温度及“涂覆”层厚度要求)工件表面就会形成由碳化物构成的表面“涂层”。

     3. 碳化物的形成机理

     碳化物的形成过程是硼砂盐浴中活性金属原子与工件(基材)本身的碳原子相结合的过程,这个过程包括以下四个步骤:

     (1)碳化物形成元素的合金或氧化物粉末不断向盐浴中溶解,并被还原为活性金属原子;

     (2)活性金属原子在盐浴中向工件表面扩散;

     (3)金属原子与工作表面的碳原子结合形成碳化物;

     (4)工件内部的碳原子不断向表面扩散,与金属原子结合,碳化物层不断增厚。

      由此可见,td处理过程中的vnbcr等碳化物形成元素与c结合,在工件表面形成vcnbccr-c等,其中的vnbcr来自盐浴中所添加的金属合金或氧化物粉末,而碳化物中的c则来自基材在工艺温度下固溶于奥氏体或铁素体中的碳,碳化物层的形成是靠盐浴中的活性金属原子和碳原子的双向扩散完成的,而碳原子在整个扩散过程,均在基材(固体)内进行。因此,熔盐浸镀法是一种利用扩散规律进行表面强化的处理方法,“涂覆”层的形成机理与pvdcvd有本质不同。

     由于碳化物中的c来自工件(基材)本身,因此要求基材的含碳量在0.4%以上,一般含碳量较高的工具钢最适宜作td处理的基材。

     4.td处理的工艺参数

影响td涂层厚度的主要因素是盐浴温度、处理时间和基材的化学成分,其关系为d2ate-q/rt,式中d为“涂覆”层厚度(mm);t为浸渍时间(s);t为工艺温度(k);q为碳化物层的扩散激活能(约为167.47209.34kj/mol);r为气体常数(8.29j/molk);a为由基材含碳量等因素决定的常数,一般在10-310-2之间;e为自然常数。

     根据上述函数关系,对某一工件(基材),其含碳量及化学成分是一定的,当工艺温度一定时,根据设计的“涂覆”层厚度要求,时间便可确定。

     TD处理的特点是碳化物层厚度随处理时间的变化规律符合抛物线(菲克第二定律)规律。

    如前所述,TD处理温度一般在8001200℃,这个选择范围是比较宽的,而温度的高低又直接影响到“涂覆”层形成的速率,因此,工艺温度非常关键,而目前作者所见的报道均未对此作出介绍。笔者认为:TD处理温度应与基材的最佳淬火温度相一致。因为TD处理后须经淬火、回火处理,以获取必要的基体硬度。温度选择过高,则会在TD 处理过程导致基体组织的粗化,这种粗化的组织直接进行淬火,不仅降低了基体的力学性能,还会加剧变形开裂趋势。而当处理温度选择过低时,则在TD处理过程不能完成奥氏体化,从而不能直接淬火,这是不经济的。

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