新材料与工艺手册

[分享] 热处理工装的轻量化及其材料优化

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发表于 2017-2-7 12:25:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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      热处理生产离不开工装夹具,但各种类型加热炉用夹具、料盘、料筐、料架等都要随同工件一起加热,有时它所带走的热量等于或大于工件的热量,约占总热量的18%~29%,这无疑增加了热处理生产成本。
      日本统计的各种类型电炉连续运转时的热效率如表1所示。从表1中的数据可以看出,井式炉吊具热能消耗量最大,箱式炉和输送带式炉次之,输送带式炉的输送带很长,加热后冷却又重新入炉加热,无效热能损失大。而震底式炉的炉底板一直在炉膛做往复运动,因炉内不使用料盘,故没有这方面损失。因此,尽可能用震底式炉、辊底式炉和网带炉代替链板炉或铸链炉,免除料盘的热损失,降低成本。
1  各种类型电炉连续运转时的热效率
      炉型
规格与参数
箱式周
期炉
井式

输送
带式炉
震底
式炉
正常处理量
/(kg·h-1)
160
(装炉量
400kg)
220
(装炉量
400kg)
200
200
电炉功率
/kW
63
90
110
80
实际用电
/kW·h
56
62
78
50
热效率(%)
39
43
35
54
炉壁散热(%)
31
23
37
36
夹具料盘余
热消耗(%)
19
29
18
0
被处理件
热消耗(%)
39
43
35
54
可控气氛带
走热量(%)
6
4
4
10
其他热损失
(%)
5
1
4

加热温度/℃
850
850
850
850
全加热时间
/min
90
90
40
40
      热处理用料盘、夹具等耐热构件与工件一起在炉内加热,随工件冷却后,重新装上工件再次加热。这是必须付出的能量消耗,但在保证其强度和寿命的前提下,如能最大程度地减轻其重量,就可以减少用于料盘、夹具上的能源消耗,可多装工件,提高效率,显著降低能源。从这个角度,采用高级、较昂贵的耐热合金钢,甚至金属间隙化合物材料、碳/碳复合材料、石墨材料使料盘、夹具轻量化还是经济的。有采用高级合金减轻料盘、夹具重量有节电20%的记录。
      通过精心设计,选用多功能、轻质的工装夹具,不仅可以减少工装夹具费用支出,还可以节约加热用能源,缩短生产周期,特别是批量生产的间歇式炉,整个炉子要经过加热和冷却的循环周期,因此炉子热区工装夹具的设计对于减少热量损失是十分重要的,最典型的例子就是真空淬火炉。真空炉用钼棒代替耐热钢可减少2/3的工装重量,使加热时间缩短25%。目前已有一些真空炉用碳/碳复合材料、石墨材料代替耐热钢制造工装。
一、减轻工装夹具重量的途径
      减轻工装夹具重量的途径,一是改善结构,二是选用优质材料。在对工装夹具减重而不缩短寿命的条件下进行轻量化设计与制造,其具体措施与途径如表2所示。
2 工装夹具的轻量化及其材料优化措施与途径
序号
措施与途径
1
采取板状焊接结构比铸造结构有利,采取组合结构优于整体结构,并对工装夹具结构进行充分的力学优化计算
2
设计通用的工装夹具,避免对不同的工件制备两三套夹具
3
改进工装夹具设计,可使很多技术要求相近工件一起装入工装夹具同时进行热处理
4
工装夹具的设计与制造应有空气、水、淬火油的进出通道,避免工装夹具存留淬火油、水等
5
工装夹具的设计应有利于提高料区温度的均匀性、炉内气氛的合理流动
6
当在750℃温度下,可使用加工状态的低碳钢或奥氏体不锈钢工装夹具
7
当温度超过750℃,最常用的两种耐热合金(质量分数)分别是37%Ni-18%Cr(最高使用温度1000℃)和80%Ni-20%Cr(最高使用温度1280℃)。这两种合金比不锈钢有明显的优势。热强性高,高温抗蠕变性好,热疲劳性能好,使用寿命长,而且它们还能经受不同的热处理气氛(如氧化、渗碳、渗氮等)造成的脆化和其他因素的影响
8
用网带代替链板节能效果显著
      尽量减少热处理工装夹具(料盘、料钩等)在炉外停留的时间或设置防止过度降温的保护措施,以减少其自炉内带出的热量损失。目前,市场上推广了一种料筐不出炉膛的往返式推杆炉。这些炉子的所有加料、出料都在密封状态下进行,因此具有减少热能损耗、节约气氛等优点。由于密封性好、炉气稳定、单位面积生产率大大提高,两排或三排导轨上可进行不同周期的热处理,炉子加热区外的机构得以简化。

      日本日立建筑机械厂改进密封箱式炉的料盘结构,减小了重量,从原来每盘装200个轴类件增加到300件,把以前的3台炉子一个月开动20天改为2台炉子每月开动24天,即可节电20%,每月少用电14800kW·h,节约丙烷气约500kg。
二、优化工装夹具设计
      对各种类型的加热炉,用在加热工装夹具所需的热能比重为18%~29%。所以减轻工装夹具重量对提高加热效率有重要意义。减少重量的途径之一是改善工装夹具的结构。采用计算机软件进行三维、模块化设计,配以优质工装夹具(新)材料,使工装夹具获得理想的结构与高温强度,以减少热量损失,增加装炉量。用组合式结构取代传统整体式结构,不仅可通过合理组合满足多种产品的热处理生产,而且减少了工装夹具用量,如图1所示。



三、Ni3Al金属间化合物材料的应用
1.Ni3Al材料
      美国新型炉内抗渗碳耐热构件材料——Ni3Al金属间化合物(IM),其材料成分为添加Cr、Zr、Mo、B的质量分数为8%~11%Al,81%~88%Ni,是一种陶瓷材料,具有出色的热强性、抗蠕变、抗渗碳能力。
2.应用
      可用于制造夹具、料盘、料筐、料架等(见图2),Ni3Al构件寿命比耐热钢高一倍以上。采用Ni3Al构件还可以减少炉子维修次数,缩短工艺周期,提高渗碳温度,节能效果显著。


      Ni3Al材料作为耐火、绝热炉衬材料的陶瓷纤维板(块)已获得广泛应用,产生了巨大的节能效果。
      例如,汽车动力转向系统零件的渗碳热处理采用推杆式渗碳炉,将Ni3Al材料代替HP铸造合金(质量分数为35%Ni、26%Cr)料盘、支撑座和夹具,虽然比Ni-Cr合金贵1.5~2倍,但寿命要长得多。Ni-Cr合金料盘只能用12~15个月,而Ni3Al料盘使用42个月未损坏。
      新材料Ni3Al制造的料盘由于使用寿命的延长和质量的减轻,还可以提高10%的热处理生产效率,使每台炉子每年节约1.5~2.0万美元。
四、碳/碳复合材料及其应用
1.金属料盘缺陷
      由于金属制作的料盘笨重(如真空渗碳淬火炉用料盘)、热容量大,导致淬火液温度升高而降低其冷却能力,且料盘反复加热、渗碳淬火使用,其内部也会产生相变,引起组织应力,加上热疲劳影响,使料盘出现裂纹,使用寿命大大降低。同时,金属料盘重量大,热容量大,增加了额外能源。
2.碳/碳复合材料及特点
      (1)碳/碳(C/C)复合材料构成。它由两个主要部分构成,即碳纤维和碳基体(或粘结剂)。碳纤维的碳原子组成的极细的丝,直径通常仅为0.005~0.01mm。它们交织在一起,具有出色的力学强度、硬度和导热性。将其封入其中的碳基体能够均匀地减轻重量和耐受化学作用。
      碳/碳复合材料热容量小,高温强度大,热变形可忽略不计,净重/皮重比对于料架的制作非常合适,能够加快升温和冷却速度,增大承载部件的能力,减轻部件的变形。碳/碳复合材料还具有出色的抗热疲劳性能,裂纹扩展情况大幅度减少。
      (2)碳/碳复合材料特点。由于该材料具有耐高温、抗烧蚀、重量轻、耐磨、抗腐蚀等特点。料架和炉内部件使用碳/碳复合材料制造,可提高工艺温度、增大装料量,提高生产能力,节约能源,降低总成本。

3.用碳/碳复合制作真空炉渗碳淬火料盘的特点
特点见表3。
3  用碳/碳复合制作真空炉渗碳淬火料盘的特点
序号
特点
1
用碳绳编织成网格状结构,然后用化学气相渗工艺制成碳/碳材料,它具有重量轻、透气性好、抗烧蚀、抗腐蚀、耐磨损、高温强度大、承载能力强、不变形、保证工件尺寸稳定等特点
2
料盘重量轻,蓄热量小,对淬火液温度影响不大,保证了淬火液的冷却能力。同时,大大减轻劳动强度
3
料盘热容量小,升温快,降温快,大大缩短工艺周期
4
碳/碳材料没有组织转变,在急冷急热过程中不会因相变应力而变形,料盘寿命长
5
无污染,无任何气体放出
6
产品性价比优于金属材料制造的料盘
4.国内外碳/碳复合材料的应用
      (1)美国使用碳/碳复合材料代替耐热钢制作料架,不仅减轻了料架的重量,而且降低了能耗。料架和栅格的常用制作方法包括结构组合(见图3)和压接(见图4)。碳/碳材料和合金料筐或丝网混合使用也常见。

      测试用真空高压气淬炉,炉子的有效工作空间为1270mm(长)×915mm(宽)×915mm(高),碳/碳料架组件(见图4)和合金料架组件(见图5)的总重量分别为275kg和572kg。


      使用碳/碳料架时,炉料达到规定温度(857℃)的时间比使用合金料架缩短了35min;冷却速度快10min(冷却到65℃)。
      表4为合金料架和碳/碳料架电耗和成本的比较。使用碳/碳料架因节省用电而使用电成本降低1.33美元;若真空炉成本以每小时187美元计算,则因缩短生产时间(节省总周期时间45min)而使每炉次节省了140美元。
4  合金料架和碳/碳料架电耗和成本的比较
材料
电耗/kW
成本/美元
加热
均热
合计
碳/碳
101
50
151
10.57
合金
123
47
170
11.90
                        注:电价为0.07美元/kW·h。
      (2)德国西格里碳素集团(SGL  CARBON GROUP)西格里特种石墨(上海)有限公司使用碳/碳复合材料代替耐热钢制作料架,不仅减轻了料架的重量,节省了能源消耗,而且提高了使用寿命。图7为用碳/碳复合材料代替耐热钢制作的真空炉料架。


      (3)中国科学院金属研究所生产的碳/碳材料制真空渗碳淬火炉用料盘(见图7)已用于生产,因其重量轻,节省了额外能源消耗。
5.用碳/碳复合材料代替耐热钢制造真空钎焊炉料盘减轻重量方法
      中国科学院金属研究所生产900mm(长)×650mm(宽),厚度10~30mm范围内的各种碳/碳材料制真空钎焊炉用料架,已经大量用于生产,因其重量轻,减少了额外能源消耗。其特点如表5所示。
5  用碳/碳复合材料代替耐热钢制造真空钎焊炉料盘的特点
序号
特点
1
强度高、性能稳定,经1200℃长时间反复使用料盘不变形,保证了钎焊产品形状稳定,提高了产品质量
2
料盘使用寿命达两年以上不用更换,产品性能价格比远优于目前所用的一切金属材料
3
料盘重量轻,每块料盘重量仅4kg左右,操作十分方便,大大减轻劳动强度
4
料盘热容量小,升温快,降温快,随炉温变化不滞后,大大缩短工艺周期,节省了能源,便于自动控制,提高了生产率
5
无污染,无任何气体放出,提高了处理产品的质量
6
料盘尺寸可根据用户需求订做
五、石墨材料及其应用
      在高温下(1200℃)使用合金材料制作的真空炉用工装夹具,其使用寿命较短。石墨材料具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高温强度大的等特点,对此可采用石墨材料制造。例如,使用易普森真空炉(工作区尺寸:1200mm × 1200mm × 1800mm)在高温下进行蜗轮叶片固溶、退火处理时,设计、制造一种组合式结构石墨材料真空炉料盘(见图9),每层可放置200个叶片,共有5层,各层间距100mm,共可放置1000个叶片,不仅增加了产量,而且获得了理想的使用寿命。



六、钼棒材料及其应用
       钼棒是用钼金属制成的棒状产品,钼棒在高温下,具有耐高温氧化、高温强度好、耐腐蚀、热传导率大、热膨胀系数小等优点。美国TRW公司,在真空热处理时的工件(喷气式发动机叶片,单件重量56kg)和料盘的重量比,经改进后达到 300%。该厂过去用耐热钢制作的真空炉用料盘和立柱共重630kg,改用钼棒制造后仅重225kg,重量减轻60%以上,使整盘料的加热时间由8h减为6h。料盘使用寿命较耐热钢显著提高。

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