1 前言
耐火材料成型模具的熱處理是模具生產(chǎn)中的一道重要工序，直接影響到模具的成本和使用壽命。山東第二耐火材料廠（簡稱山東二耐）自1958年建廠以來，模具熱處理一直沿用固體滲碳工藝，加熱設備采用燃油火焰反射爐，后來改用燃煤反射爐。該工藝雖然簡單，但周期長，生產(chǎn)成本高，滲碳層厚度不易保證，模板的壽命較低且波動大，污染環(huán)境。為此，對其進行工藝改造，將固體滲碳改為氣體滲碳。
氣體滲碳是將模板置于含碳原子的氣體介質(zhì)中，在一定溫度下保溫一段時間，使碳原子滲入模板表面，以改變鋼表面（模板表面）的化學成分、組織和性能。氣體滲碳工藝包括分解、吸收和擴散三個過程。滲碳時，首先是鋼表面與氣體介質(zhì)相互作用，在氣相和金屬表面吸收活性碳原子，同時依靠原子的擴散速度及其形式向金屬內(nèi)部擴散，擴散速度的大小取決于濃度的差別和原子的熱運動。隨著吸收增加和擴散的深入，模板表面達到過共析和共析成分的含碳量，隨后將模板進行淬火和低溫回火，可在模板表面獲得高硬度、高強度和高耐磨性的滲碳層。
2 氣體滲碳工藝
2.1 設備
滴注式氣體滲碳，采用的是普通井式滲碳爐。該設備操作方便，投資少，成本較低，解決了反射爐環(huán)境污染及爐內(nèi)氣氛難控制的問題。
2.2 工藝曲線
氣體滲碳的排氣、強滲和擴散三個階段選用不同的滴劑量。為了便于直接淬火，擴散后，又增加了降溫和均溫階段。工藝曲線如圖1所示。
2.2.1 排氣階段用甲醇和煤油滴劑當模板放入爐內(nèi)時，爐內(nèi)存有空氣，會引起模板表面氧化，影響滲碳層的均勻性。因此裝爐以后，應盡快將爐內(nèi)的氧化性氣體（CO2、O2）排出爐外。這時需要滴入大量稀釋劑甲醇（CH3OH
CO+2H2），使爐內(nèi)及早形成還原性氣氛。當爐溫達到900℃時，為迅速提高碳勢，為下一階段強滲做好準備，中斷稀釋劑甲醇的滴入，改滴滲碳劑煤油(滴量200～220d/min)。滴煤油2h后，分析爐內(nèi)氣氛表明CO2小于0.5%、O2為0。這表明排氣階段驅(qū)趕氧化性氣氛比較徹底，有利于下一階段的強滲。
圖1 工藝曲線
注：到溫裝爐，供甲醇，900℃后停供甲醇，2h后，關(guān)閉試樣孔，進行強滲。
2.2.2 強滲階段用煤油滴劑 煤油是混合物，在高溫狀態(tài)下大部分分解為混合氣體:CH436%～46%，CnH2m20%～26%等。甲烷是滲碳能力很強的氣體，其分解反應式為：
析出活性碳原子被鋼（奧氏體）吸收而滲碳。
鋼與甲烷的反應式為：
通過一系列化學反應，產(chǎn)生大量的活性碳原子，與模板表面接觸溶解于金屬固溶體，模板表面急劇增碳。但由于C2H2n的聚合作用容易形成碳黑，阻礙滲碳進行，因此，在生產(chǎn)過程中，對煤油的滴量作適當控制。實踐表明，在井式滲碳爐中，強滲階段煤油滴量用140～160d/min較宜。
2.2.3 擴散階段用煤油和甲醇滴劑 鋼的表面吸收了大量活性碳原子，碳原子從表面的高濃度區(qū)向里層的低濃度區(qū)擴散。實踐證明，在分解、吸收、擴散三個階段中，以擴散為最慢，時間最長。在此階段，分解和吸收的碳原子數(shù)量要與深入擴散的碳原子的數(shù)量相適應，若分解的碳原子過多，金屬表面來不及吸收，多余的碳原子會重新結(jié)合成分子狀態(tài)的碳，即碳黑，沉積在鋼的表面阻礙碳原子的繼續(xù)滲入。因此，該階段應減少煤油量增加甲醇滴量以起稀釋作用。
2.2.4 降溫和均溫階段用煤油和甲醇滴劑 為了直接淬火，獲得模板表層的高硬度，必須有降溫和均溫階段。在此階段，為防止爐內(nèi)氣氛中碳勢降低，模板產(chǎn)生脫碳，一般以煤油和甲醇的滴量與擴散階段相近為宜。
3 應用效果
經(jīng)過氣體滲碳，模板表面的含碳量達到0.9%～1.0%，淬火后的表面硬度為HRC62～64（見圖2），滲層組織為淬火馬氏體+殘余奧氏體+少量Fe3C,碳在滲層中的分布情況見圖3。
圖2 硬度值曲線
2000年4月1日T-3模板
圖3 滲層深度及碳濃度梯度
2000年6月28日試樣
氣體滲碳與固體滲碳工藝成本比較見表１。
表1 成本比較 元
| 工 藝 | 日產(chǎn)量/kg | 模具滲碳費用組成 | 費用合計 | 成本 /元·t-1 |
||||
| 滲碳劑 | 滲碳箱 滴管 |
燃料 | 人工費 及其它 |
廢品損失 | ||||
| 固體滲碳 | 450 | 固體滲 碳劑 |
106 | 重油 | 73.7 | 20 | 412.2 | 916 |
| 72.5 | 140 | |||||||
| 氣體滲碳 | 500 | 煤油、 甲醇 |
12 | 電 | 81.7 | 10 | 286.7 | 561.4 |
| 34.5 | 148.5 | |||||||
由表１看出，采用氣體滲碳工藝后，成本平均降低354.6元/t。對C-21鋼包襯磚模使用統(tǒng)計證明，采用固體滲碳工藝，模具只能使用1個班、壓磚1000塊；而采用氣體滲碳工藝，模具可使用2個班，平均壓磚2200塊，模具使用壽命大大提高。
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