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热处理工装的轻量化及其材料优化
发布日期:2017-02-07  来源:热处理生态圈  浏览次数:400
核心提示: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

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。

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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。

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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。

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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。

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(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。

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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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