龍必查

(廣東自生電力器材股份有限公司，廣東 佛山 528234)

得出了如下的規(guī)律：

1) 調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理的抗內(nèi)氧化的能力明顯好于正回火預(yù)備熱處理的；

2)一次淬火的抗內(nèi)氧化的能力明顯好于二次淬火的；

3)隨著滲碳保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，表層內(nèi)氧化層的深度增加，內(nèi)氧化程度嚴(yán)重。

結(jié)論：12Cr2Ni4合金滲碳鋼預(yù)備熱處理采用調(diào)質(zhì)、滲碳后采用一次淬火、滲碳保溫時(shí)間短，表層內(nèi)氧化層深明顯減小。

1 選題背景

球化退火作為預(yù)先熱處理，是我公司緊固件生產(chǎn)過(guò)程中首個(gè)關(guān)鍵工序和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是最為耗時(shí)、耗能的工序[1]。15～24噸/爐產(chǎn)品大裝爐量；生產(chǎn)周期又長(zhǎng)，超過(guò)30 h；每爐電費(fèi)多，大于 7000度/爐。退火后硬度高低對(duì)生產(chǎn)效率的提高、防止冷鐓開(kāi)裂、提高冷鐓模具使用壽命有直接影響[2]。退火后受表面脫碳的影響，會(huì)改變螺栓的機(jī)械或物理性能，降低螺紋強(qiáng)度并可能造成螺紋失效，從而直接影響產(chǎn)品的機(jī)械性能[3]。

2 設(shè)備檢查

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

通過(guò)對(duì)球化退火爐設(shè)備的檢查發(fā)現(xiàn)：爐底風(fēng)機(jī)壞了，長(zhǎng)期的加熱導(dǎo)致?tīng)t底板也開(kāi)裂了，爐內(nèi)膽有泄漏，見(jiàn)圖1。技術(shù)資料顯示，在爐壁、內(nèi)桶(或爐膽)上，一個(gè)10 cm2的小孔，每小時(shí)侵入爐內(nèi)的空氣可高達(dá)10 m3[4]。

球化退火爐的爐蓋、爐膽和熱電偶測(cè)溫及電熱元件引出孔等處的密封性不夠好，在這些部位容易產(chǎn)生漏熱，一個(gè)1 cm3的小孔的熱損失要比爐殼表面的熱損失大50倍左右，而大孔的熱損失可大到100倍以上?？自酱笤絿?yán)重。因此，需采取措施加強(qiáng)密封[5]。

爐底板開(kāi)裂、爐底氧化物積集嚴(yán)重；設(shè)備控制儀的4個(gè)控溫儀表有2個(gè)需更換，熱電偶控溫不準(zhǔn)，也要進(jìn)行更換。

由于設(shè)備維修欠及時(shí)，導(dǎo)致退火后硬度高，ML40Cr退火后硬度達(dá)88 HRB、SWRCH35K退火后硬度達(dá)78 HRB；如未通保護(hù)氣體，退火后脫落的氧化皮厚度達(dá)0.10～0.18 mm。

圖1 爐內(nèi)熱電偶測(cè)溫處裂縫Fig.1 Crack at temperature measurement position of thermocouple in furnace

2.2 對(duì)流系統(tǒng)

由內(nèi)桶、對(duì)流桶、對(duì)流風(fēng)扇、導(dǎo)流板、爐底板和爐蓋組成一個(gè)封閉的內(nèi)循環(huán)對(duì)流系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。其功效主要有兩點(diǎn)：在強(qiáng)對(duì)流風(fēng)扇的作用下，氣流沿內(nèi)桶和對(duì)流桶之間的空隙自下而上以旋轉(zhuǎn)方式流通到頂部后，轉(zhuǎn)而均勻地向下覆蓋整個(gè)工件后流向底部風(fēng)扇進(jìn)行循環(huán)對(duì)流；除可保證爐內(nèi)氣氛的均勻性外，重要的是系統(tǒng)強(qiáng)化了熱對(duì)流這一加熱形式，使?fàn)t內(nèi)工件的受熱更加均勻，從而使?fàn)t內(nèi)氣氛均勻性和爐溫均勻性達(dá)到了最佳狀態(tài)[6]。

圖2 對(duì)流系統(tǒng)循環(huán)圖Fig.2 Circulation diagram of the convection system

在導(dǎo)流板上蓋有φ3850 mm×40 mm的爐底支撐板(形成密封)，見(jiàn)圖3，使葉輪風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力沿導(dǎo)流板、導(dǎo)流桶外側(cè)、爐旁邊自下而上對(duì)流(從旁邊而非從中間)，即為超強(qiáng)對(duì)流型球化退火爐，詳見(jiàn)對(duì)流系統(tǒng)。從上向下觀察，如圖4所示的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)扇葉輪(順時(shí)針)的旋向和導(dǎo)流板(逆時(shí)針)弧度相反。因爐底板(圖5) 開(kāi)裂，導(dǎo)流板和爐底板間有泄漏：會(huì)影響爐內(nèi)氣體循環(huán)，對(duì)流不好，也影響材料硬度。

圖6是安裝在爐底的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)扇葉輪，把風(fēng)引導(dǎo)吹向旁邊、熱量向四周擴(kuò)散。圖7 是底座料架將材料懸空擱置。形成氣體循環(huán)回路，圖8為波紋型導(dǎo)流桶，特殊波紋構(gòu)造有利于加強(qiáng)爐內(nèi)氣體循環(huán)流動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)流傳熱，更增加了溫度的均勻性。

圖3 爐底支撐板Fig.3 Support plate of furnace buttom

圖4 對(duì)流方向Fig.4 Convection direction

圖5 爐底(支撐板) 開(kāi)裂Fig.5 Cracking of furnace bottom(support plate)

圖6 強(qiáng)對(duì)流風(fēng)扇葉輪Fig.6 Fan impeller of strong convection

圖7 底座Fig.7 Pedestal

圖8 波紋型導(dǎo)流桶Fig.8 Corrugated guide bucket

3 原因分析確認(rèn)

對(duì)球化退火爐設(shè)備進(jìn)行原因分析確認(rèn)，見(jiàn)表1。

4 試驗(yàn)生產(chǎn)

我廠對(duì)設(shè)備的狀況進(jìn)行了分析和深入研究，對(duì)球化退火爐及控制系統(tǒng)進(jìn)行了維修、維護(hù)及保養(yǎng)，并確認(rèn)設(shè)備性能達(dá)到最佳狀態(tài)后，按原工藝(1#、2#)和新工藝(3#)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，工藝曲線見(jiàn)圖9～圖11。

表1 要因確認(rèn)表

圖9 工藝1#球化退火曲線Fig.9 Spheroidizing annealing curve of 1# process

圖10 工藝2#球化退火曲線Fig.10 Spheroidizing annealing curve of 2 # process

圖11 工藝3#球化退火曲線Fig.11 Spheroidizing annealing curve of 3 # process

試驗(yàn)前設(shè)定了目標(biāo)值，每爐節(jié)省用電500度，(按電費(fèi)0.8元/度)，每爐節(jié)約費(fèi)用400元，每月生產(chǎn)10爐，全年節(jié)約用電12×10×400=48000元。

按緊固件冷鐓工藝要求，球化退火最終目的是改善盤(pán)圓鋼材的原始組織，以降低材料硬度，提高材料塑性，以滿足冷拔變形的要求。根據(jù)不同鋼號(hào)，試驗(yàn)前也制定了球化退火技術(shù)要求，SWRCH35K退火后硬度不大于75 HRB，SWRCH45K退火后硬度不大于77 HRB，ML40Cr退火后硬度不大于82 HRB，SCM435和ML42CrMo經(jīng)球化退火后不大于85 HRB。

按3#工藝球化退火后實(shí)測(cè)SWRCH35K、SWRCH45K、ML40Cr、SCM435和ML42CrMo退火后硬度分別為72、74、79.5、83和84 HRB；球化退火后金相如圖12所示，符合JB/T 5074—2007《低中碳鋼球化體評(píng)級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 成本控制結(jié)果與分析

表2為(按退火降溫至500 ℃出爐時(shí))三種工藝與電費(fèi)分析表，設(shè)備加熱爐功率為580 kW, 各工藝與電費(fèi)分析表中以P代替。

綜合分析：3#工藝在降溫階段采用了控制冷卻速度(簡(jiǎn)稱“控制冷”)方法，將 “原先傳統(tǒng)冷卻方法，760 ℃隨爐冷卻至650 ℃”改為：從760 ℃分兩步控制冷卻至650 ℃，即第4步從760 ℃降溫至700 ℃和第5步從700 ℃降溫至650 ℃；結(jié)合第3步，也確保了球化退火組織轉(zhuǎn)變所需的加熱溫度和保溫時(shí)間(760 ℃×5.5 h)，以得到均勻分布的球化組織，從而降低盤(pán)圓鋼的硬度。由于工藝的改變縮短了降溫時(shí)間，同時(shí)每退火一爐生產(chǎn)總時(shí)間比原先減少13 h，電費(fèi)自然可節(jié)約，最終結(jié)果也會(huì)達(dá)到(或接近)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)設(shè)定的目標(biāo)值，不可否認(rèn)，也大大提升了生產(chǎn)效率。

(a) SWRCH35K；(b) SWRCH 45；(c) SCM 435；(d) ML42CrMo；(e) ML40Cr圖12 工藝3#球化退火后的試樣金相組織Fig.12 Microstructure of sample after spheroidizing annealing of 3# process

工藝升溫保溫降溫合計(jì)時(shí)間/h電費(fèi)(時(shí)間×0.85P)時(shí)間/h電費(fèi)(時(shí)間×0.4P)時(shí)間/h電費(fèi)(時(shí)間×0.1P)時(shí)間/h各工藝耗電之和1#1613.6P292.9P4516.5P2#97.65P9.253.7P262.6P44.25 13.95P3#97.65P6.252.5P161.6P31.2511.75P備注耗電系數(shù)在0.8～1.0范圍內(nèi)選取,本工藝按0.85 P耗電系數(shù)按0.4P耗電系數(shù)按0.1P

6 改進(jìn)措施及效果確認(rèn)

針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，我廠經(jīng)過(guò)對(duì)球化退火設(shè)備的全面檢查，對(duì)原因進(jìn)行了分析，對(duì)設(shè)備及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，對(duì)盤(pán)圓料球化退火的保溫時(shí)間和冷卻時(shí)間作出調(diào)整，得到符合技術(shù)要求的金相組織和硬度。滿足了緊固件生產(chǎn)過(guò)程中的要求。新工藝的應(yīng)用為工廠帶來(lái)了直接經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約電費(fèi)成本5萬(wàn)元[7]。