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        真空滲碳技術的應用

        來源:成都新德南光機械設備公司 | 發布時間:2021-06-23 |

        摘要:雙室滲碳油淬氣冷真空爐具有效率高、節能、溫度控制精準、溫度均勻性好、工藝再現性好等特點。針對合金鋼、高速鋼、模具,齒輪。山東派金研制的雙室滲碳油淬氣冷真空爐,具有油淬和滲碳兩種功能,該設備具有結構新穎、性能先進、能耗低、安全可靠等特點。
         概述: 隨著我國裝備制造業的迅速發展,齒輪需求量日益增多。齒輪工作承載大,沖擊力強,要求安全性高。除了具有優良耐磨性,還要有較高接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。同時具有較高抗沖擊力和抗過載能力。
        近十幾年來人們對利用真空系統的滲碳法表現出很大的興趣,低壓滲碳技術已日趨成熟。低壓滲碳和氣體滲碳相比,不僅可以形成無氧化物和無污染物的表面,而且把滲碳和氣淬結合起來,改善了零件變形行為,提高了滲碳溫度,減少了間歇式處理的時間,大大降低了氣體和能量消耗,同時防止了炭黑的產生。

        低壓真空滲碳工藝:

        1、真空滲碳定義;低壓真空滲碳是一種改進的氣體滲碳工藝,滲碳是遠遠低于大氣壓,典型的壓力范圍是300-2500Pa。其優點是鋼表面保持非常潔凈,因為沒有氣體的相互反應,真空環境下碳更快地達到鋼的表面。
        2、滲碳時羥類氣體被引入滲碳室,裂解產生了活性碳原子,它們自由地滲入鋼的表面,而氫和剩余碳氫化合物的副產品被真空泵排除了系統。目前我們采用真空滲碳的羥類氣體是乙炔(C2H2)。
        3、在低壓真空滲碳中,羥類氣體的裂解是非平衡反應,意味著鋼表面很快能達到奧氏體中的碳飽和水平。通過重復多個強滲和擴散步驟,能夠獲得希望得到的碳分布和滲層深度。
        4、低壓真空滲碳工藝的控制是基于擴散理論的“奧氏體碳含量飽和值控制法”,即整個滲碳過程由數個滲碳程序集合組成,每個滲碳程序包括強滲和擴散兩個階段。確定每個子滲碳程序的個數和每個滲碳程序包括強滲期、擴散期時間需要依據材料的成分、滲層深度的要求和表面碳濃度的要求,在建立確定的數學模型后,利于計算機計算出來。

        低壓真空滲碳的特點:

        1、低壓真空滲碳,可以大幅度降低生產成本和大幅度提高設備利用率。這是因為低壓真空滲碳的氣氛非常簡單,強滲期僅需乙炔,擴散期僅需氮氣,且壓力非常低,因此使用氣氛的成本顯著降低。另外,由于低壓滲碳設備和工藝的特點,可進行高溫滲碳,所以適當提高滲碳溫度,可以大大縮短滲碳時間。
        2、由于低壓真空滲碳的控制系統能夠對滲碳工藝進行精密控制,因此所處理工件有良好重復性,且工件變形小,表面光亮,無需滲碳后再進行機械加工。
        3、低壓真空滲碳技術有更大的靈活性,其設備可以作為獨立設備,也可以與冷加工連成一條生產線。設備本身既可以是周期式的,適合小批量,多品種的生產情況。也可以是連續式的 ,有多個加熱滲碳室,氣淬室油淬室,進出料室,真空系統,工件自動運輸系統等組成,適合大批量生產情況。另外開爐,停爐非常簡單,每爐開爐只需半小時即可進入工作狀態。
        4、低壓真空滲碳采用冷壁真空技術,無點火裝置,無失火危險,無污染,潔凈,安全,設備操作簡單,維修容易。

        低壓真空滲碳設備的特點:

        1、用戶可以根據不同要求對真空滲碳設備做出多種選擇;單室,雙室,三室,
        2、根據工件裝載方式不同可選擇;立式,臥式,
        3、根據工件淬火方式不同可選擇;油淬,氣淬
        4、根據處理室功能不同,可以在設備中選擇預熱室,滲碳室,淬火室等
        5、可以選擇不同有效加熱區尺寸的爐,對應不同的裝爐量。
        6、設備可以安裝在熱處理車間,也可以與冷加工設備組成生產線。
        7、設備根據生產量,可以是周期式真空滲碳設備,也可以是生產線式真空滲碳設備。
        8、低壓真空滲碳設備具有多種用途,能靈活地實現多種熱處理工藝,如真空滲碳,真空碳氮共滲,真空滲碳+油淬,真空滲碳+氣淬,以及真空爐全部功能。并可以用于對工業領域各類材料和零件進行相關熱處理。低壓真空滲碳設備具有多種用途,能靈活的實現多種熱處理工藝,如真空滲碳、真空碳氮共滲、真空滲碳+油淬+氣淬,并可以擁有對工業領域所使用的各種材料和零件進行相關的熱處理,如12Cr2NI4A、12CrNi3A等高和金滲碳鋼的滲碳及滲碳后淬火,20CrMnTi等結構鋼的滲碳及滲碳后的淬火,1Cr13等不銹鋼的滲碳及滲碳后的淬火,H13、W6Mo5Cr4V2等工模具鋼的淬火、齒輪類零件、軸套類零件、精密軸承、油泵油嘴機械件、精密機械零件等得淬火、退火等。

        滲碳油淬氣冷真空爐:

        設備選用乙炔氣體作為滲碳碳源,可以有效解決選用滲碳甲烷或丙烷時氣體過早分解產生炭黑和焦油、滲碳不均勻、無法對盲孔 長孔 小孔進行深層滲碳的問題。滲碳時在爐體內壁充N2作為保護氣體防止對爐體造成污染。滲碳時產生的少量炭黑通過專門的過濾裝置除去,避免了對環境和工件表面的污染。               
             齒輪在整個熱處理技術中,滲碳處理占有相當大的比例。通過滲碳處理可實現在提高表面強度、硬度、耐磨、疲勞極限等性能的同時,還可保持心部的強韌性,使產品具有更高的綜合力學性能。真空滲碳與普通氣體滲碳相比具有以下特點:
        1、可在較高溫度(980~1100℃)下進行,真空對工件表面有凈化作用,有利于碳原子被工件表面吸附,因而真空滲碳可加速滲碳過程。
        2、工件在真空條件下滲碳,表面不脫碳,不產生晶界氧化,有助于提高零件的疲勞強度。
        3、可直接將甲烷、丙烷或乙炔氣體直接真空爐內滲碳,無須添置氣體制備設備。
        4、對于有盲孔、深孔、狹縫的零件,或不銹鋼、含硅鋼等普通氣體滲碳效果不好甚至難以滲碳的零件,真空滲碳都可以獲得良好的滲碳層。
        5、真空滲碳的耗氣量僅為普通氣體滲碳的幾分之一或十幾分之一。
        6、對環境基本上無污染。
        低壓滲碳不僅可以形成無氧化物和無污染物的表面,而且把滲碳和淬火結合起來,減少了零件變形,提高滲碳溫度,減少了間歇式處理的時間,大大降低了氣體和能量消耗,采用乙炔氣體獨特熱分解作為滲劑防止了炭黑的產生。所處理的工件具有更大的滲碳層深度,滲碳層更加均勻,滲碳質量具有良好的重復性,具有工件變形小、表面光亮,無需滲碳后在進行機械加工,低壓真空滲碳采用冷壁真空技術,無點火裝置,無失火危險、無污染、潔凈。

        設備現狀

        真空滲碳技術美國于1950年進行研究,1960年申請專利 ,真空滲碳技術初見端倪。1972年Hayes Co.發表了這項技術,促進了真空滲碳技術的應用和發展,美國、日本等國競相研制和開發真空熱處理爐設備。
        與此同時,各公司的真空滲碳爐均是以真空淬火為主體的通用型真空爐附加滲碳功能,是冷壁型的。目前這種爐子仍是真空滲碳的主要設備,生產應用較廣。當真空滲碳溫度高于600℃時,丙烷很容易分解為碳、氫和甲烷,這種分解速率非???,幾乎瞬間完成,所以當丙烷氣進入加熱室內便開始分解,在被加熱工件的附近空間更是傾向于大量分解,致使加熱室內極易形成碳黑,而在爐子中相對溫度較低的部位,如內殼或管道內,丙烷還形成焦油,對真空泵組極為有害。
        因而真空滲碳爐要求能夠排除或燒掉炭黑,無論從工藝上或裝備上實現排除炭黑都是十分必要的。
        目前國內大部分采用可控氣氛滲碳技術,但仍存在其無法克服的弊端。例如,可控氣氛滲碳無法解決表面內氧化、高溫滲碳層及深層滲碳的問題,氣體滲碳也難以對不銹鋼、含硅鋼進行滲碳等等。
        低壓真空滲碳作為一全新且成熟的滲碳技術,在歐洲、美國、日本等地,已經在汽車、機械 、航空航天等領域獲得了廣泛的應用,呈現出逐漸替代可控氣氛滲碳的趨勢。尤其是在一些特定領域,更顯示出其卓越的性能,如盲孔類零件的長型噴油嘴針閥體、銷軸類零件的薄層滲碳等。這些件用一般的可控氣氛滲碳是比較困難的,而真空滲碳卻可輕易的加以解決。
        關于滲碳方式,在低壓真空狀態下,滲碳方式是通過數個子滲碳程序組成的,包括多個強滲和子擴散,所以此工藝方式又稱脈沖滲碳工藝方式。采取這種滲碳方式可以保證工件邊角不會產生過滲,也能夠保證工件表面不會積碳,形成碳黑。
        因為真空滲碳時,滲碳件被均勻加熱到滲碳溫度后,才通入滲碳氣體開始滲碳,并在滲碳過程中采用脈沖滲碳,所以滲碳層深度和表面含碳量都很均勻,滲碳層組織非常優異,不存在網狀碳化物和晶間氧化的問題。
        1、經濟效益和主要經濟效益指標:
        低壓真空滲碳爐在運行成本方面有著很強大得優勢:加熱時間短、抽真空快速、滲碳氣體使用量少、淬火效率高、更長的使用壽命和更低的保養成本,正是由于有著這樣的優點,使得設備在市場上具有較大的競爭優勢。該設備集真空滲碳和真空淬火于一體,僅一臺設備就可實現客戶的多種工藝要求,深得客戶的青睞。
        2、社會效益:
        3、市場預測分析及市場營銷戰略:
        隨著低壓真空滲碳工藝和真空滲碳爐制造技術的進一步提高,真空滲碳的應用領域逐步推廣,需要圓形可控氣氛所不可能應用和涉及的領域,用真空滲碳工藝及設備會很容易加以解決,而在此過程中低壓真空滲碳工藝及設備自身也將會得到長足的發展。

        真空泄露故障現象分析與排除

        對設備全面檢測,真空漏率實測值約155Pa/h(1.16torr/h),標準為0.667Pa/h(/h(5×10-3torr/h ),冷態真空度約0.444Pa(2.8×10-4torr),標準0.0013Pa(1×10-5torr),熱態最高真空度約0.0119Pa(8.9×10-5torr)。熱態最高真空度為空爐測量,測量值隨著爐溫的變化而變化,爐溫越高,真空度越高。正常情況下冷態真空度應高于熱態真空度,因此可知,該設備出現了反?,F象。通過對不同材料試件進行測試,不銹鋼,出爐溫度80℃,色澤,淺藍色??梢源_定爐體有漏點。
        注:1托=133.322帕 或 1帕=7.5×10-3托

         故障分析及判斷

           真空泄漏故障維修的關鍵,是看能否準確地判斷出故障點(泄漏點)。真空度抽不上去的原因可能有多個,也許真空機組的抽氣能力不夠,也可能是漏率偏高,又或為兩者比如,抽空時間相同而真空度偏低,這時候關閉主閥,如真空計指針很快下降,多數情況是真空室漏了,這時應先查出漏點。如真空計指針下降很慢,多數情況是真空機組抽氣能力不夠,這時可將重點放到查找真空泵及閥門的泄漏上,或是擴散泵油污染、氧化了,或是前級管路密封不好,泵油不足,或是泵油乳化,軸封漏油等。根據以往真空設備的維修經驗,設備真空度在短時間內迅速下降,一般由爐蓋、板閥、碟閥等動態密封件老化、劃傷及氧化皮脫落至密封線上所致??梢酝ㄟ^清理更換密封件,手動開關閥門檢修或氦質譜檢漏儀檢漏,因本單位沒有氦質譜檢漏儀所以使用真空計檢漏法:使用酒精,丙酮等易揮發液體涂在可能泄漏的地方,如泄漏則酒精滲入并揮發,影響內部真空,如真空計讀數有變化,則表明該處泄漏。通過丙酮或酒精檢漏法等觀察真空度變化,仔細查找漏點。由于該設備真空室與外界接口較多,如連接法蘭、管道及真空管等,一時難找出漏點。另一方面,由于加工任務緊急,設備沒有太、長停機時間,不可能對所有接口逐一拆卸檢修。經過仔細觀察設備加工過程中真空度的細微變化,發現了反?,F象,即熱態真空度高于冷態真空度,根據這一現象,從理論上加以分析可初步判定漏點可能在爐體的十二組加熱水冷電極上或者在爐內的熱交換器上如果漏點在熱交換器上真空度應該沒有這么高,加工出來產品的顏色也不是這樣。熱交換器上如果漏點就會滲透出水,滲透出來的水經過高溫氣化產生水蒸氣,大家都知道水是由水分子構成的. 水分子是由2個氫原子和1個氧原子構成的.如果在真空系統中出現水分子真空度是不容易上去的,所以初步懷疑漏點在加熱電極周圍的密封圈上,因為加熱電極的密封圈可能老化或已受熱碳化,電極連接板上雖然有水冷卻裝置,但此處是發熱源,熱量較高,密封件容易老化。當密封件老化或碳化降低或失去彈性時,冷態真空度必然下降,只有當爐內加溫時,電極上的密封件受熱膨脹才能起到較好的密封作用。這一結論正好印證了上述的真空度反?,F象,但缺乏實際檢測。

          故障檢修及改進

         拆卸最大懷疑點的上、下兩個區的電極,結果發現有兩組電極密封墊已經碳化,其他密封件也已經老化。更換原裝密封件后試機,與之前比較有所改善,冷態真空度0.006Pa(4.5×10-5torr),但該值距標準真空度仍差半個數量級。經反復裝調,仍沒有實質性改變,于是懷疑是原裝密封件達不到要求。因此對電極錐面的O形密封圈設計尺寸產生懷疑,錐面上原裝的O形圈截面直徑為3mm,密封槽深2.4mm,壓縮量只有0.6mm,該指標略低于真空密封的標準設計要求,O形圈的彈性張力不足,難以起到較好的密封效果鑒于這種情況,決定采用截面直徑為4mm的O形密封圈代替原裝密封圈,其壓縮量由原來的0.6mm增加至1.6mm。再次開機測試,冷態真空度提高到0.0008Pa(6×10-6torr),超出該設備的設計真空度。真空漏率減少到0.04Pa/h(3×10-4torr/h ),優于設備的標準漏率。
        結論:真空爐維修后,經過幾個月不停運轉,其真空度、漏率都非常穩定真空熱處理后的材料(PH15-5,18Ni)色澤均顯出金屬本色,設備進入正常工作狀態。

        控制合金元素在真空熱處理揮發問題

        合金材料在真空加熱時,表面的化學成分與狀態會經常發生變化。N例如鋼的各種合金元素中以錳鉻蒸氣壓最高,在真空中加熱他們是最容易揮發的,如鎳鉻合金作為真空狀態的加熱元件,時間長后表面就變得粗糙了。合金元素的揮發使得表面的物理性質化學性質發生變化導致使用壽命的變化。為了解決這個問題一般在800度以下真空加熱。800度以上一般通入惰性氣體(氮氣 氬氣 )等。

        鋁合金真空釬焊的質量工藝指南

        通過釬劑、釬料、真空度、工裝夾具和釬焊工藝等對鋁合金真空釬焊質量的影響實驗研究,明確了這些關鍵因素的影響機理,歸納出了釬焊工藝設計的關鍵點。工作壓強≤1 ×10-3 Pa 是鋁真空釬焊的必要條件,盡可能減少工裝的熱容量是基本的設計原則。
          某零件的型腔結構復雜需要釬焊成型。該零件需要多層疊焊,在多條棱上和多個圓環上形成釬焊縫。要求焊縫的焊接圓角R ≤0.2mm ,不得有釬料漫流, 要求多層0.6mm 厚的板疊焊后平面度≤0.05mm。另一種零件是要把5 個組件焊接起來,要求兩個矩形面對接焊接形成垂直的兩個型腔,釬焊縫在型腔內表面要齊平,不得凸起或凹陷,兩個型腔要對接平整,不得有錯位。這些零件釬焊的特點是在窄而長的棱上形成焊縫,要求較高的焊接強度。
          這類對焊接圓角和型位公差、焊縫及型腔的粗糙度要求極其嚴格的鋁合金硬釬焊,影響釬焊質量的工藝因素很多,工藝設計較復雜。
          對于精密零件的釬焊,真空釬焊是較合適的工藝,它不需要釬焊后清除釬劑工序。真空釬焊就是將釬料、釬焊組件用工裝夾具裝夾調試好后,放入真空釬焊爐中整體加熱、保溫、冷卻而實現釬焊的一種焊接方法。真空釬焊具有尺寸變形小、焊后不需要清洗、可以實現多條焊縫、多個零件同時焊接、綠色環保的優點,復雜精密的鋁合金硬釬焊零件可以選用真空釬焊方法。為制定這類復雜精密鋁合金零件的真空釬焊工藝和檢驗規則,我們對影響鋁合金真空釬焊質量的因素進行了系統地實驗研究,本文對這些影響因素進行歸納總結。
        1、釬焊材料
        1.1、釬劑
          鋁的化學活性強,通常表面有一層極為致密的氧化膜,氧化膜的性質非常穩定,在舊膜被破壞時,能迅速形成新膜。釬焊時需要釬劑破壞這層膜,否則熔化的釬料不能與母材潤濕。鋁真空釬焊使用適量鎂粉作釬劑,利用鎂蒸汽對鋁氧化膜的置換與破壞作用來改善釬料的潤濕性。鎂蒸汽的滲入還會降低釬料與母材間的界面張力,從而增強了釬料的潤濕能力。
          實驗表明,母材和釬料表面的氧化膜在入爐前清除不徹底或在加熱時又發生了一定的氧化,就會焊接不上;若使用較多的鎂粉,又會導致釬料漫流,損害零件的粗糙度,焊縫截面焊接圓角半徑也不易控制,鎂粉會污染真空系統,需要及時清潔真空系統。而使用Al-Si-Mg 釬料,若在入爐前能夠徹底清除母材和釬料表面的氧化膜,適當控制升溫速率,在450 ℃左右停留30min 以上,盡可能多地排除空氣,在整個升溫過程中維持壓強≤1 ×10-3Pa ,即使不使用釬劑也能很好的焊接,焊接強度與有無添加鎂粉沒有區別。采用Al-Si-Mg 系釬料,不再添加釬劑,釬焊效果也很好。
        1.2、釬料
          零件的材質是3A21、6063 ,固- 液相線溫度分別是643 ℃~654 ℃和615 ℃~655 ℃,選擇與母材具有相同的主要相組元的鋁- 硅系釬料,添加一定量的鎂元素可降低液態釬料的表面張力,實驗表明鎂元素的含量不能太高,否則會產生漫流,甚至焊縫處形不成液態釬料的毛細現象,形不成焊縫截面圓角。鎂在真空環境中快速揮發也改變了釬料的成分,使焊接強度不易控制。釬料的液相線與固相線越接近越好。通過對三種成分(Al-Si-Mg) 的釬料的實驗篩選, 釬料的熔點范圍在555 ℃~ 580 ℃的Al80Si14Mg6 釬料,焊接強度好,焊縫截面圓角半徑也容易控制。與進口釬料釬焊性能的對比試驗也進一步證明了該釬料形成的釬焊縫圓角、釬料漫流、顏色、穩定性均比進口的釬料要好。
        2、真空釬焊爐
          鋁的化學活性高,易氧化,壓強≥6 ×10-3 Pa 時,在升溫過程中,母材和釬料被氧化變為灰色,釬料不能潤濕母材。只有在壓強≤5 ×10 - 3 Pa 時,并且在500 ℃前緩慢升溫,在450 ℃停留30min ,以保證在升溫過程中壓強保持在≤5 ×10-3 Pa ,才能實現釬焊。
          真空釬焊爐的壓升率是保證釬焊質量的重要指標,壓升率就是把真空爐的壓強抽至工作壓強,關閉真空系統停止抽氣后,單位時間內爐子壓強的回升速率,它是體現釬焊爐密封漏氣性能的一個技術指標,也稱為泄漏率,真空釬焊爐的壓升率< 0.3Pa?h - 1可以焊接出質量較高的鋁合金零件。如果壓升率較大,即使工作壓強維持在≤1 ×10-3Pa ,鋁合金零件釬焊質量也不易保證。因為大功率的抽氣系統可以掩蓋密封漏氣指標,泄漏進爐內的氣體雖然被迅速抽出,但釬焊件還是被氧化。
          在500 ℃~600 ℃升溫階段升溫速率對焊接質量有重要影響,升溫速率低,在真空環境中釬料低熔點成分快速揮發,留下高熔點組元不熔,甚至形成漫流。保溫結束后的冷卻速率同樣很重要,過慢的冷卻,相當于延長了保溫時間,會產生漫流、漏焊、熔蝕等缺陷。
          真空釬焊爐的極限壓強應≤10 - 4 Pa ,工作壓強滿足≤1 ×10 -3 Pa ,壓升率< 0.3Pa?h - 1 。應有足夠的加熱功率, 能夠快速升溫, 升溫速率≥12 ℃?min -1 。真空釬焊爐應配備氣冷系統,能夠快速冷卻。在保證零件形位公差的前提下應用最快的速率冷卻。鋁合金釬焊質量對釬焊爐的控溫精度、爐溫均勻性要求較高, ±5 ℃可以滿足小型零件的真空釬焊,現在市場上±1 ℃控溫精度、±3 ℃爐溫均勻性的鋁真空釬焊爐可以釬焊出質量很高的零件。
        3、釬焊工裝夾具
          工裝夾具應設計成裝配位置尺寸精度高和具備裝夾力可以調整的功能,工裝夾具使用1Cr18Ni9Ti較好,在釬焊溫度時夾具有一定的彈性,使焊縫連接處有合適的間隙,形成毛細現象吸附住熔化釬料,縫隙太大就保持不住釬料。
          揮發的釬料在螺紋牙間會形成毛細吸附最后凝固在牙間,拆卸不下來。螺栓應使用粗牙螺紋。工裝夾具在第一次使用前還應在空氣爐中先加熱氧化一次,以減少釬料對其的潤濕性,降低對輻射熱的反射率。
          我們攻關前期用的釬焊實驗的工裝夾具的熱容量大,釬料不熔、漫流、漏焊、熔蝕等缺陷不斷出現,即使調整其它工藝參數也無法避免。經觀察分析,原因為真空釬焊是輻射傳熱,零件的升溫和降溫速率受工裝夾具熱容量的影響較大,升溫和降溫速率小,這相當于升溫速率慢和保溫時間長,相對應的釬焊缺陷就不可避免。后鏤空該工裝、開設減重孔,使其重量降低了50 %多,經實驗釬焊缺陷消除,釬焊效果良好。在不損害剛度的前提下應盡量減少工裝的熱容量,可以靠減輕工裝重量和使用密度小、比熱容小的材料來實現,比如石墨。
        4、釬焊工藝
        4.1、鋁合金真空釬焊的工藝流程
          鋁合金真空釬焊的工藝流程:
          釬料裁剪→釬焊件母材和釬料表面的氧化膜去除→釬料固定→裝配→真空釬焊→檢驗。
        4.2、表面氧化膜的清除
          用氫氧化鈉水溶液腐蝕釬料和母材的氧化膜,在室溫下堿腐蝕反應緩慢,需要較高的濃度,腐蝕速度快不易控制,易出現麻點。腐蝕時間長,釬料減薄較嚴重。通過對比實驗篩選出容易控制的腐蝕工藝:溫度80 ℃~85 ℃,腐蝕時間45s~50s ,堿洗后用清水沖洗掉堿液和碎屑,用稀硝酸除掉腐蝕產物,用水沖凈酸液,用酒精或丙酮脫水。關鍵參數是堿液的成分、濃度、腐蝕溫度、腐蝕時間、硝酸溶液的濃度和腐蝕時間長短等。如果堿液的成分和濃度選擇不當,容易造成氧化膜清除不徹底或過腐蝕。氧化膜清除不徹底,液態釬料將無法很好地潤濕母材。零件和釬料的過度腐蝕,可能會使其成分比例發生一定程度的變化,甚至使釬料的成分發生某種程度的變化,影響二者的潤濕性能和焊接強度。除了堿液的成分和濃度外,腐蝕溫度和腐蝕時間也對清除效果有重要影響,合適的氧化膜清除工藝參數需要通過試驗優化。釬料和母材的腐蝕速率不一樣,釬料和母材的腐蝕應分開進行。
        4.3、真空釬焊加熱
          真空釬焊加熱速率對釬焊質量有重要影響。加熱速率快,零件的表面顏色暗,平面度差,對比實驗發現分階段升溫效果較好。在加熱時鋁的活性增強,極少量的空氣也能使其氧化,同時氣體受熱膨脹,降低升溫速率,可以把熱空氣盡量多的抽出;升溫速率快,另一個不利影響是零件易變形,零件靠輻射傳熱,升溫快導致溫度不均勻,產生熱應力或分區域釋放應力而變形。在接近釬焊保溫溫度時又需要快速升溫。升溫速度慢,在釬料的固- 液相線溫度區間停留時間長,在真空環境下釬料低熔點組分和蒸汽壓大的組元揮發嚴重,余下的釬料組分的熔點升高保持固態不熔,釬焊不上。這與釬焊工裝熱容量大時出現的情況是一樣的。而對于零件的平面度,在這個階段快速升溫也是允許的。在500 ℃時應力已經釋放完畢, 鋁合金的再結晶溫度低于500 ℃,500 ℃以上時鋁合金的塑性好,熱應力容易釋放。在模擬試件釬焊實驗時,在400 ℃保溫30min 而后快速升溫至600 ℃保溫25min ,比直接升至600 ℃的釬焊效果好。進一步的實驗結果是僅在450 ℃停留30min ,而后10 ℃?min -1升至620 ℃釬焊的某零件完全合格。
        4.4、鋁合金真空釬焊保溫
          一般將保溫溫度控制在低于母材固相線溫度而高于釬料液相線溫度,溫度過高,易產生母材熔蝕缺陷,溫度過低易出現釬焊強度低,甚至釬料不全熔。釬焊保溫時間以工件達到釬料液相線溫度以后2min 左右為宜,保溫時間過短,釬焊縫不飽滿圓滑甚至釬料不完全熔化;保溫時間過長,則出現釬料漫流或漏焊。保溫時間的長短受零件和工裝的熱容量的影響,熱容量大保溫時間長些。不同的零件和裝爐量的真空釬焊需要實驗篩選出釬焊保溫時間。
        4.5、鋁合金真空釬焊冷卻
          釬焊保溫時間不宜太長,保溫結束后需要快速冷卻,采用保護氣體強制均勻冷卻,以零件的變形程度滿足要求為冷卻速率最佳值。冷卻慢與延長保溫時間一樣,會產生釬料漫流或漏焊缺陷,對于尺寸較大的零件,快速冷卻非常重要,零件和工裝熱容量太大時即使氣體強制冷卻也無法消除此類缺陷,需要減少裝爐量。
        5、結論
        (1) 釬料的選擇
          注意事項:釬料的主組元應和母材相同,釬料的液相線溫度要低于母材固相線溫度至少30 ℃,溫差越小對釬焊爐的控溫精度、爐溫均勻性要求越高;釬料的固相線與液相線之溫度差要盡可能的小;在釬焊溫度下,釬料的主要成分應具有較高的化學穩定性,即具有較低的氧化性,并具有較低的蒸汽壓;釬料的主要成分元素與母材的主要成分元素在元素周期表中的位置應當盡量靠近,這樣釬縫的抗腐蝕性能好。
        (2) 釬焊工藝
          由于鋁合金和釬料牌號、零件的形狀和大小、對釬焊質量的不同要求等的差異,表面氧化膜清除堿液的成分、濃度、腐蝕溫度和腐蝕時間,真空釬焊的真空度、升溫速率、保溫時間、冷卻速率等工藝參數會略有差異,應根據不同的情況通過實驗篩選優化,最終確定最佳的工藝參數組合。
        (3) 鋁合金真空釬焊爐
          真空釬焊爐的性能指標:
          工作壓強≤1 ×10 - 3 Pa ,壓升率< 0.3Pa?h -1 ,控溫精度±1 ℃,爐溫均勻性±3 ℃,具備氣冷功能。
        (4) 工裝夾具
          工裝夾具在保證剛度滿足釬焊要求的前提下,盡量的簡單、質輕。

        量產大型的零件利用什么真空爐比較合適

        真空燒結爐具有成本效益運行能力的一個重要因素就是經濟的工藝氣體和電力消耗。根據不同的 氣體類型,燒結過程的這兩大成本元素可以占到總成本的50%。為了節省氣體消耗,必須實施可調節的氣流分壓模式,同時保證脫脂和燒結過程免受污染。為了減少電力消耗,用優化的加熱元件制造熱區來降低熱損失。為了實現這些設計要點并將研發 成本控制在合理范圍,一臺現代的資源節約型的真 空燒結爐會運用流體動力學計算工具以找到最優化 的氣流和熱流模式。

        不同爐型的適用性

        不考慮量身定做、高度專業化的系統,市場上大 部分的燒結爐可以分為周期式真空爐和連續式氣氛 爐。注射成形和催化/脫脂后的褐色零件包含有殘余的聚合物,這兩種爐型都提供了熱法去除聚合物的方案。
        一方面,如果是量產完全一致或者形狀相似的相對大型的零件,充分利用連續式氣氛爐比較合適。在這種情況下,周期短、燒結產能高,可以得到有利的成本收益率。然而在中小規模的生產線上,這種最低年產量150—200t、投入成本高、體積大的連續式氣氛爐并不經濟。而且,連續式氣氛爐在維護上需要更長的停機時間,降低了生產靈活性。
        另一方面,周期式真空燒結爐具備突出的脫脂燒結工藝控制技術。之前提及的限制,包括MIM零件成品的幾何變形和化學分解都可以被有效解決。一種解決方式是通過精密的氣體控制系統,層流的工藝氣體將揮發的粘結材料沖走。另外,通過縮小熱區容量,真空爐的溫度均勻性非常好,可達lK??傮w而言,真空爐很好的氣氛清潔性、高真空燒結爐工藝參數可調節性以及較小的零件震蕩,使它成為生產高質量零件(如:醫療器械)的技術選擇。許多公司面臨波動的訂單狀況,需要生產不同形狀和材料的零件,真空 燒結爐的低投入和高周期靈活性將為他們創造有利 條件。運行一組真空爐不僅能提供富余的生產線,而且可以同時運行不同工藝程序。
        然而,一些專業的具備上述技術優勢的真空燒結爐受限于小的可用容量。它們在投入產出比上的 劣勢以及較低的能源利用率,使零件的燒結成本可能抵消了在其它MIM工藝步驟中節省的成本。




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