热处理车间所用RJJ-井式气体渗碳炉，采用电阻丝加热，功率为kW，最高使用温度℃，主要用于冲管的渗碳、淬火处理，设备靠人工操作，精度难以保证。近期对传统渗碳炉成功进行了改造，井式气体渗碳炉改为可控气氛炉，实现了生产过程的自动控制，并细化了冲管的渗碳、淬火工艺参数，使冲管的热处理质量有了大幅提高。
1.原工艺
冲管是石油机械产品的重要零部件，材质为20CrMnTi，要求表面进行渗碳处理，渗层深度1.8~2.1mm。使用的RJJ-井式气体渗碳炉处理，渗碳剂采用煤油，靠人工每隔30min观察炉子排出废气火焰的高度，判断炉内碳势的高低，若火焰高度低于80mm，说明炉内碳势低，应加大煤油滴量，若火焰高度高于mm，说明炉内碳势高，应减少煤油滴量，由于设备落后，对炉内碳势控制差，渗碳时间较长，需要13～14h。经此处理的冲管表面碳黑严重，容易形成粗大碳化物，淬火后有软点、变形等缺陷，为了消除粗大碳化物，必须增加磨削余量以保证淬火热处理质量。热处理质量见表1，渗层深度是在零件截面方向任意取四点检测的值，从表中看到最大层深差达到0.20mm，硬度值是在零件圆周方向检测的结果，技术要求55～63HRC。
表1冲管渗碳及淬火后质量
渗层深度/mm
粗大碳化物深度/mm
淬火后硬度值HRC
2.05
1.90
1.92
1.85
0.30
55.3
54.8
56.5
58.0
为了提高冲管的淬火质量，在淬火前必须增加粗磨工序，消除粗大碳化物，热处理前余量在0.40～0.50mm，由于余量大需要多次磨削，并且需要再次加热进行淬火处理，生产成本高，效率低。具体工艺曲线见图1。
2.改进后的工艺
（1）改进渗碳设备
改变单一的煤油滴注，采用煤油作为富化剂，乙醇作为载体剂。碳势控制系统采用HT智能数显可编程碳势控制仪，以进口高集成度单片机为核心，PID调节技术，与HJT-Ⅱ型（柱状整体型）氧探头，及进口电磁阀配套，对炉气碳势进行编程和PID调节控制，使碳势自动控制精度达到±0.05%C。将旧式控温方式改为固态继电器控制，仪表采用日本进口智能化仪表SR93，对每一区进行自整定、自适应温度控制，控温精度可以达到±1℃。以碳势控制仪为主控仪表，SR93为下位仪表，在碳势控制仪上设定温度和碳势，使操作更简便。滴注系统氧探头根据炉内CO2浓度情况形成一定的电势，并将此数据传递给碳势控制仪，控制仪与设定的工艺参数进行比对，采用利用电磁阀调节煤油和乙醇的滴量，直至碳势达到最佳状态。通过对设备的改造，减少人为操作的误差。
（2）工艺试验及结果分析
20CrMnTi的化学成分见表2。
表2化学成分（质量分数）（%）
C
Si
Mn
Cr
Ti
S
P
0.17~0.28
0.17~0.37
0.80~1.10
1.00~1.30
0.04~0.10
≤0.
≤0.
热处理车间制定了两个工艺试验方案。方案一：将渗碳工艺进行了改进，由原来的一段式渗碳，改为三段式渗碳。当设备到达设定温度℃后，工件装入炉内，再次到达℃后，进入排气阶段，碳势为0.4%，匀温30min，进入强渗阶段，碳势升为1.1%，加速工件的渗速，当渗层达到技术要求的2/3时，进入扩散期，碳势为0.5%，到达技术要求值时进行降温，碳势为0.5%，冷却至℃出炉坑冷，整个过程的关键是控制好碳势和渗碳温度。结果发现渗碳速度明显增加，在渗层不变的情况下，只需要10～11h，冲管冷却后重新加热进行淬火处理，严格控制保温时间。具体工艺曲线见图2。
方案二，渗碳过程与方案一相同，渗碳完成后采用降温至℃，保温30min直接淬火，具体工艺曲线见图3。
两种方案的检验结果见表3，从表中可以看出两种方案的结果差别不大，渗层最大偏差降低为0.05mm，粗大碳化物深度降低为0.08mm，硬度值均在56～57HRC之间，不存在软点。
表3冲管渗碳及淬火后质量
渗层深度/mm
粗大碳化物深度/mm
淬火后硬度值HRC
方案一
1.95
1.90
1.92
1.93
0.08
56.5
56.8
56.5
56.9
方案二
2.00
2.05
1.98
2.03
0.05
56.8
57.2
56.9
57.0
方案二严格控制碳势，渗碳后在控制好淬火温度的情况下，直接淬火后金相组织均为1级。渗碳后直接淬火减少了热处理次数，缩短了热处理的工期，同时跟踪几批冲管，其变形量在正常技术要求范围内，热处理后粗大碳化物深度降低，可使冲管热处理前的余量减少，压缩为0.25～0.30mm，这样磨削的次数减少了，即保证了质量，又节省了工时。
3.结语
（1）改进后的井式渗碳炉采用了碳势控制仪精确控制碳势，减少了人工操作的误差，实现了渗碳工艺过程自动化，设备具有结构简单、操作方便、测量准确等优点，降低了工人的劳动强度，取得了良好的效果。
（2）在渗碳过程中控制好碳势和淬火温度，渗碳后直接淬火是完全可行的，即可以缩短热处理的工作周期；由于粗大碳化物深度降低，能使冲管热处理前的余量减少，磨削次数减少，节约了工时，加快产品的进度。
作者：崔建春，南阳二机石油装备（集团）有限公司。
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