摘要：该设备主要从事变速器齿轮、齿轴类零件的渗碳、直淬（压淬）工艺，生产线以推盘炉的方式装炉，环形渗碳主炉按转底炉的方式运转，淬火方式有油槽自由淬火和压床模具限形淬火两种方式可供选择。该设备既能进行多品种，小批量工件的生产，又能满足具有单一品种、大批量工件客户的需求，填补了国内渗碳设备在该领域的空白。
关键词：渗碳；压淬；生产线
环形渗碳直淬压淬热处理生产线是我公司在参考多种渗碳炉型的基础上开发的一种柔性渗碳生产线，根据需要可以同时装入1～3种不同渗碳层深的工件，兼具了周期式炉（如渗碳多用炉）适合小批量多品种的优点，以及连续式炉（如渗碳推盘炉）适合单一品种大批量的长处，渗碳结束后还可根据工件变形要求选择是直接油淬火还是压床模具淬火。
无论是多用炉还是推盘炉，料盘在转移过程中都会产生底盘与炉底砖发生摩擦从而对料具产生磨损，而环形渗碳线渗碳主炉采用转底炉的料盘转移方式，只有转台的移动而底盘与炉底砖之间不发生相对运动，不仅降低了底盘的磨损，而且极大地降低了设备故障率。图1为该设备的外观。
生产线由上料、卸料辊道和齿轮装料定位装置，推盘式预氧化炉及推料装置，底进料换气室及升降装置，推盘加热炉、环形强渗炉、推盘扩散炉及推料装置，推盘式压淬保温炉（含料盘升降机构及推料装置），压淬取料机械手及压淬齿轮横向转移装置，推盘式双工位淬火油槽，三工位后清洗机及推料装置，推盘式回火炉及推料装置，二工位空冷台及压淬后齿轮上料辊道，生产线管理控制系统（包括台式计算机、打印机）及碳势控制系统构成。表1为设备规格和参数。
1. 上料、卸料辊道台和齿轮装料定位装置
滚道台为钢板框架结构，由辊子及框架等组成，用于输送料及料盘，包括上料、卸料，辊道上装有齿轮装料定位装置，便于压淬齿轮的装料。
2. 推盘式预氧化炉及推料装置
炉壳为非气密性，整体组合钢板结构，其上留有必要的孔口，盖子法兰及连接件；外门为绝热型，组合钢板结构，门上装有密封，其开启借助于齿轮、齿条、电动机驱动，并有提升链和限位开关；炉底采用耐热钢拼接结构，带支承及固定机构；气体循环装置为非气密绝热型包括含特殊轴的三相电动机、辐射状循环螺旋桨轮和轴套油自循环冷却装置；加热系统由螺旋加热器组成，测温元件为K型热电偶。推盘式预氧化炉完成齿轮的预氧化工序。
图1 环形渗碳直淬压淬热处理生产线总览
3. 环形渗碳炉及推盘扩散室
环形渗碳炉分为底装料区、推盘加热区、环形强渗区、推盘扩散区。
经过预氧化的工件，按生产周期送至加热炉前室内，前室采用底装料方式，开门前将点火烧嘴点燃，烧掉开门时溢出的废气。底装料换气结束后工件被推入加热区，在加热区工件被加热到渗碳温度，加热区通有保护气体，确保工件在加热区内不氧化。
环形炉壳体为气密的钢板组合结构，带有必要的孔口、连接装置、法兰和维修门开口等；炉底采用陶瓷型材，料盘放在碳化硅导轨上，炉底驱动装置安装在设备基座上，由齿轮电动机驱动，并通过控制变频器实现快慢速调节，转台定位由光栅检测，确保定位准确无误；炉壁采用优质抗渗碳砖、陶瓷纤维混合结构，保证在1000℃炉温下能正常工作，在925℃时炉侧壁温升不超过室温加45℃；炉顶采用陶瓷纤维、保温板结构；炉内循环风扇轴承的冷却采用油自冷式装置，不用担心因停电而破坏风机的密封。进出料门使用耐热钢框和碳化硅板制造，驱动使用齿条、齿轮电动机；推料机构由气密外壳、双杆式耐热钢推头、链轮、链条、齿轮电动机和限位开关组成；供气系统由流量计、电磁阀、压力监视装置、球阀等组成；废气燃烧排放系统由电子点火器、火焰监视器、电磁阀、保压阀和连接管路组成；炉压指示器由压力计连接元件等组成；测温使用抗渗热电偶，采用立装电辐射管加热，炉内气氛碳势由氧探头和碳势控制仪进行精确控制，配备氮、甲醇加富化气（丙酮）供气系统，确保工件在设定碳势下进行渗碳，环形炉侧墙设有箔片定碳取样装置，可对炉内碳势的实际状况进行监测。
环形渗碳室完成工件的强渗工序，齿轮在环形渗碳室完成强渗工序后被推入推盘扩散室，扩散室结构与环形炉基本相同，只是料盘转移方式为推盘式，推盘扩散室完成齿轮的降温扩散工序。
4. 双工位淬火油槽
工件完成降温扩散工序后，被推入油槽淬火或压淬保温室之后进行压床淬火。
淬火槽设有一个淬火升降台和一个出料升降台，淬火升降台下降工件开始淬火，淬火完成后工件在油中从淬火升降台通过油中的密封推料装置被转移至出料升降台完成出料。因采用油中转移，故工件淬火出炉无需火帘，确保炉内气氛不外溢，极大地节省了工艺用气量。
淬火槽为双层绝热密封式结构，同时带有冷却和加热系统。油槽加热系统包括管式加热元件、温控仪表及防止局部加热的循环搅拌系统；淬火油冷却系统包括高温型油泵、热管风冷换热器、压力表、电磁阀、温度表及压力开关。
表1 设备的规格和参数
注：1bar=105Pa。
设备名称环形渗碳直淬、压淬热处理生产线热处理齿轮种类/材质齿轮、轴等/22CrMoH，20CrMnTi齿轮最大外形尺寸/mm齿轮：直径max500mm，厚度80mm轴类：直径180～220mm，长度209～316mm有效硬化层深度/mm0.9～3.0热处理工艺备料→预氧化→加热→强渗、扩散→降温→油淬/压淬→后清洗→回火→空冷托盘尺寸、装料高度/mm800×400×50/700压淬机械手一次取料最重/kg80压淬机械手取料尺寸范围/mmφ200～φ500每盘最大装料量/kg330生产方式/生产周期3班连续生产/15～35min/盘（可调）表面状况热处理前/后干燥、干净、无油 / 无氧化皮、有回火色设备产量/kg·h-1600层深1.5每mm盘，装周料期：时轴间14 2件3 .4min，设备电力总装机容量790kVA，3相4线制，380V，50Hz，控制电压220V保护/电气标准接零、接地/EN60204使用氮、甲醇+丙酮的工艺介质消耗氮气18m3/h 50mbar，≥99.5%甲醇16L/h600mbar，工业一级丙酮5L/h600mbar，工业一级安全氮气60m3/h50mbar，工业一级淬火槽补负压用氮气1m3/次 4bar，≥99.95%点火烧嘴（LPG气）1m3/h50mbar
为了防止油的老化，在油面上通有微量的保护氮气；为保证油槽油位，淬火油槽装有油液控制和自动补油装置；为了减少淬火工件带走油的损失，从淬火槽中出来的工件将在规定的位置进行沥油；为便于检修，在淬火油槽的淬火油面上部设有电动检修门；为达到最佳的淬火冷却效果，在淬火工位设有油定向导流系统和变频调速搅拌装置，油搅拌装置的搅拌速度可根据工艺要求设定。
5. 压淬保温室和压淬取料机械手
压淬保温室是确保零件在压淬过程中不降温的必要装置，其由保温室、过渡室、升降台等组成。压淬保温室设有独立的加热、碳势控制装置，为了尽量减小保温室的空间，加热辐射管横插在炉膛顶部。
为了便于取料，同时减少取料过程中热量和炉气的大量外溢，在取料口装有电动开启的取料门和取料机械手。每次取料时，料盘升降机构上升到取料位置，打开取料门，取料机械手进炉，然后料盘升降机构下降，取料机械手托取托架和齿轮，然后取料机械手带着托架和齿轮出炉，取料门关闭。
6. 压淬齿轮横向转移装置
被取料机械手取出的齿轮和托架由压淬横向转移装置上的齿轮机械手和隔盘机械手，分别将齿轮和托架转移到压床和托架存放处。齿轮机械手和隔盘机械手既作横向运动又作升降运动，从而完成齿轮和托架的转移，包括完成压淬后齿轮的转移。
当料盘上的齿轮和托架全部取出后，空底盘被取料机械手从压淬取料门取出并由隔盘机械手转移到空冷料台上进行底盘冷却及进行压淬后的齿轮装盘，最终底盘及上面的齿轮被推入三工位清洗机进行后续的清洗、回火。
7. 三工位后清洗机
三工位后清洗机完成直淬零件及压淬齿轮的去油清洗工序，包括清水洗、碱水洗和烘干三个工位。清洗工序包括液下浸洗发泡和液上喷淋，确保淬火工件的去油效果；通过带有热风循环系统的电加热烘干室，使工件干燥更彻底。独立的油水分离器能够分离液体表面非乳化状油，优化了清洗环境；补水系统由电磁阀、手阀、液位开关组成，当清洗机缺水时能够及时自动补水，清洗机水温由杆式温度开关及液位浮球控制。
8. 单排推盘式回火炉及拉料装置
炉壳为非气密性整体组合钢板结构，炉内气体导向装置为多块组合的钢板组装结构，炉内气体循环装置为非气密绝热型，加热系统由管式加热器组成，控温热电偶和超温热电偶从顶部插入炉膛。推盘回火炉完成工件的回火工序。
9. 生产线控制装置及计算机系统
由上位机、可编程序控制器PLC及主控系统、操作台（MP370多功能操作面板）三大部分组成一套完整的集散式控制模式，确保了生产线的可靠控制。通过上位机可以查询整个生产线的各种工艺参数、通过MP370和PC显示画面操作人员可总览设备全部的运行状态。当出现突然停电时，上位机和主要的温度、碳势仪表将由UPS不间断电源续继供电，因此在断电期间仍可以看到停电过程中温度和碳势变化值（包括停电时间的记录），方便了工艺人员来电后进行工艺参数恢复过程的操作，UPS最长保持供电时间为30min。
10. 生产线碳势控制系统
碳势控制系统由氧探头和碳势控制仪表两部分组成，氧探头分别竖插在环形强渗区、推盘扩散区和压淬保温区的炉顶，碳势控制仪表则安装在主控柜的面板上。碳势控制仪表接收氧探头测量出的炉内氧势信号并转换成实测碳势同时接收由操作屏传来的设定碳势信号，并由碳势控制仪表对实测碳势和设定碳势进行PID运算后发出的控制信号指挥各工艺用气电磁阀的通断，从而实现碳势自动控制。
1. 工艺流程
与一般连续炉一样，环形炉也遵循进一盘出一盘的原则。环形渗碳线按渗碳工艺流程进行布局，工件从进到出自动完成一个渗碳全过程，工艺流程包括上料、预氧化、加热、强渗、扩散、淬火、清洗、回火、卸料共9个控制区，图2为环形渗碳线整体布局。
2. 环形强渗室占有率
环形强渗室共有28个工位，为满足环形强渗室内可以装两种以上不同层深要求的工件，上位机会根据工件的渗碳层深、强渗时间计算出不同层深工件的装料比例，即先装这种层深的工件多少盘，再装另一种层深的工件多少盘。由于柔性装料的特点，往往会造成环形强渗室的占有率达不到100%，为此操作者就需根据装炉量及要求层深，在设备给出的参考装料比例中选择合适的装料方式，既兼顾渗碳效率又要尽可能提高环形强渗室的利用率。
（1）环形强渗室只装入单一层深的工件 设装料周期为T，当强渗时间≥28T时，可实现满载；当强渗时间＜28T时，不能实现满载，表2为只装单一层深工件时环形强渗室占有率计算表。以装入单一浅层深的工件为例，当第21盘进入环形强渗之前，由于第20盘的强渗时间已到，设备会先出第20盘然后再进第21盘，这样环形强渗室就会保持共20盘；同理只装入中层深的工件时亦如此，只是炉内总盘数会保持在26盘。当装入深层深的工件，环形强渗室内放满28盘时，由于第一盘工件的强渗时间还未到，此时环形强渗室不出料也不进料等待2个周期，然后开始出第一盘进第29盘，以此类推强渗环内始终保持28盘。实际装炉时会根据工件的强渗时间，制订更合理的装料周期，提高环形强渗室的利用率。
图2 环形渗碳线整体布局
表2 单一层深环形强渗室占有率
占有率（%）浅1.1～1.4 500 175 25 20 72中1.4～1.7 750 210 30 26 89深1.7～2.1 900 210 30 28 100渗层/mm强渗时间/min扩散时间/min周期环内最多盘数/盘
表3 两种层深环形强渗室占有率
强渗时间/min深渗层：600，浅渗层：210周期时间/min3015周期差/个20-7=1340-14=26（600/30=20，210/30=7）（600/15=40，210/15=14）项目装料比例环内最占有率装料比例环内最占有率深浅多盘数（%）深浅多盘数（%）1112828.61251553.6 2211932.12241657.1 33101035.73231760.7 4491139.34221864.3 5581242.95211967.9 6671346.46202071.4序号7761450.07192175.0 8851553.68182278.6 9941657.19172382.1 101031760.710162485.7 111121864.311152589.3 121211967.912142692.9 13——13132796.4 14——141228100.0
（2）环形强渗室装入两种层深的工件 当环内需要装入两种渗碳层深的工件时，程序会根据强渗时间、装料周期计算出装料比。以周期时间30min为例，装入强渗时间分别为600min和210min的两种工件，程序会自动计算出12种装炉比例供操作者参考，上料时先装渗层深的工件，然后再装浅层深的工件盘，只要二者装炉盘数之和为13盘即可。同理以周期时间15min为例时，只要二者装炉盘数之和为26盘即可，表3为装入两种渗碳层深工件时环形强渗室占有率计算值。
（3）环形强渗室装入三种渗层深的工件 当环内需要装入三种层深的工件时，程序同样会给出装炉比例，装炉时先装入8盘深层深工件，再装入5盘浅层深工件，最后装入8盘中层深工件。表4为装入三种渗碳层深工件时环形强渗室占有率计算值。
3. 工艺参数
（1）温度设定 预氧化温度可以在350～550℃任意设定，加热温度一般设定与环形强渗区温度一样。环形强渗区的温度设定到需要的强渗温度即可，一般为900～920℃。扩散区进口为强渗区，出口为保温区，为保证淬火温度，一般把扩散区温度设定到840～860℃。扩散区共有7个工位，前3个工位可理解为高温扩散区，后4个工位为低温扩散区。渗层深的工件，可适当加大上料周期，达到延长扩散时间的目的，如果是两种或三种渗碳层深工件柔性混装，则以渗层深工件的扩散时间为准，淬火保温区温度一般设定到与扩散区相同的温度即可。
（2）碳势设定 在加热区工件基本不允许渗碳，因此该区只设计了氮-甲醇保护气氛；为保证渗碳速度同时又减轻产生炭黑的倾向，环形强渗室碳势设定在1.10%～1.30%；扩散区进口为强渗区，出口为保温区，为保证工件扩散效果及淬火碳势，一般把扩散区碳势设定在0.80%～0.90%；工件在压淬保温区停留一个周期的时间，为不致因压淬工件取出时造成此区碳势过低可能引起的压淬工件表面硬度降低及脱碳现象，压淬保温区碳势设定在0.85%～0.90%。
（3）淬火方式 工件淬火类型可随时任意选择为直淬或是压淬，直淬的工件会被直接推入淬火油槽进行淬火；压淬的工件则被推入压淬保温室，而后被压淬取料机械手取出放入压床淬火。兼顾工件表面硬度及工件变形要求，油槽温度设定在90～110℃，油槽搅拌速度在0～1400r/min可调。非马氏体≤0.02m m；变形要求：圆度≤0.10m m，平面度≤0.10mm。
（3）渗碳工艺 根据工件渗碳层深由上位机计算出强渗时间和扩散时间，扩散时间除以扩散区工位数7得出周期时间等于30min，表5为渗碳工艺参数。
（4）压淬工艺 压床淬火油温一般设定在45～55℃，液压油温不超过50℃，脉动时间20次/min，压淬时间3～4min。压淬压力及模具的调整，需要根据实际情况决定，压床系统压力一般调为5MPa左右，外环压力2.5～4MPa，内环压力2～3MPa，扩张器压力1.5～2.5MPa。图4为从
图3 从动齿轮上料
（1）产品简介 零件名称为变速器从动齿轮，外形尺寸为外径485mm、高度78mm，材质为22CrMoH，零件外形轮廓如图3所示。
（2）产品技术要求 硬化渗层要求1.7～2.1mm；表面硬度58～63HRC，心部硬度33～45HRC；金相组织1～3级，动齿轮压淬态。
图4 从动齿轮压淬
表4 三种层深环形强渗室占有率
渗层类别深层深浅层深中层深渗层深度/mm 1.7～2.1 1.1～1.4 1.4～1.7强渗时间/min 900 510 750周期时间/min 30装料比例8（深盘数）5（浅盘数）8（中盘数）周期数/个900/30=30 510/30=17 750/30=25最多盘数/个25占有率（%）89备注当采用三种层深混装时，需要大量的产品
表5 渗碳工艺参数
名称预氧化加热区强渗区扩散区保温区淬火室清洗机回火炉工位数/个462871139温度/℃4509209208508507560170碳势（%）—保护气1.150.850.85保护气——停留周期4T6T强渗决定7T≤1T≤1T≤3T9T风扇数/个1263—2搅拌1烘干3氧探头数量/支——311——介质空气氮甲醇氮甲醇、丙酮空气空气功能去油脂加热到强层深80%降低表面压淬工件直淬工件碱水、清降低硬度净化表面渗温度在此形成含碳量在此保温在此淬火水、烘干提高韧性
（5）产品检验 硬化层深为1.93m m；表面硬度为59.8HRC；心部硬度为43HRC；金相组织：马氏体、残留奥氏体3级，碳化物3级，非马氏体≤0.02m m；变形要求：圆度≤0.10mm，平面度≤0.10mm。
环形渗碳直淬压淬热处理生产线以其柔性装炉的便利性、压淬直淬两种淬火方式可任意选用的灵活性，以及环形渗碳主炉只转台旋转而装件底盘与炉底不发生相对运动而极大地降低了设备运行故障率的实用性，赢得了用户的认可。目前已有多条生产线投入使用，并获得了用户的好评。
20170317
作者简介：钱茂洪，高级工程师，爱协林天捷热处理系统（唐山）有限公司，从事可控气氛热处理设备制造及工艺研究。
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