渗碳工艺中碳势与温度的协同控制技术研究

(1)碳分布计算。

了解碳原子在气体一工件表面--.工件内部的传递规律并建立相应的数学模型后,根据.工件的材料和在线测定的炉温、炉气碳势,可以计算得到渗碳过程中每一时刻工件内的碳浓度分布。也可以由当前时刻的碳浓度分布和对下一时刻的表面碳浓度要求值,计算出相应的炉气碳势目标值。

( 2)渗碳过程中碳势的设定。

①分段渗碳法1:各段结束条件为设定时间到。

强渗和扩散两段法:基本思想是在渗碳初期,采用尽可能高的温度和碳势(温度受到炉子耐受能力和钢材晶粒长大倾向的限制,碳势受到钢材奥氏体碳最大溶解度的限制),以最快的速度将碳渗入钢内。在后期要将气氛碳势和温度降低,以获得工件最终要求的表面含碳量、渗碳层深度和要求的出炉温度(如直接淬火温度)。

目前大多数厂家的周期炉(井式炉和多用炉)大都采用强渗和扩散两段法或多段法,在连续炉(如推杆炉)则分为3~4段。

分段法的各段工艺参数(时间、温度和碳势)基本由工艺人员根据经验制订。

目前各厂家的单回路或多回路碳势控制仪表均按此方法控制碳势。

②分段渗碳法2:进行碳分布计算、各段结束条件为按设定时间到或按设定渗碳层深百分比到。

这种方法是在方法1的基础上,配备上位机系统,并且在渗碳控制软件中具备实时计算当前碳浓度分布的功能。既可实现各渗碳阶段按设定时间到作为段结束条件来设定渗碳工艺,又可实现各渗碳阶段按设定渗碳层深百分比到作为段结束条件来设定渗碳T艺。

在各渗碳阶段按设定时间到作为段结束条件来设定渗碳工艺时,对编制的工艺可以进行仿真模拟,预测工艺执行的结果。如对仿真结果不满意,可反复修改工艺参数和进行仿真,直至获得满意的结果,再将此工.艺保存并投入运行。

在各渗碳阶段按设定渗碳层深百分比到作为段结束条件来设定渗碳工艺时,既可避免各阶段按时间结束编制渗碳工艺时凭经验的缺点,又具有自适应控制方法的部分优点,无须设定阶段时间,并能对炉温和炉气碳势的各种异常工况具有自动补偿功能;对编制修改的工艺也可以进行仿真模拟,预测工艺执行的结果。

③自适应控制法:根据零件材料和.T艺要求,自动生成渗碳.工.艺,无须人工干预。

计算机软件具有实时碳分布计算和渗碳工艺自动生成技术,是自适应控制法的基础。

自适应控制法不同于传统的两段法渗碳,渗碳过程中的碳势、强渗时间、扩散时间、降温时刻和出炉时刻都不需操作人员编制工艺事先确定,也不由在渗碳过程中看试棒决定,而是直接以工件的技术要求(包括表面碳浓度和硬化层深度)为闭环控制目标参数,在整个工艺过程中,由计算机根据即时计算的工件的表面碳浓度和硬化层深度实况,对照工件的技术要求,自动动态调整碳势和炉温,直至达到工件的技术要求,处理完毕。

自适应控制法对炉温和炉气碳势的各种异常工况有自动补偿功能,可精确控制工件的表面碳浓度和硬化层深度,并能在零件硬化层内可靠地获得最佳的“S”形的碳浓度分布曲线。

自适应控制法对编制修改的工艺可以进行仿真模拟,预测工艺执行的结果。

自适应控制法主要用于周期炉。