微机控制系统在大型冶金轴承渗碳工艺中的应用
发布时间：2013-11-05北京市培特永昌机电技术有限责任公司 （100191）龚柯 仲生新 靳静
北京天马轴承有限责任公司 （102302） 陈子辉
北京天马轴承有限责任公司 （102302） 陈子辉
轴承工业作为现代工业的基础，是现代机械工业中应用Z广泛、要求Z严格的配套件之一，是现代冶金、矿山机械不可缺少的基础零部件。
轴承尤其是滚动轴承必须具备高的硬度和接触疲劳强度，良好的耐磨性和冲击韧性等要求。相当品种型号的滚动轴承采用渗碳工艺，轴承材料经渗碳工艺及淬火处理后，能够得到较高的表面硬度和耐磨性，心部仍然保持较高的冲击韧度以承受较大的冲击负荷，因而采用渗碳工艺处理的轴承大量适用于承受较大的冲击负荷和工作尺寸较大的矿山冶金轴承中。
本文中使用BR8000渗碳工艺控制系统，在大型井式渗碳炉中全程控制大型冶金轴承的渗碳工艺，实现渗碳轴承在渗碳层深度、渗碳层碳浓度等技术指标上的精确控制，提高和稳定轴承渗碳工艺的控制水平，并为Z终成套轴承产品的性能提供技术支持和保障。
一、工艺条件
1、试验件轴承热处理技术要求
材料：G20Cr2Ni4；
硬化层深度：4.50mm；
表面硬度：>60HRC；
碳化物级别：1级（细小）。
2、渗碳炉RJJ－180－9D
加热功率：180KW；
有效工作区：~1800mmX2000mm；
有效载荷：25000N；
气流循环：风扇带变频调节，无底砂封马弗，无导风筒；
渗碳气氛：甲醇+煤油（气氛控制和调节装置）。
3、BR8000渗碳工艺控制系统
（1）炉温及炉机械控制系统
根据试验渗碳炉的要求，BR8000系统将加热区分两区控制，每区90KW，总加热功率180KW。
根据轴承渗碳工艺要求，系统温度控制系统（见图1）选用进口高精度仪表，通过晶闸管模块对渗碳炉加热电流进行PID调节，能 够达到控温精度在±1℃范围内。控制系统对渗碳加热过程中的加热过流、断相、过热等采用多种保护装置，保证渗碳工艺顺利进行。
轴承尤其是滚动轴承必须具备高的硬度和接触疲劳强度，良好的耐磨性和冲击韧性等要求。相当品种型号的滚动轴承采用渗碳工艺，轴承材料经渗碳工艺及淬火处理后，能够得到较高的表面硬度和耐磨性，心部仍然保持较高的冲击韧度以承受较大的冲击负荷，因而采用渗碳工艺处理的轴承大量适用于承受较大的冲击负荷和工作尺寸较大的矿山冶金轴承中。
本文中使用BR8000渗碳工艺控制系统，在大型井式渗碳炉中全程控制大型冶金轴承的渗碳工艺，实现渗碳轴承在渗碳层深度、渗碳层碳浓度等技术指标上的精确控制，提高和稳定轴承渗碳工艺的控制水平，并为Z终成套轴承产品的性能提供技术支持和保障。
一、工艺条件
1、试验件轴承热处理技术要求
材料：G20Cr2Ni4；
硬化层深度：4.50mm；
表面硬度：>60HRC；
碳化物级别：1级（细小）。
2、渗碳炉RJJ－180－9D
加热功率：180KW；
有效工作区：~1800mmX2000mm；
有效载荷：25000N；
气流循环：风扇带变频调节，无底砂封马弗，无导风筒；
渗碳气氛：甲醇+煤油（气氛控制和调节装置）。
3、BR8000渗碳工艺控制系统
（1）炉温及炉机械控制系统
根据试验渗碳炉的要求，BR8000系统将加热区分两区控制，每区90KW，总加热功率180KW。
根据轴承渗碳工艺要求，系统温度控制系统（见图1）选用进口高精度仪表，通过晶闸管模块对渗碳炉加热电流进行PID调节，能 够达到控温精度在±1℃范围内。控制系统对渗碳加热过程中的加热过流、断相、过热等采用多种保护装置，保证渗碳工艺顺利进行。
图1
（2）碳势控制系统
核心部件HT6000C智能彩色液晶可编程碳势控制仪，HT999系列氧探头，可直接检测渗碳炉内碳势变化，根据上位机指令，完成渗碳中排气、强渗、扩散等工艺要求，并通过电磁阀自动调节甲醇、煤油流量，实现渗碳炉内碳势的自动调节和控制。
（3）微机控制系统由工业PC和渗碳工艺软件组成。系统中工业PC机采集下级仪表（温控仪、碳控仪）的过程参数并进行综合计算分析，获知当前渗碳炉内渗工件内碳浓度的分布情况，并向下级仪表发出温度、碳势等控制目标值，实现渗碳工艺过程的动态跟踪和全面管理。
BR8000控制系统中渗碳工艺软件采用Z新的渗碳工艺数学模型，应用实时自适应控制技术，在渗碳过程中相关参数如碳势、强渗时间、扩散时间、出炉时间等不需工艺（操作）人员事先设定，也不需要在渗碳过程中通过看过程试棒决定，而是直接以渗碳工件的技术要求包括表面碳浓度、渗碳层深度等为闭环控制目标。在整个渗碳过程中，计算机实时模拟工件的表面碳浓度和工件内碳含量变化实况，比照工件的技术要求，自动地动态调节渗碳工艺的碳势和温度，并且针对渗碳过程中的温度、碳势等异常波动和变化，自动进行补偿，从而实现精确控制工件的表面碳浓度和渗碳工件内碳浓度分布。
针对大型冶金轴承渗碳工艺渗碳层深、工艺时间长、渗碳组织易粗大等工艺特征，BR8000渗碳工艺控制系统在渗碳工艺软件中对工件表面碳浓度的变化、渗碳工艺进程中渗碳组织中碳浓度分布等进行多元优化处理，在大型冶金轴承渗碳工艺中，通过计算机软件控制技术并结合高精度的碳势、温度控制系统，稳定可靠地进行渗碳层深度、表面碳浓度控制，在轴承渗碳工艺过程中形成Z佳的S形碳浓度分布曲线。
二、工艺试验
1、工艺方案
以轴承滚子渗碳为例，渗碳设备180KW井式气体渗碳炉，装炉量共计200件，含工装重1500kg，分上下两层放置4件随炉试棒；为便于工艺过程中检测，在左右试样孔各放置1件过程试棒。
渗碳工艺：轴承材料G20Cr2Ni4，渗碳温度940℃，出炉温度890℃，有效硬化层深度4.50mm，Z高碳势Cp1.30％，Z终表面碳浓度0.96％C，碳化物小于1级。
气氛类型：滴注式气氛，介质为甲醇加煤油。
碳势控制：单因素氧探头加系统在线修正。
渗碳工艺：自适应控制渗碳。
2、试验过程
工艺试验前对渗碳炉进行预渗处理并检测HT6000碳势控制结果（见表1）。
核心部件HT6000C智能彩色液晶可编程碳势控制仪，HT999系列氧探头，可直接检测渗碳炉内碳势变化，根据上位机指令，完成渗碳中排气、强渗、扩散等工艺要求，并通过电磁阀自动调节甲醇、煤油流量，实现渗碳炉内碳势的自动调节和控制。
（3）微机控制系统由工业PC和渗碳工艺软件组成。系统中工业PC机采集下级仪表（温控仪、碳控仪）的过程参数并进行综合计算分析，获知当前渗碳炉内渗工件内碳浓度的分布情况，并向下级仪表发出温度、碳势等控制目标值，实现渗碳工艺过程的动态跟踪和全面管理。
BR8000控制系统中渗碳工艺软件采用Z新的渗碳工艺数学模型，应用实时自适应控制技术，在渗碳过程中相关参数如碳势、强渗时间、扩散时间、出炉时间等不需工艺（操作）人员事先设定，也不需要在渗碳过程中通过看过程试棒决定，而是直接以渗碳工件的技术要求包括表面碳浓度、渗碳层深度等为闭环控制目标。在整个渗碳过程中，计算机实时模拟工件的表面碳浓度和工件内碳含量变化实况，比照工件的技术要求，自动地动态调节渗碳工艺的碳势和温度，并且针对渗碳过程中的温度、碳势等异常波动和变化，自动进行补偿，从而实现精确控制工件的表面碳浓度和渗碳工件内碳浓度分布。
针对大型冶金轴承渗碳工艺渗碳层深、工艺时间长、渗碳组织易粗大等工艺特征，BR8000渗碳工艺控制系统在渗碳工艺软件中对工件表面碳浓度的变化、渗碳工艺进程中渗碳组织中碳浓度分布等进行多元优化处理，在大型冶金轴承渗碳工艺中，通过计算机软件控制技术并结合高精度的碳势、温度控制系统，稳定可靠地进行渗碳层深度、表面碳浓度控制，在轴承渗碳工艺过程中形成Z佳的S形碳浓度分布曲线。
二、工艺试验
1、工艺方案
以轴承滚子渗碳为例，渗碳设备180KW井式气体渗碳炉，装炉量共计200件，含工装重1500kg，分上下两层放置4件随炉试棒；为便于工艺过程中检测，在左右试样孔各放置1件过程试棒。
渗碳工艺：轴承材料G20Cr2Ni4，渗碳温度940℃，出炉温度890℃，有效硬化层深度4.50mm，Z高碳势Cp1.30％，Z终表面碳浓度0.96％C，碳化物小于1级。
气氛类型：滴注式气氛，介质为甲醇加煤油。
碳势控制：单因素氧探头加系统在线修正。
渗碳工艺：自适应控制渗碳。
2、试验过程
工艺试验前对渗碳炉进行预渗处理并检测HT6000碳势控制结果（见表1）。
表1
通过对碳控仪和控制系统检测，碳势控制精度和系统稳定性均达到系统设计控制精度。
渗碳工艺装炉方式采用热装炉，渗碳工艺全程由微机控制，当炉温升到渗碳温度并且零件均温时间到，系统提示强渗开始。随着渗碳工艺的进行，微机将实时计算的工件表面碳浓度变化和工件内部碳浓度变化趋势结果显示在屏幕上（见图2）。
渗碳工艺装炉方式采用热装炉，渗碳工艺全程由微机控制，当炉温升到渗碳温度并且零件均温时间到，系统提示强渗开始。随着渗碳工艺的进行，微机将实时计算的工件表面碳浓度变化和工件内部碳浓度变化趋势结果显示在屏幕上（见图2）。
图2
在渗碳过程中，过程试样分三次用硬度法测试渗碳层深度与微机显示渗碳层深对照结果如表2所示。
渗碳工艺调试随炉试样硬度法分析层深（60HRC标准检测）如表3、图3所示。
渗碳工艺调试随炉试样硬度法分析层深（60HRC标准检测）如表3、图3所示。
图3 渗碳工艺随炉试样剥层分析
渗碳工艺试验工件渗碳淬火金相组织对照如图4、图5所示。
图4 微机控制渗碳工艺组织 x400
图5 一般渗碳工艺出现的粗大组织 ×400
3、工艺调试结果分析
从表1结果可以看出，控制系统中碳势控制系统可以稳定控制炉气碳势，可以达到控制误差Cp<0.05％。在整个设备调试过程中，碳势控制精度和误差对整个渗碳工艺的影响Z大，也是渗碳工艺调试中Z关键的要素之一。
表2、表3结果说明，渗碳工艺在计算机控制下，渗碳层实际值和微机显示值之问可以达到基本吻合，渗碳过后硬化层深度可以达到工艺要求的硬化层误差范围内。实际生产中，过程样棒随渗碳炉次增加，过程样检测次数逐步减少，在工艺控制正常时甚至完全可以取消。
从表1结果可以看出，控制系统中碳势控制系统可以稳定控制炉气碳势，可以达到控制误差Cp<0.05％。在整个设备调试过程中，碳势控制精度和误差对整个渗碳工艺的影响Z大，也是渗碳工艺调试中Z关键的要素之一。
表2、表3结果说明，渗碳工艺在计算机控制下，渗碳层实际值和微机显示值之问可以达到基本吻合，渗碳过后硬化层深度可以达到工艺要求的硬化层误差范围内。实际生产中，过程样棒随渗碳炉次增加，过程样检测次数逐步减少，在工艺控制正常时甚至完全可以取消。
表2
表3
随炉样棒剥层试样结果反映，渗碳工艺在微机控制下，炉内试样的渗碳组织在整个渗碳炉上下左右均匀分布，碳化物等渗碳组织可以满足轴承渗碳工艺要求，渗碳后工件内的浓度分布基本与微机显示的分布曲线一致。这种结果说明，轴承渗碳工艺中，渗碳过程可以在微机控制下按照事先设定的工艺要求进行，并得到较为理想的渗碳层浓度梯度和渗碳组织。
三、结语
（1）BR8000渗碳工艺控制系统在大型冶金轴承渗碳工艺中可以广泛应用，其系统操作简单，对设备要求一般，系统控制过程稳定，已经在多家大型冶金、铁路轴承等企业的各种井式气体渗碳炉上使用。该系统可大幅提高渗碳工艺水平，保证渗碳件的渗碳质量，减少因渗碳工艺控制导致的渗碳件返修和不良品发生，提高渗碳炉使用效率和企业的生产能力。
（2）在实际工作中，要求及时了解控制系统中各种工艺控制参数的变化，并进行跟踪和调节，及时维护碳势控制系统、微机软件系统，充分发挥微机控制系统功能，努力提高冶金轴承渗碳工艺技术水平。
三、结语
（1）BR8000渗碳工艺控制系统在大型冶金轴承渗碳工艺中可以广泛应用，其系统操作简单，对设备要求一般，系统控制过程稳定，已经在多家大型冶金、铁路轴承等企业的各种井式气体渗碳炉上使用。该系统可大幅提高渗碳工艺水平，保证渗碳件的渗碳质量，减少因渗碳工艺控制导致的渗碳件返修和不良品发生，提高渗碳炉使用效率和企业的生产能力。
（2）在实际工作中，要求及时了解控制系统中各种工艺控制参数的变化，并进行跟踪和调节，及时维护碳势控制系统、微机软件系统，充分发挥微机控制系统功能，努力提高冶金轴承渗碳工艺技术水平。
来源：《金属加工》2010年第17期