电磁感应真空快速渗碳设备研制与应用

摘要

在工业生产中，渗碳+淬火工艺被广泛应用于工件表面强化，经处理后的钢件，心部在保持较高韧性的前提下，表面硬度、耐磨性、抗疲劳性得到有效提高。但是，相应的传统渗碳设备存在升温慢、能耗高、渗层质量不稳定等问题。为此，课题在国家自然科学基金项目资助下，提出基于强渗-扩散型的真空渗碳技术，采用电磁感应加热技术作为加热源的新型真空渗碳方案。并研制开发相应的电磁感应真空快速渗碳设备，旨在快速、稳定、高质量地改善工件表层组织和性能。主要研究内容如下： （1）采用20CrMnTi钢进行电磁感应真空快速渗碳工艺探索实验研究，揭示20CrMnTi钢经电磁感应真空快速渗碳处理后的组织和性能变化规律，并根据动力学理论，对工艺进行了优化。 （2）对电磁感应真空快速渗碳设备系统结构、功能、布局进行合理设计，结合机械结构图与实物，对设备的电磁感应加热系统及辅助冷却装置、感应加热室、气体源和混合气体配送装置、真空及排气系统、温度-压力监测系统、淬火工装装置结构原理及功能进行详细阐述。并针对电磁感应真空快速渗碳设备的工艺要求与控制任务要求，完成对控制系统及HMI的功能结构、工艺程序、人机界面等的设计与调试。 （3）采用所研制的电磁感应真空快速渗碳设备，对20CrMnTi钢进行变脉冲渗碳实验验证，验证结果表明验证该设备能在20CrMnTi钢表层制得组织性能优良、厚度为1320μm的渗碳层。此外，通过更换设备气体源并修改工艺参数，尝试对38CrMoAl钢进行电磁感应真空快速渗氮实验，实验结果表明38CrMoAl钢电磁感应真空快速渗氮比传统真空渗氮和等离子渗氮更加高效，初步探明了电磁感应加热方式对渗氮层的影响规律以及与传统工艺的区别，并拓展了设备应用领域。

目录

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 渗碳技术及工艺设备的研究现状

1.2.1 渗碳技术

1.2.2 渗碳工艺设备

1.3 电磁感应加热渗碳的研究现状

1.3.1 固体电磁感应渗碳

1.3.2 液体电磁感应渗碳

1.3.3 气体电磁感应渗碳

1.4 主要研究内容

第2章 电磁感应真空快速渗碳工艺实验研究

2.1 引言

2.2 电磁感应真空脉冲渗碳方案及装置设计

2.2.1 电磁感应加热原理及主要特点

2.3.2电磁感应真空快速渗碳工艺装置设计

2.3 实验材料与制备

2.3.1 实验材料

2.3.2 实验试样制备

2.4 20CrMnTi钢电磁感应真空快速渗碳工艺实验研究

2.4.1 工艺参数及实验流程

2.4.2 性能测试与表征方案

2.5 工艺实验结果讨论与分析

2.5.1 渗碳层成分及组织分析

2.5.2 渗碳层物相分布与晶体相变特征分析

2.5.3 渗碳层截面硬度分布以及表面应力分析

2.5.4 电磁感应真空脉冲渗碳手动实验结论

2.6 20CrMnTi钢电磁感应真空脉冲渗碳工艺优化

2.6.1 20CrMnTi渗碳动力学介绍

2.6.2 20CrMnTi钢变脉冲渗碳工艺优化

2.7 本章小结

第3章 电磁感应真空快速渗碳设备结构设计与实现

3.1 引言

3.2 电磁感应真空快速渗碳设备总体设计方案

3.2.1 电磁感应真空快速渗碳技术要求

3.2.2 电磁感应真空快速渗碳方案及原理设备

3.2.3 电磁感应真空快速渗碳设备三维布局

3.3 电磁感应加热系统及辅助冷却装置

3.3.1电磁感应加热源、线圈的设计与计算

3.3.2 电磁感应加热源的循环冷却装置

3.4 感应加热室

3.5 气体源及混合气体配送装置

3.6 真空及通风排气系统

3.6.1 真空系统

3.6.2 通风排气系统

3.7 温度、压力监测装置

3.7.1 非接触红外线测温仪

3.7.2 真空压力变送器

3.8 辅助支撑平台及淬火工装设计

3.9 电磁感应真空快速渗碳设备总装结构图

3.10 本章小结

第4章 电磁感应真空快速渗碳设备控制系统设计

4.1 引言

4.2 控制要求及原理

4.2.1 控制要求

4.2.2 控制原理

4.3 控制系统硬件配置及选型

4.3.1 PLC控制器选型

4.3.2 A/D转换模块

4.3.3 HMI选型

4.4 设备工作流程及控制器I/O端确定

4.5 主要工艺参数控制算法

1.渗碳温度控制算法

2.压强和循环冷却水温度控制

4.6 工艺逻辑控制策略

4.7 人机界面设计

4.8 设备调试

4.8.1 温度控制 PID参数调试

4.8.2 工艺流程调试

4.9 本章小结

第5章 电磁感应真空快速设备渗碳实验验证及应用

5.1 引言

5.2 20CrMnTi钢电磁感应真空快速渗碳验证实验

5.2.1 验证实验材料及流程

5.2.2 20CrMnTi钢渗碳层相结构及微观形貌

5.2.3 20CrMnTi钢渗碳层物相与晶体特征分析

5.2.4 20CrMnTi钢渗碳层截面硬度分布及表面残余应力状态

5.2.5 电磁感应真空快速渗碳验证实验结果及结论

5.3 电磁感应真空快速渗碳设备应用实验

5.3.1 应用实验材料及方案

5.3.2 38CrMoAl钢渗氮层组织及相结构分析

5.3.3 38CrMoAl钢渗氮层微观形貌及成分分析

5.3.4 38CrMoAl钢渗氮层晶体相变特征分析

5.3.5 38CrMoAl钢渗氮层截面硬度分布分析

5.3.6 拓展应用实验结果及结论

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录A 在学期间发表的学术论文与研究成果

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