适用于等离子渗氮工艺的可靠真空供给

柏林 HWL 焊接技术有限公司的核心专业技术领域是钢及其他金属的热处理,主要针对航空航天和汽车工业以及电厂技术。他们提供几乎所有类型的热处理技术,从感应淬火和退火,到真空硬化、退火和钎焊,以及所有类型的表面硬化,无所不包。针对等离子渗氮工艺,HWL 在氮化炉中利用 普旭(Busch) 的真空技术。
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Kai Lembke 自 2004 年开始就一直在 HWL 这个家族企业任职,并于 2011 年成为股东和管理层成员。对于很多通常只是带着一个想法就来找他的客户,Kai Lembke 认为公司就是他们的发展合作伙伴。这些想法成为原型产品、小规模生产的基础,往往会促成大规模生产。大多数情况下,这一流程包括一系列极其复杂的工作,HWL 需要与客户倾力合作,找到解决方案。作为劳斯莱斯航空航天研究协会的官方合作伙伴,HWL 以此证明这一家族企业是一家合格的供应商。

在 HWL,等离子渗氮技术对于热处理变得越来越重要。他们在此工艺方面拥有 30 多年经验。今天,一流的技术和控制措施确保化合物层和扩散层的结构和成分可以得到持续的控制和监测。脉冲直流等离子用于实现均匀的热处理效果。这种热化学工艺的优势是可以在 520°C 和 580°C 之间相对较低的温度下进行热处理。为使等离子体导电,必须使用自由载流子进行电力传输。在大气压力下,要使等离子体具有导电性,所需达到的温度在经济上并不现实。然而,HWL 可以在 2.5 毫巴压力下工作,在实践中,这样的条件就允许在低于 600°C 的温度下进行热处理。与其他热处理方法相比,这已经是很低的温度了,这对组件的扭曲特性具有极其积极的影响。此方法的另一优势是,可以对组件中不需要渗氮的各个部分进行机械掩蔽,从而有选择性地将其排除在渗氮工艺之外。这不会改变掩蔽部分底部表面的特性。


图 1: 由 普旭(Busch) 的 R 5 旋片真空泵和 Puma 罗茨真空泵组成的真空系统

在实际执行等离子渗氮工艺之前,需要将待处理的组件精确放置在固定设备上。零件必须放置在氮化炉中最合适的位置,方可实现理想的表面特性,在这方面,HWL 的多年经验得到充分发挥。在加料程序结束并关闭氮化炉后,即会将氮化炉抽真空至所需的工艺压力,并使用壁装式伴热器对其进行加热。此加热过程结束后,组件即会暴露于氮气氛中的辉光放电作用下。在辉光放电过程中会产生等离子。在此过程中,氮进行离解和离子化,并在组件表面燃烧。确切的处理温度和渗氮持续时间取决于组件的材料、尺寸和成分,以及要实现的渗氮层深度。渗氮程序完成之后,氮化炉和组件即会进行冷却。整个过程持续 17 到 30 个小时。在此期间,真空系统一直处于运行状态(图 1)。

在使用普旭(Busch)真空泵的其他热处理系统方面拥有丰富经验后,2013 年 HWL 购买了一台新的氮化炉,它也采用 普旭(Busch) 真空系统。此款真空系统包括一个R 5油润滑旋片真空泵(作为前级泵)和一个 Puma 罗茨真空泵。该系统可实现小于 1 x 10-2 毫巴的极限压力,工艺过程中的实际工作压力为 2.5 毫巴。这样可以充分利用真空系统的最佳抽气速率,也就是此运行范围内的最高速率(图 2)。 


Fig. 2: 真空系统抽气速率

工艺开始时,R 5 旋片真空泵将氮化炉从大气压力抽至 100 毫巴的粗真空状态。只有在此时 Puma 罗茨真空泵才会运行。作为增压泵,它会显著提高真空系统的抽气速率,从而快速实现并可靠地维持工艺压力。 通过将真空系统与旋片真空泵及其控制装置结合使用并特别针对工艺进行协调,能够以近乎最低的能量消耗实现最快的抽气速率。

通过精准地维持工作压力和抽气速率,可以确保运行能力和工艺的可复制性,从而能够精确地实现理想的产品特性。在 HWL,氮化的等离子体大多是高合金不锈钢,不过建筑用钢或烧结金属也采用此工艺进行热处理。
自 2013 年开始使用氮化炉以来,真空系统从未出现任何运转不良的现象,即使是全天候运行,也未发生任何故障。唯一中断运行的情况是启动或安装工作。

对于 Kai Lembke,真空技术的绝对可靠性是第一要务。这是因为渗氮工艺中真空系统出现故障会导致整批高质量、高成本的精密组件报废。在此期间,真空供给没有出现任何故障。正因如此,Kai Lembke 很清楚,单就渗氮系统而言,就值得考虑按规划扩大公司,而且"等离子渗氮"部门必须配备 普旭(Busch) 真空技术。
真空系统仅需要最低程度的维护。除了每日目视检查油位,R 5 旋片真空泵以及 Puma 罗茨真空泵齿轮中的机油仅需每两年更换一次。Kai Lembke 还知道,普旭(Busch) 服务中心就在附近,如有任何问题发生,他们可以立即到场解决。

About HWL Löttechnik

HWL 焊接技术于 1981 年创立于德国柏林威丁区的一座庭院之中,当时只有一名雇员。1983 年,柏林首台真空炉开始在 HWL 运行。自那时起,他们就一直从事钢及其他金属(包括钛)的热处理。1996 年,公司迁至柏林赖尼肯多夫区的一栋新大厦。2006 年,公司再次迁址。如今,HWL 有 30 名员工,正计划进一步扩大公司规模并第三次迁址。设备一年 365 天处于运行状态。


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