德國勞瑞德布爾熱處理技術(shù)公司益科工業(yè)技術(shù)研究所研制開發(fā)的電解質(zhì)氣相離子催滲技術(shù)（簡稱ECA催滲技術(shù)）。該項技術(shù)不需要附加設(shè)備，使用簡便，可提高滲碳速度35%，減少滲劑用量1/3，有效細化晶粒，在原工藝溫度降低30℃的條件下，仍能維持原滲速不變，減少熱處理變形，是環(huán)保產(chǎn)品。在歐洲被喻為氣氛滲碳熱處理的“味精”。
ECA催滲機理
ECA催滲劑隨滲碳劑通入爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)氣氛產(chǎn)生電解質(zhì)氣相，在氣氛中各物質(zhì)都是以離子態(tài)存在，而不是以分子態(tài)存在，碳以正四價碳離子形式存在。由于工件都是含碳鋼或合金鋼，工件沉浸在電解質(zhì)氣相中發(fā)生原電池反應(yīng)，產(chǎn)生正負極性，由于工件極性的存在，正四價碳離子極易吸附在工件表面，碳離子在工件內(nèi)部遷移過程受兩個方面的力驅(qū)動，一個是電場力，另一個是由于表面與心部存在碳的濃度梯度產(chǎn)生的擴散力。碳離子向內(nèi)部遷移的途徑也有兩條，除沿晶界擴散外，還因為正四價碳離子半徑只有碳原子的1/5，正四價碳離子可以穿透晶粒內(nèi)部向工件內(nèi)層擴散，也正由于快速的擴散速度，工件表層不易積聚高的碳而形成網(wǎng)狀或塊狀碳化物。
氣體滲碳一般分為三個階段，***步是碳的富化劑分解產(chǎn)生活性碳原子，第二步是活性碳原子被工件表面吸附，第三步是活性碳原子沿晶界向內(nèi)部擴散，幾乎所用的催滲技術(shù)的研究都是圍繞這三個步驟進行的。物理催滲如電離催滲是通過強的外界電場力的作用下催滲，主要是提高第二，第三步的速度，是目前滲碳速度***快的，但需要昂貴的設(shè)備投入，而且處理的零件批量小，不適合大批量生產(chǎn)。ECA催滲技術(shù)可提高三個階段速度，特別是對滲層深度起決定作用的擴散階段的滲速，因此較之其他催滲技術(shù)更快。
ECA系列產(chǎn)品型號及適用設(shè)備
ECA系列產(chǎn)品主要有五種，其適用設(shè)備如下：
①ECA-1用于氮-甲醇氣氛滲碳爐，如多用爐；②ECA-2用于甲醇+ 丙烷氣氛滲碳爐，如多用爐；③ECA-3用于煤油+ 甲醇滲碳爐，如井式滲碳爐；④ECA-4用于滴注型滲碳爐；⑤ECA-5用于丙酮+ 空氣型，如多用爐的直生式氣氛滲碳工藝。
1.德國ECA催滲技術(shù)在多用爐上的應(yīng)用
（1）工件材料與技術(shù)要求
摩托車配套件曲柄銷（φ30mm× 350mm），材料為20CrMo鋼，技術(shù)要求為：表面與心部硬度分別為60~64HRC和35~40HRC，滲層深度0.8~1.2mm，馬氏體、殘余奧氏體、碳化物和鐵素體1~3級。
（2）原工藝及存在問題
滲碳熱處理采用Unicase多用爐，甲醇滴注流量為2500mL/h，原滲碳工藝如圖1所示。經(jīng)檢驗，表面與心部硬度分別為61~63HRC和39~40HRC，滲層深度1.0mm，碳化物1級，馬氏體與殘余奧氏體4級，鐵素體1級。從檢驗結(jié)果可以看出，馬氏體與殘余奧氏體級別超差，在多方調(diào)整熱處理工藝也無法解決問題的情況下，只能采用加大熱后磨削量（磨削量為0.2mm）的方法來降低表面金相組織的級別，這樣不但增加了生產(chǎn)工序成本而且增加了原材料的消耗，嚴重降低了生產(chǎn)效率。
圖1 原滲碳熱處理工藝曲線
（3）ECA催滲技術(shù)
甲醇滴注流量為1500mL/h，其滲碳熱處理工藝見圖2。經(jīng)檢驗，表面與心部硬度分別為61~64HRC和37~40HRC，滲層深度1.0mm，馬氏體與殘余奧氏體2級，碳化物1級，鐵素體1級。從檢驗結(jié)果可以看出，馬氏體和殘余奧氏體等均達到技術(shù)要求。有效解決了存在的問題。
圖2 加ECA催滲劑滲碳熱處理工藝曲線
（4）節(jié)能降耗效果
從工藝及有效硬化層深度可以看出，同樣獲得1.0mm的滲層深度情況下，ECA催滲技術(shù)可縮短1/3的工藝周期。表1為采用ECA催滲技術(shù)前后成本比較。其中電費價格為0.8元/kW·h，甲醇價格為3元/L。
表1 采用ECA催滲技術(shù)前后成本比較
項目 | 原工藝每爐用原料 | ECA工藝每爐用原料 | 用量差值 | 每爐節(jié)約成本 |
甲醇 | 20L/爐 | 15Lm/爐 | －5L/爐 | 15元/爐 |
電耗 | 520kW·h/爐 | 390 kW·h/爐 | －130 kW·h/爐 | 104元/爐 |
ECA | 0 | 40元/爐 | 40元/爐 |
從表1可以看出，使用ECA催滲技術(shù)后每爐可節(jié)約成本119元（15元+ 104元），由于ECA催滲技術(shù)縮短了生產(chǎn)周期，使原來每天兩爐多一點的生產(chǎn)量提高到每天三爐，從而每天可節(jié)約成本3×119元/天＝357元/天，減去120元/天的ECA催滲劑的用量，實際每天可節(jié)約成本237元。
若一年的有效工作日按10個月計算，則每年可節(jié)約成本為237× 10 × 30＝71100（元），而且還不包括由于提高產(chǎn)品質(zhì)量所帶來的間接效益。
2.ECA催滲技術(shù)在連續(xù)式滲碳爐上的應(yīng)用
（1）齒輪材料與技術(shù)要求
121型拖拉機***終從動齒輪，外形尺寸φ185mm× 44mm，材料為20CrMnTi鋼，熱處理技術(shù)要求：馬氏體和殘余奧氏體1~5級，碳化物1~5級，心部鐵素體1~4級，表面與心部硬度分別為58~64HRC和33~48HRC，滲碳層深度0.8~1.3mm。
（2）原工藝
原工藝如表2所示，其推料節(jié)拍32min，每盤裝載量為230kg。
表2 原工藝
區(qū)段 | 一區(qū) | 二區(qū) | 三區(qū) | 四區(qū) | 五區(qū) |
溫度/℃ | 840 | 910 | 930 | 910 | 840 |
碳勢Cp（%） | — | 1.0 | 1.15 | 1.10 | 0.95 |
甲醇流量/（mL/min） | 0 | 60 | 50 | 60 | 0 |
丙酮流量/（mL/min） | 0 | 10~15 | 4~6 | 0 | 0 |
空氣流量/（m3/h） | 0 | 0 | 0~0.3 | 0~0.2 | 0~0.3 |
（3）ECA催滲工藝
ECA催滲工藝如表3所示，其推料節(jié)拍為24min，每盤裝載量230kg。
表3 ECA催滲工藝
區(qū)段 | 一區(qū) | 二區(qū) | 三區(qū) | 四區(qū) | 五區(qū) |
溫度/℃ | 840 | 910 | 930 | 910 | 840 |
碳勢Cp（%） | — | 1.2 | 1.15 | 1.05 | 0.95 |
甲醇流量/（mL/min） | 0 | 20~30 | 30~40 | 50 | 0 |
丙酮流量/（mL/min） | 0 | 10~12 | 8~10 | 0 | 0 |
空氣流量/（m3/h） | 0 | 0 | 0~0.3 | 0~0.2 | 0~0.3 |
（4）檢驗結(jié)果
兩種工藝產(chǎn)品的檢驗結(jié)果如表4所示。
表4 兩種工藝處理的齒輪檢驗結(jié)果
工藝 | 金相組織級別/級 | 滲層深度/mm | 表面硬度HRC | 心部硬度HRC | ||
馬氏體、殘余奧氏體 | 碳化物 | 鐵素體 | ||||
原工藝 | 4~6 | 3~5 | 1 | 0.90 | 58~64 | 38~46 |
ECA催滲工藝 | 2~4 | 1~2 | 1 | 0.92 | 60~64 | 38~47 |
檢驗結(jié)果表明，ECA催滲技術(shù)由于其快速的催滲作用，縮短滲碳時間1/4，可在原工藝基礎(chǔ)上提高產(chǎn)量25%，同時降低了碳化物級別，并使表面馬氏體和滲碳層的硬度梯度均得到了改善，增加了齒輪疲勞強度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
（5）節(jié)能降耗效果
1）甲醇的消耗。原工藝每天消耗250L，催滲工藝每天消耗160L，甲醇密度0.791kg/L，甲醇單價2.52元/kg，則催滲工藝每天可節(jié)約甲醇費用＝（250－160）×0.791 × 2.52＝178（元）。
2）丙酮的消耗。原工藝每天消耗30L，催滲工藝每天消耗35L，丙酮密度0.789kg/L，丙酮單價7元/kg，則每天多消耗丙酮費用＝（35－30）×0.789 × 7＝27（元）。
3）電能消耗。連續(xù)式滲碳爐總功率750kW，保溫功率500kW。電價0.6元/kW·h，催滲工藝提高生產(chǎn)效率1/4，催滲工藝每天可節(jié)約電費＝1/4× 0.6 × 500 × 24＝1800（元）。
4）催滲劑。每天用量450元。則采用催滲工藝每天獲得直接凈效益＝①- ② + ③ -④＝178－27+ 1800－450＝1551（元）。
每年工作日按300天計算，則采用催滲技術(shù)每年獲得直接凈效益＝1551×300＝465300（元）。
