H13的熱處理方法

中國熱處理行業(yè)協(xié)會新技術(shù)考察團于1998年10月9日參觀訪問了美國

Erie城附近的Meadylle鎮(zhèn)SECO/WARWICK公司總部，了解了該公司開

發(fā)的新技術(shù)和新產(chǎn)品。為了有助于我國熱處理生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，特在此

做如下介紹。2真空高壓氣淬的效果

由于要求真空熱處理的零件和材料不斷增多，真空加熱氣冷淬火技

術(shù)有了迅速發(fā)展。工具鋼的固溶處理和奧氏體化，合金鋼和鎳基、鈷基

合金通常都在熔鹽中加熱和油中淬火，導致工件開裂和畸變，而且還必

須施行后清洗。SECO/WARWICK公司開發(fā)的一系列采取對流加熱方式的

真空高壓氣淬爐，氣體壓力從200kPa直到2000kPa，滿足了在油淬和氣

淬中間領(lǐng)域的冷卻速度要求。表1所列為各種合金鋼在該公司開發(fā)的

600kPa、1000kPa和2000kPa真空氣淬爐中的淬火冷卻效果［1］。3對

流加熱眾所周知，真空中的加熱主要靠輻射，而輻射加熱只有在760°C（1400。F）以上才能表現(xiàn)出明顯效果。為了在低溫下實現(xiàn)均勻而迅速的加熱，采用往爐中通入惰性（或中性）氣體的方式可保證對流熱傳導。為實現(xiàn)均勻快速的對流加熱，爐子加熱室必須有良好的絕熱保溫措施。對流加熱可有效降低被加熱件中的熱應(yīng)力，而工件中的應(yīng)力有可能在熱處理前的機加工或原始鋼料中既已存在。對流加熱是保證工件低畸變的前提條件，而且也可縮短淬火和回火加熱周期。和傳統(tǒng)真空加熱比較，對流加熱可減少50％的加熱時間，在低溫范圍保持好的爐溫均勻性，在一定程度上提高裝爐量，還可實現(xiàn)一爐多用，在同一爐中可施行回火和退火。圖1所示為對流加熱和傳統(tǒng)真空加熱的區(qū)別所在。圖1對流加熱和傳統(tǒng)真空加熱的比較Fig.1Conventionalvs．traditionalheatingrates4高壓氣淬由表1數(shù)據(jù)可知，和600kPa氣淬比較，低合金鋼在1000kPa和2000kPa氣體壓力下的淬火可獲得更高的硬度。lOOOkPa和2000kPa的氣淬真空爐可保證整盤爐料獲得均勻溫度。在600kPa壓力氣淬時，工件相互間距不得小于12?20mm，而在lOOOkPa氣壓下淬火時，工件的間距可減至10mm。圖2所示為不同氣體冷卻介質(zhì)和各種截面尺寸工件間的傳熱系數(shù)A[1]。表1各種合金鋼在600、1000和2000kPa(6,10,20bar)氣淬真空爐處理后的硬度材料材料心部達到要求硬度的截面/mm要求硬度HRCDIN17007DIN17006ASTM600kPa1000kPa2000kPa1.272150NiCr1390110125591.2767X45NiCrMo4160180200561.2510100MnCrW4O150107130641.255060WCrV7284290MnGrV8O25290123631.2363X100CrMoV5-1A2155200200631.2080X210Cr12D370108155641.2436X210CrW12155200200651.2379X155CrVMo12-1D215520020063

1.271355NiCrMoV6L6108153200561.271456NiCrMoV7131200200571.2343X38CrMoV5-1H11155200200541.2344X40CrMoV5-1H131.2365X32CrMoV3-3H10108131153501.2083X42Cr1342070108123561.2316X36CrMo17108131153501.3343S6-5-2M210815320066(DIN17350)*所列材料的化學成分和熱處理規(guī)范可查閱《袖珍世界鋼號手冊》，第2版，林慧國等主編，機械工業(yè)出版社，1998圖2不同冷卻介質(zhì)和各種截面尺寸工件間的傳熱系數(shù)入Fig.2Coefficient入inrelationtocoolingmediumandworkpiececross-section.600kPa氮氣中淬火屮25?屮100mm合金鋼工件松散裝爐時的傳熱系數(shù)入=1.0?3.0。M2高速鋼件1.1500kPa氣淬(60%He/40%N)2.600kPa氣淬(60%He/40%N)223.1000kPa氮氣中冷卻4.600kPa氮氣中冷卻5.2000KPa氣淬(60%He/40%N)6.1000KPa氮氣中冷卻2注：曲線1?4為密集裝料；曲線5和6為松散裝料屮70?屮100mm可以淬透到64HRC以上。H11和H13熱作模具鋼可淬透到54HRC。DIN1.2080(Cr12)屮80?屮100mm冷作模具鋼件可淬透到64HRC。DIN1.2842(9Mn2CrV)油淬鋼屮25?屮40mm工件，DIN1.2550(60CrW2V)屮20mm工件可淬硬到60HRC。有限截面的馬氏體不銹鋼件淬火和18-8型奧氏體不銹鋼件的固溶處理都可以在此條件下施行。1000kPa氮氣中淬火屮25?屮100mm合金鋼件密集裝爐(比600kPa氣淬裝爐密度大30%?40%)時的入=8.0?2.0,高速鋼件的截面和裝爐密度幾乎不受限制。高、中、低合金熱作模具鋼件都可在此條件下淬火。有限截面的高、中合金結(jié)構(gòu)鋼，如AISI01、02、06、07、4140、4340等鋼都可在此條件下施行強韌處理,AISI4140鋼件離子滲碳后亦可在此條件下淬火。2000kPa氦和氦＋氮氣中淬火屮25?屮100mm合金鋼件在比600kPa淬火裝爐密度大80%?150%條件下的入=0.4?1.0。高速鋼，高、中、低合金熱作模具鋼，高、中、低合金冷作模具鋼，油淬合金鋼的強韌處理，包括離子滲碳和氮碳共滲后的淬火冷卻。5等溫分級淬火設(shè)計的爐子和控制系統(tǒng)可以自動實現(xiàn)等溫(馬氏體分級)淬火工藝見圖3。劇烈的高壓氣冷有時會使某些模具開裂和嚴重畸變。隨著工件截面的增大，問題愈來愈突出。而控制冷卻周期在工件淬硬后會獲得更理想的顯微組織，并在一定裝爐量條件下可以把多次回火改為一次回火。良好的顯微組織會延長模具，特別是熱作模具的壽命。例如450mmX450mmX80mm的H13鋼模具等溫分級淬火后在550°C回火可得到57HRC的硬度，而不施行等溫分級淬火和采用固定冷卻方式以及550C回火后的硬度只有54HRC[2]。

圖3模具等溫（馬氏體分級）淬火示意圖圖3模具等溫（馬氏體分級）淬火示意圖Fig.3IsothermalQuench（Martempering）作者簡介：樊東黎：男，教授，中國熱協(xié)副理事長，享受政府特殊津貼。Fig.3作者單位：參考文獻KowalewskiJ，OlejnikJ．Applicationforvacuumfurnaceswith6、10and20barGasQuenchingCapabilities．lndustrialHeating，1998（10）：42KowalewskJ，OlejnikJ．lndustrialHeating，1998（10）：44OlejnikJ，ArmourG．HighPressureProvidesSolution．HeatTreating，1993（10）：s.2527OlejnikJ，LatosZ，GorockiewiczG.GasCoolinginHighPressureQuenchFurnaces．PolishConferenceonScienceandTechnology.Kolotek,1994：6,22?24當模具完成奧氏體化以后，以最大的氣壓和最劇烈的氣體循環(huán)方式冷卻。工件表面放置一根熱電偶,另一根放在工件心部。當工件表面溫度達到馬氏體淬火溫度（Ms）時，降低爐氣壓力。爐氣循環(huán)速度也降到低限,以便于表面和心部溫度趨于一致?？靠赡骜R達精確控制風機速度使工件表面溫度幾乎保持不變。為了使工件表面和心部溫度平緩地趨于一致,對流風扇此時亦應(yīng)啟動。對流加熱可防止表面溫度降到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms）以下。結(jié)果在表面和心部溫度未趨于一致以前，絕不會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。最后，當工件表面和心部溫度達到預定溫差AT時，整盤爐料進一步冷卻到裝爐前的溫度。6真空高壓氣淬設(shè)備SECO/WARWICK開發(fā)的200、600、1000和2000kPa真空高壓氣淬爐有立式和臥式兩種類型。真空爐系統(tǒng)包含真空爐殼，帶發(fā)熱體和絕熱層的加熱室，帶鼓風機和冷卻風扇的熱交換器、抽氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。氣淬真空爐系統(tǒng)還要求在距爐子不大于10m的距離內(nèi)設(shè)置貯氣罐。各種氣淬真空爐具有以下特點：（1）圍繞料盤360°都設(shè)有弧形石墨發(fā)熱元件。在鋼材奧氏體化溫度加熱區(qū)的溫度均勻性能控制在±3°C范圍內(nèi)。（2）圍繞料盤360°都設(shè)有規(guī)定氣流噴射方向的均勻冷卻噴嘴系統(tǒng)。（3）高速氣體的噴射和噴嘴的緊貼爐料使在密集裝料條件下都可獲得有效的淬火冷卻。（4）設(shè)計的爐殼容積和爐料體積比很小，可保證最低的氣體消耗。（5）最新的設(shè)計采用圓柱形加熱爐膛和弧形石墨發(fā)熱體。如此可明顯改善爐溫均勻性，改善冷卻條件，氣體噴嘴也容易實現(xiàn)合理分布。6.1設(shè)計上的新觀點氣體冷卻的全部熱交換系統(tǒng)都設(shè)在爐殼內(nèi)部。其目的之一是減少氣流阻力，其二是降低通過工件的氣流量。淬火冷卻烈度取決于氣體流速和氣壓。在真空爐內(nèi)提高氣流速度是很困難的，而提高氣壓相對比較簡單。這就是真空高壓氣淬設(shè)備氣壓的設(shè)計愈來愈高的主要原因。從理論上分析可得出，360°分布的噴射氣流冷卻系統(tǒng)會在爐料中心位置出現(xiàn)“死區(qū)”。因此，為改善爐料中心的透氣性，在淬火冷卻時應(yīng)開動對流風扇，使爐料中心的壓力降低。真空爐是按每天24h工作，每周連續(xù)運轉(zhuǎn)7天考慮的。用戶合理選用真空氣淬爐時必須慎重考慮3個因素：①每日產(chǎn)量、工件尺寸和材料的化學成分；②設(shè)備要求的占地面積；③用爐子完成的熱處理工藝。6.2控制系統(tǒng)SECO／WARWICKVPT200、600、1000kPa真空氣淬爐的控制系統(tǒng)為操作者模擬馬氏體分級淬火創(chuàng)造條件，在lOOOkPa設(shè)備的風機馬達上還裝有變頻裝置。除了設(shè)有預置分級淬火程序外，風機在從600?lOOOkPa壓力范圍內(nèi)都有足夠富余的額定能力。這就能保證爐子的合理利用和減少氮氣的消耗。當lOOOkPa爐子風機馬達通過接觸器啟動時，而6OOkPa設(shè)備的操作僅利用了8O%的馬達潛力。6.32OOkPa氣淬爐2OOkPa真空氣淬爐廣泛用于對冷速要求不高的高速鋼、冷熱作模具鋼和有限截面尺寸的奧氏體不銹鋼。把工件以大間隔放置在料盤上，以保證均勻加熱，使氣流在工件間均勻流通，獲得均一的淬火質(zhì)量。采用高壓氣淬開創(chuàng)了擴大合金鋼可淬硬截面的可能性。6.46OOkPa氣淬爐到目前為止，處理工模具最理想，使用最多的是6OOkPa真空氣淬爐。和一般大氣壓下淬火的設(shè)備比較，其淬火冷卻烈度可提高3.5?4倍［3］。在松散裝料條件下，這種爐子幾乎能保證較大截面、各種高合金工模具鋼件的淬火效果。但是采取密集裝料方式時，6OOkPa爐子顯然就難以滿足要求了。6.5lOOOkPa?2OOOkPa氣淬爐氮氣壓力從6OOkPa增加到lOOOkPa可使冷卻傳熱系數(shù)久增加14O%。在2OOOkPa的氦氣中冷卻與6OOkPa氮氣中冷卻比較，此系數(shù)可增加3OO%［4］。如此高的氣壓可使所有高速鋼、熱作模具鋼、冷作模具鋼、Cr13鋼以及一些油淬合金鋼，包括任何截面尺寸的ASTMO2鋼都能在密集裝料條件下進行淬硬處理。lOOOkPa高壓氣淬爐能使工具鋼和小截面的低合金