真空淬火-教学综述

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1、真空淬火 2 真空条件下金属加热的特点 l斯蒂芬玻尔兹曼定律 0C0(/100)4 ,J/(m2h); C0为绝对黑体的辐射系数12.7107 ,J/(m2hK4); T为辐射体绝对温度（K）。 l实际真空热处理条件下： 理想灰体传热能与绝对温度的四次方成正比： C(/100)4 C理想灰体辐射系数，C=4.96，灰体黑度。 3 辐射热交换 lQ12=C导(T1/100)4-(T2/100)4F1 12 (J/h) lC导=4.96(1/1-1) 12 +1+(1/2-1) 21 J/(m2 hk4) Q12单位时间内，高温面传给低温面的热量；C导导来辐射系数； T1，T2分别为高温面（炉子）

2、和低温面（工件）的绝对温度（K）； F1高温面表面积（m2）；12 角度系数。 12 =21=112=1 21=F1/F2 F2 F1 F1 F2 F2 F1 F2 F1 12=1 21=F1/F2 12= F2 / (F1 +F2) 21= F1/ (F1 +F2) 4 真空炉升温特性 l真空炉空载时的自身升温速度很高；热惯性小 ；蓄热、散热量微小 l升温主要取决于对炉料可达到的供热能力（被 加热工件在单位时间、单位面积上从真空炉获 得的热量） l在真空炉里比在介质中综合传热的常规加热， 供热能力低得多，特别是辐射效率低的升温阶 段（600）和回火加热时。 5 钢在真空和其他介质中加热速度

3、GCr15钢50mm 100mm试样在不同介质中的加热速度 1盐浴中加热，2空气炉中加热，3真空中加热， 1，2高温装炉；3室温装炉 6 真空加热表面与心部的温差 lW18Cr4V钢 在850C预热预热 ，继续继续 加热热到1280C。 lGCr15钢钢 采用两种加热热方式 ： 1. 600C预热预热 ，继续继续 加热热 到 850C； 2. 室温直接加热热到850C。 l分段预热预热 的必要性。 W18Cr4V高速钢50mm100mm 试样经850 预热加热到1280 过 程中的表面和心部升温曲线 1炉温2表面温度3 芯部温度 7 真空加热表面与心部的温差 GCr15钢50mm100mm试样

4、 850 加热时的表面和芯部升温曲线 1炉温；2表面温度， 3 芯部温度 GCr15钢50mm100mm试样经600 预热加热到850 的表面和芯部升温曲线 1炉温；2表面温度， 3 芯部温度 8 不同尺寸工件的烧透时间 不同直径的GCr15钢试样的加热时间 1600 预热，2室温直接到850 ， 3经600 预热后加热到850 加热系数1.0-1.5min/mm 不同直径的W18Cr4V钢试样 的加热时间：1850 预热， 2经850 预热后加热到1280 加热系数0.46-0.52min/mm 9 真空加热时的真空度的确定 l大多数金属在500-1350,10-10-3Pa条件 下加热热。

5、 l综综合考虑虑表面光亮度、除气、脱碳和合金 元素蒸发发等效果来确定加热过热过 程的真空 度。 l“充气法”克服合金元素选择选择 性蒸发发。 10 真空淬火优缺点 l真空淬火后的工件表面光亮、不增碳、不脱碳 。可提高承受摩擦和接触应力的工模具的使用 寿命； l淬火后工件尺寸和形状变化小，可省去修复变 形的机加工。 l淬火后的工件硬度均匀、机械性能高、质量稳 定。 l设备投资大。 11 真空淬火的冷却 l真空气淬： l冷速与气体种类、气体压力、流速、炉子结果 及装炉状况有关； l冷却气体的种类 l提高气体冷却能力的方法 l真空油淬： l真空淬火油的特性 l真空淬火油的使用 12 冷却气体的种类

6、l可供冷却气有氩、氦 氢、氮气等。 l与相同条件下的空气 的传热速度比较，空 气为1，则氮为0.99 ， 氩为0.70，氢7， 氦为6。 氢、氦、氩气的相对冷却性能 13 提高气体冷却能力的方法 l只考虑对流传热，按牛顿公式则传 热量为： Q=K（tw-tf）F （kJ/h） lQ与固体温度tw和气体温度tf之差以 及工件表面积（F）大小成正比。 l对流传热系数K是气体热导率、 粘滞系数、流速、密度(压力 ）的函数 K=/d C（d/）m l提高冷却气体的密度（压力）和流 速可以正比例加大对流传热效率。 气压对冷却速度的影响 1-0.66m3/s; 2-0.566m3/s 14 65Mn钢薄片

7、状弹簧支架的真空淬火 l原材料： 冷轧退火态， 细珠光体+铁素体； lQ：变形； 图2.1 弹簧片形状尺寸示意图 15 65Mn钢弹簧支架的真空淬火工艺 l冷态真空度1.33Pa，升温后 真空度下降66.5Pa，应考虑 Mn的蒸气压较高且随温度升 高而增大。 l相变点附近680预热：热处 理变形小，升温速度慢，受 热均匀; l入油后充入350-400Torr氮气 ：超过真空淬火油临界压力 的中性气体，使真空淬火油 达到使钢淬透的冷却速度。 弹簧片真空热处理工艺 N2 16 65Mn钢弹簧支架的真空淬火预应力 l真空热处理前的预应力对 薄而长的弹簧片热处理后 的变形影响很大； l工件自重、相互挤

8、压力不 均、振动均可导致变形； l各弹簧片间、弹簧与夹具 间贴合紧密、受力均匀， 限制热变形。 弹簧片装夹示意图 1-固定螺栓；2-上斜铁；3-弹簧片 4-底板；5-下斜铁 17 压铸模 l3Cr2W8V钢制电机转子 铝压铸模 lQ:模具工况恶劣（高压 、高温铝冲刷，手工脱模 需锤击，水冷），要求耐 磨性、耐热疲劳性及足够 的硬度和韧性。 lA：预热+回火 3Cr2W8V钢压铸模尺寸 0.23 18 压铸模真空淬火 淬火温度对3Cr2W8V钢热疲劳抗力的影响 800水冷，循环前，49-51HRC A-产生0.4mm裂纹的循环次数 800预热60min，真空度13.31.33Pa 1150 油淬

9、，670680 回火，真空度高于1333133Pa低于1.33Pa 1180 C 3Cr2W8V钢压铸模真空热处理工艺 N2 99.999 19 冷冲模具真空淬火 lCr12MoV钢制硅钢片 冷冲模凹模 lQ：8定位销孔要求 精度高， lA：无需研修，保证 型腔边缘硬度。 Cr12MoV冷冲凹模形状及尺寸 20 冷冲模具真空淬火 冷冲模原工艺 箱式高温电炉，淬入400 硝盐炉中 真空度1.33Pa， 入油后通入氮气， 后普通油炉回火 Cr12MoV冷冲模真空热处理工艺 99.99%N2 21 辊压模真空淬火 l制造纺织印染机械中的钢芯的模具 lQ：螺牙高度0.12mm47，圆度0.003，要求

10、硬度62-64HRC lA: 真空度13.3-1.33Pa,入油后通入99.9%氮气至0.6105Pa 辊压铸的工作状态 1-辊压模；2-模芯（工件） 45# 高速钢 30 M33 高速钢W18Cr4V辊压模真空热处理 工艺 99.9%N2 22 高速钢钻头正压气淬 lW6Mo5Cr4V2 l1.5-2.5mm小钻头钻头 lQ：钻头钻头 粘连连 lA：高温加热阶热阶 段充 高纯纯氮气真空度降至 133Pa M2高速钢（美国制）钻头真空气淬工艺 23 Cr12MoV钢三角零件真空淬火 上盘外压针三角外形下盘压针三角外形 下盘挺针三角外形 上盘内顶针三角外形 针织机用合金工具钢三角形零件 24 C

11、r12MoV钢三角零件真空淬火 初次确定的真空淬火曲线真空淬火工艺曲线 lQ：硬度要求62-65HRC，线切割+热处理直接装机 lA：预热温度提高，淬火加热保温时间减少 25 真空高压气体淬火（概述） l传热传热 系数与气体压压力P和速度V的关系式（ Hilpert R.） =10-5mA(PV)m lA、m为为常数，与炉子结结构、炉料及冷却气体 的物理性质质有关。（通常m=0.6-0.8） l热传递热传递 在开始几个（105Pa）压压力下是大的， 随着压压力增加而减少。 l气体压压力和淬火速率间间关系曲线线 26 概述 淬火参数的影响 气体压力和淬火速率间的关系曲线 27 概述 冷却气体压力

12、和冷却时间的关系气体压力对淬火回火硬度的影响 mm 28 概述 l气冷压力提高，可提高冷却速度达到和 超过油的冷却速度 SKD61钢250mm250mm(C0.37Cr5Mo1.3V1%) 超高压气冷和油冷、盐浴冷却的比较 9.5105Pa 29 概述 各种气体在不同压力下的热导率 40mm工件心部的冷却速度 （气体种类和压力的比较） 30 概述 l国内普及的高压气淬技术是 5 10510 105Pa真空高压气 冷淬火工艺及设备； l低合金钢淬火件、大尺寸的模具 和轴类、高密集装载工件56 105Pa真空高压气冷不足； l提高使热导率高于350 450W/(m2K)： 冷却气压力 冷却气循环速

13、度 He 6 105Pa气冷风扇电机功率提高10， 热导率提高40 N210 105Pa气冷风扇电机功率提高140 ，热导率提高35 实用真空炉冷却气体和压力的变迁 31 概述 表：不同压力气冷淬火效果 尺寸/mm 气体压/Pa气体种类中心硬度HRC备注 606 105N260材质 （质量分数） C2%,Cr12% 10010 105N264-65 20020 105He+N264-65 大于60mm的轴或其他模具，心部热要求6465HRC， 需改用油淬，或增大气冷时冷却气的压力，或更换气体种类。 32 高压气体冷却理论 l参量：与负载、炉子相关的参量 l强制对流冷却方程 t=WCp/(A)l

14、n(T1-Tf)/T2-Tf t从T1-T2冷却时间s，W负载重量kg，Cp负载比热容，A负载表面积， 热导率，T1初始温度，T2 最终温度，Tf平均气体冷却温度。 l传热系数 边界两端温度差为1C 在单位时间穿过介质或系统单位面积的热量 与表面几何形状、流体的性质和流体的热动力学和传输性质有关。 33 理论 l标准气流通过单一物体两端强制对流冷却传热 系数的简化方程 k=KCpGP1/（DP2) K常数，Cp冷却气体比热容，D冷却表面的外部直径， P1 P2指数， G冷却气体物质流体积气体流Q与气体密度的乘积，以雷诺数Re 来描述其特性， Re与G成正比物质流/气体粘度。 冷却速率K（G）P

15、1 l淬火速率与热交换系数成正比,热交换系数和冷 却气体的物质流的P1次方成正比 34 理论 l流体定律P=RSQ2 P通过系统的压力的降落，R流体阻力，S气体密度或气体压力， Q气体流流量，此处系统为具有穿过气流风机压力降落为P的真空 炉。 l压力的降落对气体流流量比对气体压力更敏感 P系统压力的降落对速度敏感，给定系统中体 积气体流增加，气流速度也增加。 35 对流加热 对流加热和真空加热的不同 (105mm轴） 92 36 对流加热 对流加热和真空加热实际操作的不同 (VTT-424真空气冷淬火炉)装炉200kg， 500600900mm3容积，高速钢切削工具1200支） 37 应用 l

16、螺纹铣刀 l滚丝轮 l阶梯轴 l辊环 l热模工具 38 滚丝轮真空高压气体淬火 lCr12MoV钢 l61D2133M14 2 60 加工汽车轴承盖 螺栓 l200mm60mm l螺栓材料ML40Cr调质 285321HB l工序： 锻打退火机加 淬火回火磨内孔 l内孔变形0.02mm以内 ，6365HRC 61D2133滚丝轮真空处理工艺曲线 2105Pa 100 出炉 39 阶梯轴真空高压气体淬火 lCr12MoV钢 l加热温度1030、5105Pa 气冷 l料台旋转法：工件轴杆偏 摆量8.5m,偏差7.5 m ， 非料台旋转：工件轴杆偏 摆量22.5m,偏差38 m ； l硬度6464.5HRC