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1、Ne w Progress of Vacuum Heat Treatment Technol ogy High an d Superhigh Pressure G a s QuenchingFan Do ngli , Tian Ruizhu (Beijing Research Instit ute of Mechanical and Elect rical Technology ,Beijing 100083) J anusz Kowalew ski ( SECO/ WARW IC K Corporatio n Meadville , Pennsylvania U SA)表 1各种合金钢在 6
2、00 、1000 和 2000 kPa( 6 , 10 , 20bar) 气淬真空炉处理后的硬度1 前言 中国热处理行业协会新技术考察团于 1998 年 10 月 9 日参观访问了美国 Erie 城附近的 Meadylle 镇 SECO/ W ARWIC K 公司总部 ,了解了该公司开发的新技术和新产品 。为了有助于 我国热处理生产技术的发展 ,特在此做如下介绍 。 2 真空高压气淬的效果由于要求真空热处理的零件和材料不断增多 ,真空加热气冷淬火技术有了迅速发展 。工具钢的固溶处理和奥 氏 体 化 ,合金钢和镍基 、 钴基合金通常都在熔盐中加热和油 中 淬 火 ,导致工 件 开 裂 和 畸 变
3、 , 而 且 还 必 须 施 行 后 清 洗 。SECO/WARW IC K 公司开发的一系列采取对流加热方式的真空高压气淬炉 ,气体压力从 200 k Pa 直到 2000 k Pa ,满足了在油淬 和气淬中间领域的冷却速度要求 。表 1 所列为各种合金钢在 该公司开发的 600 k Pa 、1000 k Pa 和 2000 k Pa 真空气淬炉中的 淬火冷却效果1 。 3 对流加热众所周知 ,真空中的加热主要靠辐射 ,而辐射加热只有在760 (1400 ) 以上才能表现出明显效果 。为了在低温下实 现均匀而迅速的加热 ,采用往炉中通入惰性 ( 或中性) 气体的 方式可保证对流热传导 。为实
4、现均匀快速的对流加热 ,炉子 加热室必须有良好的绝热保温措施 。对流加热可有效降低被 加热件中的热应力 ,而工件中的应力有可能在热处理前的机 加工或原始钢料中既已存在 。对流加热是保证工件低畸变的前提条件 ,而且也可缩短淬火和回火加热周期 。和传统真空 加热比较 ,对流加热可减少 50 %的加热时间 ,在低温范围保 持好的炉温均匀性 ,在一定程度上提高装炉量 ,还可实现一炉 多用 ,在同一炉中可施行回火和退火 。图 1 所示为对流加热 和传统真空加热的区别所在 。 4 高压气淬由表 1 数 据 可 知 , 和 600 k Pa 气 淬 比 较 , 低 合 金 钢 在1000 k Pa 和 20
5、00 k Pa 气体压力下的淬火可获得更高的硬度 。1000 k Pa 和 2000 k Pa 的气淬真空炉可保证整盘炉料获得均匀 温度 。在 600 k Pa 压力气淬时 , 工件相互间距不得小于 12 20mm ,而 在 1000 k Pa 气 压 下 淬 火 时 , 工 件 的 间 距 可 减 至10mm 。图 2 所示为不同气体冷却介质和各种截面尺寸工件 间的传热系数 1 。材料心部达到要求硬度的 截面/ mm材料要求硬度HRCD IND INAS TM600 1000 200017007 17006 k Pa 90 160 50 70 52 155 70 155 155 108 13
6、1k Pa 110 180 107 90 90 200 108 200 200 153 200k Pa 125 200 130 107 123 200 155 200 200 200 200112721 112767 112510 112550 112842 112363 112080 112436 112379 112713 112714 112343112344 112365 112083 112316 11334350NiCr13 X45NiCr Mo4 100MnCr W4 60 WCrV7 90Mn GrV8 X100Cr Mo V521 X210Cr12 X210Cr W12 X1
7、55CrVMo1221 55NiCr Mo V6 56NiCr Mo V7 X38Cr Mo V521X40Cr Mo V521 X32Cr Mo V323 X42Cr13 X36Cr Mo17 S62522(DIN 17350)59 56 64 60 63 63 64 65 63 56 57O1 S1 O2 A2 D3D2 L 6H11H13 H10 42015520020054108 70 108 108131 108 131 153153 123 153 20050 56 50 66M23 所列材料的化学成分和热处理规范可查阅 袖珍世界钢号手册,第2 版 ,林慧国等主编 ,机械工业出版社
8、 ,1998图 1 对流加热和传统真空加热的比较Fig11 Co nventio nal vs. t raditio nal heating rates 411600 kPa 氮气中淬火25100mm 合金 钢 工 件 松 散 装 炉 时 的 传 热 系 数 =110310 。M2 高速钢件 70 100mm 可 以 淬 透 到 64 HRC以 上 。 H11 和 H13 热 作 模 具 钢 可 淬 透 到 54 HRC。D IN112080 ( Cr12 ) 80 100mm 冷 作 模 具 钢 件 可 淬 透 到64 HRC。D IN112842 ( 9Mn2CrV) 油 淬 钢 25 4
9、0mm 工 件 , D IN112550 ( 60Cr W2V) 20mm 工 件 可 淬 硬 到 60 HRC。有 限樊东黎 :男 ,教授 ,中国热协副理事长 ,享受政府特殊津贴 。收稿日期 :1999 年 4 月 14 日19金属热处理1999 年第 10 期截面的马氏体不锈钢件淬火和 1828 型奥氏体不锈钢件的固 溶处理都可以在此条件下施行 。可得到 57 HRC 的硬度 ,而不施行等温分级淬火和采用固定冷却方式以及 550 回火后的硬度只有 54 HRC2 。 当模具完成奥氏体化以后 ,以最大的气压和最剧烈的气体 循环方式冷却 。工件表面放置一根热电偶 ,另一根放在工件心部 。当工件
10、表面温度达到马氏体淬火温度 (Ms) 时 ,降低炉气压 力 。炉气循环速度也降到低限 ,以便于表面和心部温度趋于一 致 。靠可逆马达精确控制风机速度 ,使工件表面温度几乎保持不 变 。为了使工件表面和心部温度平缓地趋于一致 ,对流风扇此时 亦应启动 。对流加热可防止表面温度降到马氏体转变温度 (Ms) 以下 。结果在表面和心部温度未趋于一致以前 ,绝不会发生马氏体转变 。最后 ,当工件表面和心部温度达到预定温差 T 时 ,整 盘炉料进一步冷却到装炉前的温度 。 6 真空高压气淬设备SECO/ WARW IC K 开发的 200 、600 、1000 和 2000 k Pa 真空高压气淬炉有立式
11、和卧式两种类型 。真空炉系统包含真空 炉壳 ,带发热体和绝热层的加热室 ,带鼓风机和冷却风扇的热 交换器 、 抽气系统和控制系统 。气淬真空炉系统还要求在距 炉子不大于 10m 的距离内设置贮气罐 。各种气淬真空炉具 有以下特点 :(1) 围绕料盘 360 都设有弧形石墨发热元件 。在钢材奥 氏体化温度加热区的温度均匀性能控制在 3 范围内 。(2) 围绕料盘 360 都设有规定气流喷射方向的均匀冷却 喷嘴系统 。(3) 高速气体的喷射和喷嘴的紧贴炉料使在密集装料条 件下都可获得有效的淬火冷却 。(4) 设计的炉壳容积和炉料体积比很小 ,可保证最低的 气体消耗 。(5) 最新的设计采用圆柱形加
12、热炉膛和弧形石 墨 发 热 体 。如此可明显改善炉温均匀性 ,改善冷却条件 ,气体喷嘴也 容易实现合理分布 。611 设计上的新观点气体冷却的全部热交换系统都设在炉壳内部 。其目的之 一是减少气流阻力 ,其二是降低通过工件的气流量 。淬火冷却烈度取决于气体流速和气压 。在真空炉内提高 气流速度是很困难的 ,而提高气压相对比较简单 。这就是真 空高压气淬设备气压的设计愈来愈高的主要原因 。从理论上分析可得出 ,360 分布的喷射气流冷却系统会 在炉料中心位置出现 “死区” 。因此 ,为改善炉料中心的透气 性 ,在淬火冷却时应开动对流风扇 ,使炉料中心的压力降低 。真空炉是按每 天 24 h 工
13、作 , 每 周 连 续 运 转 7 天 考 虑 的 。 用户合理选用真空气淬炉时必须慎重考虑 3 个因素 : 每日 产量 、 工件尺寸和材料的化学成分 ; 设备要求的占地面积 ; 用炉子完成的热处理工艺 。612 控制系统SECO/ WARW IC K V P T 200 、600 、1000 k Pa 真 空 气 淬 炉 的控制 系 统 为 操 作 者 模 拟 马 氏 体 分 级 淬 火 创 造 条 件 , 在1000 k Pa 设备的风机马达上还装有变频装置 。除了设有预置 分级淬火程序外 ,风机在从 6001000 k Pa 压力范围内都有足 够富余的额定能力 。这就能保证炉子的合理利用
14、和减少氮气图 2 不同冷却介质和各种截面尺寸工件间的传热系数 Fig12 Coefficient in relatio n to cooling medium and wor kpiece cross2sectio n111 1500 k Pa 气淬 ( 60 %He/ 40 %N2) 21 600 k Pa 气淬(60 %He/ 40 % N 2 ) 31 1000 k Pa 氮 气 中 冷 却41600 k Pa 氮 气 中 冷 却51 2000 KPa 气 淬 ( 60 % He/40 %N2) 61 1000 KPa 氮气中冷却注 :曲线 14 为密集装料 ;曲线 5 和 6 为松散装
15、料 412 1000 kPa 氮气中淬火25100mm 合金钢 件 密 集 装 炉 ( 比 600 k Pa 气 淬 装 炉密度大 30 %40 %) 时的 = 810210 ,高速钢件的截面和装 炉密度几乎不受限制 。高 、 中 、 低合金热作模具钢件都可在此 条件下淬火 。有限截面的高 、 中合金结构钢 ,如 A ISI 01 、02 、06 、07 、4140 、4340 等 钢 都 可 在 此 条 件 下 施 行 强 韧 处 理 , A ISI4140 钢件离子渗碳后亦可在此条件下淬火 。 413 2000 kPa 氦和氦 + 氮气中淬火 25100mm 合 金 钢 件 在 比 600
16、 k Pa 淬 火 装 炉 密 度 大80 %150 %条件下的 = 014110 。高速钢 ,高 、 中 、 低合金 热作模具钢 ,高 、 中 、 低合金冷作模具钢 ,油淬合金钢的强韧处 理 ,包括离子渗碳和氮碳共渗后的淬火冷却 。 5 等温分级淬火设计的炉子和控制系统可以自动实现等温 (马氏体分级)淬火工艺见图 3 。剧烈的高压气冷有时会使某些模具开裂和 严重畸变 。随着工件截面的增大 ,问题愈来愈突出 。而控制 冷却周期在工件淬硬后会获得更理想的显微组织 ,并在一定 装炉量条件下可以把多次回火改为一次回火 。良好的显微组 织 会 延 长 模 具 , 特 别 是 热 作 模 具 的 寿 命 。例 如 450mm 450 mm 80 mm的 H13
