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真空气淬技术,在模具行业应用很成功,但装炉量是瓶颈

真空气淬的冷速与气体的种类、气体压力、流速、炉子结构及装炉状况有关。可供使用的气体有氩、氦、氢、氮。与相同条件下的空气传热速度相比,设空气为1,则氮为0.99,氩为0.70,氢为7,氦为6。热处理用气体技术条件见下表。

热处理用气体技术要求(JB/T 75301994

气体名称

指标要求(V/V

氩含量

氮含量

氢含量

氧含量

总碳含量

(以甲烷计)

水含量

高纯氩气

99.999

0.0005

0.0001

0.0002

0.0002

0.0004

氩气

99.99

0.007

0.0005

0.001

0.004

0.002

高纯氮

-

99.999

0.0001

0.0003

0.0003

0.0005

纯氮

-

99.996

0.0005

0.001

CO0.0005

CO20.0005

CH40.0005

0.0005

Ⅰ类

-

99.5

-

0.5

-

露点

-43

Ⅰ类

1

-

99.5

-

0.5

-

游离水≤100ml/

Ⅱ类

Ⅱ级

-

99.8

-

1.5

-

游离水≤100ml/

氢气

-

0.006

99.99

0.0005

CO0.0005

CO20.0005

CH40.001

0.003

注:

   ① 在15℃,大于11.8MPa条件下测定。

   ② 包含微量惰性气体。

   ③ 液态氮不规定水含量。


在任何压强下,氢都具有最大的热传导能力和最大的冷却速度,氢可以应用于装有石墨元件的真空炉,但对含碳量较高的钢种,在冷却过程的高温阶段(1050℃以上)有可能造成轻微脱碳,对高强度钢有造成氢脆的危险,因此,真空高压气淬人们不会选用氢作为冷却介质。

冷却速度仅次于氢的是惰性气体氦。在空气中He仅含0.0005%(体积分数),一般在天然气液化过程中制取He比N得价格可高至上百倍,只有在某些特殊场合下才选用氦气作为真空气淬介质。


氩的冷却能力比空气低,它在大气中的体积分数为0.93%,用压缩空气使之液化,精馏而来的氩成本较高,所以它也不是理想的高压气淬介质。


氮的资源丰富,成本低,在略低于大气压下进行强制循环,冷却强度可上升20倍。它是使用安全、冶金损害小的中性气体。在200~1200℃温度范围内,对常用工模具钢氮呈惰性状态,所以氮是工模具高压气淬较理想的淬火介质。

真空气淬

氮中含氧(如体积分数达0.001%以上)可使高温下的钢产生轻微的氧化、脱碳,因而,一般常规使用的高纯氮的纯度为99.999%(相对露点-62℃,相应于真空度1.33Pa)。鉴于高纯氮价格昂贵,有时在无特殊要求的情况下,可选用一般氮气。实践证明,这对一般工具产品表面状态无明显损害,工业上用普通氮气的纯度为99.9%。氧气站提供的氮气含氧量高达1.5%(体积分数)和较多的水,因此必须经过净化后方可使用。


在高压气淬时,为了使淬得高硬度,往往会提高冷却气体的压力。淬火冷却速度随气压上升明显提高,但并非气压越高越好,对于尺寸较大,比表面小的工件,在更高的气压下,决定冷却速度的主导因素是钢的内部热传导。因为这是对流传热加速冷却的效果难以达到中心。此时提高气压对增大冷却速度的作用不十分明显。又考虑到一般的真空炉只在低于大气压时密封效果较好以及为了节约高纯气体,故真空气淬时的常用压力为0.5×105~0.8×105Pa,最高取0.92×105~0.99×105Pa,有试验表明,对由M2钢制成的φ25mm×40mm试样,装炉量100kg,施以下处理工艺:850℃×25min+1050℃×15min两次预热,1220℃×4min加热,气淬冷至550~500℃出炉续冷。当淬火气体压力为1×105Pa时,冷却需185s,2×105Pa时为110s,5×105Pa时为55s。即随着气体压力的升高,冷速加大,冷却时间减少。560℃×1h×2次回火后硬度由750HV提高至880HV(65HRC)以上。


此外,加压气淬还扩大了高合金工模具钢气淬的材料品种和尺寸范围,但气压又不能太高,由于动力和气体消耗成比例的增长,设备需有严格的防护措施等。


提高气体的流速可以提高其冷却速度,例如,当气体流速从10.2m/s提高到50.8m/s时(一般情况下步大于25m/s),氮、氢、氦的对流传导系数将提高3倍。


为了提高气体冷却能力,确保工具淬火质量,应采取合适的装炉量,一般只装额定值得60%~70%,工件在炉中保持上下、左右、前后适当的间隔,均匀有序的摆放工件,也可以进一步改善冷却时的热交换条件。真空淬火质量是好,但装炉量有限,是制约真空炉在刀具业快速发展的因素之一。


关于真空淬火工件的变形问题,与常规热处理相似,引起真空淬火变形的原因是组织应力、热应力及火前工序留下的残余应力。在加热、冷却过程中,当工件处于塑性高的状态时,工件的自重、相互挤压、振动等也将导致变形并使淬火变形复杂化。实践考证,真空淬火工件的变形平均小于常规工艺,只有盐浴加热淬火的1/10~1/2。

真空气淬技术,在模具行业应用很成功,但装炉量是瓶颈

现在真空气淬在工模具热处理中应用非常成功,请看如下实例:

例1

Cr12MoV钢制螺纹铣刀  外形尺寸为135mm×37mm×37mm,淬火压力5巴,从1020~500℃工具心部冷透为45min,再经过15min冷却到80℃,工艺时间为4.2h。表面硬度63~64HRC。


例2

Cr12MoV钢制滚丝轮  外形尺寸φ200mm×60mm,1020℃×65min加热,淬火时通入高纯氮气,压力2巴,硬度63~65HRC。


例3

56NiCrMoV7钢制压铸模,外形尺寸为247mm×268mm×400mm,加热温度890℃,5巴个气淬,530℃×2h×2次回火,46~47HRC,金相组织良好。


例4

M2钢机用丝锥高压气淬  1220℃加热,6巴淬火,金相奥氏体晶粒度10.5级,550℃×1h×3次回火,硬度65.2HRC,寿命试验达到一等品。


例5

M2钢制φ80mmM3规格A级  齿轮滚刀,1225℃ 8巴淬火,550℃×1h×3次回火,切削试验达到优等品指标(22.5m)。

上海工具厂介绍,该厂用高压气淬处理接柄刀具、滚刀是完全可行的,不过该厂用的真空炉均为进口货。

作者:赵步青

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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