引入新的淬火工艺

引言通过将钢加热到高于临界温度Ac3（低共析钢）或Ac1（过共析钢）的温度来淬火，将其保持一段时间以便全部或部分奥氏体化，然后冷却至温度大于临界冷却速率快速冷却至低于Ms（或接近等温）马氏体（或贝氏体）热处理过程的Ms。铝合金，铜合金，钛合金，钢化玻璃等材料的固溶处理或快速冷却的热处理工艺通常也称为淬火。淬火是一种常见的热处理工艺，主要用于增加材料的硬度。通常来自淬火介质，可分为水淬，油淬，有机淬火。随着科学技术的发展，出现了一些新的淬火工艺.1高压风冷淬火方法工作在强惰性气体流动中快速均匀冷却，防止表面氧化，避免开裂，减少变形，确保所需硬度，主要用于工具钢淬火。该技术最近发展迅速，应用范围也大大扩展。目前，真空气体淬火技术发展迅速，负压（<1×105 Pa）高流量气体冷却，其次是气体冷却和高压（1×105~4×105 Pa）10×105 Pa）空气 - 冷却，超高压（10×105~20×105 Pa）风冷等新技术不仅大大提高了风冷的真空淬火能力，而且淬火工件表面亮度好，变形小，但还具有高效，节能，无污染等特点。真空高压气冷淬火的应用是材料的淬火和回火，不锈钢和特殊合金的溶液，时效，离子渗碳和碳氮共渗，以及钎焊后的真空烧结，冷却和淬火。采用6×105 Pa高压氮冷淬火，负载只能冷却松散，高速钢（W6Mo5Cr4V2）可硬化至70~100 mm，高合金热作模具钢可达25~100 mm，金冷工作模具钢（如Cr12）可达80~100 mm。当用10×10 5 Pa的高压氮气淬火时，冷却的负荷可以是强烈的，在6×10 5 Pa的冷却下将负荷密度增加约30％至40％。当用20×10 5 Pa的超淬火时 - 高压氮气或氦气和氮气的混合物，冷却的负载是密集的并且可以捆在一起。密度为6×105 Pa氮气冷却80％~150％，可冷却所有高速钢，高合金钢，热作模具钢和Cr13％铬钢及更多合金油淬火钢等更大尺寸9Mn2V钢。具有独立冷却室的双室风冷淬火炉具有比相同类型的单室炉更好的冷却能力。 2×105 Pa氮气冷却双室炉具有与4×105 Pa单室炉相同的冷却效果。但是，运营成本低，维护成本低。由于中国的基础材料工业（石墨，钼等）和辅助部件（电机）等水平有待提高。因此，在保持双室压力和高压风冷淬火炉的发展的同时，提高6×105 Pa单室高压真空护理更符合中国国情。图1高压空气 - 冷却真空炉2强淬火方法常规淬火通常用油，水或聚合物溶液冷却，并用水或低浓度盐水强淬火。强淬火的特点是冷却速度极快，无需担心钢材过度变形和开裂。常规淬火冷却至淬火温度，钢表面张力或低应力状态，并在冷却中间强烈淬火，工件心脏仍处于热态停止冷却，从而形成表面压应力。在严重淬火条件下，当马氏体转变区的冷却速率高于30℃/ s时，钢表面的过冷奥氏体受到1200MPa的压缩应力，使淬火后钢的屈服强度达到最大值。增加至少25％。原理：钢从奥氏体化温度淬火，表面和心脏之间的温差将导致内部应力。相变体和相变塑料的比体积的相变也将引起额外的相变应力。如果热应力和相变应力叠加，即整体应力超过材料的屈服强度就会发生塑性变形;如果应力超过热钢的抗拉强度，就会形成淬火裂纹。在强烈淬火过程中，由于奥氏体 - 马氏体相变的比体积变化，相变塑性和残余应力引起的残余应力增加。在剧烈冷却时，工件表面立即冷却至浴温，心温几乎不变。快速冷却会导致高拉应力，使表层收缩，并由心脏应力平衡。温度梯度的增加会增加初始马氏体相变引起的拉应力，而马氏体相变起始温度Ms的增加会使表面层由于相变塑性而膨胀，表面拉应力将显着降低和变形。压缩应力，表面压应力与表面马氏体的产生量成正比。该表面压缩应力决定了心脏在压缩条件下是否经历马氏体转变，或者在进一步冷却时，反转表面拉伸应力。如果心脏体积膨胀的马氏体转变足够大，并且表面马氏体非常硬且易碎，则会由于应力反转而使表面层破裂。为此，钢表面应出现压应力，应尽可能发生心马氏体相变。强淬火试验和钢淬火性能：强淬火法具有在表面形成压应力，降低开裂风险的优点。并提高硬度和强度。表面形成100％马氏体，钢材将被赋予最大的硬化层，它可以代替更昂贵的钢碳钢，强烈的淬火也可以促进钢的均匀机械性能并产生最小的工件变形。淬火后的零件，交变载荷下的使用寿命可以增加一个数量级。 [1]图2强淬火裂纹形成概率与冷却速率的关系3水 - 空气混合物冷却方法通过调节水和空气的压力以及雾化喷嘴与工件表面之间的距离，水 - 空气混合物的冷却能力可以变化，冷却可以是均匀的。生产实践表明，采用规律对复杂碳钢或合金钢零件的形状进行感应淬火表面淬火，可有效防止淬火裂纹的产生。图3水 - 空气混合物4沸水淬火法采用100℃沸水冷却，可以获得更好的硬化效果，用于淬火或正火钢。目前，该技术已成功应用于球墨铸铁淬火。以铝合金为例：根据目前铝合金锻件和锻件的热处理规范，淬火水温一般控制在60℃以下，淬火水温低，冷却速度快，残留量大淬火后发生应力。在最终加工中，由于表面形状和尺寸的不一致，内部应力失去平衡，导致残余应力的释放，导致加工零件的变形，弯曲，椭圆和其他变形部分成为不可逆的最终废料严重损失。例如：螺旋桨，压缩机叶片和其他铝合金加工后的锻造变形明显，导致零件尺寸公差。淬火水温从室温（30-40℃）升至沸水（90-100℃），平均锻造残余应力下降约50％。 [2]图4沸水淬火图5热油淬火方法采用热淬油，使工件在温度等于或接近Ms温度点进一步冷却前，以尽量减小温差，可有效防止淬火工件变形和开裂。小型合金工具钢模冷160~200℃热油淬火，可有效减少变形，避免开裂。图5热油淬火图6深冷处理方法淬火工件从室温连续冷却到较低温度，残余奥氏体继续转变为马氏体，其目的是提高钢的硬度和耐磨性，改善工件的结构稳定性和尺寸稳定性，有效提高工具寿命。致冷处理为液氮用于材料加工方法的冷却介质。低温处理技术首先应用于耐磨工具，模具材料，后来扩展到合金钢，硬质合金等，使用这种方法可以改变金属材料的内部结构，从而提高机械性能和加工性能，这是目前最新的增韧工艺之一。深冷处理（Cryogenictreatment）又称超低温处理，一般是指在-130℃以下的材料进行处理，以提高材料的整体性能。早在100多年前，人们就开始将冷处理应用于手表零件，发现提高了强度，耐磨性，尺寸稳定性和使用寿命。深冷处理是20世纪60年代在普通冷处理的基础上开发的一项新技术。与传统的冷处理相比，深冷处理可以进一步提高材料的力学性能和稳定性，具有更广阔的应用前景。致冷处理机理：深冷处理后，金属材料内部结构中的残余奥氏体（主要是模具）材料）转变为马氏体，沉淀的碳化物也在马氏体中析出，使马氏体在残余应力下可以消除，同时也增强了马氏体基体，因此其硬度和耐磨性也会提高。硬度增加的原因是由于部分残余奥氏体转变成马氏体。韧性的增加是由于分散和小的η-Fe3C沉淀。同时，马氏体碳含量降低，晶格畸变减小，塑性提高。致冷处理设备主要由液氮罐，液氮传输系统，深冷箱和控制系统组成。在该应用中，重复多次深冷处理。典型工艺如：1120℃油淬+ -196℃×1h（2-4）深冷处理+200℃×2h回火。组织处理后，奥氏体发生了转变，同时也从与超细碳化物基体高度相干关系的淬火马氏体分散体中析出，经过200℃的低温回火后，超细碳化物的生长分散出ε碳化物，数量和分散度显着增加。深冷处理重复多次。一方面，超细碳化物在先前的低温冷却时从残留奥氏体转变的马氏体中沉淀出来。另一方面，细小的碳化物继续在淬火马氏体中沉淀。反复工艺可以使基体的抗压强度，屈服强度和冲击韧性提高，提高钢的韧性，同时使冲击耐磨性得到显着提高。图6深冷处理装置示意图有些工件对尺寸要求严格，不允许加工过程中由于过热变形引起的热应力，应控制冷却速度。另外，为了保证设备内部温度场的均匀性，降低温度波动，低温处理系统的设计应考虑系统温度控制精度和流场布置的合理性。在系统设计中还应注意满足较少的能耗，高效率，易操作等要求。这些是目前深冷处理系统的发展趋势。此外，一些开发的制冷系统，其制冷温度从室温延伸到低温，预计也将发展成无液体低温处理系统，其最低温度降低，制冷效率提高。 [3]参考文献：[1]樊东黎。强烈淬火 - 一种新的强化钢的热处理方法[J]。热处理，2005,20（4）：1-3 [2]宋微，郝冬梅，王成江。沸水淬火对铝合金锻件组织与机械性能的影响[J]。铝加工，2002,25（2）：1-3 [3]夏雨亮，金滔，汤珂。深冷处理工艺及设备的发展现状和展望[J]。低温与特气，2007,25（1）：1-3
资料来源：Meeyou Carbide