引入新的淬火工艺

简介钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上的温度，保温一段时间使其全部或部分奥氏体化，然后冷却至高于临界冷却速率的温度 快速冷却到 Ms（或等温附近的 Ms）马氏体（或贝氏体）热处理工艺。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。通常从淬火介质上，可分为水淬、油淬、有机淬。随着科学技术的发展，出现了一些新的淬火工艺。1高压空冷淬火方法工件在强惰性气流中快速均匀冷却，防止表面氧化，避免开裂，减少变形，确保所需的硬度，主要用于工具钢的淬火。这项技术最近发展迅速，应用范围也大大扩大。目前，真空气淬技术发展迅速，负压（<1×105 Pa）大流量气冷紧随其后的是气冷和高压（1×105～4×105 Pa）10×105 Pa）空气中冷、超高压（10×105～20×105 Pa）风冷等新技术不仅大大增强了风冷的真空淬火能力，而且淬火后的工件表面光洁度好，变形小，而且还具有高效、节能、无污染等特点。真空高压气冷淬火的用途是材料的调质，不锈钢及特殊合金的固溶、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6×105Pa高压氮冷淬火，负载只能松冷，高速钢（W6Mo5Cr4V2）可硬化至70~100mm，高合金热作模具钢可达25~100mm，金冷工作模具钢（如Cr12）可达80～100 mm。用 10 × 10 5 Pa 的高压氮气淬火时，冷却负荷可以密集，在 6 × 10 5 Pa 的冷却下，负荷密度增加约 30% 至 40%。当用 20 × 10 5 Pa 的超高压氮气淬火时压力氮气或氦气和氮气的混合物，冷却负载密集，可以捆绑在一起。密度为6×105 Pa的氮气冷却80%至150%，可冷却所有高速钢、高合金钢、热作工具钢和Cr13%铬钢和更多合金油淬钢，如更大型的9Mn2V钢。具有独立冷却室的双室风冷淬火炉比同类型的单室炉具有更好的冷却能力。 2×105 Pa氮冷双室炉的冷却效果与4×105 Pa单室炉相同。但运行成本、维护成本低。随着我国基础材料工业（石墨、钼等）和配套元件（电机）等水平的提高。因此，在提高6×105 Pa单室高压真空托的同时，保持双室高压风冷淬火炉的发展更符合我国国情。图1高压空冷冷却真空炉2强淬火法常规淬火通常是用油、水或聚合物溶液冷却，而强淬火规则用水或低浓度盐水。强淬火的特点是冷却速度极快，不必担心钢材过度变形和开裂。常规淬火冷却到淬火温度，钢材表面张力或低应力状态，而强淬在冷却中途，工件心部仍处于热态停止冷却，使表面形成压应力。在严酷的淬火条件下，当马氏体转变区的冷却速度高于30 ℃/s时，钢表面的过冷奥氏体受到1200 MPa的压应力，使淬火后钢的屈服强度至少增加25%。原理：钢从奥氏体化温度淬火，表面和心脏之间的温差会导致内应力。相变比容和相变塑料的相变也会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。强化淬火过程中，相变塑性引起的残余应力和奥氏体-马氏体相变比体积变化引起的残余应力增大。在激烈的冷却中，工件表面立即冷却到镀液温度，心脏温度几乎不变。快速冷却会导致高拉伸应力，使表层收缩并由心脏应力平衡。温度梯度的增加增加了初始马氏体相变引起的拉应力，而马氏体相变起始温度Ms的增加会导致表层因相变塑性而膨胀，表面拉应力会显着降低并转变转化为压应力，表面压应力与产生的表面马氏体量成正比。这种表面压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，会逆转表面拉应力。如果心脏体积膨胀的马氏体转变足够大，而表面马氏体又硬又脆，就会使表层因应力反转而断裂。为此，钢表面应尽可能晚出现压应力和心马氏体转变。 强淬火试验和钢淬火性能：强淬火方法的优点是在表面形成压应力，降低开裂的风险并提高硬度和强度。 100%马氏体的表面形成，钢将被赋予最大的硬化层，它可以代替更昂贵的钢碳钢，强烈的淬火还可以促进钢的均匀力学性能和产生最小的工件变形。零件淬火后，交变载荷下的使用寿命可提高一个数量级。 [1]图2 强淬火裂纹形成概率与冷却速度的关系3 水气混合冷却方式通过调节水气压力和雾化喷嘴与工件表面的距离，水气混合冷却能力可以变化，冷却可以均匀。生产实践表明，对形状复杂的碳素钢或合金钢零件采用感应淬火法进行表面淬火，可有效防止淬火裂纹的产生。 图3 水气混合物4 沸水淬火法 采用100℃沸水冷却，能得到较好的淬火效果，用于钢的淬火或正火。目前，该技术已成功应用于球墨铸铁的淬火。以铝合金为例：根据现行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，残留量大淬火后产生应力。在最终加工中，由于表面形状和尺寸的不一致，导致内应力失衡，导致残余应力的释放，导致加工零件的变形、弯曲、椭圆等变形部分成为不可逆的最终废料损失惨重。例如：螺旋桨、压气机叶片等铝合金锻件加工后变形明显，造成零件尺寸公差。淬火水温从室温（30-40℃）升高到沸水（90-100℃）温度，平均锻件残余应力降低约50%。 [2]图4沸水淬火示意图5热油淬火法使用热淬油，使工件进一步冷却前的温度等于或接近Ms点的温度，以尽量减少温差，可有效防止淬火工件变形和开裂。小型合金工具钢模具在热油淬火中冷160~200℃，可有效减少变形，避免开裂。 图5 热油淬火示意图6 深冷处理方法将淬火后的工件从室温连续冷却到较低温度，使残余奥氏体继续向马氏体转变，其目的是提高钢的硬度和耐磨性，提高工件的组织稳定性和尺寸稳定性，有效提高刀具寿命。深冷处理是液氮作为用于材料加工方法的冷却介质。深冷处理技术最早应用于耐磨工具、模具工具材料，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，即目前最新的增韧工艺之一。低温处理（Cryogenictreatment），又称超低温处理，一般是指对低于-130℃的材料进行处理，以提高材料的综合性能。早在100年前，人们就开始将冷处理应用于手表零件，发现可以提高强度、耐磨性、尺寸稳定性和使用寿命。深冷处理是1960年代在普通冷处理基础上发展起来的新技术。与常规冷处理相比，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。深冷处理机理：深冷处理后金属材料（主要是模具）内部组织中的残余奥氏体材料）转变为马氏体，析出的碳化物也在马氏体中析出，这样既可以消除马氏体中的残余应力，又可以增强马氏体基体，因此其硬度和耐磨性也会增加。硬度增加的原因是部分残余奥氏体转变为马氏体。韧性的增加是由于分散和少量的 η-Fe3C 析出。同时，马氏体碳含量降低，晶格畸变减小，塑性提高。深冷处理设备主要由液氮罐、液氮输送系统、深冷箱和控制系统组成。在应用中，多次重复低温处理。典型工艺如：1120℃油淬+-196℃×1h（2-4）深冷处理+200℃×2h回火。处理后的组织出现了奥氏体的转变，而且还析出从淬火马氏体中析出的与基体具有高度共格关系的超细碳化物，随后在200℃低温回火后，超细碳化物生长分散ε碳化物，数量和分散度显着增加。多次重复低温处理。一方面，超细碳化物是从先前深冷时的残余奥氏体转变而来的马氏体中析出的。另一方面，微细的碳化物继续在淬火马氏体中析出。重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，同时使得抗冲击耐磨性显着提高。 图6 深冷处理装置示意图 有些工件对尺寸要求严格，不允许加工过程中因热应力过大引起变形，深冷处理应控制冷却速度。此外，为保证设备内部温度场的均匀性，减少温度波动，深冷处理系统的设计应兼顾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能耗少、效率高、操作方便等要求。这些是目前深冷处理系统的发展趋势。此外，一些发展中的制冷温度从常温延伸到低温的制冷系统，随着其最低温度的降低和制冷效率的提高，也有望发展为无液深冷处理系统。 [3]参考文献：[1]樊东黎．强淬火——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.锻件沸水固化对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与展望[J].低温与特气, 2007, 25(1): 1-3
资料来源：Meeyou Carbide