【康沃真空網(wǎng)】近些年來，隨著各種測試技術(shù)的不斷完善，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及對淬火質(zhì)量要求的不斷提高，在淬火過程機(jī)制研究、冷卻過程控制、新型淬火方法、新型淬火冷卻介質(zhì)開發(fā)等領(lǐng)域都取得了一定的進(jìn)步和發(fā)展。
1、常用淬火冷卻介質(zhì)及其特性
淬火冷卻技術(shù)首先是要選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)。目前，熱處理介質(zhì)種類繁多，但基本分為液體、氣體和固體三大類。其中，水、無機(jī)水溶液、各種淬火油等屬于在淬火時(shí)發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì)，冷卻過程可分為蒸汽膜、沸騰、對流三個(gè)階段，而氣體、熔鹽、熔堿等屬于不發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì)。
(1)水
水是應(yīng)用最早、最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的淬火冷卻介質(zhì)，其價(jià)廉易得、無毒、不燃燒、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、冷卻能力很強(qiáng)。但水在Ms點(diǎn)附近(300~100℃)處于沸騰階段，冷卻太快易使馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，致使零件變形甚至開裂。因此，只適用于截面尺寸不大、形狀簡單的碳素鋼淬火。
(2)無機(jī)物水溶液
后來人們通過往水中加入各種無機(jī)鹽、堿或其混合物，形成各種不同的無機(jī)物水溶液，提高了高溫區(qū)的冷卻速度，改善了冷卻均勻性，減少了開裂和變形。但是鹽水易生銹，堿水淬火不易控制，硝鹽類會(huì)產(chǎn)生有害氣體，對環(huán)境和工人的健康影響較大。
(3)淬火油
隨著各種復(fù)雜及材料不同的零件不斷出現(xiàn)，20世紀(jì)初人們開始使用礦物油作為淬火冷卻介質(zhì)，其具有粘度低、抗氧化性和熱穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在壁厚不大、形狀復(fù)雜、變形小的汽車齒輪零件中得到了廣泛應(yīng)用，各種類別(如快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等溫、分級淬火油)也得到了迅速發(fā)展。
但其對環(huán)境的污染一直被人們所詬病，包括淬火過程中的濃煙、礦物油降解能力差、易酸敗變質(zhì)等缺點(diǎn)，不符合當(dāng)前的環(huán)保要求。
(4)氣體
淬火冷卻介質(zhì)的研究方興未艾，人們一直在尋求資源豐富、無污染、冷卻性能優(yōu)良且可調(diào)的淬火冷卻介質(zhì)。隨著近年來真空設(shè)備的快速發(fā)展，對表面淬火鋼或其他低合金材料進(jìn)行熱處理時(shí)，使用氮?dú)饣蚝獾母邏簹怏w常可取代油淬。氣體淬火技術(shù)的成功在于環(huán)保和商業(yè)的高效率。氮?dú)饣蚝鈱儆诮^對惰性氣體，對生態(tài)環(huán)境無任何影響，且不會(huì)在工件上或在淬火爐內(nèi)留下殘余物，因此無需投資清洗機(jī)或火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備，這也減少了淬火的運(yùn)行成本。
氣體和液體在淬火形式方面有所不同。液體淬火在三個(gè)階段具有完全不同的傳熱系數(shù)，這造成部件溫度梯度大且導(dǎo)致部件變形。而氣體不會(huì)出現(xiàn)物態(tài)變化，整個(gè)部件的傳熱更為均勻，變形風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低。
2、真空高壓氣淬工藝探究
(1)真空高壓氣淬技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r
真空高壓氣淬作為一種真空熱處理技術(shù)，起始于20世紀(jì)70年代，具有油冷淬火、鹽浴淬火不可比擬的優(yōu)點(diǎn):
①工件表面質(zhì)量好，無氧化，無增碳。
②淬火均勻性好，工件變形小。
③淬火強(qiáng)度可控性好，冷卻速度能通過改變氣體壓力和流速進(jìn)行控制。
④生產(chǎn)效率高。
⑤無環(huán)境污染等。
在近三十年時(shí)間內(nèi)，真空高壓氣淬技術(shù)得到了迅速發(fā)展、推廣和應(yīng)用，特別是隨著淬火壓力的提高，使得真空熱處理的材質(zhì)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，工件淬火硬度和可淬硬深度得到了明顯提高。目前，在先進(jìn)的工業(yè)國家如美國、德國、日本等，真空高壓氣體淬火技術(shù)已成為高速鋼、高合金模具鋼熱處理的主導(dǎo)工藝，20bar(1bar=105Pa)氦氣和氮?dú)饣旌蠚怏w的超高壓氣淬爐在處理大截面尺寸工件時(shí)，已達(dá)到或接近油冷水平。
(2)淬火氣體壓力對冷速的影響
在氣淬過程中，工件的熱量主要靠循環(huán)氣體的強(qiáng)制對流傳熱帶走，冷卻時(shí)間可表述為
t=(WCp/Fh)×ln[(T1-Tf)/(T2-Tf)](1)
式中，T1、T2分別代表工件起始溫度和經(jīng)冷卻時(shí)間t后的溫度，W代表工件重量，CP代表工件定壓比熱，F(xiàn)代表工件表面積，h代表對流換熱系數(shù)，Tf代表氣體經(jīng)換熱器后進(jìn)入爐膛的溫度。
由上式不難看出，在其他因素一定的情況下，對流換熱系數(shù)越大，淬火所經(jīng)歷的時(shí)間越短，冷卻速度越快。而對流換熱系數(shù)h與淬火氣體的性質(zhì)和流過工件的氣體質(zhì)量流量等有關(guān)，可用一個(gè)簡化方程表示為
h=K1×Cp×Gp1/Dp2(2)
式中，K1代表常數(shù)，Cp代表冷卻氣體比熱，G代表冷卻氣體質(zhì)量流量(G= dQ，d是冷卻氣體密度，在氣體類型一定時(shí)，冷卻氣體密度可用氣體壓力P代替，Q是冷卻氣體體積流量)，p1、p2均為指數(shù)(取0.6~0.8)，D代表冷卻表面的外徑。
在其他條件不變時(shí)，式(2)可進(jìn)一步簡化為
h∝(PQ)0.6~0.8(3)
該式表明，增大淬火氣體壓力是加快傳熱的有效途徑之一。增大氣體壓力，傳熱系數(shù)按其0.6~0.8次方增加，工件的冷卻速度會(huì)有明顯提高。但是，隨著壓力的繼續(xù)提高，冷卻時(shí)間減少程度變慢。
(3)“降壓”試驗(yàn)
鑒于以上對于式(3)的分析:“增大氣體壓力，傳熱系數(shù)按0.6~0.8次方增加，工件的冷卻速度會(huì)有明顯提高。但是，隨著壓力的繼續(xù)提高，冷卻時(shí)間減少程度變慢。反觀生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際使用的工藝，針對其中部分氣淬壓力使用較高的幾個(gè)工藝進(jìn)行了改良試驗(yàn)，降低原氣淬工藝中的氣體壓力數(shù)值，通過反復(fù)幾輪的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，終于試出了最佳的壓力值，使用這個(gè)工藝，不但所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量不會(huì)受任何影響，而且由于降低氣體壓力后減少了淬火氣體的使用量，從而降低了生產(chǎn)成本，一舉兩得。
以降低4000mbr的氣體壓力為例，如果使用的淬火介質(zhì)為氮?dú)猓瑲獯闶殷w積為2.8m3，依據(jù)“理想氣體方程”:PV=nRT，R、T均為常數(shù)，R=8.31Pa·m3/mol·k，T=20℃(293k)，可求得n=460mol，代入式m=nM，M=28，求得m=12880g，V氣=12880g/1.25g/L=10304L，V液=(10304/300)×0.46=15.8L，如一條真空爐產(chǎn)線一天生產(chǎn)60爐產(chǎn)品，一個(gè)月按26天計(jì)算，液氮0.78元/L，一年可節(jié)資:0.78元/L×15.8L/爐×60爐×26天×12≈23萬元。
3、結(jié)語
真空高壓氣淬壓力并非越高越好，通過工藝試驗(yàn)找到最佳的壓力設(shè)定值，這樣既可保證氣淬冷卻效果，同時(shí)又使得生產(chǎn)成本得到有效控制，達(dá)到事半功倍的效果。
