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真空氣淬技術，在工、模具行業應用很成功，但裝爐量是瓶頸
真空氣淬技術，在工、模具行業應用很成功，但裝爐量是瓶頸
來源：成都新德南光機械設備有限公司 | 發布時間：2016-03-16 |
真空氣淬的冷速與氣體的種類、氣體壓力、流速、爐子結構及裝爐狀況有關?？晒┦褂玫臍怏w有氬、氦、氫、氮。與相同條件下的空氣傳熱速度相比，設空氣為1，則氮為0.99，氬為0.70，氫為7，氦為6。熱處理用氣體技術條件見下表。
熱處理用氣體技術要求（JB/T 7530～1994）
氣體名稱 | 指標要求（% ，V/V） | ||||||
氬含量 | 氮含量 | 氫含量 | 氧含量 | 總碳含量 （以甲烷計） | 水含量 | ||
高純氬氣 | ≥99.999 | ≤0.0005 | ≤0.0001 | ≤0.0002 | ≤0.0002 | ≤0.0004 | |
氬氣 | ≥99.99 | ≤0.007 | ≤0.0005 | ≤0.001 | ≤0.004 | ≤0.002① | |
高純氮 | - | ≥99.999② | ≤0.0001 | ≤0.0003 | ≤0.0003 | ≤0.0005③ | |
純氮 | - | ≥99.996② | ≤0.0005 | ≤0.001 | CO≤0.0005 CO2≤0.0005 CH4≤0.0005 | ≤0.0005③ | |
工 業 氣 態 氮 | Ⅰ類 | - | ≥99.5 | - | ≤0.5 | - | 露點 ≤-43℃ |
Ⅰ類 1級 | - | ≥99.5 | - | ≤0.5 | - | 游離水≤100ml/瓶 | |
Ⅱ類 Ⅱ級 | - | ≥99.8 | - | ≤1.5 | - | 游離水≤100ml/瓶 | |
氫氣 | - | ≤0.006 | ≥99.99 | ≤0.0005 | CO≤0.0005 CO2≤0.0005 CH4≤0.001 | ≤0.003 | |
② 包含微量惰性氣體。
③ 液態氮不規定水含量。
在任何壓強下，氫都具有最大的熱傳導能力和最大的冷卻速度，氫可以應用于裝有石墨元件的真空爐，但對含碳量較高的鋼種，在冷卻過程的高溫階段（1050℃以上）有可能造成輕微脫碳，對高強度鋼有造成氫脆的危險，因此，真空高壓氣淬人們不會選用氫作為冷卻介質。
冷卻速度僅次于氫的是惰性氣體氦。在空氣中He僅含0.0005%（體積分數），一般在天然氣液化過程中制取He比N得價格可高至上百倍，只有在某些特殊場合下才選用氦氣作為真空氣淬介質。
氬的冷卻能力比空氣低，它在大氣中的體積分數為0.93%，用壓縮空氣使之液化，精餾而來的氬成本較高，所以它也不是理想的高壓氣淬介質。
氮的資源豐富，成本低，在略低于大氣壓下進行強制循環，冷卻強度可上升20倍。它是使用安全、冶金損害小的中性氣體。在200～1200℃溫度范圍內，對常用工模具鋼氮呈惰性狀態，所以氮是工模具高壓氣淬較理想的淬火介質。
氮中含氧（如體積分數達0.001%以上）可使高溫下的鋼產生輕微的氧化、脫碳，因而，一般常規使用的高純氮的純度為99.999%（相對露點-62℃，相應于真空度1.33Pa）。鑒于高純氮價格昂貴，有時在無特殊要求的情況下，可選用一般氮氣。實踐證明，這對一般工具產品表面狀態無明顯損害，工業上用普通氮氣的純度為99.9%。氧氣站提供的氮氣含氧量高達1.5%（體積分數）和較多的水，因此必須經過凈化后方可使用。
在高壓氣淬時，為了使淬得高硬度，往往會提高冷卻氣體的壓力。淬火冷卻速度隨氣壓上升明顯提高，但并非氣壓越高越好，對于尺寸較大，比表面小的工件，在更高的氣壓下，決定冷卻速度的主導因素是鋼的內部熱傳導。因為這是對流傳熱加速冷卻的效果難以達到中心。此時提高氣壓對增大冷卻速度的作用不十分明顯。又考慮到一般的真空爐只在低于大氣壓時密封效果較好以及為了節約高純氣體，故真空氣淬時的常用壓力為0.5×105～0.8×105Pa，最高取0.92×105～0.99×105Pa，有試驗表明，對由M2鋼制成的φ25mm×40mm試樣，裝爐量100kg，施以下處理工藝：850℃×25min+1050℃×15min兩次預熱，1220℃×4min加熱，氣淬冷至550～500℃出爐續冷。當淬火氣體壓力為1×105Pa時，冷卻需185s，2×105Pa時為110s，5×105Pa時為55s。即隨著氣體壓力的升高，冷速加大，冷卻時間減少。560℃×1h×2次回火后硬度由750HV提高至880HV（65HRC）以上。
此外，加壓氣淬還擴大了高合金工模具鋼氣淬的材料品種和尺寸范圍，但氣壓又不能太高，由于動力和氣體消耗成比例的增長，設備需有嚴格的防護措施等。
提高氣體的流速可以提高其冷卻速度，例如，當氣體流速從10.2m/s提高到50.8m/s時（一般情況下步大于25m/s），氮、氫、氦的對流傳導系數將提高3倍。
為了提高氣體冷卻能力，確保工具淬火質量，應采取合適的裝爐量，一般只裝額定值得60%～70%，工件在爐中保持上下、左右、前后適當的間隔，均勻有序的擺放工件，也可以進一步改善冷卻時的熱交換條件。真空淬火質量是好，但裝爐量有限，是制約真空爐在刀具業快速發展的因素之一。
關于真空淬火工件的變形問題，與常規熱處理相似，引起真空淬火變形的原因是組織應力、熱應力及火前工序留下的殘余應力。在加熱、冷卻過程中，當工件處于塑性高的狀態時，工件的自重、相互擠壓、振動等也將導致變形并使淬火變形復雜化。實踐考證，真空淬火工件的變形平均小于常規工藝，只有鹽浴加熱淬火的1/10～1/2。
現在真空氣淬在工模具熱處理中應用非常成功，請看如下實例：
例1
Cr12MoV鋼制螺紋銑刀 外形尺寸為135mm×37mm×37mm，淬火壓力5巴，從1020～500℃工具心部冷透為45min，再經過15min冷卻到80℃，工藝時間為4.2h。表面硬度63～64HRC。
例2
Cr12MoV鋼制滾絲輪 外形尺寸φ200mm×60mm，1020℃×65min加熱，淬火時通入高純氮氣，壓力2巴，硬度63～65HRC。
例3
56NiCrMoV7鋼制壓鑄模，外形尺寸為247mm×268mm×400mm，加熱溫度890℃，5巴個氣淬，530℃×2h×2次回火，46～47HRC，金相組織良好。
例4
M2鋼機用絲錐高壓氣淬 1220℃加熱，6巴淬火，金相奧氏體晶粒度10.5級，550℃×1h×3次回火，硬度65.2HRC，壽命試驗達到一等品。
例5
M2鋼制φ80mmM3規格A級 齒輪滾刀，1225℃ 8巴淬火，550℃×1h×3次回火，切削試驗達到優等品指標（22.5m）。
上海工具廠介紹，該廠用高壓氣淬處理接柄刀具、滾刀是完全可行的，不過該廠用的真空爐均為進口貨。
摘自《金屬加工》雜志
