真空油淬爐的碳污染
來源：成都新德南光機械設備有限公司 | 發布時間：2017-07-23 |
真空熱處理并不是“潔凈”的，“真空”和“潔凈”應是兩個相關但又不同的概念。在高真空條件下，隨著溫度升高，各種氧化物、化合物被分解，甚至金屬中的元素也會被蒸發出來，較重的物質彌散在真空腔內，并不容易被抽出，成為污染物。而被加熱金屬在高溫下，隨著真空度提高，表面更容易被活化，極易吸收彌散游離的分解物。尤其真空油淬爐加熱室內經常帶入淬火油，以及擴散進入的真空泵油附著在加熱室殼體內壁、碳氈和加熱帶上，隨后在加熱中揮發出來成為滲碳劑。
彈性敏感元件多采用奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、高溫合金、精密彈性合金制造，分別含有較多的鉻、鉬、釩、鈦、鈮等元素，與碳親和性很強，能形成一系列碳化物。而且這些合金碳含量都很低，對碳污染更敏感，加之元件的厚度很薄，多在0.07～0.30mm之間，在反復固溶加熱過程，甚至造成“貫穿性”滲碳，不僅使材料的冷作硬化率提高，破壞了成形性能，而且也改變了材料的其他理化性能。這種采用真空油淬爐固溶處理的工藝，已成為嚴重影響產品制造和使用性能的障礙。
1.碳污染案例
（1）故障現象一
某產品膜片采用AM350合金帶料制造，經過真空油淬爐固溶處理后，在后續軋制過程，一邊厚，一邊薄，條料形成彎刀狀。
原因分析：條料在料筐中分上下兩層排列擺放，加熱過程上端與下端碳污染比中間嚴重，因此條料一側邊緣碳含量高，另一側碳含量低，造成兩側冷作硬化率不一致，從而導致軋制成彎刀狀。
（2）故障現象二
某膜片采用AM350合金制造，調整處理＋時效處理后硬度為370～390HV，比設計≥430HV要求低很多。
原因分析：該膜片所用的條料在反復軋制過程至少進行過3次固溶處理，膜片的碳含量由原始的0.096%上升到0.21%，致使奧氏體穩定性提高，馬氏體轉變Ms點下移，導致正常調整熱處理后的馬氏體轉變量減少，使后續時效沉淀強化效果減弱，硬度偏低。
（3）故障現象三
某波紋管采用3J1合金制造，管坯固溶處理后，盡管增加液壓壓強也很難脹形，且各段脹形有多有少，還容易破裂。
原因分析：管坯在真空油淬爐中加熱增碳，材料的冷作硬化率提高，脹形到規定尺寸需要更大壓強。而且管坯各部位碳污染程度不一樣，因此各段脹形也不一致。
2.被污染程度
真空油淬爐加熱碳污染程度的試驗中，表1反映了經過近十年使用后的真空油淬爐加熱零件的碳污染程度；表2反映了經過清理加熱室殼體內壁并更換了新的碳氈保溫層和加熱帶后，真空油淬爐加熱零件的碳污染程度。盡管這些試驗是試片整個截面的碳含量分析數據，變化仍很大。
從表1、表2數據反映出：
（1）碳含量的增加都非常明顯，即使相對潔凈的加熱環境，只要真空加熱室內帶入少量淬火油就會產生碳污染。
（2）由于3J53含鎳高，被污染的少一些.
（3）與電工純鐵DT4C作比較，含鉻合金被污染的敏感性更強。
表 1
合金牌號 | 加熱溫度/℃ | 碳含量（%） | ||
原始材料 | 加熱時間 | |||
50min | 120min | |||
3J53 | 950 | 0.020 | — | 0.112 |
1Cr18Ni91Ti | 1050 | 0.0883 | 0.153 | — |
注：（1）3J53試片厚度0.12mm，被加熱了120min是隨其他制件固溶處理多爐次累加的大約時間。
（2）1Cr18Ni91Ti試片厚度0.20mm。
表 2
合金牌號 | 加熱溫度/℃ | 碳含量（%） | |||
原始材料 | 加熱時間 | ||||
25min | 60min | 120min | |||
3J53 | 950 | 0.0140 | — | — | 0.1001 |
DT4C | 880 | 0.0328 | — | — | 0.1482 |
PH15－7Mo | 1060 | 0.0648 | 0.0758 | — | 0.2721 |
AM350 | 1050 | 0.0950 | — | 0.1462 | 0.210 |
1Cr18Ni9Ti | 1050 | 0.0873. | 0.0968 | 0.1306 | 0.3241 |
注：試片厚度均為0.15mm。
試驗也說明，曾認為采用真空油淬爐淬火后，造成表面增碳是入油后產生的觀點有些片面。體積較大的零件在油中固然由于自身溫度和油作用可以產生滲碳，但薄的零件冷卻時間極短，不可能產生如此大的碳含量變化。雖然試驗沒有爐內碳勢數據，但可以肯定，加熱過程碳污染也是主要因素。
3.改進措施
3J1、3J53合金對“淬火”冷卻速度要求比較快，一般采用水冷，目前選擇合適的氣氛保護淬火設備問題較復雜，還有待探討。而PH15－7Mo、AM350以及GH4169都是允許空冷的。
奧氏體不銹鋼固溶處理主要是防止碳化物Cr23C6的沉淀析出，一般Cr23C6在940℃以上完全溶解，在700～816℃約十幾秒至1min析出，在600℃需幾分鐘，550℃需幾十分鐘，450℃需要幾十小時或更多才能析出。因此，關鍵是通過600℃以上溫度所需的時間必須快。
壁厚0.15mm的0Cr18Ni9管坯，原始碳含量wC≈0.058%，采用單室金屬屏真空氣淬爐970℃加熱，2bar（1bar=105Pa）氬氣強制冷卻固溶后，碳含量未發生明顯變化，其杯突值8.2～8.5mm，塑性良好，600℃敏化處理后也未發生晶間腐蝕。從記錄儀上查出，即使氬氣壓強僅有2bar，其冷卻速度在700℃時與6bar條件基本一樣，在600℃時僅相差1min左右，用了3.5min，之后距離逐漸拉大。也就是說，利用壁薄熱容量少的特點，在氬氣≥2bar壓強條件下，可以滿足許多奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、高溫合金彈性元件固溶冷卻的要求。
作者：葉麗梅，單位：成都成航工業安全系統有限責任公司
作者：劉連生，單位：太原航空儀表有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
