高温炉之淬火工艺的原理及分类
淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件,尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求,发展了各种淬火工艺。如,按接受处理的部位,有整体、局部淬火和表面淬火;按加热时相变是否,有淬火和不淬火(对于亚共析钢,该法又称亚临界淬火);按冷却时相变的内容,有分级淬火,等温淬火和欠速淬火等。
工艺过程 包括加热、保温、冷却3个阶段。下面以钢的淬火为例,介绍上述三个阶段工艺参数选择的原则。
加热温度 以钢的相变临界点为依据,加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒,淬火后获得细小马氏体组织。
实际生产中,加热温度的选择要根据具体情况加以调整。如亚共析钢中碳含量为下限,当装炉量较多,欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限;若工件形状复杂,变形要求严格等要采用温度下限。
保温时间 由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言,保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火,其保温时间终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。
加热与保温是影响淬火质量的重要环节,奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在5~8级。
冷却方法:要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体,冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷却过程中, 表面与心部的冷却速度有-定差异,如果这种差异足够大,则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体,而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质,以工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大,工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力,可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素,合理选择淬火介质和冷却方式。
冷却阶段不仅零件获得合理的组织,达到所需要的性能,而且要保持零件的尺寸和形状精度,是淬火工艺过程的关键环节。
分类:可按冷却方式分为单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。冷却方式的选择要根据钢种、零件形状和技术要求诸因素。
单液淬火:将工件加热后使用单一介质冷却,常使用的有水和油两种。为防止工件过大的变形和开裂,工件不宜在介质中冷至室温,可在200~300℃出水或油,在空气中冷却。单液淬火操作简单易行,广泛用于形状简单的工件。有时将工件加热后,先在空气中停留-段时间,再淬入淬火介质中,以减少淬冷过程中工件内部的温差,降低工件变形与开裂的倾向,称为预冷淬火。
双液淬火:工件加热后,先淬入水或其他冷却能力强的介质中冷却至400℃左右,迅速转入油或其他冷却能力较弱的介质中冷却。变温曲线如图2中曲线2。所谓“水淬油冷"法使用得相当普遍。先淬入冷却能力强的介质,工件快速冷却可避免钢中奥氏体分解。低温段转入冷却能力较弱的介质可有效减少工件的内应力,降低工件变形和开裂倾向。本工艺的关键是如何控制在水中停留的时间。根据经验,按工件厚度计算在水中停留的时间,系数为O.2~O.3s/mm,碳素钢取上限,合金钢取下限。这种工艺适用于碳素钢制造的中型零件(直径10~40mm)和低合金钢制造的较大型零件。
分级淬火:工件加热后,淬入温度处于马氏体点(ms)附近的介质(可用熔融硝盐、碱或热油)中,停留一段时间,然后取出空冷。变温曲线如图2中曲线3。分级温度应选择在该钢种过冷奥氏体的稳定区域,以分级停留过程中不发生相变。对于具有中间稳定区(“两个鼻子")型TTT曲线的某些高合金钢,分级温度也可选在中温(400~600℃)区。分级的目的是使工件内部温度趋于一致,减少在后续冷却过程中的内应力及变形和开裂倾向。此工艺适用于形状复杂,变形要求严格的合金钢件。高速钢制造的工具淬火多用此工艺。
等温淬火:工件加热后,淬入温度处于该钢种下贝氏体(B下)转变范围的介质中,保温使之完成下贝氏体转变,然后取出空冷,变温曲线如图2中的曲线4。等温温度对下贝氏体性能影响较大,温度控制要求严格。等温淬火工艺特别适用于要求变形小、形状复杂,尤其同时还要求较高强韧性的零件。