PDF《工模具真空淬火介质》

工模具真空淬火介质 江苏镇江拓普工具公司 (

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2 0

1 4 ) 赵步青 近几年,我 国工模 具发展神速 ,已成为 世界上 名副 其实 的工具 制造 大国,热处 理设 备厂也 赚足 了大钞 ,不 管是 盐浴炉 还是 真空 炉 ,几 平成 几何级 数增长 ,政府给 力 ,企业 争气 ,热处 理行业 红红 火火 ,出现 了前 所未 有的鼎盛高 速发 展期 .

盐浴 淬火、真空 淬火 两条 巨龙打 起 了擂 台 ,你方 唱罢 我登场 , 好不热闹.真空热处理技术的崛起和迅猛发展 ,一方面源 于工业技术的需要 ,另一方面则由于真空技术具有 其他热处理不可比拟的突出优点 ,具体表现在 :① 无氧化 、无脱碳并有除锈作用,省去了表面磨削加 工工序 ,从而节约了钢材及原材料消耗 ,节省加工 工时 .②脱气作用.在常压下溶入金属的气体 ,如O

2、H 、N 等,在负压时从 金属内部向表面扩散而 逸出,这种现象称为脱气.真空淬火加热具有脱气 特性 ,使材料表面纯洁度提高 ,从而提高了工模具 的疲劳强度、塑性 、韧性以及耐蚀性能 .③有利于 去除工件表面残 留油脂 ,提 高产品质量 .④被处理 件无氢脆危险 ,防止钛和难熔金属表面脆化.⑤热 处理 畸变小 .由于 真空加热缓 慢 ,工件内外温 差小;

真空加热一般预热1 ~2 次 ,工件截面温差小 , 热应 力也小 ,因而不会 因外力作用 产生更大 的变 形.一般来说 ,真空淬火的变形为盐浴淬火的1

0 % ~

5 0 %.⑥节省能源 .由于真空加热室采用 比热容 小、隔热效果好的材料作为隔热屏 ,因而蓄热量较

1 10 錾争磊工V.*门胛直旧嘲,蝴.J'

V…一 ― . 小 ,炉子 的热 效率高 ,可实现快 速升温和 快速 降温.生产成本低、耗 电少 ,能量消耗为常规热处理 的5

0 %,法国MI - C o 资料介绍 ,盐浴淬火能耗成 本 是真空淬火的3

0 0 %.⑦真空淬火 工艺稳 定 ,重复 性好 .⑧操作安全 ,自动化程 度高 .⑨工作环境 整洁,无污染 、无公害. 然而 ,真 空炉也 不是十 全十 美的 ,还有 不少 需要完善 的地方 ,主要缺 点如下 :①某些合金 元素(如Cr 、Mn 等 )在真空 中较高温加热时蒸发较 大 ,生产中需充入惰性 气体加 以保护 .②真空热处 理设备投资较大 ,动辄 四五十万元甚至数百万元人 民币 ( 进 口设备 ).但只要生产任务饱满 ,设备运 转正 常 ,可以在2 ~3 年 内收 回投资 .③生 产能 力低.一台真空炉2

4 h 运转 ,按 日产4 炉 ,每炉处理工 件约l O O k g 计算 ,每天只能处理4

0 0 k g ,而一台高温 盐浴炉2

4 h 至少能处理l O

0 0 k g T _ 件.④真空油淬存 在 引爆隐患 ( 国内外都发生过爆炸事故 ). 真空热处理可根据淬火工件的形状 、尺寸、材质,以及技术要求选择油淬、气淬或硝盐淬火等方式.

一、真空油淬 真空炉淬火 ,最初就以油淬居多.虽然 目前气淬 越来越多,油淬越来越少,但较大工件以及淬火温度 在1

0 0

0 ~ C 以下、淬透性比较高的小零件仍用油淬.

1 . 真空淬火油 真空油淬对淬火油有如下要求 :①蒸汽压低 , 不易挥 发 .要求蒸汽压低于 l

0 一~l

0 . P a ,以确 保 真空度在

1 0 ~ ~l O P a 条件下 ,真空淬火油不会产生 明显的挥发 .②杂质与残炭少 ,酸值低.真空油淬 后 ,零件表面的光亮度应不低于标 准试样的7

0 %. ③临界压强 ( 即得到大气压下相 同冷却能力的最低 压强 )低 ,冷却性能好 ,要求工件在真空淬火油中 冷却后 ,能达到常压下盐浴淬火相 同的硬度值 ,不 得有 明显的渗碳层.④热稳定性好 ,即抗老化性能 好 ,使用寿命长. 用于真 空淬 火的油 已商 品化 、标 准化 ,如美国海斯公 司的H1 油、H2 油,日本初光公 司的HV1 油、HV

2 油, 前苏联的B M1 ~4 油等.1

9 7

9 年 ,我国 研制成功并投入生产的Z Z一1 、Z Z一2 真空淬火油 具有冷却能力高 ,饱和蒸汽压低 ,热稳定 良好 ,以 及对工件无腐蚀的特性而且质量稳定 ,适于工具钢 的真空淬火 ,显然一般淬火油不能满足上述要求 .

2 . 真空淬火油特性 图1 为T

8 钢分别在真空淬火油、普通淬火油和矿 物油 中进行真空加热淬火后硬度的变化 曲线.普通 淬火油在常压下 (

0 .

1 MP a )淬火后硬度为6

6 H R C, 试样可完全淬硬 ,然而随 着淬火时压力的降低 ,硬 度急剧 下降,到5*1

0 P a 以下时降至最低 ,已不能 将工件淬硬.矿物油在常压下淬火 ,仅使试样硬度 达~ I J

4 2 HR C,压力下降后硬度反而升高 ,到2 .

5 *

1 0 P a 时可使淬火后硬度达到6

3 ~6

5 HR C.在更低 的压力下淬火硬度趋于下 降.真空淬火油则能在较 宽的区域 内淬~ I ]

6 3 H R C 以上的高硬度,这为工模具 钢真空油淬谋求高硬度创造了条件. 图2 为上述3 种油在不同压力下的特性温度与冷 却速度 的关 系比较 .从图2 看出 ,冷 却速 度 由蒸汽 膜存在 的时 间及试样从8

0 0 ℃冷却到4

0 0 ℃所需要的 时 间来表示 ( ℃/ s ).从蒸汽膜存在的时间看 ,在10Pa以下真空淬 火油最短 ,从8

0 0 ~ C一4

0 0 ℃冷却 时间比较 ,尽管各种油在真空状态下比常压下时间 要长 ,但真空淬火油 比矿物油冷却时 间要短 .在2 *1

0 P a 左右以真空淬火油的冷却时 间最短.

7 . 堇.30203.t一一 __ ― ― ― ― 、 ―― 、 <

{ f . . | { . , , ― 压力/ P a 图1 真空淬火油与一般淬火油冷却能力的比较 试样: T

8 钢,800℃淬j k

8 o ~油中

1 一 普通淬火油

2 一 矿物油

3 一真空淬火油 p 越赠聋压力/Pa图2 在不同压力下,几种淬火油冷却能力与特性温度的比较

1 一 真空淬火油

2 一 普通淬火油

3 矿物油 在低 压下 ,真空淬火油的特性温 度也较高 ,因此,真空淬火也适合于在低压下工作 ,有优异的淬 火能力.

3 . 应用案例 用8mm*2

4 mm银棒测得不同真空 度下 国产 Z Z―l 、Z Z

2 真空淬火油冷却曲线如 图3 、图4 所示.G C r l

5 钢20mm*6 mm试样在8

4 0 ℃和T I O 钢lOmm*l O mm试样在8

0 0 ℃于Z Z一1 、Z Z一2 两图3 z z一1 号油在不同真空度下的冷却曲线

1 ―0D1

3 k P a 2―5 k P a 3―

1 0 k Pa 4―2

6 .

6 k P a 5―5

0 k P a 6―6

6 .

6 k Pa 7―

1 0l k P a 时间/ s 图4 z z一2号油在不同真空度下的冷却曲线

1 O.

01 3 k P a 2―

5 k Pa 3―

1 0 k Pa

4 2

6 .

6 k P a 5―

5 0 k P a 6―6 6.

6 k Pa 7―

1 0

1 k Pa 争磊…垫墼耋|11432l0987654320s/磨曹 }

1 1 种真空油中淬火后的硬度见表1 和表2 . 表1 GC r l

5 钢试样在不 同压力 下的淬火硬度 油品名称 淬火时的压 力/ P a 温度/ ℃ 淬火后硬度H R C ZZ― l

6 6

6 6

6 6

6 6

7 6 0* l

3 3.

3 2

2 5~

3 0 ZZ一265656665ZZ― l

6 4

6 4

6 3

6 3

3 8 0*

1 3 3.

3 2

2 5~

3 0 ZZ一261

6 o

61 6l ZZ l

6 5

6 5

6 5

6 5

7 6*

1 33 _

3 2

2 5~

3 0 ZZ一26061

61 6

2 ZZ一1363636361O. *1

3 3.

3 2

2 5~

3 0 ZZ 一2

31 31

31 31 表2 T

1 0 钢试样在不同压力下的淬火硬度 油 品名称 淬火时的压力 / P a 温度/ C 淬火后硬度H R C ZZ

1 6

2 6

2 6

2 6

2 7

6 0*

1 3 3-

3 2

2 5~3 O ZZ 一2 6l

6 2

6 2

6 2 ZZ 一162626262380*

1 3 3-

3 2

2 5~3 O ZZ 一2

61 6

2 6

2 6

2 ZZ一16061

6 2

6 2

7 6*1

3 3 .

3 2

2 5~3

0 ZZ 一2

61 6

2 61

6 2 ZZ

1 3

5 3

6 3

5 3

5 1

0 X

1 3 3-

3 2

2 5~3 O ZZ

2 3

4 3

3 3

4 3

4 由于真空加热的工件具有 良好 的表面状态 ,因 而钢在真空淬火油中冷却可以获得与常规工艺相 同 的硬度值.从原理上讲 ,真空淬火时维持液面压 力 为临界压强即可获得接近于大 气压下的冷速.除此 之外,提高气压可以提高油的蒸发和凝固温度 ,因 而可 以避免因油本身升温造成的挥发损失和对设备 的污染 .工 艺上常采用 向冷 却室充填纯N: 至4

0 ~

7 3 k P a ( 高于6

7 k P a 时对特性影 响已不 明显)的方 法.实践证明,对于某些低淬透性钢 ,若将气压增 大至大气压之上 ,将可获得更高的冷速.这是 由于 蒸汽膜 进一步变薄 了 ,缩短 了传热慢 的蒸汽膜 阶段,增压油淬进一步发展为油淬+ 气冷淬火 ,这就 提高了大型及精密工模具 的淬火效果 ,为减少变形 提供了多种选择的可能性.

4 . 使用要点 为 了满足较大工件淬火冷却的需要 ,真空淬火 油量要足够大 .根据入油工件、料盘 、卡具等从入 油温度冷至油池温度时释放出的热量进行热平衡 计 算得 出最少油量 ,再补加一定的安全油量 .考虑到 因搅拌以及局部激烈升温造成 的油膨胀 、沸腾 ,一 般取工件重量与油重量之比1 :

1 0 ~l :

1 5 为好 .

1 2 w w l ~ 昝.me考lo1wor k 整#nllg霉SO偿.c蜱om : 争磊,工热加工I'

'

,.,fr… ~ 真空淬火油的品质 ,如酸值 、残炭 、水分、离 子量等都可能使工件严重着色,有时它们对光亮度 的影响远大于真空度的影响 ,使用过程中需定期检 测粘度 、闪点、冷却性能及水分 .据分析 ,当真空 淬火油中水 的质量分数达0 .

0 3 %时 ,就足以使淬火 件表面变得灰暗 ;

当水的质量分数达到0 .

3 %时 ,油 的冷却特性将发生明显改变 ,很 可能发生淬裂 .在 液压压 力降低时,含水的油将发生沸腾 ,从而严重 地破坏真空 ,鉴于此 ,新油在第一次使用前需进行 调制 ,每次停炉后还应保持炉子的真空 ,以防止空 气和水分再次溶入油中. 真 空淬火 油的使用 温度应控 制在4

0 ~8 O ℃为宜.油温过低 ,粘度大 、冷却速度低,淬火后工件 硬度不均匀 ,表面不光亮.在冬季淬火前 ,需将真 空淬火油预热 .油温过高 ,则将使油迅速蒸发 ,对 真空炉造成污染并加速油的老化 . 在 生产 中 ,为 能迅速 调节油 温并使 油温 均匀 化 ,油池常设搅拌装置以加 强油的循环和对流.搅 拌必须到位 ,若搅拌不足 ,则易使尺寸大 、结构复 杂的工件及长杆件等 出现软点和软带 ( 软块) ;

若 油的搅拌过于强烈,将使工件产生较大 的变形.控 制工件入油后的开始搅拌 时间、调节搅拌的激烈程 度以及实现断续搅拌 ,可以减少变形和软点 .

5 . 真空油淬的不足 不管采取多少措施 ,只要是 油淬 ,工件变形实 属难免 ,我们只能因势利导 ,努 力使变形减少到最 低量 ,并采取补校措施,将变形矫正过来 . 高温油 淬产生 瞬时 渗碳 已是不 争的事 实 .高 速 钢工具 经真空油淬后 ,将在 工件表面 出现 由残 留奥氏体和碳 化物组成 的 白亮 层.分析认 为 ,这 与钢在高温 (

9 0

0 ~1

2 0

0 o C)油淬阶段的瞬时渗碳 有关.一般的解 释是 ,真空淬火 油是 由C、H、O 组 成的有机化 合物 ,在 与活性 的高速钢表 面接触 时 ,将形 成一层薄而致 密的 、包 围着 工件的油 蒸 汽外套 ,其 中的C H 、CO 将 发生分解并析 出浓 度 大和传播 特性较高 的活性碳 ,可很快 渗入钢 中. 有研 究表 明,M2 钢于

1 .

3 3 P a 、1

2 0

0 ℃下加 热后油 淬 所得瞬 间渗碳层可达3

5 ~5

0 m. X射线显微分 析证 明,距表 面l

0 m内是耐蚀的 白亮层,其碳浓 度达

1 .

5 0 %~1 .

7 0 %,从表面到5

0 m处 ,碳降至基 体 含量0 .

8 0 %~0 .

9 0 % 白亮层是 由大量复 合碳化 物和残 留奥 氏体组成 的 ,其 与内部 交界处有粗 晶马 氏体 ,因 而表面硬度低下. 油淬工件 出炉后应进行去 油清理 ,注意不要对周边环境 造成污染 . 二,真空气淬

1 . 真空气淬介质 真空气淬的冷速与气体的种类 、气体 压力、流速 、炉子 结构及装炉状况有关.可供使用的气体有Ar 、H e 、H 和N . 设相同条件下空气的传热速率为

1 ,~ l J Ar 为0 .

7 0 ,He 为6 ,H 为7 ,N 为0 .

9 9 .热处理用气体技术要求见表3 . 表3 热处理用气体技术要求 ( J B / T

7 5

3 O 一1994)(%) 指标要求 ( V, v) 气体名称 总碳含量 氩含量 氮含量 氢含量 氧含量 水含量 ( 以甲烷计 ) ≤ 高纯氩气 ≥9

9 .9

9 9 ≤O. o o

05 ≤0. o

0 01 ≤O.

0 0 O

2 ≤O. 0o

0 4 O .0 o o

2 氩气≥9

9 .

9 9 ≤0 .

0 0

7 ≤0 . o o O

5 ≤O .

0 o

1 ≤0 .

0 0

4 ≤0 .

0 0

2 0 ≤ 高纯氮 >

/

9 9.

9 9

9 0 ≤ODo o1 ≤OD0 o

3 ≤O.

0 0

0 5

0 O. o

0 O3 Co ≤

0 .

0 o

0 5 纯氮 ≥9

9 .

9 9

6 @ ≤O . o o O

5 ≤0 .

0 0

1 C

0 ≤O .

0 0 O

5 ≤0 .

0 0

0 5

0 CH~ <

0.

0 0

05 露点 工I类≥9

9 .

5 ≤ 0.

5 ≤ 一43℃ 业I类≥99.

5 ≤ 0.

5 游 离水 气1级≤l O O mL / 瓶态氮Ⅱ类 ≥9

9 .

8 ≤1 .5 游离水 Ⅱ级≤1

0 0 mL / 瓶Co ≤ OD o O5 ≤ 氢气 ≤0 .0 o

6 ≥9 9.

9 9 CO ≤ O.

0 0 O

5 ≤ 0.

0 03

0 .0

0 0

5 CH ≤ 0.

0 01 注:① 在15℃,大于

1 1 .

8 MP a 条件 下测定. ② 包含微量惰性气体 . ③ 液态氮不规定水含量 . 在任何压强下 ,H : 都具 有最大的热传导能力和最大 的冷 却速度 ,H 可 以应用于装有 石墨元件 的真空炉 ,但对含碳量 较高的钢种 ,在冷却过程的高温阶段 (

1 0

5 0 ℃以上 )有可能 造成轻微脱碳 ,对高 强度钢有造成氢脆的危险 ,因此 ,真空 高压气淬人们不会........