特殊熱處理——真空淬火

1、真空淬火,2,真空條件下金屬加熱的特點(diǎn),斯蒂芬——玻爾茲曼定律 Ｅ0＝C0(Ｔ/100)4 ,[J/(m2h)]; C0為絕對黑體的輻射系數(shù)12.7×107 ,[J/(m2hK4)]; T為輻射體絕對溫度（K）。實(shí)際真空熱處理?xiàng)l件下： 理想灰體傳熱能Ｅ與絕對溫度Ｔ的四次方成正比：　　　　　?。牛紺(Ｔ/100)4　C理想灰體輻射系數(shù)，C=4.96ε，ε灰體黑度。,3,輻射熱交換,Q12=C導(dǎo)[(

2、T1/100)4-(T2/100)4]F1 φ12 (J/h)C導(dǎo)=4.96[(1/ε1-1) φ12 +1+(1/ε2-1) φ21 [J/(m2 ? h?k4)] Q12單位時間內(nèi)，高溫面?zhèn)鹘o低溫面的熱量；C導(dǎo)導(dǎo)來輻射系數(shù)； T1，T2分別為高溫面（爐子）和低溫面（工件）的絕對溫度（K）； F1高溫面表面積（m2）；φ12 角度系數(shù)。,φ12 =φ21=1,φ12=1 φ21=F1/F2,φ12=1

3、 φ21=F1/F2,φ12= F2 / (F1 +F2) φ21= F1/ (F1 +F2),4,真空爐升溫特性,真空爐空載時的自身升溫速度很高；熱慣性??；蓄熱、散熱量微小升溫主要取決于對爐料可達(dá)到的供熱能力（被加熱工件在單位時間、單位面積上從真空爐獲得的熱量）在真空爐里比在介質(zhì)中綜合傳熱的常規(guī)加熱，供熱能力低得多，特別是輻射效率低的升溫階段（<600℃）和回火加熱時。,5,鋼在真空和其他介質(zhì)中加熱速度,GCr15

4、鋼50mm× 100mm試樣在不同介質(zhì)中的加熱速度1－鹽浴中加熱，2－空氣爐中加熱，3－真空中加熱，1，2－高溫裝爐；3－室溫裝爐,,,,6,真空加熱表面與心部的溫差,W18Cr4V鋼 在850°C預(yù)熱，繼續(xù)加熱到1280°C。GCr15鋼 采用兩種加熱方式： 1. 600°C預(yù)熱，繼續(xù)加熱到 850°C； 2. 室溫直接加熱到850

5、76;C。分段預(yù)熱的必要性。,W18Cr4V高速鋼φ50mm×100mm試樣經(jīng)850 ℃預(yù)熱加熱到1280 ℃過程中的表面和心部升溫曲線1－爐溫2－表面溫度3 －芯部溫度,7,真空加熱表面與心部的溫差,GCr15鋼φ50mm×100mm試樣850 ℃加熱時的表面和芯部升溫曲線1－爐溫；2－表面溫度， 3 芯部溫度,GCr15鋼φ50mm×100mm試樣經(jīng)600 ℃預(yù)熱加熱到850 ℃的表面和芯部

6、升溫曲線1－爐溫；2－表面溫度， 3 芯部溫度,8,不同尺寸工件的燒透時間,9,真空加熱時的真空度的確定,大多數(shù)金屬在500-1350℃,10-10-3Pa條件下加熱。綜合考慮表面光亮度、除氣、脫碳和合金元素蒸發(fā)等效果來確定加熱過程的真空度。“充氣法”克服合金元素選擇性蒸發(fā)。,10,真空淬火優(yōu)缺點(diǎn),真空淬火后的工件表面光亮、不增碳、不脫碳?？商岣叱惺苣Σ梁徒佑|應(yīng)力的工模具的使用壽命；淬火后工件尺寸和形狀變化小，可省去修復(fù)變形

7、的機(jī)加工。淬火后的工件硬度均勻、機(jī)械性能高、質(zhì)量穩(wěn)定。設(shè)備投資大。,11,真空淬火的冷卻,真空氣淬：冷速與氣體種類、氣體壓力、流速、爐子結(jié)果及裝爐狀況有關(guān)；冷卻氣體的種類提高氣體冷卻能力的方法真空油淬：真空淬火油的特性真空淬火油的使用,12,冷卻氣體的種類,可供冷卻氣有氬、氦氫、氮?dú)獾取Ｅc相同條件下的空氣的傳熱速度比較，空氣為1，則氮為0.99， 氬為0.70，氫7，氦為6。,氫、氦、氬氣的相對冷卻性能,,13,提

8、高氣體冷卻能力的方法,只考慮對流傳熱，按牛頓公式則傳熱量為：Q=K（tw-tf）F （kJ/h）Q與固體溫度tw和氣體溫度tf之差以及工件表面積（F）大小成正比。對流傳熱系數(shù)K是氣體熱導(dǎo)率λ、粘滯系數(shù)η、流速ω、密度ρ(壓力）的函數(shù)K=λ/d C（ωdρ/η）m提高冷卻氣體的密度（壓力）和流速可以正比例加大對流傳熱效率。,氣壓對冷卻速度的影響1-0.66m3/s; 2-0.566m3/s,14,65Mn鋼薄片狀彈簧支架

9、的真空淬火,原材料： 冷軋退火態(tài)， 細(xì)珠光體+鐵素體；Q：變形；,,15,65Mn鋼彈簧支架的真空淬火工藝,冷態(tài)真空度1.33Pa，升溫后真空度下降66.5Pa，應(yīng)考慮Mn的蒸氣壓較高且隨溫度升高而增大。相變點(diǎn)附近680℃預(yù)熱：熱處理變形小，升溫速度慢，受熱均勻;入油后充入350-400Torr氮?dú)猓撼^真空淬火油臨界壓力的中性氣體，使真空淬火油達(dá)到使鋼淬透的冷卻速度。,16,65Mn鋼彈簧支架的真空淬火預(yù)應(yīng)力

10、,真空熱處理前的預(yù)應(yīng)力對薄而長的彈簧片熱處理后的變形影響很大；工件自重、相互擠壓力不均、振動均可導(dǎo)致變形；各彈簧片間、彈簧與夾具間貼合緊密、受力均勻，限制熱變形。,彈簧片裝夾示意圖1-固定螺栓；2-上斜鐵；3-彈簧片4-底板；5-下斜鐵,17,壓鑄模,3Cr2W8V鋼制電機(jī)轉(zhuǎn)子鋁壓鑄模Q:模具工況惡劣（高壓、高溫鋁沖刷，手工脫模需錘擊，水冷），要求耐磨性、耐熱疲勞性及足夠的硬度和韌性。A：預(yù)熱+回火,18,壓鑄模真空淬火

11、,淬火溫度對3Cr2W8V鋼熱疲勞抗力的影響800℃水冷，循環(huán)前，49-51HRCA-產(chǎn)生0.4mm裂紋的循環(huán)次數(shù),800℃預(yù)熱60min，真空度13.3－1.33Pa1150 ℃油淬，，670－680 ℃回火，真空度高于1333－133Pa低于1.33Pa,,1180 °C,19,冷沖模具真空淬火,Cr12MoV鋼制硅鋼片冷沖模凹模Q：φ8定位銷孔要求精度高，A：無需研修，保證型腔邊緣硬度。,Cr12MoV冷沖

12、凹模形狀及尺寸,20,冷沖模具真空淬火,冷沖模原工藝,箱式高溫電爐，淬入400 ℃硝鹽爐中,真空度1.33Pa， 入油后通入氮?dú)?，后普通油爐回火,21,輥壓模真空淬火,制造紡織印染機(jī)械中的鋼芯的模具Q：螺牙高度0.12mm×47，圓度<0.003，要求硬度62-64HRCA: 真空度13.3-1.33Pa,入油后通入99.9%氮?dú)庵?.6×105Pa,22,高速鋼鉆頭正壓氣淬,W6Mo5Cr4V2φ1

13、.5-2.5mm小鉆頭Q：鉆頭粘連A：高溫加熱階段充高純氮?dú)庹婵斩冉抵?33Pa,M2高速鋼（美國制）鉆頭真空氣淬工藝,23,Cr12MoV鋼三角零件真空淬火,針織機(jī)用合金工具鋼三角形零件,24,Cr12MoV鋼三角零件真空淬火,初次確定的真空淬火曲線,真空淬火工藝曲線,Q：硬度要求62-65HRC，線切割+熱處理?直接裝機(jī)A：預(yù)熱溫度提高，淬火加熱保溫時間減少,25,真空高壓氣體淬火（概述）,傳熱系數(shù)α與氣體壓力P和速度V的

14、關(guān)系式（Hilpert R.） α=10-5mA(PV)mA、m為常數(shù)，與爐子結(jié)構(gòu)、爐料及冷卻氣體的物理性質(zhì)有關(guān)。（通常m=0.6-0.8）熱傳遞在開始幾個（105Pa）壓力下是大的，隨著壓力增加而減少。氣體壓力和淬火速率間關(guān)系曲線,26,概述,淬火參數(shù)的影響,27,概述,冷卻氣體壓力和冷卻時間的關(guān)系,氣體壓力對淬火回火硬度的影響,,,,,28,概述,氣冷壓力提高，可提高冷卻速度達(dá)到和超過油的冷卻速度,2

15、9,概述,各種氣體在不同壓力下的熱導(dǎo)率,30,概述,國內(nèi)普及的高壓氣淬技術(shù)是 5 ×105～10 × 105Pa真空高壓氣冷淬火工藝及設(shè)備；低合金鋼淬火件、大尺寸的模具和軸類、高密集裝載工件5～6 × 105Pa真空高壓氣冷不足；提高使熱導(dǎo)率高于350～450W/(m2?K)：冷卻氣壓力冷卻氣循環(huán)速度He 6× 105Pa氣冷風(fēng)扇電機(jī)功率提高10％， 熱導(dǎo)率提高40％

16、N210 × 105Pa氣冷風(fēng)扇電機(jī)功率提高140％，熱導(dǎo)率提高35％,實(shí)用真空爐冷卻氣體和壓力的變遷,31,概述,表：不同壓力氣冷淬火效果,,大于φ60mm的軸或其他模具，心部熱要求64－65HRC，需改用油淬，或增大氣冷時冷卻氣的壓力，或更換氣體種類。,32,理論,參量：與負(fù)載、爐子相關(guān)的參量強(qiáng)制對流冷卻方程 t=WCp/{(Aλ)ln[(T1-Tf)/T2-Tf]} t從T1-T2冷卻時間s，W

17、負(fù)載重量kg，Cp負(fù)載比熱容，A負(fù)載表面積，λ熱導(dǎo)率，T1初始溫度，T2 最終溫度，Tf平均氣體冷卻溫度。傳熱系數(shù)邊界兩端溫度差為1°C 在單位時間穿過介質(zhì)或系統(tǒng)單位面積的熱量與表面幾何形狀、流體的性質(zhì)和流體的熱動力學(xué)和傳輸性質(zhì)有關(guān)。,33,理論,標(biāo)準(zhǔn)氣流通過單一物體兩端強(qiáng)制對流冷卻傳熱系數(shù)的簡化方程k=KCpGP1/（DP2) K常數(shù)，Cp冷卻氣體比熱容，D冷卻表面的外部直徑， P1 P2指數(shù)， G冷卻

18、氣體物質(zhì)流＝體積氣體流Q與氣體密度的乘積，以雷諾數(shù)Re 來描述其特性， Re與G成正比＝物質(zhì)流/氣體粘度。?冷卻速率＝K′（G）P1淬火速率與熱交換系數(shù)成正比,熱交換系數(shù)和冷卻氣體的物質(zhì)流的P1次方成正比,34,理論,流體定律ΔP=RSQ2 ΔP通過系統(tǒng)的壓力的降落，R流體阻力，S氣體密度或氣體壓力，Q氣體流流量，此處系統(tǒng)為具有穿過氣流風(fēng)機(jī)壓力降落為ΔP的真空爐。壓力的降落對氣體流流量比對氣體壓力更敏感ΔP系統(tǒng)壓

19、力的降落對速度敏感，給定系統(tǒng)中體積氣體流增加，氣流速度也增加。,35,對流加熱,對流加熱和真空加熱的不同(φ105mm軸）,92,,,36,對流加熱,對流加熱和真空加熱實(shí)際操作的不同(VTT-424真空氣冷淬火爐)裝爐200kg，500×600×900mm3容積，高速鋼切削工具1200支）,37,應(yīng)用,螺紋銑刀滾絲輪階梯軸輥環(huán)熱模工具,38,滾絲輪真空高壓氣體淬火,Cr12MoV鋼61D2－133M14

20、 ×2 ×60 加工汽車軸承蓋螺栓φ200mm×60mm螺栓材料ML40Cr調(diào)質(zhì)285～321HB工序： 鍛打?退火?機(jī)加?淬火?回火?磨內(nèi)孔內(nèi)孔變形0.02mm以內(nèi)，63－65HRC,61D2－133滾絲輪真空處理工藝曲線,2×105Pa,100 ℃出爐,39,階梯軸真空高壓氣體淬火,Cr12MoV鋼加熱溫度1030℃、5×105Pa氣冷料臺旋轉(zhuǎn)法：工件軸桿偏擺

21、量8.5μm,偏差7.5 μm， 非料臺旋轉(zhuǎn)：工件軸桿偏擺量22.5μm,偏差38 μm；硬度64－64.5HRC,階梯軸的形狀及真空氣淬后的變形量,40,料臺旋轉(zhuǎn)法,加熱冷卻時料臺旋轉(zhuǎn)的效果,41,真空油淬,真空淬火油的特性：飽和蒸氣壓低臨界壓強(qiáng)低化學(xué)穩(wěn)定性好雜質(zhì)與殘?zhí)忌偎嶂档?42,真空油淬,ZZ－1號油不同真空度下的冷卻曲線1-0.013kPa; 2-5kPa; 3-10kPa; 4-26.6kPa5-50kP

22、a; 6-66.6kPa; 7-101kPa,ZZ－2號油不同真空度下的冷卻曲線1-0.013kPa; 2-5kPa; 3-10kPa; 4-26.6kPa5-50kPa; 6-66.6kPa; 7-101kPa,Φ8mm ×24mm銀棒,,,,壓強(qiáng)下降,43,真空油淬,普通真空淬火油特性指標(biāo)隨液面壓強(qiáng)下降有明顯變化：特性溫度降低特性時間延長沸騰階段出現(xiàn)在更低溫度區(qū)間800-400℃范圍冷卻時間比大氣壓下顯著延長。

23、鋼在低氣壓下油冷卻能力下降，低溫區(qū)有較高冷速,44,真空油淬過程重要方面,維持液面是臨界壓強(qiáng)提高氣壓可以提高油蒸發(fā)及凝結(jié)溫度足夠油量：1：10~1：15淬火油的酸值、殘?zhí)?、水分，離子量等可使工件著色，對光潔度影響大。一般在40~80℃使用攪拌可以迅速調(diào)節(jié)油溫均勻瞬時高溫滲碳,45,真空淬火的質(zhì)量效果,真空淬火的表面狀態(tài)真空淬火工件的變形真空淬火后鋼的機(jī)械性能真空淬火產(chǎn)品的使用壽命真空油淬時高溫瞬時滲碳,m1

24、53,46,真空淬火的表面狀態(tài),影響因素：真空度、漏氣率、冷卻介質(zhì)特性、材料等材料中鐵、鉻、鎳元素與爐中殘存的氧和水蒸氣相互作用，使工件表面著色；高溫時，含鉻、錳元素的鋼由于產(chǎn)生蒸發(fā)而使表面粗糙；含鋁、鈦的不銹鋼和耐熱合金對氧敏感，色變暗；冷卻氣體純度不夠，微量活性雜質(zhì)使工件表面著色。油淬光亮度低于氣淬回火（特別是中、高溫回火）可使光亮略低,47,真空淬火工件的變形,30CrMnSiA制的C形試樣柴油機(jī)針閥真空度10-