H13的热处理方法.doc

1、中国热处理行业协会新技术考察团于 1998年 10月 9日参观访问了美国Erie城附近的 Meadylle镇 SECOWARWICK 公司总部，了解了该公司开发的新技术和新产品。为了有助于我国热处理生产技术的发展，特在此做如下介绍。2 真空高压气淬的效果由于要求真空热处理的零件和材料不断增多，真空加热气冷淬火技术有了迅速发展。工具钢的固溶处理和奥氏体化，合金钢和镍基、钴基合金通常都在熔盐中加热和油中淬火，导致工件开裂和畸变，而且还必须施行后清洗。SECOWARWICK 公司开发的一系列采取对流加热方式的真空高压气淬炉，气体压力从 200kPa直到 2000kPa，满足了在油淬和气淬中间领域的冷

2、却速度要求。表 1所列为各种合金钢在该公司开发的600kPa、1000kPa 和 2000kPa真空气淬炉中的淬火冷却效果 1 。3 对流加热众所周知，真空中的加热主要靠辐射，而辐射加热只有在 760（1400F）以上才能表现出明显效果。为了在低温下实现均匀而迅速的加热，采用往炉中通入惰性（或中性）气体的方式可保证对流热传导。为实现均匀快速的对流加热，炉子加热室必须有良好的绝热保温措施。对流加热可有效降低被加热件中的热应力，而工件中的应力有可能在热处理前的机加工或原始钢料中既已存在。对流加热是保证工件低畸变的前提条件，而且也可缩短淬火和回火加热周期。和传统真空加热比较，对流加热可减少 50的加

3、热时间，在低温范围保持好的炉温均匀性，在一定程度上提高装炉量，还可实现一炉多用，在同一炉中可施行回火和退火。图 1所示为对流加热和传统真空加热的区别所在。图 1 对流加热和传统真空加热的比较Fig.1 Conventional vstraditional heating rates4 高压气淬由表 1数据可知，和 600kPa气淬比较，低合金钢在 1000kPa和2000kPa气体压力下的淬火可获得更高的硬度。1000kPa 和 2000kPa的气淬真空炉可保证整盘炉料获得均匀温度。在 600kPa压力气淬时，工件相互间距不得小于 1220mm，而在 1000kPa气压下淬火时，工件的间距可减

4、至 10mm。图 2所示为不同气体冷却介质和各种截面尺寸工件间的传热系数 1 。表 1 各种合金钢在 600、1000 和 2000kPa（6，10，20bar）气淬真空炉处理后的硬度材 料材料心部达到要求硬度的截面mmDIN17007DIN17006ASTM600kPa1000kPa2000kPa要求硬度HRC1.2721 50NiCr13 90 110 125 591.2767 X45NiCrMo4 160 180 200 561.2510 100MnCrW4 O1 50 107 130 641.2550 60WCrV7 S1 70 90 107 601.2842 90MnGrV8 O2

5、52 90 123 631.2363 X100CrMoV5-1 A2 155 200 200 631.2080 X210Cr12 D3 70 108 155 641.2436 X210CrW12 155 200 200 651.2379 X155CrVMo12-1 D2 155 200 200 631.2713 55NiCrMoV6 L6 108 153 200 561.2714 56NiCrMoV7 131 200 200 571.23431.2344X38CrMoV5-1X40CrMoV5-1H11H13155 200 200 541.2365 X32CrMoV3-3 H10 108 13

6、1 153 501.2083 X42Cr13 420 70 108 123 561.2316 X36CrMo17 108 131 153 501.3343 S6-5-2 M2 108 153 200 66（DIN 17350）*所列材料的化学成分和热处理规范可查阅袖珍世界钢号手册，第 2版，林慧国等主编，机械工业出版社，1998图 2 不同冷却介质和各种截面尺寸工件间的传热系数 Fig.2 Coefficient in relation to cooling medium andworkpiece cross-section.4.1 600kPa 氮气中淬火25100mm 合金钢工件松散装炉时

7、的传热系数1.03.0。M2 高速钢件1.1500kPa气淬（60He40N 2） 2.600kPa 气淬（60He40N 2） 3.1000kPa 氮气中冷却 4.600kPa 氮气中冷却 5.2000KPa气淬（60He40N 2） 6.1000KPa 氮气中冷却注：曲线 14 为密集装料；曲线 5和 6为松散装料 70100mm 可以淬透到 64HRC以上。H11 和 H13热作模具钢可淬透到54HRC。DIN1.2080（Cr12）80100mm 冷作模具钢件可淬透到64HRC。DIN1.2842（9Mn2CrV）油淬钢 2540mm 工件，DIN1.2550（60CrW2V）20mm

8、 工件可淬硬到 60HRC。有限截面的马氏体不锈钢件淬火和 18-8型奥氏体不锈钢件的固溶处理都可以在此条件下施行。4.2 1000kPa氮气中淬火25100mm 合金钢件密集装炉（比 600kPa气淬装炉密度大3040）时的 8.02.0，高速钢件的截面和装炉密度几乎不受限制。高、中、低合金热作模具钢件都可在此条件下淬火。有限截面的高、中合金结构钢，如 AISI 01、02、06、07、4140、4340 等钢都可在此条件下施行强韧处理，AISI4140 钢件离子渗碳后亦可在此条件下淬火。4.3 2000kPa氦和氦氮气中淬火25100mm 合金钢件在比 600kPa淬火装炉密度大 8015

9、0条件下的 0.41.0。高速钢，高、中、低合金热作模具钢，高、中、低合金冷作模具钢，油淬合金钢的强韧处理，包括离子渗碳和氮碳共渗后的淬火冷却。5 等温分级淬火设计的炉子和控制系统可以自动实现等温（马氏体分级）淬火工艺见图 3。剧烈的高压气冷有时会使某些模具开裂和严重畸变。随着工件截面的增大，问题愈来愈突出。而控制冷却周期在工件淬硬后会获得更理想的显微组织，并在一定装炉量条件下可以把多次回火改为一次回火。良好的显微组织会延长模具，特别是热作模具的寿命。例如450mm450mm80mm的 H13钢模具等温分级淬火后在 550回火可得到57HRC的硬度，而不施行等温分级淬火和采用固定冷却方式以及

10、550回火后的硬度只有 54HRC2 。图 3 模具等温（马氏体分级）淬火示意图Fig.3 Isothermal Quench（Martempering）作者简介：樊东黎：男，教授，中国热协副理事长，享受政府特殊津贴。作者单位：参考文献1 Kowalewski J，Olejnik JApplication for vacuum furnaces with 6、10 and 20 bar Gas Quenching Capabilitieslndustrial Heating，1998（10）：422 Kowalewsk J，Olejnik Jlndustrial Heating，1998（10

11、）：443 Olejnik J，Armour GHigh Pressure Provides SolutionHeat Treating，1993（10）：s.25274 Olejnik J，Latos Z，Gorockiewicz G.Gas Cooling in High Pressure Quench FurnacesPolish Conference on Science and TechnologyKolotek，1994：6，2224当模具完成奥氏体化以后，以最大的气压和最剧烈的气体循环方式冷却。工件表面放置一根热电偶，另一根放在工件心部。当工件表面温度达到马氏体淬火温度（Ms）时

12、，降低炉气压力。炉气循环速度也降到低限，以便于表面和心部温度趋于一致。靠可逆马达精确控制风机速度，使工件表面温度几乎保持不变。为了使工件表面和心部温度平缓地趋于一致，对流风扇此时亦应启动。对流加热可防止表面温度降到马氏体转变温度（Ms）以下。结果在表面和心部温度未趋于一致以前，绝不会发生马氏体转变。最后，当工件表面和心部温度达到预定温差 T 时，整盘炉料进一步冷却到装炉前的温度。6 真空高压气淬设备SECOWARWICK 开发的 200、600、1000 和 2000kPa真空高压气淬炉有立式和卧式两种类型。真空炉系统包含真空炉壳，带发热体和绝热层的加热室，带鼓风机和冷却风扇的热交换器、抽气系

13、统和控制系统。气淬真空炉系统还要求在距炉子不大于 10m的距离内设置贮气罐。各种气淬真空炉具有以下特点：（1）围绕料盘 360都设有弧形石墨发热元件。在钢材奥氏体化温度加热区的温度均匀性能控制在3范围内。（2）围绕料盘 360都设有规定气流喷射方向的均匀冷却喷嘴系统。（3）高速气体的喷射和喷嘴的紧贴炉料使在密集装料条件下都可获得有效的淬火冷却。（4）设计的炉壳容积和炉料体积比很小，可保证最低的气体消耗。（5）最新的设计采用圆柱形加热炉膛和弧形石墨发热体。如此可明显改善炉温均匀性，改善冷却条件，气体喷嘴也容易实现合理分布。6.1设计上的新观点 气体冷却的全部热交换系统都设在炉壳内部。其目的之一是

14、减少气流阻力，其二是降低通过工件的气流量。淬火冷却烈度取决于气体流速和气压。在真空炉内提高气流速度是很困难的，而提高气压相对比较简单。这就是真空高压气淬设备气压的设计愈来愈高的主要原因。从理论上分析可得出，360分布的喷射气流冷却系统会在炉料中心位置出现“死区”。因此，为改善炉料中心的透气性，在淬火冷却时应开动对流风扇，使炉料中心的压力降低。真空炉是按每天 24h工作，每周连续运转 7天考虑的。用户合理选用真空气淬炉时必须慎重考虑 3个因素：每日产量、工件尺寸和材料的化学成分；设备要求的占地面积；用炉子完成的热处理工艺。6.2控制系统 SECOWARWICK VPT 200、600、1000k

15、Pa 真空气淬炉的控制系统为操作者模拟马氏体分级淬火创造条件，在 1000kPa设备的风机马达上还装有变频装置。除了设有预置分级淬火程序外，风机在从6001000kPa 压力范围内都有足够富余的额定能力。这就能保证炉子的合理利用和减少氮气的消耗。当 1000kPa炉子风机马达通过接触器启动时，而 600kPa设备的操作仅利用了 80的马达潜力。6.3200kPa 气淬炉 200kPa 真空气淬炉广泛用于对冷速要求不高的高速钢、冷热作模具钢和有限截面尺寸的奥氏体不锈钢。把工件以大间隔放置在料盘上，以保证均匀加热，使气流在工件间均匀流通，获得均一的淬火质量。采用高压气淬开创了扩大合金钢可淬硬截面的

16、可能性。6.4600kPa 气淬炉 到目前为止，处理工模具最理想，使用最多的是600kPa真空气淬炉。和一般大气压下淬火的设备比较，其淬火冷却烈度可提高 3.54 倍 3 。在松散装料条件下，这种炉子几乎能保证较大截面、各种高合金工模具钢件的淬火效果。但是采取密集装料方式时，600kPa炉子显然就难以满足要求了。6.51000kPa2000kPa 气淬炉 氮气压力从 600kPa增加到 1000kPa可使冷却传热系数 增加 140。在 2000kPa的氦气中冷却与 600kPa氮气中冷却比较，此系数可增加 300 4 。如此高的气压可使所有高速钢、热作模具钢、冷作模具钢、Cr13 钢以及一些油

17、淬合金钢，包括任何截面尺寸的 ASTM 02钢都能在密集装料条件下进行淬硬处理。1000kPa高压气淬炉能使工具钢和小截面的低合金钢获得最高的淬火硬度。同一种材料在整盘料中，甚至是不同截面尺寸的工件都能获得均一的硬度。在 65mm以下截面尺寸的零件允许尺寸差别比率在 1：10 以内，在 168mm截面尺寸以内的零件允许装料尺寸差别比率在 1：5 以内，此时都可得到均一的硬度。具有对流加热效果的 1000kPa卧式真空高压气淬炉的加热室容积为900mm1200mm。1000kPa 立式高压气淬炉加热容积也可达900mm1200mm。樊东黎 田瑞珠 北京机电研究所（北京 100083）Janusz Kowalewski 美国赛克沃克公司