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真空清洗炉热处理炉的一些考虑

发布时间:2019-06-10 10:54人气:

淬火冷却技术作为热处理工艺过程的重要组成部分,自始至终伴随着热处理技术的发展而不断进步。但是,由于淬火过程涉及到温度、相变、应力应变以及介质流向的瞬间变化和交互作用,是一个十分复杂的过程,加之受到工件形状尺寸与材料成分的影响,而使其研究水平和控制水平滞后于热处理的加热过程,成为热处理生产关注的重点。

 

近些年来,随着各种测试技术的不断完善,计算机模拟技术的广泛应用以及对淬火质量要求的不断提高,在淬火过程机制研究、冷却过程控制、新型淬火方法、新型淬火冷却介质开发等领域都取得了一定的进步和发展。

 

1.常用淬火冷却介质及其特性

淬火冷却技术首先是要选择合适的淬火冷却介质。目前,热处理介质种类繁多,但基本分为液体、气体和固体三大类。其中,水、无机水溶液、各种淬火油等属于在淬火时发生物态变化的介质,冷却过程可分为蒸汽膜、沸腾、对流三个阶段,而气体、熔盐、熔碱等属于不发生物态变化的介质。

 

(1)水

水是应用最早、最广泛、最经济的淬火冷却介质,其价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力很强。但水在Ms点附近(300~100℃)处于沸腾阶段,冷却太快易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力,致使零件变形甚至开裂。因此,只适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢淬火。

 

(2)无机物水溶液

后来人们通过往水中加入各种无机盐、碱或其混合物,形成各种不同的无机物水溶液,提高了高温区的冷却速度,改善了冷却均匀性,减少了开裂和变形。但是盐水易生锈,碱水淬火不易控制,硝盐类会产生有害气体,对环境和工人的健康影响较大。

 

(3)淬火油

随着各种复杂及材料不同的零件不断出现,20世纪初人们开始使用矿物油作为淬火冷却介质,其具有粘度低、抗氧化性和热稳定性好、使用寿命长等优点,在壁厚不大、形状复杂、变形小的汽车齿轮零件中得到了广泛应用,各种类别(如快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等温、分级淬火油)也得到了迅速发展。

 

但其对环境的污染一直被人们所诟病,包括淬火过程中的浓烟、矿物油降解能力差、易酸败变质等缺点,不符合当前的环保要求。

 

(4)气体

淬火冷却介质的研究方兴未艾,人们一直在寻求资源丰富、无污染、冷却性能优良且可调的淬火冷却介质。随着近年来真空设备的快速发展,对表面淬火钢或其他低合金材料进行热处理时,使用氮气或氦气的高压气体常可取代油淬。气体淬火技术的成功在于环保和商业的高效率。氮气或氦气属于绝对惰性气体,对生态环境无任何影响,且不会在工件上或在淬火炉内留下残余物,因此无需投资清洗机或火灾监控系统等设备,这也减少了淬火的运行成本。

 

气体和液体在淬火形式方面有所不同。液体淬火在三个阶段具有完全不同的传热系数,这造成部件温度梯度大且导致部件变形。而气体不会出现物态变化,整个部件的传热更为均匀,变形风险也随之降低。

 

2.真空高压气淬工艺探究

1)真空高压气淬技术的特点及发展状况

真空高压气淬作为一种真空热处理技术,起始于20世纪70年代,具有油冷淬火、盐浴淬火不可比拟的优点:

①工件表面质量好,无氧化,无增碳。

②淬火均匀性好,工件变形小。

③淬火强度可控性好,冷却速度能通过改变气体压力和流速进行控制。

④生产效率高。

⑤无环境污染等。

 

在近三十年时间内,真空高压气淬技术得到了迅速发展、推广和应用,特别是随着淬火压力的提高,使得真空热处理的材质范围进一步扩大,工件淬火硬度和可淬硬深度得到了明显提高。目前,在先进的工业国家如美国、德国、日本等,真空高压气体淬火技术已成为高速钢、高合金模具钢热处理的主导工艺,20bar1bar=105Pa)氦气和氮气混合气体的超高压气淬炉在处理大截面尺寸工件时,已达到或接近油冷水平。

 

(2)淬火气体压力对冷速的影响

在气淬过程中,工件的热量主要靠循环气体的强制对流传热带走,冷却时间可表述为

 

t=WCp/Fh×ln[T1-Tf/T2-Tf] 1

 

式中,T1T2分别代表工件起始温度和经冷却时间t后的温度,W代表工件重量,CP代表工件定压比热,F代表工件表面积,h代表对流换热系数,Tf代表气体经换热器后进入炉膛的温度。

 

由上式不难看出,在其他因素一定的情况下,对流换热系数越大,淬火所经历的时间越短,冷却速度越快。而对流换热系数h与淬火气体的性质和流过工件的气体质量流量等有关,可用一个简化方程表示为

 

h=K1×Cp×Gp1/Dp2 2

式中,K1代表常数,Cp代表冷却气体比热,G代表冷却气体质量流量(G= dQd是冷却气体密度,在气体类型一定时,冷却气体密度可用气体压力P代替,Q是冷却气体体积流量),p1p2均为指数(取0.60.8),D代表冷却表面的外径。

 

在其他条件不变时,式(2)可进一步简化为

 

h∝(PQ0.60.8 3

 

该式表明,增大淬火气体压力是加快传热的有效途径之一。增大气体压力,传热系数按其0.6~0.8次方增加,工件的冷却速度会有明显提高。但是,随着压力的继续提高,冷却时间减少程度变慢。

 

(3)“降压”试验

鉴于以上对于式(3)的分析:“增大气体压力,传热系数按0.6~0.8次方增加,工件的冷却速度会有明显提高。但是,随着压力的继续提高,冷却时间减少程度变慢。反观生产现场实际使用的工艺,针对其中部分气淬压力使用较高的几个工艺进行了改良试验,降低原气淬工艺中的气体压力数值,通过反复几轮的实际生产验证,终于试出了最佳的压力值,使用这个工艺,不但所生产出的产品质量不会受任何影响,而且由于降低气体压力后减少了淬火气体的使用量,从而降低了生产成本,一举两得。

 

以降低4000mbr的气体压力为例,如果使用的淬火介质为氮气,气淬室体积为2.8m³,依据“理想气体方程”:PV=nRTRT均为常数,R=8.31Pa·m³/mol·kT=20℃(293k),可求得n=460mol,代入式m=nMM=28,求得m=12880gV=12880g/1.25g/L=10304LV=10304/300×0.46=15.8L,如一条真空炉产线一天生产60炉产品,一个月按26天计算,液氮0.78/L,一年可节资:0.78/L×15.8L/×60×26×12≈23万元。

 

3.结语

真空高压气淬压力并非越高越好,通过工艺试验找到最佳的压力设定值,这样既可保证气淬冷却效果,同时又使得生产成本得到有效控制,达到事半功倍的效果。

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