H13的热处理方法

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SECO/WARWICK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。SECO/WARWICK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°C（1400。F）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.1Conventionalvs．traditionalheatingrates4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。lOOOkPa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12〜20mm，而在lOOOkPa气压下淬火时，工件的间距可减至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A[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/mm要求硬度HRCDIN17007DIN17006ASTM600kPa1000kPa2000kPa1.272150NiCr1390110125591.2767X45NiCrMo4160180200561.2510100MnCrW4O150107130641.255060WCrV7284290MnGrV8O25290123631.2363X100CrMoV5-1A2155200200631.2080X210Cr12D370108155641.2436X210CrW12155200200651.2379X155CrVMo12-1D215520020063

1.271355NiCrMoV6L6108153200561.271456NiCrMoV7131200200571.2343X38CrMoV5-1H11155200200541.2344X40CrMoV5-1H131.2365X32CrMoV3-3H10108131153501.2083X42Cr1342070108123561.2316X36CrMo17108131153501.3343S6-5-2M210815320066(DIN17350)*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入Fig.2Coefficient入inrelationtocoolingmediumandworkpiececross-section.600kPa氮气中淬火屮25〜屮100mm合金钢工件松散装炉时的传热系数入=1.0〜3.0。M2高速钢件1.1500kPa气淬(60%He/40%N)2.600kPa气淬(60%He/40%N)223.1000kPa氮气中冷却4.600kPa氮气中冷却5.2000KPa气淬(60%He/40%N)6.1000KPa氮气中冷却2注：曲线1〜4为密集装料；曲线5和6为松散装料屮70〜屮100mm可以淬透到64HRC以上。H11和H13热作模具钢可淬透到54HRC。DIN1.2080(Cr12)屮80〜屮100mm冷作模具钢件可淬透到64HRC。DIN1.2842(9Mn2CrV)油淬钢屮25〜屮40mm工件，DIN1.2550(60CrW2V)屮20mm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。1000kPa氮气中淬火屮25〜屮100mm合金钢件密集装炉(比600kPa气淬装炉密度大30%〜40%)时的入=8.0〜2.0,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AISI01、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。2000kPa氦和氦＋氮气中淬火屮25〜屮100mm合金钢件在比600kPa淬火装炉密度大80%〜150%条件下的入=0.4〜1.0。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450mmX450mmX80mm的H13钢模具等温分级淬火后在550°C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550C回火后的硬度只有54HRC[2]。

图3模具等温（马氏体分级）淬火示意图图3模具等温（马氏体分级）淬火示意图Fig.3IsothermalQuench（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。Fig.3作者单位：参考文献KowalewskiJ，OlejnikJ．Applicationforvacuumfurnaceswith6、10and20barGasQuenchingCapabilities．lndustrialHeating，1998（10）：42KowalewskJ，OlejnikJ．lndustrialHeating，1998（10）：44OlejnikJ，ArmourG．HighPressureProvidesSolution．HeatTreating，1993（10）：s.2527OlejnikJ，LatosZ，GorockiewiczG.GasCoolinginHighPressureQuenchFurnaces．PolishConferenceonScienceandTechnology.Kolotek,1994：6,22〜24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，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AT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SECO/WARWICK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°C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：①每日产量、工件尺寸和材料的化学成分；②设备要求的占地面积；③用炉子完成的热处理工艺。6.2控制系统SECO／WARWICKVPT200、600、1000kPa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lOOOkPa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600〜lOOOkPa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lOOOkPa炉子风机马达通过接触器启动时，而6OOkPa设备的操作仅利用了8O%的马达潜力。6.32OOkPa气淬炉2OOkPa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可能性。6.46OOkPa气淬炉到目前为止，处理工模具最理想，使用最多的是6OOkPa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3.5〜4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，6OOkPa炉子显然就难以满足要求了。6.5lOOOkPa〜2OOOkPa气淬炉氮气压力从6OOkPa增加到lOOOkPa可使冷却传热系数久增加14O%。在2OOOkPa的氦气中冷却与6OOkPa氮气中冷却比较，此系数可增加3OO%［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钢以及一些油淬合金钢，包括任何截面尺寸的ASTMO2钢都能在密集装料条件下进行淬硬处理。lOOOkPa高压气淬炉能使工具钢和小截面的低合金