真空高压气淬工艺探索

GXF360 2019-11-07

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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。

近几年，我国城市化水平得到了快速发展，城市中的给排水工程的规模也不断扩大。给排水工程是城市建设过程中一项基础工程，其质量，以及运行效果都会对人们的日常生活产生直接影响。因此，在给排水工程施工期间，要采取合理的措施，工程施工进行控制，从而使给排水工程的质量能够得到显著提高。

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。

考虑现有管理制度约束力量有限，矿业权人违法成本低的情况，建议整合部门信息，促进互享互通，搭建统一平台，建立全领域信用体系。下一步，借机构改革之机，将“异常名录”和“严重违法名单”限制和禁入范围由国土领域扩大到自然资源领域，时机成熟时，进一步将其扩大到其他生产生活领域，建立健全信用体系，完善管理机制，注重源头防控的同时，增加违法成本，降低政府管理成本，以全领域的限制准入有效促进管理效率提升，带动政府管理的全面升级。

（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M s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，20bar（1bar=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

式中，T1、T2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。

2.11 缩略语文中尽量少用。必须使用时应于首次出现处先叙述其全称，然后括号注出中文缩略语或英文全称及其缩略语，后两者间用“，”分开(如该缩略语已共知，可不注出其英文全称)。缩略语不得移行。

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

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= dQ，d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），p1、p2均为指数（取0.6～0.8），D代表冷却表面的外径。

她用热水冲泡中国绿茶。他出于礼貌啜饮一口，这绿色茶汤并不让他产生兴趣。他却注意到她的单人床铺上是自带的白色床单，枕套与被单边沿缝制棉布蕾丝，有手工刺绣出来的图案和字。她说，小时候母亲给她手工做的物品，不管是衣服、小包、手帕还是书套，都会刺绣上名字。她们出去旅行，也自带床单枕套被单。母亲对床有浩癖，不喜欢被陌生人反复使用的布料。她因此形成这习惯。

在其他条件不变时，式（2）可进一步简化为

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=nRT，R、T均为常数，R=8.31Pa·m³/mol·k，T=20℃（293k），可求得n=460mol，代入式m=nM，M=28，求得m=12880g，V气=12880g/1.25g/L =10304L，V液=（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元/L，一年可节资：0.78元/L×15.8L/炉×60炉×26天×12≈23万元。