先进的真空高压气体淬火技术，你了解多少？

1、高压气体淬火及其优点

工件在奥氏体化温度加热后施加0.5～2MPa(5～20bar)高压气体淬火，可达到静止油或高速循环油甚至水的淬火效果。工件的气体淬火有别于液态介质淬冷机理，在气体中冷却比在液体中冷却均匀，可实现自表面向内层的均匀冷却，故气体淬火畸变很小，可实现少（无）磨削。高压气体淬火采用中性气体N₂、还原性气体H2和惰性气体Ar、He等，这些气体排放到大气中，无污染，避免了油淬产生的烟气污染，且可免去碱液清洗工序和含油液体的排放。处理后的零件表面清洁度高，无须后序清洗和清理抛丸工序，无SO2、CO排放问题，因此属于清洁热处理技术。

高压气淬时高压气流可以通过计算机控制气体的压力、流量，改变气体的冷却特性，与钢的过冷奥氏体转变相图相结合，可以实现最理想的淬火冷却，获得理想的金相组织、有效硬化层深度及热处理畸变。

批量的合金钢渗碳件在气体中冷却要达到油淬的冷速，必须使气体保持在1MPa以上的压力，而且还需具备良好的气体本身的热交换和流动循环条件。

2、应用

1）密封式多用炉气体渗碳后在1～2MPa (10～20bar)高压的惰性气体中施行气淬以代替油淬。

2）爱协林生产的可控连续式气体渗碳炉，配以气体淬火室使气淬技术的优点得到发挥，使得气体渗碳生产线有高的生产能力和合理的热处理成本。

3）真空低压渗碳+高压气淬应用

①在汽车工业，高压气淬可以采用单室、双室、三室的低压渗碳高压气淬真空周期炉及多室低压渗碳和高压气淬组成的生产线等。汽车变速器的同步器齿套、自动变速器的主减速太阳轮轴等采用此工艺处理后，零件的热畸变控制在非常窄的范围内，合格率大大提高，并显著提高了零件的尺寸精度。

②在双室和三室炉中施加电场，可以进行低压离子渗碳。

③真空渗碳+高压气淬，在摩托车小模数齿轮也得到了应用。

3.高压气淬用气体

工件在真空炉加热或低压渗碳（碳氮共渗）后，采用高压N₂、He、H₂进行气体淬火。通过循环使用N₂、He、H₂的气冷系统，从而大大提高了冷却能力。高压气体淬火易于通过计算机程序控制气体流速、压力和流向，改变气体的冷却特性，使工件冷却均匀，马氏体转变区使用小风量，从而减小工件淬火畸变。

钢件渗碳后在气体中冷却比在液体中冷却的均匀，因此淬火畸变也小。批量的合金钢渗碳件在气体中冷却要达到油淬的冷速，必须使气体保持在1MPa以上压力，而且尚需具备良好的气体本身的热交换（冷却）和流动循环条件。各种气体的传热性能有很大差别，氢气（H₂）的传热性最好，其次是氦气（He），再次是氮气（N₂）。N₂冷却性能虽差，但价格最低，因此目前多采用N₂进行高压气淬。

国际上已经普及0.5~0.6MPa的高压气淬炉，φ60mm高速钢在工业装炉量下，用0.5~0.6MPa的高纯度N₂冷却，可获得64~65HRC的硬度，热硬性良好。采用气体N₂、H₂回收技术可使成本大大降低，促进了混合气淬技术的普及推广。

Ipsen公司开发的双室高压气淬炉，当真空双室炉气淬时，可用0.1~2MPa的N₂或He。国产如WZDGQ-60型单室高压气淬炉（≤1.0MPa）。采用高纯度氮气99.999%（体积分数）进行气淬，可以用于有效厚度≤400mm工件的直接气淬和分段气冷淬火。

4.气体的分级淬火技术

法国ECM公司注册了分级气淬（interrupted gas quenching）方法，分级温度可设置于180~200℃，通过等温停留使工件进行自回火，因而可以取消淬火后的一般回火工序。从而节省了能源。

法国ECM公司开发了一套气体淬火专用程序软件，即Quench AL冷却模拟软件。在气淬过程中，通过气体的压力和搅拌速率的变化可用来控制淬火强度。采用可变强度的分级淬火可以使已畸变零件的畸变程度控制到最小。在Ms点附近进行等温，减少零件表面与心部的温差，使得之后的马氏体转变产生更少的应力畸变。

针对不同装炉量、材料淬透性及产品要求，使用了最新的变频驱动技术，气体（如N₂）注入压力0~2MPa，采用两个130kW的电动机，0~100%可调。借助这两个优势，可使得淬火冷却工艺和奥氏体等温转变曲线尽可能地接近，避开某些畸变极易产生的临界阶段。

ECM公司比较了气体分级淬火和强度不变的气体直接淬火之间的区别。对于传动齿轮，其齿向畸变的平均值从13μm减少到4μm。对于传动齿环，外径的畸变减小为原来的1/4。而且，在以上两种试验中，在炉内装料区的各个部位检测到的结果是高度一致的。即该工艺同时解决了畸变问题和畸变一致性问题。

在国内，上海汽车变速器公司等用于轿车变速器齿轮、齿轮轴等低压真空渗碳、高压气淬。

参考资料：

1.以高压气体淬火代替油淬火，作者：金荣植