特殊熱處理真空淬火

關于特殊熱處理真空淬火2真空條件下金屬加熱的特點斯蒂芬——玻爾茲曼定律Ｅ0＝C0(Ｔ/100)4,[J/(m2h)];C0為絕對黑體的輻射系數(shù)12.7×107,[J/(m2hK4)];T為輻射體絕對溫度（K）。實際真空熱處理條件下：理想灰體傳熱能Ｅ與絕對溫度Ｔ的四次方成正比：Ｅ＝C(Ｔ/100)4

C理想灰體輻射系數(shù)，C=4.96ε，ε灰體黑度。第2頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3輻射熱交換Q12=C導[(T1/100)4-(T2/100)4]F1φ12(J/h)C導=4.96[(1/ε1-1)φ12+1+(1/ε2-1)φ21[J/(m2?

h?k4)]Q12單位時間內(nèi)，高溫面?zhèn)鹘o低溫面的熱量；C導導來輻射系數(shù)；

T1，T2分別為高溫面（爐子）和低溫面（工件）的絕對溫度（K）；

F1高溫面表面積（m2）；φ12

角度系數(shù)。φ12=φ21=1φ12=1

φ21=F1/F2F2F1F1F2F2F1F2F1φ12=1

φ21=F1/F2φ12=F2/(F1+F2)φ21=F1/(F1+F2)第3頁,共47頁，2024年2月25日，星期天4真空爐升溫特性真空爐空載時的自身升溫速度很高；熱慣性??；蓄熱、散熱量微小升溫主要取決于對爐料可達到的供熱能力（被加熱工件在單位時間、單位面積上從真空爐獲得的熱量）在真空爐里比在介質(zhì)中綜合傳熱的常規(guī)加熱，供熱能力低得多，特別是輻射效率低的升溫階段（<600℃）和回火加熱時。第4頁,共47頁，2024年2月25日，星期天5鋼在真空和其他介質(zhì)中加熱速度GCr15鋼50mm×100mm試樣在不同介質(zhì)中的加熱速度1－鹽浴中加熱，2－空氣爐中加熱，3－真空中加熱，1，2－高溫裝爐；3－室溫裝爐第5頁,共47頁，2024年2月25日，星期天6真空加熱表面與心部的溫差W18Cr4V鋼在850°C預熱，繼續(xù)加熱到1280°C。GCr15鋼采用兩種加熱方式：

1.600°C預熱，繼續(xù)加熱到

850°C；

2.室溫直接加熱到850°C。分段預熱的必要性。W18Cr4V高速鋼φ50mm×100mm試樣經(jīng)850℃預熱加熱到1280℃過程中的表面和心部升溫曲線1－爐溫2－表面溫度3－芯部溫度第6頁,共47頁，2024年2月25日，星期天7真空加熱表面與心部的溫差GCr15鋼φ50mm×100mm試樣850℃加熱時的表面和芯部升溫曲線1－爐溫；2－表面溫度，3芯部溫度GCr15鋼φ50mm×100mm試樣經(jīng)600℃預熱加熱到850℃的表面和芯部升溫曲線1－爐溫；2－表面溫度，3芯部溫度第7頁,共47頁，2024年2月25日，星期天8不同尺寸工件的燒透時間不同直徑的GCr15鋼試樣的加熱時間1－600℃預熱，2－室溫直接到850℃

，3－經(jīng)600℃

預熱后加熱到850℃加熱系數(shù)1.0-1.5min/mm不同直徑的W18Cr4V鋼試樣的加熱時間：1－850℃預熱，2－經(jīng)850℃預熱后加熱到1280℃加熱系數(shù)0.46-0.52min/mm第8頁,共47頁，2024年2月25日，星期天9真空加熱時的真空度的確定大多數(shù)金屬在500-1350℃,10-10-3Pa條件下加熱。綜合考慮表面光亮度、除氣、脫碳和合金元素蒸發(fā)等效果來確定加熱過程的真空度。“充氣法”克服合金元素選擇性蒸發(fā)。第9頁,共47頁，2024年2月25日，星期天10真空淬火優(yōu)缺點真空淬火后的工件表面光亮、不增碳、不脫碳?？商岣叱惺苣Σ梁徒佑|應力的工模具的使用壽命；淬火后工件尺寸和形狀變化小，可省去修復變形的機加工。淬火后的工件硬度均勻、機械性能高、質(zhì)量穩(wěn)定。設備投資大。第10頁,共47頁，2024年2月25日，星期天11真空淬火的冷卻真空氣淬：冷速與氣體種類、氣體壓力、流速、爐子結果及裝爐狀況有關；冷卻氣體的種類提高氣體冷卻能力的方法真空油淬：真空淬火油的特性真空淬火油的使用第11頁,共47頁，2024年2月25日，星期天12冷卻氣體的種類可供冷卻氣有氬、氦氫、氮氣等。與相同條件下的空氣的傳熱速度比較，空氣為1，則氮為0.99，氬為0.70，氫7，氦為6。氫、氦、氬氣的相對冷卻性能第12頁,共47頁，2024年2月25日，星期天13提高氣體冷卻能力的方法只考慮對流傳熱，按牛頓公式則傳熱量為：Q=K（tw-tf）F（kJ/h）Q與固體溫度tw和氣體溫度tf之差以及工件表面積（F）大小成正比。對流傳熱系數(shù)K是氣體熱導率λ、粘滯系數(shù)η、流速ω、密度ρ(壓力）的函數(shù)K=λ/dC（ωdρ/η）m提高冷卻氣體的密度（壓力）和流速可以正比例加大對流傳熱效率。氣壓對冷卻速度的影響1-0.66m3/s;2-0.566m3/s第13頁,共47頁，2024年2月25日，星期天1465Mn鋼薄片狀彈簧支架的真空淬火原材料：冷軋退火態(tài)，細珠光體+鐵素體；Q：變形；圖2.1彈簧片形狀尺寸示意圖第14頁,共47頁，2024年2月25日，星期天1565Mn鋼彈簧支架的真空淬火工藝冷態(tài)真空度1.33Pa，升溫后真空度下降66.5Pa，應考慮Mn的蒸氣壓較高且隨溫度升高而增大。相變點附近680℃預熱：熱處理變形小，升溫速度慢，受熱均勻;入油后充入350-400Torr氮氣：超過真空淬火油臨界壓力的中性氣體，使真空淬火油達到使鋼淬透的冷卻速度。彈簧片真空熱處理工藝N2第15頁,共47頁，2024年2月25日，星期天1665Mn鋼彈簧支架的真空淬火預應力真空熱處理前的預應力對薄而長的彈簧片熱處理后的變形影響很大；工件自重、相互擠壓力不均、振動均可導致變形；各彈簧片間、彈簧與夾具間貼合緊密、受力均勻，限制熱變形。彈簧片裝夾示意圖1-固定螺栓；2-上斜鐵；3-彈簧片4-底板；5-下斜鐵第16頁,共47頁，2024年2月25日，星期天17壓鑄模3Cr2W8V鋼制電機轉(zhuǎn)子鋁壓鑄模Q:模具工況惡劣（高壓、高溫鋁沖刷，手工脫模需錘擊，水冷），要求耐磨性、耐熱疲勞性及足夠的硬度和韌性。A：預熱+回火3Cr2W8V鋼壓鑄模尺寸－0.23第17頁,共47頁，2024年2月25日，星期天18壓鑄模真空淬火淬火溫度對3Cr2W8V鋼熱疲勞抗力的影響800℃水冷，循環(huán)前，49-51HRCA-產(chǎn)生0.4mm裂紋的循環(huán)次數(shù)800℃預熱60min，真空度13.3－1.33Pa1150℃油淬，，670－680℃回火，真空度高于1333－133Pa低于1.33Pa1180°C3Cr2W8V鋼壓鑄模真空熱處理工藝N299.999％第18頁,共47頁，2024年2月25日，星期天19冷沖模具真空淬火Cr12MoV鋼制硅鋼片冷沖模凹模Q：φ8定位銷孔要求精度高，A：無需研修，保證型腔邊緣硬度。Cr12MoV冷沖凹模形狀及尺寸第19頁,共47頁，2024年2月25日，星期天20冷沖模具真空淬火冷沖模原工藝箱式高溫電爐，淬入400℃硝鹽爐中真空度1.33Pa，入油后通入氮氣，后普通油爐回火Cr12MoV冷沖模真空熱處理工藝99.99%N2第20頁,共47頁，2024年2月25日，星期天21輥壓模真空淬火制造紡織印染機械中的鋼芯的模具Q：螺牙高度0.12mm×47，圓度<0.003，要求硬度62-64HRCA:真空度13.3-1.33Pa,入油后通入99.9%氮氣至0.6×105Pa輥壓鑄的工作狀態(tài)1-輥壓模；2-模芯（工件）45#高速鋼φ30M33高速鋼W18Cr4V輥壓模真空熱處理工藝99.9%N2第21頁,共47頁，2024年2月25日，星期天22高速鋼鉆頭正壓氣淬W6Mo5Cr4V2φ1.5-2.5mm小鉆頭Q：鉆頭粘連A：高溫加熱階段充高純氮氣真空度降至133PaM2高速鋼（美國制）鉆頭真空氣淬工藝第22頁,共47頁，2024年2月25日，星期天23Cr12MoV鋼三角零件真空淬火上盤外壓針三角外形下盤壓針三角外形下盤挺針三角外形上盤內(nèi)頂針三角外形針織機用合金工具鋼三角形零件第23頁,共47頁，2024年2月25日，星期天24Cr12MoV鋼三角零件真空淬火初次確定的真空淬火曲線真空淬火工藝曲線Q：硬度要求62-65HRC，線切割+熱處理

直接裝機A：預熱溫度提高，淬火加熱保溫時間減少第24頁,共47頁，2024年2月25日，星期天25真空高壓氣體淬火（概述）傳熱系數(shù)α與氣體壓力P和速度V的關系式（HilpertR.）

α=10-5mA(PV)mA、m為常數(shù)，與爐子結構、爐料及冷卻氣體的物理性質(zhì)有關。（通常m=0.6-0.8）熱傳遞在開始幾個（105Pa）壓力下是大的，隨著壓力增加而減少。氣體壓力和淬火速率間關系曲線第25頁,共47頁，2024年2月25日，星期天26概述淬火參數(shù)的影響氣體壓力和淬火速率間的關系曲線第26頁,共47頁，2024年2月25日，星期天27概述冷卻氣體壓力和冷卻時間的關系氣體壓力對淬火回火硬度的影響mm第27頁,共47頁，2024年2月25日，星期天28概述氣冷壓力提高，可提高冷卻速度達到和超過油的冷卻速度SKD61鋼250mm×250mm(C0.37Cr5Mo1.3V1%)超高壓氣冷和油冷、鹽浴冷卻的比較9.5×105Pa第28頁,共47頁，2024年2月25日，星期天29概述各種氣體在不同壓力下的熱導率Φ40mm工件心部的冷卻速度（氣體種類和壓力的比較）第29頁,共47頁，2024年2月25日，星期天30概述國內(nèi)普及的高壓氣淬技術是

5×105～10×105Pa真空高壓氣冷淬火工藝及設備；低合金鋼淬火件、大尺寸的模具和軸類、高密集裝載工件5～6×105Pa真空高壓氣冷不足；提高使熱導率高于350～450W/(m2?K)：冷卻氣壓力冷卻氣循環(huán)速度He6×105Pa氣冷風扇電機功率提高10％，熱導率提高40％N210×105Pa氣冷風扇電機功率提高140％，熱導率提高35％實用真空爐冷卻氣體和壓力的變遷第30頁,共47頁，2024年2月25日，星期天31概述表：不同壓力氣冷淬火效果尺寸/mm氣體壓/Pa氣體種類中心硬度HRC備注φ606×105N260材質(zhì)（質(zhì)量分數(shù)）C2%,Cr12%φ10010×105N264-65φ20020×105He+N264-65大于φ60mm的軸或其他模具，心部熱要求64－65HRC，需改用油淬，或增大氣冷時冷卻氣的壓力，或更換氣體種類。第31頁,共47頁，2024年2月25日，星期天32理論參量：與負載、爐子相關的參量強制對流冷卻方程

t=WCp/{(Aλ)ln[(T1-Tf)/T2-Tf]}t從T1-T2冷卻時間s，W負載重量kg，Cp負載比熱容，A負載表面積，λ熱導率，T1初始溫度，T2

最終溫度，Tf平均氣體冷卻溫度。傳熱系數(shù)邊界兩端溫度差為1°C在單位時間穿過介質(zhì)或系統(tǒng)單位面積的熱量與表面幾何形狀、流體的性質(zhì)和流體的熱動力學和傳輸性質(zhì)有關。第32頁,共47頁，2024年2月25日，星期天33理論標準氣流通過單一物體兩端強制對流冷卻傳熱系數(shù)的簡化方程k=KCpGP1/（DP2)K常數(shù)，Cp冷卻氣體比熱容，D冷卻表面的外部直徑，P1P2指數(shù)，

G冷卻氣體物質(zhì)流＝體積氣體流Q與氣體密度的乘積，以雷諾數(shù)Re

來描述其特性，Re與G成正比＝物質(zhì)流/氣體粘度。冷卻速率＝K′（G）P1淬火速率與熱交換系數(shù)成正比,熱交換系數(shù)和冷卻氣體的物質(zhì)流的P1次方成正比第33頁,共47頁，2024年2月25日，星期天34理論流體定律ΔP=RSQ2ΔP通過系統(tǒng)的壓力的降落，R流體阻力，S氣體密度或氣體壓力，Q氣體流流量，此處系統(tǒng)為具有穿過氣流風機壓力降落為ΔP的真空爐。壓力的降落對氣體流流量比對氣體壓力更敏感ΔP系統(tǒng)壓力的降落對速度敏感，給定系統(tǒng)中體積氣體流增加，氣流速度也增加。

第34頁,共47頁，2024年2月25日，星期天35對流加熱對流加熱和真空加熱的不同(φ105mm軸）92第35頁,共47頁，2024年2月25日，星期天36對流加熱對流加熱和真空加熱實際操作的不同(VTT-424真空氣冷淬火爐)裝爐200kg，500×600×900mm3容積，高速鋼切削工具1200支）第36頁,共47頁，2024年2月25日，星期天37應用螺紋銑刀滾絲輪階梯軸輥環(huán)熱模工具第37頁,共47頁，2024年2月25日，星期天38滾絲輪真空高壓氣體淬火Cr12MoV鋼61D2－133M14×2×60

加工汽車軸承蓋螺栓φ200mm×60mm螺栓材料ML40Cr調(diào)質(zhì)285～321HB工序：鍛打

退火

機加

淬火

回火磨內(nèi)孔內(nèi)孔變形0.02mm以內(nèi)，63－65HRC61D2－133滾絲輪真空處理工藝曲線2×105Pa100℃出爐第38頁,共47頁，2024年2月25日，星期天39階梯軸真空高壓氣體淬火Cr12MoV鋼加熱溫度1030℃、5×105Pa氣冷料臺旋轉(zhuǎn)法：工件軸桿偏擺量8.5μm,偏差7.5μm，非料臺旋轉(zhuǎn)：工件軸桿偏擺量22.5μm,偏差38μm；硬度64－64.5HRC階梯軸的形狀及真空氣淬后的變形量第39頁,共47頁，2024年2月25日，星期天40料臺旋轉(zhuǎn)法加熱冷卻時料臺旋轉(zhuǎn)的效果第40頁,共47頁，2024年2月25日，星期天41真空油淬真空淬火油的特性：飽和蒸氣壓低臨界壓強低化學穩(wěn)定性好雜質(zhì)與殘?zhí)忌偎嶂档偷?1頁,共47頁，2024年2月25日，星期天42真空油淬ZZ－1號油不同真空度下的冷卻曲線1-0.013kPa;2-5kPa;3-10kPa;4-26.6kPa5-50kPa;6-66.6kPa;7-101kPaZZ－2號油不同真空度下的冷卻曲線1