【康沃真空網(wǎng)】近些年來，隨著各種測試技術(shù)的不斷完善，計算機模擬技術(shù)的廣泛應用以及對淬火質(zhì)量要求的不斷提高，在淬火過程機制研究、冷卻過程控制、新型淬火方法、新型淬火冷卻介質(zhì)開發(fā)等領(lǐng)域都取得了一定的進步和發(fā)展。
1、常用淬火冷卻介質(zhì)及其特性
淬火冷卻技術(shù)首先是要選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)。目前，熱處理介質(zhì)種類繁多，但基本分為液體、氣體和固體三大類。其中，水、無機水溶液、各種淬火油等屬于在淬火時發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì)，冷卻過程可分為蒸汽膜、沸騰、對流三個階段，而氣體、熔鹽、熔堿等屬于不發(fā)生物態(tài)變化的介質(zhì)。
(1)水
水是應用最早、最廣泛、最經(jīng)濟的淬火冷卻介質(zhì)，其價廉易得、無毒、不燃燒、物理化學性能穩(wěn)定、冷卻能力很強。但水在Ms點附近(300~100℃)處于沸騰階段，冷卻太快易使馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快而產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，致使零件變形甚至開裂。因此，只適用于截面尺寸不大、形狀簡單的碳素鋼淬火。
(2)無機物水溶液
后來人們通過往水中加入各種無機鹽、堿或其混合物，形成各種不同的無機物水溶液，提高了高溫區(qū)的冷卻速度，改善了冷卻均勻性，減少了開裂和變形。但是鹽水易生銹，堿水淬火不易控制，硝鹽類會產(chǎn)生有害氣體，對環(huán)境和工人的健康影響較大。
(3)淬火油
隨著各種復雜及材料不同的零件不斷出現(xiàn)，20世紀初人們開始使用礦物油作為淬火冷卻介質(zhì)，其具有粘度低、抗氧化性和熱穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點，在壁厚不大、形狀復雜、變形小的汽車齒輪零件中得到了廣泛應用，各種類別(如快速淬火油、光亮淬火油、真空淬火油、等溫、分級淬火油)也得到了迅速發(fā)展。
但其對環(huán)境的污染一直被人們所詬病，包括淬火過程中的濃煙、礦物油降解能力差、易酸敗變質(zhì)等缺點，不符合當前的環(huán)保要求。
(4)氣體
淬火冷卻介質(zhì)的研究方興未艾，人們一直在尋求資源豐富、無污染、冷卻性能優(yōu)良且可調(diào)的淬火冷卻介質(zhì)。隨著近年來真空設備的快速發(fā)展，對表面淬火鋼或其他低合金材料進行熱處理時，使用氮氣或氦氣的高壓氣體?？扇〈痛?。氣體淬火技術(shù)的成功在于環(huán)保和商業(yè)的高效率。氮氣或氦氣屬于絕對惰性氣體，對生態(tài)環(huán)境無任何影響，且不會在工件上或在淬火爐內(nèi)留下殘余物，因此無需投資清洗機或火災監(jiān)控系統(tǒng)等設備，這也減少了淬火的運行成本。
氣體和液體在淬火形式方面有所不同。液體淬火在三個階段具有完全不同的傳熱系數(shù)，這造成部件溫度梯度大且導致部件變形。而氣體不會出現(xiàn)物態(tài)變化，整個部件的傳熱更為均勻，變形風險也隨之降低。
2、真空高壓氣淬工藝探究
(1)真空高壓氣淬技術(shù)的特點及發(fā)展狀況
真空高壓氣淬作為一種真空熱處理技術(shù)，起始于20世紀70年代，具有油冷淬火、鹽浴淬火不可比擬的優(yōu)點:
①工件表面質(zhì)量好，無氧化，無增碳。
②淬火均勻性好，工件變形小。
?、鄞慊饛姸瓤煽匦院?，冷卻速度能通過改變氣體壓力和流速進行控制。
?、苌a(chǎn)效率高。
?、轃o環(huán)境污染等。
在近三十年時間內(nèi)，真空高壓氣淬技術(shù)得到了迅速發(fā)展、推廣和應用，特別是隨著淬火壓力的提高，使得真空熱處理的材質(zhì)范圍進一步擴大，工件淬火硬度和可淬硬深度得到了明顯提高。目前，在先進的工業(yè)國家如美國、德國、日本等，真空高壓氣體淬火技術(shù)已成為高速鋼、高合金模具鋼熱處理的主導工藝，20bar(1bar=105Pa)氦氣和氮氣混合氣體的超高壓氣淬爐在處理大截面尺寸工件時，已達到或接近油冷水平。
(2)淬火氣體壓力對冷速的影響
在氣淬過程中，工件的熱量主要靠循環(huán)氣體的強制對流傳熱帶走，冷卻時間可表述為
t=(WCp/Fh)×ln[(T1-Tf)/(T2-Tf)](1)
式中，T1、T2分別代表工件起始溫度和經(jīng)冷卻時間t后的溫度，W代表工件重量，CP代表工件定壓比熱，F(xiàn)代表工件表面積，h代表對流換熱系數(shù)，Tf代表氣體經(jīng)換熱器后進入爐膛的溫度。
由上式不難看出，在其他因素一定的情況下，對流換熱系數(shù)越大，淬火所經(jīng)歷的時間越短，冷卻速度越快。而對流換熱系數(shù)h與淬火氣體的性質(zhì)和流過工件的氣體質(zhì)量流量等有關(guān)，可用一個簡化方程表示為
h=K1×Cp×Gp1/Dp2(2)
式中，K1代表常數(shù)，Cp代表冷卻氣體比熱，G代表冷卻氣體質(zhì)量流量(G= dQ，d是冷卻氣體密度，在氣體類型一定時，冷卻氣體密度可用氣體壓力P代替，Q是冷卻氣體體積流量)，p1、p2均為指數(shù)(取0.6~0.8)，D代表冷卻表面的外徑。
在其他條件不變時，式(2)可進一步簡化為
h∝(PQ)0.6~0.8(3)
該式表明，增大淬火氣體壓力是加快傳熱的有效途徑之一。增大氣體壓力，傳熱系數(shù)按其0.6~0.8次方增加，工件的冷卻速度會有明顯提高。但是，隨著壓力的繼續(xù)提高，冷卻時間減少程度變慢。
(3)“降壓”試驗
鑒于以上對于式(3)的分析:“增大氣體壓力，傳熱系數(shù)按0.6~0.8次方增加，工件的冷卻速度會有明顯提高。但是，隨著壓力的繼續(xù)提高，冷卻時間減少程度變慢。反觀生產(chǎn)現(xiàn)場實際使用的工藝，針對其中部分氣淬壓力使用較高的幾個工藝進行了改良試驗，降低原氣淬工藝中的氣體壓力數(shù)值，通過反復幾輪的實際生產(chǎn)驗證，終于試出了最佳的壓力值，使用這個工藝，不但所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量不會受任何影響，而且由于降低氣體壓力后減少了淬火氣體的使用量，從而降低了生產(chǎn)成本，一舉兩得。
以降低4000mbr的氣體壓力為例，如果使用的淬火介質(zhì)為氮氣，氣淬室體積為2.8m3，依據(jù)“理想氣體方程”:PV=nRT，R、T均為常數(shù)，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氣=12880g/1.25g/L=10304L，V液=(10304/300)×0.46=15.8L，如一條真空爐產(chǎn)線一天生產(chǎn)60爐產(chǎn)品，一個月按26天計算，液氮0.78元/L，一年可節(jié)資:0.78元/L×15.8L/爐×60爐×26天×12≈23萬元。
3、結(jié)語
真空高壓氣淬壓力并非越高越好，通過工藝試驗找到最佳的壓力設定值，這樣既可保證氣淬冷卻效果，同時又使得生產(chǎn)成本得到有效控制，達到事半功倍的效果。
