硝鹽爐等溫淬火工藝替代研究

■ 劉 永，施國梅，羅美龍，薛怡然

硝鹽爐作為傳統(tǒng)熱處理加熱設(shè)備，具有加熱速度快、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作中小結(jié)構(gòu)件熱處理設(shè)備，同時也是實(shí)現(xiàn)典型材料滲碳件等溫淬火工藝的主要途徑，但硝鹽爐存在的環(huán)境污染、安全隱患、能源消耗和浪費(fèi)問題不容忽視。從技術(shù)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，需對現(xiàn)有硝鹽爐等溫淬火工藝或設(shè)備進(jìn)行替代。硝鹽等溫淬火工藝涉及18Cr2Ni4WA材料滲碳件，本文試驗(yàn)針對18Cr2Ni4WA材料滲碳件空冷、油冷等淬火方法代替硝鹽等溫淬火可行性進(jìn)行驗(yàn)證，同時采用流態(tài)粒子爐進(jìn)行嘗試性等溫淬火試驗(yàn)。

表1 18Cr2Ni4WA合金棒材成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 LH1冷卻方式對滲層硬度的影響 （HRC）

1. 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)材料 采用18Cr2Ni4WA棒料（LH1φ50/LH2φ30）加工成不同厚度（10mm、8mm、4mm）的圓片狀試件，采用18Cr2Ni4WA棒料（LH3φ60）加工成性能試樣，材料化學(xué)成分如表1所示。

（2）試驗(yàn)設(shè)備 淬火試驗(yàn)采用井式滲碳爐對試件/試樣進(jìn)行滲碳、高溫回火處理，采用保護(hù)氣氛熱處理爐加熱，硝鹽爐、油槽等設(shè)備淬火；采用電爐回火、冰冷機(jī)冷處理。

試驗(yàn)過程硬度檢測采用全洛氏硬度計(jì)，金相檢測采用光學(xué)顯微鏡，性能檢測采用拉伸試驗(yàn)機(jī)及沖擊試驗(yàn)機(jī)。

（3）試驗(yàn)工藝 試件滲碳層深度為0.95～1.15mm，冷卻方式選擇油冷、空冷、硝鹽、流態(tài)粒子爐（流態(tài)床）等。

2. 試驗(yàn)結(jié)果

（1）不同冷卻方式對滲層表面硬度的影響 滲碳層深度為0.95～1.15mm的試樣，采用不同淬火冷卻方式處理后表面硬度如表2、表3所示。

（2）不同冷卻方式對中心硬度的影響 滲碳層深度為0.95～1.15mm的試樣，采用不同淬火冷卻方式處理后中心硬度如表4、表5所示。

（3）不同冷卻方式對室溫力學(xué)性能的影響 按典型件的工藝及標(biāo)準(zhǔn)，對模擬滲碳后的試樣進(jìn)行不同冷卻方式淬火試驗(yàn)及室溫力學(xué)進(jìn)行測試，結(jié)果如表6所示。

（4）不同冷卻方式對金相組織的影響 試驗(yàn)選取了LH1不同滲層深度的試樣進(jìn)行硝鹽爐、空氣、流態(tài)床淬火冷卻，并對其進(jìn)行了滲層及中心組織檢查，結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 硝鹽冷卻試樣滲層及中心組織

圖2 空氣冷卻試樣滲層及中心組織

圖3 流態(tài)床冷卻試樣滲層及中心組織

表3 LH2冷卻方式對滲層硬度的影響 （HRC）

表4 LH1冷卻方式對中心硬度的影響 （HRC）

表5 LH2冷卻方式對中心硬度的影響 （HRC）

表6 冷卻方式對材料室溫力學(xué)性能的影響

3. 結(jié)果分析

18Cr2Ni4WA滲碳件等溫淬火工藝是利用制件滲碳后滲層和心部含碳量不同，馬氏體形成Ms點(diǎn)與Mf不同，在淬火過程中，滲層與心部分別在不同溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，以獲得滲層與心部相匹配的性能。制件在高溫?zé)崽幚頎t中保溫結(jié)束后，迅速轉(zhuǎn)入150～300℃的硝鹽槽中等溫淬火。因?yàn)榈葴卮慊鸬臏囟鹊陀谛牟康腗s點(diǎn)（見圖4），心部便轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，具有較高的強(qiáng)度和硬度，而滲碳層此時并未轉(zhuǎn)變，仍保持著過冷奧氏體狀態(tài)，等溫時間到后，在高溫回火時心部低碳馬氏體分解為回火索氏體，強(qiáng)度、硬度降低，韌性提高；滲碳層過冷奧氏體在回火冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體，并均勻分布著細(xì)小顆粒狀的碳化物質(zhì)點(diǎn)，然后再進(jìn)行冷處理及低溫回火， 滲層中的淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛蓟鼗瘃R氏體。

從表2和表3中不同淬火冷卻方式的滲層試驗(yàn)結(jié)果來看，冷卻方式對滲層硬度影響不大，基本能夠滿足技術(shù)要求，其中硝鹽爐冷卻后的試樣表面硬度略低，主要是淬火加熱設(shè)備防氧化保護(hù)能力不足和等溫過程中滲層過渡層發(fā)生組織轉(zhuǎn)變綜合造成的，此影響在有效厚度小、滲層淺的試樣上更為突出。

從表4和表5中不同淬火冷卻方式的中心硬度試驗(yàn)結(jié)果來看，冷卻方式對18Cr2Ni4WA材料中心硬度影響較大，流態(tài)床與硝鹽爐冷卻后試樣中心硬度基本相當(dāng)，滿足零件技術(shù)要求，油冷、箱式爐冷淬火后試樣中心硬度部分偏高，空冷淬火后試樣的中心硬度達(dá)到工藝要求上限值，且分布不均。

從表6不同淬火冷卻方式的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果來看，試驗(yàn)所采用的空冷、硝鹽冷、爐盤空冷、流態(tài)床冷方式淬火后試樣的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。空冷和爐盤冷后試樣的強(qiáng)度、硬度、沖擊指標(biāo)較高，硬度值達(dá)到工藝要求上限值；硝鹽冷和流態(tài)床冷后試樣的性能指標(biāo)基本相當(dāng)。

從圖1～圖3不同淬火冷卻方式的金相組織檢驗(yàn)結(jié)果來看，硝鹽冷、空冷、流態(tài)床冷對滲層金相組織影響不大，均為高碳回火馬氏體+碳化物，碳化物呈點(diǎn)狀、短棒狀分布；空冷后的試樣中心組織為板條回火馬氏體+點(diǎn)狀碳化物+少量貝氏體，硝鹽爐及流態(tài)床冷卻后的試樣中心組織均為回火索氏體+板條回火馬氏體+點(diǎn)狀碳化物+少量貝氏體。硝鹽爐冷卻與流態(tài)床冷卻相比，回火索氏體偏多，回火馬氏體偏少，表明硝鹽爐等溫過程中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變馬氏體的量多于流態(tài)床等溫，但均能滿足材料組織技術(shù)要求。

圖4 18Cr2Ni4WA材料連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

4. 結(jié)語

（1）試驗(yàn)所采用的各種淬火冷卻方式均能滿足滲層淬火需求，滲層硬度滿足零件技術(shù)要求。

（2）油冷、箱式爐冷淬火方式可以實(shí)現(xiàn)18Cr2Ni4WA材料淬火，但熱處理后的中心硬度偏高，不滿足零件技術(shù)要求。

（3）爐盤空冷、硝鹽冷、流態(tài)床冷淬火方式均能滿足18Cr2Ni4WA材料淬火需求，滲層組織及中心組織、硬度、強(qiáng)度及塑性指標(biāo)的滿足零件技術(shù)要求。

（4）流態(tài)床冷和硝鹽冷淬火后試樣滲層和中心的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本相當(dāng)。