下貝氏體等溫淬火工藝概述

沈舉賢

摘要：下貝氏體等溫淬火，適用于鏈條或軸承行業(yè)的小工件，通過等溫淬火可以得到心部韌性好，機械強度和硬度高等機械特性。熱處理工藝過程包括加熱、保溫和冷卻階段。在本文中，本人結(jié)合生產(chǎn)實踐，概述下貝氏體等溫淬火工藝的一些經(jīng)驗和體會，氣氛的控制，設(shè)備的關(guān)鍵控制點。

Abstract： Austempering process of heat treatment is usually for small chain or bearing parts.The core ductile， strength and hardness of chain parts will be increased after austempering process. The process includes heating， temperature soak and rapidly cooled （quenched） phase. Will introduce the process base on production experiences. Overview the process such as atmosphere control and quality control.

關(guān)鍵詞：球化退火;下貝氏體;氣氛;碳勢;鹽浴淬火

Key words： spheroidize anneal;lower bainite;atmosphere;carbon potential;salt quench

中圖分類號：TG161? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0108-02

1? 概述

鏈條零件形狀一般比較小，原材料卷鋼是經(jīng)過球化退火的高碳鋼。經(jīng)過球化退火的卷鋼，具有硬度低延展性好的特點，容易成形。為了滿足鏈條的工作需求，需要提高鏈條零件的硬度和機械強度，就需要經(jīng)過熱處理，也就是本文所說的下貝氏體等溫淬火。下貝氏體等溫淬火，簡而言之，就是把鏈條零件加熱到奧氏體相變以上溫度（860度左右）并保溫足夠時間，然后，快速冷卻（淬火）到300度左右并保溫足夠時間。熱處理后的零件，硬度高，心部韌性好，機械強度高。零件的硬度隨淬火溫度增加而降低，通過調(diào)整淬火溫度，可以得到理想的硬度值，不再需要后續(xù)熱處理。這篇文章，討論的對象是以65Mn材料為主的工件。

2? 網(wǎng)帶式氣氛加熱爐

網(wǎng)帶把鏈條零件持續(xù)不斷地輸入到氣氛加熱爐內(nèi)。氣氛加熱爐前端門口有一道火焰簾隔絕外界空氣和爐內(nèi)空氣（爐內(nèi)空氣一般稱為“氣氛”），加熱爐后端由鹽簾和鹽的液面密封。

下貝氏體等溫淬火熱處理的第一步，就是需要把鋸鏈零件加熱到860攝氏度左右。為了把工件內(nèi)所有的球化碳化物溶解，需要在760攝氏度（Ac1）以上保溫至少15分鐘。氣氛加熱爐一般采用電加熱或者天然氣加熱，選擇采用電加熱。加熱爐分為4個加熱區(qū)，分別控制。一般1區(qū)溫度設(shè)在865度，2區(qū)、3區(qū)溫度設(shè)在860度，4區(qū)溫度設(shè)在865度。1區(qū)溫度設(shè)在865度，是為了迅速把工件加熱到工作溫度，2區(qū)和3區(qū)溫度設(shè)在860度，是為了碳化物全部溶解，4區(qū)溫度設(shè)在865度是為了保證工件在進(jìn)入淬火鹽液之前溫度在760度以上，也就是為了避過冷卻C曲線沒有發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。從而保證工件進(jìn)入鹽液以前還是奧氏體。

網(wǎng)帶式氣氛加熱爐，網(wǎng)帶由電機驅(qū)動，且由一系列的托輥，軸承支持其運轉(zhuǎn)以及輸送工件。由于氣氛加熱爐的高溫，加熱爐的爐膛、托輥、軸承以及網(wǎng)帶本身，都是易損件，需要定期點檢和更換。日常保養(yǎng)，就是給軸承定期加潤滑油。

碳鋼金屬工件在高溫條件下，會發(fā)生氧化和脫碳。所以要在爐內(nèi)建立一定碳勢的氣氛，避免高溫氧化和脫碳。碳勢的控制比較復(fù)雜，爐膛混入水汽，密封不良，熱電偶安裝孔漏氣，爐體裂縫，氣體管路堵塞等等問題有可能導(dǎo)致碳勢控制失控。特別是爐膛混入水汽特別難以解決，需要停爐后，重新低溫烘爐才有辦法消除。

3? 可控氣氛

為了避免工件在加熱爐內(nèi)高溫氧化，且控制工件表面的含碳量，需要在爐內(nèi)建立一個可控氣氛。這個氣氛一般由40%的氮氣N2，40%的氫氣H2和20%的一氧化碳CO組成。這個氣體暴露在氧氣中，是易爆氣體。鑒于此，加熱爐的安全措施尤為重要。爐溫低于760度時，須停止氣氛的滴入。低于760度時候，氣氛會在爐門口或在尾氣排風(fēng)口緩慢燒盡?；鹧婧熯@時候，可以保證過多的氣氛會燒盡。另外，在緊急時候，也會通入清掃氮氣加速把爐內(nèi)剩余氣氛趕出爐膛，比如異常停電的時候。在空爐的時候，一定流量的氮氣，也可以保持爐膛的干燥和干凈。

目前，有兩種基本方法制備爐內(nèi)可控氣氛。一種就是吸熱式可控氣氛;制備這種氣氛，天然氣經(jīng)減壓閥、流量計和壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)入混合器與空氣混合;空氣經(jīng)過濾器、流量計進(jìn)入混合器，原料氣與空氣的混合氣由泵鼓入反應(yīng)罐;在管路中設(shè)有安全裝置，如火焰逆止閥等，混合氣在反應(yīng)罐內(nèi)借助鎳基催化劑的作用，溫度約1030攝氏度，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成吸熱式氣氛。第二種可控氣氛的制備方法就是利用氮和甲醇，丙烷作為富化氣體。甲醇在高溫會裂解成氫氣和一氧化碳，液態(tài)的甲醇直接滴入爐膛內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：CH3OH？陴2H2+CO;氮氣直接通入到爐膛內(nèi)。調(diào)整甲醇和氮氣的流量，就可以調(diào)整氣氛各組分的比例。不論吸熱式氣氛還是氮甲醇的方式，都是成熟的技術(shù)。由于公司沒有管路天然氣，所以選擇氮甲醇的方式制備可控氣氛。

在工作溫度（約860攝氏度）下，這種基本氣氛的碳勢約在0.5%。熱處理工件材料是65Mn，它的含碳量是0.56%，因為工件材料的含碳量稍微高于基本碳勢0.5%，所以基本氣氛以外，還需要在爐膛通入一定量的富化氣體，提高氣氛的碳勢，富化氣體選擇丙烷。例如UM-5042氣氛加熱爐，甲醇的流量為75毫升/分鐘，氮氣的流量為2.4立方米/小時，通入流量為6升/分鐘的丙烷。可控氣氛的流量和爐膛的體積、熱處理工件的進(jìn)料速度、以及爐門開口的大小有關(guān)。經(jīng)驗值是，讓爐膛一小時換氣3次。如果爐膛的密封非常好，火焰簾隔絕效果好，可控氣氛的流量可以稍低一點。不過，不論哪一種情況，須保持爐膛有一定的正壓。另外很重要的一點就是，加熱爐后部的廢氣排風(fēng)機須正常工作。

在網(wǎng)帶式氣氛加熱爐，氣氛的注入一般選擇從爐頂注入，且設(shè)在后部的3/4區(qū)。由于爐內(nèi)有1公斤力的正壓，氣氛注入后，會往爐門口擴散。同時，在3/4區(qū)，2/3區(qū)，各設(shè)一個攪拌風(fēng)扇，總共有2個攪拌風(fēng)扇。攪拌風(fēng)扇，會把氣氛更加均勻地擴散到爐膛。同時，為了均勻擴散氣氛和平衡爐膛的氣壓，在加熱爐后端設(shè)一廢氣排放口，改善爐內(nèi)氣氛的流動。

4? 氣氛的控制

熱處理生產(chǎn)不斷進(jìn)行的時候，主要是高溫下，熱處理工件的鋼鐵材料和爐內(nèi)氣氛會持續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會生成少量的水汽，氧氣和二氧化碳，如CO+H20？圳CO2+H2，這個化學(xué)反應(yīng)是可逆反應(yīng)。由于反應(yīng)是可逆反應(yīng)，水汽在爐內(nèi)出現(xiàn)，對碳勢產(chǎn)生很大的影響，而且很難消除。一般把水汽H2O控制在0.8%以內(nèi)，理想情況是0.4%以下，一般可以把H2O控制在0.4-0.6%之間。在生產(chǎn)實踐中，通過三氣分析儀檢測CO，CO2和CH4的含量，CO/CO2的比值可以反映碳勢的高低。然后儀器通過換算，可以計算出C%;另外，也通過露點儀檢測爐內(nèi)的露點，計算C%。不管是通過三氣分析儀還是露點儀檢測碳勢，都需要記錄對應(yīng)的溫度，因為碳勢和溫度相關(guān)，這個可以通過露點儀和三氣分析儀附帶的對照表檢索。三氣分析儀或者露點儀，不怎么適合在線檢測碳勢，一般作為脫線碳勢檢測儀器。它們的碳勢檢測值，作為下述氧探頭碳勢檢測值的對比。同時，常常通過三氣分析儀的檢測結(jié)果，判斷爐內(nèi)水汽是否過多，爐膛是否漏氣。比如CO2的含量高于0.8%的時候，會懷疑有可能鹽里面含水太多導(dǎo)致爐膛水汽過多;CH4的含量過高，有可能是爐膛密封不良。

檢測氣氛碳勢的另外一個常見的儀器是氧探頭。氧探頭通過檢測爐內(nèi)氣氛的氧含量，同時檢測爐內(nèi)溫度，輸出一定的毫伏信號，然后碳控表可以顯示相應(yīng)的碳含量。氧探頭一般作為在線檢測儀器，碳控表碳勢值就可以控制富化氣體丙烷的通/斷。由于氧探頭在線檢測碳勢，爐內(nèi)氣氛中的碳會積在氧探頭的檢測部位，俗稱“積炭”。積炭會影響氧探頭的檢測精度，所以會通入一定流量的空氣，定期把氧探頭上面的積炭燒去，一般稱作“氧探頭燒碳”。

檢測氣氛碳勢的儀器很多，如上述的露點儀，三氣分析儀和氧探頭，它們的檢測值或多或少都會有誤差，可能由于儀器本身校準(zhǔn)的問題，也有可能由于取樣偏差。因此，最后會通過定碳片的方法檢測碳勢。定碳片是含碳量幾乎為0的薄鋼片，把3片定碳片，放在網(wǎng)帶爐的網(wǎng)帶的左/中/右三個位置，隨工件進(jìn)入爐內(nèi)。定碳片在爐內(nèi)期間（45分鐘），它的碳含量會和碳勢平衡。通過檢測定碳片的含碳量就可以準(zhǔn)確地知道爐內(nèi)氣氛的碳勢。

同時也通過檢測工件熱處理后的兩種不同標(biāo)尺的硬度，推斷氣氛碳勢的高低。熱處理后的工件要求檢測HRC和HR15N，HRC是硬度計的壓頭，以150公斤力的靜載壓入工件，檢測其硬度，由于其壓入深度比較深，一般也稱為心部硬度;HR15N是硬度計的壓頭，以15公斤力的靜載壓入工件，檢測硬度，由于其壓入深度比較淺，一般也稱為表面硬度。HR15N硬度可以通過標(biāo)準(zhǔn)換算表換算成HRC。如果HR15N的HRC換算值，比HRC的檢測值高，說明工件表面有滲碳，也就說明氣氛的碳勢偏高;如果HR15N的HRC換算值，比HRC的檢測值高，說明工件表面有脫碳，也就說明氣氛的碳勢偏低。這是因為，如果氣氛碳勢偏高，氣氛的碳含量會滲入工件表面，導(dǎo)致工件表面碳含量增加，工件表面由于碳含量增加，硬度會升高。如果氣氛碳勢偏低，工件表面會發(fā)生脫碳現(xiàn)象，工件表面由于碳含量降低，硬度降低。

5? 下貝氏體等溫鹽浴淬火

當(dāng)工件從高溫的加熱爐掉入鹽浴槽中時，它們應(yīng)從加熱爐的860度瞬間冷卻到淬火溫度300度。任何延遲，將有可能導(dǎo)致不完全淬火。也就是冷卻沒有避開C曲線，而是穿過C曲線，奧氏體重新相變?yōu)橹楣怏w，而不是想得到的下貝氏體。奧氏體相變?yōu)橹楣怏w后，和原材料的球狀珠光體類似，硬度低，機械強度低，從而沒有達(dá)到熱處理的目的，需要避免。因此，加熱爐到鹽浴淬火槽落料斗的設(shè)計就是整條下貝氏體等溫淬火熱處理線的關(guān)鍵，須要保證工件可以快速地掉入到鹽槽鹽里面，同時又必須保證爐內(nèi)氣氛的密封性。

鹽浴淬火槽鹽液的溫度決定了工件熱處理后硬度。因為鏈條不同零件有不同的硬度規(guī)格，所以須要根據(jù)不同鏈條零件的硬度值設(shè)置鹽溫，一般而言，1℃會影響HRC 0.1，也就是說升高鹽溫1℃，硬度會降低0.1 HRC;降低鹽溫1℃，硬度會增加0.1 HRC。對于材料為65Mn的工件，鹽浴淬火處理時間一般設(shè)為45分鐘。

參考文獻(xiàn)：

[1]林建榕.工程材料積成形技術(shù)[M].高等教育出版社，2013（6）.

[2]熱處理手冊[M].四版，機械工業(yè)出版社，2008.

[3]ASM Handbook， Volume 4 Heat Treating，2002 version.