試論耐磨鋼鐵材料熱處理工藝與熱處理爐

程玉清 潘洑滿

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長治 046000

1 熱處理工藝

1.1 必要的預(yù)熱處理

耐磨鋼鑄件只能在退火或正火、淬火和再加熱后進(jìn)行加工，而不經(jīng)過加工的耐磨鋼和鐵材料通常不經(jīng)過退火和正火。退火和正火是為了使鑄件的化學(xué)成分和顯微組織均勻，消除鑄件內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒。淬火和回火前的預(yù)熱處理可提高耐磨鑄件的硬度和沖擊韌性，平均沖擊韌性值可提高30%，硬度可提高1HRC 以上。

1.2 熱處理過程的保溫時(shí)間

耐磨鑄鋼件的熱處理屬于大型鑄件的熱處理領(lǐng)域。高頻淬火和正火是持續(xù)高溫?zé)崽幚砑訜岷捅氐谋匾^程。在加熱爐中將鑄造件熱處理加熱到較高溫度，隨后從熱電偶溫度計(jì)測出環(huán)境保溫溫度，達(dá)到保溫溫度作為平均溫度，而溫度計(jì)的溫度不是鑄件的實(shí)際溫度；從爐口的窺探孔可以看到，當(dāng)鑄造件的色澤與熱電偶溫度計(jì)的色澤完全一致時(shí)，就開始計(jì)算保溫的時(shí)間，保溫的時(shí)間按鑄造件板厚25mm 測算，保溫時(shí)間為1 小時(shí)[1]。一般供應(yīng)的加熱爐大多由計(jì)算機(jī)程序控制，沒有窺視孔，因此有必要根據(jù)實(shí)際情況延長計(jì)算的保溫時(shí)間。

高溫保溫時(shí)間也與鑄件中合金元素的種類和含量有關(guān)。由于元素種類多、含量高，鑄件的保溫時(shí)間會更長。此外，加熱爐電爐和燃?xì)馊加蜖t等的保溫時(shí)間最短，這是在當(dāng)只按厚度計(jì)算保溫時(shí)間而忽略平均溫度時(shí)，保溫時(shí)間明顯較短。鑄件間隙為20-30mm，其淬火、正火、退火的高溫保溫時(shí)間可以按式（1）確定：

t=（0-4）+v×s （1）

式中：t 為時(shí)間；v 為襯板最大厚度；S 為厚度時(shí)間系數(shù)。

1.3 淬火操作原理及控制

1.3.1 理想淬火冷卻曲線

有效控制降溫冷卻速率是高頻淬火整個(gè)過程的重要環(huán)節(jié)。高耐磨合金鋼的高頻淬火是在奧氏體化后以超出臨界值降溫冷卻速度的速度降溫冷卻后得到馬氏體構(gòu)造的熱處理工藝操作過程。理想化的高頻淬火降溫冷卻曲線圖可分為三段。第一階段是：隨著耐磨鋼板鑄造件從鍛爐放到高頻淬火的媒介加入。第二階段是耐磨鋼板鑄造件加入的高頻淬火媒介以超出臨界值降溫冷卻速率的速率短時(shí)間降溫冷卻，這一般稱之為C 曲線圖的牛鼻尖；在第三階段，耐磨鋼板鑄造件經(jīng)過M 點(diǎn)相對比較緩慢降溫冷卻。

1.3.2 三級水冷

在第一階段中，鑄件周圍的水被加熱并蒸發(fā)，形成蒸汽膜，該蒸汽膜熱傳導(dǎo)性差，使得鑄件緩慢冷卻至600o-700o。在第二階段中，水吸收大量熱量并通過蒸發(fā)而沸騰。水的汽化熱為2253 焦耳/克，鑄件迅速冷卻至100o。在第一階段，鑄件冷卻至100o 以下，水的沸騰減弱并停止，鑄件的冷卻速度因?qū)α骼鋮s而減慢。

1.3.3 淬火操作控制

實(shí)際淬火介質(zhì)很難達(dá)到理想的淬火和冷卻效果。提升或翻車操作時(shí)間在第一階段控制，淬火介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)第二階段淬火冷卻曲線，而第三階段難以控制。此時(shí)，有必要采取人工干預(yù)措施：當(dāng)耐磨鋼鑄件被淬火并冷卻到材料的熔點(diǎn)時(shí)，鑄件被吊出淬火介質(zhì)。

在淬火冷卻過程中，為了突破第一階段的氣膜，加速第二階段的汽化，高耐磨鑄造件應(yīng)在高頻淬火媒介中前后兩邊搖擺、左右兩邊搖擺或上下兩邊搖擺，而不是駐留在高頻淬火媒介中。高耐磨鑄造件相互之間應(yīng)保證足夠的間隔距離，一般不小于20-30 毫米，以便淬火介質(zhì)能在鑄件之間充分流動(dòng)，保證良好的淬透性。耐磨鋼鑄件在冷卻到M 點(diǎn)時(shí)處于對流冷卻的第三階段。為了防止鑄件因在水中或油中的冷滲透而破裂，它們?nèi)匀恍枰趍 處冷卻。將鑄件提出，并在空氣中緩慢冷卻。當(dāng)耐磨鑄件在冷卻過程中表面與型芯之間的溫差使其表面溫度上升到m 或更高時(shí)，需要對介質(zhì)進(jìn)行一次或兩次淬火進(jìn)入，以減小鑄件表面與型芯之間的溫差，從而達(dá)到所需的淬火硬度，并確保鑄件不產(chǎn)生變形和裂紋[2]。這種人工干預(yù)方法在第三階段稱為水-空循環(huán)冷卻或油-空循環(huán)冷卻。

1.4 淬火介質(zhì)

耐磨鑄鋼件熱處理和淬火常用的油是全損耗系統(tǒng)油，其名稱、品牌、規(guī)格和性能參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB443-1989。淬火油量為裝爐量的10 倍，儲存條件苛刻，必須采取防火措施。

淬火油回火可去除鉬、鎳和銅。當(dāng)鎢（鉬）含量為0%，鎢（鎳）含量為0%，鎢（銅）含量為0%時(shí)，用32#汽車機(jī)油高頻淬火可得到洛氏硬度60 的鑄造件，用100#汽車機(jī)油高頻淬火可得到洛氏硬度為55hrc 硬度的鑄造件。ZGCr13Mo 在32 號汽車機(jī)油中的高頻淬火環(huán)境溫度可以達(dá)到60o。用汽車機(jī)油高頻淬火得到的高耐磨鑄造件的洛氏硬度主要是在于汽車機(jī)油的機(jī)油粘度。100 號汽車機(jī)油具備較高的機(jī)油粘度，而高頻淬火后鑄造件的洛氏硬度比機(jī)油粘度比較適中的33 號汽車機(jī)油低，因此淬火后的硬度較高。

冷卻油溫對其降溫冷卻效果有相應(yīng)的直接影響。冷卻油溫低時(shí)，油的粘合度大幅增加，流動(dòng)性越來越差，氣泡逃逸速度和對流傳熱速率大幅度降低，降溫冷卻效果越來越差。冷卻油溫低時(shí)，粘合度低，流動(dòng)率好，降溫冷卻效果明顯增強(qiáng)。冷卻油溫通常情況下在30o-70o 中間，最高溫度不超過110o。機(jī)油的循環(huán)過程也直接影響其降溫冷卻速率。油的不斷循環(huán)流通能夠?qū)⒔禍乩鋮s速率從每秒鐘幾度提升到20 攝氏度/秒，還能夠提升氣泡的輸送速率和對流傳熱速率，進(jìn)而勻稱地降溫冷卻鑄件，可以防止油中的鑄件溫度過高，提升油的降溫冷卻效果。一般情況下，淬火油損耗量為每噸鑄造件4Kg，所以當(dāng)淬火油鑄造件生產(chǎn)量比較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充淬火油的消耗。

鹽浴介質(zhì)：

表1 耐磨鑄鋼件常用的等溫淬火鹽浴成分組成和使用溫度表

2 熱處理爐

耐磨鋼材專業(yè)化、智能化生產(chǎn)線設(shè)備的制造不可缺少現(xiàn)代化的熱處理爐。經(jīng)常使用的熱處理爐主要包括連續(xù)性熱處理爐和周期性熱處理爐，熱媒一般是電、液化氣和天然氣。連續(xù)性熱處理爐的爐體為直連式，多見于直線環(huán)狀。幾個(gè)鑄件（或托盤）依次通過爐膛，每個(gè)鑄件（或托盤）在爐內(nèi)通過，并按照相同的工藝進(jìn)行處理，從而獲得相同質(zhì)量的產(chǎn)品。連續(xù)熱處理爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，但慶幸的是鑄件相對比較穩(wěn)定。通常，周期性熱處理爐大都是單爐膛造型結(jié)構(gòu)，鑄件根據(jù)每一個(gè)爐的數(shù)量進(jìn)行裝載，同時(shí)該操作過程在爐膛內(nèi)的具體放置位置周期性地調(diào)整。周期性熱處理爐構(gòu)造比較簡單，但鑄造件的可靠性和統(tǒng)一性比較差。

表2 幾種周期熱處理爐爐膛溫差

連續(xù)熱處理爐大多數(shù)情況下都是用于種類單一、產(chǎn)量超過3000 噸的耐磨鑄件。連續(xù)熱處理爐大多數(shù)情況下都是用于磨球生產(chǎn)，耐磨鑄件球產(chǎn)量才能達(dá)到此規(guī)模，其爐型多為推桿爐或隧道窯臺車爐。連續(xù)熱處理爐類型包括步進(jìn)爐、輥底爐、輸送帶爐和振動(dòng)爐等。連續(xù)熱處理爐需要三班連續(xù)生產(chǎn)，并且只在維護(hù)期間停止。然而，該爐在周期性熱處理爐的周期之間不工作。對于品種多、規(guī)格不同、批次少的耐磨鑄件，不宜選用連續(xù)熱處理爐。表二為幾種周期熱處理爐爐膛溫差。

連續(xù)性熱處理爐的專業(yè)化和智能化程度高，而周期性熱處理爐的專業(yè)化和智能化程度較低，罩式退火爐密閉結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，爐內(nèi)溫度差小，可有效控制在3o 以內(nèi)，被空氣氧化程度低。臺車式熱處理爐的爐口為伸縮式，爐體與臺車式熱處理爐之間的密閉安全裝置為砂封或雙砂封。密閉程比鐘罩式退火爐差，爐口與爐體密封性和隔熱差，從而導(dǎo)致被空氣氧化較為嚴(yán)重。單砂密閉爐體溫度差在10以內(nèi)，雙砂密閉爐體溫度差為可以達(dá)到士5o，臺車式熱處理爐沒有內(nèi)蓋，燃燒器在底部或兩側(cè)。作者測定了臺車式熱處理爐爐門下部與火焰反射孔的溫差大于150o，密封性最差，氧化程較嚴(yán)重。處理高錳鋼時(shí)，氧化皮可達(dá)1.5 毫米以上，脫碳層大于0.8 毫米，不能保證鑄件的熱處理質(zhì)量。密封性能好的熱處理爐鑄件氧化較少，反之，鑄件氧化程較高，在常用的周期熱處理爐中，罩式爐爐膛溫差最小，臺車式燃煤爐爐膛溫差最大[3]。

3 結(jié)語

通過對試論耐磨鋼鐵材料熱處理工藝與熱處理爐的深入分析，可以得到最佳的熱處理方式，從而更好地鑄造耐磨鋼鐵材料，也極大地促進(jìn)了耐磨鋼鐵材料熱處理工藝與熱處理爐技術(shù)的發(fā)展。