盐浴淬火的新发展

综 述 本 筮箍李 透 盐 浴 淬 火 的 新 发 展 -T G l}， ． ／(7 [美]R．w．FOREMAN F。r ．1霞 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 一 近年来，盐浴淬火有许多新的发展。现 度来取稍高手或低予Ms点的温度 个领域是定量数据新近的发展对盐浴淬火的 可变数如零件重量、搅拌、加水量和盐的成 分等的影响。这些因素与钢号或铸铁淬透性 相关。第二个领域是包括化学热处理盐洛调 整和再循环以复原 处置问题出通常想象的 少·第三个和最有发展前途的领域是等温淬 火的球墨铸铁(ADI)。这种的成分控锚 和台适的热处理已取得很大的进步 。 等温淬 火的球墨铸铁的性能等同于或高于锻钢 ， 而 成本有重大的节约。为了生产等温淬火球墨 铸铁，盐浴淬火是永恒不变的。 分级淬火和等温淬火 分级淬火(通常称为马氏体等温淬火)包 括奥氏体化的钢或铸铁的间断淬火 。 这种淬 火是在零件 冷却经过马氏体区之前靠近马氏 体转变温度时使零 件内外达到温度均匀时完 成的n与常规的水或油中淬火相 比 ， 它的变 形、裂纹和残余应力可以减到最小 等温淬 火 的操作类似分级淬火。但它在高于马氏体 转变温度和低于珠光体转变温度下零件保持 足够长的时间以得到贝氏体或奥氏体铁素体 (dusferr~te)即ADI组织。这样处理 的零 件可以提高塑性、韧性和强度，而变形大大 减小。硬度一般低于分级淬火的零件。囝 1 所示为这种工艺的时间温度关 系 与 台 金钢 TTT图的叠加。正如所知的那样，分 级 淬 火温 度太多数可根据零 件 要 求 的 冷 却 逑 锋锻热——热处理实践 1994， ．2 图 1 TTT图 无论是分级淬火或等温淬火，熔盐是优 先选择的淬火介质。它应提供最宽的工作温 度范围，具有高的导热性和热容量，并在谇 火时几乎没有蒸汽阶段。 I对淬火盐的主 要成分和性能与分级淬火油进行了比较． 毫1 淬火盐主量成分和性健与淬火油的比鞍 成分 KN℃ XaNoo．Najf0口I碳氢化台蛔 工作温度范围 1． 2 。 1 ． 8 29 0 2 。 密度(2 r)0‘d) 帖度C、P 200。O 31 5oG 比热 。．3T 。．5 导 性 0 i8}m 热稳定性 到 54o a 【到 23o。d 熔点最低的淬火盐是硝酸钾和硝酸钠混 一 5 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 合盐 含硝酸钠的较高熔点的盐是三种原料 中最便宜_韵。熔点约为1 35℃的最低熔点的 盐在 17"／℃ 以上使用有充分的流动性 淬火 盐的使用范围如果加水使用可 以降低到整个 分级淬火范围 由于盐 有的热 稳 定 可 高 到 538~C ．它可 以在整个分级淬火和等温淬 火温度范围内使用 盐浴设备 和工艺 过程 最早的分级淬火和等温淬火是在通常用 于奥氏体化盐浴(中性氯化物盐)的成批生产 炉中进行的，并用于低容量或特殊工件的加 工车间 在过去25年 中，有两种通用 型 号 的日益增加的自动化和计算机化的大批生产 系统进入使用。第一种型号采用气氛奥氏体 化(渗碳或中性气氛)然后盐浴淬火。第二种 型号采用奥氏体化盐 浴 并 迅 速 转 入 淬 火 盐。 无论是大批生产或连续生产各式各样的 事实上均采用了用于盐浴淬火的气氛保 护炉 几乎所有的气氛保护炉都使用盐浴淬 火 。在采用连续炉时，为了保证气氛与盐 浴的台适交接，少量的设计更改是必要 的。 有一些早期的气氛 ／盐浴淬火炉 的 故 障 会 导致激烈的反应。可能的事故来自于气氛生 成礞黑， 它能被硝酸盐迅速的氧化。所有的 现代化设计都要避免这个问题。 周期炉和半连续气氛炉与盐浴淬火一样 使用十分普及 它能适合许多种类和多种尺 寸的零件。火箭外壳分级淬火系统是一个实 例，最近装配了一套包括高钴／镍锻造 钢 火 箭外壳奥氏体化用的大型保护气氛立式炉和 十分大的盐浴淬火槽，图2所示 为 其 顶 视 图。 ． 盐浴直接为 ．5m 深 7．0m 盐沿工 作面深为5．2m。广 泛的搅拌和辐射管加热 器是设计的整体部分。充满该浴 槽 约 需 要 。95，oookg盐 ． 一 8 ～ l，D。 L 图2 火箭外壳盐浴淬火炉 对生产等温淬火球墨铸铁(ADI)用的半 连续式保护气氛一盐浴淬火设备亦有特殊的 兴趣。在这种通常用的盐浴中往往保持非常 高的水份百分率。这将在新技术 中进 一步讨 论 。 在广泛的各种设计 中，等温 淬火盐浴亦 有用中性氯化物盐浴的【 。最现代化的盐浴 是内部用电加热的 它具有较高的能效。常 常使用这种类似设计的预热盐浴。淬火盐浴 采用煤气加热的辐射管或电阻加热器 考虑 了合适搅拌、温度控制和在许多场合下盐浴 需要加水的问题 在大型的 自动化系 统 中， l预热、奥氏体化盐浴和淬火盐浴独自操 作， 而顺次具有先进技术的能迅速传递的受计算 机控翩的机构。芬具有合适 的空冷、回火和 清洗位置。 渗碳钢有时需要在盐浴中进行分级淬火 或等温淬火来同时获得高的表面硬度和较韧 的心部性能。目前，这种工艺多半在保护气氛 一 盐浴系统中完成的。采用氰化盐基的渗碳 以前是一种重要的工艺方法．但 由于在硝酸 盐中淬火的安全性和氰化盐的处 置 两 个 问 题，使用这种方法已大大减小。 特 殊 应 用 采用盐浴进行分级淬火和等温淬火有许 1 99：~．舳 ．2 奠锻热—一热处理实囊 维普资讯 http://www.cqvip.com 多特殊用途。美国金属协会(ASM)手册 4卷 在关于分级淬火和等温淬火章节中列举了这 些特殊应用的实例。表 I列举了其中一些零 件的钢号 断面尺寸、零 件重量和使用温度。 ⋯ 赢 l 2：1 0辅 8G 1 - j。·湘I。 I∽ s z 蠓{全 l 13823 机6 I I 420 0 l蛐 对现行用户和设备制造厂的部分调查结 果透露 ，已有 】0多套用盐浴淬火的新 装 备 在建设 中 这种设备将用来热处理诸如输送 带链杆、宇航零件、球鞋刀 链锯片 各种 紧固件和不同的齿轮。此外，更新的应用包 括球墨铸铁的等温淬火，并由此得出 结 论 盐浴淬火正在 日益增加。 性，并对污染相对的不敏感 (5)零件 上的全部水溶性外壳很容易清 洗掉，在许多场合下 ，无论是作为无害废物 舳处理或如果需要或希望回收也很容易。 (6)特别适合于大零件和产 量 高 的 系 统，占地面积小。 盐浴淬火具有如下缺点稿1局限性： fI)因为硝酸盐在 l 35℃左右凝结，它 不适用于低温淬火。 (2)凝结会使间断使用复杂化，并且能 效低。 (3)因为硝酸盐是氧化剂，最好的预 防 措施是必需避免带入氧化性物质如碳黑 、 油 或氰化物。必须避免强烈的过热 或盐浴引 起钢或铸铁氧化。 (4)因为盐是比较贵的淬火剂 要注意 避免过份的 带出”。有效的清洗和再循环也 可以克服这点。 (5)虽然制订了良好的排除污染物的方 法，但排除某些污染物比排除通常用的淬火 剂更复杂。在某些场合下 在污染物方面盐 糌优于通常的淬火剂。 盐浴淬火的优缺点 新 技 术 早期就认为盐浴淬火有一些优点。盐浴 淬火与所有的油或水基淬火剂淬火相比具有 如下优点： (1)减小(通常明显的)变形 和 残 余 应 力，并在分级淬火中硬度摁失很小或没有损 失。等温淬火变形大大减小，并具高 塑 性 、 韧性和强度，碰度稍有降低 ． (2)淬火温度和搅拌可广泛的选择，而 与大的粘度变化，过量的蒸汽阶段、热不稳 定性，氧化(着火)或气雾无关 。 (3)通过调整淬火变数，可以广泛选择 淬火强度(淬火速度)的范围，。而不改变基本 的剂具淬火分或浓度(水基)。 (4)成有良好的热稳定性和化 学 稳 定 铸锻热——热处理实践 1994+舳．2 近几年来，在盐浴淬火技术方面有许多 进展。大部分是改进而有一些可以认为是革 新。这些进展如下： (1)用 计算机控制的机器人操作系统， 它使从奥氏体化到淬火和在整个系统中零件 的移动快得多并且比较平稳。 (2)能效更高的等温淬火工艺和盐浴淬 火炉。它采用更好的绝缘和在等温淬火盐浴 中采用高级 的电极设计 (3)淬火盐浴中的搅拌和加热器系统兼 能提供更均匀的流动和温度控制并配台安全 加水。 (4)采用较方使和安全的小团丸形式来 提供比较可靠的淬火纯盐。 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 在接近 549~C和 260℃ 之间的温度区间 平均冷却速率是由总的冷却速度来确定的并 分成许多区间 因为在该温度范围内并包括 大多数钢种的珠光体鼻尖区内。这些曲线几 乎呈线性。这些平均冷却与淬火变数有关的 这些平均冷却速率是有用的。关于特殊钢或 铸铁，可用的冷却速度范围较窄。 可以预料主要效应重量(断面尺寸)、流 动率和加水量 业已发现，盐浴温度、硝酸盐 ／亚硝酸盐成分和氯化物或碳酸盐的存 在 影 响要比预计的小。图 6所示为在一定条件下 重量对盐浴淬火速率的影响。因此不管盐浴 温度、加水状况或流动率，已发现重量影响 是重大的。 盐浴温度I77 O低熔点盐iI． ％水 流动率 1oof／m。 图 6 断面大小(重量)对盐浴淬火速率的影响 由图7表明 搅拌(流动率)亦是一个重 要因素。甚至在干盐(不加水)中，施加最柔 和的流动率 38cm／8 平均冷却速率可 以加 倍 盐浴加水时，其作用甚至更大。由此得 出的一条重要结论是，在淬火零件周围盐液 均匀流动对于减小冷却差和变形是十分重要 的 。 ’ 盐浴内加水亦台明显地增加淬火速率。 图8所示为加入低百分率水并给予相当高的 揽拌对冷却速度的影响。在标明的盐浴温度 铸锻热——热处理实践 1994 ．2 图 7 搅拌对 冷却速率的影响 下通常采用 2^v3％ 水可使冷却速率 再 增 加 1／2。当存在低搅拌时，加水的影响甚 至 更 大。 图 8 盐浴淬火中_，R的影 响 业已发现，盐浴温度的影响相对 地 小． 已发现当盐浴 温 度 从 177℃升 高 到 260℃ 时，冷却速率只约降低IO嘶。硝酸盐亚硝酸 盐的混台盐因为熔点对冷却速率没有影响， 而且，氯化盐的存在 (从奥氏体化盐浴中带 来)对平均淬火速率影响十分小。 这些数据可以用于许多方面： (I)为特殊的合金和断面尺寸选择淬火 条件． (2)可为某种已知淬透性的合金完全淬 硬确定摄大断面尺寸 (3)评定某种未知淬透性的台金的盐浴 淬透性 一 9 一 口 ￡ § L。 维普资讯 http://www.cqvip.com (4)为具有不希望有的杂质或成分的工 业淬火盐进行对比。为监视某种工业淬火盐 浴的淬火速率提 供方法。 研究局 限在常用盐褡淬火的三种台金上 完成的，即在具有淬火速率测定的同一条件 下不阿的断面 的三种台金在U形管内 淬 火． 试验结果概括于圈9。正如所料 ，为了达到 最大硬度 ，碳钢需要相当高的冷却速度。 4340 cJ一 26) ： 嚣 _ nR 图9 对于盐浴淬火的硬度与冷却 速率关系 需要做更多的工作来扩展本文所开列的 数据在迄今为止的范围之外有特殊需要研究 包括更多的铁台金和加水／搅拌相互作 用 的 方法。亦要开发能相互联系的数学关系式。 回收／再循环 硝酸盐／亚酸盐是高度水涪性的，一 般 使用几年后会被清洗的水稀释，并排入下水 道系统。基于硝酸盐是一种肥料和有助于消 化废物的事实，对市政处理系统 实 际上 有 利。然而，目前污水排出到下水道大部分地 方有严格的限锄 解决污水排际和作为一种 降低盐浴淬火的总成本的方法 由于这两种 原因 清洗水的再循环正在日益增船。为了 使水煮除的能量成本最低，再循环器操作采 用二段或三段清洗系统 第一阶段清洗水中 含盐达 2O嘧，然后清洗的水含盐较稀 (5嘶 和1嘶)，只有浓度较大的清洗水为回收才需 一 1O 一 要蒸发。浓度较稀的迁移到浓 度 较大 的 违种添加水的方法甚至可使用若干戎所有浓 度的晴洗水补充到淬火盐中。有一种可能的 代价是更小的杂质如碱性碳酸盐有增加的趋 势。但是 它可 以通过用稀硝酸水洗液的酸 化来中和。 盐灌一到盐浴淬火的问题之一是淬 火 盐 沿中氯化物的增加。正如前面所述，它与淬火 没有妨碍，但是，它会累积到超过它的溶解 度极限 在加热器表面和处理设备上的沉淀 物将成为一个问题 。近来，开发了连续过滤 系统在重要部位采用装有台适尺寸的网筛的 吊筐，使该问题基本得弛解决 而且，已开 发了一种专利的方法并 已成功地使用，可以 回收沉淀聚集在这吊筐中 9O嘶 以上的 硝 酸 盐。因为沉淀物(通常认为是渣)一半以上是 硝酸盐 ，最后的固体废料有别于 吊 筐 沉 淀 物，属于非危险性废盐，这种方法在经济和 生态两方面都有吸引力。 、 在一些盐浴淬火系统中，通常它们用于 重大装载或大件淬火．碳酸盐会增加，硝酸盐 ／亚硝酸盐热分解的最终产物的碳酸盐 会 超 过溶解度极限。这个问题可以通过一种专门 方法来中和，它包括将一种硝酸基溶液直接 加到熔融的淬火盐内。 等温淬火的球墨铸铁 等温淬火的球墨铸铁很迅速的广泛使用 并成为重要的工程材料。目前，在汽车．农机， 重工业、运输 军事和建筑工业中至少有100 种用途．近几年来，关于等温淬火 球 墨铸 铁已有大量的信息报道。本文发表的参考文 献提供许多有关报导．等温淬火球墨铸铁是 一 种台金化了的和经过热处理的 (采用盐浴 淬火)球墨铸铁。常规球墨铸铁除典型的C、 Si含量和低Mn．S、和P外，通常还加诸如 Ni、Cu和有限的Mo等台金元素来提高其可 热处理性。美国材料试验协会 (ASTM)最近 1994． ．2 替锻热——热魁理实践 ∞ 叫 蛐 蛐 蛐 维普资讯 http://www.cqvip.com 采用五种等温淬火球墨铸铁标准牌号。这五 种牌号见表 3。这些牌号的物理性能见图lO 表5 五种 s^T聃标准的等温淬火球墨铸铁 牌号 (ASTM 897—90) J 嘻 2 I 1 0 50 3 1 )200 4 。 】400 屈服强度 l廷伸率‘ I ％ 550 700 850 】00 1 0 7 4 j NIA 冲 击能 ‘ 丁 1 0_ 80 60 35 强i 典型硬度 曲 2G9～ 32l 302～ 363 3dl～ 444 444～ 5 55 ’ 最小值 。无汝口卡皿试样在 22土4oC试验 1．抗拉 强度 Af 2．屈服 强 度MPa 3．延伸率i0× 4 冲击值 图 i0 典型的等温淬火球墨铸铁性能与 布氏磋度的关系 生产等温淬火球墨铸铁所要求的热处理 方法，是在控制奥氏体化和淬火的温度和时 间两方面有一些要求。为了用碳充分饱和奥 氏体，奥氏体化时间必须足够长。淬火速率 要足够的高来越过珠光体鼻尖 为了得到正 确的显微组织，还需要在23O一400℃温度范 围内有合适的时问以提供必要的等温条件。 这种显微组织是弥散在富碳奥氏体内的针状 铁索体，它自B提供等温淬火球墨铸铁韵杰出 铸锻热——热处理实践 1994．蛐．2 性能。 它不是贝氏体，称为 奥氏体铁素体 比较确切。不同的等温淬火球墨铸铁牌号主 要产生于不屙的淬火温度。牌号(3—5)淬火 温度低 ，其结果获得较 茸的强度 较 低 的 塑 性 ，而牌号(1和 2)淬火温度高，其结果强 度较低而塑性较高 等温淬火球墨铸铁的一 个重要特征是机械加工会导致表面硬化，因 此能提供杰出的抗磨损性能。 关于等温淬火球墨铸铁 的反面报道，可 以归因到铸件成分差或热处理不当。目前等 温淬火球墨铸铁的生产厂家其产品g9师以上 可以达到合格的性能。相对而言，未合金化 的等温淬火球墨铸铁在淬火中的关键因素之 一 是避开珠光体鼻尖需要高的淬火速度。最 少有一家生产厂家为了达到需要的淬火速度 采用 了在淬火盐浴中加入较高的水量 。生产 等温淬火球墨铸铁 目前采用气氛保 护一盐 洛 淬火和盐浴(加热卜盐浴淬火两种方法 等温淬火球墨铸铁的低成本、重 量 轻、 形状接近图纸、杰出的强度、塑 性 和 耐 磨 性 ，并且它的性能可 以通过选择不同的热处 理来改变，在未来的几年中它的使用将 会有很大的扩展，盐浴淬火相应地 亦会增加。 结 论 采用盐浴进行分级淬火和等温淬火是重 要的并 日益增加的热处理方法。结合新的虚 用，在设备 、工艺过程和安全方面 有许多改 进 ，生态问题韵锵决， 盐浴淬火较完善的 控翩在不久的将来均可实现。 参考资料(略) 谢燮揆译 自 ~Industrial Heating~ 1993 March]P 41—47] 肖顺框 校 对 维普资讯 http://www.cqvip.com