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 度来决定取稍高手或低予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)。这种材料的成分控锚
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
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
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