真空氣淬的冷速與氣體的種類、氣體壓力、流速、爐子結(jié)構(gòu)及裝爐狀況有關(guān)??晒┦褂玫臍怏w有氬、氦、氫、氮。與相同條件下的空氣傳熱速度相比,設(shè)空氣為1,則氮為0.99,氬為0.70,氫為7,氦為6。熱處理用氣體技術(shù)條件見下表。
在任何壓強(qiáng)下,氫都具有最大的熱傳導(dǎo)能力和最大的冷卻速度,氫可以應(yīng)用于裝有石墨元件的真空爐,但對含碳量較高的鋼種,在冷卻過程的高溫階段(1050℃以上)有可能造成輕微脫碳,對高強(qiáng)度鋼有造成氫脆的危險(xiǎn),因此,真空高壓氣淬人們不會(huì)選用氫作為冷卻介質(zhì)。
冷卻速度僅次于氫的是惰性氣體氦。在空氣中He僅含0.0005%(體積分?jǐn)?shù)),一般在天然氣液化過程中制取He比N得價(jià)格可高至上百倍,只有在某些特殊場合下才選用氦氣作為真空氣淬介質(zhì)。
氬的冷卻能力比空氣低,它在大氣中的體積分?jǐn)?shù)為0.93%,用壓縮空氣使之液化,精餾而來的氬成本較高,所以它也不是理想的高壓氣淬介質(zhì)。
氮的資源豐富,成本低,在略低于大氣壓下進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán),冷卻強(qiáng)度可上升20倍。它是使用安全、冶金損害小的中性氣體。在200~1200℃溫度范圍內(nèi),對常用鋅合金壓鑄模具鋼氮呈惰性狀態(tài),所以氮是鋅合金壓鑄模具高壓氣淬較理想的淬火介質(zhì)。
氮中含氧(如體積分?jǐn)?shù)達(dá)0.001%以上)可使高溫下的鋼產(chǎn)生輕微的氧化、脫碳,因而,一般常規(guī)使用的高純氮的純度為99.999%(相對露點(diǎn)-62℃,相應(yīng)于真空度1.33Pa)。鑒于高純氮價(jià)格昂貴,有時(shí)在無特殊要求的情況下,可選用一般氮?dú)狻?shí)踐證明,這對一般的鋅合金壓鑄表面狀態(tài)無明顯損害,工業(yè)上用普通氮?dú)獾募兌葹?9.9%。氧氣站提供的氮?dú)夂趿扛哌_(dá)1.5%(體積分?jǐn)?shù))和較多的水,因此必須經(jīng)過凈化后方可使用。
在高壓氣淬時(shí),為了使淬得高硬度,往往會(huì)提高冷卻氣體的壓力。淬火冷卻速度隨氣壓上升明顯提高,但并非氣壓越高越好,對于尺寸較大,比表面小的鋅合金壓鑄,在更高的氣壓下,決定冷卻速度的主導(dǎo)因素是鋼的內(nèi)部熱傳導(dǎo)。因?yàn)檫@是對流傳熱加速冷卻的效果難以達(dá)到中心。此時(shí)提高氣壓對增大冷卻速度的作用不十分明顯。又考慮到一般的真空爐只在低于大氣壓時(shí)密封效果較好以及為了節(jié)約高純氣體,故真空氣淬時(shí)的常用壓力為0.5×105~0.8×105Pa,最高取0.92×105~0.99×105Pa,有試驗(yàn)表明,對由M2鋼制成的φ25mm×40mm試樣,裝爐量100kg,施以下處理工藝:850℃×25min+1050℃×15min兩次預(yù)熱,1220℃×4min加熱,氣淬冷至550~500℃出爐續(xù)冷。當(dāng)淬火氣體壓力為1×105Pa時(shí),冷卻需185s,2×105Pa時(shí)為110s,5×105Pa時(shí)為55s。即隨著氣體壓力的升高,冷速加大,冷卻時(shí)間減少。560℃×1h×2次回火后硬度由750HV提高至880HV(65HRC)以上。
此外,加壓氣淬還擴(kuò)大了鋅合金壓鑄模具鋼氣淬的材料品種和尺寸范圍,但氣壓又不能太高,由于動(dòng)力和氣體消耗成比例的增長,設(shè)備需有嚴(yán)格的防護(hù)措施等。
提高氣體的流速可以提高其冷卻速度,例如,當(dāng)氣體流速從10.2m/s提高到50.8m/s時(shí)(一般情況下步大于25m/s),氮、氫、氦的對流傳導(dǎo)系數(shù)將提高3倍。
為了提高氣體冷卻能力,確保工具淬火質(zhì)量,應(yīng)采取合適的裝爐量,一般只裝額定值得60%~70%,工件在爐中保持上下、左右、前后適當(dāng)?shù)拈g隔,均勻有序的擺放工件,也可以進(jìn)一步改善冷卻時(shí)的熱交換條件。真空淬火質(zhì)量是好,但裝爐量有限,是制約真空爐在刀具業(yè)快速發(fā)展的因素之一。
關(guān)于真空淬火工件的變形問題,與常規(guī)熱處理相似,引起真空淬火變形的原因是組織應(yīng)力、熱應(yīng)力及火前工序留下的殘余應(yīng)力。在加熱、冷卻過程中,當(dāng)工件處于塑性高的狀態(tài)時(shí),工件的自重、相互擠壓、振動(dòng)等也將導(dǎo)致變形并使淬火變形復(fù)雜化。實(shí)踐考證,真空淬火工件的變形平均小于常規(guī)工藝,只有鹽浴加熱淬火的1/10~1/2。