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工具钢的热处理(二)

时间:2020-03-26

工具钢的热处理(二)

       热处理是非常重要的技术,它改变了钢的微观组织结构,因而影响工具钢的力学性能。热处理总体是由升温、保温和降温三个过程构成,具体到每个阶段还有一些工艺细节,比如升温,如何升温?如何降温等都成为热处理的关键,也决定着的热处理的结果。

加热至硬化温度

       正如所言,材料中包含的应力在热处理期间会使其产生变形。为此,应避免加热期间产生热应力。因此,加热至硬化温度的基本规则是:升温过程一定要缓慢进行,每分钟仅增加几度。在热处理中,升温过程被称为斜坡。在硬化过程中,斜坡应该在不同步骤中进行,在中间温度下停止该过程,通常称为预热步骤。其原因是使部件的表面和中心之间的温度相等。通常选择的预热温度为600-650℃和800-850℃。在钢的热处理过程中升温,保温和降温是技术中最为关键的环节。

    在处理具有复杂几何形状的大型工具的情况下,推荐应用第三步预热,在接近完全奥氏体区域。在硬化温度保温时间很难针对所有的情况给出确切的建议。在每种情况下必须考虑诸如加热炉的类型、硬化温度与加热炉的尺寸有关的炉料重量,炉料中不同部件的几何形状等因素。热电偶的使用几乎可以涵盖加热炉中不同工具不同区域的温度,当炉子中的部件的芯部达到预定温度时,斜坡步骤结束。然后将温度保持恒定一定量的时间,这称为保温时间。一般建议保温时间为30分钟。在高速钢的情况下,当硬化温度高于1100℃时,保温时间将较短。如果保温时间延长,则可能出现类似晶粒生长等微观组织结构问题。

淬火

通常应该在快速和慢速淬火速率之间的选择折衷方案。为了获得最佳的微观组织结构和工具性能,淬火速率应该是快速的。为了使畸变最小化,建议使用较慢的淬火速率。缓慢淬火导致部件的表面和芯之间的较小温度差,并且不同厚度的部分将具有更均匀的冷却速率。在低于Ms温度的马氏体范围内淬火时,这是非常重要的。马氏体形成导致材料中的体积和应力增加。这也是为什么在达到室温之前应该中断淬火的原因,通常在50-70℃。然而,如果淬火速率太慢,特别是对于较重的横截面,则可能发生微结构中的不期望的变形,从而存在工具性能差的风险。

  如今,用于合金钢的淬火介质有:硬化油、聚合物溶液、空气和惰性气体。空气硬化保留用于具有高淬透性的钢,这在大多数情况下主要归因于锰、铬和钼的组合存在于钢中。通过阶梯淬火或者分级淬火可以减少变形和硬化裂纹的风险。在该方法中,材料在两个步骤中淬火。首先,将其从硬化温度冷却直到表面的温度刚好高于Ms温度。然后必须保温在那里直到表面和芯之间的温度均衡。此后,冷却过程继续。这种方法允许芯和表面几乎同时转变成马氏体并减少热应力。当在真空炉中淬火时,阶梯淬火也是可能的。

      在一个部件中可以获得的最大冷却速率取决于钢的热导率,淬火介质的冷却能力和部件的横截面积。

   不良的淬火速率将导致在部件芯部的晶粒边界处的碳化物沉淀,并且这对钢的机械性能非常不利的。此外,对于具有较大横截面的工具,较大部件的表面处所获得的硬度可以比较小部件的更低,因为从芯部传递至表面的大量热量会产生自回火效应。

一些实际问题

  在高温下,钢很可能遭受氧化和碳含量的变化(渗碳或脱碳)。保护性气氛和真空技术是解决这些问题的答案。脱碳导致低的表面硬度低并增加了开裂的风险。另一方面,渗碳可能导致两个不同的问题:首先也是最容易识别的是形成较硬的表面层,这可能产生负面影响。其次可能的问题是表面残留奥氏体。在许多情况下,当采用光学显微镜观察时,残留奥氏体可能与铁素体混淆。这两个相还具有相似的硬度。因此,一开始可以确定为脱碳可能在一些情况下是完全相反的问题。由于这些原因,使热处理的气氛不影响部件的碳含量是非常关键的。

       加热时采用密封不锈钢箔包裹在马弗炉中可以提供一些保护。淬火前应取出钢箔。

  真空技术

  真空技术是当今应用于高合金钢硬化的最常用的技术。真空热处理是一个干净的过程,因此部件不需要在热处理后进行清洗。它还能提供可靠的过程控制,具有较高自动化、低维护和环境友好性。所有的这些因素都使真空技术对高品质零件特别有吸引力。

真空炉不同步骤的功能列出如下:

  在充电操作后炉子关闭时,空气从加热室中泵出,以避免氧化。

  将惰性气体(最常见的是氮气)注入加热室,直到达到约1-1.5Pa的压力。

  加热系统启动。惰性气体的存在将使得通过对流机制的热传递过程成为可能。这是将炉加热到大约850℃的最有效的方式。

      当炉子达到约850℃的温度时。辐射加热机制的影响将超过传热过程中对流的影响。因此,氮压力降低,以便优化辐射的影响,并且在这些新的物理条件下对流加热机制是可忽略的。氮气压力的新值约为7mbar。具有该剩余压力的原因是为了避免合金元素的升华,即避免合金元素损失到真空。这种低压条件在加热过程的最后部分,并且在所选硬化温度下的保温期间保持不变。

   冷却将通过大量注入惰性气体(最常见的是氮气)进入加热室,变换方向,达到以前在炉子编程时选择的过压。最大超压是每个炉的标称特性。


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