真空油淬爐的碳污染
來源：成都新德南光機(jī)械設(shè)備有限公司 | 發(fā)布時間：2017-07-23 |
真空熱處理并不是“潔凈”的，“真空”和“潔凈”應(yīng)是兩個相關(guān)但又不同的概念。在高真空條件下，隨著溫度升高，各種氧化物、化合物被分解，甚至金屬中的元素也會被蒸發(fā)出來，較重的物質(zhì)彌散在真空腔內(nèi)，并不容易被抽出，成為污染物。而被加熱金屬在高溫下，隨著真空度提高，表面更容易被活化，極易吸收彌散游離的分解物。尤其真空油淬爐加熱室內(nèi)經(jīng)常帶入淬火油，以及擴(kuò)散進(jìn)入的真空泵油附著在加熱室殼體內(nèi)壁、碳?xì)趾图訜釒?，隨后在加熱中揮發(fā)出來成為滲碳劑。
彈性敏感元件多采用奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、高溫合金、精密彈性合金制造，分別含有較多的鉻、鉬、釩、鈦、鈮等元素，與碳親和性很強(qiáng)，能形成一系列碳化物。而且這些合金碳含量都很低，對碳污染更敏感，加之元件的厚度很薄，多在0.07～0.30mm之間，在反復(fù)固溶加熱過程，甚至造成“貫穿性”滲碳，不僅使材料的冷作硬化率提高，破壞了成形性能，而且也改變了材料的其他理化性能。這種采用真空油淬爐固溶處理的工藝，已成為嚴(yán)重影響產(chǎn)品制造和使用性能的障礙。
1.碳污染案例
（1）故障現(xiàn)象一
某產(chǎn)品膜片采用AM350合金帶料制造，經(jīng)過真空油淬爐固溶處理后，在后續(xù)軋制過程，一邊厚，一邊薄，條料形成彎刀狀。
原因分析：條料在料筐中分上下兩層排列擺放，加熱過程上端與下端碳污染比中間嚴(yán)重，因此條料一側(cè)邊緣碳含量高，另一側(cè)碳含量低，造成兩側(cè)冷作硬化率不一致，從而導(dǎo)致軋制成彎刀狀。
（2）故障現(xiàn)象二
某膜片采用AM350合金制造，調(diào)整處理＋時效處理后硬度為370～390HV，比設(shè)計(jì)≥430HV要求低很多。
原因分析：該膜片所用的條料在反復(fù)軋制過程至少進(jìn)行過3次固溶處理，膜片的碳含量由原始的0.096%上升到0.21%，致使奧氏體穩(wěn)定性提高，馬氏體轉(zhuǎn)變Ms點(diǎn)下移，導(dǎo)致正常調(diào)整熱處理后的馬氏體轉(zhuǎn)變量減少，使后續(xù)時效沉淀強(qiáng)化效果減弱，硬度偏低。
（3）故障現(xiàn)象三
某波紋管采用3J1合金制造，管坯固溶處理后，盡管增加液壓壓強(qiáng)也很難脹形，且各段脹形有多有少，還容易破裂。
原因分析：管坯在真空油淬爐中加熱增碳，材料的冷作硬化率提高，脹形到規(guī)定尺寸需要更大壓強(qiáng)。而且管坯各部位碳污染程度不一樣，因此各段脹形也不一致。
2.被污染程度
真空油淬爐加熱碳污染程度的試驗(yàn)中，表1反映了經(jīng)過近十年使用后的真空油淬爐加熱零件的碳污染程度；表2反映了經(jīng)過清理加熱室殼體內(nèi)壁并更換了新的碳?xì)直貙雍图訜釒Ш?，真空油淬爐加熱零件的碳污染程度。盡管這些試驗(yàn)是試片整個截面的碳含量分析數(shù)據(jù)，變化仍很大。
從表1、表2數(shù)據(jù)反映出：
（1）碳含量的增加都非常明顯，即使相對潔凈的加熱環(huán)境，只要真空加熱室內(nèi)帶入少量淬火油就會產(chǎn)生碳污染。
（2）由于3J53含鎳高，被污染的少一些.
（3）與電工純鐵DT4C作比較，含鉻合金被污染的敏感性更強(qiáng)。
表 1
合金牌號 | 加熱溫度/℃ | 碳含量（%） | ||
原始材料 | 加熱時間 | |||
50min | 120min | |||
3J53 | 950 | 0.020 | — | 0.112 |
1Cr18Ni91Ti | 1050 | 0.0883 | 0.153 | — |
注：（1）3J53試片厚度0.12mm，被加熱了120min是隨其他制件固溶處理多爐次累加的大約時間。
（2）1Cr18Ni91Ti試片厚度0.20mm。
表 2
合金牌號 | 加熱溫度/℃ | 碳含量（%） | |||
原始材料 | 加熱時間 | ||||
25min | 60min | 120min | |||
3J53 | 950 | 0.0140 | — | — | 0.1001 |
DT4C | 880 | 0.0328 | — | — | 0.1482 |
PH15－7Mo | 1060 | 0.0648 | 0.0758 | — | 0.2721 |
AM350 | 1050 | 0.0950 | — | 0.1462 | 0.210 |
1Cr18Ni9Ti | 1050 | 0.0873. | 0.0968 | 0.1306 | 0.3241 |
注：試片厚度均為0.15mm。
試驗(yàn)也說明，曾認(rèn)為采用真空油淬爐淬火后，造成表面增碳是入油后產(chǎn)生的觀點(diǎn)有些片面。體積較大的零件在油中固然由于自身溫度和油作用可以產(chǎn)生滲碳，但薄的零件冷卻時間極短，不可能產(chǎn)生如此大的碳含量變化。雖然試驗(yàn)沒有爐內(nèi)碳勢數(shù)據(jù)，但可以肯定，加熱過程碳污染也是主要因素。
3.改進(jìn)措施
3J1、3J53合金對“淬火”冷卻速度要求比較快，一般采用水冷，目前選擇合適的氣氛保護(hù)淬火設(shè)備問題較復(fù)雜，還有待探討。而PH15－7Mo、AM350以及GH4169都是允許空冷的。
奧氏體不銹鋼固溶處理主要是防止碳化物Cr23C6的沉淀析出，一般Cr23C6在940℃以上完全溶解，在700～816℃約十幾秒至1min析出，在600℃需幾分鐘，550℃需幾十分鐘，450℃需要幾十小時或更多才能析出。因此，關(guān)鍵是通過600℃以上溫度所需的時間必須快。
壁厚0.15mm的0Cr18Ni9管坯，原始碳含量wC≈0.058%，采用單室金屬屏真空氣淬爐970℃加熱，2bar（1bar=105Pa）氬氣強(qiáng)制冷卻固溶后，碳含量未發(fā)生明顯變化，其杯突值8.2～8.5mm，塑性良好，600℃敏化處理后也未發(fā)生晶間腐蝕。從記錄儀上查出，即使氬氣壓強(qiáng)僅有2bar，其冷卻速度在700℃時與6bar條件基本一樣，在600℃時僅相差1min左右，用了3.5min，之后距離逐漸拉大。也就是說，利用壁薄熱容量少的特點(diǎn)，在氬氣≥2bar壓強(qiáng)條件下，可以滿足許多奧氏體不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、高溫合金彈性元件固溶冷卻的要求。
作者：葉麗梅，單位：成都成航工業(yè)安全系統(tǒng)有限責(zé)任公司
作者：劉連生，單位：太原航空儀表有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
