嚴永鋒

(益發(fā)施邁茨工業(yè)爐(上海)有限公司,上海 201401)

真空高壓氣淬爐在廣泛運用前,高速鋼的熱處理一般選用真空油淬爐,真空油淬爐處理雖然解決了工件表面氧化的難題,但有以下幾個明顯的缺陷:①冷卻速度無法控制,這樣工件的變形量大;②無法進行設定在某一溫度下的等溫淬火,也叫分級淬火;③淬火油還能導致工件表面增碳,增加了后續(xù)磨削的工作量[1-2]。

真空高壓氣淬爐的工作原理在讓工件在真空環(huán)境中完成加熱后,將惰性氣體(常用氮氣和氬氣做工藝氣)快速注入爐內,使其達到高壓狀態(tài)(通常6～20 kg壓力),并通過爐體內的冷卻循環(huán)系統(tǒng)使得工藝氣體在工件表面快速流動,從而帶走工件的熱量,讓工件快速冷卻下來實現(xiàn)淬火目的。相對于真空油淬,真空高壓氣淬工藝有以下主要的優(yōu)點:①工件表面質量好,無氧化、無增碳;②淬火時冷卻速度相對均勻,工件變形量小;③淬火時冷卻速度可控性好,可以實現(xiàn)等溫淬火;④淬火完成不需要進行后清洗,從而在工件表面有清洗劑殘留;⑤淬火氣體可以直接排放或回收,現(xiàn)場工作環(huán)境比真空油淬爐車間好很多[3-5]。

但人們有個認知的誤區(qū),只要一提到高速鋼的熱處理,絕大多數(shù)客戶就一味地迷信13 kg以上的淬火壓力,在設備選型時特地選用淬火壓力15 kg甚至20 kg的真空爐。部分客戶認為淬火壓力越高,淬透性就越好,就能輕而易舉地實現(xiàn)表面硬度要求,但高壓力帶來的副作用也是顯而易見的,基本上有如下幾點:①變形量大,后續(xù)磨削加工量大;②工件容易開裂;③真空爐制造成本高,這些成本最后只能轉嫁給用戶;④運營成本高,如設計加大后電機的能耗、消耗的介質氣、高壓儲氣罐的采購價等。

現(xiàn)在介紹一款高速工具鋼M42在淬火壓力10kg級真空淬火爐中的應用。最后的探討分析部分再向大家解釋這款爐型為什么能在比其他爐子淬火壓力低很多的情況下一樣能得到預期的淬火效果。

高速工具鋼M42是含Co的W-Mo系高速鋼,國內牌號為W2Mo9Cr4VCo8,在工模具行業(yè)應用廣泛。而鋸條滾刀原材料采用外徑在190～200 mm,加工成產品滾刀后的硬度在一般在67-68HRC.由于鋸條滾刀尺寸較大,原材料碳化物偏析也嚴重(一般在6～7級偏析),常規(guī)的熱處理后, 滾刀在使用過程中,由于被加工材料是彈簧鋼,被加工基背硬度為22-27HRC,鋸條滾刀切削壽命只能達到10 000～15 000 m,加工時滾刀刀刃容易崩刃,造成鋸條滾刀使用壽命較短,主要失效形式崩刃或者早期磨損。

由于鋸條滾刀加工成型比較復雜,加工時間較長.滾刀坯料重量較重,原材料價格比較高,一把M42成品滾刀價格在幾萬元以上,為了提高M42滾刀壽命,解決韌性和耐磨性問題,大家常用的工藝是高壓氣淬,這里采用了某公司生產的最高淬火壓力10 kg的真空爐進行熱處理,采用了等溫冷卻工藝進行測試.等溫冷卻的優(yōu)點可以減少工件變形和開裂的可能性,同時可以增加工件的強韌性。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

鋸條滾刀形貌如圖1所示。

圖1 鋸條滾刀照片

鋸條滾刀真空熱處理工藝升溫保溫和冷卻溫度控制采用N型鎧裝熱電偶,尺寸為D3 m×3 000 mm,插入部位為滾刀有效厚度的1/2深度為20 mm左右。圖2為鋸條滾刀鎧裝熱電偶位置和裝爐方式。滾刀材料: M42;滾刀尺寸: 外形D190 mm×160 mm,內孔直徑60 mm;裝爐數(shù)量: 9個;裝爐質量: 240 kg左右(包括料盤)。

圖2 裝爐和鋸條滾刀鎧裝熱電偶位置

1.2 使用設備

設備為IVA-Schmetz高壓氣淬真空爐,型號為:IU140/1F 60×90×60 1MPa 2RV。

該真空爐是德國Schmetz技術,由益發(fā)施邁茨工業(yè)爐(上海)有限公司制造,如圖3所示。真空爐工藝程序控制是專業(yè)DEMIG編程控制器控制。冷卻風機功率為50/200 kW,最高冷卻壓力為1 MPa。

圖3 施邁茨高壓氣淬真空爐

1.3 測試M42鋸條滾刀真空熱處理工藝

由于考慮M42高速鋼原材料直徑較大,碳化物偏析較大,這樣在高硬度時,材料脆性大,真空熱處理工藝冷卻時采用等溫方法(工藝曲線見圖4)。

圖4 真空熱處理工藝

經過不同真空熱處理工藝測試和鋸條滾刀切削性能測試,合理選擇淬火溫度和時間,冷卻壓力,等溫溫度和等溫時間,最終采用1 160 ℃保溫60 min,用0.8～0.9 MPa冷卻,到300 ℃左右等溫1 h左右,然后快速冷卻到室溫,后期采用550 ℃高溫三次回火。淬火運行工藝記錄如圖5所示。

圖5 真空爐淬火運行工藝記錄

M42鋸條滾刀真空熱處理工藝程序運行,動作和溫度控制,是采用工件熱電偶控制,確保工件心部溫度和表面溫度在程序設定范圍內。采用DEMIG編程控制器編制工藝, 由DEMIG控制器全自動運行,無需人員任何操作。

2 真空熱處理金相組織

圖6和圖7分別為真空熱處理淬火后晶粒度和縱向回火組織,回火程度合格,回火組織為回火馬氏體,三次回火后的硬度為67～67.5HRC。

圖6 淬火晶粒度9.5#～10#(×500)

圖7 縱向回火組織(×100)

3 M42鋸條滾刀使用測試

被加工材料是合金彈簧鋼X32,厚度為1.6 mm.滾齒深度為8 mm,連續(xù)切削,切削壽命可以達到25 000～30 000 m,壽命提高1倍左右。

4 探討與分析

所謂淬透性也就是冷卻速度,此處拋開許多繁雜的原理公式,總結出冷卻速度與被處理爐料、冷卻介質、設備這三個方面的因素有關。

(1)被處理爐料因素:裝料質量、裝料方式、工件材質、工件尺寸、工件形狀、工件結構等等。

(2)冷卻介質因素:冷卻氣體的類型,高速鋼常規(guī)選用實用價廉的氮氣。

(3)設備因素:氣體壓力、氣體流量和流速、熱交換器換熱能力。

不同的爐型,被處理爐料因素和冷卻介質因素是可以做到一致的情況下,那影響最大的就是設備因素了。本次運用淬火壓力只有8～9 kg(爐子設計淬火壓力10 kg),遠遠低于常規(guī)認知的13～15 kg以上的壓力淬火,但工藝測試結果依然非常理想,那不妨來分析一下施邁茨真空爐在淬火壓力不是很高的情況下怎么能得到高速鋼良好的淬透性的。

在設備三個因素中,施邁茨真空爐的淬火氣體壓力不高,那說明氣體流量流速及熱交換器換熱能力有過人之處。

施邁茨669真空爐的冷卻循環(huán)系統(tǒng)(見圖8)內含一個50/200 kW循環(huán)電機、直徑600 mm的離心風葉、全紫銅管換熱器、兩個換熱器翻板。淬火時熱區(qū)翻板全部打開,介質氣體迅速沖入爐內,換熱器水路導通,當氣體壓力達到工藝設置的淬火壓力時循環(huán)電機啟動,先啟動1 500轉/min低速運行30 s,然后自動切換到3 000轉/min高速運行,如圖8所示,離心風葉甩出去的箭頭是冷風,進入換熱器的箭頭是冷風經過工件表面后變成熱風,熱風體經過換熱器翅片換熱后又變成冷風,這樣不斷地循環(huán)帶走工件的溫度,為了保證工件淬火的均勻性,系統(tǒng)還設置了循環(huán)方向自動切換,即換熱器下翻板打開/換熱器上翻板關閉形成如下圖的逆時針方向循環(huán)可以在程序中設定自動切換成換熱器上翻板打開/換熱器下翻板關閉形成的順時針方向循環(huán),循環(huán)冷卻方向自動切換時間間隔設置的是30 s,工件溫度在7 min內就能冷卻到300 ℃進入等溫階段。

圖8 施邁茨臥式真空爐示意圖

工件在如此短時間內就能冷卻下來還要得益于施邁茨真空爐搭配的高效換熱器,一般換熱器采用鋁管或紫銅繞制并焊接加工而成,紫銅的導熱系數(shù)比鋁高很多,通常爐子生產廠家采用紫銅管做換熱器。除了選用合適的材質外,換熱面積的大小也決定了熱交換器的換熱效率。為了增加換熱器的換熱面積,一般采用在管材上纏繞鋁質或者銅質的翅片來增加換熱面積。而這臺爐子搭配的換熱器是由厚壁紫銅管直接壓延而成的整體換熱管,這個比起在銅管上纏繞翅片常規(guī)做法的換熱器換熱效率要高得多得多。圖9就是施邁茨真空爐中搭配的高效熱交換器。

圖9 施邁茨真空爐的高效換熱器

除了設備保證,合理的工藝也是得到合格產品的重要因素,M42鋸條滾刀采用等溫真空熱處理工藝能夠提供產品壽命,同時運用DEMIG控制器全自動運行工藝程序,可以避免人為操作因素。保證產品質量穩(wěn)定性。