常壓高速氮氣淬火特性分析

侯立軍 程赫明 李建云 姚激

摘要：淬火作為改善金屬及合金材料性能的主要方式之一，淬火介質的選擇對工件淬火后的質量起到關鍵作用。本文在常壓環境下以高速氮氣作為淬火介質對T10鋼工件進行淬火處理，對高速氮氣的淬火特性和冷卻能力進行評價。研究結果表明：隨著氮氣流速的增大，常壓高速氮氣淬火介質的冷卻能力、工件內外溫差、計算平均冷卻速率都呈現增大趨勢。研究為高速氮氣淬火提供了理論依據。

Abstract： As one of the main ways to improve the properties of metal and alloy materials， the selection of quenching medium plays a key role in the quality of the workpiece after quenching. In this paper， T10 steel was quenched with high speed nitrogen as the quenching medium under the atmospheric pressure， and the quenching characteristics and cooling capacity of high speed nitrogen were evaluated. The research results showed that： with the increase of the flow rate of nitrogen， the cooling capacity of high speed nitrogen quenching medium under atmospheric pressure， the temperature difference between inside and outside of the workpiece， the average cooling rate were all increasing. The study provided a theoretical basis for high speed nitrogen quenching.

關鍵詞：高速氮氣淬火；冷卻能力；淬火特性；溫差；平均冷卻速率

Key words： high speed nitrogen quenching；cooling capacity；quenching characteristics；temperature difference；average cooling rate

中圖分類號：TG156.31 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0100-02

0 引言

隨著現代科學技術的不斷發展，對機械零部件的性能和可靠性的要求越來越高。金屬零部件的內在性能和質量，除材料成份特征外，主要是在熱加工過程中形成的。熱處理是熱加工過程的最后一道工序，起著舉足輕重的作用，重要零部件都要經過熱處理工序[1]做組織和性能的最后調整[2-3]。金屬及合金的淬火是熱處理工藝中的一個重要環節。

金屬及合金材料工件在淬火后的性能主要取決于其在淬火后的微觀組織，而工件淬火后的微觀組織決定于金屬及合金的成份及淬火冷卻速度等因素。改善金屬及合金材料工件淬透效果較為常用的方法有兩種[4]：一是提高材料的合金元素含量使過冷奧氏體等溫轉變曲線右移；二是提高淬火冷卻速度。相對而言，提高淬火冷卻速度的方法簡單易行、成本低廉，但是工件熱應力和組織應力的大小取決于冷卻速度和冷卻均勻性[5]。因此，控制冷卻速度和冷卻均勻性對淬火工藝的優化有著重要意義。

本文在常壓環境下以高速氮氣作為淬火介質，對T10鋼工件展開淬火實驗研究，研究氮氣流速對工件性能的影響。

1 實驗材料、工件及過程

為分析研究常壓高速氮氣的淬火特性，本實驗以碳素工具鋼T10鋼為實驗材料，制作直徑為20mm、高60mm的圓柱形工件。為了便于采集工件內部溫度，在工件距工件側面1mm及中心位置分別鉆30mm深圓孔以便于布置溫度傳感器。溫度傳感器為鎳鉻-鎳硅（Ni-Cr—Ni-Si）熱電偶，工件規格及熱電偶布置示意圖如圖1所示。

為獲取更高的氣流速度及保證淬火介質與工件換熱的均勻性，課題組研制了具有自主專利權的專用淬火冷卻罐（以下簡稱淬火罐），如圖2所示。實驗首先將裝有熱電偶的工件置于加熱設備中加熱至淬火前初始溫度并保溫，本實驗加熱初始溫度為820-840℃，保溫時間為20分鐘，然后迅速將工件移至淬火罐進行高速氮氣淬火處理并同時采用計算機自動記錄淬火過程中的溫度與時間關系數據。

2 實驗結果與分析

不同氮氣流速下工件中截面的冷卻曲線如圖3所示。由于淬火過程中使用了淬火罐，導致淬火介質在工件表面的氣流速度難于測量及從便于工程應用的角度考慮，實驗中的氣流速度以高壓儲氣罐出口處調壓閥的壓力表征，本實驗共用4瓶容積為40L的高壓儲氣罐。

圖3表明，隨著氣流速度的增大，工件冷卻至室溫所需時間逐漸減少，說明高速氮氣的冷卻能力隨著流速的增大而增大。從冷卻曲線發現，不同氣流速度下淬火持續至不同時間時工件溫度出現了增大現象，調壓閥壓力為0.2MPa時約為40s，0.4MPa時約為28s，0.6MPa時約為22s，說明不同氣流速度下工件進入珠光體相變的時間不同，進一步表明氣流速度與淬火能力的相關性。

由圖3測試曲線可進一步計算工件在不同氣流速度淬火過程中工件中截面心部與距表面1mm位置處的溫度差。圖4為工件在不同流速氮氣淬火時內外溫差計算值隨淬火時間變化情況的比較。

圖4表明，淬火開始后，工件內外溫差迅速增大；珠光體相變開始，工件內外溫差減小；珠光體相變結束，工件內外溫差又增大，而后逐漸平穩。隨著氮氣流速的增大，工件內外溫差呈現增大趨勢。不同流速下工件內外溫差，淬火開始階段相差較小，珠光體相變結束后逐漸明顯，這是由于T10鋼材料工件內部傳熱能力所致。

由圖3測試曲線還可進一步計算工件在不同氣流速度淬火時的平均冷卻速率。平均冷卻速率可以用圖3中前后兩個時刻溫度的差值除以兩時刻時間間隔得到。圖5為工件不同流速氮氣淬火時平均冷卻速率計算值隨淬火時間變化情況的比較。

圖5表明，淬火開始，計算平均冷卻速率迅速增大，淬火介質與工件換熱較為劇烈，這主要是由于淬火開始時淬火介質與工件的溫差較大。第一次波峰后計算平均冷卻速率迅速減小，這主要是由于T10鋼材料珠光體相變過程中潛熱釋放導致工件溫度升高，而淬火介質與工件換熱仍持續進行。計算平均冷卻速率到達波谷后又迅速增大是由于珠光體相變結束后工件溫度又開始下降。隨著淬火持續進行，工件溫度不斷下降，淬火介質與工件的溫差逐漸減小，計算平均冷卻速率呈現減小趨勢。隨著氮氣流速的增大，工件計算平均冷卻速率呈現增大趨勢且高溫階段較低溫階段差異更大。

3 結論

為研究分析常壓環境下進行的高速氮氣淬火的冷卻特性和冷卻能力，本文實現了不同氮氣流速下對T10鋼工件的淬火實驗，并得到了不同氮氣流速下工件中截面冷卻曲線，通過計算分析可得如下結論：

①常壓高速氮氣淬火介質的冷卻能力隨著氮氣流速的增大而增大，體現了該淬火方式的可控性，可實現工件不同需求下的淬火處理。

②隨著氮氣流速的增大，工件內外溫差呈現一定增大趨勢。常壓高速氮氣淬火過程中工件內外溫差不大，內部冷卻比較均勻，可預見該淬火方式下工件具有較小的熱應力和熱變形，同時也說明常壓高速氮氣淬火的冷卻能力較低。

③工件的計算平均冷卻速率隨著氮氣流速的增大而增大。工件高溫階段的冷卻速率大于低溫階段的冷卻速率，總體冷卻速率較低。

參考文獻：

[1]曹瑞，孫會.淬火過程數值模擬技術的研究進展[J].材料導報A：綜述篇，2015，29（3）：140-144.

[2]中國機械工程學會熱處理專業學會《熱處理手冊》編委會.熱處理手冊（第一卷）工業基礎（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2001.

[3]戚正風.金屬熱處理原理[M].北京：機械工業出版社，1986.

[4]徐祖耀.材料熱處理原理——相變研究及其應用.中國熱處理年鑒[M].北京：中國熱處理行業協會，2003，213-219.

[5]R.T.von，Bergen.淬火介質的選擇和控制對工程用鋼零件變形的影響[J].國外機車車輛工藝，1995（3）：38-44.