硝鹽爐等溫淬火工藝替代研究

■ 劉 永，施國梅，羅美龍，薛怡然

硝鹽爐作為傳統熱處理加熱設備，具有加熱速度快、操作簡單等優點，被廣泛用作中小結構件熱處理設備，同時也是實現典型材料滲碳件等溫淬火工藝的主要途徑，但硝鹽爐存在的環境污染、安全隱患、能源消耗和浪費問題不容忽視。從技術發展和可持續發展出發，需對現有硝鹽爐等溫淬火工藝或設備進行替代。硝鹽等溫淬火工藝涉及18Cr2Ni4WA材料滲碳件，本文試驗針對18Cr2Ni4WA材料滲碳件空冷、油冷等淬火方法代替硝鹽等溫淬火可行性進行驗證，同時采用流態粒子爐進行嘗試性等溫淬火試驗。

表1 18Cr2Ni4WA合金棒材成分（質量分數） （%）

表2 LH1冷卻方式對滲層硬度的影響 （HRC）

1. 試驗方法

（1）試驗材料 采用18Cr2Ni4WA棒料（LH1φ50/LH2φ30）加工成不同厚度（10mm、8mm、4mm）的圓片狀試件，采用18Cr2Ni4WA棒料（LH3φ60）加工成性能試樣，材料化學成分如表1所示。

（2）試驗設備 淬火試驗采用井式滲碳爐對試件/試樣進行滲碳、高溫回火處理，采用保護氣氛熱處理爐加熱，硝鹽爐、油槽等設備淬火；采用電爐回火、冰冷機冷處理。

試驗過程硬度檢測采用全洛氏硬度計，金相檢測采用光學顯微鏡，性能檢測采用拉伸試驗機及沖擊試驗機。

（3）試驗工藝 試件滲碳層深度為0.95～1.15mm，冷卻方式選擇油冷、空冷、硝鹽、流態粒子爐（流態床）等。

2. 試驗結果

（1）不同冷卻方式對滲層表面硬度的影響 滲碳層深度為0.95～1.15mm的試樣，采用不同淬火冷卻方式處理后表面硬度如表2、表3所示。

（2）不同冷卻方式對中心硬度的影響 滲碳層深度為0.95～1.15mm的試樣，采用不同淬火冷卻方式處理后中心硬度如表4、表5所示。

（3）不同冷卻方式對室溫力學性能的影響 按典型件的工藝及標準，對模擬滲碳后的試樣進行不同冷卻方式淬火試驗及室溫力學進行測試，結果如表6所示。

（4）不同冷卻方式對金相組織的影響 試驗選取了LH1不同滲層深度的試樣進行硝鹽爐、空氣、流態床淬火冷卻，并對其進行了滲層及中心組織檢查，結果如圖1～圖3所示。

圖1 硝鹽冷卻試樣滲層及中心組織

圖2 空氣冷卻試樣滲層及中心組織

圖3 流態床冷卻試樣滲層及中心組織

表3 LH2冷卻方式對滲層硬度的影響 （HRC）

表4 LH1冷卻方式對中心硬度的影響 （HRC）

表5 LH2冷卻方式對中心硬度的影響 （HRC）

表6 冷卻方式對材料室溫力學性能的影響

3. 結果分析

18Cr2Ni4WA滲碳件等溫淬火工藝是利用制件滲碳后滲層和心部含碳量不同，馬氏體形成Ms點與Mf不同，在淬火過程中，滲層與心部分別在不同溫度區間內發生組織轉變，以獲得滲層與心部相匹配的性能。制件在高溫熱處理爐中保溫結束后，迅速轉入150～300℃的硝鹽槽中等溫淬火。因為等溫淬火的溫度低于心部的Ms點（見圖4），心部便轉變為低碳馬氏體，具有較高的強度和硬度，而滲碳層此時并未轉變，仍保持著過冷奧氏體狀態，等溫時間到后，在高溫回火時心部低碳馬氏體分解為回火索氏體，強度、硬度降低，韌性提高；滲碳層過冷奧氏體在回火冷卻過程中轉變為高碳馬氏體，并均勻分布著細小顆粒狀的碳化物質點，然后再進行冷處理及低溫回火， 滲層中的淬火馬氏體轉變為高碳回火馬氏體。

從表2和表3中不同淬火冷卻方式的滲層試驗結果來看，冷卻方式對滲層硬度影響不大，基本能夠滿足技術要求，其中硝鹽爐冷卻后的試樣表面硬度略低，主要是淬火加熱設備防氧化保護能力不足和等溫過程中滲層過渡層發生組織轉變綜合造成的，此影響在有效厚度小、滲層淺的試樣上更為突出。

從表4和表5中不同淬火冷卻方式的中心硬度試驗結果來看，冷卻方式對18Cr2Ni4WA材料中心硬度影響較大，流態床與硝鹽爐冷卻后試樣中心硬度基本相當，滿足零件技術要求，油冷、箱式爐冷淬火后試樣中心硬度部分偏高，空冷淬火后試樣的中心硬度達到工藝要求上限值，且分布不均。

從表6不同淬火冷卻方式的力學性能試驗結果來看，試驗所采用的空冷、硝鹽冷、爐盤空冷、流態床冷方式淬火后試樣的各項性能指標均滿足技術要求。空冷和爐盤冷后試樣的強度、硬度、沖擊指標較高，硬度值達到工藝要求上限值；硝鹽冷和流態床冷后試樣的性能指標基本相當。

從圖1～圖3不同淬火冷卻方式的金相組織檢驗結果來看，硝鹽冷、空冷、流態床冷對滲層金相組織影響不大，均為高碳回火馬氏體+碳化物，碳化物呈點狀、短棒狀分布；空冷后的試樣中心組織為板條回火馬氏體+點狀碳化物+少量貝氏體，硝鹽爐及流態床冷卻后的試樣中心組織均為回火索氏體+板條回火馬氏體+點狀碳化物+少量貝氏體。硝鹽爐冷卻與流態床冷卻相比，回火索氏體偏多，回火馬氏體偏少，表明硝鹽爐等溫過程中過冷奧氏體轉變馬氏體的量多于流態床等溫，但均能滿足材料組織技術要求。

圖4 18Cr2Ni4WA材料連續冷卻轉變曲線

4. 結語

（1）試驗所采用的各種淬火冷卻方式均能滿足滲層淬火需求，滲層硬度滿足零件技術要求。

（2）油冷、箱式爐冷淬火方式可以實現18Cr2Ni4WA材料淬火，但熱處理后的中心硬度偏高，不滿足零件技術要求。

（3）爐盤空冷、硝鹽冷、流態床冷淬火方式均能滿足18Cr2Ni4WA材料淬火需求，滲層組織及中心組織、硬度、強度及塑性指標的滿足零件技術要求。

（4）流態床冷和硝鹽冷淬火后試樣滲層和中心的各項技術指標基本相當。