試論耐磨鋼鐵材料熱處理工藝與熱處理爐

程玉清 潘洑滿

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046000

1 熱處理工藝

1.1 必要的預熱處理

耐磨鋼鑄件只能在退火或正火、淬火和再加熱后進行加工，而不經過加工的耐磨鋼和鐵材料通常不經過退火和正火。退火和正火是為了使鑄件的化學成分和顯微組織均勻，消除鑄件內應力，細化晶粒。淬火和回火前的預熱處理可提高耐磨鑄件的硬度和沖擊韌性，平均沖擊韌性值可提高30%，硬度可提高1HRC 以上。

1.2 熱處理過程的保溫時間

耐磨鑄鋼件的熱處理屬于大型鑄件的熱處理領域。高頻淬火和正火是持續高溫熱處理加熱和保溫的必要過程。在加熱爐中將鑄造件熱處理加熱到較高溫度，隨后從熱電偶溫度計測出環境保溫溫度，達到保溫溫度作為平均溫度，而溫度計的溫度不是鑄件的實際溫度；從爐口的窺探孔可以看到，當鑄造件的色澤與熱電偶溫度計的色澤完全一致時，就開始計算保溫的時間，保溫的時間按鑄造件板厚25mm 測算，保溫時間為1 小時[1]。一般供應的加熱爐大多由計算機程序控制，沒有窺視孔，因此有必要根據實際情況延長計算的保溫時間。

高溫保溫時間也與鑄件中合金元素的種類和含量有關。由于元素種類多、含量高，鑄件的保溫時間會更長。此外，加熱爐電爐和燃氣燃油爐等的保溫時間最短，這是在當只按厚度計算保溫時間而忽略平均溫度時，保溫時間明顯較短。鑄件間隙為20-30mm，其淬火、正火、退火的高溫保溫時間可以按式（1）確定：

t=（0-4）+v×s （1）

式中：t 為時間；v 為襯板最大厚度；S 為厚度時間系數。

1.3 淬火操作原理及控制

1.3.1 理想淬火冷卻曲線

有效控制降溫冷卻速率是高頻淬火整個過程的重要環節。高耐磨合金鋼的高頻淬火是在奧氏體化后以超出臨界值降溫冷卻速度的速度降溫冷卻后得到馬氏體構造的熱處理工藝操作過程。理想化的高頻淬火降溫冷卻曲線圖可分為三段。第一階段是：隨著耐磨鋼板鑄造件從鍛爐放到高頻淬火的媒介加入。第二階段是耐磨鋼板鑄造件加入的高頻淬火媒介以超出臨界值降溫冷卻速率的速率短時間降溫冷卻，這一般稱之為C 曲線圖的牛鼻尖；在第三階段，耐磨鋼板鑄造件經過M 點相對比較緩慢降溫冷卻。

1.3.2 三級水冷

在第一階段中，鑄件周圍的水被加熱并蒸發，形成蒸汽膜，該蒸汽膜熱傳導性差，使得鑄件緩慢冷卻至600o-700o。在第二階段中，水吸收大量熱量并通過蒸發而沸騰。水的汽化熱為2253 焦耳/克，鑄件迅速冷卻至100o。在第一階段，鑄件冷卻至100o 以下，水的沸騰減弱并停止，鑄件的冷卻速度因對流冷卻而減慢。

1.3.3 淬火操作控制

實際淬火介質很難達到理想的淬火和冷卻效果。提升或翻車操作時間在第一階段控制，淬火介質可實現第二階段淬火冷卻曲線，而第三階段難以控制。此時，有必要采取人工干預措施：當耐磨鋼鑄件被淬火并冷卻到材料的熔點時，鑄件被吊出淬火介質。

在淬火冷卻過程中，為了突破第一階段的氣膜，加速第二階段的汽化，高耐磨鑄造件應在高頻淬火媒介中前后兩邊搖擺、左右兩邊搖擺或上下兩邊搖擺，而不是駐留在高頻淬火媒介中。高耐磨鑄造件相互之間應保證足夠的間隔距離，一般不小于20-30 毫米，以便淬火介質能在鑄件之間充分流動，保證良好的淬透性。耐磨鋼鑄件在冷卻到M 點時處于對流冷卻的第三階段。為了防止鑄件因在水中或油中的冷滲透而破裂，它們仍然需要在m 處冷卻。將鑄件提出，并在空氣中緩慢冷卻。當耐磨鑄件在冷卻過程中表面與型芯之間的溫差使其表面溫度上升到m 或更高時，需要對介質進行一次或兩次淬火進入，以減小鑄件表面與型芯之間的溫差，從而達到所需的淬火硬度，并確保鑄件不產生變形和裂紋[2]。這種人工干預方法在第三階段稱為水-空循環冷卻或油-空循環冷卻。

1.4 淬火介質

耐磨鑄鋼件熱處理和淬火常用的油是全損耗系統油，其名稱、品牌、規格和性能參照國家標準GB443-1989。淬火油量為裝爐量的10 倍，儲存條件苛刻，必須采取防火措施。

淬火油回火可去除鉬、鎳和銅。當鎢（鉬）含量為0%，鎢（鎳）含量為0%，鎢（銅）含量為0%時，用32#汽車機油高頻淬火可得到洛氏硬度60 的鑄造件，用100#汽車機油高頻淬火可得到洛氏硬度為55hrc 硬度的鑄造件。ZGCr13Mo 在32 號汽車機油中的高頻淬火環境溫度可以達到60o。用汽車機油高頻淬火得到的高耐磨鑄造件的洛氏硬度主要是在于汽車機油的機油粘度。100 號汽車機油具備較高的機油粘度，而高頻淬火后鑄造件的洛氏硬度比機油粘度比較適中的33 號汽車機油低，因此淬火后的硬度較高。

冷卻油溫對其降溫冷卻效果有相應的直接影響。冷卻油溫低時，油的粘合度大幅增加，流動性越來越差，氣泡逃逸速度和對流傳熱速率大幅度降低，降溫冷卻效果越來越差。冷卻油溫低時，粘合度低，流動率好，降溫冷卻效果明顯增強。冷卻油溫通常情況下在30o-70o 中間，最高溫度不超過110o。機油的循環過程也直接影響其降溫冷卻速率。油的不斷循環流通能夠將降溫冷卻速率從每秒鐘幾度提升到20 攝氏度/秒，還能夠提升氣泡的輸送速率和對流傳熱速率，進而勻稱地降溫冷卻鑄件，可以防止油中的鑄件溫度過高，提升油的降溫冷卻效果。一般情況下，淬火油損耗量為每噸鑄造件4Kg，所以當淬火油鑄造件生產量比較大時，應及時補充淬火油的消耗。

鹽浴介質：

表1 耐磨鑄鋼件常用的等溫淬火鹽浴成分組成和使用溫度表

2 熱處理爐

耐磨鋼材專業化、智能化生產線設備的制造不可缺少現代化的熱處理爐。經常使用的熱處理爐主要包括連續性熱處理爐和周期性熱處理爐，熱媒一般是電、液化氣和天然氣。連續性熱處理爐的爐體為直連式，多見于直線環狀。幾個鑄件（或托盤）依次通過爐膛，每個鑄件（或托盤）在爐內通過，并按照相同的工藝進行處理，從而獲得相同質量的產品。連續熱處理爐的內部結構極其復雜，但慶幸的是鑄件相對比較穩定。通常，周期性熱處理爐大都是單爐膛造型結構，鑄件根據每一個爐的數量進行裝載，同時該操作過程在爐膛內的具體放置位置周期性地調整。周期性熱處理爐構造比較簡單，但鑄造件的可靠性和統一性比較差。

表2 幾種周期熱處理爐爐膛溫差

連續熱處理爐大多數情況下都是用于種類單一、產量超過3000 噸的耐磨鑄件。連續熱處理爐大多數情況下都是用于磨球生產，耐磨鑄件球產量才能達到此規模，其爐型多為推桿爐或隧道窯臺車爐。連續熱處理爐類型包括步進爐、輥底爐、輸送帶爐和振動爐等。連續熱處理爐需要三班連續生產，并且只在維護期間停止。然而，該爐在周期性熱處理爐的周期之間不工作。對于品種多、規格不同、批次少的耐磨鑄件，不宜選用連續熱處理爐。表二為幾種周期熱處理爐爐膛溫差。

連續性熱處理爐的專業化和智能化程度高，而周期性熱處理爐的專業化和智能化程度較低，罩式退火爐密閉結構嚴密，爐內溫度差小，可有效控制在3o 以內，被空氣氧化程度低。臺車式熱處理爐的爐口為伸縮式，爐體與臺車式熱處理爐之間的密閉安全裝置為砂封或雙砂封。密閉程比鐘罩式退火爐差，爐口與爐體密封性和隔熱差，從而導致被空氣氧化較為嚴重。單砂密閉爐體溫度差在10以內，雙砂密閉爐體溫度差為可以達到士5o，臺車式熱處理爐沒有內蓋，燃燒器在底部或兩側。作者測定了臺車式熱處理爐爐門下部與火焰反射孔的溫差大于150o，密封性最差，氧化程較嚴重。處理高錳鋼時，氧化皮可達1.5 毫米以上，脫碳層大于0.8 毫米，不能保證鑄件的熱處理質量。密封性能好的熱處理爐鑄件氧化較少，反之，鑄件氧化程較高，在常用的周期熱處理爐中，罩式爐爐膛溫差最小，臺車式燃煤爐爐膛溫差最大[3]。

3 結語

通過對試論耐磨鋼鐵材料熱處理工藝與熱處理爐的深入分析，可以得到最佳的熱處理方式，從而更好地鑄造耐磨鋼鐵材料，也極大地促進了耐磨鋼鐵材料熱處理工藝與熱處理爐技術的發展。