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真空油淬爐的碳污染

來源：成都新德南光機械設備有限公司 | 發(fā)布時間：2017-07-23 |

真空熱處理并不是“潔凈”的，“真空”和“潔凈”應是兩個相關但又不同的概念。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，較重的物質彌散在真空腔內，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經(jīng)常帶入淬火油，以及擴散進入的真空泵油附著在加熱室殼體內壁、碳氈和加熱帶上，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，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重，因此條料一側邊緣碳含量高，另一側碳含量低，造成兩側冷作硬化率不一致，從而導致軋制成彎刀狀。

（2）故障現(xiàn)象二

某膜片采用AM350合金制造，調整處理＋時效處理后硬度為370～390HV，比設計≥430HV要求低很多。

原因分析：該膜片所用的條料在反復軋制過程至少進行過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，馬氏體轉變Ms點下移，導致正常調整熱處理后的馬氏體轉變量減少，使后續(xù)時效沉淀強化效果減弱，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。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壁并更換了新的碳氈保溫層和加熱帶后，真空油淬爐加熱零件的碳污染程度。盡管這些試驗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。

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。

試驗也說明，曾認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。雖然試驗沒有爐內碳勢數(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淬火設備問題較復雜，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w_C≈0.058%，采用單室金屬屏真空氣淬爐970℃加熱，2bar（1bar=10⁵Pa）氬氣強制冷卻固溶后，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，在氬氣≥2bar壓強條件下，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