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高速钢感应加热淬火,可以实现
点击次数: 次 | 发布时间:21-05-06 16:02
  

  1.感应淬火的金属学问题

  (1)快速加热临界点升高

  感应加热的升温速度从每秒几十度到几百度,脉冲淬火更达到每秒数千度(2000~3000℃/s),由于加热速度快,持续时间短,因此淬火温度比一般盐浴淬火温度要高,才能使组织转变为奥氏体并均匀化,表1为T10钢与GCr15钢快速加热时Ac1点随加热速度的加快而升高的有关数据。

  感应加热速度与临界点Ac1的关系

  钢号加热速度/(℃/s)

  原始状态1050100150200300

  T10退火745760765760765765

  淬火735745755755760765

  GCr15退火770810825830835830

  淬火740750785800815810

  从实践中我们了解到,感应加热的淬火温度比常规淬火提高80~150℃,表2为常用钢高频淬火推荐的加热温度。

  常用钢高频淬火加热温度

  感应加热的比功率远比炉内加热大,因此加热速度快,从而促使珠光体向奥氏体转变开始和完成的温度升高所需的时间短。

  钢的原始组织对快速加热时奥氏体的形核、长大及均匀化过程都有很大影响,因而也显著影响感应淬火的温度及淬火的组织与性能。图1为各种原始组织的T8钢临界点与加热速度的关系[1]。片状珠光体较球状珠光体易于完成加热时的组织转变过程,因此同一钢号不同原始组织感应淬火温度t淬必然是:t淬(退火态)>t淬(正火态)>t淬[调质(退火+高温回火)]。图中αo的物理意义:对珠光体,它表示相邻两个渗碳体间距离的一半;对自由铁素体,它表示位错网节点距离的一半。

  快速加热时,Ac3点也随着加热温度的升高而升高,图2示出了亚共析钢在不同的加热速度下得到完全淬火所需的温度。

  (2)快速加热能使钢获得细的晶粒或超细晶粒

  在加热速度较低的范围内,随着加热速度的增大,刚完成奥氏体化所形成的奥氏体起始晶粒显著减小,但在加热速度很高时,奥氏体起始晶粒几乎不再随加热速度的增加而减小。实践证明,在感应加热的实际条件下,加热速度极高,所得的起始晶粒极为细小,并且与加热速度无关。但是,已形成的奥氏体晶粒的长大却与加热速度有关。当继续加热到某一温度时,加热速度越小,所形成的实际奥氏体晶粒越大,如图3所示[2],所以只要加热温度与加热时间控制得当,感应加热是不会产生过热的。

  2.高速钢快速加热各种现象

  (1)高速钢刀片快速加热

  早在1923~1924年间,前苏联沃洛格金就开始研究高速钢刀具高频淬火,可惜没有成功[3]。没有成功的原因认为高速钢制工具必须完全被淬透,或者所得的高热硬性和高强度的淬硬层比较厚才行,同时也担心高频淬火碳化物溶解不良影响其他性能。但这是比较浮浅的感知,并没有将感应淬火深入研究下去。直至1952年才有所突破,格德别尔格等终于在尺寸为3~10mm的W18Cr4V(P18)刀片淬火成功,遗憾地是没有走向工业化生产,但足以说明,高速钢刀具是可以感应加热淬火的。

  (2)高速钢焊件的快速加热

  高速钢锥柄钻、立铣刀等杆状刀具,不论是闪光焊还是摩擦焊,都是快速加热的典范,在几秒钟内就能将钢件加热到1000℃以上。

  (3)高速钢锻件的快速加热

  笔者提倡φ60mm高速钢坯料直接入高温区加热[4],即冷料不经预热,直接入1150~1200℃区。投入生产多年,锻造质量稳定。

  (4)高速钢刀具淬火参量公式的运用

  在高速钢工具热处理时存在一个淬火参量公式

  即P=t(37+lgτ)[5]

  式中 P——淬火参量;

  t——淬火加热温度;

  τ——淬火加热时间。

  公式中的P代表了淬火加热温度和加热时间的综合作用。在淬火过程,无论淬火加热温度和加热时间怎样变化,只要两者作用的结果即淬火参量相同,那么奥氏体化的程度就应该是相当的。意思是说高温短时间(快速加热)和低温长时间,只要P相同,刀具淬火的质量就是一样的。

  (5)高速钢刀具炉内快速加热和半快速加热

  20世纪50年代末,在苏联热处理专家的帮助下,北京、天津、上海等地,曾推广热处理快速加热节能新技术,取得了不少成功经验,可惜留下的资料不多,笔者手上只有上海工具厂W18Cr4V钢制φ14mm锥柄钻、槽铣刀快速加热的资料[6]。报道说将W18Cr4V钢的淬火加热温度由常规的1270~1280℃提高到1300~1310℃,加热系数由原10~12s/mm缩短到5~6s/mm,刀具寿命不降反而略有提高。

  (6)激光、电子束等高能量密度对高速钢刀具表面改性

  近几年不断有报道激光等对高速钢表面改性的文章[7],指出高速钢完全可以实施快速加热。该技术方法是将高能量密度的等离子体高速作用在M42钢表面,使材料表面出现局部的快速升温和快速冷却,升温和冷却的速度可达到104~108K°/s,因此可在工件表面形成晶结构改性层,达到提高材料性能的目的。

  (7)高速钢快速加热由来已久

  高速钢问世100多年来,人们对其热处理工艺创新改革从来未停止过。前苏联曾有人狂言,对钢来说能够以任何速度加热。限于当时的条件,只局限在盐浴炉和高频加热,并且淬火件都是不能再简单的棒或片,不具备普遍性。高速钢锻造坯料的快速加热应用比较成功,大部分人认为:经过压力加工和退火后的高速钢材料,在改锻前的加热,其加热的速度是可以不受限制的[8]。当激光、电子束等新技术新工艺的出现,屡见有高速钢快速加热表面改性成果的报道,表明高速钢快速加热已进入实质性的应用阶段。

  3.感应加热淬火在高速钢机械刀片中的应用

  高速钢的淬透性很好,在空气中也能淬上火,因此叫“风钢”,其淬硬性也好,在空气中也能淬到64HRC以上,磨出很锋利的刃口,故也称“锋钢”。高速钢感应加热淬火属自冷式淬火,节能环保,生产效率高。

  不管什么钢淬火必备两个基本条件:第一是必须奥氏化,第二是立即快冷,冷却速度应大于钢的临界冷却速度(v临)。感应加热的特点只是工件表面被加热,如果表层奥氏体化后立即停止加热,而邻近未被加热的金属能迅速地将加热层的热导走,并且其冷却速度>v临,则表面就被淬硬了。其不是靠表面喷淬火液快冷,而是由内部的冷金属来冷却,这种特殊的淬火工艺只有在高能密度加热状态下才能实现。感应加热是高能密度加热方法之一。由于功率密度极大,加热时间极短,因此也称脉冲加热。

  感应加热的温度可用红外线光电高温计或光学高温计测量,也可以用目测(根据加热工件的颜色),判断淬火加热温度。

  感应加热时涡流在工件上产生的热量主要用在加热所需的表面层,但是在此过程中还有两种热量从工件上散发,第一种是从加热表面向空气中散发称之为辐射热;第二种是从工件加热层向心部传导的,称之为传导热。这两种热损耗,特别是向内热传导的作用,加深了理论上的加热层深度,可以用d深=0.2

  (mm),式中t为加热时间(s)。随着功率密度的降低与加热时间的延长,损耗增加。如果工件比较薄,热传导很快就会从表面传到心部,整个截面都热透了,高速钢属自硬性材料,加热停止马上就淬硬了。


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