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实用的热处理防氧化简易方法

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对于一些淬火热处理后加工余量不大、表面质量要求较高的零件,防止和减轻零件在加热、保温时的氧化、脱碳是非常重要的。现在,不少热处理厂家对于表面质量要求高的零件采用真空热处理炉或气氛保护热处理炉(如热处理多用炉)进行热处理。但是真空热处理炉、气氛保护热处理炉(如热处理多用炉)的价格高,生产成本也高,很多小型热处理厂出于资金和生产成本因素的考虑,不会购买真空热处理炉或气氛保护热处理炉。但是对于表面质量要求较高的零件,采取一些防氧化、脱碳的措施还是十分必要的。根据我多年的热处理生产经验,介绍一些简易的淬火热处理防氧化的方法和措施。


1.采用盐炉进行淬火热处理

淬火热处理后加工余量不大、表面质量要求较高的中小型零件,非常适合采用盐炉进行加热。盐炉具有加热速度快,零件加热、保温时间短,零件表面氧化、脱碳少,对于长轴件可以采取垂直悬挂加热,可以大大减小长轴件的变形。特别是高速钢刀具,采用高温盐炉加热具有加热时间短、操作方便、加热时间更容易控制的优势。

目前,国内高速钢刀具的热处理基本上都是采用高温盐炉进行加热。其缺点是受到炉膛尺寸的限制,盐炉的装炉量小,不适合大批量零件的热处理。大批量的中小型零件适宜采用热处理多用炉或者是输送带式炉进行热处理。另外,长轴件的长度受盐炉深度的限制。长轴件的长度超过盐炉深度就不适合在盐炉加热,但这不包括局部淬火的长轴件。圈类零件在盐炉加热一般采用铁丝水平绑扎。因此,在盐炉进行淬火热处理的圈类零件不能超过盐炉炉膛的宽度。当然对于有些边比较宽的圈类零件还是可以采用垂直绑扎加热。因为零件边比较宽,垂直绑扎加热不会造成较大的椭圆变形。采用垂直绑扎,盐炉可以加热更大直径的零件。


2.普通箱式电炉采用木炭保护防氧化、脱碳

普通箱式电炉采用木炭保护方式还有几种方法。

(1)零件直接进炉,然后把木炭基本上盖住零件。这种方法适合小于30mm厚的零件,而且一般采取热炉进炉,可以缩短零件的加热时间,减少零件的氧化、脱碳和变形。另外,如果炉底板不平整,对于容易变形的零件应事先准备加热平板,并提前放在电炉中加热。

(2)对于表面质量要求高或硬度要求高的零件或模具最好是采取木炭装箱保护(见图1)。就是将零件或模具放在保护箱中,然后往保护箱里放木炭。木炭放入量应根据零件或模具的材料、装箱量以及保护箱的大小还有加热、保温时间来确定。木炭放入太多会造成零件或模具表面增碳,造成热处理后零件或模具硬度偏高的假象。反之,木炭放入太少就会造成零件或模具表面脱碳,严重时甚至表面还会出现氧化皮,造成热处理后零件或模具表面硬度偏低,影响零件或模具的热处理质量。


图1  保护箱示意

(3)对于一些尺寸大、保护箱放不下的零件或模具可以采用木炭装盘的方法(见图2)。


图2  保护盘示意

(4)对于尺寸长、不能在盐炉加热的长轴件和长条件可以放在槽钢中用箱式电炉加热,进炉前在槽钢和零件上放木炭保护。


3.采用井式气体渗碳炉加热

对于一些尺寸长、不能采用盐炉加热的长轴件还可以考虑采用井式气体渗碳炉悬挂垂直加热,直径大的长轴件可以不采用悬挂垂直加热,只需要放在坩埚底板上稍加固定垂直加热即可。零件进炉后,炉温达到800℃左右就要往炉内滴煤油对零件进行防氧化、脱碳保护。我们单位使用的井式气体渗碳炉型号是RQ2-75-9,煤油滴量为60~80滴/min。为了减小零件的变形,可以采取热炉进炉的方式,缩短零件的加热时间。


4.采用不锈钢包膜纸保护

近年来,我们单位对一些重要的模具(主要是4Cr5W2VSi材料的模具,这种材料脱碳和增碳都对模具热处理后的硬度影响较大)采用不锈钢包膜纸保护,减少模具表面的氧化、脱碳(见图3)。不锈钢包膜纸是俗称,也就是超薄不锈钢箔,其厚度为0.03 ~ 0.10mm。因为很薄,能像纸一样折叠包裹模具,密封性能好、耐高温。另外,模具经过包裹后就能直接在电炉里加热,不需要装箱保护,可以大大缩短模具的加热时间。

不锈钢包膜纸保护的方法一般采取热炉进炉的方式,目的是缩短在电炉内的加热时间,尽量减少模具表面的氧化、脱碳。另外,加热时间长了之后,不锈钢包膜纸的保护作用会变差,甚至会破裂。为了方便模具进出炉,可以制作专用的铁盒,将模具放在铁盒里。广东、江苏热处理行业广泛应用此方法于模具的热处理防氧化、脱碳。这种方法的缺点是包模具的操作比较麻烦,也有一定的技术含量,模具包裹的质量直接影响着加热后模具表面的氧化、脱碳程度。

3  用不锈钢包膜纸包好的模具

5.使用钢铁加热防氧化剂

从2012年开始,我们开始使用山西津津化工有限公司的钢铁加热防氧化剂,经过半年的使用,效果挺好。该公司的钢铁加热防氧化剂为水基工艺材料,无毒、无味,对环境不造成污染。该防氧化剂形成的防护膜极薄,在工件淬火冷却,退火、正火出炉过程中会自行脱落,不会影响工件的冷却,也不会对淬火介质产生损害。同时,该防氧化剂具有使用方便的特点,可以采用泼、浸、涂刷、滴注等方式,非常适合于箱式电阻炉的钢件防氧化、脱碳。“泼”就是零件进炉后,直接往箱式电阻炉内泼倒一定量的钢铁加热防氧化剂。“浸”就是将零件浸入这种钢铁加热防氧化剂里,然后取出来。这种方式适用于中小型零件或模具。“涂刷”就是用毛刷将防氧化剂涂刷到零件或模具表面上,这种方式适合于大中型零件或模具。“滴注”就是在加热时,通过滴管往炉内滴注防氧化剂。我们单位采用的是“泼”的方式,因为这种方式操作最简便。

这种防氧化剂的使用范围较广,适用于普通碳素钢、合金结构钢、合金工具钢、渗碳钢、模具钢的防氧化、脱碳。目前,我们单位用这种防氧化剂保护过45钢、高碳钢、40Cr、42CrMo、CrWMn、GCr15材料的零件以及20钢、20Cr、20CrMnTi材料的渗碳件。零件或模具淬火后硬度能达到设计图样的要求。经过粗加工的45钢工件热处理加热时使用这种防氧化剂可以大大减少工件表面的氧化皮,可以提高工件硬度的均匀性。值得注意的是,防氧化剂主要是尽量减少零件的氧化、脱碳,不能完全消除零件的氧化、脱碳。如果是零件或模具表面质量要求高,零件或模具留余量非常小就不能采用防氧化剂保护的方法,比如Cr12MoV材料的模具。CrWMn、GCr15材料的零件如果要求达到60HRC以上,就尽量不要采用防氧化剂保护的方法。


6.使用少氧化炉

相对于真空热处理炉、热处理多用炉,少氧化炉价格便宜很多,而且生产成本也相对更低。少氧化炉还可以通过控制滴注剂(可以是一种滴注剂,如煤油;也可以是两种滴注剂一起滴注,如甲醇加丙酮)滴量的方法来调整炉内的碳势,这样就可以根据零件材料的含碳量来设定炉内的碳势控制值,能够更好、更准确地保护零件或模具。我们单位2012年年底购买了两台少氧化炉,不久就将投入使用。


7.结语

根据零件的形状、大小和热处理要求采用不同的防氧化、脱碳的方法可以充分利用现有的普通热处理炉,扩大这些热处理炉的应用范围,提高零件的热处理质量,可以用这些热处理炉加热一些加工余量小、热处理质量要求较高的零件,能够达到这些零件的热处理质量要求(包括零件的表面质量和热处理后的硬度)。同时,使用这些简易的热处理防氧化的方法可以在保证零件热处理质量的情况下降低热处理生产成本(相对于使用真空热处理炉、热处理多用炉对零件进行热处理而言)。当然,如果零件或模具热处理质量要求非常高,比如零件或模具的加工余量小、表面质量要求高、硬度均匀性要求高,我们就应选用更先进的热处理设备(如真空热处理炉、热处理多用炉)以达到零件或模具的热处理质量要求。

摘自《金属加工(热加工)》杂志

文/潘明,株洲南方航空工业有限公司 

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