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高速钢感应加热淬火的可行性研究

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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(20003000/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1T10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。 

1 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

10

50

100

150

200

300

T10

退火

745

760

765

760

765

765

淬火

735

745

755

755

760

765

GCr15

退火

770

810

825

830

835

830

淬火

740

750

785

800

815

810

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80150℃,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

钢号

加热温度/


钢号

加热温度/

45

860920

T10T10A

850960

50

860900

GCr15

9201020

40Cr

940980

GCr9

9001000

T7T7A

880960

CrWMn

850960

T8T8A

860960

9SiCr

8801000

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必然是:t(退火态)>t(正火态)>t[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。

图  1

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。


图  2

(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。


图  3

2.高速钢快速加热各种现象

(1)高速钢刀片快速加热

早在19231924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310mmW18Cr4VP18)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11501200℃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

Pt37+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12701280℃提高到13001310℃,加热系数由原1012s/mm缩短到56s/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104108K°/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)。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,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d0.2 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。


嘉龙公司从2014年开始,高频试淬厚度≤6mm的刀片,投放市场,客户反映很耐用,比原保护气氛整体淬件寿命提高一倍以上,增强了我们扩大生产的信心和勇气。为适应市场需求,对厚刀片需求量增大,2015年我们又引进了超音频技术,现已投入批量生产。淬火机床也是自制的,现在能淬厚度12mm的机械刀片。M2钢淬火晶粒度及回火后金相组织如图4、图5所示。

 图4  M2钢淬火金相(500×)

图6  M2钢回火金相(500×)


摘自《金属加工(热加工)》杂志,版权所有


作者简介:赵步青,高级工程师,现任安徽嘉龙锋钢刀具公司技术顾问,中国特钢学会高速钢学术委员会委员,主要从事工模具钢热处理技术工作

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