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真空热处理后表面白亮层的生成
标签: 真空热处理
2022-11-23  阅读

来源:《IndustrialHeating》  作者:Daniel·H.·Herring

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  【康沃真空网】在笔者的职业生涯中,可能有六七次听到真空炉用户报告说,在真空硬化和/或渗碳加真空油淬后,钢和不锈钢部件的表面和亚表面产生了白亮层(图1)。这种白亮层往往被误认为是表面脱碳。

真空热处理后表面白亮层的生成

图1. 白亮层实例(500倍,2%硝酸酒精溶液)

  这个现象并不常见,却也不是什么新鲜事。实际上,它在几十年前就得到过研究和记录,但像前苏联科学界的许多事情一样,关于它的解释不被外部冶金界充分了解。在过去的这些研究中,发现这些白亮层的碳含量非常高,碳化物生成元素和残余奥氏体的水平也都高于基体钢。

  根据当时和现在进行的检测,产生的白亮层厚度为0.0002 – 0.0007英寸(5 – 18微米)。化学分析表明,这些层碳含量高的直接原因是钢的表面区域达到了碳饱和。以前人们相信这同油淬工艺有关,但现在发现这是因为在真空环境中存在着油蒸气。

  现象

  以前的看法是,这些白亮层总是在油淬后被发现。但是,在从1,400°F – 1,650°F(750°C – 900°C)开始淬火时,这些层非常薄,如果不是非常细致地制备样品和进行表面分析,可能很难确定。它们更多地是在从1,800°F(1,000°C)以上开始淬火时被发现的。长期以来,人们也在真空炉内在油槽上方被气体冷却的炉料上看到了这个现象。

  当金属表面温度足够高时,会生成一个非常薄的表面层。金相分析表明,渗碳层的表面有一个渗碳体-奥氏体区。这一层的厚度同温度、冷却速度和/或在最低反应温度之上与冷却介质接触的时间有关。它可能厚度均匀——即使表面形状复杂——但在大多数情况下具有在表面上零散分布的特点,在同一个部件上和同一批炉料的不同部件之间都是如此。

  研究

  无论真空炉是否带有真空密封内炉门(图2),其中的炉料都会产生白亮层现象。为了准确地找到这种不受控制的渗碳(以及碳或碳基化合物向真空环境中的转移)和它们与热部件反应生成观察到的白亮层的根本原因,安排了相关试验。试验中使用了带有真空密封门的炉型。

真空热处理后表面白亮层的生成

图2. 双室真空油淬炉截面示意图:带有真空密封内炉门的设计(由C.I. Hayes提供)

真空热处理后表面白亮层的生成

图3. 双室真空油淬炉截面示意图:不带真空炉门的设计(由C.I. Hayes提供)

  对可能同渗碳5120钢上这种白亮层的生成有关的参数进行了全面的分析,内容包括:

  · 检查真空炉的密封性(漏率)

  · 检查渗碳系统的运行情况和功能性

  · 检查高温区淬火油蒸气的存在与否

  · 检查工件的移送步骤和油淬槽

  众所周知,泄漏会导致真空炉室内吸入空气(氧气)。这时,如果温度足够高,石墨和空气之间将会发生反应产生一氧化碳,而它是一种渗碳气体。对试验用炉的漏率进行了检查,发现处于可接受范围内(<20 微升/小时)。

  渗碳气体混合喷吹系统的泄漏会是真空炉内渗碳气体的另一个来源。作为本试验内容的一部分,对质量流量控制器和控制阀/切断阀的功能性进行了检查,确认它们使用正常,因此将它们从不受控制的渗碳问题的可能原因中予以排除。

  随后的重点工作是确定淬火油特别是油蒸气的可能影响。对炉料从加热室移送到油淬槽并浸没到油中的整个过程进行了全面和系统的分析,包括:炉料从加热室移进淬火室的步骤;内炉门打开和关闭的步骤;炉料移送过程中的真空水平;(使用氮气)回充的时机和回充过程中气体在淬火室内的弥散;油槽上方的压力;炉料的浸没速度;淬火油搅拌器的启动时间和旋转速度;淬火油的温度;等等。

  对上述参数进行优化的结果是,白亮层的生成数量明显减少,仅孤立存在于有限的区域,但并没有完全消失。下一步是改变淬火油,使用蒸气压不同的油(能够产生的油蒸气的数量不同)。为此选择了不同供应商的淬火油。不过,进一步的试验没有解决问题,白亮层仍然偶尔出现,但严重程度似乎有所降低。

  由于在炉料移送和淬火槽方面找不到明确的问题解答,重点目标转向了加热室,尤其是炉料温度降低到最终硬化温度时(渗碳的降温阶段)和炉料即将开始向淬火室移送时所在之处。

  试验时发现,在某些工艺设定中,加热室和淬火室采用了同一套抽真空系统同时抽真空。在这种情况下,两个室是连通的,油蒸气在理论上是可能从淬火室进到加热室的。因此,对系统进行了改进,避免了两个室同时抽真空,然后重复试验。在这样做以后,白亮层完全消失了。多次重复试验得到了同样满意的结果,证明进到加热室内的油蒸气是观察到的白亮层现象的根本原因。

  方案

  表面和亚表面白亮层生成的根本原因是,淬火油蒸气引起了不受控制的渗碳。这个问题可能发生在真空处理工艺的不同阶段:向淬火室移送前在高温区均热时;热炉料在淬火油上方冷却时;炉料浸没到油中时。其中的哪个阶段对白亮层生成的影响最大,仍然是一个有待研究的问题。

  对于配有油淬槽的真空炉,运行和工艺参数的设定应当遵循这样的原则:最大限度降低淬火油蒸气与热炉料接触的可能性,以及淬火油蒸气进入加热室的可能性。