摘要:對飼料制粒機環模的真空氣淬工藝,從熱處理設備的選用、工藝參數的設置、氣淬冷卻介質的比較及變形量的控制等多個方面進行了分析和討論。根據以往的實踐經驗,針對此工藝中可能會出現的問題提出了相應的解決方案,并給出了一些有用的工藝參數值以供參考。
關鍵詞:飼料制粒機;環模;真空氣淬;工藝參數 飼料制粒機環模的整體淬火一般是指在大氣環境下采用電爐或鹽浴爐進行的熱處理。但近20年來越來越多的外國飼料機械生產廠家開始采用真空爐對環模進行整體淬火,這種熱處理方法稱為真空氣淬工藝。即在真空下,將置于密閉真空爐內的環模加熱到奧氏體化溫度以上,然后用高壓、高的純度的冷卻氣體對其進行淬火。相對于傳統的整體淬火,這種真空熱處理工藝具有如下優點:工件變形??;熱處理后的金屬表面很光潔,沒有氧化、腐蝕、脫碳或增碳等現象發生;特另IJ是環??椎墓鉂嵍仍谡婵諝獯愫蠡旧喜粶p少,這對保障顆粒飼料的產量很重要。另外真空熱處理爐用途廣,易于實現自動化操作? 。目前我國大規模采用真空熱處理的飼料機械生產廠家還比較少,筆者根據以往的實踐經驗,對環模真空氣淬工藝的特點、主要影響因素以及需要考慮的問題進行分析研究,并給出相關的工藝參數值和解決方案以供參考。筆者采用馬氏體高鉻不銹鋼AISI420(相當于國內鋼號3Cr13 )作為環模的材料進行真空氣淬,該材料具有較好的強度,是飼料機械生產廠家常用的環模材料之一。
1 真空熱處理爐
真空熱處理爐是用來對環模進行真空氣淬的大型熱處理設備。飼料機械生產廠家在選擇真空熱處理爐時,應考慮以下幾個主要因素:真空爐形式(立式或臥式)、真空室內空間大小(直徑×高)、1次熱處理工件的裝載量限值(kg)、真空室內加熱溫度限值、用作氣淬冷卻介質的氣體壓強(又稱氣淬壓力)等等。一般都采用立式的真空爐來對環模進行熱處理。這主要是因為環模需平放在圓柱形的真空室內以減小真空氣淬引起的變形。真空室內的空間尺寸及工件的裝載量主要取決于飼料機械生產廠家需真空氣淬的環模的外直徑限值和總重量。環模在真空室內加熱的溫度不會多于1 100oC,一般的真空爐能實現此要求。
氣淬壓力大小的選擇對環模的熱處理質量和周期長短影響很大,這一點將在下一節工藝參數的設置中做詳細的討論。生產真空熱處理爐的廠商很多,圖1所示的是VFS公司制造的立式真空氣淬熱處理爐。它主要由內置加熱元件的真空室、含有人機界面的控制柜、用來儲存氣淬冷卻介質的高壓儲氣罐、裝有鼓風機和熱交換器等的氣淬系統、用于維護和操作的工作臺架以及真空泵等組成。VFS立式真空爐具有多種尺寸大小的真空室,這些真空室的下端蓋能打開并沿立柱自動下移到地面,然后沿地面上的導軌自動滑出,因此裝卸環模很方便。真空室內標定的加熱溫度可達1 40O℃左右,可供選擇的氣淬壓力有0.2、0.6和1 MPa三種規格。因此VFS立式真空爐很適用于環模的真空氣淬工藝。
VFS真空爐的控制柜上內置一個具有良好人機對話界面的觸摸屏,真空爐的動作可以通過此觸摸屏來進行操作控制。值得注意的是對于每種環模,通過觸摸屏都可以為其建立一個所謂的熱處理配方程序。在該程序中可預先設置在整個真空氣淬期間真空室內溫度隨著時間的變化曲線(具體內容見下一節),這樣就可實現對環模真空氣淬工藝的自動化控制。另外這種熱處理配方程序以及真空室內溫度和氣壓隨著時間變化的數據可隨后下載、打印并歸檔保存,這對有些飼料機械生產廠家是很關鍵和方便的。
2 工藝參數的設置
上述的熱處理配方程序就是用來描述如圖2所示的真空室內溫度隨著時間的變化曲線。該溫度曲線由加熱周期和氣淬周期兩部分組成。在加熱周期中,環模在500和800~C兩處分別經歷了持續時間為30 min的預熱均溫階段。原因有兩個,一是高鉻不銹鋼的導熱率比普通碳鋼要低,因此環模的外表面與里面中間部分的溫差比較大,為去除由此產生的熱應力要保溫一段時間以盡量減小溫差。二是由于在升溫過程中,環模的實際溫度要低于真空室內溫度,環模尺寸越大,這種溫度滯后現象越嚴重。因此需要保溫一段時間以使得環模里面的實際溫度上升,趨近于圖2所示的加熱周期中的真空室內溫度。當真空室內被加熱到溫度1050~C時,也同樣保持了30 min的均溫。
AISI420材料的奧氏體化溫度為980~C左右,環模的加熱溫度(氣淬溫度)應比此值高一點以形成奧氏體組織。如果環模的真空氣淬溫度較高,則熱處理后的硬度就會較高,但也易形成淬火裂紋。而且在高溫的真空環境里,高鉻不銹鋼內的合金元素如Cr、Mn等的蒸發量會變大,從而可能減少了環模的力學性能。因此環模的真空氣淬溫度不能太高。
氣淬周期開始后,高壓的非氧純凈氣體就會噴入真空室內對環模進行冷卻。值得注意的是當真空室內的溫度下降到大約250~C左右,即AISI420材料的Ms點以下附近時,環模保持60 min的均溫。其目的是減小環模各處的溫差,減小熱應力,另有一些下貝氏體形成,從而避免環模的變形和開裂。這種淬火冷卻方法稱為等溫淬火,它是高的硬度的不易磨損工件的常用淬火處理方法。
在加熱周期中,真空室內可采用1.33~13.3 Pa的真空度,而不需要太高的真空度。這是因為環模的加熱溫度較高,在13.3 Pa的真空度下就可實現無氧化加熱。而真空度過高反而會增加合金元素cr和Mn等的蒸發量。在氣淬周期中,所采用的氣淬壓力越高,冷卻速度就越快,冷卻環模所需的時間就越短,環模的硬度就越高。但氣淬壓力過高,熱處理后的環模很有可能出現較大的變形甚至微裂紋??紤]到環模是環形多孔的工件,某些環模的厚度又比較薄,選擇氣淬壓力為0.2 MPa的VFS真空爐以盡量地控制環模真空氣淬后的變形率。
3 其它需要考慮的因素
常用的氣淬冷卻介質有氦氣、氮氣和氬氣。這四種氣體的冷卻能力,冷卻能力依次為氦氣,氮氣,氬氣 ]。由于氦氣的冷卻速度太快,將會使環模變形顯著,故不采用。而氮氣雖然成本低,使用放心,但高鉻不銹鋼在高溫下接觸純氮時會發生表面滲氮現象,從而使其塑性變差,故也不采用。因此采用氬氣作為氣淬冷卻介質,其冷卻速度較慢,有助于避免環模真空熱處理時變形。
環模在真空室內放置時,相互之間要用兩根長條形的金屬棒隔開。一是工件在真空室內的受熱方式主要是輻射換熱,因此相互之間盡量不要遮擋,環模不應直接疊放在一起。二是通過金屬棒的接觸使環模之間相互牽制,可減少其在熱處理過程中變形。
環模在真空氣淬后應及時進行回火,以去除氣淬過程中產生的殘余內應力,增強不銹鋼材料的塑性和韌性,使環模獲得良好的綜合機械性能。為保障環模在回火后仍能保持較高的硬度,同時又要避開回火發生脆性的溫度區,環模采用200oC低溫回火較合適。
應該注意的是,與傳統的環模整體熱處理工藝相比,盡管真空氣淬工藝具有很多優點,但也有其不足之處。其主要的缺點是熱處理時間較長。按照上述工藝,每爐裝載的環模一般需要6 h左右的時間才能完成真空氣淬,這要比采用鹽浴爐進行整體熱處理所花的時間長得多。另一方面,由于VFS真空爐可按預先設置好的熱處理配方程序對整個真空氣淬過程實施自動化控制,因此正常情況下除了裝卸環模和調用程序之外,操作工并不需要一直在現場,可以節省人力資源。當然本工藝還應在以下幾個方面進行改進,如氣淬壓力可增強一些,等溫淬火的保溫時間可縮短等等,這些都是以后的實驗研究方向。
4 環模的熱處理質量檢驗
真空氣淬后的環模表面應很光潔,呈現淺黃色。如果在其表面某些地方出現黑色的痕跡,則需要檢查真空度是否合乎要求、真空室及管線是否有泄漏,另外所用氬氣的純度是否夠高等等。對于馬氏體不銹鋼材料AISI420,采用上述的熱處理工藝,真空氣淬后環模的表面硬度約為56~ 58 HRC,回火后的表面硬度約為54~56 HRC,合乎環模熱處理規范。
5 結論
筆者對馬氏體不銹鋼AISI420的環模真空氣淬進行了詳述。對此工藝中需要考慮的影響因素和可能出現的問題作了仔細的分析和討論,并根據以往的實踐經驗給出了一些相關的工藝參數值和解決方案。另外也指出了本工藝的不足及其未來的改進方向。由于真空氣淬工藝在熱處理質量及自動化控制等方面有較大優勢,將成為飼料機械生產廠家選擇的環模熱處理方法。