真空淬火-教学方案课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,真空淬火,2,真空条件下金属加热的特点,斯蒂芬,玻尔兹曼定律,0,C,0,(,/100),4,J/(m,2,h);,C,0,为绝对黑体的辐射系数,12.710,7,J/(m,2,hK,4,);,T,为辐射体绝对温度（,K,）。,实际真空热处理条件下：,理想灰体传热能与绝对温度的四次方成正比：,C(,/100),4,C,理想灰体辐射系数，,C=4.96,，,灰体黑度。,3,辐射热交换,Q,12,=C,导,(T1/100),4,-(T2/100),4,F,1,12,(J/h),C,导,=4.96(1/,1,-1),12,+1+(1/,2,-1),21,J/(m,2,hk,4,),Q,12,单位时间内，高温面传给低温面的热量；,C,导,导来辐射系数；,T1,，,T2,分别为高温面（炉子）和低温面（工件）的绝对温度（,K,）；,F,1,高温面表面积（,m,2,）；,12,角度系数。,12,=,21,=1,12,=1,21,=F,1,/F,2,F,2,F,1,F,1,F,2,F,2,F,1,F,2,F,1,12,=1,21,=F,1,/F,2,12,= F,2,/ (F,1,+F,2,),21,= F,1,/ (F,1,+F,2,),4,真空炉升温特性,真空炉空载时的自身升温速度很高；热惯性小；蓄热、散热量微小,升温主要取决于对炉料可达到的供热能力（被加热工件在单位时间、单位面积上从真空炉获得的热量）,在真空炉里比在介质中综合传热的常规加热，供热能力低得多，特别是辐射效率低的升温阶段,（,600,）和回火加热时。,5,钢在真空和其他介质中加热速度,GCr15,钢,50mm, 100,mm,试样在不同介质中的加热速度,1,盐浴中加热，,2,空气炉中加热，,3,真空中加热，,1,，,2,高温装炉；,3,室温装炉,6,真空加热表面与心部的温差,W18Cr4V,钢 在,850,C,预热，继续加热到,1280C,。,GCr15,钢 采用两种加热方式：,1. 600C,预热，继续加热到,850C,；,2.,室温直接加热到,850C,。,分段预热的必要性。,W18Cr4V,高速钢,50,mm,100mm,试样经,850,预热加热到,1280,过程中的表面和心部升温曲线,1,炉温,2,表面温度,3,芯部温度,7,真空加热表面与心部的温差,GCr15,钢,50,mm,100mm,试样,850,加热时的表面和芯部升温曲线,1,炉温；,2,表面温度，,3,芯部温度,GCr15,钢,50,mm,100mm,试样经,600,预热加热到,850,的表面和芯部升温曲线,1,炉温；,2,表面温度，,3,芯部温度,8,不同尺寸工件的烧透时间,不同直径的,GCr15,钢,试样的加热时间,1,600,预热，,2,室温直接到,850,，,3,经,600,预热后加热到,850,加热系数,1.0-1.5min/mm,不同直径的,W18Cr4V,钢,试样,的加热时间：,1,850,预热，,2,经,850,预热后加热到,1280,加热系数,0.46-0.52min/mm,9,真空加热时的真空度的确定,大多数金属在,500-1350,10-10,-3,Pa,条件下加热。,综合考虑表面光亮度、除气、脱碳和合金元素蒸发等效果来确定加热过程的真空度。,“充气法”克服合金元素选择性蒸发。,10,真空淬火优缺点,真空淬火后的工件表面光亮、不增碳、不脱碳。可提高承受摩擦和接触应力的工模具的使用寿命；,淬火后工件尺寸和形状变化小，可省去修复变形的机加工。,淬火后的工件硬度均匀、机械性能高、质量稳定。,设备投资大。,11,真空淬火的冷却,真空气淬：,冷速与气体种类、气体压力、流速、炉子结果及装炉状况有关；,冷却气体的种类,提高气体冷却能力的方法,真空油淬：,真空淬火油的特性,真空淬火油的使用,12,冷却气体的种类,可供冷却气有氩、氦氢、氮气等。,与相同条件下的空气的传热速度比较，空气为,1,，则氮为,0.99,， 氩为,0.70,，氢,7,，氦为,6,。,氢、氦、氩气的相对冷却性能,13,提高气体冷却能力的方法,只考虑对流传热，按牛顿公式则传热量为：,Q=K,（,t,w,-t,f,）,F,（,kJ/h,）,Q,与固体温度,t,w,和气体温度,t,f,之差以及工件表面积（,F,）大小成正比。,对流传热系数,K,是气体热导率,、粘滞系数,、流速,、,密度,(,压力）的函数,K=,/d C,（,d,/,）,m,提高冷却气体的密度（压力）和流速可以正比例加大对流传热效率。,气压对冷却速度的影响,1-0.66m,3,/s; 2-0.566m,3,/s,14,65Mn,钢薄片状弹簧支架的真空淬火,原材料：,冷轧退火态，,细珠光体,+,铁素体；,Q,：变形；,图,2.1,弹簧片形状尺寸示意图,15,65Mn,钢弹簧支架的真空淬火工艺,冷态真空度,1.33Pa,，升温后真空度下降,66.5Pa,，应考虑,Mn,的蒸气压较高且随温度升高而增大。,相变点附近,680,预热：热处理变形小，升温速度慢，受热均匀,;,入油后充入,350-400,Torr,氮气：超过真空淬火油临界压力的中性气体，使真空淬火油达到使钢淬透的冷却速度。,弹簧片真空热处理工艺,N,2,16,65Mn,钢弹簧支架的真空淬火预应力,真空热处理前的预应力对薄而长的弹簧片热处理后的变形影响很大；,工件自重、相互挤压力不均、振动均可导致变形；,各弹簧片间、弹簧与夹具间贴合紧密、受力均匀，限制热变形。,弹簧片装夹示意图,1-,固定螺栓；,2-,上斜铁；,3-,弹簧片,4-,底板；,5-,下斜铁,17,压铸模,3Cr2W8V,钢制电机转子铝压铸模,Q:,模具工况恶劣（高压、高温铝冲刷，手工脱模需锤击，水冷），要求耐磨性、耐热疲劳性及足够的硬度和韧性。,A,：预热,+,回火,3Cr2W8V,钢压铸模尺寸,0.23,18,压铸模真空淬火,淬火温度对,3Cr2W8V,钢热疲劳抗力的影响,800,水冷，循环前，,49-51HRC,A-,产生,0.4mm,裂纹的循环次数,800,预热,60min,，真空度,13.3,1.33Pa,1150 ,油淬，,670,680 ,回火，真空度高于,1333,133Pa,低于,1.33Pa,1180,C,3Cr2W8V,钢压铸模真空热处理工艺,N,2,99.999,19,冷冲模具真空淬火,Cr12MoV,钢制硅钢片冷冲模凹模,Q,：,8,定位销孔要求精度高，,A,：无需研修，保证型腔边缘硬度。,Cr12MoV,冷冲凹模形状及尺寸,20,冷冲模具真空淬火,冷冲模原工艺,箱式高温电炉，淬入,400 ,硝盐炉中,真空度,1.33Pa,， 入油后通入氮气，后普通油炉回火,Cr12MoV,冷冲模真空热处理工艺,99.99%N,2,21,辊压模真空淬火,制造纺织印染机械中的钢芯的模具,Q,：螺牙高度,0.12mm47,，圆度,0.003,，要求硬度,62-64HRC,A:,真空度,13.3-1.33Pa,入油后通入,99.9%,氮气至,0.610,5,Pa,辊压铸的工作状态,1-,辊压模；,2-,模芯（工件）,45#,高速钢,30,M33,高速钢,W18Cr4V,辊压模真空热处理工艺,99.9%N,2,22,高速钢钻头正压气淬,W6Mo5Cr4V2,1.5,-2.5mm,小钻头,Q,：钻头粘连,A,：高温加热阶段充高纯氮气真空度降至,133Pa,M2,高速钢（美国制）钻头真空气淬工艺,23,Cr12MoV,钢三角零件真空淬火,上盘外压针三角外形,下盘压针三角外形,下盘挺针三角外形,上盘内顶针三角外形,针织机用合金工具钢三角形零件,24,Cr12MoV,钢三角零件真空淬火,初次确定的真空淬火曲线,真空淬火工艺曲线,Q,：硬度要求,62-65HRC,，线切割,+,热处理,直接装机,A,：预热温度提高，淬火加热保温时间减少,25,真空高压气体淬火,（概述）,传热系数,与气体压力,P,和速度,V,的,关系式（,Hilpert R.,）,=10,-5m,A(PV),m,A,、,m,为常数，与炉子结构、炉料及冷却气体的物理性质有关。（通常,m,=0.6-0.8,）,热传递在开始几个（,10,5,Pa,）压力下是大的，随着压力增加而减少。,气体压力和淬火速率间关系曲线,26,概述,淬火参数的影响,气体压力和淬火速率间的关系曲线,27,概述,冷却气体压力和冷却时间的关系,气体压力对淬火回火硬度的影响,mm,28,概述,气冷压力提高，可提高冷却速度达到和超过油的冷却速度,SKD61,钢,250mm,250mm(C0.37Cr5Mo1.3V1%),超高压气冷和油冷、盐浴冷却的比较,9.5,10,5,Pa,29,概述,各种气体在不同压力下的热导率,40mm,工件心部的冷却速度,（气体种类和压力的比较）,30,概述,国内普及的高压气淬技术是,5,10,5,10,10,5,Pa,真空高压气冷淬火工艺及设备；,低合金钢淬火件、大尺寸的模具和轴类、高密集装载工件,5,6,10,5,Pa,真空高压气冷不足；,提高使热导率高于,350,450W/(m,2,K),：,冷却气压力,冷却气循环速度,He 6,10,5,Pa,气冷风扇电机功率提高,10,，,热导率提高,40,N,2,10,10,5,Pa,气冷风扇电机功率提高,140,，热导率提高,35,实用真空炉冷却气体和压力的变迁,31,概述,表：不同压力气冷淬火效果,尺寸,/mm,气体压,/Pa,气体种类,中心硬度,HRC,备注,60,6,10,5,N,2,60,材质,（质量分数）,C2%,Cr12%,100,10,10,5,N,2,64-65,200,20,10,5,He+N,2,64-65,大于,60,mm,的轴或其他模具，心部热要求,64,65HRC,，,需改用油淬，或增大气冷时冷却气的压力，或更换气体种类。,32,高压气体冷却理论,参量：与负载、,炉子,相关的参量,强制对流冷却方程,t=WC,p,/(A)ln(T,1,-T,f,)/T,2,-T,f,t,从,T,1,-T,2,冷却时间,s,，,W,负载重量,kg,，,C,p,负载比热容，,A,负载表面积，,热导率，,T,1,初始温度，,T,2,最终温度，,T,f,平均气体冷却温度。,传热系数,边界两端温度差为,1,C,在单位时间穿过介质或系统单位面积的热量,与表面几何形状、流体的性质和流体的热动力学和传输性质有关。,33,理论,标准气流通过单一物体两端强制对流冷却传热系数的简化方程,k=KC,p,G,P,1,/,（,D,P,2,),K,常数，,C,p,冷却气体比热容，,D,冷却表面的外部直径，,P,1,P,2,指数，,G,冷却气体物质流体积气体流,Q,与气体密度的乘积，以雷诺数,R,e,来描述其特性，,R,e,与,G,成正比物质流,/,气体粘度。,冷却速率,K,（,G,）,P,1,淬火速率与热交换系数成正比,热交换系数和冷却气体的物质流的,P,1,次方成正比,34,理论,流体定律,P=RSQ,2,P,通过系统的压力的降落，,R,流体阻力，,S,气体密度或气体压力，,Q,气体流流量，此处系统为具有穿过气流风机压力降落为,P,的真空炉。,压力的降落对气体流流量比对气体压力更敏感,P,系统压力的降落对速度敏感，给定系统中体积气体流增加，气流速度也增加。,35,对流加热,对流加热和真空加热的不同,(105mm,轴）,92,36,对流加热,对流加热和真空加热实际操作的不同,(VTT-424,真空气冷淬火炉,),装炉,200kg,，,500600900mm,3,容积，高速钢切削工具,1200,支）,37,应用,螺纹铣刀,滚丝轮,阶梯轴,辊环,热模工具,38,滚丝轮真空高压气体淬火,Cr12MoV,钢,61D2,133M14,2,60,加工汽车轴承盖螺栓,200mm,60mm,螺栓材料,ML40Cr,调质,285,321HB,工序：,锻打,退火,机加,淬火,回火,磨内孔,内孔变形,0.02mm,以内，,63,65HRC,61D2,133,滚丝轮真空处理工艺曲线,2,10,5,Pa,100,出炉,39,阶梯轴真空高压气体淬火,Cr12MoV,钢,加热温度,1030,、,5,10,5,Pa,气冷,料台旋转法：工件轴杆偏摆量,8.5,m,偏差,7.5,m,，,非料台旋转：工件轴杆偏摆量,22.5,m,偏差,38,m,；,硬度,64,64.5HRC,阶梯轴的形状及真空气淬后的变形量,40,料台旋转法,加热冷却时料台旋转的效果,41,真空油淬,真空淬火油的特性：,饱和蒸气压低,临界压强低,化学稳定性好,杂质与残碳少,酸值低,42,真空油淬,ZZ,1,号油不同真空度下的冷却曲线,1-0.013kPa; 2-5kPa; 3-10kPa; 4-26.6kPa,5-50kPa; 6-66.6kPa; 7-101kPa,ZZ,2,号油不同真空度下的冷却曲线,1-0.013kPa; 2-5kPa; 3-10kPa; 4-26.6kPa,5-50kPa; 6-66.6kPa; 7-101kPa,8mm,24mm,银棒,压强下降,43,真空油淬,普通真空淬火油特性指标随液面压强下降有明显变化：,特性温度降低,特性时间延长,沸腾阶段出现在更低温度区间,800-400,范围冷却时间比大气压下显著延长。,钢在低气压下油冷却能力下降，低温区有较高冷速,44,真空油淬过程重要方面,维持液面是临界压强,提高气压可以提高油蒸发及凝结温度,足够油量：,1,：,101,：,15,淬火油的酸值、残碳、水分，离子量等可使工件着色，对光洁度影响大。,一般在,4080,使用,搅拌可以迅速调节油温均匀,瞬时高温渗碳,45,真空淬火的质量效果,真空淬火的表面状态,真空淬火工件的变形,真空淬火后钢的机械性能,真空淬火产品的使用寿命,真空油淬时高温瞬时渗碳,m153,46,真空淬火的表面状态,影响因素：真空度、漏气率、冷却介质特性、材料等,材料中铁、铬、镍元素与炉中残存的氧和水蒸气相互作用，使工件表面着色；,高温时，含铬、锰元素的钢由于产生蒸发而使表面粗糙；,含铝、钛的不锈钢和耐热合金对氧敏感，色变暗；,冷却气体纯度不够，微量活性杂质使工件表面着色。,油淬光亮度低于气淬,回火（特别是中、高温回火）可使光亮略低,47,真空淬火工件的变形,30CrMnSiA,制的,C,形试样,柴油机针阀,真空度,10,-1,Pa,，,900,加热保温,90min,油淬,减小淬火变形的方法,缓慢升温（低温段）,预热（钢相变点）,低冷速,料盘与工装卡具的选用,油淬控制搅拌,变形试样的外形和尺寸,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,