常压高速氮气淬火特性分析

侯立军 程赫明 李建云 姚激

摘要：淬火作为改善金属及合金材料性能的主要方式之一，淬火介质的选择对工件淬火后的质量起到关键作用。本文在常压环境下以高速氮气作为淬火介质对T10钢工件进行淬火处理，对高速氮气的淬火特性和冷却能力进行评价。研究结果表明：随着氮气流速的增大，常压高速氮气淬火介质的冷却能力、工件内外温差、计算平均冷却速率都呈现增大趋势。研究为高速氮气淬火提供了理论依据。

Abstract： As one of the main ways to improve the properties of metal and alloy materials， the selection of quenching medium plays a key role in the quality of the workpiece after quenching. In this paper， T10 steel was quenched with high speed nitrogen as the quenching medium under the atmospheric pressure， and the quenching characteristics and cooling capacity of high speed nitrogen were evaluated. The research results showed that： with the increase of the flow rate of nitrogen， the cooling capacity of high speed nitrogen quenching medium under atmospheric pressure， the temperature difference between inside and outside of the workpiece， the average cooling rate were all increasing. The study provided a theoretical basis for high speed nitrogen quenching.

关键词：高速氮气淬火；冷却能力；淬火特性；温差；平均冷却速率

Key words： high speed nitrogen quenching；cooling capacity；quenching characteristics；temperature difference；average cooling rate

中图分类号：TG156.31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）01-0100-02

0 引言

随着现代科学技术的不断发展，对机械零部件的性能和可靠性的要求越来越高。金属零部件的内在性能和质量，除材料成份特征外，主要是在热加工过程中形成的。热处理是热加工过程的最后一道工序，起着举足轻重的作用，重要零部件都要经过热处理工序[1]做组织和性能的最后调整[2-3]。金属及合金的淬火是热处理工艺中的一个重要环节。

金属及合金材料工件在淬火后的性能主要取决于其在淬火后的微观组织，而工件淬火后的微观组织决定于金属及合金的成份及淬火冷却速度等因素。改善金属及合金材料工件淬透效果较为常用的方法有两种[4]：一是提高材料的合金元素含量使过冷奥氏体等温转变曲线右移；二是提高淬火冷却速度。相对而言，提高淬火冷却速度的方法简单易行、成本低廉，但是工件热应力和组织应力的大小取决于冷却速度和冷却均匀性[5]。因此，控制冷却速度和冷却均匀性对淬火工艺的优化有着重要意义。

本文在常压环境下以高速氮气作为淬火介质，对T10钢工件展开淬火实验研究，研究氮气流速对工件性能的影响。

1 实验材料、工件及过程

为分析研究常压高速氮气的淬火特性，本实验以碳素工具钢T10钢为实验材料，制作直径为20mm、高60mm的圆柱形工件。为了便于采集工件内部温度，在工件距工件侧面1mm及中心位置分别钻30mm深圆孔以便于布置温度传感器。温度传感器为镍铬-镍硅（Ni-Cr—Ni-Si）热电偶，工件规格及热电偶布置示意图如图1所示。

为获取更高的气流速度及保证淬火介质与工件换热的均匀性，课题组研制了具有自主专利权的专用淬火冷却罐（以下简称淬火罐），如图2所示。实验首先将装有热电偶的工件置于加热设备中加热至淬火前初始温度并保温，本实验加热初始温度为820-840℃，保温时间为20分钟，然后迅速将工件移至淬火罐进行高速氮气淬火处理并同时采用计算机自动记录淬火过程中的温度与时间关系数据。

2 实验结果与分析

不同氮气流速下工件中截面的冷却曲线如图3所示。由于淬火过程中使用了淬火罐，导致淬火介质在工件表面的气流速度难于测量及从便于工程应用的角度考虑，实验中的气流速度以高压储气罐出口处调压阀的压力表征，本实验共用4瓶容积为40L的高压储气罐。

图3表明，随着气流速度的增大，工件冷却至室温所需时间逐渐减少，说明高速氮气的冷却能力随着流速的增大而增大。从冷却曲线发现，不同气流速度下淬火持续至不同时间时工件温度出现了增大现象，调压阀压力为0.2MPa时约为40s，0.4MPa时约为28s，0.6MPa时约为22s，说明不同气流速度下工件进入珠光体相变的时间不同，进一步表明气流速度与淬火能力的相关性。

由图3测试曲线可进一步计算工件在不同气流速度淬火过程中工件中截面心部与距表面1mm位置处的温度差。图4为工件在不同流速氮气淬火时内外温差计算值随淬火时间变化情况的比较。

图4表明，淬火开始后，工件内外温差迅速增大；珠光体相变开始，工件内外温差减小；珠光体相变结束，工件内外温差又增大，而后逐渐平稳。随着氮气流速的增大，工件内外温差呈现增大趋势。不同流速下工件内外温差，淬火开始阶段相差较小，珠光体相变结束后逐渐明显，这是由于T10钢材料工件内部传热能力所致。

由图3测试曲线还可进一步计算工件在不同气流速度淬火时的平均冷却速率。平均冷却速率可以用图3中前后两个时刻温度的差值除以两时刻时间间隔得到。图5为工件不同流速氮气淬火时平均冷却速率计算值随淬火时间变化情况的比较。

图5表明，淬火开始，计算平均冷却速率迅速增大，淬火介质与工件换热较为剧烈，这主要是由于淬火开始时淬火介质与工件的温差较大。第一次波峰后计算平均冷却速率迅速减小，这主要是由于T10钢材料珠光体相变过程中潜热释放导致工件温度升高，而淬火介质与工件换热仍持续进行。计算平均冷却速率到达波谷后又迅速增大是由于珠光体相变结束后工件温度又开始下降。随着淬火持续进行，工件温度不断下降，淬火介质与工件的温差逐渐减小，计算平均冷却速率呈现减小趋势。随着氮气流速的增大，工件计算平均冷却速率呈现增大趋势且高温阶段较低温阶段差异更大。

3 结论

为研究分析常压环境下进行的高速氮气淬火的冷却特性和冷却能力，本文实现了不同氮气流速下对T10钢工件的淬火实验，并得到了不同氮气流速下工件中截面冷却曲线，通过计算分析可得如下结论：

①常压高速氮气淬火介质的冷却能力随着氮气流速的增大而增大，体现了该淬火方式的可控性，可实现工件不同需求下的淬火处理。

②随着氮气流速的增大，工件内外温差呈现一定增大趋势。常压高速氮气淬火过程中工件内外温差不大，内部冷却比较均匀，可预见该淬火方式下工件具有较小的热应力和热变形，同时也说明常压高速氮气淬火的冷却能力较低。

③工件的计算平均冷却速率随着氮气流速的增大而增大。工件高温阶段的冷却速率大于低温阶段的冷却速率，总体冷却速率较低。

参考文献：

[1]曹瑞，孙会.淬火过程数值模拟技术的研究进展[J].材料导报A：综述篇，2015，29（3）：140-144.

[2]中国机械工程学会热处理专业学会《热处理手册》编委会.热处理手册（第一卷）工业基础（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]戚正风.金属热处理原理[M].北京：机械工业出版社，1986.

[4]徐祖耀.材料热处理原理——相变研究及其应用.中国热处理年鉴[M].北京：中国热处理行业协会，2003，213-219.

[5]R.T.von，Bergen.淬火介质的选择和控制对工程用钢零件变形的影响[J].国外机车车辆工艺，1995（3）：38-44.