下贝氏体等温淬火工艺概述

沈举贤

摘要：下贝氏体等温淬火，适用于链条或轴承行业的小工件，通过等温淬火可以得到心部韧性好，机械强度和硬度高等机械特性。热处理工艺过程包括加热、保温和冷却阶段。在本文中，本人结合生产实践，概述下贝氏体等温淬火工艺的一些经验和体会，气氛的控制，设备的关键控制点。

Abstract： Austempering process of heat treatment is usually for small chain or bearing parts.The core ductile， strength and hardness of chain parts will be increased after austempering process. The process includes heating， temperature soak and rapidly cooled （quenched） phase. Will introduce the process base on production experiences. Overview the process such as atmosphere control and quality control.

关键词：球化退火;下贝氏体;气氛;碳势;盐浴淬火

Key words： spheroidize anneal;lower bainite;atmosphere;carbon potential;salt quench

中图分类号：TG161                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0108-02

1  概述

链条零件形状一般比较小，原材料卷钢是经过球化退火的高碳钢。经过球化退火的卷钢，具有硬度低延展性好的特点，容易成形。为了满足链条的工作需求，需要提高链条零件的硬度和机械强度，就需要经过热处理，也就是本文所说的下贝氏体等温淬火。下贝氏体等温淬火，简而言之，就是把链条零件加热到奥氏体相变以上温度（860度左右）并保温足够时间，然后，快速冷却（淬火）到300度左右并保温足够时间。热处理后的零件，硬度高，心部韧性好，机械强度高。零件的硬度随淬火温度增加而降低，通过调整淬火温度，可以得到理想的硬度值，不再需要后续热处理。这篇文章，讨论的对象是以65Mn材料为主的工件。

2  网带式气氛加热炉

网带把链条零件持续不断地输入到气氛加热炉内。气氛加热炉前端门口有一道火焰帘隔绝外界空气和炉内空气（炉内空气一般称为“气氛”），加热炉后端由盐帘和盐的液面密封。

下贝氏体等温淬火热处理的第一步，就是需要把锯链零件加热到860摄氏度左右。为了把工件内所有的球化碳化物溶解，需要在760摄氏度（Ac1）以上保温至少15分钟。气氛加热炉一般采用电加热或者天然气加热，选择采用电加热。加热炉分为4个加热区，分别控制。一般1区温度设在865度，2区、3区温度设在860度，4区温度设在865度。1区温度设在865度，是为了迅速把工件加热到工作温度，2区和3区温度设在860度，是为了碳化物全部溶解，4区温度设在865度是为了保证工件在进入淬火盐液之前温度在760度以上，也就是为了避过冷却C曲线没有发生珠光体转变。从而保证工件进入盐液以前还是奥氏体。

网带式气氛加热炉，网带由电机驱动，且由一系列的托辊，轴承支持其运转以及输送工件。由于气氛加热炉的高温，加热炉的炉膛、托辊、轴承以及网带本身，都是易损件，需要定期点检和更换。日常保养，就是给轴承定期加润滑油。

碳钢金属工件在高温条件下，會发生氧化和脱碳。所以要在炉内建立一定碳势的气氛，避免高温氧化和脱碳。碳势的控制比较复杂，炉膛混入水汽，密封不良，热电偶安装孔漏气，炉体裂缝，气体管路堵塞等等问题有可能导致碳势控制失控。特别是炉膛混入水汽特别难以解决，需要停炉后，重新低温烘炉才有办法消除。

3  可控气氛

为了避免工件在加热炉内高温氧化，且控制工件表面的含碳量，需要在炉内建立一个可控气氛。这个气氛一般由40%的氮气N2，40%的氢气H2和20%的一氧化碳CO组成。这个气体暴露在氧气中，是易爆气体。鉴于此，加热炉的安全措施尤为重要。炉温低于760度时，须停止气氛的滴入。低于760度时候，气氛会在炉门口或在尾气排风口缓慢烧尽。火焰帘这时候，可以保证过多的气氛会烧尽。另外，在紧急时候，也会通入清扫氮气加速把炉内剩余气氛赶出炉膛，比如异常停电的时候。在空炉的时候，一定流量的氮气，也可以保持炉膛的干燥和干净。

目前，有两种基本方法制备炉内可控气氛。一种就是吸热式可控气氛;制备这种气氛，天然气经减压阀、流量计和压力调节阀进入混合器与空气混合;空气经过滤器、流量计进入混合器，原料气与空气的混合气由泵鼓入反应罐;在管路中设有安全装置，如火焰逆止阀等，混合气在反应罐内借助镍基催化剂的作用，温度约1030摄氏度，进行化学反应，生成吸热式气氛。第二种可控气氛的制备方法就是利用氮和甲醇，丙烷作为富化气体。甲醇在高温会裂解成氢气和一氧化碳，液态的甲醇直接滴入炉膛内，发生化学反应：CH3OH？陴2H2+CO;氮气直接通入到炉膛内。调整甲醇和氮气的流量，就可以调整气氛各组分的比例。不论吸热式气氛还是氮甲醇的方式，都是成熟的技术。由于公司没有管路天然气，所以选择氮甲醇的方式制备可控气氛。

在工作温度（约860摄氏度）下，这种基本气氛的碳势约在0.5%。热处理工件材料是65Mn，它的含碳量是0.56%，因为工件材料的含碳量稍微高于基本碳势0.5%，所以基本气氛以外，还需要在炉膛通入一定量的富化气体，提高气氛的碳势，富化气体选择丙烷。例如UM-5042气氛加热炉，甲醇的流量为75毫升/分钟，氮气的流量为2.4立方米/小时，通入流量为6升/分钟的丙烷。可控气氛的流量和炉膛的体积、热处理工件的进料速度、以及炉门开口的大小有关。经验值是，让炉膛一小时换气3次。如果炉膛的密封非常好，火焰帘隔绝效果好，可控气氛的流量可以稍低一点。不过，不论哪一种情况，须保持炉膛有一定的正压。另外很重要的一点就是，加热炉后部的废气排风机须正常工作。

在网带式气氛加热炉，气氛的注入一般选择从炉顶注入，且设在后部的3/4区。由于炉内有1公斤力的正压，气氛注入后，会往炉门口扩散。同时，在3/4区，2/3区，各设一个搅拌风扇，总共有2个搅拌风扇。搅拌风扇，会把气氛更加均匀地扩散到炉膛。同时，为了均匀扩散气氛和平衡炉膛的气压，在加热炉后端设一废气排放口，改善炉内气氛的流动。

4  气氛的控制

热处理生产不断进行的时候，主要是高温下，热处理工件的钢铁材料和炉内气氛会持续发生化学反应，会生成少量的水汽，氧气和二氧化碳，如CO+H20？圳CO2+H2，这个化学反应是可逆反应。由于反应是可逆反应，水汽在炉内出现，对碳势产生很大的影响，而且很难消除。一般把水汽H2O控制在0.8%以内，理想情况是0.4%以下，一般可以把H2O控制在0.4-0.6%之间。在生产实践中，通过三气分析仪检测CO，CO2和CH4的含量，CO/CO2的比值可以反映碳势的高低。然后仪器通过换算，可以计算出C%;另外，也通过露点仪检测炉内的露点，计算C%。不管是通过三气分析仪还是露点仪检测碳势，都需要记录对应的温度，因为碳势和温度相关，这个可以通过露点仪和三气分析仪附带的对照表检索。三气分析仪或者露点仪，不怎么适合在线检测碳势，一般作为脱线碳势检测仪器。它们的碳势检测值，作为下述氧探头碳势检测值的对比。同时，常常通过三气分析仪的检测结果，判断炉内水汽是否过多，炉膛是否漏气。比如CO2的含量高于0.8%的时候，会怀疑有可能盐里面含水太多导致炉膛水汽过多;CH4的含量过高，有可能是炉膛密封不良。

检测气氛碳势的另外一个常见的仪器是氧探头。氧探头通过检测炉内气氛的氧含量，同时检测炉内温度，输出一定的毫伏信号，然后碳控表可以显示相应的碳含量。氧探头一般作为在线检测仪器，碳控表碳势值就可以控制富化气体丙烷的通/断。由于氧探头在线检测碳势，炉内气氛中的碳会积在氧探头的检测部位，俗称“积炭”。积炭会影响氧探头的检测精度，所以会通入一定流量的空气，定期把氧探头上面的积炭烧去，一般称作“氧探头烧碳”。

检测气氛碳势的仪器很多，如上述的露点仪，三气分析仪和氧探头，它们的检测值或多或少都会有误差，可能由于仪器本身校准的问题，也有可能由于取样偏差。因此，最后会通过定碳片的方法检测碳势。定碳片是含碳量几乎为0的薄钢片，把3片定碳片，放在网带炉的网带的左/中/右三个位置，随工件进入炉内。定碳片在炉内期间（45分钟），它的碳含量会和碳势平衡。通过检测定碳片的含碳量就可以准确地知道炉内气氛的碳势。

同时也通过检测工件热处理后的两种不同标尺的硬度，推断气氛碳势的高低。热处理后的工件要求检测HRC和HR15N，HRC是硬度计的压头，以150公斤力的静载压入工件，检测其硬度，由于其压入深度比较深，一般也称为心部硬度;HR15N是硬度计的压头，以15公斤力的静载压入工件，检测硬度，由于其压入深度比较浅，一般也称为表面硬度。HR15N硬度可以通过标准换算表换算成HRC。如果HR15N的HRC换算值，比HRC的检测值高，说明工件表面有渗碳，也就说明气氛的碳势偏高;如果HR15N的HRC换算值，比HRC的检测值高，说明工件表面有脱碳，也就說明气氛的碳势偏低。这是因为，如果气氛碳势偏高，气氛的碳含量会渗入工件表面，导致工件表面碳含量增加，工件表面由于碳含量增加，硬度会升高。如果气氛碳势偏低，工件表面会发生脱碳现象，工件表面由于碳含量降低，硬度降低。

5  下贝氏体等温盐浴淬火

当工件从高温的加热炉掉入盐浴槽中时，它们应从加热炉的860度瞬间冷却到淬火温度300度。任何延迟，将有可能导致不完全淬火。也就是冷却没有避开C曲线，而是穿过C曲线，奥氏体重新相变为珠光体，而不是想得到的下贝氏体。奥氏体相变为珠光体后，和原材料的球状珠光体类似，硬度低，机械强度低，从而没有达到热处理的目的，需要避免。因此，加热炉到盐浴淬火槽落料斗的设计就是整条下贝氏体等温淬火热处理线的关键，须要保证工件可以快速地掉入到盐槽盐里面，同时又必须保证炉内气氛的密封性。

盐浴淬火槽盐液的温度决定了工件热处理后硬度。因为链条不同零件有不同的硬度规格，所以须要根据不同链条零件的硬度值设置盐温，一般而言，1℃会影响HRC 0.1，也就是说升高盐温1℃，硬度会降低0.1 HRC;降低盐温1℃，硬度会增加0.1 HRC。对于材料为65Mn的工件，盐浴淬火处理时间一般设为45分钟。

参考文献：

[1]林建榕.工程材料积成形技术[M].高等教育出版社，2013（6）.

[2]热处理手册[M].四版，机械工业出版社，2008.

[3]ASM Handbook， Volume 4 Heat Treating，2002 version.