程玉清 潘洑满

山西航天清华装备有限责任公司 山西长治 046000

1 热处理工艺

1.1 必要的预热处理

耐磨钢铸件只能在退火或正火、淬火和再加热后进行加工，而不经过加工的耐磨钢和铁材料通常不经过退火和正火。退火和正火是为了使铸件的化学成分和显微组织均匀，消除铸件内应力，细化晶粒。淬火和回火前的预热处理可提高耐磨铸件的硬度和冲击韧性，平均冲击韧性值可提高30%，硬度可提高1HRC 以上。

1.2 热处理过程的保温时间

耐磨铸钢件的热处理属于大型铸件的热处理领域。高频淬火和正火是持续高温热处理加热和保温的必要过程。在加热炉中将铸造件热处理加热到较高温度，随后从热电偶温度计测出环境保温温度，达到保温温度作为平均温度，而温度计的温度不是铸件的实际温度；从炉口的窥探孔可以看到，当铸造件的色泽与热电偶温度计的色泽完全一致时，就开始计算保温的时间，保温的时间按铸造件板厚25mm 测算，保温时间为1 小时[1]。一般供应的加热炉大多由计算机程序控制，没有窥视孔，因此有必要根据实际情况延长计算的保温时间。

高温保温时间也与铸件中合金元素的种类和含量有关。由于元素种类多、含量高，铸件的保温时间会更长。此外，加热炉电炉和燃气燃油炉等的保温时间最短，这是在当只按厚度计算保温时间而忽略平均温度时，保温时间明显较短。铸件间隙为20-30mm，其淬火、正火、退火的高温保温时间可以按式（1）确定：

t=（0-4）+v×s （1）

式中：t 为时间；v 为衬板最大厚度；S 为厚度时间系数。

1.3 淬火操作原理及控制

1.3.1 理想淬火冷却曲线

有效控制降温冷却速率是高频淬火整个过程的重要环节。高耐磨合金钢的高频淬火是在奥氏体化后以超出临界值降温冷却速度的速度降温冷却后得到马氏体构造的热处理工艺操作过程。理想化的高频淬火降温冷却曲线图可分为三段。第一阶段是：随着耐磨钢板铸造件从锻炉放到高频淬火的媒介加入。第二阶段是耐磨钢板铸造件加入的高频淬火媒介以超出临界值降温冷却速率的速率短时间降温冷却，这一般称之为C 曲线图的牛鼻尖；在第三阶段，耐磨钢板铸造件经过M 点相对比较缓慢降温冷却。

1.3.2 三级水冷

在第一阶段中，铸件周围的水被加热并蒸发，形成蒸汽膜，该蒸汽膜热传导性差，使得铸件缓慢冷却至600o-700o。在第二阶段中，水吸收大量热量并通过蒸发而沸腾。水的汽化热为2253 焦耳/克，铸件迅速冷却至100o。在第一阶段，铸件冷却至100o 以下，水的沸腾减弱并停止，铸件的冷却速度因对流冷却而减慢。

1.3.3 淬火操作控制

实际淬火介质很难达到理想的淬火和冷却效果。提升或翻车操作时间在第一阶段控制，淬火介质可实现第二阶段淬火冷却曲线，而第三阶段难以控制。此时，有必要采取人工干预措施：当耐磨钢铸件被淬火并冷却到材料的熔点时，铸件被吊出淬火介质。

在淬火冷却过程中，为了突破第一阶段的气膜，加速第二阶段的汽化，高耐磨铸造件应在高频淬火媒介中前后两边摇摆、左右两边摇摆或上下两边摇摆，而不是驻留在高频淬火媒介中。高耐磨铸造件相互之间应保证足够的间隔距离，一般不小于20-30 毫米，以便淬火介质能在铸件之间充分流动，保证良好的淬透性。耐磨钢铸件在冷却到M 点时处于对流冷却的第三阶段。为了防止铸件因在水中或油中的冷渗透而破裂，它们仍然需要在m 处冷却。将铸件提出，并在空气中缓慢冷却。当耐磨铸件在冷却过程中表面与型芯之间的温差使其表面温度上升到m 或更高时，需要对介质进行一次或两次淬火进入，以减小铸件表面与型芯之间的温差，从而达到所需的淬火硬度，并确保铸件不产生变形和裂纹[2]。这种人工干预方法在第三阶段称为水-空循环冷却或油-空循环冷却。

1.4 淬火介质

耐磨铸钢件热处理和淬火常用的油是全损耗系统油，其名称、品牌、规格和性能参照国家标准GB443-1989。淬火油量为装炉量的10 倍，储存条件苛刻，必须采取防火措施。

淬火油回火可去除钼、镍和铜。当钨（钼）含量为0%，钨（镍）含量为0%，钨（铜）含量为0%时，用32#汽车机油高频淬火可得到洛氏硬度60 的铸造件，用100#汽车机油高频淬火可得到洛氏硬度为55hrc 硬度的铸造件。ZGCr13Mo 在32 号汽车机油中的高频淬火环境温度可以达到60o。用汽车机油高频淬火得到的高耐磨铸造件的洛氏硬度主要是在于汽车机油的机油粘度。100 号汽车机油具备较高的机油粘度，而高频淬火后铸造件的洛氏硬度比机油粘度比较适中的33 号汽车机油低，因此淬火后的硬度较高。

冷却油温对其降温冷却效果有相应的直接影响。冷却油温低时，油的粘合度大幅增加，流动性越来越差，气泡逃逸速度和对流传热速率大幅度降低，降温冷却效果越来越差。冷却油温低时，粘合度低，流动率好，降温冷却效果明显增强。冷却油温通常情况下在30o-70o 中间，最高温度不超过110o。机油的循环过程也直接影响其降温冷却速率。油的不断循环流通能够将降温冷却速率从每秒钟几度提升到20 摄氏度/秒，还能够提升气泡的输送速率和对流传热速率，进而匀称地降温冷却铸件，可以防止油中的铸件温度过高，提升油的降温冷却效果。一般情况下，淬火油损耗量为每吨铸造件4Kg，所以当淬火油铸造件生产量比较大时，应及时补充淬火油的消耗。

盐浴介质：

表1 耐磨铸钢件常用的等温淬火盐浴成分组成和使用温度表

2 热处理炉

耐磨钢材专业化、智能化生产线设备的制造不可缺少现代化的热处理炉。经常使用的热处理炉主要包括连续性热处理炉和周期性热处理炉，热媒一般是电、液化气和天然气。连续性热处理炉的炉体为直连式，多见于直线环状。几个铸件（或托盘）依次通过炉膛，每个铸件（或托盘）在炉内通过，并按照相同的工艺进行处理，从而获得相同质量的产品。连续热处理炉的内部结构极其复杂，但庆幸的是铸件相对比较稳定。通常，周期性热处理炉大都是单炉膛造型结构，铸件根据每一个炉的数量进行装载，同时该操作过程在炉膛内的具体放置位置周期性地调整。周期性热处理炉构造比较简单，但铸造件的可靠性和统一性比较差。

表2 几种周期热处理炉炉膛温差

连续热处理炉大多数情况下都是用于种类单一、产量超过3000 吨的耐磨铸件。连续热处理炉大多数情况下都是用于磨球生产，耐磨铸件球产量才能达到此规模，其炉型多为推杆炉或隧道窑台车炉。连续热处理炉类型包括步进炉、辊底炉、输送带炉和振动炉等。连续热处理炉需要三班连续生产，并且只在维护期间停止。然而，该炉在周期性热处理炉的周期之间不工作。对于品种多、规格不同、批次少的耐磨铸件，不宜选用连续热处理炉。表二为几种周期热处理炉炉膛温差。

连续性热处理炉的专业化和智能化程度高，而周期性热处理炉的专业化和智能化程度较低，罩式退火炉密闭结构严密，炉内温度差小，可有效控制在3o 以內，被空气氧化程度低。台车式热处理炉的炉口为伸缩式，炉体与台车式热处理炉之间的密闭安全装置为砂封或双砂封。密闭程比钟罩式退火炉差，炉口与炉体密封性和隔热差，从而导致被空气氧化较为严重。单砂密闭炉体温度差在10以内，双砂密闭炉体温度差为可以达到士5o，台车式热处理炉没有内盖，燃烧器在底部或两侧。作者测定了台车式热处理炉炉门下部与火焰反射孔的温差大于150o，密封性最差，氧化程较严重。处理高锰钢时，氧化皮可达1.5 毫米以上，脱碳层大于0.8 毫米，不能保证铸件的热处理质量。密封性能好的热处理炉铸件氧化较少，反之，铸件氧化程较高，在常用的周期热处理炉中，罩式炉炉膛温差最小，台车式燃煤炉炉膛温差最大[3]。

3 结语

通过对试论耐磨钢铁材料热处理工艺与热处理炉的深入分析，可以得到最佳的热处理方式，从而更好地铸造耐磨钢铁材料，也极大地促进了耐磨钢铁材料热处理工艺与热处理炉技术的发展。