盐浴金属热处理种类特点及技术发展动向

盐浴金属热处理种类特点及技术发展动向

2013-08-30 09:46:00

盐浴热处理已有数十年的历史，其本身已不是新鲜事物。当今提倡高效率生产的环境下，容易实现自动化批量生产的真空热处理等增加，而在作业环境、废水处理、炉体寿命、生产效率、成本等方面存在难点的盐浴热处理正在逐渐减少。但是有些领域仍然要依赖于盐浴热处理。下面介绍盐浴热处理的特征及其最近的技术动向。

广义的盐浴热处理中包含有渗碳氮化、软氮化、浸硫处理等表面处理，本文只对采用中性盐的盐浴热处理进行介绍。

1、盐浴炉及其种类

金属热处理用的盐浴一般分为高温用（约1000-1350℃）、中温用（约570-950℃）、低温用（约140-550℃）3种。整体可能使用的温度范围是140-1350℃。

高温用盐浴主要是高速工具钢、模具钢淬火加热用；中温用盐浴是低温合金工具钢、构造用钢、轴承钢、弹簧钢等淬火加热，高速工具钢预热、中间保持用以及各种高温回火、等温正火等用；低温用盐浴用于间歇淬火、等温淬火、淬火时冷却、低温回火等。使用盐的种类各不相同，高温用基本都用BaCl2，中温用BaCl2、NaCl、CaCl2等氯化物的混合液。与此相对，低温用NaNO3、KNO3、NaNO2等硝酸盐以及亚硝酸盐的混合液。

盐浴加热的方法有直热（电极）式与外热式。高温采用在盐浴中通上直流电加热的电极式。中温以及低温采用外热式。外热式是在钢制的罐中加入盐，之后加热罐体。温度控制稍有些难度，但优点在于除电之外，还可以用汽、油等，使用能源多样化。

2、盐浴炉热处理特点

盐浴热处理的优点是：

1）淬火加热时间短，结晶粒不会粗大化，韧性强，有利于应变。

2）炉温分布良好，应变变少。

3）高温区域冷却快、低温区域冷却比较缓慢，淬火容易，且应变减小。

4）能够对应大范围的热处理条件（间歇淬火、等温淬火、部分热处理、短时间加热、冷却、复杂的温度变化等）。

5）氧化脱碳少。

6）热处理温度、时间调整能够在短时间内完成，能够对应多品种、小批量。

7）设备费用比较便宜。

加热时间能够缩短的原因与盐浴热容量以及热传导度密切相关。图1示出?25mm高速工具钢淬火时的加热、冷却曲线。表面与中心部的温度差用预热（900℃）是3min，而用本加热（1180℃）只有2min，内外温度差消失。通常，用真空炉等加热要求约20-30min，其差明显增大。钢的结晶粒度大小依赖于相变点正上方的奥氏体结晶粒度的大小，所以为了得到细微的奥氏体结晶粒度，增加钢的加热速度与不使其上方升到淬火温度以上非常重要。而盐浴热处理，由于浴液温度的均匀性高，能够在短时间内均匀加热

图1：盐浴热处理中加热、冷却曲线参见原创。

真空炉等加热时，由于容易导致处理件产生不均匀加热，所以要增加时间，或者是提高淬火温度，这就会引起奥氏体结晶粒度的粗大化，导致韧性降低。

由真空炉以及盐浴炉的奥氏体化时间比较结果可知，在1000℃时真空炉的奥氏体化时间是盐浴炉的4-5倍，在1200℃时约为9倍。

另外，近来真空炉通过高压气体冷却的进步，有相当多的材料可以淬火。即使这样，气体冷却与油冷、盐浴冷相比热传导差，冷却不如盐浴。

盐浴突出的优势是在高温区域具有强大的冷却能力。

高速工具钢是热处理极其敏感的材料，其原因是碳化物析出的温度在1000-600℃。如果碳化物生成，材料的韧性降低，硬度也下降。因此，高速工具钢的热处理关键在于如何在这个温度范围急速冷却。采用盐浴冷却时，700℃以上的冷却速度大，因此可以避免碳化物的析出。另外，如果在马氏体生成的低温区域快速冷却，应变增大，所以也希望避免。与油淬火相比，盐浴在450℃以下的冷却能力降低，这也是希望的。从这些性质来看，盐浴热处理是最适合高速工具钢淬火的方法。

盐浴淬火时的冷却过程与油淬火的情况不同，没有蒸汽膜阶段和沸腾阶段，只有对流阶段。因此，就没有蒸汽膜阶段冷却的迟滞时间带和沸腾阶段的急剧冷却现象。作为提高冷却能力的方法，实施盐浴搅拌、添加水等，使其冷却能力上升，无论是淬火性差的钢种还是淬火性好的钢种，都能够确保大型部件的热处理硬度，所以材料的适用范围扩大。从以上优点来看，采用真空热处理的一部分材料将回归到盐浴热处理。

3、盐浴热处理新技术

通常切削工具的刀刃与刀柄部分硬度不同。有些部件要求具有3段以上的硬度。顶杆、錾子、轧辊等多要求这样的硬度分布。压铸件金属模，要求凸模圆角的里外硬度变化，采用只是单面浸滞盐浴的回火。这种操作无论什么部件都只能采用盐浴热处理。

为了满足客户的需求，开发了2段间歇淬火处理、2段等温淬火等新的热处理方法。在此介绍一例改善等温淬火的实例。众所周知，等温淬火是为了使奥氏体化的钢达不到TTT

曲线的顶端而进行冷却，即不使其发生珠光体相变，而使其发生贝氏体相变。如果厚度增加，内部冷却延迟，就不能防止珠光体相变，所以一般只能适用于细的物品、薄的物品。作为扩大这种实用尺寸的技术采用2段等温淬火处理。此试验如图2所示。通过试验可知，400℃等温淬火时，通过之前200℃时30s的浸滞，?50mm的中心部达到400℃的时间约12s。

图2：通过2段等温淬火处理产品中心部的温度变化情况参见原创。

近来，除硬度、应变之外，对残留奥氏体的调整等高新技术的要求也增多。为此，以低温盐浴槽以及测定器械等为中心的设备增强，实施精密试验。通过增加设备与精密试验数据，有可能把握淬火的加热时间，实施复杂的高精度热处理技术。其结果是采用不同的应对对策，得到理想的硬度分布。

4、结束语

现在，盐浴热处理不仅是产品在增加，而且研究开发性用途也在增加。期待着工具钢、弹簧钢、轴承钢、高张力钢的新钢种开发及热处理条件的改善。近来航空材料的热处理受到新的瞩目，对热处理的期待增加。这样的盐浴热处理虽然很早就有，但也可以说是新的热处理技术。当然，为了与之对应，只是强化设备、仪表、技术、管理等还不够。盐浴热处理中，盐浴管理、程序安排、预热、淬火、回火后续工序等，哪一个都对产品质量影响很大，对现场技术人员的技能依赖很大。为此，技术传承极其重要，因此要考虑今后的人才培育。