等温淬火的硝盐冷却
发布时间：2013-10-09张先鸣
（江西省高安市宜春齿轮厂，330800）
（江西省高安市宜春齿轮厂，330800）
1 引言
等温淬火之所以能普遍用于球墨铸铁制件的处理上，在于它能符合球墨铸铁淬火的工艺特点，较经济地使经过加热转变的奥氏体分解成铁素体和渗碳体的混合组织贝氏体。
由于等温淬火球铁具有较高的强度、韧性、抗疲劳强度和较好的耐磨性能，简称ADI工程材料，被誉为近30年来在铸铁冶金领域中重大成就之一。它具有类似于氮化钢和渗碳钢的良好的抗弯强度和抗疲劳强度，耐磨性达到非合金化白口铸铁指标，零件质量比钢制件轻8%-10%，制造能耗少和成本低等优点。该工艺近年来在国内外发展很快，在汽车、拖拉机以及在摩擦件和承重结构件上得到实际应用，并且发展到灰口铸铁件上也采取等温淬火强化处理，效果十分显著。
经不同温度等温淬火处理的球铁基体组织主要是贝氏体加数量不等的残余奥氏体。有的是采用下贝氏体为主加少许奥氏体的半硬级的等温淬火强化，有的是上贝氏体加20%-40%残余奥氏体韧性级的等温淬火强化工艺。
采用等温淬火的工厂，一般对球铁铸件的管理都有一套严格的标准，在加热规范上均比较稳定。相对而言，在冷却上很好地发挥硝盐介质的等温效果，是球铁等温淬火的一个关键。
2 硝盐淬火介质中的冷却
通常采用的等温淬火介质是硝酸盐、亚硝酸盐及其混合物。这类介质Z大优点在于它传热快、冷却能力较强。使用这类介质因工件在其中淬火时不会沸腾，所以在硝盐中的冷却过程与在金属中的冷却无原则上的区别。盐的热导率虽约为金属热导率的1%，但盐的热容量却比熔融金属的热容量高好几倍，只要保证槽液有良好的人工循环，便在很大程度上也就抵消了硝盐热导率低的缺点。
液态KNO3的熔解热为3.2×105J/kg，50%KNO3+50%NaNO3混合盐的熔解热通常取3.4×105J/kg计算。当熔盐过热至熔点以上很高温度时，它的热容量即改变。试验说明，随着硝盐温度升高，其冷却作用降低。另一方面 熔盐的流动性对熔盐的冷却能力也有很大影响，提高硝盐的温度会使流动性剧烈地提高，因而必然会使冷却加快。可见，这两个因素总是以相反的方向同时起作用。一般在150～200℃时出现Z大值。
在淬火现场往往要摆动工件或备有搅拌盐的装置（用压缩空气或电动机带动叶轮搅拌，用泵来吸引等）。从而使工件得到较好的冷却。实践证明，淬火时搅拌硝盐对其冷却速度有很大影响，可提高15%-20%。
通常，等温温度在外热式硝盐槽中进行，盐浴由KNO3与NaNO3各50%组成。硝盐槽的尺寸应足够大，这样才能保证淬火时盐浴的温度一致，它的温度应在±5%以内。一般情况下，等温温度在250～350℃之间选取，可获得较高的综台力学性能。
3 硝盐槽的除渣
目前热处理使用的许多电炉都可用于球铁或灰铁等温淬火，由于大多数不通保护气氛，难免会有氧化皮沉积到硝盐槽底，如果采用盐浴炉加热工件，就会将加热炉中的盐类带入等温槽中将硝盐污染。在频繁使甩过程中，盐浴的成分还会逐渐改变，所形成的难熔的碱金属氧化物因密度大也会下沉到槽底，显然这些淤渣对冷却作用会带来一定的影响，它的含量超过15%-20%时会使盐浴丧失其冷却能力；再者，淤渣沉积槽底或粘附在冷却蛇形管壁上会妨碍盐浴热循环，当淤渣在槽底牢固结壳时，熔化开始只限于底部升温，有时还会引起爆炸。为此，在使用时应及时清除盐浴中的污染杂质，通常每周要对浴槽除渣一次。除了一般的除渣外，对生产批量大时，还采用以下办法。
（1）硝盐槽底部设置活底或采用多孔的筐，将盐浴由工作温度降低30～70℃，使氧化盐沉淀至活底或筐内，并将筐或活底取出清除。
（2）在硝盐槽处另设氧盐分离槽，用泵在盐浴与分离槽之间往复吸引，一面便盐浴循环增加冷却能力，一面使熔盐进入分离槽后降低到较盐浴底30～70℃的温度，使氧化物沉淀到分离槽底部的筐内，然后将筐移走清除。
（3）对于断续使用并较小的浴槽，可以在另一容器上安放钢丝网布，对盐液加以过滤。
4 加水对硝盐浴冷却性能的影响
新配制的混合硝盐使用一段时间后，为了改善或提高硝盐的冷却能力，一般在生产现场采用加水的办法来调整。为了获得盐浴加水后冷却能力的数据，用50%KNO3+50%NaNO3进行试验，对加水盐潜含水率的变化、含水率与冷却能力的关系进行比较。试验表明，盐浴中所加的水在各温度下并不会很快就消失，加水时各温度下含水率之所以不同，是由于加水后盐浴产生飞溅，一部分水蒸发掉了，添加的水量未含在盐浴中的缘故。在200℃时熔盐中可添加2.5%的水，可当温度升至350℃时只能添加0.25%的水。
由于加水使球铁或灰铁在淬火重要的温度范围600～500℃时的冷却速度变得极快，这表明加水改善了硝盐的冷却速度。如果在250℃熔化的盐溶中加1%的水，每隔1h测定一次冷却曲线，便会发现冷却曲线的变化缓慢地向未加水时的冷却曲线接近。为了保持稳定的处理质量，随着硝盐含水率的减小要适当添加水分。实践证明，当槽液温度不超过250℃时，加水是Z适宜的。
5 加水使硝盐浴冷却能力改善的原因
如上所述，加水对盐浴的冷却能力有很强烈的影响，究其原因，一般认为水不仅能促使盐的流动性增高，还能大大提高混舍物的气化热值，从而大大地加速混合物中的冷却。
加水并没有使盐浴粘性系数产生变化，水和盐浴仅仅以混合状态而存在，即使加少量的水，粘性仍然只取决于盐浴，而水并未显示作用，向盐浴中加水，虽然包含有易形成膜的液体，但由于水量很少，所以没有覆盖整个工件的表面而使冷却速度降低。相反，因水爆炸，工件表面新盐浴的交换变得活泼，故促进冷却。
6 结束语
（1）要使球铁或灰铁等温淬火取得预期的效果，掌握好硝盐的冷却特性，合理地使用硝盐淬火介质是个关键。
（2）盐浴的温度、盐浴的搅拌、除渣和适当添加水分是影响硝盐冷却效果的四个方面，生产现场必须严格操作制度并按要求加以调整。
（3）向硝盐浴中加水可以构成较理想的淬火介质，能加快700～500℃奥氏体向珠光体转变的温度范围内的冷却速度，使球铁或灰铁在M点以下温度范围内缓慢冷却。
等温淬火之所以能普遍用于球墨铸铁制件的处理上，在于它能符合球墨铸铁淬火的工艺特点，较经济地使经过加热转变的奥氏体分解成铁素体和渗碳体的混合组织贝氏体。
由于等温淬火球铁具有较高的强度、韧性、抗疲劳强度和较好的耐磨性能，简称ADI工程材料，被誉为近30年来在铸铁冶金领域中重大成就之一。它具有类似于氮化钢和渗碳钢的良好的抗弯强度和抗疲劳强度，耐磨性达到非合金化白口铸铁指标，零件质量比钢制件轻8%-10%，制造能耗少和成本低等优点。该工艺近年来在国内外发展很快，在汽车、拖拉机以及在摩擦件和承重结构件上得到实际应用，并且发展到灰口铸铁件上也采取等温淬火强化处理，效果十分显著。
经不同温度等温淬火处理的球铁基体组织主要是贝氏体加数量不等的残余奥氏体。有的是采用下贝氏体为主加少许奥氏体的半硬级的等温淬火强化，有的是上贝氏体加20%-40%残余奥氏体韧性级的等温淬火强化工艺。
采用等温淬火的工厂，一般对球铁铸件的管理都有一套严格的标准，在加热规范上均比较稳定。相对而言，在冷却上很好地发挥硝盐介质的等温效果，是球铁等温淬火的一个关键。
2 硝盐淬火介质中的冷却
通常采用的等温淬火介质是硝酸盐、亚硝酸盐及其混合物。这类介质Z大优点在于它传热快、冷却能力较强。使用这类介质因工件在其中淬火时不会沸腾，所以在硝盐中的冷却过程与在金属中的冷却无原则上的区别。盐的热导率虽约为金属热导率的1%，但盐的热容量却比熔融金属的热容量高好几倍，只要保证槽液有良好的人工循环，便在很大程度上也就抵消了硝盐热导率低的缺点。
液态KNO3的熔解热为3.2×105J/kg，50%KNO3+50%NaNO3混合盐的熔解热通常取3.4×105J/kg计算。当熔盐过热至熔点以上很高温度时，它的热容量即改变。试验说明，随着硝盐温度升高，其冷却作用降低。另一方面 熔盐的流动性对熔盐的冷却能力也有很大影响，提高硝盐的温度会使流动性剧烈地提高，因而必然会使冷却加快。可见，这两个因素总是以相反的方向同时起作用。一般在150～200℃时出现Z大值。
在淬火现场往往要摆动工件或备有搅拌盐的装置（用压缩空气或电动机带动叶轮搅拌，用泵来吸引等）。从而使工件得到较好的冷却。实践证明，淬火时搅拌硝盐对其冷却速度有很大影响，可提高15%-20%。
通常，等温温度在外热式硝盐槽中进行，盐浴由KNO3与NaNO3各50%组成。硝盐槽的尺寸应足够大，这样才能保证淬火时盐浴的温度一致，它的温度应在±5%以内。一般情况下，等温温度在250～350℃之间选取，可获得较高的综台力学性能。
3 硝盐槽的除渣
目前热处理使用的许多电炉都可用于球铁或灰铁等温淬火，由于大多数不通保护气氛，难免会有氧化皮沉积到硝盐槽底，如果采用盐浴炉加热工件，就会将加热炉中的盐类带入等温槽中将硝盐污染。在频繁使甩过程中，盐浴的成分还会逐渐改变，所形成的难熔的碱金属氧化物因密度大也会下沉到槽底，显然这些淤渣对冷却作用会带来一定的影响，它的含量超过15%-20%时会使盐浴丧失其冷却能力；再者，淤渣沉积槽底或粘附在冷却蛇形管壁上会妨碍盐浴热循环，当淤渣在槽底牢固结壳时，熔化开始只限于底部升温，有时还会引起爆炸。为此，在使用时应及时清除盐浴中的污染杂质，通常每周要对浴槽除渣一次。除了一般的除渣外，对生产批量大时，还采用以下办法。
（1）硝盐槽底部设置活底或采用多孔的筐，将盐浴由工作温度降低30～70℃，使氧化盐沉淀至活底或筐内，并将筐或活底取出清除。
（2）在硝盐槽处另设氧盐分离槽，用泵在盐浴与分离槽之间往复吸引，一面便盐浴循环增加冷却能力，一面使熔盐进入分离槽后降低到较盐浴底30～70℃的温度，使氧化物沉淀到分离槽底部的筐内，然后将筐移走清除。
（3）对于断续使用并较小的浴槽，可以在另一容器上安放钢丝网布，对盐液加以过滤。
4 加水对硝盐浴冷却性能的影响
新配制的混合硝盐使用一段时间后，为了改善或提高硝盐的冷却能力，一般在生产现场采用加水的办法来调整。为了获得盐浴加水后冷却能力的数据，用50%KNO3+50%NaNO3进行试验，对加水盐潜含水率的变化、含水率与冷却能力的关系进行比较。试验表明，盐浴中所加的水在各温度下并不会很快就消失，加水时各温度下含水率之所以不同，是由于加水后盐浴产生飞溅，一部分水蒸发掉了，添加的水量未含在盐浴中的缘故。在200℃时熔盐中可添加2.5%的水，可当温度升至350℃时只能添加0.25%的水。
由于加水使球铁或灰铁在淬火重要的温度范围600～500℃时的冷却速度变得极快，这表明加水改善了硝盐的冷却速度。如果在250℃熔化的盐溶中加1%的水，每隔1h测定一次冷却曲线，便会发现冷却曲线的变化缓慢地向未加水时的冷却曲线接近。为了保持稳定的处理质量，随着硝盐含水率的减小要适当添加水分。实践证明，当槽液温度不超过250℃时，加水是Z适宜的。
5 加水使硝盐浴冷却能力改善的原因
如上所述，加水对盐浴的冷却能力有很强烈的影响，究其原因，一般认为水不仅能促使盐的流动性增高，还能大大提高混舍物的气化热值，从而大大地加速混合物中的冷却。
加水并没有使盐浴粘性系数产生变化，水和盐浴仅仅以混合状态而存在，即使加少量的水，粘性仍然只取决于盐浴，而水并未显示作用，向盐浴中加水，虽然包含有易形成膜的液体，但由于水量很少，所以没有覆盖整个工件的表面而使冷却速度降低。相反，因水爆炸，工件表面新盐浴的交换变得活泼，故促进冷却。
6 结束语
（1）要使球铁或灰铁等温淬火取得预期的效果，掌握好硝盐的冷却特性，合理地使用硝盐淬火介质是个关键。
（2）盐浴的温度、盐浴的搅拌、除渣和适当添加水分是影响硝盐冷却效果的四个方面，生产现场必须严格操作制度并按要求加以调整。
（3）向硝盐浴中加水可以构成较理想的淬火介质，能加快700～500℃奥氏体向珠光体转变的温度范围内的冷却速度，使球铁或灰铁在M点以下温度范围内缓慢冷却。
来源：《机械工人（热加工）》1997年01期