【康沃真空網(wǎng)】在筆者的職業(yè)生涯中，可能有六七次聽(tīng)到真空爐用戶(hù)報(bào)告說(shuō)，在真空硬化和/或滲碳加真空油淬后，鋼和不銹鋼部件的表面和亞表面產(chǎn)生了白亮層(圖1)。這種白亮層往往被誤認(rèn)為是表面脫碳。
圖1. 白亮層實(shí)例(500倍，2%硝酸酒精溶液)
這個(gè)現(xiàn)象并不常見(jiàn)，卻也不是什么新鮮事。實(shí)際上，它在幾十年前就得到過(guò)研究和記錄，但像前蘇聯(lián)科學(xué)界的許多事情一樣，關(guān)于它的解釋不被外部冶金界充分了解。在過(guò)去的這些研究中，發(fā)現(xiàn)這些白亮層的碳含量非常高，碳化物生成元素和殘余奧氏體的水平也都高于基體鋼。
根據(jù)當(dāng)時(shí)和現(xiàn)在進(jìn)行的檢測(cè)，產(chǎn)生的白亮層厚度為0.0002 – 0.0007英寸(5 – 18微米)?；瘜W(xué)分析表明，這些層碳含量高的直接原因是鋼的表面區(qū)域達(dá)到了碳飽和。以前人們相信這同油淬工藝有關(guān)，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)樵谡婵窄h(huán)境中存在著油蒸氣。
現(xiàn)象
以前的看法是，這些白亮層總是在油淬后被發(fā)現(xiàn)。但是，在從1,400°F – 1,650°F（750°C – 900°C）開(kāi)始淬火時(shí)，這些層非常薄，如果不是非常細(xì)致地制備樣品和進(jìn)行表面分析，可能很難確定。它們更多地是在從1,800°F（1,000°C）以上開(kāi)始淬火時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。長(zhǎng)期以來(lái)，人們也在真空爐內(nèi)在油槽上方被氣體冷卻的爐料上看到了這個(gè)現(xiàn)象。
當(dāng)金屬表面溫度足夠高時(shí)，會(huì)生成一個(gè)非常薄的表面層。金相分析表明，滲碳層的表面有一個(gè)滲碳體-奧氏體區(qū)。這一層的厚度同溫度、冷卻速度和/或在最低反應(yīng)溫度之上與冷卻介質(zhì)接觸的時(shí)間有關(guān)。它可能厚度均勻——即使表面形狀復(fù)雜——但在大多數(shù)情況下具有在表面上零散分布的特點(diǎn)，在同一個(gè)部件上和同一批爐料的不同部件之間都是如此。
研究
無(wú)論真空爐是否帶有真空密封內(nèi)爐門(mén)(圖2)，其中的爐料都會(huì)產(chǎn)生白亮層現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確地找到這種不受控制的滲碳(以及碳或碳基化合物向真空環(huán)境中的轉(zhuǎn)移)和它們與熱部件反應(yīng)生成觀察到的白亮層的根本原因，安排了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用了帶有真空密封門(mén)的爐型。
圖2. 雙室真空油淬爐截面示意圖：帶有真空密封內(nèi)爐門(mén)的設(shè)計(jì)(由C.I. Hayes提供)
圖3. 雙室真空油淬爐截面示意圖：不帶真空爐門(mén)的設(shè)計(jì)(由C.I. Hayes提供)
對(duì)可能同滲碳5120鋼上這種白亮層的生成有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了全面的分析，內(nèi)容包括：
· 檢查真空爐的密封性(漏率)
· 檢查滲碳系統(tǒng)的運(yùn)行情況和功能性
· 檢查高溫區(qū)淬火油蒸氣的存在與否
· 檢查工件的移送步驟和油淬槽
眾所周知，泄漏會(huì)導(dǎo)致真空爐室內(nèi)吸入空氣(氧氣)。這時(shí)，如果溫度足夠高，石墨和空氣之間將會(huì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳，而它是一種滲碳?xì)怏w。對(duì)試驗(yàn)用爐的漏率進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)處于可接受范圍內(nèi)(<20 微升/小時(shí))。
滲碳?xì)怏w混合噴吹系統(tǒng)的泄漏會(huì)是真空爐內(nèi)滲碳?xì)怏w的另一個(gè)來(lái)源。作為本試驗(yàn)內(nèi)容的一部分，對(duì)質(zhì)量流量控制器和控制閥/切斷閥的功能性進(jìn)行了檢查，確認(rèn)它們使用正常，因此將它們從不受控制的滲碳問(wèn)題的可能原因中予以排除。
隨后的重點(diǎn)工作是確定淬火油特別是油蒸氣的可能影響。對(duì)爐料從加熱室移送到油淬槽并浸沒(méi)到油中的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了全面和系統(tǒng)的分析，包括：爐料從加熱室移進(jìn)淬火室的步驟；內(nèi)爐門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉的步驟；爐料移送過(guò)程中的真空水平；(使用氮?dú)?回充的時(shí)機(jī)和回充過(guò)程中氣體在淬火室內(nèi)的彌散；油槽上方的壓力；爐料的浸沒(méi)速度；淬火油攪拌器的啟動(dòng)時(shí)間和旋轉(zhuǎn)速度；淬火油的溫度；等等。
對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果是，白亮層的生成數(shù)量明顯減少，僅孤立存在于有限的區(qū)域，但并沒(méi)有完全消失。下一步是改變淬火油，使用蒸氣壓不同的油(能夠產(chǎn)生的油蒸氣的數(shù)量不同)。為此選擇了不同供應(yīng)商的淬火油。不過(guò)，進(jìn)一步的試驗(yàn)沒(méi)有解決問(wèn)題，白亮層仍然偶爾出現(xiàn)，但嚴(yán)重程度似乎有所降低。
由于在爐料移送和淬火槽方面找不到明確的問(wèn)題解答，重點(diǎn)目標(biāo)轉(zhuǎn)向了加熱室，尤其是爐料溫度降低到最終硬化溫度時(shí)(滲碳的降溫階段)和爐料即將開(kāi)始向淬火室移送時(shí)所在之處。
試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在某些工藝設(shè)定中，加熱室和淬火室采用了同一套抽真空系統(tǒng)同時(shí)抽真空。在這種情況下，兩個(gè)室是連通的，油蒸氣在理論上是可能從淬火室進(jìn)到加熱室的。因此，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，避免了兩個(gè)室同時(shí)抽真空，然后重復(fù)試驗(yàn)。在這樣做以后，白亮層完全消失了。多次重復(fù)試驗(yàn)得到了同樣滿(mǎn)意的結(jié)果，證明進(jìn)到加熱室內(nèi)的油蒸氣是觀察到的白亮層現(xiàn)象的根本原因。
方案
表面和亞表面白亮層生成的根本原因是，淬火油蒸氣引起了不受控制的滲碳。這個(gè)問(wèn)題可能發(fā)生在真空處理工藝的不同階段：向淬火室移送前在高溫區(qū)均熱時(shí)；熱爐料在淬火油上方冷卻時(shí)；爐料浸沒(méi)到油中時(shí)。其中的哪個(gè)階段對(duì)白亮層生成的影響最大，仍然是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。
對(duì)于配有油淬槽的真空爐，運(yùn)行和工藝參數(shù)的設(shè)定應(yīng)當(dāng)遵循這樣的原則：最大限度降低淬火油蒸氣與熱爐料接觸的可能性，以及淬火油蒸氣進(jìn)入加熱室的可能性。
