飼料
制粒機環(huán)模的整體淬火一般是指在大氣環(huán)境下采用電爐或鹽浴爐進行的熱處理。但近20年來越來越多的國外飼料機械生產(chǎn)廠家開始采用真空爐對環(huán)模進行整體淬火，這種熱處理方法稱為真空氣淬工藝。即在一定的真空度下，將置于密閉真空爐內(nèi)的環(huán)模加熱到奧氏體化溫度以上，然后用高壓、高純度的冷卻氣體對其進行快速氣淬火。相對于傳統(tǒng)的整體淬火，這種真空熱處理技術(shù)具有如下優(yōu)點：工件變形小；熱處理后的金屬表面非常光潔，沒有氧化、腐蝕、脫碳或增碳等現(xiàn)象發(fā)生；特別是環(huán)模孔的光潔度在真空氣淬后基本上不降低，這對保證顆粒飼料的產(chǎn)量至關重要。另外真空熱處理爐用途廣泛，且節(jié)能、安全可靠、無污染，易于實現(xiàn)自動化操作。目前國內(nèi)真正大規(guī)模采用真空熱處理技術(shù)的飼料機械生產(chǎn)廠家還比較少，筆者根據(jù)以往的實踐經(jīng)驗，對環(huán)模真空氣淬工藝的特點、主要影響因素以及需要考慮的問題進行分析研究，并給出相關的工藝參數(shù)值和解決方案以供參考。筆者采用馬氏體高鉻不銹鋼AISI420（相當于國內(nèi)鋼號3Cr13）作為環(huán)模的材料進行真空氣淬，該材料具有較好的耐腐蝕性、耐磨性和強度，是美國飼料機械生產(chǎn)廠家最常用的環(huán)模材料之一。
1、真空熱處理爐
真空熱處理爐是用來對環(huán)模進行真空氣淬的大型熱處理設備。飼料機械生產(chǎn)廠家在選擇真空熱處理爐時，應考慮以下幾個主要因素：真空爐形式（立式或臥式）、真空室內(nèi)空間大小（直徑×高度）、一次熱處理工件的最大裝載量( kg)、真空室內(nèi)最高加熱溫度、用作氣淬冷卻介質(zhì)的氣體壓強（又稱氣淬壓力）等等。一般來說都采用立式的真空爐來對環(huán)模進行熱處理。這主要是因為環(huán)模需平放在圓柱形的真空室內(nèi)以減小真空氣淬引起的變形。真空室內(nèi)的空間尺寸及工件的最大裝載量主要取決于飼料機械生產(chǎn)廠家需真空氣淬的環(huán)模的最大外直徑和總重量。環(huán)模在真空室內(nèi)加熱的最高溫度不會超過1100℃，一般的真空爐都能滿足此要求。氣淬壓力大小的選擇對環(huán)模的熱處理質(zhì)量和周期長短影響很大，這一點將在下一節(jié)工藝參數(shù)的設置中做詳細的討論。
國內(nèi)外生產(chǎn)真空熱處理爐的廠商很多，圖1所示的是美國VFS公司制造的立式真空氣淬熱處理爐。它主要由內(nèi)置加熱元件的真空室、含有人機界面的控制柜、用來儲存氣淬冷卻介質(zhì)的高壓儲氣罐、裝有鼓風機和熱交換器等的氣淬系統(tǒng)、用于維護和操作的工作臺架以及真空泵等組成。VFS立式真空爐具有多種尺寸大小的真空室，這些真空室的下端蓋都能全部打開并沿立柱自動下移到地面，然后沿地面上的導軌自動滑出，因此裝卸環(huán)模非常方便。真空室內(nèi)標定的最高加熱溫度可達1 400C左右，可供選擇的氣淬壓力有0.2、0.6和1MPa三種規(guī)格。因此VFS立式真空爐非常適用于環(huán)模的真空氣淬工藝。
VFS真空爐的控制柜上內(nèi)置一個具有良好人機對話界面的觸摸屏，真空爐的所有動作都可以通過此觸摸屏來進行操作控制。值得注意的是對于每一種環(huán)模，通過觸摸屏都可以為其建立一個所謂的熱處理配方程序。在該程序中可預先設置在整個真空氣淬期間真空室內(nèi)溫度隨時間的變化曲線（具體內(nèi)容見下一節(jié)），這樣就可實現(xiàn)對環(huán)模真空氣淬工藝的精確的自動化控制。另外這種熱處理配方程序以及真空室內(nèi)溫度和氣壓隨時間變化的數(shù)據(jù)可隨后下載、打印并歸檔保存，這對已被ISO認證的飼料機械生產(chǎn)廠家是十分必要和方便的。
2、工藝參數(shù)的設置
上述的熱處理配方程序就是用來描述如圖2所示的真空室內(nèi)溫度隨時間的變化曲線。該溫度曲線由加熱周期和氣淬周期兩部分組成。在加熱周期中，環(huán)模在500和800℃兩處分別經(jīng)歷了持續(xù)時間為30 min的預熱均溫階段。原因有兩個，一是高鉻不銹鋼的導熱率比普通碳鋼要低，因此環(huán)模的外表面與內(nèi)部中心的溫差比較大，為消除由此產(chǎn)生的熱應力，有必要保溫一段時間以盡量減小溫差。二是由于在升溫過程中，環(huán)模的實際溫度要低于真空室內(nèi)溫度，環(huán)模尺寸越大，這種溫度滯后現(xiàn)象越嚴重。因此需要保溫一段時間以使得環(huán)模內(nèi)部的實際溫度上升，更趨近于圖2所示的加熱周期中的真空室內(nèi)溫度。當真空室內(nèi)被加熱到最高溫度105℃時，也同樣保持了30 min的均溫。根據(jù)文獻[1]，保
持均溫的時間長短可按下式計算：
r=ah
式中，h是工件的有效厚度。對于大部分環(huán)模，其值應在40~ 70 mm的范圍內(nèi)。a是保溫系數(shù)。對于l000℃左右的加熱溫度，其值為0.3—0.5min/mm（環(huán)模壁厚），保溫時間為30 min。
AIS1420材料的奧氏體化溫度為980℃左右，環(huán)模的最終加熱溫度（氣淬溫度）應比此值高一點以形成奧氏體組織。如果環(huán)模的真空弋淬溫度較高，則熱處理后的硬度就會較高，但也極易形成淬火裂紋。而且在高溫的真空環(huán)境里，高鉻不銹鋼內(nèi)的合金元素如Cr、Mn等的蒸發(fā)量會加大，從而可能降低了環(huán)模的力學性能。因此環(huán)模的真空氣淬溫度不能太高，圖2將其設定為l050℃。
氣淬周期開始后，高速、高壓的非氧純凈氣體就會噴人真空室內(nèi)對環(huán)模進行快速冷卻。值得注意的是當真空室內(nèi)的溫度下降到大約250℃左右，即AISI420材料的Ms點以下附近時，環(huán)模保持60 min的均溫。其目的是減小環(huán)模各處的溫差，減小熱應力，另有一定量的下貝氏體形成，從而有效地防止環(huán)模的變形和開裂。這種淬火冷卻方法稱為等溫淬火，它是高硬度的耐磨性工件的常用淬火處理方法。
在加熱周期中，真空室內(nèi)可采用1.33~13.3 Pa的真空度，而不需要太高的真空度。這是因為環(huán)模的最終加熱溫度較高，在13.3 Pa的真空度下即可實現(xiàn)無氧化加熱。而真空度過高反而會增加合金元素Cr和Mn等的蒸發(fā)量。在氣淬周期中，所采用的氣淬壓力越高，冷卻速度就越快，冷卻環(huán)模所需的時間就越短，環(huán)模的硬度就越高。但氣淬壓力過高，熱處理后的環(huán)模極有可能出現(xiàn)較大的變形甚至微裂紋。考慮到環(huán)模是環(huán)形多孔的工件，某些環(huán)模的厚度又比較薄，最終選擇氣淬壓力為0.2 MPa的VFS真空爐以最大限度地控制環(huán)模真空氣淬后的變形率。
3、其它需要考慮的因素
常用的氣淬冷卻介質(zhì)有氫氣、氦氣、氮氣和氬氣。這四種氣體的冷卻能力，氫氣最強，氦氣次之，氮氣較弱，氬氣最弱。由于氫氣和氦氣的冷卻速度太快，將會使環(huán)模變形明顯，故不采用。而氮氣雖然成本低，使用安全，但高鉻不銹鋼在高溫下接觸純氮時會發(fā)生表面滲氮現(xiàn)象，從而使其塑性變差，故也不采用。因此采用氬氣作為氣淬冷卻介質(zhì)，其冷卻速度較慢，有助于避免環(huán)模真空熱處理時變形。
環(huán)模在真空室內(nèi)放置時，相互之間要用兩根長條形的金屬棒隔開。一是工件在真空室內(nèi)的受熱方式主要是輻射換熱，因此相互之間盡量不要遮擋，環(huán)模不應直接疊放在一起。二是通過金屬棒的接觸使環(huán)模之間相互牽制，可減少其在熱處理過程中變形。
環(huán)模在真空氣淬后應及時進行回火，以消除氣淬過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應力，提高不銹鋼材料的塑性和韌性，使環(huán)模獲得良好的綜合機械性能。為保證環(huán)模在回火后仍能保持較高的硬度，同時又要避開回火發(fā)生脆性的溫度區(qū)，環(huán)模采用200℃低溫回火較合適。
應該注意的是，與傳統(tǒng)的環(huán)模整體熱處理工藝相比，盡管真空氣淬工藝具有很多優(yōu)點，但也有其不足之處。其主要的缺點是熱處理時間較長。按照上述工藝，每爐裝載的環(huán)模一般需要6h左右的時間才能完成真空氣淬，這要比采用鹽浴爐進行整體熱處理所花的時間長得多。另一方面，由于VFS真空爐可按預先設置好的熱處理配方程序?qū)φ麄�真空氣淬過程實施精確的自動化控制，因此正常情況下除了裝卸環(huán)模和調(diào)用程序之外，操作工并不需要一直在現(xiàn)場，可以節(jié)省人力資源。當然本工藝還應在以下幾個方面進行改進，如氣淬壓力可提高一些，等溫淬火的保溫時間可縮短等等，這些都是以后的實驗研究方向。
4、環(huán)模的熱處理質(zhì)量檢驗
真空氣淬后的環(huán)模表面應非常光潔，呈現(xiàn)淺黃色。如果在其表面某些地方出現(xiàn)黑色的痕跡，則需要檢查真空度是否滿足要求、真空室及所有管線是否有泄漏，另外所用氬氣的純度是否足夠高等等。對于馬氏體不銹鋼材料AISI420，采用上述的熱處理工藝，真空氣淬后環(huán)模的表面硬度約為56~ 58 HRC，回火后的表面硬度約為54~56 HRC，符合環(huán)模熱處理規(guī)范。
5、結(jié)論
筆者對馬氏體不銹鋼AISI420的環(huán)模真空氣淬進行了詳述。對此工藝中需要考慮的影響因素和可能出現(xiàn)的問題作了仔細的分析和討論，并根據(jù)以往的實踐經(jīng)驗給出了一些相關的工藝參數(shù)值和解決方案。另外也指出了本工藝的缺點及其未來的改進方向。由于真空氣淬工藝在熱處理質(zhì)量、環(huán)保、節(jié)能及自動化控制等方面具有較大優(yōu)勢，將成為飼料機械生產(chǎn)廠家首選的環(huán)模熱處理方法。
