保溫時(shí)間是指工件在達(dá)到設(shè)定的深冷處理溫度后，在該溫度下保持的時(shí)長(zhǎng)。保溫時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致殘留奧氏體轉(zhuǎn)變不充分或碳化物析出量不夠;保溫時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)增加液氮消耗量、延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，但對(duì)于大多數(shù)材料而言并不會(huì)造成額外的損害(個(gè)別材料如高錳鋼可能產(chǎn)生低溫脆性，但較為罕見)。因此，確定合理的保溫時(shí)間需要在處理效果與運(yùn)行成本之間做出平衡。本文介紹確定保溫時(shí)間的基本原則、基于工件截面厚度的計(jì)算參考方法，以及驗(yàn)證試驗(yàn)的設(shè)計(jì)。
基本原則：保溫時(shí)間應(yīng)足以使工件心部溫度均勻降至設(shè)定溫度，并維持足夠時(shí)間使組織轉(zhuǎn)變基本完成。對(duì)于液氮深冷處理(溫度范圍零下120至零下190攝氏度)，殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變過程在馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn)以下進(jìn)行得非常迅速，通常在工件達(dá)到目標(biāo)溫度后的30分鐘內(nèi)，轉(zhuǎn)變率已接近最大值。碳化物的析出是擴(kuò)散型過程，需要更長(zhǎng)的時(shí)間(數(shù)小時(shí))才能充分進(jìn)行。因此，如果工藝目標(biāo)主要是消除殘留奧氏體以穩(wěn)定尺寸，保溫時(shí)間可相對(duì)較短;如果同時(shí)追求碳化物析出強(qiáng)化和耐磨性提升，則需要適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。
基于截面厚度的保溫時(shí)間估算方法：工程實(shí)踐中常用“每25毫米厚度保溫1小時(shí)”作為參考基準(zhǔn)，再根據(jù)材料類型和工藝目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。具體步驟如下：
第一步：測(cè)量工件需要冷卻到心部的最大截面厚度(單位：毫米)。對(duì)于軋輥，取輥身直徑;對(duì)于模具鋼板塊，取最小橫截面尺寸。
第二步：計(jì)算基礎(chǔ)保溫時(shí)間(小時(shí))= 厚度 ÷ 25。
第三步：根據(jù)材料類型進(jìn)行修正。對(duì)于冷作模具鋼(如Cr12MoV)，乘以系數(shù)1.2至1.5;對(duì)于高速鋼(W6Mo5Cr4V2)，乘以系數(shù)1.0至1.2;對(duì)于熱作模具鋼(H13)，乘以系數(shù)0.8至1.0;對(duì)于高碳鋼，乘以系數(shù)1.0。
第四步：根據(jù)工藝目標(biāo)修正。僅需穩(wěn)定尺寸(如量具、夾具)，乘以系數(shù)0.7;需要提升耐磨性，乘以系數(shù)1.2至1.8。
第五步：得出建議保溫時(shí)間，再向上圓整至半小時(shí)整數(shù)倍。
舉例：一個(gè)Cr12MoV模具板塊，最大厚度為60毫米，工藝目標(biāo)為提升耐磨性?；A(chǔ)時(shí)間=60÷25=2.4小時(shí)。材料修正系數(shù)取1.3，得3.12小時(shí)。耐磨性修正系數(shù)取1.5，得4.68小時(shí)。向上圓整至5小時(shí)。該估算方法來(lái)自多家熱處理企業(yè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匯總，可作為初步工藝設(shè)定的參考。
不同工件的常用保溫時(shí)間范圍：以下是常見工件的保溫時(shí)間參考值(設(shè)定溫度零下150至零下180攝氏度)：
小型刀具(厚度小于10毫米)：1至2小時(shí)
注塑模具模芯(厚度20至40毫米)：2至3小時(shí)
沖壓模具凸模凹模(厚度40至60毫米)：3至4小時(shí)
冷軋工作輥(輥身直徑150至250毫米)：4至6小時(shí)
大型支撐輥(直徑400毫米以上)：6至8小時(shí)
鋁合金工件(應(yīng)力消除為主)：1至2小時(shí)
需要說明的是，這些時(shí)間為累計(jì)保溫時(shí)間，不包含降溫階段的時(shí)間。用戶應(yīng)根據(jù)實(shí)際箱體溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)(以工件附近的熱電偶達(dá)到設(shè)定溫度后開始計(jì)時(shí))執(zhí)行。
驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法：為了準(zhǔn)確確定某種材料及尺寸工件的保溫時(shí)間，可設(shè)計(jì)如下驗(yàn)證試驗(yàn)。第一，取同批次、同尺寸的6件試樣(或3件實(shí)物工件)。第二，將試樣分為三組，分別設(shè)置不同的保溫時(shí)間：短時(shí)間組(按基礎(chǔ)時(shí)間乘以0.6)、中等時(shí)間組(按基礎(chǔ)時(shí)間乘以1.0)、長(zhǎng)時(shí)間組(按基礎(chǔ)時(shí)間乘以1.5)。第三，其他工藝參數(shù)(降溫速率、深冷溫度、升溫速率)保持一致。第四，處理完成后，測(cè)量各組試樣的硬度、殘余奧氏體體積分?jǐn)?shù)(可用X射線衍射法或磁性法)，并進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)或尺寸穩(wěn)定性測(cè)試。第五，選擇性能改善明顯且保溫時(shí)間更短的那一組作為生產(chǎn)用工藝。如果在短時(shí)間組已獲得充分轉(zhuǎn)變效果(殘留奧氏體體積分?jǐn)?shù)下降至5%以下)，則無(wú)需延長(zhǎng)保溫時(shí)間。如果長(zhǎng)時(shí)間組性能仍持續(xù)提升，則可在中等時(shí)間組基礎(chǔ)上再增加20%保溫時(shí)間進(jìn)行復(fù)核。
常見誤區(qū)與注意事項(xiàng)：有人認(rèn)為保溫時(shí)間越長(zhǎng)越好，但實(shí)際測(cè)試表明，對(duì)于大多數(shù)冷作模具鋼，保溫超過6小時(shí)后，碳化物析出量增加趨于平緩，耐磨性提升幅度很小，而液氮消耗量卻成比例增加。另有一種誤區(qū)是將降溫階段的時(shí)間算入保溫時(shí)間，這是不準(zhǔn)確的。工藝記錄時(shí)應(yīng)明確區(qū)分“降溫時(shí)間”“保溫時(shí)間”和“回溫時(shí)間”。此外，深冷處理應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不應(yīng)在保溫過程中中斷或打開箱門，以免溫度回升影響轉(zhuǎn)變效果。處理結(jié)束后，不建議立即關(guān)掉液氮并開門取件，應(yīng)讓箱體自然回溫至零下50攝氏度以上再開門，防止水汽凝入和工件急熱。
設(shè)備功能對(duì)保溫時(shí)間控制的支持：選擇深冷處理箱時(shí)，可關(guān)注控制系統(tǒng)的保溫計(jì)時(shí)功能。較好的設(shè)備在箱內(nèi)平均溫度達(dá)到設(shè)定值的正負(fù)3攝氏度范圍內(nèi)時(shí)自動(dòng)開始計(jì)時(shí)，并在保溫時(shí)間結(jié)束后發(fā)出提示或自動(dòng)轉(zhuǎn)入回溫程序。用戶應(yīng)定期校準(zhǔn)設(shè)備溫度傳感器，確保保溫時(shí)間計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)準(zhǔn)確。對(duì)于需要精確控制保溫時(shí)間的工藝，建議在工件附近布置隨爐熱電偶，以實(shí)際溫度為準(zhǔn)，而不是僅依賴設(shè)備顯示溫度。
