CN104152808A

CN104152808A - 一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金及其制造方法

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Publication number: CN104152808A
Application number: CN201410261052.4A
Authority: CN
Inventors: 孙峰; 范静; 邬海斌
Original assignee: CHANGXING DETIAN ENGINEERING MACHINERY Co Ltd
Current assignee: CHANGXING DETIAN ENGINEERING MACHINERY Co Ltd
Priority date: 2014-08-24
Filing date: 2014-08-24
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2034-08-24
Also published as: CN104152808B

Abstract

一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金及其制造方法，合金的化学成分及重量百分比为：0.3～0.6％C，1.6～2.6％Si，0.6～1.0％Mn，0.6～4.0Cr，0.3～0.5Mo，0.3～0.5Ni，0.3～0.5Cu，0.1～0.3％Ti，0.05～0.1％B，0.05～0.15％Ce，0.05～0.15％Nb，P＜0.04％，S＜0.04％，余量为Fe，合金采用电炉熔炼，并经二次插铝脱氧后放置在浇包底部形成铸件，铸件经850～950℃奥氏体化并保温一定时间后，置入温度为200～260℃的盐浴中进行一次等温淬火，保温5～10分钟，然后在260～400℃的盐浴中进行二次等温淬火，保温0.5～4小时，空冷后得到奥氏体-贝氏体基体上分布硼化物的耐磨耐蚀合金。本发明合金制备成本较低，适合于海洋泥沙磨损腐蚀环境使用，具有较好的强韧性、耐磨耐蚀综合性能，且可用于挖泥船用刀齿、泥浆输送管道、离心泵叶轮、叶片等。

Description

一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金及其制造方法

技术领域：

本发明属于钢铁制备技术领域，具体涉及一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金及其制造方法。

背景技术：

海洋工程是海洋事务国家战略发展的重要方面之一，随着海洋资源的开发，海洋工程平台、大型海洋工程辅助船舶及相关产业得到快速发展。海洋工程用耐磨材料是一个极具研究和开发价值的方向。在海水环境中工作的工程机械耐磨构件，如长期在海水中工作的挖泥船用刀齿、泥浆输送管道、离心泵叶轮、叶片等，由于受到高速海水流的带动泥沙与工件表面形成的剪切力的冲蚀、泥沙磨损及海水侵蚀，腐蚀磨损相当严重，要求具有足够的强韧性和良好的耐磨、耐蚀性能。目前，常见的海洋工程用耐磨部件通常采用普通碳钢、低合金钢、不锈钢、高铬铸铁以及系泊链钢制成。普通碳钢的硬度低，没有添加合金元素，因而其服役周期很短，但具有成本低廉的优势；奥氏体不锈钢由于添加了大量的合金元素，具有良好的耐点蚀和缝隙腐蚀性能，在与氯离子接触的环境中有着广泛的应用。但其初始硬度很低，不能作为耐磨材料使用，特别是在低或者是无冲击载荷的工况下使用；高铬铸铁具有优异的耐磨性能和良好的耐点蚀和缝隙腐蚀性能，但其韧性过低，在较大的冲击载荷下回由于韧性不足而发生断裂，且存在焊接修复困难等问题。而且由于加入了大量的合金元素，使用成本较高；系泊链钢强度高、韧性好，兼具良好的冷弯性能和焊接性能，具有良好的耐海水腐蚀、抗疲劳、耐磨损等特性，但这种钢的制备过程复杂，适合于大规模生产，且制备成本高；低合金钢经过合金元素添加和组织结构控制，可大大改善强度、硬度和韧性，同时提高耐蚀性，但目前使用的低合金钢存在硬度低和耐磨性差等不足。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种制备成本较低，以无碳化物贝氏体和稳定的残余奥氏体双相组织为基体，以呈孤立分布的高化学稳定性的硼化物为耐磨硬质相，适合于海洋泥沙磨损腐蚀环境使用，具有较好的强韧性、耐磨耐蚀综合性能，且可用于挖泥船用刀齿、泥浆输送管道、离心泵叶轮、叶片等的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金。

本发明的技术解决方案是，提供一种由以下重量百分比的组分组成的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金：

C：0.3～0.6％

Si：1.6～2.6％

Mn：0.6～1.0％

Cr：0.6～4.0％

Mo：0.3～0.5

Ni：0.3～0.5

Cu：0.3～0.5

Ti：0.1～0.3％

B：0.05～0.1％

Ce：0.05～0.15％

Nb：0.05～0.15％

P＜0.04％

S＜0.04％

余量为Fe。

本发明的另一个目的是提供一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，该方法包括以下具体步骤：

(1)将回炉料、普通废钢置入感应电炉或电弧炉进行熔炼，熔炼过程中加入钼铁、镍板、铬铁、铜板、铌铁、锰铁、硅铁，炉料熔清后用增碳剂调节碳含量；

(2)熔体温度升高到1600～1620℃后插铝一次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.15～0.3％：

(3)加入钛铁和硼铁，钢液熔清扒渣后插铝进行二次脱氧；

(4)将稀土硅铁破碎成3～5mm直径的颗粒，烘干后放置在浇包底部，钢液出炉，钢液直接浇注成铸件，浇注温度1550～1600℃；

(5)将浇铸后的铸件去除浇冒口，置于箱式电阻炉中，经850～950℃奥氏体化，保温0.5～3小时，保温时间依据铸件壁厚确定，一般为3min/mm；

(6)将铸件取出直接置入温度为200～260℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火热处理，根据铸件的厚度不同保温时间为5～10分钟；

(7)将铸件取出，迅速将放入温度为260～400℃的等温盐浴炉中进行二次等温淬火，根据铸件的厚度不同保温0.5～4小时，取出后进行空冷，空冷后获得基体为残余奥氏体-无碳化物贝氏体双相组织，耐磨相为呈独立分布的硼化物的耐磨耐蚀合金。

其中，步骤(1)中所述的增碳剂为废石墨电极、石墨颗粒，步骤(6)和步骤(7)中所述的等温盐浴是由质量分数为50％的硝酸钾和50％的亚硝酸钠配比而成。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

(1)本发明耐磨耐蚀合金以无碳化物贝氏体和稳定的残余奥氏体双相组织为基体，以呈孤立分布的高化学稳定性的硼化物为耐磨硬质相，基体具有优异的强韧性配合，同时合金具有良好的耐磨性能；

(2)合金中硼元素的存在主要是为了形成高硬度耐磨硼化物相；

(3)合金中添加重量百分比为1.6～2.6％的硅元素的目的主要是为了在等温淬火过程中强烈抑制碳化物析出的作用，保证热处理组织中形成无碳化物的贝氏体，组织中无碳化物的存在，可以提高合金的耐腐蚀性能；

(4)合金中铬元素、硅元素共存，在腐蚀过程中可形成稳定的硫酸盐膜，并阻止在污染海水中细菌的生长，从而减缓合金的腐蚀，同时硅、铬、铜在锈层中富集，并直接作用于金属表面，使紧贴基体锈蚀产物变得细小致密，阻碍了海水中溶解氧向合金表面富集，减缓了合金的氧化腐蚀；

(5)本发明采用Ti元素进行硼化物的变质处理，钛元素的加入可在高温熔体中形成与硼化物有良好的共格关系的高熔点化合物，促进硼化物形核，达到细化硼化物的目的，促使硼化物呈孤立块状分布，同时，钛元素的加入也可以细化铸态组织，提高合金的力学性能；

(6)耐磨合金采用稀土硅铁可以起到细化合金铸态组织和净化熔体的目的，以提高合金的力学性能；

(7)本发明的合金中加入了铌元素，微量的铌加入合金中能够形成稳定的难熔化合物，强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化铸态组织，对提高合金的力学性能十分有利，此外，铌元素可促使合金在海水腐蚀过程中电荷传递电阻随腐蚀时间延长而增大，从而提高合金的耐海水腐蚀性能；

(8)本发明采用两步法对合金进行等温淬火热处理，在200～260℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火是为了增加过冷度，提高无碳化物贝氏体的形核能力，在260～400℃的盐浴炉中进行二次等温淬火，最终将获得无碳化物贝氏体和稳定的高碳残余奥氏体；

(9)本发明采用两步法对合金进行盐浴等温淬火，可以获得硬度40～60HRC，抗拉强度650～1100MPa，冲击韧度10～40J的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，是一种适合于海洋泥沙磨损腐蚀环境使用的低合金耐磨耐蚀合金，同时具有较好的强韧性、耐磨耐蚀综合性能，可用于挖泥船用刀齿、泥浆输送管道、离心泵叶轮、叶片等。

附图说明：

图1是本发明含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的显微结构组织图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金及其制造方法作进一步详细说明：

实施例1

一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其化学成分为0.45％C，2.15％Si，0.92％Mn，2.6％Cr，0.35％Mo，0.38％Ni，0.41％Cu，0.2％Ti，0.1％B，0.05％Ce，0.08％Nb，0.016％P，0.011％S，其余为Fe。具体制备步骤为：先将计算称量后的回炉料、普通废钢置入感应电炉中进行熔炼，熔炼过程中加入计算称量后的钼铁、镍板、铬铁、铜板、铌铁、锰铁、硅铁，炉料熔清后用增碳剂调节碳含量；接着将熔体温度升高到1600～1620℃后插铝一次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.15～0.3％；然后加入钛铁和硼铁，钢液熔清扒渣后插铝进行二次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.1～0.2％，之后出炉冲入在包底放置有3～5mm直径的稀土硅铁颗粒的浇包中，之后直接浇注成标准基尔试块，浇注温度为1550～1600℃。采用线切割截取标准基尔试块的下部，用于热处理，具体热处理工艺为：将浇注后去除浇冒口后的铸件置于箱式电阻炉中，经900℃奥氏体化，保温0.5小时，保温时间依据铸件壁厚确定，一般为3min/mm，然后将铸件取出后快速置于260℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火，保温时间为5分钟；然后迅速将铸件放入温度为280℃的等温盐浴炉中进行二次等温淬火，保温0.5小时，取出后空冷放置至室温。获得的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金共晶硼化物呈孤立块状和粒状分布，基体为无碳化物贝氏体和奥氏体双相组织，其力学性能如下：硬度为56HRC，抗拉强度为930MPa，线切割加工的10mm×10mm×55mm标准冲击试样冲击功Ak为12.7J。在Falex多功能摩擦磨损试验机上进行球盘试验(对磨材料为氧化锆陶瓷球，压力10磅)，磨损失重为7.33mg。

实施例2

一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其化学成分为0.42％C，2.25％Si，0.85％Mn，2.32％Cr，0.37％Mo，0.31％Ni，0.35％Cu，0.22％Ti，0.1％B，0.055％Ce，0.07％Nb，0.014％P，0.010％S，其余为Fe。具体制备步骤为：先将计算称量后的回炉料、普通废钢置入感应电炉中进行熔炼，熔炼过程中加入计算称量后的钼铁、镍板、铬铁、铜板、铌铁、锰铁、硅铁，炉料熔清后用增碳剂调节碳含量；接着将熔体温度升高到1600～1620℃后插铝一次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.15～0.3％；然后加入钛铁和硼铁，钢液熔清扒渣后插铝进行二次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.1～0.2％，之后出炉冲入在包底放置有3～5mm直径的稀土硅铁颗粒的浇包中，之后直接浇注成标准基尔试块，浇注温度为1550～1600℃。采用线切割截取标准基尔试块的下部，用于热处理，具体热处理工艺为：将浇注后去除浇冒口后的铸件置于箱式电阻炉中，经900℃奥氏体化，保温0.5小时，保温时间依据铸件壁厚确定，一般为3min/mm，然后将铸件取出后快速置于240℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火，保温时间为5分钟；然后迅速将铸件放入温度为300℃的等温盐浴炉中进行二次等温淬火，保温0.5小时，取出后空冷放置至室温。获得的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金共晶硼化物呈孤立块状和粒状分布，基体为无碳化物贝氏体和奥氏体双相组织，其力学性能如下：硬度为54HRC，线切割加工的10mm×10mm×55mm标准冲击试样冲击功Ak为16.9J。

实施例3

一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其化学成分为0.35％C，2.12％Si，0.95％Mn，1.92％Cr，0.34％Mo，0.41％Ni，0.32％Cu，0.18％Ti，0.1％B，0.054％Ce，0.06％Nb，0.018％P，0.014％S，其余为Fe。具体制备步骤为：先将计算称量后的回炉料、普通废钢置入感应电炉中进行熔炼，熔炼过程中加入计算称量后的钼铁、镍板、铬铁、铜板、铌铁、锰铁、硅铁，炉料熔清后用增碳剂调节碳含量；接着将熔体温度升高到1600～1620℃后插铝一次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.15～0.3％；然后加入钛铁和硼铁，钢液熔清扒渣后插铝进行二次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.1～0.2％，之后出炉冲入在包底放置有3～5mm直径的稀土硅铁颗粒的浇包中，之后直接浇注成标准基尔试块，浇注温度为1550～1600℃。采用线切割截取标准基尔试块的下部，用于热处理，具体热处理工艺为：将浇注后去除浇冒口后的铸件置于箱式电阻炉中，经950℃奥氏体化，保温0.5小时，保温时间依据铸件壁厚确定，一般为3min/mm，然后将铸件取出后快速置于240℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火，保温时间为5分钟；然后迅速将铸件放入温度为320℃的等温盐浴炉中进行二次等温淬火，保温0.5小时，取出后空冷放置至室温。获得的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金共晶硼化物呈孤立块状和粒状分布，基体为无碳化物贝氏体和奥氏体双相组织，其力学性能如下：硬度为49HRC，抗拉强度为760MPa，线切割加工的10mm×10mm×55mm标准冲击试样冲击功Ak为22.8J。在Falex多功能摩擦磨损试验机上进行球盘试验(对磨材料为氧化锆陶瓷球，压力10磅)，磨损失重为8.84mg。

实施例4

一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其化学成分为0.52％C，2.07％Si，0.93％Mn，2.29％Cr，0.34％Mo，0.32％Ni，0.38％Cu，0.21％Ti，0.1％B，0.052％Ce，0.07％Nb，0.016％P，0.009％S，其余为Fe。具体制备步骤为：先将计算称量后的回炉料、普通废钢置入感应电炉中进行熔炼，熔炼过程中加入计算称量后的钼铁、镍板、铬铁、铜板、铌铁、锰铁、硅铁，炉料熔清后用增碳剂调节碳含量；接着将熔体温度升高到1600～1620℃后插铝一次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.15～0.3％；然后加入钛铁和硼铁，钢液熔清扒渣后插铝进行二次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.1～0.2％，之后出炉冲入在包底放置有3～5mm直径的稀土硅铁颗粒的浇包中，之后直接浇注成标准基尔试块，浇注温度为1550～1600℃。采用线切割截取标准基尔试块的下部，用于热处理，具体热处理工艺为：将浇注后去除浇冒口后的铸件置于箱式电阻炉中，经900℃奥氏体化，保温0.5小时，保温时间依据铸件壁厚确定，一般为3min/mm，然后将铸件取出后快速置于240℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火，保温时间为5分钟；然后迅速将铸件放入温度为360℃的等温盐浴炉中进行二次等温淬火，保温0.5小时，取出后空冷放置至室温。获得的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金共晶硼化物呈孤立块状和粒状分布，基体为无碳化物贝氏体和奥氏体双相组织，其力学性能如下：硬度为49HRC，线切割加工的10mm×10mm×55mm标准冲击试样冲击功Ak为18.7J。

实施例5

一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其化学成分为0.52％C，1.98％Si，0.87％Mn，1.62％Cr，0.31％Mo，0.30％Ni，0.36％Cu，0.24％Ti，0.1％B，0.051％Ce，0.08％Nb，0.012％P，0.012％S，其余为Fe。具体制备步骤为：先将计算称量后的回炉料、普通废钢置入感应电炉中进行熔炼，熔炼过程中加入计算称量后的钼铁、镍板、铬铁、铜板、铌铁、锰铁、硅铁，炉料熔清后用增碳剂调节碳含量；接着将熔体温度升高到1600～1620℃后插铝一次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.15～0.3％；然后加入钛铁和硼铁，钢液熔清扒渣后插铝进行二次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.1～0.2％，之后出炉冲入在包底放置有3～5mm直径的稀土硅铁颗粒的浇包中，之后直接浇注成标准基尔试块，浇注温度为1550～1600℃。采用线切割截取标准基尔试块的下部，用于热处理，具体热处理工艺为：将浇注后去除浇冒口后的铸件置于箱式电阻炉中，经900℃奥氏体化，保温0.5小时，保温时间依据铸件壁厚确定，一般为3min/mm，然后将铸件取出后快速置于240℃的等温盐浴炉中进行一次等温淬火，保温时间为5分钟；然后迅速将铸件放入温度为400℃的等温盐浴炉中进行二次等温淬火，保温0.5小时，取出后空冷放置至室温。获得的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金共晶硼化物呈孤立块状和粒状分布，基体为无碳化物贝氏体和奥氏体双相组织，其力学性能如下：硬度为44HRC，线切割加工的10mm×10mm×55mm标准冲击试样冲击功Ak为36.9J。

在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行冲击磨料磨损试验(上试样为试验试样，对磨材料为硬度在50～52HRC的40Cr轴承钢，试验冲击功为2J，冲锤质量10Kg，冲击次数为150次/分钟，预磨时间为10min，磨损试验时间为120min)，磨损失重为251mg/h。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其特征在于：所述耐磨耐蚀合金由以下重量百分比的组分组成：

C：0.3～0.6％

Si：1.6～2.6％

Mn：0.6～1.0％

Cr：0.6～4.0％

Mo：0.3～0.5％

Ni：0.3～0.5％

Cu：0.3～0.5％

Ti：0.1～0.3％

B：0.05～0.1％

Ce：0.05～0.15％

Nb：0.05～0.15％

P＜0.04％

S＜0.04％

余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其特征在于：所述耐磨耐蚀合金由以下重量百分比的组分组成：

C：0.45％

Si：2.15％

Mn：0.92％

Cr：2.6％

Mo：0.35％

Ni：0.38％

Cu：0.41％

Ti：0.2％

B：0.1％

Ce：0.05％

Nb：0.08％

P：0.016％

S：0.011％

余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其特征在于：所述耐磨耐蚀合金由以下重量百分比的组分组成：

C：0.42％

Si：2.25％

Mn：0.85％

Cr：2.32％

Mo：0.37％

Ni：0.31％

Cu：0.35％

Ti：0.22％

B：0.1％

Ce：0.055％

Nb：0.07％

P：0.014％

S：0.01％

余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其特征在于：所述耐磨耐蚀合金由以下重量百分比的组分组成：

C：0.35％

Si：2.12％

Mn：0.95％

Cr：1.92％

Mo：0.34％

Ni：0.41％

Cu：0.32％

Ti：0.18％

B：0.1％

Ce：0.054％

Nb：0.06％

P：0.018％

S：0.014％

余量为Fe。

5.根据权利要求1所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其特征在于：所述耐磨耐蚀合金由以下重量百分比的组分组成：

C：0.52％

Si：2.07％

Mn：0.93％

Cr：2.29％

Mo：0.34％

Ni：0.32％

Cu：0.38％

Ti：0.21％

B：0.1％

Ce：0.052％

Nb：0.07％

P：0.016％

S：0.009％

余量为Fe。

6.根据权利要求1所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金，其特征在于：所述耐磨耐蚀合金由以下重量百分比的组分组成：

C：0.52％

Si：1.98％

Mn：0.87％

Cr：1.62％

Mo：0.31％

Ni：0.3％

Cu：0.36％

Ti：0.24％

B：0.1％

Ce：0.051％

Nb：0.08％

P：0.012％

S：0.012％

余量为Fe。

7.一种如权利要求1所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，其特征在于：该方法包括以下具体步骤：

(3)加入钛铁和硼铁，钢液熔清扒渣后插铝进行二次脱氧，铝的加入量为合金熔体重量的0.1～0.2％：

8.根据权利要求7所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中奥氏体化的温度为900℃，步骤(6)中一次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为260℃，步骤(7)中二次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为280℃。

9.根据权利要求7所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中奥氏体化的温度为900℃，步骤(6)中一次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为240℃，步骤(7)中二次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为300℃。

10.根据权利要求7所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中奥氏体化的温度为950℃，步骤(6)中一次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为240℃，步骤(7)中二次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为320℃。

11.根据权利要求7所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中奥氏体化的温度为950℃，步骤(6)中一次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为240℃，步骤(7)中二次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为320℃。

12.根据权利要求7所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中奥氏体化的温度为900℃，步骤(6)中一次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为240℃，步骤(7)中二次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为360℃。

13.根据权利要求7所述的含硼高硅贝氏体耐磨耐蚀合金的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中奥氏体化的温度为900℃，步骤(6)中一次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为240℃，步骤(7)中二次等温淬火热处理时等温盐浴炉中的温度为400℃。