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真空熱處理

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月07日 15:40

真空熱處理是將金屬工件在 1個(gè)大氣壓以下(即負(fù)壓下)加熱的金屬熱處理工藝。

20世紀(jì)20年代末，隨著電真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了真空熱處理工藝，當(dāng)時(shí)還僅用于退火和脫氣。由于設(shè)備的限制，這種工藝較長(zhǎng)時(shí)間未能獲得大的進(jìn)展。60～70年代，陸續(xù)研制成功氣冷式真空熱處理爐、冷壁真空油淬爐和真空加熱高壓氣淬爐等，使真空熱處理工藝得到了新的發(fā)展。在真空中進(jìn)行滲碳，在真空中等離子場(chǎng)的作用下進(jìn)行滲碳、滲氮或滲其他元素的技術(shù)進(jìn)展，又使真空熱處理進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

真空高壓氣冷淬火技術(shù)

當(dāng)前真空高壓氣冷淬火技術(shù)發(fā)展較快，相繼出現(xiàn)了負(fù)壓高流率氣冷、加壓氣冷、高壓氣冷、超高壓一氣冷等新技術(shù)，不但大幅度提高了真空氣冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，變形小，還有高效、節(jié)能、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

真空高壓氣冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不銹鋼和特殊合金的固溶、時(shí)效，離子滲碳和碳氮共滲，以及真空燒結(jié)，釬焊后的冷卻和淬火。

用高壓氮?dú)饫鋮s淬火時(shí)、被冷卻的負(fù)載只能是松散型的，高速鋼可淬透至70～100mm，高合金熱作模具鋼可達(dá)25～100mm。

用1000kPa高壓氮?dú)饫鋮s淬火時(shí)，被冷卻負(fù)載可以是密集型的，比600kPa冷卻時(shí)負(fù)載密度提高約30%～40%。

用2000kPa超高壓氮?dú)饣蚝夂偷獨(dú)獾幕旌蠚饫鋮s淬火時(shí)，被冷卻負(fù)載是密集的并可捆綁在一起。其密度較600kPa氮?dú)饫鋮s時(shí)提高80%～150%，可冷卻所有的高速鋼、高合金鋼、熱作工模具鋼及鉻鋼和較多的合金油淬鋼，如較大尺寸的錳鋼。

具有單獨(dú)冷卻室的雙室氣冷淬火爐的冷卻能力優(yōu)于相同類型的單室爐。200kPa氮?dú)饫鋮s的雙室爐的冷卻效果和400kPa的單室爐相當(dāng)。但運(yùn)行成本、維修成本低。由于我國(guó)基礎(chǔ)材料工業(yè)（石墨、鉬材等）和配套元器件（電動(dòng)機(jī)）等水平有待提高。所以在提高600kPa單室高壓真空護(hù)質(zhì)量的同時(shí)，發(fā)展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國(guó)的國(guó)情。 [1]

真空滲氮是使用真空爐對(duì)鋼鐵零件進(jìn)行整體加熱、充入少量氣體，在低壓狀態(tài)下產(chǎn)生活性氮原子滲入并向鋼中擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)硬化的；而離子滲氮是靠暉光放電產(chǎn)生的活性N離子轟擊并僅加熱鋼鐵零件表面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成核化物實(shí)現(xiàn)硬化的。

真空滲氛時(shí)，將真空爐排氣至較高真空度0.133Pa后，將工件升至，530～560℃，同時(shí)送入氨氣或復(fù)合氣體，并對(duì)各種氣體的送入量進(jìn)行精確控制，爐壓控制在0.667Pa，低壓狀態(tài)能加快工件表面的氣體交換，活躍的N元素(或N，C)來自化學(xué)反應(yīng)及氨氣，保溫3～5h后，用爐內(nèi)惰性氣體進(jìn)行快速冷卻。不同的材質(zhì)，經(jīng)此處理后可得到滲層深為20～80μm、硬度為600～1500HV的硬化層。

真空熱處理

真空滲氮有人稱為真空排氣式氮碳共滲，其特點(diǎn)是通過真空技術(shù)，使金屬表面活性化和清凈化。在加熱、保溫、冷卻的整個(gè)熱處理過程中，不純的微量氣體被排出，含活性物質(zhì)的純凈復(fù)合氣體被送入，使表面層相結(jié)構(gòu)的調(diào)整和控制、質(zhì)量的改善、效率的提高成為可能。經(jīng)X射線衍射分析證實(shí)，真空滲氮處理后，滲層中的化合物層是ε單相組織，沒有其他脆性存在，所以硬度高，韌性好，分布也好?！鞍讓印眴蜗唳呕衔飳涌蛇_(dá)到的硬度和材質(zhì)成分有關(guān)。材質(zhì)中含鉻量越高，硬度也呈增加趨勢(shì)。鉻13%時(shí)，硬度可達(dá)到1200HV；含鉻18%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同）時(shí)，硬度可達(dá) 1500HV；含鉻25%時(shí)，硬度可達(dá)1700HV。無(wú)脆性相的單相ε化合物層的耐磨性比氣體氮碳共滲組織的耐磨性高，抗摩擦燒傷、抗熱膠合、抗熔敷、抗熔損性能都很優(yōu)異。但該“白層”的存在對(duì)有些模具和零件也有不利之處，易使鍛模在鍛造初期引起龜裂，焊接修補(bǔ)時(shí)易生成針孔。真空滲氮還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是通過對(duì)送入爐內(nèi)的含活化物質(zhì)的復(fù)合氣體的種類和量的控制，可以得到幾乎沒有化合物層（白層），而只有0.1-1mm擴(kuò)散層的組織。其原因可能是在真空爐排氣至 0.133Pa后形成的，另一個(gè)原因是帶有活性物質(zhì)的復(fù)合氣體在短時(shí)間內(nèi)向鋼中擴(kuò)散形成的組織。這種組織的優(yōu)點(diǎn)是耐熱沖擊性、抗龜裂性能優(yōu)異。因而對(duì)實(shí)施高溫回火的熱作模具，如用高速鋼鋼制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐熱沖擊性好、抗龜裂而又有韌性的綜合性能；但僅有擴(kuò)散層組織時(shí)，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔損性能不夠好。由于模具或機(jī)械零件的服役條件和對(duì)性能的要求不一，在進(jìn)行表面熱處理時(shí)，必需調(diào)整表面層的組織和性能。真空滲氮除應(yīng)用于工模具外，對(duì)提高精密齒輪和要求耐磨耐蝕的機(jī)械零件以及彈簧等的性能都有明顯效果，可接受處理的材質(zhì)也比較廣泛。

形狀復(fù)雜的較大工件從高溫連續(xù)進(jìn)行快速冷卻時(shí)容易產(chǎn)生變形甚至裂紋。以往可用鹽浴等溫淬火解決。在單室真空高壓氣冷淬火爐中能否進(jìn)行氣冷等溫淬火呢？在帶有對(duì)流加熱功能的單室高壓氣冷淬火爐中對(duì)兩組φ320mm×120mm兩塊疊裝的碳素結(jié)構(gòu)鋼用不同冷卻方式淬火后的對(duì)化結(jié)果。一組是在1020℃加熱后，在600kPa壓力下連續(xù)用高純氮?dú)饫鋮s（風(fēng)向是上、下相互交替，40s切換一次）的結(jié)果。另一組是對(duì)試樣表面、心部進(jìn)行 370℃時(shí)的控制冷卻。從兩組曲線的對(duì)比可以看出，心部溫度通過500℃的時(shí)間（半冷時(shí)間）只差約2min。從表面進(jìn)行控制冷卻開始到心部溫度到達(dá) 370℃附近，需27min。由此可見，在單室真空高壓氣淬火爐進(jìn)行等溫氣冷淬火是可行的。 [2]

有的熱處理還離不開清洗干燥工序，尤其需油冷的各類熱處理，清洗干燥的任務(wù)更繁重、難度也更大。國(guó)際上使用效果最佳的清洗劑是鹵素系清洗劑。發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本使用的鹵素系清洗劑的比例如表1所示。其中三氯乙烷、氟里昂因?qū)倨茐拇髿獬粞鯇游镔|(zhì)，已被禁止使用。其他鹵素系物質(zhì)也因?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境、人、畜有害而被限制使用。所以各國(guó)都在研究各種替代型的清洗干燥技術(shù)。

工藝發(fā)展

熱處理的發(fā)展是伴隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，機(jī)械制造又對(duì)熱處理提出了更新更高的要求，模具的熱處理又是熱處理中技術(shù)含量最高的部分。

眾所周知，模具熱處理就是為了發(fā)揮模具材料的潛力，提高模具的使用性能。模具的性能必須滿足：高的強(qiáng)度，(包括高溫強(qiáng)度，抗冷熱疲勞性能)高的硬度(耐磨性能)和高的韌性，并且還要求有良好的機(jī)械加工性、(包括良好的拋光性)可焊接性及抗腐蝕性等等。

對(duì)模具壽命影響最大的是模具的設(shè)計(jì)(包括了正確的選擇材料)模具的材料，模具的熱處理，模具的使用和維護(hù)等。如果模具的設(shè)計(jì)合理，材料優(yōu)質(zhì)，那么熱處理的好壞直接決定了模具的使用壽命。國(guó)內(nèi)外都在設(shè)法采用更先進(jìn)的熱處理手段來提高模具的性能延長(zhǎng)模具的使用壽命。而真空熱處理則是模具熱處理中較先進(jìn)的方式之一。所以從模具熱處理來看，熱處理加工設(shè)備的狀態(tài)、熱處理的工藝、生產(chǎn)過程的控制顯得尤為重要。而設(shè)備的先進(jìn)性是保證先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)的前提。真空高壓氣淬爐是實(shí)現(xiàn)真空熱處理最為理想的設(shè)備。真空爐具有不脫碳，不氧化的效果，具有溫度均勻，加熱和冷卻速度可控，可以實(shí)現(xiàn)不同的工藝過程，真空爐由于沒有污染，是國(guó)際上公認(rèn)的“綠色熱處理”。國(guó)際上已有2-20bar的真空高壓氣淬爐，可以完全滿足模具的真空熱處理的要求。

模具熱處理過程中，所采用的工藝參數(shù)對(duì)模具性能也有著至關(guān)重要的影響：它包括了加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間、冷卻方式、冷卻速度等。正確的熱處理工藝參數(shù)可以保證模具獲得最佳性能，反之，將產(chǎn)生不良甚至嚴(yán)重后果。實(shí)踐表明，正確的熱處理工藝可以獲得優(yōu)良的組織，優(yōu)良的組織形態(tài)才能保證優(yōu)良的機(jī)械性能。合適的工藝方法可以有效的控制模具熱處理時(shí)的變形和開裂。從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：模具在加熱和冷卻過程中，模具表面溫度和心部溫度的差異(加熱的不均勻性和冷卻的不均勻性)是造成模具變形的主要因素。(真空爐具有控制加熱速度和冷卻速度的能力)。不同的工藝方法可以使模具滿足不同的使用條件和不同的性能要求。

總而言之，真空高壓氣淬工藝具有加熱和冷卻速度自由控制的優(yōu)點(diǎn)，可以編制不同的工藝參數(shù)，得到預(yù)想的金相組織和性能。 [1]

工藝原理

（1）金屬在真空狀態(tài)下的相變特點(diǎn)。在與大氣壓只差0.1MPa范圍內(nèi)的真空下，固態(tài)相變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)不產(chǎn)生什么變化。在制訂真空熱處理工藝規(guī)程時(shí)，完全可以依據(jù)在常壓下固態(tài)相變的原理。完全可以參考常壓下各種類型組織轉(zhuǎn)變的數(shù)據(jù)。

（2）真空脫氣作用，提高金屬材料的物理性能和力學(xué)性能。

（3）真空脫脂作用。

（4）金屬的蒸發(fā)：在真空狀態(tài)下加熱，工件表面元素會(huì)發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。

（5）表面凈化作用，實(shí)現(xiàn)少無(wú)氧化和少無(wú)脫碳加熱。

（6）金屬實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化加熱所需的真空度。

（1）真空熱處理的優(yōu)越性。真空熱處理是和可控氣氛并駕齊驅(qū)的應(yīng)用面很廣的無(wú)氧化熱處理技術(shù)，也是當(dāng)前熱處理生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)程度的主要標(biāo)志之一。真空熱處理不僅可實(shí)現(xiàn)鋼件的無(wú)氧化、無(wú)脫碳，而且還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無(wú)污染和工件的少畸變，因而它還屬于清潔和精密生產(chǎn)技術(shù)范疇。它已成為工模具生產(chǎn)中不可替代的先進(jìn)技術(shù)。 [3]

（2）真空熱處理工藝。工件畸變小是真空熱處理的一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，工件真空熱處理的畸變量?jī)H為鹽浴加熱淬火的三分之一。研究各種材料、不同復(fù)雜程度零件的真空加熱方式和各種冷卻條件下的畸變規(guī)律，并用計(jì)算機(jī)加以模擬，對(duì)于推廣真空熱處理技術(shù)具有重要意義。真空加熱、常壓或高壓氣冷淬火時(shí)氣流均勻性對(duì)零件淬硬效果和質(zhì)量分散度有很大影響。采用計(jì)算機(jī)模擬手段研究爐中氣流循環(huán)規(guī)律，對(duì)于改進(jìn)爐子結(jié)構(gòu)變具有重要意義。真空滲碳是實(shí)現(xiàn)高溫滲碳的最可能的方式。但在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱會(huì)使大多數(shù)鋼種的奧氏體晶粒度長(zhǎng)得很大，對(duì)于具體鋼材高溫滲碳，重新加熱淬火對(duì)材料和工件性能的影響規(guī)律加以研究，對(duì)優(yōu)化真空滲碳、冷卻、加熱淬火工藝和設(shè)備是很有必要的。近幾年，國(guó)際上有研究開發(fā)使用氣體燃料的燃燒式真空爐的動(dòng)向。在真空爐中采用氣體燃料加熱的困難太多，雖然有節(jié)約能源的說法，但不一定是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

真空熱處理

（3）真空熱處理爐?，F(xiàn)代真空熱處理爐是指可施行元件的真空加熱，然后在油中淬火或在常壓和加壓氣體中淬火的冷壁式爐子。研究開發(fā)這種類型的設(shè)備是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)、跨學(xué)科、牽涉到很多科技領(lǐng)域的工作。

零件經(jīng)真空熱處理后，畸變小，質(zhì)量高，且工藝本身操作靈活，無(wú)公害。因此真空熱處理不僅是某些特殊合金熱處理的必要手段，而且在一般工程用鋼的熱處理中也獲得應(yīng)用，特別是工具、模具和精密耦件等，經(jīng)真空熱處理后使用壽命較一般熱處理有較大的提高。例如某些模具經(jīng)真空熱處理后，其壽命比原來鹽浴處理的高40～400%，而有許多工具的壽命可提高3～4倍左右。此外，真空加熱爐可在較高溫度下工作，且工件可以保持潔凈的表面，因而能加速化學(xué)熱處理的吸附和反應(yīng)過程。因此，某些化學(xué)熱處理，如滲碳、滲氮、滲鉻、滲硼，以及多元共滲都能得到更快、更好的效果。 [1]

真空熱處理與普通熱處理的區(qū)別

真空熱處理是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個(gè)大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實(shí)際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，真空熱處理可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有的常規(guī)熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質(zhì)量大大提高。與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達(dá)到表面光亮凈化的效果。

而且真空熱處理的價(jià)格高是因?yàn)樵O(shè)備貴，耗能多；每爐重量小是因?yàn)檎婵涨惑w小，容易抽真空；真空熱處理后的工件比普通熱處理工件抗氧化和耐腐蝕性強(qiáng)，且微觀結(jié)構(gòu)更為致密。

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