什么是真空熱處理加工技術(shù)？真空熱處理工藝制定原則

什么是真空熱處理加工技術(shù)

要指的是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，其中，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、高真空和超高真空等，所以，真空熱處理實(shí)際也屬于氣氛控制熱處理。

真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，真空熱處理加工技術(shù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)無氧化、無脫碳、無滲碳，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。

1. 真空熱處理加工技術(shù)的應(yīng)用

其實(shí)，真空熱處理加工技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用的較早，美國(guó)的海斯公司和日本真空研究所在1968年，先后研制出真空淬火油和水劑淬火介質(zhì)，從而，真空淬火技術(shù)在熱處理行業(yè)得到迅速發(fā)展，從單室爐發(fā)展到了多組合機(jī)群，從一般的真空淬火發(fā)展到高壓氣淬、真空水劑淬火、真空滲碳、真空碳氮共滲及多元共滲等。

而我國(guó)在經(jīng)過幾十年的努力，真空爐制造廠商在設(shè)計(jì)、制造水平和質(zhì)量上得到了很大的提高，用國(guó)產(chǎn)真空設(shè)備替代從國(guó)外進(jìn)口的真空設(shè)備逐漸增多，從而降低了使用單位的生產(chǎn)成本，使真空熱處理的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。

2. 真空熱處理加工技術(shù)的工藝原理

利用金屬在真空狀態(tài)下的變相特點(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)。同時(shí)，在真空脫氣作用下，可以提高金屬材料的物理性能和力學(xué)性能，在真空狀態(tài)下加熱，金屬工件表面元素會(huì)發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。金屬實(shí)現(xiàn)無氧化加熱所需的真空度，表面凈化作用，實(shí)現(xiàn)少無氧化和少無脫。

3. 真空熱處理加工技術(shù)的特點(diǎn)

（1）真空熱處理加工的優(yōu)越性

真空熱處理加工是和可控氣氛并駕齊驅(qū)的應(yīng)用面很廣的無氧化熱處理技術(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。真空熱處理不僅可以實(shí)現(xiàn)鋼件的無氧化、無脫碳，而且還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無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。目前，它已成為工模具生產(chǎn)中不可替代的先進(jìn)技術(shù)。

（2）真空熱處理工藝工件畸變小

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)具有重要意義。

（3）采用真空熱處理爐

現(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。

工模具材料真空熱處理的應(yīng)用前景很大。大多數(shù)工模具鋼目前都采取在真空中加熱，然后在氣體中冷卻淬火的方式。為了使工件表面和內(nèi)部都獲得滿意的力學(xué)性能，必須采用真空高壓氣淬技術(shù)。目前，國(guó)際上真空氣淬的氣壓已從0.2MPa、0.6MPa提高到1-2MPa甚至3MPa，所以，高壓氣淬真空爐的冷卻氣體壓力的逐步提高是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

真空熱處理工藝制定原則

真空熱處理設(shè)備始于20世紀(jì)20年代,但是其真正發(fā)展還是從20世紀(jì)六七十年代開始的，主要是因當(dāng)時(shí)市場(chǎng)的需求及石墨技術(shù)的研究發(fā)展。

真空熱處理的工作環(huán)境其實(shí)是

指低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1.013×105Pa），

包括低真空(105~102Pa)、

中真空(102~10-1Pa)、

高真空(10-1~10-5Pa)、

超高真空(<10-5Pa)。

真空熱處理相對(duì)來說也是可控氣氛熱處理,只是其工作環(huán)境空氣極其稀薄，工件在真空狀態(tài)加熱可以避免常規(guī)普通熱處理的氧化、脫碳，避免氫脆，變形量相對(duì)較小，提高材料零部件的綜合力學(xué)性能。經(jīng)真空熱處理后的部件壽命通常是普通熱處理的壽命的幾十倍，甚至幾百倍。

制定真空熱處理工藝的主要內(nèi)容是:確定加熱 制度(溫度、時(shí)間及方式)決定真空度和氣壓調(diào)節(jié), 選擇冷卻方式和介質(zhì)等。

1、加熱溫度

真空加熱有兩大特點(diǎn),一是在極稀薄的氣氛中加熱，避免了在空氣中加熱產(chǎn)生的氧化、脫碳、侵蝕等現(xiàn)象；另一特點(diǎn)是真空狀態(tài)下的傳熱是單一輻射傳熱，其傳熱能力E與絕對(duì)溫度T的四次方成正比, 即E=C（T/100）4。

由此可知，在真空狀態(tài)下、尤其在低溫階段，升溫緩慢，從而使工件表面與心部之間的溫差減小熱應(yīng)力小,工件變形也小。加熱溫度的選取對(duì)工件質(zhì)量至關(guān)重要，在制定工藝時(shí),根據(jù)工件的技術(shù)要求、服役條件和性能要求，找出最佳的加熱溫度，在不影響性能且考慮減小變形的情況下，盡量選用下限溫度。

2、保溫時(shí)間 

保溫時(shí)間的長(zhǎng)短，取決于工件的尺寸形狀及裝爐量的多少。一般資料中介紹的傳統(tǒng)加熱保溫時(shí) T按下式確定：

T1=30+（1.5-2）D 

T2=30+（1.0-1.5）D

 T3=20+（0.25-0.5）D 

式中：D為工件有效厚度(mm)；

              T1為第一次預(yù)熱時(shí)間(min);

              T2為第二次預(yù)熱時(shí)間(min);

              T3為最終保溫時(shí)間(min)。 

實(shí)際上，在一爐中往往同時(shí)裝有若干形狀尺寸不同的工件，這就需要進(jìn)行綜合考慮。我們按照工件的大小、形狀、擺放方式及裝爐量，確定保溫時(shí)間，同時(shí)還考慮到，真空加熱主要是靠高溫輻射，低溫加熱時(shí)(600℃以下)工件溫升非常緩慢此時(shí)在工件無特殊變形要求時(shí)，應(yīng)使第一次預(yù)熱和第二次預(yù)熱的時(shí)間盡量縮短，并提高預(yù)熱溫度，因?yàn)榈蜏乇貢r(shí)間再長(zhǎng)，升溫后工件心部要達(dá)到表面溫度還是需要一定時(shí)間。

根據(jù)真空加熱原理提高預(yù)熱溫度，可減少 工件內(nèi)外溫差，使預(yù)熱時(shí)間縮短，而最終的保溫時(shí)間應(yīng)該適當(dāng)延長(zhǎng)，使得鋼中的碳化物充分溶解。這樣，既保證了質(zhì)量，也提高了工作效率。保溫時(shí)間的長(zhǎng)短還與下列因素有關(guān): 

①裝爐量：工件尺寸相同時(shí)裝爐量大,則透燒的時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)；反之，則應(yīng)縮短。

②工件擺放形式：由于真空爐是輻射加熱，一般說來，如果工件形狀相同，應(yīng)盡量使工件擺放整齊，避免遮擋熱輻射，并留出一定的擺放空隙（<D），以保證工件能夠受到最大的熱輻射；對(duì)不同工件同裝一爐，除按最大工件計(jì)算保溫時(shí)間外，還要增加透燒時(shí)間。當(dāng)擺放空隙<D時(shí)，所得的經(jīng)驗(yàn)公式為：

T1=T2=T3=0.4G+D 

式中G為裝爐量(kg)

其余各符號(hào)的意義同前。 

另外

對(duì)于小工件（有效厚度D≤20mm）

或是工件之間的擺放空隙≥D

保溫時(shí)間可以減少: 

T1=T2=0.1G+D 

T3=0.3G+D 

對(duì)于大工件（有效厚度D≥100mm）

最后的保溫時(shí)間可以減少

T1=T2=T3=0.4G+0.6D

③加熱溫度：加熱溫度高，可縮短保溫時(shí)間。

3、冷卻時(shí)間

①預(yù)冷：對(duì)于高溫淬火的中小零件，還注意到由熱室進(jìn)入冷室后，在淬火前是否進(jìn)行預(yù)冷，將影響淬火變形。其規(guī)律是：由熱室進(jìn)入冷室后，直接進(jìn)行油冷或氣冷，將導(dǎo)致尺寸變化；如果進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)冷，則可保持熱處理前的尺寸不變；但若預(yù)冷時(shí)間過長(zhǎng)，將會(huì)導(dǎo)致工件尺寸脹大。一般的規(guī)律是，對(duì)于有效厚度為20~60mm的工件，預(yù)冷時(shí)間為0.5~3min 。

據(jù)分析，這是由于當(dāng)不預(yù)冷而直接進(jìn)行淬火時(shí)， 零件中的內(nèi)應(yīng)力以熱應(yīng)力為主，故出現(xiàn)體積收縮，而在經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間預(yù)冷后再淬火時(shí)，零件中的內(nèi)應(yīng)力以相變應(yīng)力為主，從而出現(xiàn)體積膨脹，只有在進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的預(yù)冷后，熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的作用相平衡，才能達(dá)到工件的尺寸不變。

②氣冷：我們所采用的真空爐可通入2bar以下氮?dú)膺M(jìn)行加壓氣淬，冷卻到100℃以下出爐。計(jì)算氣冷時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式如下:     

 T4=0.2G+0.3D 

式中：T4為氣冷時(shí)間(min)。

③油冷：淬火油溫度一般控制在60~80℃，工模具的出油溫度通常控制在100~200℃。計(jì)算油冷時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

 T5=0.02G+0.1D

式中：T5為油中冷卻時(shí)間(min)。

這時(shí)工件出爐溫度一般可在150℃左右。 

4、結(jié)論

 ①考慮到裝爐量及擺放空隙<D時(shí),

   保溫時(shí)間按T1=T2=T3=0.4G+D 確定；

 ②對(duì)于小工件(有效厚度D≤20mm,且擺放空隙≥D)時(shí),

保溫時(shí)間按T1=T2=0.1G+D   T3=0.3G+D 確定；

 ③對(duì)于大工件(有效厚度D≥100mm)時(shí)，

保溫時(shí)間按T1=T2=T3=0.4G+0.6D確定；

 ④空冷時(shí)間按T4=0.2G+0.3D確定；

 ⑤油冷時(shí)間按T5=0.02G+0.1D確定。