真空热处理技术的发展
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真空热处理由早期的真空退火、真空除气向真空 淬火、真空回火、真空化学热处理和特种真空热处 理方向发展；真空热处理炉设计制造、元器件水平 和性能不断提高，并发展了真空热处理生产线。本 文结合近年的真空热处理技术研究和实践，综述了 真空热处理技术发展现状和展望。
2 真空油淬
2.1 增碳问题 钢在真空高温加热时使其表面活化，
普通 油淬
热处理工艺
870℃1h③6.7Pa④， 先充气后入油， 7.5×104Pa⑤ 870℃ 1h 油冷
σb MPa 1919
1974
δ5 ψ %
11.8 54.7
11.2 50.8
ak
KIC
Nf 次
KJ/m2 MN·m-3/2 (K=0.6)
746
82.2
1370
801
84.2
1445
技术条 870℃油冷
MnCrWV 5CrW2Si 9Mn2V Cr5Mo1V Cr12 Cr12MoV 5CrNiMo 5CrNiMo 4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV1 4Cr13 W6Mo5Cr4V2
W2Mo9Cr4VCo8
-
GCr15 35Cr2Ni2MoA
-
相应压力下淬火
尺寸，mm
6bar
10bar 20bar
AFNOR （法）
GB （中）
90MWCV5 55WC20 90MV8 Z100CDV5 Z200C12 Z200CW12 Z160CDV12 55NCDV7 55NCDV7 Z38CDV5 Z40CDV5 32DCV28 30DCKV28 Z40C14 Z85WDCV 06-05-04-02 Z110DKCWV 09-08-04-02-0 1 Z130WKCDV 10-10-04-04-0 3 100C6 35NCD6 -
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硬度 HRC
59 56 64 60 63 63 64 65 63 56 57 54 54 50 52 56 50 66
66
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63 54 64
4 真空渗碳
• 真空渗碳多采用真空-充气脉冲式渗碳工艺，以避 免渗碳过程中产生内氧化等缺陷。该工艺具有工件表 面光亮、生产效率高、成本低、可进行盲孔或小孔渗 碳等优点，但工件表面碳黑多、尖角过渗等问题突出， 应予防止。
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图2 真空加压气淬冷速测定
1—0.05MPa气淬 2—0.1MPa气淬 4—0.2MPa气淬 5—0.3MPa气淬 7—0.5MPa气淬 8—0.6MPa气淬
3—静止空气冷却（在空气中） 6—0.4MPa气淬
（2）真空加压气淬的淬透性
• 真空气淬冷却速度受多种因素影响，如气体的种类、温 度、流速、压力以及工件尺寸等，为提高真空气淬时的 冷却速度，可采取下述诸法实现：
真空热处理技术的发展
北京航空材料研究院 王广生
1 前言
真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的 特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱 气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加热 和冷却，减少热处理变形，提高材料性能；还具有 便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点，近年已 被广泛采用，并获得迅速发展。
3 真空加压气淬
（1）真空加压气淬的冷速测定 我们用KHR-01便携式冷却介质性能
测定仪，采用内装热电偶的镍基合金探 头 试 验 法 ， 测 试 了 美 国 Abar-Ipsen 公 司 H3636的各种压力气冷的冷却速度，并与 气冷、吹风冷却、油淬进行对比，其结 果如图2所示。实现了真空加压气冷的冷 速与通常的冷却介质冷却的对比衔接。
X42Cr13 X36CrMo17
S6-5-2
S2-10-1-8
S10-4-3-10
100Cr6 34CrNiMo6 100CrMo73
AISI （美）
01 S1 O2 A2 D3 D6 D2 L6 L6 H11 H13 H10 H10A 420 M2
M42
-
E52100 -
表 2 真空高压气淬的淬硬能力
DIN （德）
50NiCr13 X45NiCrMo4 100MnCrW4
60WCrV7 90MnCrV51 X100CrMoV51 X210Cr12 X210CrW12 X155CrVMo121 55NiCrMoV6 56NiCrMoV7 X38CrMoV51 X40CrMoV51 X32CrMoV33 X32CrMoV333
真空淬火时淬火油受热分解形成的活化碳 原子在油淬过程中渗入，使工件表面形成 增碳层。这种渗碳现象随淬火温度上升而 更加严重，且与淬火加热保温时间无关。 为防止该现象的产生，应选择质量好的真 空淬火油和改进热处理工艺。
表 1 40CrNi2Si2MoVA 钢真空油淬与普通油淬的力学性能对比①②
热处理 方式 真空 油淬
• （1）采用大换热器，以降低淬火气体温度；
• （2）加大气体流速、流量；
• （3）改单向气流为360°周向高压喷射流；
• （4）选用热传导能力高的气体。常用气体的导热性 能:λ(H2)∶λ(H)∶λ(N2)∶λ(Ar)=2.2∶1.7∶1∶0.7。从安全 及成本方面考虑，具有最佳冷速、最低成本和安全性的 便是80%He+20%N2混合气体。 理 论 上 20×105Pa 的 氦 冷 条 件 已 达 到 油 冷 的 冷 速 ， 40×105Pa的H2冷条件则可达到水冷的能力。
1860~ ≥8 ≥30 ≥490
-
-
件要求
2060
2.2 油面压强的选择
图1 某些钢在ZZ-1真空淬火油中淬火硬度与淬火压强的关系
1. Cr12MoV 2 .60Si2MnA 3. 40CrNi2SiMoVA 4. 40CrMnSiMoVA 5. 37CrNi3A 6. 40CrA 7. 40CrNiMoA 8. 38CrMoAlA 9. 30CrMnSiNi2A 10. 1Cr11Ni2W2MoVA 11. 30CrMnSiA 12. Cr17Ni2A 13. 1Cr13 14. 18Cr2Ni4WA 15. 65Mn 16. T8A 17. 12CrNi3A 18. 45钢
2 真空油淬
2.1 增碳问题 钢在真空高温加热时使其表面活化，
普通 油淬
热处理工艺
870℃1h③6.7Pa④， 先充气后入油， 7.5×104Pa⑤ 870℃ 1h 油冷
σb MPa 1919
1974
δ5 ψ %
11.8 54.7
11.2 50.8
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KIC
Nf 次
KJ/m2 MN·m-3/2 (K=0.6)
746
82.2
1370
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技术条 870℃油冷
MnCrWV 5CrW2Si 9Mn2V Cr5Mo1V Cr12 Cr12MoV 5CrNiMo 5CrNiMo 4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV1 4Cr13 W6Mo5Cr4V2
W2Mo9Cr4VCo8
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GCr15 35Cr2Ni2MoA
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相应压力下淬火
尺寸，mm
6bar
10bar 20bar
AFNOR （法）
GB （中）
90MWCV5 55WC20 90MV8 Z100CDV5 Z200C12 Z200CW12 Z160CDV12 55NCDV7 55NCDV7 Z38CDV5 Z40CDV5 32DCV28 30DCKV28 Z40C14 Z85WDCV 06-05-04-02 Z110DKCWV 09-08-04-02-0 1 Z130WKCDV 10-10-04-04-0 3 100C6 35NCD6 -
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硬度 HRC
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63 54 64
4 真空渗碳
• 真空渗碳多采用真空-充气脉冲式渗碳工艺，以避 免渗碳过程中产生内氧化等缺陷。该工艺具有工件表 面光亮、生产效率高、成本低、可进行盲孔或小孔渗 碳等优点，但工件表面碳黑多、尖角过渗等问题突出， 应予防止。
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图2 真空加压气淬冷速测定
1—0.05MPa气淬 2—0.1MPa气淬 4—0.2MPa气淬 5—0.3MPa气淬 7—0.5MPa气淬 8—0.6MPa气淬
3—静止空气冷却（在空气中） 6—0.4MPa气淬
（2）真空加压气淬的淬透性
• 真空气淬冷却速度受多种因素影响，如气体的种类、温 度、流速、压力以及工件尺寸等，为提高真空气淬时的 冷却速度，可采取下述诸法实现：
真空热处理技术的发展
北京航空材料研究院 王广生
1 前言
真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的 特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱 气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加热 和冷却，减少热处理变形，提高材料性能；还具有 便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点，近年已 被广泛采用，并获得迅速发展。
3 真空加压气淬
（1）真空加压气淬的冷速测定 我们用KHR-01便携式冷却介质性能
测定仪，采用内装热电偶的镍基合金探 头 试 验 法 ， 测 试 了 美 国 Abar-Ipsen 公 司 H3636的各种压力气冷的冷却速度，并与 气冷、吹风冷却、油淬进行对比，其结 果如图2所示。实现了真空加压气冷的冷 速与通常的冷却介质冷却的对比衔接。
X42Cr13 X36CrMo17
S6-5-2
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100Cr6 34CrNiMo6 100CrMo73
AISI （美）
01 S1 O2 A2 D3 D6 D2 L6 L6 H11 H13 H10 H10A 420 M2
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表 2 真空高压气淬的淬硬能力
DIN （德）
50NiCr13 X45NiCrMo4 100MnCrW4
60WCrV7 90MnCrV51 X100CrMoV51 X210Cr12 X210CrW12 X155CrVMo121 55NiCrMoV6 56NiCrMoV7 X38CrMoV51 X40CrMoV51 X32CrMoV33 X32CrMoV333
真空淬火时淬火油受热分解形成的活化碳 原子在油淬过程中渗入，使工件表面形成 增碳层。这种渗碳现象随淬火温度上升而 更加严重，且与淬火加热保温时间无关。 为防止该现象的产生，应选择质量好的真 空淬火油和改进热处理工艺。
表 1 40CrNi2Si2MoVA 钢真空油淬与普通油淬的力学性能对比①②
热处理 方式 真空 油淬
• （1）采用大换热器，以降低淬火气体温度；
• （2）加大气体流速、流量；
• （3）改单向气流为360°周向高压喷射流；
• （4）选用热传导能力高的气体。常用气体的导热性 能:λ(H2)∶λ(H)∶λ(N2)∶λ(Ar)=2.2∶1.7∶1∶0.7。从安全 及成本方面考虑，具有最佳冷速、最低成本和安全性的 便是80%He+20%N2混合气体。 理 论 上 20×105Pa 的 氦 冷 条 件 已 达 到 油 冷 的 冷 速 ， 40×105Pa的H2冷条件则可达到水冷的能力。
1860~ ≥8 ≥30 ≥490
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件要求
2060
2.2 油面压强的选择
图1 某些钢在ZZ-1真空淬火油中淬火硬度与淬火压强的关系
1. Cr12MoV 2 .60Si2MnA 3. 40CrNi2SiMoVA 4. 40CrMnSiMoVA 5. 37CrNi3A 6. 40CrA 7. 40CrNiMoA 8. 38CrMoAlA 9. 30CrMnSiNi2A 10. 1Cr11Ni2W2MoVA 11. 30CrMnSiA 12. Cr17Ni2A 13. 1Cr13 14. 18Cr2Ni4WA 15. 65Mn 16. T8A 17. 12CrNi3A 18. 45钢