真空热处理技术

真空热处理技术真空热处理真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。

真空热处理是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的，真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，但热处理质量大大提高。

与常规热处理相比，真空热处理的同时，可实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂除气等作用，从而达到表面光亮净化的效果。

真空热处理其实还分成以下四个技术要点1．真空高压气冷淬火技术当前真空高压气冷淬火技术发展较快，相继出现了负压（＜1×105Pa）高流率气冷、加压（1×105～4×105Pa）气冷、高压（5× 105～10×105Pa）气冷、超高压一（10×105～20×105Pa）气冷等新技术，不但大幅度提高了真空气冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，变形小，还有高效、节能、无污染等优点。

真空高压气冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不锈钢和特殊合金的固溶、时效，离子渗碳和碳氮共渗，以及真空烧结，钎焊后的冷却和淬火。

用6×105Pa高压氮气冷却淬火时、被冷却的负载只能是松散型的，高速钢（W6Mo5Cr4V2）可淬透至70～100mm，高合金热作模具钢（如 4Cr5MoSiV）可达25～100mm。

用10×105Pa高压氮气冷却淬火时，被冷却负载可以是密集型的，比6×105Pa 冷却时负载密度提高约30％～4O％。

用20×105Pa超高压氮气或氦气和氮气的混合气冷却淬火时，被冷却负载是密集的并可捆绑在一起。

其密度较6×105Pa氮气冷却时提高80％～150％，可冷却所有的高速钢、高合金钢、热作工模具钢及Cr13％的铬钢和较多的合金油淬钢，如较大尺寸的9Mn2V钢。

具有单独冷却室的双室气冷淬火炉的冷却能力优于相同类型的单室炉。

2×105Pa氮气冷却的双室炉的冷却效果和4×105Pa的单室炉相当。

但运行成本、维修成本低。

由于我国基础材料工业（石墨、钼材等）和配套元器件（电动机）等水平有待提高。

所以在提高6×105Pa单室高压真空护质量的同时，发展双室加压和高压气冷淬火炉比较符合我国的国情。

2．真空高压气冷等温淬火形状复杂的较大工件从高温连续进行快速冷却时容易产生变形甚至裂纹。

以往可用盐浴等温淬火解决。

在单室真空高压气冷淬火炉中能否进行气冷等温淬火呢？图1为在带有对流加热功能的单室高压气冷淬火炉中对两组φ320mm×120mm两块叠装的碳素结构钢用不同冷却方式淬火后的对化结果。

图中一组曲线是在102O?加热后，在6×105Pa压力下连续用高纯氮气冷却（风向是上、下相互交替，40s切换一次）的结果。

另一组是对试样表面、心部进行370?时的控制冷却。

从两组曲线的对比可以看出，心部温度通过50O?的时间（半冷时间）只差约2min。

从表面进行控制冷却开始到心部温度到达 370?附近，需27min。

由此可见，在单室真空高压气淬火炉进行等温气冷淬火是可行的。

3．真空渗氮技术真空渗氮是使用真空炉对钢铁零件进行整体加热、充入少量气体，在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的；而离子渗氮是靠晖光放电产生的活性N 离子轰击并仅加热钢铁零件表面，发生化学反应生成核化物实现硬化的。

真空渗氛时，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa（1×10-3Torr）后，将工件升至，530～560?，同时送入以氨气为主的，含有活性物质的多种复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa（5Torr），保温3～5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却。

不同的材质，经此处理后可得到渗层深为20～80μm、硬度为600～1500HV的硬化层。

真空渗氮有人称为真空排气式氮碳共渗，其特点是通过真空技术，使金属表面活性化和清净化。

在加热、保温、冷却的整个热处理过程中，不纯的微量气体被排出，含活性物质的纯净复合气体被送入，使表面层相结构的调整和控制、质量的改善、效率的提高成为可能。

经X射线衍射分析证实，真空渗氮处理后，渗层中的化合物层是ε单相组织，没有其他脆性相（如Fe3C、Fe3O4）存在，所以硬度高，韧性好，分布也好。

“白层”单相ε化合物层可达到的硬度和材质成分有关。

材质中含Cr量越高，硬度也呈增加趋势。

Cr13％时，硬度可达到1200HV；含Cr18％（质量分数，余同）时，硬度可达 1500HV；含Cr25％时，硬度可达1700HV。

无脆性相的单相ε化合物层的耐磨性比气体氮碳共渗组织的耐磨性高，抗摩擦烧伤、抗热胶合、抗熔敷、抗熔损性能都很优异。

但该“白层”的存在对有些模具和零件也有不利之处，易使锻模在锻造初期引起龟裂，焊接修补时易生成针孔。

真空渗氮还有一个优点，就是通过对送入炉内的含活化物质的复合气体的种类和量的控制，可以得到几乎没有化合物层（白层），而只有扩散层的组织。

其原因可能是在真空炉排气至 0.l33Pa（1×10-3Torr）后形成的，另一个原因是带有活性物质的复合气体在短时间内向钢中扩散形成的组织。

这种组织的优点是耐热冲击性、抗龟裂性能优异。

因而对实施高温回火的热作模具，如用高速钢或4Cr4MoSiV（H13）钢制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐热冲击性好、抗龟裂而又有韧性的综合性能；但仅有扩散层组织时，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔损性能不够好。

由于模具或机械零件的服役条件和对性能的要求不一，在进行表面热处理时，必需调整表面层的组织和性能。

真空渗氮除应用于工模具外，对提高精密齿轮和要求耐磨耐蚀的机械零件以及弹簧等的性能都有明显效果，可接受处理的材质也比较广泛。

4．真空清洗与干燥技术目前有的热处理还离不开清洗干燥工序，尤其需油冷的各类热处理，清洗干燥的任务更繁重、难度也更大。

国际上使用效果最佳的清洗剂是卤素系清洗剂。

发达国家，如日本使用的卤素系清洗剂的比例如表1所示。

其中三氯乙烷、氟里昂因属破坏大气臭氧层物质，已被禁止使用。

其他卤素系物质也因对生态环境、人、畜有害而被限制使用。

所以各国都在研究各种替代型的清洗干燥技术。

表 1 卤素系剂在热处理生产中使用情况真空水系清洗干燥技术是替代技术中发展的主流，其原理是水蒸气蒸馏和真空蒸馏。

所谓水蒸气蒸馏是指一边向带有不溶于水的油类等物质的工件上吹水蒸气，一边加热，是把油分等挥发成分和水一齐蒸馏出的方法。

应用该法时，油等挥发成分的蒸气随水蒸气同时发生，所以油分的沸点被降低。

这就是用共沸的方法使油分和填加剂形成低沸点物质，使在回火温度以下的较低温度的洗净成为可能。

所谓真空蒸馏是因为，在常压下进行水蒸气蒸馏时，油分的蒸汽压很低，伴随水蒸气而挥发的油分量很少。

如果在真空状态下进行蒸气蒸馏，油分的沸点会被进一步降低。

同时利用水蒸气蒸馏和真空蒸馏，就可将高沸点热处理淬火油在回火温度下被清洗并干燥了。

这种方法适合在大、中型企业和大批量生产的流水线上使用，效率比较高。

缺点是清洗液的回收和处理及循环使用的成本高。

真空油系清洗干燥技术，是指用蒸汽压比较高的轻质溶剂油去溶解和洗净工件上附着的蒸汽压化较低的切削油、冲压油、淬火油；然后再加热减压将溶剂油蒸发分离，从而达到洗净的目的。

选择药溶剂油燃点应尽量高，粘度要低，对被清洗工件上附着的油脂有较强的溶解能力；对工件无腐蚀，且成本较低。

我国国家标准中介绍的190号和20O号溶剂油可作为选择时的参考。

刀具真空热处理技术具有一系列突出的优点：真空热处理具有防氧化的作用。

表面不氧化、不脱碳、并有还原除锈作用，省却刀具的粗加工工序，可节约昂贵的刀具钢材和原辅材料的消耗，节省加工时间，降低产品成本；真空热处理具有真空脱气、脱脂作用并无氢脆危险，防止刀具材料难熔金属的表面脆化，使刀具材料表面纯度提高，提高刀具的疲劳强度、塑性和韧性及耐腐蚀性，提高刀具的使用寿命；真空热处理具有淬火变形小，可减少常规淬火变形的校正应力存在，降低刀片使用过程中断裂的可能性，真空热处理刀片的变形为盐浴淬火的1/2-1/10，淬火后一般不需要校正就可精磨加工至成品；真空热处理工艺的稳定性和重复性好。

一旦工艺确定，只要输入工艺程序，热处理操作将自动运行。

避免常规热处理工艺不稳定造成的刀具质量波动；真空热处理耗电少，电能消耗为常规热处理的80%，生产成本低，但一次性投资成本大；真空热处理操作安全、自动化程度高，工作环境好，无污染无公害，符合我国工业企业清洁生产和持续发展的要求。

深冷技术在刀具产品上的应用是从模具工业应用演变而来。

深冷处理与热处理一样，它与材料特性，处理温度，处理速度有很大关系，不同的处理方法其效果有明显不同。

深冷技术是对材料在低于－130?进行处理的一种工艺方法，深冷处理不仅可以显著提高刀具的力学性能和使用寿命，稳定尺寸，改善均匀性、减少变形，而且操作简便，不破坏工件，无污染，成本低，对刀具质量的提高有很大的帮助。

工件淬火后继续在液氮或液氮蒸气中冷却的工艺。

深冷处理主要是采用液态氟为冷却剂（-196摄氏度），利用气化潜热的快速冷却方式，将淬火后的模具冷至-120摄氏度以下，并保持一段时间。

深冷处理的效果主要有：残余奥氏体几乎可全部转变成马氏体；材料组织细化并可析出微细碳化物；耐磨性比未深冷处理的模具高2--7倍，比普通冷处理的模具高1--8倍。

为了防止深冷处理时产生开裂，深冷处理前须在100摄氏度热水中进行一次回火，并且深冷处理在50——60摄氏度的热水中快速升温，由于表面膨胀而收到减小应力的效果。

深冷处理可提高耐磨性外，还可作为稳定模具尺寸的一种处理方法简单地说吧，这是为了消除淬火件中的残余奥氏体。

工件在淬火的时候，奥氏体转化成马氏体，体积会膨胀，从而产生压力。

压力的存在会阻止剩余的奥氏体向马氏体转化。

因而会有一部分奥氏体不能转变，从而保存下来。

残余奥氏体的存在不仅会降低工件的强度，而且会在以后的使用中，由于受到外来应力，诱发马氏体相变，从而导致工件尺寸变化。

为了消除残余奥氏体，从理论上讲有两种方法，其一是释放应力，其二是降低温度，即所谓的冷处理。

第一种方法实际上不太可能，因此生产上采用的是第二种方法。

冷处理的般是将工件的温度降至温室以下。

深冷处理又称超低温处理，是指在-130?以下对材料进行处理的一种方法，它是常规冷处理的一种延伸。

可以提高多种金属材料的力学性能和使用寿命。

该项技术是20世纪60年代发展的一门新技术，经过近40年的研究和应用，取得了长足的进步，80年代，美国成立了若干个专业化的深冷处理公司和一个国际深冷处理研究会，对深冷处理技术的研究更加深入。