真空热处理工艺

真空热处理工艺
张雨
090201
前言：
所谓真空热处理是工件在10-1~10-2Pa真空介质中进行加热到所需要的温度，然后在不同介质中以不同冷速进行冷却的热处理方法。

真空热处理被当代热处理界称为高效、节能和无污染的清洁热处理。

真空热处理的零件具有无氧化，无脱碳、脱气、脱脂，表面质量好，变形小，综合力学性能高，可靠性好（重复性好，寿命稳定）等一系列优点。

因此，真空热处理受到国内外广泛的重视和普遍的应用。

并把真空热处理普及程度作为衡量一个国家热处理技术水平的重要标志。

真空热处理技术是近四十年以来热处理工艺发展的热点，也是当今先进制造技术的重要领域。

一、真空热处理工艺原理和真空热处理和加热特点
工艺原理
（1）金属在真空状态下的相变特点。

在与大气压只差0.1MPa范围内的真空下，固态相变热力学、动力学不产生什么变化。

在制订真空热处理工艺规程时，完全可以依据在常压下固态相变的原理。

完全可以参考常压下各种类型组织转变的数据。

（2）真空脱气作用，提高金属材料的物理性能和力学性能。

（3）真空脱脂作用。

（4）金属的蒸发：在真空状态下加热，工件表面元素会发生蒸发现象。

（5）表面净化作用，实现少无氧化和少无脱碳加热。

（6）金属实现无氧化加热所需的真空度。

二、真空热处理工艺参数的确定
1、真空度：
表1.各种材料在真空热处理时的真空度
（1）在900℃以前，先抽0.1Pa以上高真空，以利脱气。

（2）10-1Pa进行加热，相当于1PPM以上纯度惰性气体，一般黑色金属就不会氧化。

（3）充入惰性气体时，如充133Pa，（50%N2+50%H2）的氮氢混合气体，其效果比10-2～10-3Pa真空还好。

此时氧分压66.5Pa是安全的。

（4）真空度与钢表面光亮度有对应关系。

（5）一般10-3~133Pa真空范围内，真空度温差为±5℃，如气压上升，温度均匀性下降，所以充气压力应尽量可能低些。

2、加热和预热温度：
表2 预热温度参考表
800~900 550-600
-600 800-850
1200以上550-60 -1050
3、真空淬火加热时间
图1真空加热时的特性曲线
图2炉温和被加热工件表面与中心温度
t总=t均+t保t均=a`×h
t保为相变时间，t均为均热时间，a`为透热系数（分/mm），h为有效厚度（mm）。

三．真空淬火冷却
在淬火时我们都要考虑到所热处理工件的材质、形状、技术要求，以及该材质“5”曲线来选择合理的淬火冷速，一般情况下有真空油淬和真空气淬（在这里主要分析真空油淬）。

淬水前的预冷比较重要。

（1）淬火前的预冷与变形量大小有一定的关系。

在不预冷直接淬火工件的内应力主要是热应力，工件尺寸有可能会减小；而经过预冷后再淬火的，工件的内应力主要是组织应力，工件有可能会胀大。

我们只有合理地预冷才会使工件内部的热应力和组织应力相对平衡，才能减小工件的变形量，一般情况是看装炉量及工件的大小来选预冷时间，常规情况下有效尺寸在20~50mm,时间差不多控制在0.5~3min。

（2）预冷还有一个原由是工件表面增碳白层现象。

真空油淬时，因淬火油在高温下受热分解形成活性碳，渗入工件表面，使工件表面形成增碳层，这种现象与温度高有关系，与保温时间长短无关。

高速钢真空油淬还有可能在表面形成30~50um白层（白层是由大量复合碳化物、马氏体及残余奥氏体组成）。

因其与内部交界处有粗晶状的马氏体，表面硬度值较低，对于高速钢来说会使钢性不够，易钝口。

这种现象是入油温度越高，所形成的白层越厚。

所以高碳高合金钢在真空油淬时，因其淬硬性很好，最好要预冷来减小上面两种情况。

四．真空热处理的加热特点：
1)真空热处理的优越性。

真空热处理是和可控气氛并驾齐驱的应用面很广的无氧化热处理技术，也是当前热处理生产技术先进程度的主要标志之一。

真空热处理不仅可实现钢件的无氧化、无脱碳，而且
还可以实现生产的无污染和工件的少畸变，因而它还属于清洁和精密生产技术范畴。

目前它已成为工模具生产中不可替代的先进技术。

2)真空热处理工艺。

工件畸变小是真空热处理的一个非常重要的优点。

据国内外经验，工件真空热处理的畸变量仅为盐浴加热淬火的三分之一。

研究各种材料、不同复杂程度零件的真空加热方式和各种冷却条件下的畸变规律，并用计算机加以模拟，对于推广真空热处理技术具有重要意义。

真空加热、常压或高压气冷淬火时气流均匀性对零件淬硬效果和质量分散度有很大影响。

采用计算机模拟手段研究炉中气流循环规律，对于改进炉子结构变具有重要意义。

真空渗碳是实现高温渗碳的最可能的方式。

但在高温下长时间加热会使大多数钢种的奥氏体晶粒度长得很大，对于具体钢材高温渗碳，重新加热淬火对材料和工件性能的影响规律加以研究，对优化真空渗碳、冷却、加热淬火工艺和设备是很有必要的。

近几年，国际上有研究开发使用气体燃料的燃烧式真空炉的动向。

在真空炉中采用气体燃料加热的困难太多，虽然有节约能源的说法，但不一定是一个重要的发展方向。

3)真空热处理炉。

现代真空热处理炉是指可施行元件的真空加热，然后在油中淬火或在常压和加压气体中淬火的冷壁式炉子。

研究开发这种类型的设备是一项综合性强、跨学科、牵涉到很多科技领域的工作。

工模具材料的真空热处理的应用前景很大。

大多数工模具钢目前都采取在真空中加热，然后在气体中冷却淬火的方式。

为了使工件表面和内部都获得满意的力学性能，必须采用真空高压气淬技术。

目前国际上真空气淬的气压已从0.2MPa、0.6MPa提高到1～2MPa甚至
3MPa。

所以高压气淬真空炉的冷却气体压力的逐步提高是一个重要的发展趋势。

除高压气淬外，在先抽真空而后填充高压惰性气体后施行
对流加热可以比传统真空辐射加热速度提高一倍以上，从而明显提高加热效率也是真空加热技术的重要方向之一。

向多功能发展也是真空炉的趋势之一。

在前室中施行油淬，在后室施行常压或高压气淬，在中间加热室施行真空加热或等离子渗碳的半连续式真空热处理设备是其典型例子之一。

当前国内市场已有这种炉型需求的反映。

各种可满足大批量生产的连续式真空渗碳、高压、气冷、淬火、回火生产线已相继问世。

可以预料，在不久的将来会引起汽车零件热处理的一场重大变革。

针对真空加热容易实现高温渗碳的特点，开发真空高温（1000℃～1050℃）渗碳、缓冷、重新加热、油中淬火、清洗、回火生产线应该尽快提到日程上来。

五．结语：
零件经真空热处置后﹐畸变小﹐质量高﹐且工艺自身操作灵敏﹐无公害。

因而真空热处置不只是某些特殊合金热处置的必要手腕﹐而且在普通工程用钢的热处置中也取得应用﹐特别是工具﹑模具和精细耦件等﹐经真空热处置后运用寿命较普通热处置有较大的进步。

例如某些模具经真空热处置后﹐其寿命比原来盐浴处置的高40～400％﹐而有许多工具的寿命可进步3～4倍左右。

此外﹐真空加热炉可在较高温度下工作﹐且工件能够坚持干净的外表﹐因此能加速化学热处置的吸附和反响过程。

因而﹐某些化学热处置﹐如渗碳﹑渗氮﹑渗铬﹑渗硼﹐以及多元共渗都能得到更快﹑更好的效果。

参考文献：
[1] 罗晓春,梁卫民,蒋漫文. HTAC辐射管在燃气真空热处理炉中的应用[J]. 湖南有色金属. 2004(02)
[2] 罗晓春,梁卫民,蒋漫文. HTAC辐射管在燃气真空热处理炉中的应用[J]. 冶金能源. 2004(04)
[3] 宋庆彬. 蓄热式辐射管烧嘴在真空炉上的应用[J]. 工业加热. 2001(01)
[4] 贺秀芳. NKK公司在连续退火线上应用蓄热式辐射管烧嘴取得成效[J]. 轧钢. 2002(02)
[5] 阎承沛. 高温空气燃烧技术燃(天然)气热处理技术设备研究开发探讨[J]. 机械工人.热加工. 2001(10)
[6] 萧琦,吴道洪,王东方,谢善清,王汝芳,王文寿,刘灿楼,刘忠诚. 蓄热式辐射管燃烧器在镀锌板退火炉上的应用[J]. 工业炉. 2004(05) [7] 阎承沛,樊东黎. 高温空气燃烧技术在燃天然气热处理技术设备上的应用探讨[J]. 工业炉. 2001(02)
[8] 阎承沛. 燃气式真空炉研究与开发评述[J]. 国外金属热处理. 2000(02)
[9] John A Marino,张羿. 间接加热新技术在连续退火炉上的应用[J]. 工业炉. 2005(06)
[10] 邓伟,刘常鹏,贾丽娣,丁丽华. 推钢加热炉蓄热式烧嘴应用情况技术分析[J]. 冶金能源. 2005(03)。