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)下進行的，真空熱處理可以實現(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)可同時實現(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，真空熱處理加工技術(shù)在國外應(yīng)用的較早，美國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。

而我國在經(jīng)過幾十年的努力，真空爐制造廠商在設(shè)計、制造水平和質(zhì)量上得到了很大的提高，用國產(chǎn)真空設(shè)備替代從國外進口的真空設(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，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、動力學不產(chǎn)生什么變化。在制訂真空熱處理工藝規(guī)程時，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，在真空脫氣作用下，可以提高金屬材料的物理性能和力學性能，在真空狀態(tài)下加熱，金屬工件表面元素會發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。金屬實現(xiàn)無氧化加熱所需的真空度，表面凈化作用，實現(xiàn)少無氧化和少無脫。

3. 真空熱處理加工技術(shù)的特點

（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)，也是當前熱處理生產(chǎn)技術(shù)先進程度的主要標志之一。真空熱處理不僅可以實現(xiàn)鋼件的無氧化、無脫碳，而且還可以實現(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)中不可替代的先進技術(shù)。

（2）真空熱處理工藝工件畸變小

據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，工件真空熱處理的畸變量僅為鹽浴加熱淬火的三分之一。研究各種材料、不同復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，并用計算機加以模擬，對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，氣流均勻性對零件淬硬效果和質(zhì)量分散度有很大影響。采用計算機模擬手段研究爐中氣流循環(huán)規(guī)律，對于改進爐子結(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)備是一項綜合性強、跨學科、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性能，必須采用真空高壓氣淬技術(shù)。目前，國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重要的發(fā)展趨勢。

真空熱處理工藝制定原則

真空熱處理設(shè)備始于20世紀20年代,但是其真正發(fā)展還是從20世紀六七十年代開始的，主要是因當時市場的需求及石墨技術(shù)的研究發(fā)展。

真空熱處理的工作環(huán)境其實是

指低于一個標準大氣壓（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，變形量相對較小，提高材料零部件的綜合力學性能。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,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。加熱溫度的選取對工件質(zhì)量至關(guān)重要，在制定工藝時,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、保溫時間 

保溫時間的長短，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 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)熱時間(min);

              T2為第二次預(yù)熱時間(min);

              T3為最終保溫時間(min)。 

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

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)熱時間縮短，而最終的保溫時間應(yīng)該適當延長，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。保溫時間的長短還與下列因素有關(guān): 

①裝爐量：工件尺寸相同時裝爐量大,則透燒的時間應(yīng)延長；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；對不同工件同裝一爐，除按最大工件計算保溫時間外，還要增加透燒時間。當擺放空隙<D時，所得的經(jīng)驗公式為：

T1=T2=T3=0.4G+D 

式中G為裝爐量(kg)

其余各符號的意義同前。 

另外

對于小工件（有效厚度D≤20mm）

或是工件之間的擺放空隙≥D

保溫時間可以減少: 

T1=T2=0.1G+D 

T3=0.3G+D 

對于大工件（有效厚度D≥100mm）

最后的保溫時間可以減少

T1=T2=T3=0.4G+0.6D

③加熱溫度：加熱溫度高，可縮短保溫時間。

3、冷卻時間

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

據(jù)分析，這是由于當不預(yù)冷而直接進行淬火時， 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)較長時間預(yù)冷后再淬火時，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，只有在進行適當時間的預(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以下氮氣進行加壓氣淬，冷卻到100℃以下出爐。計算氣冷時間的經(jīng)驗公式如下:     

 T4=0.2G+0.3D 

式中：T4為氣冷時間(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?？刂圃?00~200℃。計算油冷時間的經(jīng)驗公式如下:

 T5=0.02G+0.1D

式中：T5為油中冷卻時間(min)。

這時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,

   保溫時間按T1=T2=T3=0.4G+D 確定；

 ②對于小工件(有效厚度D≤20mm,且擺放空隙≥D)時,

保溫時間按T1=T2=0.1G+D   T3=0.3G+D 確定；

 ③對于大工件(有效厚度D≥100mm)時，

保溫時間按T1=T2=T3=0.4G+0.6D確定；

 ④空冷時間按T4=0.2G+0.3D確定；

 ⑤油冷時間按T5=0.02G+0.1D確定。