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真空熱處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用一方面提高了零件產(chǎn)品的性能，另一方面也促進(jìn)了其本身工藝水平和處理設(shè)備的快速進(jìn)步，當(dāng)前相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，工藝的日漸完善，生產(chǎn)過程的自動化和智能化程度不斷提高，都促使了相關(guān)技術(shù)和新產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展。
真空熱處理技術(shù)的現(xiàn)狀1、真空熱處理技術(shù)
在20世紀(jì)70到80年代間，主要應(yīng)用于油氣淬火的真空熱處理爐被研發(fā)了出來，在此之后，各種裝置和設(shè)備進(jìn)入了迅速發(fā)展的階段，設(shè)備的種類不斷增多，應(yīng)用領(lǐng)域更是不斷擴(kuò)大。
我國在相關(guān)裝置及設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展也十分迅速，并且逐漸擺脫了對國外進(jìn)口設(shè)備的依賴，目前已經(jīng)可以提供包括真空高壓氣淬爐、真空油淬爐、真空退火、真空燒結(jié)爐，等在內(nèi)的滿足各類處理需求的全套處理設(shè)備。
隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，不僅真空熱處理設(shè)備取得了較大的發(fā)展，與其相關(guān)的配套設(shè)施也取得了長足的進(jìn)步。目前我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)各個(gè)種類的真空泵、真空閥、真空測量儀器等，甚至一些以前無法實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)的配套產(chǎn)品也實(shí)現(xiàn)了自產(chǎn)(如爐內(nèi)使用的由金屬和石墨材質(zhì)制成的保溫層和發(fā)熱元件等)，并且其性能和質(zhì)量已經(jīng)接近或已達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平。相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展有效地促進(jìn)了我國真空熱處理水平的整體進(jìn)步。
雖然國外在真空熱處理技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備上起步較早，并且進(jìn)口的真空熱處理爐在性能上也保持著相對優(yōu)勢，但這并不能說明進(jìn)口設(shè)備在使用性上就強(qiáng)過國產(chǎn)設(shè)備。我國有自己獨(dú)特的國情和特殊的客戶需求，隨著國產(chǎn)真空熱處理爐在很多關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，一些專門針對我國國情和特殊客戶需求而開發(fā)的真空熱處理設(shè)備更有效地促進(jìn)了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
例如針對單室真空高壓氣淬爐國產(chǎn)爐膽材料抗熱沖擊和抗冷、熱反復(fù)交替能力不足的缺陷，依據(jù)我國實(shí)際情況專門開發(fā)出了真空雙室高壓氣淬爐，這不僅大幅提高了真空氣淬的效能，而且還有效地節(jié)約了能源，并且極大地延長了設(shè)備裝置的使用年限。
又例如針對航空、航天、軍工等特殊客戶的需求，使鈦合金和某些稀有合金達(dá)到所需的性能，真空水淬熱處理爐被研究開發(fā)了出來，這充分滿足了這些行業(yè)客戶的特殊需求。
2、真空滲碳和碳氮共滲技術(shù)
近年來，真空滲碳和碳氮共滲技術(shù)發(fā)展迅速，這種技術(shù)方法具有節(jié)能、節(jié)氣、滲碳效率高、工藝操作簡便以及安全環(huán)保等優(yōu)勢，在機(jī)械傳動和工具等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用。但與此同時(shí)還需要注意到，滲碳后產(chǎn)生的炭黑破壞絕緣、滲層均勻性較差等問題在很大程度上制約了該技術(shù)應(yīng)用水平的提高。
近年來，隨著國內(nèi)真空熱處理工作者的長期努力，低壓真空滲碳技術(shù)取得了比較大的突破，并且已經(jīng)可以比較好地解決上述缺陷。低壓真空滲碳技術(shù)的突破不僅可以有效減少滲碳后產(chǎn)生的炭黑，并且具有良好的滲層均勻性，從而有效地改善了以往應(yīng)用過程中存在的問題。
此外，國內(nèi)研究工作者在真空碳、氮共滲技術(shù)方面也取得了較大的發(fā)展。采用真空碳、氮共滲技術(shù)不僅極大地?cái)U(kuò)大了能夠被處理的材料范圍，同時(shí)還能有效減少材料變形，這使得產(chǎn)品質(zhì)量和性能得到了較大的提高。目前市面上已經(jīng)有了各個(gè)類型的具備真空碳、氮共滲功能的熱處理設(shè)備，并且已經(jīng)在零件的熱處理領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的應(yīng)用成效。
3、真空氫氣復(fù)合凈化熱處理技術(shù)
隨著真空熱處理技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備的發(fā)展，這幾年逐步發(fā)展出了一批新技術(shù)，這些新技術(shù)反過來也推動了真空熱處理在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。其中，真空氫氣復(fù)合凈化就是這些新技術(shù)中的佼佼者，它打破了以往使用氫氣爐時(shí)容易受到各種外在環(huán)境制約的影響，并且還極大地提高了使用安全性。
在民用市場領(lǐng)域，針對該技術(shù)的研究和應(yīng)用推動了我國金剛石制造技術(shù)的進(jìn)步。在軍工領(lǐng)域，該技術(shù)在軟磁合金和電工純鐵的熱處理方面發(fā)揮了重要作用，通過采用此項(xiàng)技術(shù)使得產(chǎn)品磁性能得到了明顯提高，而產(chǎn)品矯頑力卻得到了顯著降低。
4、真空磁場熱處理技術(shù)
除以上介紹到的技術(shù)外，將電磁技術(shù)與真空熱處理技術(shù)相結(jié)合而誕生的真空磁場熱處理技術(shù)也是該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要分支，通過應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，既能夠提高結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，同時(shí)也對提高磁性材料的電磁性能具有重大效果。
總而言之，我國在真空熱處理技術(shù)方面經(jīng)歷了從引進(jìn)到消化、吸收的各個(gè)發(fā)展階段，并且在近年來已經(jīng)邁入了自主研發(fā)的階段。近年來，我國真空熱處理技術(shù)發(fā)展迅速，工藝水平不斷成熟，各種自產(chǎn)設(shè)備在性能和質(zhì)量上取得了巨大的突破，已經(jīng)完全可以滿足相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
真空熱處理技術(shù)的優(yōu)勢真空熱處理技術(shù)已經(jīng)在各種工模具鋼、不銹鋼、軸承鋼、碳鋼、硬質(zhì)合金、合金鋼及高合金鋼等重要零件的真空熱處理和真空化學(xué)熱處理上得到了較好的應(yīng)用，因?yàn)檎婵諢崽幚砭哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)：
1、可以實(shí)現(xiàn)光亮淬火
工件在低于大氣壓力下加熱，不接觸空氣，表面不會發(fā)生氧化，當(dāng)爐內(nèi)的真空度抽到1～10-1Pa時(shí)，工件表面達(dá)到了不脫碳、不滲碳的目的，從而實(shí)現(xiàn)了光亮淬火的目的。
1983年衡陽紡機(jī)廠從首都機(jī)械廠(現(xiàn)在的神箭)購買了一臺雙室真空淬火爐，用于GCr15軸承鋼做的紡機(jī)零件錠底的光亮淬火，該錠底的技術(shù)要求非常高，其錠底的內(nèi)部頂尖處，冷沖壓R后不再進(jìn)行任何機(jī)加工，淬火后表面不允許有任何脫碳等缺陷。用真空爐淬火后質(zhì)量得到了很好的保證，操作條件得到了極大的改進(jìn)。
另外，在精密的小微型(軸承內(nèi)徑﹤9mm)軸承上應(yīng)用也較多，采用不銹鋼和軸承鋼等材質(zhì)制作的軸承套圈進(jìn)行真空淬火后的質(zhì)量非常好，因?yàn)樘兹?jīng)真空淬火后表面沒有脫碳、滲碳現(xiàn)象，套圈的材質(zhì)又可以進(jìn)行脫氣，其雜質(zhì)可以降低到1.5ppm以下，使硬度分布均勻，畸變極小，從而提高了軸承的耐磨性，并具有高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度，延長了軸承的使用壽命，提高了市場競爭力。
2、具有脫氣作用
在真空度低于金屬或合金的相應(yīng)分解壓力時(shí)，其氧化物會發(fā)生分解，形成游離氧并立即被排出真空室外，使工件內(nèi)部的質(zhì)量得到提高。
由于鋼鐵零件的坯料在冶煉時(shí)會吸入大氣中極少量的氫氣、氮?dú)?、一氧化碳等氣體，從而產(chǎn)生微小氣孔，易造成氫脆等缺陷，硬質(zhì)合金。在壓制時(shí)也會有空氣進(jìn)入，所以對于工模具鋼來說，通過真空技術(shù)可以將工件內(nèi)部的殘余氣體抽掉，使組織得到純凈。對于硬質(zhì)合金來說，通過真空處理同樣可以將工件內(nèi)部的殘余氣體抽掉。
真空爐在中小型企業(yè)及專業(yè)工模具工廠使用得比較普遍，特別是私營企業(yè)在刀具、工模具及電動工具等工件的淬火上采用真空爐的比率也在逐漸增多。
3、可以減少熱處理后的機(jī)加工余量
真空熱處理因?yàn)闆]有氧化脫碳現(xiàn)象，畸變很少且清潔光亮，所以廣泛用于油泵油嘴偶件的真空淬火和真空滲碳，這樣可以避免用鹽浴爐造成偶件內(nèi)孔有時(shí)因殘鹽清冼不干凈或用保護(hù)氣氛造成表面出現(xiàn)黑色組織(脫碳)現(xiàn)象。
對于滲碳鋼的針閥體來說，要求的0.5～0.9mm滲碳層用真空滲碳能得到保證，而用可控氣氛爐滲碳較難得到保證。對于柱塞泵等精密液壓件來說，用真空淬火可以減少畸變，提高耐磨性，確保工件質(zhì)量穩(wěn)定。油泵油嘴偶件及柱塞泵液壓件應(yīng)用真空技術(shù)淬火已經(jīng)幾十年了，在提高產(chǎn)品質(zhì)量上得到了廣泛的認(rèn)可。
4、清潔工藝
真空熱處理是清潔熱處理工藝，它在整個(gè)熱處理過程中占有重要地位，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，改變熱處理車間的面貌，改善操作環(huán)境，是一個(gè)值得推廣應(yīng)用的技術(shù)。
5、真空滲碳的優(yōu)勢
真空滲碳比可控氣氛爐滲碳的產(chǎn)品質(zhì)量好，對于要控制淬火變形的齒輪滲碳，在用可控氣氛爐滲碳后需要用淬火壓床進(jìn)行邊淬火邊矯正，其質(zhì)量有時(shí)還達(dá)不到技術(shù)要求，況且滲碳層的滲層和碳濃度分布均勻性較難得到保證，經(jīng)常會出現(xiàn)內(nèi)氧化現(xiàn)象，造成非馬氏體黑色組織的出現(xiàn)，生產(chǎn)率有時(shí)也會受到影響，所以對于質(zhì)量要求較高的摩托車、汽車減速器、汽車發(fā)動機(jī)等部件內(nèi)的中小型齒輪及齒輪軸等工件的滲碳。
在有條件的企業(yè)中已經(jīng)逐漸從可控氣氛滲碳向真空滲碳過渡。對于質(zhì)量要求更高的齒輪及齒輪軸等工件的滲碳，可用低壓真空滲碳與高壓氣淬技術(shù)，它在國內(nèi)已逐漸得到應(yīng)用。
真空熱處理技術(shù)的發(fā)展前景未來的熱處理工藝的能源利用率要提高到80%以上，并且生產(chǎn)中會采用閉環(huán)智能控制系統(tǒng)。在當(dāng)前各類產(chǎn)品的熱處理生產(chǎn)中，真空熱處理所占比例會在今后逐年上升，并發(fā)展成為一種主要的生產(chǎn)方式。
我國真空熱處理在技術(shù)方法以及設(shè)備開發(fā)上與國際的差距日益減小，部分處于行業(yè)領(lǐng)先位置的企業(yè)已經(jīng)接近或達(dá)到了國際先進(jìn)水平。未來我國真空熱處理技術(shù)的發(fā)展應(yīng)能完全滿足各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，并且結(jié)合我國的實(shí)際情況在一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行自主創(chuàng)新，這些技術(shù)領(lǐng)域主要包括：
1、包括各種應(yīng)用需求在內(nèi)的真空熱處理自動化生產(chǎn)線;
2、滿足各類應(yīng)用需求的真空熱處理智能化控制系統(tǒng);
3、真空等溫?zé)崽幚砑夹g(shù)及設(shè)備;
4、真空感應(yīng)加熱技術(shù)及設(shè)備;
5、真空脫脂清洗技術(shù)及設(shè)備;
6、真空離子注入、真空離子涂覆技術(shù)及設(shè)備;
7、在CAD/CAE/CAM技術(shù)的推動下，真空熱處理工藝優(yōu)化及其相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將取得進(jìn)一步的發(fā)展。
模具真空熱處理技術(shù)應(yīng)用一、真空熱處理工藝參數(shù)
1、真空度
真空度直接影響到模具表面的粗糙度，從而影響表面質(zhì)量性能，為防止模具表面合金元素的揮發(fā)，應(yīng)選擇合理的真空度，合金鋼模具真空加熱時(shí)真空度與加熱溫度的對應(yīng)關(guān)系見下表。
2、預(yù)熱溫度
當(dāng)真空熱處理的加熱溫度為1000～1100℃時(shí)，在800～850℃進(jìn)行一次預(yù)熱;當(dāng)加熱溫度超過1200℃時(shí)，形狀簡單的模具可在850℃進(jìn)行一次預(yù)熱，較大或復(fù)雜的模具則應(yīng)在500～600℃和800～850℃進(jìn)行兩次預(yù)熱。
3、保溫
①加熱溫度。真空淬火的加熱溫度一般取鹽浴爐和空氣爐的下限。真空回火、真空退火、真空固溶處理及真空時(shí)效的加熱溫度一般與常規(guī)熱處理時(shí)的加熱溫度相同。
②保溫時(shí)間。通常情況下真空加熱時(shí)間為鹽浴爐的6倍，空氣爐的2倍，經(jīng)驗(yàn)公式為τ=KB+T，其中，τ為加熱保溫時(shí)間(min)，K為保溫時(shí)間系數(shù)(min/mm)，B為模具的有效厚度(mm)，T為時(shí)間裕量或稱固定時(shí)間(min)。K值與T值可從下表查出。
二、模具的真空淬火
1、預(yù)熱
低合金鋼(40Cr、60Si2Mn等)、中合金鋼(CrWMn、9SiCr、5CrNiMo等)可選擇兩級加熱(如650℃預(yù)熱→850℃淬火加熱);
高合金鋼(H13、Cr12MoV等)可選擇三級加熱(如650℃預(yù)熱→850℃預(yù)熱→1030℃淬火加熱)。
2、加熱保溫時(shí)間的選擇
保溫時(shí)間既要確保一定量的碳化物充分溶解，提高奧氏體中的合金含量，為二次硬化峰溫度回火時(shí)有較明顯的硬度回升提供保證，又不能產(chǎn)生過熱而影響模具質(zhì)量。
3、冷卻方式
模具鋼的真空淬火可采用油淬、氣淬、水淬、硝鹽淬火等。合金模具鋼均可實(shí)施真空油淬，從而獲得光亮的表面及合理的性能。與氣冷淬火相比，因油冷速度快而容易獲得高的韌性和強(qiáng)度。氣冷淬火可獲得更小的淬火畸變。
4、真空回火
采用真空爐(如WZH系列單室正壓回火爐)回火的優(yōu)點(diǎn)：控溫準(zhǔn)確、均勻;確保加熱及保溫階段無氧化;可隨爐緩冷，也可充氣快冷。冷卻過程可充入高純度N2或高純度N2與其他還原性氣體的混合氣(如H2)，確保冷卻時(shí)不氧化、不著色。
回火加熱速度為0.8min/mm，心部到溫后最少保持2h?；鼗饻囟纫曈捕纫蠖?。第一、第二次回火為強(qiáng)制性，第三次回火視技術(shù)要求和最終硬度而定，也可以省去。
5、常用模具鋼的真空淬火與回火工藝參數(shù)見下表。
三、模具的真空退火
模具(模塊)的真空退火易實(shí)現(xiàn)無氧化、無脫碳熱處理，有利于提高模具表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短工藝周期，模具表面可達(dá)到光亮，顯微組織均勻一致。
1、普通真空退火工藝
下圖是H13(4Cr5MoSiV1)鋼模塊普通真空退火工藝。模具退火采用真空爐(如WZT系列單室真空爐，極限真空度0.1Pa)，將模塊以60℃/h的速度緩慢加熱到870℃，視模塊有效尺寸決定保持時(shí)間(2～4h)，也可以待到溫后保持0.8min/mm。保溫階段壓力控制在0.1～10Pa。冷卻時(shí)可在真空狀態(tài)下進(jìn)行爐冷，當(dāng)溫度低于500℃時(shí)，可充入1×105Pa的高純度N2或高純度N2與其他還原性氣體(如H2)的混合氣進(jìn)行冷卻，以確保模塊表面無氧化、不著色。經(jīng)退火后的模塊硬度<235HBW，組織為珠光體+均勻分布的粒狀碳化物。
2、H13模具鋼等溫退火工藝
真空爐壓力0.1～10Pa，以≤200℃/h緩慢升至875～890℃并保持2～4h后，快冷至710～740℃保持3～4h，用高純度氮?dú)饫渲?00℃以下出爐。
3、Cr12MoV模具鋼等溫退火工藝
真空爐壓力0.1～10Pa，以≤200℃/h緩慢升至830～870℃并保持2～4h后，快冷至720～740℃保持3～4h，用高純度N2冷至100℃以下出爐。
四、模具的真空滲碳
真空滲碳是將模具在真空爐中加熱到奧氏體化狀態(tài)，在滲碳?xì)夥罩袧B碳，然后擴(kuò)散及淬火處理。因模具在真空狀態(tài)下加熱，故模具表面十分光潔，適于高表面質(zhì)量要求模具的滲碳處理。
實(shí)例：65Nb鋼制挑線連桿擠壓模的真空滲碳(65Nb鋼即6Cr4W3Mo2VNb)。
1、滲碳介質(zhì)(體積分?jǐn)?shù))：70%CH4+30%H2。H2作為稀釋氣，CH4(甲烷)為滲碳?xì)狻B碳設(shè)備為內(nèi)熱式小型真空滲碳爐。模具真空滲碳工藝見上圖。
2、使用壽命。65Nb鋼制模具經(jīng)真空滲碳熱處理后，其使用壽命比未經(jīng)滲碳模具提高2.5倍，比Cr12MoV鋼制模具(常規(guī)熱處理)提高7.5倍。
五、模具的真空碳氮共滲
真空碳氮共滲是模具表層在真空爐內(nèi)處于負(fù)壓的加熱狀態(tài)下，同時(shí)滲入C、N元素的化學(xué)熱處理工藝，與單一的滲碳相比，模具表面硬度更高，耐磨性更好，有一定的耐蝕性和更高的疲勞強(qiáng)度。因共滲溫度低，且滲后可直接淬火，奧氏體晶粒比單一滲碳細(xì)，因此提高了模具的心部韌性，共滲層組織無晶界氧化現(xiàn)象，模具性能明顯提高。
實(shí)例：45鋼、調(diào)質(zhì)預(yù)硬鋼P(yáng)20鋼(3Cr2Mo)制塑料模的真空碳氮共滲。
1、采用WZST- 45型雙室真空滲碳淬火爐，其工藝曲線見上圖，碳氮共滲溫度(850±10)℃，預(yù)冷至(740±10)℃，并均溫后出爐油淬，壓力為100～800Pa，共滲劑為乙炔和氨氣混合氣。裝爐情況：模具尺寸260mm×200mm×25mm，數(shù)量5塊;240mm×180mm×20mm，數(shù)量5塊;210mm×150mm× 30mm，數(shù)量5塊。共計(jì)裝爐15塊，質(zhì)量共計(jì)約150kg。
2、45鋼模具碳氮共滲油淬后，其外觀呈均勻的銀灰色，45鋼及P20鋼模具的硬度均可達(dá)到62HRC以上，提高了表面硬度，可使P20鋼制模具進(jìn)入高壽命狀態(tài)。45鋼滲碳層深度0.53～0.56mm，有助于提高45鋼模具使用壽命。
六、模具真空脈沖氮碳共滲
真空脈沖氮碳共滲保留了真空脈沖滲氮的優(yōu)點(diǎn)，如深孔、不通孔內(nèi)壁滲層均勻，比真空脈沖滲氮有更好的耐磨性和抗咬合性，而且白亮層少，脆性小，滲層致密，滲速快，并能承受重負(fù)荷和沖擊載荷。
實(shí)例：W9Cr4Mo3V鋼制十字槽沖頭的真空脈沖氮碳共滲。
1、十字槽沖頭在工作時(shí)，要承受大的沖擊、壓縮、拉伸和彎曲等應(yīng)力的作用，失效形式為槽筋疲勞斷裂。原采用T10鋼制造，經(jīng)常規(guī)鹽浴加熱淬火、回火處理后，模具平均壽命為3萬件。
2、采用W9Cr4Mo3V鋼制造沖頭，經(jīng)真空加熱淬火、回火和真空脈沖氮碳共滲后，模具壽命提高到近30萬件。真空氮碳共滲采用ZCT65型雙室真空滲碳爐，工作真空度為2.7Pa。
?、僬婵沾慊鹋c回火工藝：830～850℃×3min/mm預(yù)熱，1080～1200℃×1～2min/mm加熱后，氣淬油冷;540～580℃×1～2h真空回火。
②真空脈沖氮碳共滲工藝：共滲劑成分(體積分?jǐn)?shù))：50%丙烷+50%氨氣，其工藝曲線見下圖。
END
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