什么是真空熱處理加工技術？真空熱處理工藝制定原則

什么是真空熱處理加工技術

要指的是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術，其中，真空熱處理所處的真空環境指的是低于一個大氣壓的氣氛環境，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下進行的，真空熱處理可以實現幾乎所有的常規熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質量大大提高。

與常規熱處理相比，真空熱處理加工技術可同時實現無氧化、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的應用

其實，真空熱處理加工技術在國外應用的較早，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，從而，真空淬火技術在熱處理行業得到迅速發展，從單室爐發展到了多組合機群，從一般的真空淬火發展到高壓氣淬、真空水劑淬火、真空滲碳、真空碳氮共滲及多元共滲等。

而我國在經過幾十年的努力，真空爐制造廠商在設計、制造水平和質量上得到了很大的提高，用國產真空設備替代從國外 的真空設備逐漸增多，從而降低了使用單位的生產成本，使真空熱處理的應用范圍迅速擴大。

2. 真空熱處理加工技術的工藝原理

利用金屬在真空狀態下的變相特點，在與大氣壓只差0.1MPa范圍內的真空下，固態相變熱力學、動力學不產生什么變化。在制訂真空熱處理工藝規程時，完全可以依據在常壓下固態相變的原理，完全可以參考常壓下各種類型組織轉變的數據。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，在真空狀態下加熱，金屬工件表面元素會發生蒸發現象。金屬實現無氧化加熱所需的真空度，表面凈化作用，實現少無氧化和少無脫。

3. 真空熱處理加工技術的特點

（1）真空熱處理加工的優越性

真空熱處理加工是和可控氣氛并駕齊驅的應用面很廣的無氧化熱處理技術，也是當前熱處理生產技術先進程度的主要標志之一。真空熱處理不僅可以實現鋼件的無氧化、無脫碳，而且還可以實現生產的無污染和工件的少畸變，因而，它還屬于清潔和精密生產技術范疇。目前，它已成為工模具生產中不可替代的先進技術。

（2）真空熱處理工藝工件畸變小

據國內外經驗，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律，并用計算機加以模擬，對于推廣真空熱處理技術具有重要意義。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規律，對于改進爐子結構具有重要意義。

（3）采用真空熱處理爐

現代真空熱處理爐，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。研究開發這種類型的設備是一項綜合性強、跨學科、牽涉到很多科技領域的工作。

工模具材料真空熱處理的應用前景很大。大多數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部都獲得滿意的力學性能，必須采用真空高壓氣淬技術。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展趨勢。

真空熱處理工藝制定原則

真空熱處理設備始于20世紀20年代,但是其真正發展還是從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的研究發展。

真空熱處理的工作環境其實是

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,只是其工作環境空氣極其稀薄，工件在真空狀態加熱可以避免常規普通熱處理的氧化、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容是:確定加熱 制度(溫度、時間及方式)決定真空度和氣壓調節, 選擇冷卻方式和介質等。

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生的氧化、脫碳、侵蝕等現象；另一特點是真空狀態下的傳熱是單一輻射傳熱，其傳熱能力E與 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力小,工件變形也小。加熱溫度的選取對工件質量至關重要，在制定工藝時,根據工件的技術要求、服役條件和性能要求，找出 *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 次預熱時間(min);

              T2為第二次預熱時間(min);

              T3為 *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，應使 次預熱和第二次預熱的時間盡量縮短，并提高預熱溫度，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。

根據真空加熱原理提高預熱溫度，可減少 工件內外溫差，使預熱時間縮短，而 *終的保溫時間應該適當延長，使得鋼中的碳化物充分溶解。這樣，既保證了質量，也提高了工作效率。保溫時間的長短還與下列因素有關: 

①裝爐量：工件尺寸相同時裝爐量大,則透燒的時間應延長；反之，則應縮短。

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 *大的熱輻射；對不同工件同裝一爐，除按 *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）

*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冷，將影響淬火變形。其規律是：由熱室進入冷室后，直接進行油冷或氣冷，將導致尺寸變化；如果進行適當的預冷，則可保持熱處理前的尺寸不變；但若預冷時間過長，將會導致工件尺寸脹大。一般的規律是，對于有效厚度為20~60mm的工件，預冷時間為0.5~3min 。

據分析，這是由于當不預冷而直接進行淬火時， 零件中的內應力以熱應力為主，故出現體積收縮，而在經較長時間預冷后再淬火時，零件中的內應力以相變應力為主，從而出現體積膨脹，只有在進行適當時間的預冷后，熱應力和相變應力的作用相平衡，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常控制在100~200℃。計算油冷時間的經驗公式如下:

 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。