真空淬火

形狀復(fù)雜的較大工件從高溫連續(xù)進(jìn)行快速冷卻時(shí)容易產(chǎn)生變形甚至裂紋。以往可用鹽浴等溫淬火解決。在單室真空高壓氣冷淬火爐中能否進(jìn)行氣冷等溫淬火呢？圖1為在帶有對(duì)流加熱功能的單室高壓氣冷淬火爐中對(duì)兩組φ320mm×120mm兩塊疊裝的碳素結(jié)構(gòu)鋼用不同冷卻方式淬火后的對(duì)化結(jié)果。圖中一組曲線是在102O℃加熱后，在6×105Pa壓力下連續(xù)用高純氮?dú)饫鋮s（風(fēng)向是上、下相互交替，40s切換一次）的結(jié)果。另一組是對(duì)試樣表面、心部進(jìn)行 370℃時(shí)的控制冷卻。從兩組曲線的對(duì)比可以看出，心部溫度通過50O℃的時(shí)間（半冷時(shí)間）只差約2min。從表面進(jìn)行控制冷卻開始到心部溫度到達(dá) 370℃附近，需27min。由此可見，在單室真空高壓氣淬火爐進(jìn)行等溫氣冷淬火是可行的。

真空滲氮是使用真空爐對(duì)鋼鐵零件進(jìn)行整體加熱、充入少量氣體，在低壓狀態(tài)下產(chǎn)生活性氮原子滲入并向鋼中擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)硬化的；而離子滲氮是靠暉光放電產(chǎn)生的活性N離子轟擊并僅加熱鋼鐵零件表面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成核化物實(shí)現(xiàn)硬化的。真空滲氛時(shí)，將真空爐排氣至較高真空度0.133Pa（1×10-3Torr）后，將工件升至，530～560℃，同時(shí)送入以氨氣為主的，含有活性物質(zhì)的多種復(fù)合氣體，并對(duì)各種氣體的送入量進(jìn)行精確控制，爐壓控制在0.667Pa（5Torr），保溫3～5h后，用爐內(nèi)惰性氣體進(jìn)行快速冷卻。不同的材質(zhì)，經(jīng)此處理后可得到滲層深為20～80μm、硬度為600～1500HV的硬化層。

真空滲氮有人稱為真空排氣式氮碳共滲，其特點(diǎn)是通過真空技術(shù)，使金屬表面活性化和清凈化。在加熱、保溫、冷卻的整個(gè)熱處理過程中，不純的微量氣體被排出，含活性物質(zhì)的純凈復(fù)合氣體被送入，使表面層相結(jié)構(gòu)的調(diào)整和控制、質(zhì)量的改善、效率的提高成為可能。經(jīng)X射線衍射分析證實(shí)，真空滲氮處理后，滲層中的化合物層是ε單相組織，沒有其他脆性相（如Fe3C、Fe3O4）存在，所以硬度高，韌性好，分布也好?！鞍讓印眴蜗唳呕衔飳涌蛇_(dá)到的硬度和材質(zhì)成分有關(guān)。材質(zhì)中含Cr量越高，硬度也呈增加趨勢(shì)。Cr13%時(shí)，硬度可達(dá)到1200HV；含Cr18%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同）時(shí)，硬度可達(dá) 1500HV；含Cr25%時(shí)，硬度可達(dá)1700HV。無(wú)脆性相的單相ε化合物層的耐磨性比氣體氮碳共滲組織的耐磨性高，抗摩擦燒傷、抗熱膠合、抗熔敷、抗熔損性能都很優(yōu)異。但該“白層”的存在對(duì)有些模具和零件也有不利之處，易使鍛模在鍛造初期引起龜裂，焊接修補(bǔ)時(shí)易生成針孔。真空滲氮還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是通過對(duì)送入爐內(nèi)的含活化物質(zhì)的復(fù)合氣體的種類和量的控制，可以得到幾乎沒有化合物層（白層），而只有擴(kuò)散層的組織。其原因可能是在真空爐排氣至 0.l33Pa（1×10-3Torr）后形成的，另一個(gè)原因是帶有活性物質(zhì)的復(fù)合氣體在短時(shí)間內(nèi)向鋼中擴(kuò)散形成的組織。這種組織的優(yōu)點(diǎn)是耐熱沖擊性、抗龜裂性能優(yōu)異。因而對(duì)實(shí)施高溫回火的熱作模具，如用高速鋼或4Cr4MoSiV（H13）鋼制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐熱沖擊性好、抗龜裂而又有韌性的綜合性能；但僅有擴(kuò)散層組織時(shí)，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔損性能不夠好。由于模具或機(jī)械零件的服役條件和對(duì)性能的要求不一，在進(jìn)行表面熱處理時(shí)，必需調(diào)整表面層的組織和性能。真空滲氮除應(yīng)用于工模具外，對(duì)提高精密齒輪和要求耐磨耐蝕的機(jī)械零件以及彈簧等的性能都有明顯效果，可接受處理的材質(zhì)也比較廣泛。

真空熱處理是將金屬工件在 1個(gè)大氣壓以下(即負(fù)壓下)加熱的金屬熱處理工藝。20世紀(jì)20年代末，隨著電真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了真空熱處理工藝，當(dāng)時(shí)還僅用于退火和脫氣。由于設(shè)備的限制，這種工藝較長(zhǎng)時(shí)間未能獲得大的進(jìn)展。60～70年代，陸續(xù)研制成功氣冷式真空熱處理爐、冷壁真空油淬爐和真空加熱高壓氣淬爐等，使真空熱處理工藝得到了新的發(fā)展。在真空中進(jìn)行滲碳，在真空中等離子場(chǎng)的作用下進(jìn)行滲碳、滲氮或滲其他元素的技術(shù)進(jìn)展，又使真空熱處理進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。真空熱處理可用于退火、脫氣、固溶熱處理、淬火、回火和沉淀硬化等工藝。在通入適當(dāng)介質(zhì)后，也可用于化學(xué)熱處理。

當(dāng)前真空高壓氣冷淬火技術(shù)發(fā)展較快，相繼出現(xiàn)了負(fù)壓（<1×105Pa）高流率氣冷、加壓（1×105～4×105Pa）氣冷、高壓（5× 105～10×105Pa）氣冷、超高壓一（10×105～20×105Pa）氣冷等新技術(shù)，不但大幅度提高了真空氣冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，變形小，還有高效、節(jié)能、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。真空高壓氣冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不銹鋼和特殊合金的固溶、時(shí)效，離子滲碳和碳氮共滲，以及真空燒結(jié)，釬焊后的冷卻和淬火。用6×105Pa高壓氮?dú)饫鋮s淬火時(shí)、被冷卻的負(fù)載只能是松散型的，高速鋼（W6Mo5Cr4V2）可淬透至70～100mm，高合金熱作模具鋼（如 4Cr5MoSiV）可達(dá)25～100mm,金冷作模具鋼（如Cr12）可達(dá)80～100mm。用10×105Pa高壓氮?dú)饫鋮s淬火時(shí)，被冷卻負(fù)載可以是密集型的，比6×105Pa冷卻時(shí)負(fù)載密度提高約30%～4O%。用20×105Pa超高壓氮?dú)饣蚝夂偷獨(dú)獾幕旌蠚饫鋮s淬火時(shí)，被冷卻負(fù)載是密集的并可捆綁在一起。其密度較6×105Pa氮?dú)饫鋮s時(shí)提高80%～150%，可冷卻所有的高速鋼、高合金鋼、熱作工模具鋼及Cr13%的鉻鋼和較多的合金油淬鋼，如較大尺寸的9Mn2V鋼。具有單獨(dú)冷卻室的雙室氣冷淬火爐的冷卻能力優(yōu)于相同類型的單室爐。2×105Pa氮?dú)饫鋮s的雙室爐的冷卻效果和4×105Pa的單室爐相當(dāng)。但運(yùn)行成本、維修成本低。由于我國(guó)基礎(chǔ)材料工業(yè)（石墨、鉬材等）和配套元器件（電動(dòng)機(jī)）等水平有待提高。所以在提高6×105Pa單室高壓真空護(hù)質(zhì)量的同時(shí)，發(fā)展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國(guó)的國(guó)情。

有的熱處理還離不開清洗干燥工序，尤其需油冷的各類熱處理，清洗干燥的任務(wù)更繁重、難度也更大。國(guó)際上使用效果最佳的清洗劑是鹵素系清洗劑。發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本使用的鹵素系清洗劑的比例如表1所示。其中三氯乙烷、氟里昂因?qū)倨茐拇髿獬粞鯇游镔|(zhì)，已被禁止使用。其他鹵素系物質(zhì)也因?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境、人、畜有害而被限制使用。所以各國(guó)都在研究各種替代型的清洗干燥技術(shù)。真空水系清洗干燥技術(shù)是替代技術(shù)中發(fā)展的主流，其原理是水蒸氣蒸餾和真空蒸餾。所謂水蒸氣蒸餾是指一邊向帶有不溶于水的油類等物質(zhì)的工件上吹水蒸氣，一邊加熱，是把油分等揮發(fā)成分和水一齊蒸餾出的方法。應(yīng)用該法時(shí)，油等揮發(fā)成分的蒸氣隨水蒸氣同時(shí)發(fā)生，所以油分的沸點(diǎn)被降低。這就是用共沸的方法使油分和填加劑形成低沸點(diǎn)物質(zhì)，使在回火溫度以下的較低溫度的洗凈成為可能。所謂真空蒸餾是因?yàn)椋诔合逻M(jìn)行水蒸氣蒸餾時(shí)，油分的蒸汽壓很低，伴隨水蒸氣而揮發(fā)的油分量很少。如果在真空狀態(tài)下進(jìn)行蒸氣蒸餾，油分的沸點(diǎn)會(huì)被進(jìn)一步降低。同時(shí)利用水蒸氣蒸餾和真空蒸餾，就可將高沸點(diǎn)熱處理淬火油在回火溫度下被清洗并干燥了。這種方法適合在大、中型企業(yè)和大批量生產(chǎn)的流水線上使用，效率比較高。缺點(diǎn)是清洗液的回收和處理及循環(huán)使用的成本高。

真空油系清洗干燥技術(shù)，是指用蒸汽壓比較高的輕質(zhì)溶劑油去溶解和洗凈工件上附著的蒸汽壓化較低的切削油、沖壓油、淬火油；然后再加熱減壓將溶劑油蒸發(fā)分離，從而達(dá)到洗凈的目的。選擇藥溶劑油燃點(diǎn)應(yīng)盡量高，粘度要低，對(duì)被清洗工件上附著的油脂有較強(qiáng)的溶解能力；對(duì)工件無(wú)腐蝕，且成本較低。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中介紹的190號(hào)和20O號(hào)溶劑油可作為選擇時(shí)的參考。簡(jiǎn)單說就是在真狀態(tài)下淬火,處理后表面很好,無(wú)氧化.2100433B

真空淬火爐是真空熱處理爐的主要類型，品種多、數(shù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)展迅速。

各種類型的氣淬真空爐的結(jié)構(gòu)。立式和臥式單室氣淬真空爐，單室爐加熱和冷卻在同一爐室中進(jìn)行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維修方便，占地面積小，應(yīng)用一較多，立式和臥式雙室氣淬真空爐。這種爐子加熱室與冷卻室由真空閘閥隔開，工件在冷卻室進(jìn)行冷卻時(shí)，加熱室不受影響，因此，工件冷卻速度較單室真空氣淬爐快，由于雙室爐冷卻氣體只充入冷卻室，加熱室保持真空，因而縮短工件時(shí)間（抽真空，加熱等），生產(chǎn)效率較單室真空爐提高25%～30%左右，三室半連續(xù)式氣淬真空爐，由進(jìn)料室、加熱室和冷卻室組成，相鄰兩室間由真空閘閥隔開，連續(xù)式真空熱處理爐生產(chǎn)效率高，節(jié)約能源，降低成本，適于連線生產(chǎn)和大生產(chǎn)運(yùn)行，是今后真空熱處理爐的發(fā)展方向。

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品加工質(zhì)量與技術(shù)要求的提高，真空熱處理加工鋼種、合金范圍的擴(kuò)大，近十余年來，高壓氣淬真空爐，高流率真空爐和高（負(fù)）壓高流率真空爐得到迅速發(fā)展，其特點(diǎn)是通常冷卻氣體壓強(qiáng)為0.1～0.5MPa，有的高達(dá)2MPa甚至4MPa的高壓氣淬真空爐已投入運(yùn)行，工件在高速氣流下進(jìn)行冷卻。

真空淬火爐（1）溫度均勻度

實(shí)現(xiàn)用戶要求的溫度均勻度，是以循環(huán)風(fēng)機(jī)、導(dǎo)風(fēng)罩板、爐膛結(jié)構(gòu)、電熱功率的

分配及電熱元件的布置、控制方式與過程、爐門結(jié)構(gòu)等關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)來保證。

真空淬火爐（2）先進(jìn)的機(jī)械系統(tǒng)

系統(tǒng)的先進(jìn)性由設(shè)計(jì)、元器件選型及質(zhì)量、加工制造質(zhì)量來保證的。機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，設(shè)備處于低噪音、低振動(dòng)工作狀態(tài)。

真空淬火爐（3）完善的控制系統(tǒng)

體現(xiàn)在100～650℃均可實(shí)現(xiàn)精確控溫、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)便、避免人為誤操作、功能齊全等方面。

真空淬火爐（4）淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間迅速、可調(diào)

爐底對(duì)開式爐門、倍速升降機(jī)構(gòu)、先進(jìn)的機(jī)械系統(tǒng)，使得淬火轉(zhuǎn)移迅速、可靠，時(shí)間可以根據(jù)用戶工藝要求調(diào)整。