真空熱處理技術(shù)

第1章 真空熱處理基礎(chǔ) 1

1.1 有關(guān)真空的基本概念 1

1.1.1 真空 1

1.1.2 真空度 1

1.1.3 真空區(qū)域的劃分 2

1.1.4 常用的真空技術(shù)名詞 4

1.2 真空熱處理的發(fā)展過程 4

1.2.1 真空淬火爐發(fā)展情況 5

1.2.2 真空熱處理工藝的發(fā)展 5

1.3 真空熱處理工藝原理 5

1.3.1 金屬在真空狀態(tài)下加熱過程的特點 5

1.3.2 金屬在真空淬火時的冷卻 13

第2章 真空熱處理工藝 17

2.1 真空退火 17

2.1.1 高溫、難熔金屬的退火 17

2.1.2 鋼鐵材料及其銅合金的退火 19

2.1.3 電工鋼及磁合金的退火 22

2.2 真空淬火與回火 24

2.2.1 真空淬火 24

2.2.2 真空回火 33

2.3 真空滲碳與離子滲碳 38

2.4 真空脈沖滲氮及離子滲氮 49

2.4.1 真空脈沖滲氮 49

2.4.2 離子滲氮 53

2.5 真空氮碳( 碳氮) 共滲及離子氮碳( 碳氮) 共滲 61

2.5.1 真空( 脈沖) 氮碳共滲 61

2.5.2 真空碳氮共滲 62

2.5.3 離子氮碳共滲 64

2.5.4 離子碳氮共滲 68

2.6 真空滲硼及其真空滲鉻 70

2.6.1 真空滲硼 70

2.6.2 真空滲鉻 70

2.7 真空淬火后的工件的性能與使用壽命 72

第3章 真空熱處理設(shè)備 73

3.1 概述 73

3.1.1 真空熱處理爐的發(fā)展概況 73

3.1.2 真空爐類型、特點與應(yīng)用 74

3.2 內(nèi)熱式與外熱式真空爐 87

3.2.1 內(nèi)熱式真空熱處理爐 87

3.2.2 外熱式真空熱處理爐 91

3.2.3 外熱式與內(nèi)熱式真空爐的比較 95

3.2.4 國內(nèi)真空爐制造廠家 95

3.3 真空淬火爐 100

3.3.1 真空氣淬爐 100

3.3.2 油淬及油氣真空爐 111

3.3.3 水淬真空爐及多用途真空爐 118

3.4 真空退火爐與回火爐 119

3.4.1 真空退火爐 119

3.4.2 真空回火爐 125

3.5 真空化學(xué)熱處理爐 133

3.5.1 真空滲碳爐 134

3.5.2 離子滲氮爐 138

3.6 真空爐的操作、安全與維修技術(shù) 155

3.6.1 真空爐使用前的準備工作 155

3.6.2 真空淬火爐的操作、維護及常見故障的排除方法 156

3.6.3 離子滲氮爐的操作要點與維修 159

3.6.4 常用真空檢漏法 162

第4章 真空熱處理質(zhì)量控制 163

4.1 真空熱處理的應(yīng)用與要求 163

4.2 真空熱處理工藝制定原則 164

4.3 真空熱處理工藝參數(shù)的確定 169

4.3.1 合金結(jié)構(gòu)鋼的真空熱處理工藝參數(shù) 170

4.3.2 彈簧鋼的真空熱處理工藝參數(shù) 172

4.3.3 軸承鋼的真空熱處理工藝參數(shù) 172

4.3.4 合金工具鋼的真空熱處理工藝參數(shù) 173

4.3.5 高速鋼的真空熱處理工藝參數(shù) 174

4.3.6 模具鋼的真空熱處理工藝參數(shù) 175

4.3.7 高強度鋼和超高強度鋼的真空熱處理 178

4.3.8 不銹鋼的真空熱處理 180

4.3.9 高溫合金的真空熱處理 182

4.3.10 鈦合金的真空熱處理 183

4.4 真空熱處理質(zhì)量控制 183

4.4.1 影響工件真空熱處理質(zhì)量的因素 184

4.4.2 真空淬火的質(zhì)量效果 185

4.4.3 真空回火的質(zhì)量效果 186

4.4.4 真空熱處理質(zhì)量檢驗 186

4.4.5 真空熱處理缺陷的分析及措施 206

第5章 真空熱處理的典型應(yīng)用實例 228

5.1 金屬機床與齒輪零件的真空熱處理應(yīng)用實例 228

5.2 軸承、標準件與彈簧的真空熱處理應(yīng)用實例 235

5.3 汽車、拖拉機、柴油機等零件的真空熱處理應(yīng)用實例 237

5.4 工模量具的真空熱處理應(yīng)用實例 241

5.4.1 工具的真空熱處理 241

5.4.2 模具的真空熱處理 245

5.4.3 量具的熱處理 272

5.5 其他零件的真空熱處理 274

第6章 真空熱處理技術(shù)的進展 280

6.1 真空熱處理設(shè)備的進展 280

6.2 真空熱處理技術(shù)的新進展 292

6.2.1 真空熱處理自動化在線控制系統(tǒng) 292

6.2.2 熱等壓( 真空) 淬火技術(shù) 292

6.2.3 ICBP 系列低壓滲碳技術(shù)及低壓滲碳多用爐( ICBP ) 293

6.2.4 VCQ2 型智能型真空滲碳淬火爐( 金屬熱處理2012.1 ) 297

6.2.5 VZKQ 式多用途真空爐 301

6.2.6 VNKQ 型連續(xù)式多室真空爐生產(chǎn)線 301

6.2.7 Modul Therm 型往復(fù)式( 梭式) 模塊化多用真空爐生產(chǎn)線 303

6.2.8 我國燃氣式真空熱處理爐技術(shù)研究開發(fā) 303

6.2.9 WZDGQ30 型單室真空高壓氣淬爐研制 307

6.2.10 真空爐強制對流及連續(xù)高壓氣冷技術(shù) 310

6.2.11 WZLQH 型真空鋁釬焊爐研制開發(fā) 313

6.2.12 真空清洗設(shè)備與技術(shù) 315

6.3 真空熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢與展望 325

參考文獻 328 2100433B

本書主要介紹了真空熱處理技術(shù)的基礎(chǔ)、工藝、設(shè)備、質(zhì)量控制、實例以及該技術(shù)的進展，內(nèi)容翔實，實用性強，在生產(chǎn)實踐中具有重要的參考價值，可供從事熱處理的技術(shù)人員與管理人員參考，亦可作為熱處理專業(yè)師生的參考書籍。

刀具真空熱處理技術(shù)具有一系列突出的優(yōu)點：真空熱處理具有防氧化的作用。表面不氧化、不脫碳、并有還原除銹作用，省卻刀具的粗加工工序，可節(jié)約昂貴的刀具鋼材和原輔材料的消耗，節(jié)省加工時間，降低產(chǎn)品成本；真空熱處理具有真空脫氣、脫脂作用并無氫脆危險，防止刀具材料難熔金屬的表面脆化，使刀具材料表面純度提高，提高刀具的疲勞強度、塑性和韌性及耐腐蝕性，提高刀具的使用壽命；真空熱處理具有淬火變形小，可減少常規(guī)淬火變形的校正應(yīng)力存在，降低刀片使用過程中斷裂的可能性，真空熱處理刀片的變形為鹽浴淬火的1/2-1/10，淬火后一般不需要校正就可精磨加工至成品；真空熱處理工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性好。一旦工藝確定，只要輸入工藝程序，熱處理操作將自動運行。避免常規(guī)熱處理工藝不穩(wěn)定造成的刀具質(zhì)量波動；真空熱處理耗電少，電能消耗為常規(guī)熱處理的80%，生產(chǎn)成本低，但一次性投資成本大；真空熱處理操作安全、自動化程度高，工作環(huán)境好，無污染無公害，符合我國工業(yè)企業(yè)清潔生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展的要求。

深冷技術(shù)在刀具產(chǎn)品上的應(yīng)用是從模具工業(yè)應(yīng)用演變而來。深冷處理與熱處理一樣，它與材料特性，處理溫度，處理速度有很大關(guān)系，不同的處理方法其效果有明顯不同。深冷技術(shù)是對材料在低于－130℃進行處理的一種工藝方法，深冷處理不僅可以顯著提高刀具的力學(xué)性能和使用壽命，穩(wěn)定尺寸，改善均勻性、減少變形，而且操作簡便，不破壞工件，無污染，成本低，對刀具質(zhì)量的提高有很大的幫助。2100433B

《真空低壓滲碳高壓氣淬熱處理技術(shù)要求》（GB/T 39194-2020）有利于促進中國機械制造及環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，為努力構(gòu)建高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色制造體系具有重要意義。 2100433B

真空高壓氣冷淬火技術(shù)

當前真空高壓氣冷淬火技術(shù)發(fā)展較快，相繼出現(xiàn)了負壓高流率氣冷、加壓氣冷、高壓氣冷、超高壓一氣冷等新技術(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、無污染等優(yōu)點。

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。

用高壓氮氣冷卻淬火時、被冷卻的負載只能是松散型的，高速鋼可淬透至70～100mm，高合金熱作模具鋼可達25～100mm。

用1000kPa高壓氮氣冷卻淬火時，被冷卻負載可以是密集型的，比600kPa冷卻時負載密度提高約30%～40%。

用2000kPa超高壓氮氣或氦氣和氮氣的混合氣冷卻淬火時，被冷卻負載是密集的并可捆綁在一起。其密度較600kPa氮氣冷卻時提高80%～150%，可冷卻所有的高速鋼、高合金鋼、熱作工模具鋼及鉻鋼和較多的合金油淬鋼，如較大尺寸的錳鋼。

具有單獨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。200kPa氮氣冷卻的雙室爐的冷卻效果和400kPa的單室爐相當。但運行成本、維修成本低。由于我國基礎(chǔ)材料工業(yè)（石墨、鉬材等）和配套元器件（電動機）等水平有待提高。所以在提高600kPa單室高壓真空護質(zhì)量的同時，發(fā)展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國的國情。

真空滲氮技術(shù)

真空滲氮是使用真空爐對鋼鐵零件進行整體加熱、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散而實現(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)生成核化物實現(xiàn)硬化的。

真空滲氛時，將真空爐排氣至較高真空度0.133Pa后，將工件升至，530～560℃，同時送入氨氣或復(fù)合氣體，并對各種氣體的送入量進行精確控制，爐壓控制在0.667Pa，低壓狀態(tài)能加快工件表面的氣體交換，活躍的N元素(或N，C)來自化學(xué)反應(yīng)及氨氣，保溫3～5h后，用爐內(nèi)惰性氣體進行快速冷卻。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，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_到的硬度和材質(zhì)成分有關(guān)。材質(zhì)中含鉻量越高，硬度也呈增加趨勢。鉻13%時，硬度可達到1200HV；含鉻18%（質(zhì)量分數(shù)，余同）時，硬度可達 1500HV；含鉻25%時，硬度可達1700HV。無脆性相的單相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，焊接修補時易生成針孔。真空滲氮還有一個優(yōu)點，就是通過對送入爐內(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0.1-1mm擴散層的組織。其原因可能是在真空爐排氣至 0.133Pa后形成的，另一個原因是帶有活性物質(zhì)的復(fù)合氣體在短時間內(nèi)向鋼中擴散形成的組織。這種組織的優(yōu)點是耐熱沖擊性、抗龜裂性能優(yōu)異。因而對實施高溫回火的熱作模具，如用高速鋼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；但僅有擴散層組織時，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔損性能不夠好。由于模具或機械零件的服役條件和對性能的要求不一，在進行表面熱處理時，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，對提高精密齒輪和要求耐磨耐蝕的機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。

真空高壓氣冷等溫淬火

形狀復(fù)雜的較大工件從高溫連續(xù)進行快速冷卻時容易產(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行氣冷等溫淬火呢？在帶有對流加熱功能的單室高壓氣冷淬火爐中對兩組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化結(jié)果。一組是在1020℃加熱后，在600kPa壓力下連續(xù)用高純氮氣冷卻（風向是上、下相互交替，40s切換一次）的結(jié)果。另一組是對試樣表面、心部進行 370℃時的控制冷卻。從兩組曲線的對比可以看出，心部溫度通過500℃的時間（半冷時間）只差約2min。從表面進行控制冷卻開始到心部溫度到達 370℃附近，需27min。由此可見，在單室真空高壓氣淬火爐進行等溫氣冷淬火是可行的。

真空清洗與干燥技術(shù)

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。國際上使用效果最佳的清洗劑是鹵素系清洗劑。發(fā)達國家，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。所以各國都在研究各種替代型的清洗干燥技術(shù)。