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【赫哲真空】什么是真空熱處理？
日期：2025-04-30 14:33
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摘要：
真空熱處理
真空熱處理是真空與熱處理相結(jié)合的熱處理，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個(gè)大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和真空，真空熱處理實(shí)際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的和部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，真空熱處理可以實(shí)現(xiàn)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，真空熱處理的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達(dá)到表面光亮凈化的...
真空熱處理
真空熱處理是真空與熱處理相結(jié)合的熱處理，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個(gè)大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和真空，真空熱處理實(shí)際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的和部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，真空熱處理可以實(shí)現(xiàn)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，真空熱處理的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達(dá)到表面光亮凈化的效果。真空高壓氣冷淬火
當(dāng)前真空高壓氣冷淬火發(fā)展較快，相繼出現(xiàn)了負(fù)壓（<1×10^5Pa）高流率氣冷、加壓（1×105～4×105Pa）氣冷、高壓（5× 105～10×105Pa）氣冷、壓一（10×105～20×105Pa）氣冷等新，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。
真空高壓氣冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不銹鋼和合金的固溶、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。
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。
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(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)**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(guò)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(kāi)始到心部溫度到達(dá) 370℃附近，需27min。由此可見(jiàn)，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
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)送入氨氣或NH3+CXHY+N2O復(fù)合氣體，并對(duì)氣體的送入量進(jìn)行控制，爐壓控制在0.667Pa（5Torr），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(lái)自化學(xué)反應(yīng)及NH3(或在處理溫度500-570℃NH3和CXHY的裂解),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(guò)真空，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(guò)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(méi)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**、抗熱膠合、抗熔敷、抗熔損性能都很。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)，就是通過(guò)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?jīng)]有化合物層（白層），而只有0.1-1mm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。這種組織的是耐熱沖擊性、抗龜裂性能。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。
真空清洗與干燥
目前有的熱處理還離不開(kāi)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。上使用效果佳的清洗劑是鹵素系清洗劑。發(fā)達(dá)國(guó)家，如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)都在研究替代型的清洗干燥。
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)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進(jìn)展，又使真空熱處理進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
熱處理的發(fā)展是伴隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，機(jī)械制造又對(duì)熱處理提出了更新更高的要求，模具的熱處理又是熱處理中含量高的部分。
眾所周知，模具熱處理就是為了模具材料的潛力，提高模具的使用性能。模具的性能必須滿足：高的強(qiáng)度，(包括高溫強(qiáng)度，抗冷熱疲勞性能)高的硬度(耐磨性能)和高的韌性，并且還要求有良好的機(jī)械加工性、(包括良好的拋光性)可焊接性及抗腐蝕性等等。
模具熱處理過(guò)程中，所采用的工藝參數(shù)對(duì)模具性能也有著至關(guān)重要的影響：它包括了加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間、冷卻方式、冷卻速度等。正確的熱處理工藝參數(shù)可以模具獲得佳性能，反之，將產(chǎn)生甚至嚴(yán)重后果。實(shí)踐表明，正確的熱處理工藝可以獲得優(yōu)良的組織，優(yōu)良的組織形態(tài)才能優(yōu)良的機(jī)械性能。合適的工藝方法可以的控制模具熱處理時(shí)的變形和開(kāi)裂。從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：模具在加熱和冷卻過(guò)程中，模具表面溫度和心部溫度的差異(加熱的不均勻性和冷卻的不均勻性)是造成模具變形的主要因素。(真空爐具有控制加熱速度和冷卻速度的能力)。不同的工藝方法可以使模具滿足不同的使用條件和不同的性能要求。
從模具的使用壽命來(lái)看，滿足硬度的要求只是達(dá)到模具要求的一個(gè)方面，它還有些性能要**不好測(cè)量的，如強(qiáng)度韌性等等。模具質(zhì)量的好壞并不能用硬度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行認(rèn)定，它不可能用硬度測(cè)量方法終來(lái)檢驗(yàn)出模具的使用壽命，熱處理作為工序(即過(guò)程)，它只能通過(guò)工藝驗(yàn)證，性能實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)合理的工藝參數(shù)，并嚴(yán)格實(shí)施經(jīng)確認(rèn)的工藝參數(shù)(工序過(guò)程控制)來(lái)產(chǎn)量的性和穩(wěn)定性。大量數(shù)據(jù)表明，真空熱處理加工的冷沖模具變形較小、很少發(fā)生線切割開(kāi)裂、磨裂的現(xiàn)象。壓鑄模采用的工藝方法，在一定程度上減少模具的龜裂以及使用中粘模的現(xiàn)象。
總而言之，真空高壓氣淬工藝具有加熱和冷卻速度自由控制的，可以編制不同的工藝參數(shù)，得到預(yù)想的金相組織和性能。
零件經(jīng)真空熱處理后，畸變小，質(zhì)量高，且工藝本身操作靈活，無(wú)公害。因此真空熱處理不僅是某些合金熱處理的必要手段，而且在一般工程用鋼的熱處理中也獲得應(yīng)用，是工具、模具和耦件等，經(jīng)真空熱處理后使用壽命較一般熱處理有較大的提高。例如某些模具經(jīng)真空熱處理后，其壽命比原來(lái)鹽浴處理的高40～400%，而有許多工具的壽命可提高3～4倍左右。此外，真空加熱爐可在較高溫度下工作，且工件可以保持潔凈的表面，因而能加速化學(xué)熱處理的吸附和反應(yīng)過(guò)程。因此，某些化學(xué)熱處理，如滲碳、滲氮、滲鉻、滲硼，以及多元共滲都能得到更快、更好的效果。
