什么是真空热处理？真空热处理工艺制定原则

什么是真空热处理加工技术？真空热处理工艺制定原则

什么是真空热处理加工技术

要指的是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，其中，真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空等，所以，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。

真热处理是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的，真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，但热处理质量大大提高。

与常规热处理相比，真空热处理加工技术可同时实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂除气等作用，从而达到表面光亮净化的效果。

1. 真空热处理加工技术的应用

其实，真空热处理加工技术在国外应用的较早，美国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剂淬火介质，从而，真空淬火技术在热处理行业得到迅速发展，从单室炉发展到了多组合机群，从一般的真空淬火发展到高压气淬、真空水剂淬火、真空渗碳、真空碳氮共渗及多元共渗等。

而我国在经过几十年的努力，真空炉制造厂商在设计、制造水平和质量上得到了很大的提高，用国产真空设备替代从国外进口的真空设备逐渐增多，从而降低了使用单位的生产成本，使真空热处理的应用范围迅速扩大。

2. 真空热处理加工技术的工艺原理

利用金属在真空状态下的变相特点，在与大气压只差0.1MPa范围内的真空下，固态相变热力学、动力学不产生什么变化。在制订真空热处理工艺规程时，完全可以依据在常压下固态相变的原理，完全可以参考常压下各种类型组织转变的数据。同时，在真空脱气作用下，可以提高金属材料的物理性能和力学性能，在真空状态下加热，金属工件表面元素会发生蒸发现象。金属实现无氧化加热所需的真空度，表面净化作用，实现少无氧化和少无脱。

3. 真空热处理加工技术的特点

（1）真空热处理加工的优越性

真空热处理加工是和可控气氛并驾齐驱的应用面很广的无氧化热处理技术，也是当前热处理生产技术先进程度的主要标志之一。真空热处理不仅可以实现钢件的无氧化、无脱碳，而且还可以实现生产的无污染和工件的少畸变，因而，它还属于清洁和精密生产技术范畴。目前，它已成为工模具生产中不可替代的先进技术。

（2）真空热处理工艺工件畸变小

据国内外经验，工件真空热处理的畸变量仅为盐浴加热淬火的三分之一。研究各种材料、不同复杂程度零件的真空加热方式和各种冷却条件下的畸变规律，并用计算机加以模拟，对于推广真空热处理技术具有重要意义。真空加热、常压或高压气冷淬火时，气流均匀性对零件淬硬效果和质量分散度有很大影响。采用计算机模拟手段研究炉中气流循环规律，对于改进炉子结构具有重要意义。

（3）采用真空热处理炉

现代真空热处理炉，是指可施行元件的真空加热，然后在油中淬火或在常压和加压气体中淬火的冷壁式炉子。研究开发这种类型的设备是一项综合性强、跨学科、牵涉到很多科技领域的工作。

工模具材料真空热处理的应用前景很大。大多数工模具钢目前都采取在真空中加热，然后在气体中冷却淬火的方式。为了使工件表面和内部都获得满意的力学性能，必须采用真空高压气淬技术。目前，国际上真空气淬的气压已从0.2MPa、0.6MPa提高到1-2MPa甚至3MPa，所以，高压气淬真空炉的冷却气体压力的逐步提高是一个重要的发展趋势。

真空热处理工艺制定原则

真空热处理设备始于20世纪20年代,但是其真正发展还是从20世纪六七十年代开始的，主要是因当时市场的需求及石墨技术的研究发展。

真空热处理的工作环境其实是

指低于一个标准大气压（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)。

真空热处理相对来说也是可控气氛热处理,只是其工作环境空气极其稀薄，工件在真空状态加热可以避免常规普通热处理的氧化、脱碳，避免氢脆，变形量相对较小，提高材料零部件的综合力学性能。经真空热处理后的部件寿命通常是普通热处理的寿命的几十倍，甚至几百倍。

制定真空热处理工艺的主要内容是:确定加热 制度(温度、时间及方式)决定真空度和气压调节, 选择冷却方式和介质等。

1、加热温度

真空加热有两大特点,一是在极稀薄的气氛中加热，避免了在空气中加热产生的氧化、脱碳、侵蚀等现象；另一特点是真空状态下的传热是单一辐射传热，其传热能力E与绝对温度T的四次方成正比, 即E=C（T/100）4。

由此可知，在真空状态下、尤其在低温阶段，升温缓慢，从而使工件表面与心部之间的温差减小热应力小,工件变形也小。加热温度的选取对工件质量至关重要，在制定工艺时,根据工件的技术要求、服役条件和性能要求，找出最佳的加热温度，在不影响性能且考虑减小变形的情况下，尽量选用下限温度。

2、保温时间 

保温时间的长短，取决于工件的尺寸形状及装炉量的多少。一般资料中介绍的传统加热保温时 T按下式确定：

T1=30+（1.5-2）D 

T2=30+（1.0-1.5）D

 T3=20+（0.25-0.5）D 

式中：D为工件有效厚度(mm)；

              T1为第一次预热时间(min);

              T2为第二次预热时间(min);

              T3为最终保温时间(min)。 

实际上，在一炉中往往同时装有若干形状尺寸不同的工件，这就需要进行综合考虑。我们按照工件的大小、形状、摆放方式及装炉量，确定保温时间，同时还考虑到，真空加热主要是靠高温辐射，低温加热时(600℃以下)工件温升非常缓慢此时在工件无特殊变形要求时，应使第一次预热和第二次预热的时间尽量缩短，并提高预热温度，因为低温保温时间再长，升温后工件心部要达到表面温度还是需要一定时间。

根据真空加热原理提高预热温度，可减少 工件内外温差，使预热时间缩短，而最终的保温时间应该适当延长，使得钢中的碳化物充分溶解。这样，既保证了质量，也提高了工作效率。保温时间的长短还与下列因素有关: 

①装炉量：工件尺寸相同时装炉量大,则透烧的时间应延长；反之，则应缩短。

②工件摆放形式：由于真空炉是辐射加热，一般说来，如果工件形状相同，应尽量使工件摆放整齐，避免遮挡热辐射，并留出一定的摆放空隙（<D），以保证工件能够受到最大的热辐射；对不同工件同装一炉，除按最大工件计算保温时间外，还要增加透烧时间。当摆放空隙<D时，所得的经验公式为：

T1=T2=T3=0.4G+D 

式中G为装炉量(kg)

其余各符号的意义同前。 

另外

对于小工件（有效厚度D≤20mm）

或是工件之间的摆放空隙≥D

保温时间可以减少: 

T1=T2=0.1G+D 

T3=0.3G+D 

对于大工件（有效厚度D≥100mm）

最后的保温时间可以减少

T1=T2=T3=0.4G+0.6D

③加热温度：加热温度高，可缩短保温时间。

3、冷却时间

①预冷：对于高温淬火的中小零件，还注意到由热室进入冷室后，在淬火前是否进行预冷，将影响淬火变形。其规律是：由热室进入冷室后，直接进行油冷或气冷，将导致尺寸变化；如果进行适当的预冷，则可保持热处理前的尺寸不变；但若预冷时间过长，将会导致工件尺寸胀大。一般的规律是，对于有效厚度为20~60mm的工件，预冷时间为0.5~3min 。

据分析，这是由于当不预冷而直接进行淬火时， 零件中的内应力以热应力为主，故出现体积收缩，而在经较长时间预冷后再淬火时，零件中的内应力以相变应力为主，从而出现体积膨胀，只有在进行适当时间的预冷后，热应力和相变应力的作用相平衡，才能达到工件的尺寸不变。

②气冷：我们所采用的真空炉可通入2bar以下氮气进行加压气淬，冷却到100℃以下出炉。计算气冷时间的经验公式如下:     

 T4=0.2G+0.3D 

式中：T4为气冷时间(min)。

③油冷：淬火油温度一般控制在60~80℃，工模具的出油温度通常控制在100~200℃。计算油冷时间的经验公式如下:

 T5=0.02G+0.1D

式中：T5为油中冷却时间(min)。

这时工件出炉温度一般可在150℃左右。 

4、结论

 ①考虑到装炉量及摆放空隙<D时,

   保温时间按T1=T2=T3=0.4G+D 确定；

 ②对于小工件(有效厚度D≤20mm,且摆放空隙≥D)时,

保温时间按T1=T2=0.1G+D   T3=0.3G+D 确定；

 ③对于大工件(有效厚度D≥100mm)时，

保温时间按T1=T2=T3=0.4G+0.6D确定；

 ④空冷时间按T4=0.2G+0.3D确定；

 ⑤油冷时间按T5=0.02G+0.1D确定。