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什么是真空热处理加工技术?

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热处理的发展是伴随着机械制造业的发展而发展,机械制造又对热处理提出了更新更高的要求,与此相对应,材料的性能也得到改善。20世纪20年代末,随着电真空技术的发展,出现了真空热处理工艺,当时还仅用于退火和脱气。由于设备的限制,这种工艺较长时间未能获得大的进展。60~70年代,陆续研制成功气冷式真空热处理炉、冷壁真空油淬炉和真空加热高压气淬炉等,使真空热处理工艺得到了新的发展。在真空中进行渗碳,在真空中等离子场的作用下进行渗碳、渗氮或渗其他元素的技术进展,又使真空热处理进一步扩大了应用范围。真空热处理和可控气氛热处理、盐浴热处理相比有不少明显的特点,如加热无氧化、无脱碳、变形小,零件表面质量高,无环境污染,以及生产作业条件好等。因此,真空热处理在航天领域产品零部件的热处理方面深受欢迎,尤其对不锈钢等特殊材料的处理更是较佳的选择。下面分析不锈钢在真空热处理方面的特点和简要工艺。

1.真空热处理概述

真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术,是指将工件放在低于1个大气压的密闭容器中加热和冷却的热处理。对于不锈钢淬火或固溶加热(大于1000℃),可控制真空度在5~10Pa,回火或消除应力处理加热(小于700℃),可控制真空度在0.1~0.2Pa。在真空气氛中加热优于其他加热介质(空气、可控气氛、盐浴),普通热处理的加热方式都不能在较高的加热温度下完全保持金属零件炽热表面与气氛碳势严格平衡,且不起任何化学反应,因此零件氧化、脱碳、侵蚀等现象会普遍发生。而真空热处理加热是在极稀薄的气氛中进行,在这种真空度条件下加热,可有效地保护不锈钢表面不产生各类有害效果。

2.真空热处理的特点

(1)加热速度慢

在真空条件下加热时,工件的加热过程只有热辐射和工件本身的热传导,满足斯蒂芬-波尔兹曼四次方定律:E=4.96ε(T/100)4

式中E—理想灰体传热能力,J/(m2·h);4.96ε—理想灰体辐射系数,C·J/(m2·h·K4);T—温度,K。

由此可见,真空加热尤其是在低温阶段,工件升温速度必然缓慢。真空加热还存在一个特殊的“滞后”现象,即真空炉中测量温度的热电偶升到设定的淬火温度时,被加热零件还远没达到淬火温度。所以真空加热时的工件保温时间要比在空气中的加热保温时间长,在实际操作中,保温时间可延长1倍,或采取几个台阶的加热方式。

 

(2)可洁净工件表面

真空热处理可使工件表面得到净化,获得光亮的表面,这是由于在真空条件下,原先附着在工件表面上的油污、加工润滑剂等脂肪类物质可分解成氢、水蒸气和二氧化碳气体,这些气体可迅速被真空泵排出,不会对工件表面形成污染。

(3)降低工件中的其他含量

气体在金属中的溶解度是随温度变化的,一般情况是在高温时溶解度大,低温时溶解度小,在有相变点的金属中,在相变点附近的温度区间气体溶解度变化更大。因此,金属从液态冷却成固态时,因冷却速度快,有一部分气体来不及逸出而保留在钢中。一般钢中均含有氧、氢、氮等气体,这些气体的存在给钢的性能带来危害。在真空热处理条件下,钢中气体将向表面哭三并从钢表面逸出,随之被真空泵抽出炉外。钢中有害气体的减小,结果是提高了钢的性能质量。

(4)氧化物的分解

钢中的氧化物在大多数情况下对钢的质量和性能是有害的。钢中氧化物在一定条件下可以分解,在真空条件下,真空度低于氧化物的分解压力时,氧化物将发生分解反应:

2MO= 2M + 2OÓ

2O→ O2Ó

氧化物分解后形成的氧会逸出钢基体,被真空泵排出炉外,因而改善了钢的表面质量。

(5)合金元素的蒸发

钢中的各种合金元素在一定的温度下有各自的蒸气压,一种合金元素在不同温度下也有不同的蒸气压。当周围的气压低于合金元素的蒸气压力时,合金元素将会蒸发。所以,在真空热处理条件下,钢中的合金元素会有不同程度的蒸发,结果是钢中合金元素的含量会降低。钢中合金元素的减少不仅使其物理化学性质发生变化,还会影响钢热处理的效果和性能,特别是不锈钢中的铬、镍、钼等元素的流失会降低钢的耐腐蚀性能。可见,真空热处理的这一特点是有害的。为此,为防止钢在真空热处理时合金元素的流失,在真空加热温度高于800℃时,常向炉内通以惰性气体,调整炉内压力,使其接近或高于合金元素的分解压力,使炉内压力维持在26.6~200Pa下加热,可得到较好的实际生产效果。

真空热处理

3.不锈钢的真空热处理工艺要点

(1)设备的选择。真空热处理炉有不同的型式(立式、卧式、组合式等),不同的加热热源(电阻加热、感应加热、电子束加热、等离子加热等),不同的加热方式(外加热、内加热等)。按使用温度可分为低温炉(≤700℃)、中温炉(>700~1000℃)、高温炉(>1000℃),按极限真空度可分为低真空(1.33×103~13.3Pa)、中真空(13.3~1.33×10-2Pa)、高真空(1.33×10-2~1.33×10-4Pa)、超高真空(1.33×10-4Pa以上)。

对所有的金属,操作时都应遵循“低温高真空,高温低真空”的真空度选择原则。对碳素钢来说,650℃以上加热,在较低真空度下,即可实现无氧化加热;对于马氏体不锈钢95Cr18材料,在850℃以上温度加热,真空度应选择在13.3~1.33Pa,即可实现无氧化加热。特别注意有些材料,在同一真空度下,往往高温时不氧化,中温时氧化。如:20Cr13、40Cr13等马氏体不锈钢,真空度6.5Pa时加热,温度1050℃左右加热无氧化,而在600~700℃加热却出现氧化。所以真空加热时,不同的温度段,所使用的真空度也应有所不同。

对于不锈钢热处理来说,主要考虑设备操作方便,系统安全可靠,极限真空度达到13.3~1.33×10-2Pa即可满足使用要求。更高的极限真空要求会增大设备成本。压升率不大于0.6Pa/h,温度均匀性要高,温差一般不大于±5℃,具有可满足冷却需要的气冷或油冷装置。

(2)不锈钢真空热处理操作要点。

①装炉。工件装炉时要均匀分布,保留间隙,这是考虑以辐射加热为主的加热特点,以保证工件加热均匀。

②预热。不锈钢加热温度较高,当工艺温度在1000~1100℃时,用800℃温度保温预热,工艺温度大于1100℃时,可用850℃温度保温预热,然后再升至工艺要求的加热温度。

③加热温度。不锈钢热处理的加热温度与在空气炉中的加热温度相同,最好取下限温度。

④保温时间。不锈钢真空热处理时,在高温区的保温时间要比在空气炉中加热适当延长,延长时间为1倍左右,在回火的低温区,比空气炉中的回火保温时间略长即可。

⑤工作时真空度的调整。考虑钢的真空加热时合金元素蒸发的特点,在高温时,可用充加惰性气体的方法,如氮气等,升高炉内压力,炉温在900℃以下时可控制炉内压力在1.33×10-2Pa,在900~1100℃时可控制为13.3~1.33Pa,在>1000℃时可控制为13.3~665Pa。

真空热处理不发生表面脱碳、渗碳、氧化反应,并且真空热处理有脱脂、脱表面锈迹,使被处理工件表面高度的净化和活化,并容易实现均匀可控地缓慢加热、和快速冷却,所以真空热处理变形很小。另外,真空热处理已具备可控气氛热处理较多的优点,并因质量好、变形小、节能源和安全等特色,在不久的将来,由目前可控气氛热处理向真空热处理转移的倾向将会增加。

 

什么是真空热处理加工技术?

主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。

真空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。

(2)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。

(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。

文章来源:http://www.fsrechuli.com/