真空熱處理工藝制定原則

09-03

真空熱處理工藝制定原則

真空熱處理設備始於20世紀20年代,但是其真正發展還是從20世紀六七十年代開始的，主要是因當時市場的需求及石墨技術的研究發展。

真空熱處理的工作環境其實是

指低於一個標準大氣壓（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)。

真空熱處理相對來說也是可控氣氛熱處理,只是其工作環境空氣極其稀薄，工件在真空狀態加熱可以避免常規普通熱處理的氧化、脫碳，避免氫脆，變形量相對較小，提高材料零部件的綜合力學性能。經真空熱處理後的部件壽命通常是普通熱處理的壽命的幾十倍，甚至幾百倍。

制定真空熱處理工藝的主要內容是:確定加熱制度(溫度、時間及方式)決定真空度和氣壓調節, 選擇冷卻方式和介質等。

1、加熱溫度

真空加熱有兩大特點,一是在極稀薄的氣氛中加熱，避免了在空氣中加熱產生的氧化、脫碳、侵蝕等現象；另一特點是真空狀態下的傳熱是單一輻射傳熱，其傳熱能力E與絕對溫度T的四次方成正比, 即E=C（T/100）4。

由此可知，在真空狀態下、尤其在低溫階段，升溫緩慢，從而使工件表面與心部之間的溫差減小熱應力小,工件變形也小。加熱溫度的選取對工件質量至關重要，在制定工藝時,根據工件的技術要求、服役條件和性能要求，找出最佳的加熱溫度，在不影響性能且考慮減小變形的情況下，盡量選用下限溫度。

2、保溫時間

保溫時間的長短，取決於工件的尺寸形狀及裝爐量的多少。一般資料中介紹的傳統加熱保溫時 T按下式確定：

T1=30+（1.5-2）D

T2=30+（1.0-1.5）D

T3=20+（0.25-0.5）D

式中：D為工件有效厚度(mm)；

T1為第一次預熱時間(min);

T2為第二次預熱時間(min);

T3為最終保溫時間(min)。

實際上，在一爐中往往同時裝有若干形狀尺寸不同的工件，這就需要進行綜合考慮。我們按照工件的大小、形狀、擺放方式及裝爐量，確定保溫時間，同時還考慮到，真空加熱主要是靠高溫輻射，低溫加熱時(600℃以下)工件溫升非常緩慢此時在工件無特殊變形要求時，應使第一次預熱和第二次預熱的時間盡量縮短，並提高預熱溫度，因為低溫保溫時間再長，升溫後工件心部要達到表面溫度還是需要一定時間。

根據真空加熱原理提高預熱溫度，可減少工件內外溫差，使預熱時間縮短，而最終的保溫時間應該適當延長，使得鋼中的碳化物充分溶解。這樣，既保證了質量，也提高了工作效率。保溫時間的長短還與下列因素有關:

①裝爐量：工件尺寸相同時裝爐量大,則透燒的時間應延長；反之，則應縮短。

②工件擺放形式：由於真空爐是輻射加熱，一般說來，如果工件形狀相同，應盡量使工件擺放整齊，避免遮擋熱輻射，並留出一定的擺放空隙（<D），以保證工件能夠受到最大的熱輻射；對不同工件同裝一爐，除按最大工件計算保溫時間外，還要增加透燒時間。當擺放空隙<D時，所得的經驗公式為：

T1=T2=T3=0.4G+D

式中G為裝爐量(kg)

其餘各符號的意義同前。

另外

對於小工件（有效厚度D≤20mm）

或是工件之間的擺放空隙≥D

保溫時間可以減少:

T1=T2=0.1G+D

T3=0.3G+D

對於大工件（有效厚度D≥100mm）

最後的保溫時間可以減少

T1=T2=T3=0.4G+0.6D

③加熱溫度：加熱溫度高，可縮短保溫時間。

3、冷卻時間

①預冷：對於高溫淬火的中小零件，還注意到由熱室進入冷室後，在淬火前是否進行預冷，將影響淬火變形。其規律是：由熱室進入冷室後，直接進行油冷或氣冷，將導致尺寸變化；如果進行適當的預冷，則可保持熱處理前的尺寸不變；但若預冷時間過長，將會導致工件尺寸脹大。一般的規律是，對於有效厚度為20~60mm的工件，預冷時間為0.5~3min 。

據分析，這是由於當不預冷而直接進行淬火時，零件中的內應力以熱應力為主，故出現體積收縮，而在經較長時間預冷後再淬火時，零件中的內應力以相變應力為主，從而出現體積膨脹，只有在進行適當時間的預冷後，熱應力和相變應力的作用相平衡，才能達到工件的尺寸不變。

②氣冷：我們所採用的真空爐可通入2bar以下氮氣進行加壓氣淬，冷卻到100℃以下出爐。計算氣冷時間的經驗公式如下:

T4=0.2G+0.3D

式中：T4為氣冷時間(min)。

③油冷：淬火油溫度一般控制在60~80℃，工模具的出油溫度通常控制在100~200℃。計算油冷時間的經驗公式如下:

T5=0.02G+0.1D

式中：T5為油中冷卻時間(min)。

這時工件出爐溫度一般可在150℃左右。

4、結論

①考慮到裝爐量及擺放空隙<D時,

保溫時間按T1=T2=T3=0.4G+D 確定；

②對於小工件(有效厚度D≤20mm,且擺放空隙≥D)時,

保溫時間按T1=T2=0.1G+D T3=0.3G+D 確定；

③對於大工件(有效厚度D≥100mm)時，

保溫時間按T1=T2=T3=0.4G+0.6D確定；

④空冷時間按T4=0.2G+0.3D確定；

⑤油冷時間按T5=0.02G+0.1D確定。