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真空熱處理技術

　真空熱處理技術
　　真空熱處理是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進行的，真空熱處理可以實現幾乎所有的常規(guī)熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質量大大提高。與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理的同時，可實現無氧化、無脫碳、無滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達到表面光亮凈化的效果。
　　【技術要點】
　　真空高壓氣冷淬火技術
　　當前真空高壓氣冷淬火技術發(fā)展較快，相繼出現了負壓（<1×10^5Pa）高流率氣冷、加壓（1×105～4×105Pa）氣冷、高壓（5× 105～10×105Pa）氣冷、超高壓一（10×105～20×105Pa）氣冷等新技術，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，釬焊后的冷卻和淬火。
　　用6×105Pa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（W6Mo5Cr4V2）可淬透至70～100mm，高合金熱作模具鋼（如 4Cr5MoSiV）可達25～100mm。
　　用10×105Pa高壓氮氣冷卻淬火時，被冷卻負載可以是密集型的，比6×105Pa冷卻時負載密度提高約30%～4O%。
　　用20×105Pa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6×105Pa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。2×105Pa氮氣冷卻的雙室爐的冷卻效果和4×105Pa的單室爐相當。但運行成本、維修成本低。由于我國基礎材料工業(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6×105Pa單室高壓真空護質量的同時，發(fā)展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國的國情。
　　【真空高壓氣冷等溫淬火】
　　形狀復雜的較大工件從高溫連續(xù)進行快速冷卻時容易產生變形甚至裂紋。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？圖1為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兩塊疊裝的碳素結構鋼用不同冷卻方式淬火后的對化結果。圖中一組曲線是在102O℃加熱后，在6×105Pa壓力下連續(xù)用高純氮氣冷卻（風向是上、下相互交替，40s切換一次）的結果。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50O℃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。
　　【真空滲氮技術】
　　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)下產生活性氮原子滲入并向鋼中擴散而實現硬化的；而離子滲氮是靠暉光放電產生的活性N離子轟擊并僅加熱鋼鐵零件表面，發(fā)生化學反應生成核化物實現硬化的。
　　真空滲氛時，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℃，同時送入氨氣或NH3+CXHY+N2O復合氣體，并對各種氣體的送入量進行精確控制，爐壓控制在0.667Pa（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)來自化學反應及NH3(或在處理溫度500-570℃NH3和CXHY的裂解),保溫3～5h后，用爐內惰性氣體進行快速冷卻。不同的材質，經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，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，含活性物質的純凈復合氣體被送入，使表面層相結構的調整和控制、質量的改善、效率的提高成為可能。經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�合物層可達到的硬度和材質成分有關。材質中含Cr量越高，硬度也呈增加趨勢。Cr13%時，硬度可達到1200HV；含Cr18%（質量分數，余同）時，硬度可達 1500HV；含Cr25%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的含活化物質的復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.l33Pa（1×10-3Torr）后形成的，另一個原因是帶有活性物質的復合氣體在短時間內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，必需調整表面層的組織和性能。真空滲氮除應用于工模具外，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，可接受處理的材質也比較廣泛。
　　【真空清洗與干燥技術】
　　目前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、氟里昂因屬破壞大氣臭氧層物質，已被禁止使用。其他鹵素系物質也因對生態(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。