真空熱處理

真空熱處理是將金屬工件在1個大氣壓以下(即負壓下)加熱的金屬熱處理工藝。

20世紀20年代末，隨著電真空技術的發展，出現了真空熱處理工藝，當時還僅用於退火和脫氣。由於設備的限制，這種工藝較長時間未能獲得大的進展。60～70年代，陸續研製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展。在真空中進行滲碳，在真空中等離子場的作用下進行滲碳、滲氮或滲其他元素的技術進展，又使真空熱處理進一步擴大了應用範圍。

真空高壓氣冷淬火技術

當前真空高壓氣冷淬火技術發展較快，相繼出現了負壓高流率氣冷、加壓氣冷、高壓氣冷、超高壓一氣冷等新技術，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、節能、無污染等優點。

真空高壓氣冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不鏽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，釺焊后的冷卻和淬火。

用高壓氮氣冷卻淬火時、被冷卻的負載只能是鬆散型的，高速鋼可淬透至70～100mm，高合金熱作模具鋼可達25～100mm。

用1000kPa高壓氮氣冷卻淬火時，被冷卻負載可以是密集型的，比600kPa冷卻時負載密度提高約30%～4O%。

用2000kPa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並可捆綁在一起。其密度較600kPa氮氣冷卻時提高80%～150%，可冷卻所有的高速鋼、高合金鋼、熱作工模具鋼及鉻鋼和較多的合金油淬鋼，如較大尺寸的錳鋼。

具有單獨冷卻室的雙室氣冷淬火爐的冷卻能力優於相同類型的單室爐。200kPa氮氣冷卻的雙室爐的冷卻效果和400kPa的單室爐相當。但運行成本、維修成本低。由於我國基礎材料工業（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600kPa單室高壓真空護質量的同時，發展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國的國情。

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，在低壓狀態下產生活性氮原子滲入並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離子轟擊並僅加熱鋼鐵零件表面，發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后，將工件升至，530～560℃，同時送入氨氣或複合氣體，並對各種氣體的送入量進行精確控制，爐壓控制在0.667Pa，低壓狀態能加快工件表面的氣體交換，活躍的N元素(或N，C)來自化學反應及氨氣，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，含活性物質的純凈複合氣體被送入，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，沒有其他脆性存在，所以硬度高，韌性好，分佈也好。“白層”單相ε化合物層可達到的硬度和材質成分有關。材質中含鉻量越高，硬度也呈增加趨勢。鉻13%時，硬度可達到1200HV；含鉻18%（質量分數，余同）時，硬度可達1500HV；含鉻25%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點，就是通過對送入爐內的含活化物質的複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0.133Pa后形成的，另一個原因是帶有活性物質的複合氣體在短時間內向鋼中擴散形成的組織。這種組織的優點是耐熱衝擊性、抗龜裂性能優異。因而對實施高溫回火的熱作模具，如用高速鋼鋼製模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐熱衝擊性好、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。由於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。真空滲氮除應用於工模具外，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。

真空高壓氣冷等溫淬火

形狀複雜的較大工件從高溫連續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？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。一組是在1020℃加熱后，在600kPa壓力下連續用高純氮氣冷卻（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500℃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。

真空清洗與乾燥技術

目前有的熱處理還離不開清洗乾燥工序，尤其需油冷的各類熱處理，清洗乾燥的任務更繁重、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環境、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乾燥技術。

熱處理的發展是伴隨著機械製造業的發展而發展，機械製造又對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技術含量最高的部分。

眾所周知，模具熱處理就是為了發揮模具材料的潛力，提高模具的使用性能。模具的性能必須滿足：高的強度，(包括高溫強度，抗冷熱疲勞性能)高的硬度(耐磨性能)和高的韌性，並且還要求有良好的機械加工性、(包括良好的拋光性)可焊接性及抗腐蝕性等等。

對模具壽命影響最大的是模具的設計(包括了正確的選擇材料)模具的材料，模具的熱處理，模具的使用和維護等。如果模具的設計合理，材料優質，那麼熱處理的好壞直接決定了模具的使用壽命。目前國內外都在設法採用更先進的熱處理手段來提高模具的性能延長模具的使用壽命。而真空熱處理則是模具熱處理中較先進的方式之一。所以從模具熱處理來看，熱處理加工設備的狀態、熱處理的工藝、生產過程的控制顯得尤為重要。而設備的先進性是保證先進工藝實現的前提。真空高壓氣淬爐是實現真空熱處理最為理想的設備。真空爐具有不脫碳，不氧化的效果，具有溫度均勻，加熱和冷卻速度可控，可以實現不同的工藝過程，真空爐由於沒有污染，是國際上公認的“綠色熱處理”。現在國際上已有2-20bar的真空高壓氣淬爐，可以完全滿足模具的真空熱處理的要求。

模具熱處理過程中，所採用的工藝參數對模具性能也有著至關重要的影響：它包括了加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻方式、冷卻速度等。正確的熱處理工藝參數可以保證模具獲得最佳性能，反之，將產生不良甚至嚴重後果。實踐表明，正確的熱處理工藝可以獲得優良的組織，優良的組織形態才能保證優良的機械性能。合適的工藝方法可以有效的控制模具熱處理時的變形和開裂。從實踐中發現：模具在加熱和冷卻過程中，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。

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優點，可以編製不同的工藝參數，得到預想的金相組織和性能。

（1）金屬在真空狀態下的相變特點。在與大氣壓只差0.1MPa範圍內的真空下，固態相變熱力學、動力學不產生什麼變化。在制訂真空熱處理工藝規程時，完全可以依據在常壓下固態相變的原理。完全可以參考常壓下各種類型組織轉變的數據。

（2）真空脫氣作用，提高金屬材料的物理性能和力學性能。

（3）真空脫脂作用。

（4）金屬的蒸發：在真空狀態下加熱，工件表面元素會發生蒸發現象。

（5）表面凈化作用，實現少無氧化和少無脫碳加熱。

（6）金屬實現無氧化加熱所需的真空度。

（1）真空熱處理的優越性。真空熱處理是和可控氣氛並駕齊驅的應用面很廣的無氧化熱處理技術，也是當前熱處理生產技術先進程度的主要標誌之一。真空熱處理不僅可實現鋼件的無氧化、無脫碳，而且還可以實現生產的無污染和工件的少畸變，因而它還屬於清潔和精密生產技術範疇。目前它已成為工模具生產中不可替代的先進技術。

（2）真空熱處理工藝。工件畸變小是真空熱處理的一個非常重要的優點。據國內外經驗，工件真空熱處理的畸變數僅為鹽浴加熱淬火的三分之一。研究各種材料、不同複雜程度零件的真空加熱方式和各種冷卻條件下的畸變規律，並用計算機加以模擬，對於推廣真空熱處理技術具有重要意義。真空加熱、常壓或高壓氣冷淬火時氣流均勻性對零件淬硬效果和質量分散度有很大影響。採用計算機模擬手段研究爐中氣流循環規律，對於改進爐子結構變具有重要意義。真空滲碳是實現高溫滲碳的最可能的方式。但在高溫下長時間加熱會使大多數鋼種的奧氏體晶粒度長得很大，對於具體鋼材高溫滲碳，重新加熱淬火對材料和工件性能的影響規律加以研究，對優化真空滲碳、冷卻、加熱淬火工藝和設備是很有必要的。近幾年，國際上有研究開發使用氣體燃料的燃燒式真空爐的動向。在真空爐中採用氣體燃料加熱的困難太多，雖然有節約能源的說法，但不一定是一個重要的發展方向。

（3）真空熱處理爐。現代真空熱處理爐是指可施行元件的真空加熱，然後在油中淬火或在常壓和加壓氣體中淬火的冷壁式爐子。研究開發這種類型的設備是一項綜合性強、跨學科、牽涉到很多科技領域的工作。

零件經真空熱處理后，畸變小，質量高，且工藝本身操作靈活，無公害。因此真空熱處理不僅是某些特殊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用，特別是工具、模具和精密耦件等，經真空熱處理后使用壽命較一般熱處理有較大的提高。例如某些模具經真空熱處理后，其壽命比原來鹽浴處理的高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，因而能加速化學熱處理的吸附和反應過程。因此，某些化學熱處理，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。