实现真空热处理的工艺方法

真空热处理工艺方法包括：热处理工件的准备与装炉、真空度的选择、加热工艺参数的选定、冷却工艺（介质、速度、压力）的确定。

1.工件的准备

工件在真空热处理前，应该进行脱脂处理。可采用不同的溶剂，如汽油、丙酮、酒精、三氯乙烯等，其中以三氯乙烯溶液清洗效果最好。但三氯乙烯蒸汽有毒，操作时应备有强烈的抽风装置。三氯乙烯的沸点为80℃，可以反复使用。当沸点到达100℃时，需更换溶液。也可以采用真空清洗机清洗工件，使用效果更好。

2.工件的装炉方式

真空热处理是以辐射方式加热的，摆放方式不好造成遮挡严重，加热效果受影响，在冷却过程中也会影响冷却效果。因此，工件的摆放应有利于气流的通路（气淬时）和油的循环（油淬时），工件与工件之间应有一定的间隙。对于圆柱类或近似正方形截面的工件，按有效尺寸×1/2留出间隙；对于板状类工件，按照板宽度×1/2留出装炉间隙。这样可使工件各部位加热速度接近于一致，淬火后硬度均匀。对于细长杆件应有适当的夹具，能够悬挂放置的尽量悬挂，这样，在高温时可减少畸变。壁厚不均的工件要考虑正对辐射和背对辐射的差异，应合理摆放，尽可能保证各部位升温一致，减少畸变。

3.真空加热时真空度的确定

大多数金属是在500～1350℃、13.33～1.333×10^-3Pa条件下加热的。确定加热过程的真空度时，必须综合考虑表面光泽度，除气、脱碳和合金元素蒸发等效果。光泽度与加热温度、冷却方式及介质、真空度有关。

一般钢铁材料在真空度0.1333Pa条件下加热，相当于在百万分之一以上纯度的惰性气氛中加热的保护效果。合金工具钢、结构钢、轴承钢等在900℃以下温度加热时，1.333～0.1333Pa以上的真空度是足够的。对于含有Cr、Mn、Si等的合金钢或需在1000℃以上温度加热的钢种，应以回充氮气的方法将气压控制在13.33Pa以上。不锈钢、铁镍基合金、钴基合金等也需在中等真空度下加热淬火。要求更高的光亮度时，需在1.333～0.01333Pa下加热。钛合金等只是在为了排除所吸收的气体时，才采用0.01333Pa以上的高真空度。铜及其合金在133.3～13.33Pa加热，其光亮度就已经符合要求了。

4.退火工艺

常用材料真空热处理的工艺参数见表2-49～表2-52。

表2-49 钢的真空退火工艺参数

表2-50 奥氏体不锈钢的真空退火参数

表2-51 一些不锈钢的真空退火工艺参数

表2-52 纯铜材料的真空退火温度

5.真空淬火工艺

（1）加热与保温 真空淬火加热温度按照工件常规的热处理加热参数选择。常用材料的预热和加热温度选择见表2-53。工件装炉后，抽真空至0.133Pa，随后升温。从炉子到温至工件心部到温的间隔时间，称为透烧时间。工件内部完成奥氏体均匀化所需的时间，称为均热保温时间，均热保温时间与工件的钢种有关。工件加热保温时间包括透热时间与均热保温时间两部分。

表2-53 常用材料的预热和加热温度选择

传统加热保温时间t可按下式计算来确定：

t=aD+c （2-44）

式中t——加热保温时间（min）；

a——透热系数（min/mm）；

D——工件有效厚度（mm）；

c——均热保温时间（min）。

加热温度在600℃时，透热系数a=1.5～2.2min/mm；加热温度在800℃时，透热系数a=0.8～1.0min/mm；加热温度在1000℃时，透热系数a=0.3～0.5min/mm。

低合金工模具钢的均热保温时间c=10～20min，高合金工具钢c=20～40min。高速钢奥氏体化的透热系数a=30～40s/mm，均热保温时间c取值为零。

传统的保温公式中没有考虑不同装炉量对保温透热的影响变化，对于可以同炉生产，但是有效直径不同的工件，计算保温时间就是一个难题，所有低合金工模具钢、高合金工模具钢可以采用下式计算不同加热阶段的保温时间。

t=0.4G+KD （2-45）

式中t——加热保温时间（min）；(www.xing528.com)

G——装炉重量（kg）；

D——工件有效厚度（mm）；

K——形状系数（min/mm），当D≥100mm时，K=0.6min/mm；当20mmD<100mm，K=1min/mm。

多次预热淬火工件的硬度均匀性比一次预热好，变形量也相对较小。同时，碳化物组织细小均匀。这是由于多次预热缩小了工件表面与心部的温度梯度，奥氏体化程度高。

由于温度梯度的减小，热应力随之减小，对减少畸变是有利的。对于Cr12MoV钢及GCr15钢而言，适当提高预热温度，可提高加热速度，缩短加热时间并不致使晶粒粗大，降低了生产成本。

（2）冷却介质 真空热处理完成奥氏体化加热后，需要冷却淬火，目前在国内广泛使用的是油淬和气淬两种。

真空热处理采用油冷淬火时，是在9.8～49kPa的低压气氛中进行的。由于环境温度低，淬火油的蒸汽膜阶段持续时间还长，所以淬火油的冷却能力显著降低。真空淬火油饱和蒸汽压较低，不易蒸发，可以减少对真空炉炉气的干扰。真空淬火油的光亮性和热氧化安定性好，使工件光亮洁净，从而有效地发挥了真空淬火的优点。

能获得与正常气压下相同淬火硬度的最低气压称为临界压力。国产真空淬火油的临界压力约为9.8kPa。国产真空淬火油冷却特性见表2-54。

表2-54 国产真空淬火油冷却特性（JB/T 6955—2008）

合适的油温及搅拌速度有利于减少工件畸变，一般淬火时选用低速搅拌即可。

真空气淬适合的气体有氩气、氮气、氢气、氦气等，其相对冷却速度见图2-66。充氮压力对于工件的畸变也有一定的影响。在高速钢气淬时，为了提高其淬透性，可以适当提高充氮压力。其他材料在油淬时随充氮压力的降低，工件畸变减小，但是，淬火时随压力的降低，油沸腾阶段降低，淬火油的特性温度下降，冷却能力降低，这会影响到淬火硬度。因此，应合理地选择充氮压力以调节冷却速度，使在保证足够硬度的前提下，尽量减小畸变，节约氮气。图2-67所示为冷却气体压力与冷却时间的关系。

图2-66 氩、氮、氢、氦气的相对冷却速度

图2-67 冷却气体压力与冷却时间的关系

（3）冷却时间 对于高温淬火的中小工件，由热室进入冷室淬火前是否进行停留预冷，对其淬火变形有影响。其规律是：由热室进入冷室后，直接进行油冷或气冷，将会出现尺寸变小的现象；如果进行适当的停留预冷，则保持热处理前的尺寸不变；但预冷时间过长，则会导致工件尺寸胀大。一般对于有效厚度为20～60mm的工件，预冷时间为0.5～3min。

1）低压气淬。真空炉可以进行通入氮气2×10⁵Pa以下加压气淬空冷，冷却到100℃以下出炉。低压气淬冷却时间（min）经验公式如下：

t=0.2G+0.3D（2-46）

2）油冷淬火。一般的淬火油温度控制在60～80℃，而一般的工模具的出油温度控制在100～200℃，油冷淬火冷却时间（min）经验公式如下：

t=0.02G+0.1D（2-47）

按照上述公式计算的出油温度在150℃左右。

6.工件的回火

真空淬火后的回火视具体情况而定，对于后续不需要加工或仅仅抛光处理的高温回火工件，应采用真空回火处理，以保持良好的工件表面状态。

对于批量很大、高温回火后还需进行磨削加工的高速钢工件，采用普通炉回火对质量并无任何影响。

对于只进行低温回火的工件，真空回火与常规工艺回火在质量方面并无多少差别。在此情况下，从经济角度考虑应采用普通回火。

在进行真空回火操作时，先将工件均匀摆放在回火炉中。抽空至1.3Pa后，再回充氮气至（5.32～9.31）×10⁴Pa。在风扇驱动的气流中将工件加热至预定温度，经充分保温后进行强制风冷，在200℃以下出炉。

在没有专用真空回火炉、产品批量不大及质量要求不严时，也可以用淬火炉回火，或在同一炉真空气淬后进行。为节省高纯氮气，也可以在1.3Pa下进行回火。这种操作将使降温速度很慢，对于易引起回火脆性的钢种，应避免采用。往往采用略低于回火温度下保温一段时间，再升至预定温度并将回火保温时间按常规工艺延长至一倍。

真空淬火后良好的银白色在真空回火后就变成了灰色或暗灰色，还会造成硬度的不均匀。提高真空回火工件光亮度的方法如下：

1）提高工作真空度。由以前真空回火通常采用的1～10Pa提高到1.3×10-2Pa，减少炉内的氧含量，消除氧对工件氧化的影响。

2）充入的氮气中加入10%的氢气，使循环加热和冷却气流的混合气呈弱还原性气氛。

3）快速冷却，使工件出炉温度低，可提高工件回火光亮度。