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        真空熱處理方面的特點和簡要工藝

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        熱處理的發展是伴隨著機械制造業的發展而發展,機械制造又對熱處理提出了更新更高的要求,與此相對應,材料的性能也得到改善。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,當時還僅用于退火和脫氣。由于設備的限制,這種工藝較長時間未能獲得大的進展。60~70年代,陸續研制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范圍。真空熱處理和可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理相比有不少明顯的特點,如加熱無氧化、無脫碳、變形小,零件表面質量高,無環境污染,以及生產作業條件好等。因此,真空熱處理在航天領域產品零部件的熱處理方面深受歡迎,尤其對不銹鋼等特殊材料的處理更是較佳的選擇。下面分析不銹鋼在真空熱處理方面的特點和簡要工藝。

        1.真空熱處理概述

        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,是指將工件放在低于1個大氣壓的密閉容器中加熱和冷卻的熱處理。對于不銹鋼淬火或固溶加熱(大于1000℃),可控制真空度在5~10Pa,回火或消除應力處理加熱(小于700℃),可控制真空度在0.1~0.2Pa。在真空氣氛中加熱優于其他加熱介質(空氣、可控氣氛、鹽?。?,普通熱處理的加熱方式都不能在較高的加熱溫度下完全保持金屬零件熾熱表面與氣氛碳勢嚴格平衡,且不起任何化學反應,因此零件氧化、脫碳、侵蝕等現象會普遍發生。而真空熱處理加熱是在極稀薄的氣氛中進行,在這種真空度條件下加熱,可有效地保護不銹鋼表面不產生各類有害效果。

        2.真空熱處理的特點

        (1)加熱速度慢

        在真空條件下加熱時,工件的加熱過程只有熱輻射和工件本身的熱傳導,滿足斯蒂芬-波爾茲曼四次方定律:E=4.96ε(T/100)4

        式中E—理想灰體傳熱能力,J/(m2·h);4.96ε—理想灰體輻射系數,C·J/(m2·h·K4);T—溫度,K。

        由此可見,真空加熱尤其是在低溫階段,工件升溫速度必然緩慢。真空加熱還存在一個特殊的“滯后”現象,即真空爐中測量溫度的熱電偶升到設定的淬火溫度時,被加熱零件還遠沒達到淬火溫度。所以真空加熱時的工件保溫時間要比在空氣中的加熱保溫時間長,在實際操作中,保溫時間可延長1倍,或采取幾個臺階的加熱方式。

        (2)可潔凈工件表面

        真空熱處理可使工件表面得到凈化,獲得光亮的表面,這是由于在真空條件下,原先附著在工件表面上的油污、加工潤滑劑等脂肪類物質可分解成氫、水蒸氣和二氧化碳氣體,這些氣體可迅速被真空泵排出,不會對工件表面形成污染。

        (3)降低工件中的其他含量

        氣體在金屬中的溶解度是隨溫度變化的,一般情況是在高溫時溶解度大,低溫時溶解度小,在有相變點的金屬中,在相變點附近的溫度區間氣體溶解度變化更大。因此,金屬從液態冷卻成固態時,因冷卻速度快,有一部分氣體來不及逸出而保留在鋼中。一般鋼中均含有氧、氫、氮等氣體,這些氣體的存在給鋼的性能帶來危害。在真空熱處理條件下,鋼中氣體將向表面哭三并從鋼表面逸出,隨之被真空泵抽出爐外。鋼中有害氣體的減小,結果是提高了鋼的性能質量。

        (4)氧化物的分解

        鋼中的氧化物在大多數情況下對鋼的質量和性能是有害的。鋼中氧化物在一定條件下可以分解,在真空條件下,真空度低于氧化物的分解壓力時,氧化物將發生分解反應:

        2MO= 2M + 2Oó

        2O→ O2ó

        氧化物分解后形成的氧會逸出鋼基體,被真空泵排出爐外,因而改善了鋼的表面質量。

        (5)合金元素的蒸發

        鋼中的各種合金元素在一定的溫度下有各自的蒸氣壓,一種合金元素在不同溫度下也有不同的蒸氣壓。當周圍的氣壓低于合金元素的蒸氣壓力時,合金元素將會蒸發。所以,在真空熱處理條件下,鋼中的合金元素會有不同程度的蒸發,結果是鋼中合金元素的含量會降低。鋼中合金元素的減少不僅使其物理化學性質發生變化,還會影響鋼熱處理的效果和性能,特別是不銹鋼中的鉻、鎳、鉬等元素的流失會降低鋼的耐腐蝕性能??梢?,真空熱處理的這一特點是有害的。為此,為防止鋼在真空熱處理時合金元素的流失,在真空加熱溫度高于800℃時,常向爐內通以惰性氣體,調整爐內壓力,使其接近或高于合金元素的分解壓力,使爐內壓力維持在26.6~200Pa下加熱,可得到較好的實際生產效果。

        真空熱處理

        3.不銹鋼的真空熱處理工藝要點

        (1)設備的選擇。真空熱處理爐有不同的型式(立式、臥式、組合式等),不同的加熱熱源(電阻加熱、感應加熱、電子束加熱、等離子加熱等),不同的加熱方式(外加熱、內加熱等)。按使用溫度可分為低溫爐(≤700℃)、中溫爐(>700~1000℃)、高溫爐(>1000℃),按極限真空度可分為低真空(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)。

        對所有的金屬,操作時都應遵循“低溫高真空,高溫低真空”的真空度選擇原則。對碳素鋼來說,650℃以上加熱,在較低真空度下,即可實現無氧化加熱;對于馬氏體不銹鋼95Cr18材料,在850℃以上溫度加熱,真空度應選擇在13.3~1.33Pa,即可實現無氧化加熱。特別注意有些材料,在同一真空度下,往往高溫時不氧化,中溫時氧化。如:20Cr13、40Cr13等馬氏體不銹鋼,真空度6.5Pa時加熱,溫度1050℃左右加熱無氧化,而在600~700℃加熱卻出現氧化。所以真空加熱時,不同的溫度段,所使用的真空度也應有所不同。

        對于不銹鋼熱處理來說,主要考慮設備操作方便,系統安全可靠,極限真空度達到13.3~1.33×10-2Pa即可滿足使用要求。更高的極限真空要求會增大設備成本。壓升率不大于0.6Pa/h,溫度均勻性要高,溫差一般不大于±5℃,具有可滿足冷卻需要的氣冷或油冷裝置。

        (2)不銹鋼真空熱處理操作要點。

        ①裝爐。工件裝爐時要均勻分布,保留間隙,這是考慮以輻射加熱為主的加熱特點,以保證工件加熱均勻。

        ②預熱。不銹鋼加熱溫度較高,當工藝溫度在1000~1100℃時,用800℃溫度保溫預熱,工藝溫度大于1100℃時,可用850℃溫度保溫預熱,然后再升至工藝要求的加熱溫度。

        ③加熱溫度。不銹鋼熱處理的加熱溫度與在空氣爐中的加熱溫度相同,最好取下限溫度。

        ④保溫時間。不銹鋼真空熱處理時,在高溫區的保溫時間要比在空氣爐中加熱適當延長,延長時間為1倍左右,在回火的低溫區,比空氣爐中的回火保溫時間略長即可。

        ⑤工作時真空度的調整??紤]鋼的真空加熱時合金元素蒸發的特點,在高溫時,可用充加惰性氣體的方法,如氮氣等,升高爐內壓力,爐溫在900℃以下時可控制爐內壓力在1.33×10-2Pa,在900~1100℃時可控制為13.3~1.33Pa,在>1000℃時可控制為13.3~665Pa。

        真空熱處理不發生表面脫碳、滲碳、氧化反應,并且真空熱處理有脫脂、脫表面銹跡,使被處理工件表面高度的凈化和活化,并容易實現均勻可控地緩慢加熱、和快速冷卻,所以真空熱處理變形很小。另外,真空熱處理已具備可控氣氛熱處理較多的優點,并因質量好、變形小、節能源和安全等特色,在不久的將來,由目前可控氣氛熱處理向真空熱處理轉移的傾向將會增加。

        什么是真空熱處理加工技術?

        主要指的是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術,其中,真空熱處理所處的真空環境指的是低于一個大氣壓的氣氛環境,包括低真空、中等真空、高真空和超高真空等,所以,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下進行的,真空熱處理可以實現幾乎所有的常規熱處理所能涉及的熱處理工藝,但熱處理質量大大提高。

        與常規熱處理相比,真空熱處理加工技術可同時實現無氧化、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。

        1. 真空熱處理加工技術的應用

        其實,真空熱處理加工技術在國外應用的較早,美國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劑淬火介質,從而,真空淬火技術在熱處理行業得到迅速發展,從單室爐發展到了多組合機群,從一般的真空淬火發展到高壓氣淬、真空水劑淬火、真空滲碳、真空碳氮共滲及多元共滲等。

        而我國在經過幾十年的努力,真空爐制造廠商在設計、制造水平和質量上得到了很大的提高,用國產真空設備替代從國外進口的真空設備逐漸增多,從而降低了使用單位的生產成本,使真空熱處理的應用范圍迅速擴大。

        2. 真空熱處理加工技術的工藝原理

        利用金屬在真空狀態下的變相特點,在與大氣壓只差0.1MPa范圍內的真空下,固態相變熱力學、動力學不產生什么變化。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。同時,在真空脫氣作用下,可以提高金屬材料的物理性能和力學性能,在真空狀態下加熱,金屬工件表面元素會發生蒸發現象。金屬實現無氧化加熱所需的真空度,表面凈化作用,實現少無氧化和少無脫。

        3. 真空熱處理加工技術的特點

        (1)真空熱處理加工的優越性

        真空熱處理加工是和可控氣氛并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志之一。真空熱處理不僅可以實現鋼件的無氧化、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,它還屬于清潔和精密生產技術范疇。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

        據國內外經驗,工件真空熱處理的畸變量僅為鹽浴加熱淬火的三分之一。研究各種材料、不同復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,并用計算機加以模擬,對于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。采用計算機模擬手段研究爐中氣流循環規律,對于改進爐子結構具有重要意義。

        (3)采用真空熱處理爐

        現代真空熱處理爐,是指可施行元件的真空加熱,然后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。

        工模具材料真空熱處理的應用前景很大。大多數工模具鋼目前都采取在真空中加熱,然后在氣體中冷卻淬火的方式。為了使工件表面和內部都獲得滿意的力學性能,必須采用真空高壓氣淬技術。目前,國際上真空氣淬的氣壓已從0.2MPa、0.6MPa提高到1-2MPa甚至3MPa,所以,高壓氣淬真空爐的冷卻氣體壓力的逐步提高是一個重要的發展趨勢。

        文章來源:http://www.jordantice.com/

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