真空熱處理生產實踐

程軍，秦永年，孔令飛，程良，常森

真空熱處理同其他熱處理方法相比具有加熱無氧化、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突出優點。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。但由于航天產品零件材料的特殊性和真空熱處理加熱的特殊性，以及生產操作和工藝等方面的不成熟，一些材料如40Cr13、95Cr18、30CrMnSiA等，在真空熱處理后效果不佳，硬度不足或性能不夠。通過筆者的生產實踐和工藝攻關，獲得一些改善。現將這些經驗和方法加以總結，僅供參考。

1.真空加熱的特點及生產操作中存在的缺陷

在真空氣氛中加熱優于其他加熱介質（空氣、可控氣氛、鹽浴），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，可以避免上述弊病。在真空中零件主要靠單一的輻射傳熱進行加熱，而輻射傳熱有其特有的規律，即：斯蒂芬-波爾茲曼四次方定律

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。

有些操作者不熟悉真空爐輻射加熱的特點，不清楚真空爐加熱存在“滯后”現象；工藝方面也沒有一個較為通用的加熱時間確定方法，加熱時間（包括預熱時間和保溫時間）過長或過短；組織生產時裝爐方式不合理，存在工件相互遮擋，同爐處理的工件大小、形狀差異較大。這些因素都會致使零件真空熱處理后出現以下缺陷：硬度不足，晶粒粗大，力學性能不夠，或造成生產時間和資源的浪費。

2.工藝參數的合理選取

（1）真空度 選擇真空度要考慮所處理零件的化學成分和加熱淬火溫度。在常壓下的熱處理淬火溫度范圍內，零件表面合金元素一般不會蒸發，但在真空狀態下加熱，零件表面合金元素的蒸發有時會很嚴重，從而造成零件表面光亮度下降，使表面組織發生變化，力學性能下降。隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，真空度越高，合金元素蒸發越嚴重，特別是一些含Cr、Mn元素較高的合金鋼。但真空度又不能太低，過低的真空度起不到保護作用，從而失去真空熱處理的意義。因此，真空熱處理時應合理選擇真空度，決不是真空度越高越好。

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；對于高強度鋼30CrMnSiA和馬氏體不銹鋼95Cr18等材料，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。

為了保證零件的表面粗糙度，又不使零件表面合金元素蒸發，一般正確的操作應是，先將爐內抽至較高的真空度，然后充入高純氮氣，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。

（2）加熱溫度段、預熱溫度和加熱保溫時間 真空熱處理的加熱主要靠高溫輻射，而不是常規熱處理的高溫時氣體對流和低溫時工件間傳導，加熱速度和升溫速度很慢。因此，必須進行分段預熱、加熱和保溫。一般真空加熱典型的三階段，600℃（或650℃左右）一次預熱，800℃（或850℃左右）二次預熱，1000℃以上溫度為加熱保溫段，這三個加熱保溫段，適用于高合金工具鋼和馬氏體不銹鋼，一些高強度結構鋼也可靈活地運用兩段加熱。

在低溫階段，即600℃（或650℃左右）真空加熱的滯后現象比較嚴重，如果裝爐量少或單件裝爐，溫度滯后現象更為嚴重；在中溫階段加熱，即800℃（或850℃左右）滯后現象就較弱；在高溫階段加熱時，溫度滯后輕微，幾乎沒有滯后現象，但是仍需要一段時間保溫來使零件表面和心部溫度一致，即所謂的“透燒”。

圖1為真空熱處理典型的三段式加熱曲線。

根據平時的工作經驗和參考資料，真空熱處理（三段式加熱）加熱保溫時間計算方法如下：

t1=30+aD

t2=30+bD

t3=20+cD

式中 t1——第一段加熱溫度的加熱時間和保溫時間，min；

t2——第二段加熱溫度的加熱時間和保溫時間，min；

t3——第三段加熱溫度的加熱時間和保溫時間，又稱淬火保溫時間，min；

a、b、c——加熱系數；

D——零件有效厚度，mm。

第一段的特點是加熱緩慢，時間較長。第二段的特點與第一段相比加熱速度快，比t1時間稍短。第三段時工件燒透，工件組織中碳化物基本溶解。其特點是淬火加熱速度明顯加快，升溫時間縮短。

只有a＞b＞c時，計算加熱保溫時間才合理，才能遵循t1＞t2＞t3緩慢升溫的原則，也才能滿足真空爐加熱零件透燒的需要。即溫度越高，加熱系數越小。一般取a=1.5～2.0，b=1.0～1.5，c=0.25～0.5。

當零件形狀復雜，裝爐擺放密集，屏蔽嚴重時采用下限（數值大的）加熱系數；當零件形狀簡單，擺放松散時采用上限（數值小的）加熱系數。對于不銹鋼和合金元素含量高的鋼種，取下限加熱系數。式中30、30、20是根據內熱式真空爐不同溫度段加熱特點預設的升溫時間（有些資料中原為30、20、15，根據筆者日常的工作經驗和相關資料調整為30、30、20）。

綜上所述，根據真空爐加熱的特點，操作者可用簡單計算法算出時間，使用過程中再用觀察窗（瞭望口）觀色法予以修正，逐步改進，以求獲得各溫度段加熱時較正確的加熱、保溫時間，對把握真空熱處理質量十分重要。但觀色法要求操作者對火色的觀看具有豐富經驗。

3.減小工件真空淬火變形的合理操作

為減小工件真空淬火變形，應注意淬火前對工件進行正確保護，裝爐時合理擺放工件，正確使用淬火工裝，并做到緩慢加熱和相變點前的充分預熱。

圖1

對結構復雜的工件或薄厚懸殊的工件，應采用氧化鋁纖維棉包扎工件復雜部位的棱角或工件的薄壁處，減小因厚度不均勻引起的變形。

真空熱處理時工件擺放方式不同，其變形量也不同；同時工件的擺放方式對工件淬火硬度的均勻性也有很大影響。真空熱處理是靠輻射加熱，擺放方式不當，勢必造成工件相互遮擋嚴重，加熱效果差。因此，工件的擺放應有利于淬火時油的循環流動，工件間應留有一定的間隙，便于得到最好的加熱效果和淬火冷卻時油的均勻流動。

為了防止易變形工件產生彎曲變形,應采用合理的料盤和吊掛工裝、夾具。對于細長的桿類工件應懸掛放置，對于盤類工件應盡量使用料盤。同時淬火前應對料盤和夾具、工裝進行校正。工件放置后，保證料盤平整，以防止由于料盤變形造成淬火工件的附加變形。

真空熱處理時引起工件變形的主要原因是組織應力、熱應力及工件前道工序形成的殘余應力。只要真空爐采取完善的隔熱結構，合理布置加熱元件，實施緩慢加熱和相變點前的充分預熱，均可使真空淬火工件的變形減小。特別是低溫階段（600℃以下），輻射傳熱的效率很低，工件剛開始受熱，升溫速度相當緩慢。升溫到鋼的相變點附近時，應進行充分預熱。冷卻時在不產生殘留奧氏體轉變和合金碳化物的析出時，應采取低速冷卻。總之，正確選擇溫度、正確進行真空油淬操作，工件淬火變形量可降低到鹽浴爐淬火加熱變形的1/2～1/10。

4.典型工件真空熱處理

（1）40Cr13滑閥真空熱處理 工件尺寸為φ20mm×50mm，有效厚度為6mm（壁厚）；熱處理技術要求50～55HRC；設備用真空爐；真空度：650℃、880 ℃預熱采用1.33Pa，1040℃加熱保溫采用1.33～13.3Pa；冷卻時充入氮氣降低真空度為101.3Pa（100Pa左右）。工藝曲線如圖2所示。

效果：淬火硬度<50HRC。分析及改進意見：第一段升溫速度過快，預熱保溫時間不足，容易導致工件心部溫度不夠；第三階段的淬火保溫時間較長，工件心部溫度達到淬火溫度，但表面保溫時間過長，出現晶粒粗大現象。建議把第一段的升溫時間改為40min，把第三段的保溫時間改為20min。

（2）95Cr18活塞桿真空熱處理 工件尺寸為φ20mm×30mm及φ5mm×10mm，有效厚度為10mm（壁厚）；熱處理技術要求：55～60HRC；設備用真空爐；真空度：650℃、880℃預熱和1040℃加熱保溫都采用1.33～13.3Pa；冷卻時充入氮氣降低真空度為101.3Pa。工藝曲線如圖3所示。

效果：淬火后零件硬度≤60RC。分析：95Cr18活塞桿真空熱處理淬火，預熱段和淬火段的升溫時間、保溫時間選擇合理，工件裝爐擺放無相互遮擋。

（3）30CrMnSiA螺柱真空熱處理 工件尺寸為φ30mm×130mm，有效厚度為30mm；熱處理技術要求：硬度43～48HRC；設備用真空爐；真空度：650℃預熱和880℃加熱保溫都采用1.33～13.3Pa；冷卻時充入氮氣降低真空度為101.3Pa。工藝曲線如圖4所示。

效果：淬火后硬度36～50HRC。分析：從加熱的工藝曲線分析，預熱、升溫、保溫都較合理。但由于工件裝爐方式采用平鋪在淬火料筐中，導致出現較大的硬度不均勻性。

圖2 40Cr13滑閥真空熱處理淬火工藝曲線

圖3 95Cr18活塞桿真空熱處理淬火工藝曲線

圖4 30CrMnSiA螺柱真空熱處理工藝曲線