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真空热处理技术

日期: 2019-10-15
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真空热处理技术的广泛应用一方面提高了零件产品的性能,另一方面也促进了其本身工艺水平和处理设备的快速进步,当前相关关键技术的不断突破,工艺的日渐完善,生产过程的自动化和智能化程度不断提高,都促使了相关技术和新产品的蓬勃发展。


真空热处理技术的现状

  1、真空热处理技术

  在20世纪70到80年代间,主要应用于油气淬火的真空热处理炉被研发了出来,在此之后,各种装置和设备进入了迅速发展的阶段,设备的种类不断增多,应用领域更是不断扩大。

  我国在相关装置及设备领域的发展也十分迅速,并且逐渐摆脱了对国外进口设备的依赖,目前已经可以提供包括真空高压气淬炉、真空油淬炉、真空退火、真空烧结炉,等在内的满足各类处理需求的全套处理设备。

  随着相关技术的不断进步,不仅真空热处理设备取得了较大的发展,与其相关的配套设施也取得了长足的进步。目前我国已经能够生产各个种类的真空泵、真空阀、真空测量仪器等,甚至一些以前无法实现自主生产的配套产品也实现了自产(如炉内使用的由金属和石墨材质制成的保温层和发热元件等),并且其性能和质量已经接近或已达到了国外同类产品的水平。相关配套产业的快速发展有效地促进了我国真空热处理水平的整体进步。

  虽然国外在真空热处理技术及其相关设备上起步较早,并且进口的真空热处理炉在性能上也保持着相对优势,但这并不能说明进口设备在使用性上就强过国产设备。我国有自己独特的国情和特殊的客户需求,随着国产真空热处理炉在很多关键技术上取得突破,一些专门针对我国国情和特殊客户需求而开发的真空热处理设备更有效地促进了相关应用领域的发展。

  例如针对单室真空高压气淬炉国产炉胆材料抗热冲击和抗冷、热反复交替能力不足的缺陷,依据我国实际情况专门开发出了真空双室高压气淬炉,这不仅大幅提高了真空气淬的效能,而且还有效地节约了能源,并且极大地延长了设备装置的使用年限。

真空热处理技术

  又例如针对航空、航天、军工等特殊客户的需求,使钛合金和某些稀有合金达到所需的性能,真空水淬热处理炉被研究开发了出来,这充分满足了这些行业客户的特殊需求。

  2、真空渗碳和碳氮共渗技术

  近年来,真空渗碳和碳氮共渗技术发展迅速,这种技术方法具有节能、节气、渗碳效率高、工艺操作简便以及安全环保等优势,在机械传动和工具等行业取得了广泛的应用。但与此同时还需要注意到,渗碳后产生的炭黑破坏绝缘、渗层均匀性较差等问题在很大程度上制约了该技术应用水平的提高。

  近年来,随着国内真空热处理工作者的长期努力,低压真空渗碳技术取得了比较大的突破,并且已经可以比较好地解决上述缺陷。低压真空渗碳技术的突破不仅可以有效减少渗碳后产生的炭黑,并且具有良好的渗层均匀性,从而有效地改善了以往应用过程中存在的问题。

  此外,国内研究工作者在真空碳、氮共渗技术方面也取得了较大的发展。采用真空碳、氮共渗技术不仅极大地扩大了能够被处理的材料范围,同时还能有效减少材料变形,这使得产品质量和性能得到了较大的提高。目前市面上已经有了各个类型的具备真空碳、氮共渗功能的热处理设备,并且已经在零件的热处理领域取得了不错的应用成效。

  3、真空氢气复合净化热处理技术

  随着真空热处理技术及其相关设备的发展,这几年逐步发展出了一批新技术,这些新技术反过来也推动了真空热处理在更多领域的应用。其中,真空氢气复合净化就是这些新技术中的佼佼者,它打破了以往使用氢气炉时容易受到各种外在环境制约的影响,并且还极大地提高了使用安全性。

  在民用市场领域,针对该技术的研究和应用推动了我国金刚石制造技术的进步。在军工领域,该技术在软磁合金和电工纯铁的热处理方面发挥了重要作用,通过采用此项技术使得产品磁性能得到了明显提高,而产品矫顽力却得到了显著降低。

  4、真空磁场热处理技术

  除以上介绍到的技术外,将电磁技术与真空热处理技术相结合而诞生的真空磁场热处理技术也是该领域发展的一个重要分支,通过应用这项技术,既能够提高结构材料的力学性能,同时也对提高磁性材料的电磁性能具有重大效果。

  总而言之,我国在真空热处理技术方面经历了从引进到消化、吸收的各个发展阶段,并且在近年来已经迈入了自主研发的阶段。近年来,我国真空热处理技术发展迅速,工艺水平不断成熟,各种自产设备在性能和质量上取得了巨大的突破,已经完全可以满足相关领域的应用需求。


真空热处理技术的优势

  真空热处理技术已经在各种工模具钢、不锈钢、轴承钢、碳钢、硬质合金、合金钢及高合金钢等重要零件的真空热处理和真空化学热处理上得到了较好的应用,因为真空热处理具有很多优点:

  1、可以实现光亮淬火

  工件在低于大气压力下加热,不接触空气,表面不会发生氧化,当炉内的真空度抽到1~10-1Pa时,工件表面达到了不脱碳、不渗碳的目的,从而实现了光亮淬火的目的。

  1983年衡阳纺机厂从首都机械厂(现在的神箭)购买了一台双室真空淬火炉,用于GCr15轴承钢做的纺机零件锭底的光亮淬火,该锭底的技术要求非常高,其锭底的内部顶尖处,冷冲压R后不再进行任何机加工,淬火后表面不允许有任何脱碳等缺陷。用真空炉淬火后质量得到了很好的保证,操作条件得到了极大的改进。

  另外,在精密的小微型(轴承内径﹤9mm)轴承上应用也较多,采用不锈钢和轴承钢等材质制作的轴承套圈进行真空淬火后的质量非常好,因为套圈经真空淬火后表面没有脱碳、渗碳现象,套圈的材质又可以进行脱气,其杂质可以降低到1.5ppm以下,使硬度分布均匀,畸变极小,从而提高了轴承的耐磨性,并具有高的弹性极限和接触疲劳强度,延长了轴承的使用寿命,提高了市场竞争力。

  2、具有脱气作用

  在真空度低于金属或合金的相应分解压力时,其氧化物会发生分解,形成游离氧并立即被排出真空室外,使工件内部的质量得到提高。

  由于钢铁零件的坯料在冶炼时会吸入大气中极少量的氢气、氮气、一氧化碳等气体,从而产生微小气孔,易造成氢脆等缺陷,硬质合金。在压制时也会有空气进入,所以对于工模具钢来说,通过真空技术可以将工件内部的残余气体抽掉,使组织得到纯净。对于硬质合金来说,通过真空处理同样可以将工件内部的残余气体抽掉。

  真空炉在中小型企业及专业工模具工厂使用得比较普遍,特别是私营企业在刀具、工模具及电动工具等工件的淬火上采用真空炉的比率也在逐渐增多。

  3、可以减少热处理后的机加工余量

  真空热处理因为没有氧化脱碳现象,畸变很少且清洁光亮,所以广泛用于油泵油嘴偶件的真空淬火和真空渗碳,这样可以避免用盐浴炉造成偶件内孔有时因残盐清冼不干净或用保护气氛造成表面出现黑色组织(脱碳)现象。

真空热处理技术

  对于渗碳钢的针阀体来说,要求的0.5~0.9mm渗碳层用真空渗碳能得到保证,而用可控气氛炉渗碳较难得到保证。对于柱塞泵等精密液压件来说,用真空淬火可以减少畸变,提高耐磨性,确保工件质量稳定。油泵油嘴偶件及柱塞泵液压件应用真空技术淬火已经几十年了,在提高产品质量上得到了广泛的认可。

  4、清洁工艺

  真空热处理是清洁热处理工艺,它在整个热处理过程中占有重要地位,可以提高产品质量,改变热处理车间的面貌,改善操作环境,是一个值得推广应用的技术。

  5、真空渗碳的优势

  真空渗碳比可控气氛炉渗碳的产品质量好,对于要控制淬火变形的齿轮渗碳,在用可控气氛炉渗碳后需要用淬火压床进行边淬火边矫正,其质量有时还达不到技术要求,况且渗碳层的渗层和碳浓度分布均匀性较难得到保证,经常会出现内氧化现象,造成非马氏体黑色组织的出现,生产率有时也会受到影响,所以对于质量要求较高的摩托车、汽车减速器、汽车发动机等部件内的中小型齿轮及齿轮轴等工件的渗碳。

  在有条件的企业中已经逐渐从可控气氛渗碳向真空渗碳过渡。对于质量要求更高的齿轮及齿轮轴等工件的渗碳,可用低压真空渗碳与高压气淬技术,它在国内已逐渐得到应用。

真空热处理技术的发展前景

  未来的热处理工艺的能源利用率要提高到80%以上,并且生产中会采用闭环智能控制系统。在当前各类产品的热处理生产中,真空热处理所占比例会在今后逐年上升,并发展成为一种主要的生产方式。

  我国真空热处理在技术方法以及设备开发上与国际的差距日益减小,部分处于行业领先位置的企业已经接近或达到了国际先进水平。未来我国真空热处理技术的发展应能完全满足各个工业生产领域的应用需求,并且结合我国的实际情况在一些关键技术领域内进行自主创新,这些技术领域主要包括:

  1、包括各种应用需求在内的真空热处理自动化生产线;

  2、满足各类应用需求的真空热处理智能化控制系统;

  3、真空等温热处理技术及设备;

  4、真空感应加热技术及设备;

  5、真空脱脂清洗技术及设备;

  6、真空离子注入、真空离子涂覆技术及设备;

  7、在CAD/CAE/CAM技术的推动下,真空热处理工艺优化及其相关设备结构的优化设计将取得进一步的发展。


模具真空热处理技术应用

  一、真空热处理工艺参数

  1、真空度

  真空度直接影响到模具表面的粗糙度,从而影响表面质量性能,为防止模具表面合金元素的挥发,应选择合理的真空度,合金钢模具真空加热时真空度与加热温度的对应关系见下表。

真空热处理技术

  2、预热温度

  当真空热处理的加热温度为1000~1100℃时,在800~850℃进行一次预热;当加热温度超过1200℃时,形状简单的模具可在850℃进行一次预热,较大或复杂的模具则应在500~600℃和800~850℃进行两次预热。

  3、保温

  ①加热温度。真空淬火的加热温度一般取盐浴炉和空气炉的下限。真空回火、真空退火、真空固溶处理及真空时效的加热温度一般与常规热处理时的加热温度相同。

  ②保温时间。通常情况下真空加热时间为盐浴炉的6倍,空气炉的2倍,经验公式为τ=KB+T,其中,τ为加热保温时间(min),K为保温时间系数(min/mm),B为模具的有效厚度(mm),T为时间裕量或称固定时间(min)。K值与T值可从下表查出。

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  二、模具的真空淬火

  1、预热

  低合金钢(40Cr、60Si2Mn等)、中合金钢(CrWMn、9SiCr、5CrNiMo等)可选择两级加热(如650℃预热→850℃淬火加热);

  高合金钢(H13、Cr12MoV等)可选择三级加热(如650℃预热→850℃预热→1030℃淬火加热)。

  2、加热保温时间的选择

  保温时间既要确保一定量的碳化物充分溶解,提高奥氏体中的合金含量,为二次硬化峰温度回火时有较明显的硬度回升提供保证,又不能产生过热而影响模具质量。

  3、冷却方式

  模具钢的真空淬火可采用油淬、气淬、水淬、硝盐淬火等。合金模具钢均可实施真空油淬,从而获得光亮的表面及合理的性能。与气冷淬火相比,因油冷速度快而容易获得高的韧性和强度。气冷淬火可获得更小的淬火畸变。

  4、真空回火

  采用真空炉(如WZH系列单室正压回火炉)回火的优点:控温准确、均匀;确保加热及保温阶段无氧化;可随炉缓冷,也可充气快冷。冷却过程可充入高纯度N2或高纯度N2与其他还原性气体的混合气(如H2),确保冷却时不氧化、不着色。

  回火加热速度为0.8min/mm,心部到温后最少保持2h。回火温度视硬度要求定。第一、第二次回火为强制性,第三次回火视技术要求和最终硬度而定,也可以省去。

  5、常用模具钢的真空淬火与回火工艺参数见下表。

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  三、模具的真空退火

  模具(模块)的真空退火易实现无氧化、无脱碳热处理,有利于提高模具表面质量和生产效率,缩短工艺周期,模具表面可达到光亮,显微组织均匀一致。

  1、普通真空退火工艺

  下图是H13(4Cr5MoSiV1)钢模块普通真空退火工艺。模具退火采用真空炉(如WZT系列单室真空炉,极限真空度0.1Pa),将模块以60℃/h的速度缓慢加热到870℃,视模块有效尺寸决定保持时间(2~4h),也可以待到温后保持0.8min/mm。保温阶段压力控制在0.1~10Pa。冷却时可在真空状态下进行炉冷,当温度低于500℃时,可充入1×105Pa的高纯度N2或高纯度N2与其他还原性气体(如H2)的混合气进行冷却,以确保模块表面无氧化、不着色。经退火后的模块硬度<235HBW,组织为珠光体+均匀分布的粒状碳化物。

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  2、H13模具钢等温退火工艺

  真空炉压力0.1~10Pa,以≤200℃/h缓慢升至875~890℃并保持2~4h后,快冷至710~740℃保持3~4h,用高纯度氮气冷至100℃以下出炉。

  3、Cr12MoV模具钢等温退火工艺

  真空炉压力0.1~10Pa,以≤200℃/h缓慢升至830~870℃并保持2~4h后,快冷至720~740℃保持3~4h,用高纯度N2冷至100℃以下出炉。

  四、模具的真空渗碳

  真空渗碳是将模具在真空炉中加热到奥氏体化状态,在渗碳气氛中渗碳,然后扩散及淬火处理。因模具在真空状态下加热,故模具表面十分光洁,适于高表面质量要求模具的渗碳处理。

  实例:65Nb钢制挑线连杆挤压模的真空渗碳(65Nb钢即6Cr4W3Mo2VNb)。

真空热处理技术

  1、渗碳介质(体积分数):70%CH4+30%H2。H2作为稀释气,CH4(甲烷)为渗碳气。渗碳设备为内热式小型真空渗碳炉。模具真空渗碳工艺见上图。

  2、使用寿命。65Nb钢制模具经真空渗碳热处理后,其使用寿命比未经渗碳模具提高2.5倍,比Cr12MoV钢制模具(常规热处理)提高7.5倍。

  五、模具的真空碳氮共渗

  真空碳氮共渗是模具表层在真空炉内处于负压的加热状态下,同时渗入C、N元素的化学热处理工艺,与单一的渗碳相比,模具表面硬度更高,耐磨性更好,有一定的耐蚀性和更高的疲劳强度。因共渗温度低,且渗后可直接淬火,奥氏体晶粒比单一渗碳细,因此提高了模具的心部韧性,共渗层组织无晶界氧化现象,模具性能明显提高。

  实例:45钢、调质预硬钢P20钢(3Cr2Mo)制塑料模的真空碳氮共渗。

真空热处理技术

  1、采用WZST- 45型双室真空渗碳淬火炉,其工艺曲线见上图,碳氮共渗温度(850±10)℃,预冷至(740±10)℃,并均温后出炉油淬,压力为100~800Pa,共渗剂为乙炔和氨气混合气。装炉情况:模具尺寸260mm×200mm×25mm,数量5块;240mm×180mm×20mm,数量5块;210mm×150mm× 30mm,数量5块。共计装炉15块,质量共计约150kg。

  2、45钢模具碳氮共渗油淬后,其外观呈均匀的银灰色,45钢及P20钢模具的硬度均可达到62HRC以上,提高了表面硬度,可使P20钢制模具进入高寿命状态。45钢渗碳层深度0.53~0.56mm,有助于提高45钢模具使用寿命。

  六、模具真空脉冲氮碳共渗

  真空脉冲氮碳共渗保留了真空脉冲渗氮的优点,如深孔、不通孔内壁渗层均匀,比真空脉冲渗氮有更好的耐磨性和抗咬合性,而且白亮层少,脆性小,渗层致密,渗速快,并能承受重负荷和冲击载荷。

  实例:W9Cr4Mo3V钢制十字槽冲头的真空脉冲氮碳共渗。

  1、十字槽冲头在工作时,要承受大的冲击、压缩、拉伸和弯曲等应力的作用,失效形式为槽筋疲劳断裂。原采用T10钢制造,经常规盐浴加热淬火、回火处理后,模具平均寿命为3万件。

  2、采用W9Cr4Mo3V钢制造冲头,经真空加热淬火、回火和真空脉冲氮碳共渗后,模具寿命提高到近30万件。真空氮碳共渗采用ZCT65型双室真空渗碳炉,工作真空度为2.7Pa。

  ①真空淬火与回火工艺:830~850℃×3min/mm预热,1080~1200℃×1~2min/mm加热后,气淬油冷;540~580℃×1~2h真空回火。

  ②真空脉冲氮碳共渗工艺:共渗剂成分(体积分数):50%丙烷+50%氨气,其工艺曲线见下图。

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