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真空热处理实践
一、真空热处理加热工艺
1. 加热曲线类型
真空中工件主要靠辐射进行加热，而辐射传热有其特有的规律，该规律的特点就是符合辐射传热的四次方定律(斯蒂芬玻尔兹曼定律)，见下式：

    式中 Q辐———辐射传递的热量；
         α———辐射传热系数；
         T1 ———辐射元件表面温度；
         T2 ———受辐射物体表面温度。
    上式说明，高温时即使是很小的温度差也能产生很高的传热速度。据计算，在1200℃ 时，1℃温度差所引起的传热量是540℃ 时1℃ 温度差所引起的传热量的5倍。同时，也有资料告诉我们，在相同情况下真空加所需时间约是空气炉的3倍、盐浴炉的6倍。这些都说明真空炉内低温加热慢、加热速度“滞后”。为此，使用真空炉时，绝对不能照搬空气炉、盐浴炉和气氛炉的工艺。图1 、图2 和图3所示的三种类型的加热工艺，只有图1是正确的，正是因为它体现了真空炉内加热的特点。

    2. 加热时间的确定
    ( 1) 加热时间的近似计算法。图4 中不同温度下时间可按下列方法计算：
    T1 = 30 + ( 2.0 ～1.5) ×D ( 1)
    T2 = 20 + ( 1.5 ～1.0) ×D ( 2)
    T3 = 15 + ( 1.0 ～0.8) ×D ( 3)
    式中： T1 、T2 、T3 为时间( min) 。D为被加热工件有效厚度(mm) ，并按有关规定考虑，即圆柱形工件按直径计算，管形工件当高度/ 壁厚≤1.5mm 时，以高度计算； 当高度/ 厚度≥1.5mm 时，以1.5mm 壁厚计算； 当外径/ 内径>7时，按实心圆柱体计算，空心内圆柱体以外径乘0.8 计算。

     公式括号中的数据为加热系数，( 1) 、( 2) 式中工件形状复杂，或捆绑、密集、屏蔽严重时选下限( 数值大的)； 工件形状简单、摆放松散时选上限( 数值小的) 。(3) 式中高合金钢选下限( 数值大的)； 高速钢选上限( 数值小的) 。30、20、15是根据内热式真空炉、不同温度段加热特点预设的升温时间(min) 。
    实践证明，当材质无质量问题，温度、冷却方法选择正确时，使用该计算法选定时间可以确保变形会减轻，且不会淬裂。但此法的缺点是，加热系数的上、下限选择不当时易出现偏差，偏差较大时会引起硬度不足或效率降低。
    ( 2) 观察加热室炉膛颜色的经验法。
    ①第一段预热。如图4所示，预热温度为650℃，目的是在此温度下缓慢透烧，消除被加热件原有的应力( 锻造或冷加工应力)，减轻新产生的热应力。温度选择原则是低于材料的Ac1，但不能太低，太低不易观察炉膛颜色。炉膛颜色观察( 从加热室后炉门窥视孔) 需要有经验的热处理技术人员或技术工人。650℃ 时炉膛颜色为“暗红”。观察要领是： 自升温开始计，至被加热件颜色不暗于炉膛其他件( 料筐、热电偶、炉膛内表面衬等) 的颜色，到暗红色基本一致为止，即视为已透烧。此段时间(OB 段) 即为第一段预热所需时间T1。当然这段时间的特点是“缓慢、时间较长”。
    ②第二段预热。如图4所示，850℃属第二段预热，目的同第一段预热。850℃炉膛的颜色为“橘黄”。观察要领是： 自炉温从650℃升温开始计，至被加热件颜色不暗于炉膛其他件( 料筐、热电偶、炉膛内表面衬等)的颜色，到橘红色基本一致为止，即视为已透烧。此段时间(BD段) 即为第二段预热所需时间T2。这段时间的特点是： 和第一段预热相比，加热速度加快，透烧时间缩短。
③淬火加热时间。如图4所示，T3为淬火加热时间，实际上T3含有两部分，DF段为被加热工件升温、透烧时间，FG段为被加热工件心部到温后的保温时间，即合金化时间。升温、透烧时间与被加热工件尺寸、装炉方式( 散装、捆绑、密集堆放等) 有关，与被加热工件成分关系不大; 保温时间( 合金化时间) 只与成分有关。升温、透烧时间可用经验法观察估计出来，此时炉膛颜色为“黄白” 色，观察要领同前。特别需要指出的是，淬火加热速度明显加快，升温、透烧时间明显缩短。升温、透烧( 即“黄白” 颜色一经均匀一致) 后的保温时间( 合金化时间) 如何确定，请参考表1 。

    观测颜色法较准确可靠，加热效果和效率可兼顾。但需要丰富的炉前操作经验和相应的金属热处理专业基础知识，且观察较辛苦。
    二、真空热处理后的硬度
    1. 常用模具钢真空热处理参数及处理后的硬度硬度是机械零件热处理的重要技术指标，除和零件钢材的成分、组织有关外，还和热处理工艺执行过程中真空炉内压力等诸多特点有关。表2介绍了常用模具钢真空热处理工艺参数和处理后的硬度。

    2. 在真空炉内冷却时，淬火油面压力对淬火硬度的影响
    入油后的高温工件要经过蒸汽膜、沸腾和对流三个阶段才能被冷却，如图5所示。蒸汽膜阶段(Ⅰ) 的冷却能力最差，淬火油面压力太小时，蒸汽膜不易破裂，此阶段的时间就长，从而油的冷却能力弱，工件的硬度易不足。为了获得足够的淬火硬度，真空炉内淬火油面压力应在工件入油后2～3s达到8×104Pa 。

    3. 真空炉内工件从加热室到淬火油槽的转移时间
    在双室真空油淬火炉中，被加热工件经淬火加热保温结束后，从离开加热室料台至冷却室淬火油槽入油后的时间叫做“转移时间”。该时间理应越短越好，如钛合金、铍青铜等固溶时的转移时间必须<10s 。但过短的转移时间会造成高温工件的晃动、碰撞和倾倒等事故; 过长会导致料筐边缘小件、或工件尖角、单薄处降温，从而造成淬火硬度不足，所以国家标准规定该转移时间≤20s 。尽管如此，过小件淬火硬度不足的现象仍时有发生，克服办法是合理装炉。
    4. 合理装炉方式
    辐射加热时，热量的传递只能沿直线进行，这样一来，对于有些工件在接受来自发热体的热量时，易被遮挡和屏蔽。而真空炉内加热时，直径或厚度差别较大时，大工件必须装在边缘，小工件装在心部。例如图6a是错误的、图6b是正确的。分层装炉时，偏小、细、薄工件装在中层心部，反之装在上、下层或边缘，以期尽可能地达到均匀加热。

    5. 实例
    9CrSi 铰刀(工件形状如图7所示)在真空炉内的工装上均布，数量40余件。工艺：650 ℃60min、870℃40min 入油。硬度要求59 ～61HRC。处理后硬度实测结果为：A处59HRC、B处42HRC、C处60HRC。
    从结果看，A、C 处硬度可以，B 处硬度不合格。原因何在? 起初以为保温时间不足，增加时间后，重复出现原硬度。经反复核查，发现是淬火时，油面压力不足，没有在工件入油后2 ～3s 内，将压力充至104Pa所致。经调压后硬度上升至60HRC。这种情况已不是偶然，应引起注意。
    三、真空热处理时的变形
    工件热处理硬化后发生变形，这是必然的。关键是分析各环节( 加热、保温、冷却) 产生变形的原因，针对性地使其变形量降至最少，这是热处理技术人员终生追求的目标。和盐浴炉、保护气氛炉相比，使用真空炉时热处理后的变形要小一些。原因是真空炉能较容易地选择和控制不同的加热、冷却方式和速度，实现金属制品的硬化处理。如真空缓慢加热、充气对流加热、低合金钢的2 段加热、高合金钢的3段加热、高合金钢合金化后的油淬、气冷、分段气冷等在真空炉中都能较容易实现。
    1. 真空加热时的变形
    用不同炉子、不同加热工艺、同样的冷却方式(油淬) 作了“C” 形试样的变形试验。试样的形状和尺寸见图8，试验结果见表3。

    从表3 中数据可见，盐浴炉变形量0.126 ～0.237 mm，真空炉( 直接加热至850℃) 变形量0.006～0.058 mm，真空炉(650℃预热+ 850℃加热) 变形量0.005 ～0.026 mm。根据该试验结果，并经多年实践证明，真空炉内缓慢加热或采用带预热的2段( 或3段)加热能对减少变形做出明显贡献。

    2. 真空冷却时的变形
    ( 1) 冷却时的变形和裂纹产生的原因 在马氏体转变温度以上冷却时，零件表面及边角处温度较心部冷却快，收缩量也比心部大，冷却的快慢和不均匀的收缩产生的应力造成了变形; 在较低温度(接近MS 点) 冷却时，表面冷却速度快，先转变成马氏体并膨胀，心部在转变温度(MS) 以上仍在收缩，此时应力加大，变形量也增加，当应力超越材料的屈服极限时，便形成裂纹，如图9所示。

    ( 2) 减少冷却时产生变形量的方法 适当降低淬火温度，或在允许的淬火温度范围内，尽量选择下限温度。对材质淬透性较好，有效尺寸又不是很大时，可选择缓慢冷却( 如气冷、调压气冷等) 。
    在真空炉中实现等温淬火( 得到贝氏体组织) 是很困难的，但针对某些钢实现分段气冷淬火( 得到马氏体和极少量贝氏体) 已有报道。图10 是H13 钢分段淬火的示意说明。从奥氏体化温度的冷却要足够快，以便在珠光体形成之前，冷却到540 ℃以下，在400 ～450 ℃ 时使表面( TS) 和心部( TC) 均温，然后再继续冷却得到淬火组织。分段气冷比油淬和直接气冷至室温，变形明显减少。预计这种分段气冷的方法将被越来越多地采用。

    ( 3) 减少变形的其他辅助措施 工装材质( 耐热钢、碳素钢) 的选择、结构的合理设计( 堆放、分层、插放、捆绑、吊装等) 对工件在炉中高温保温时变形的影响是最容易被忽略的。另外工件入油前的预冷、入油后搅拌程度( 或不搅拌) 、淬火油的预先加热、工件入油冷却后适当地提高出油温度等都会对减少变形做出相应的贡献。
四、真空热处理后的光亮性
真空热处理的实践中，金属零件常出现“着色” 问题。获得外观光亮、无着色的金属零件是真空炉制造者和使用者追求的目标。影响光亮性的原因是什么? 和哪些因素有关? 如何才能光亮? 这又是生产一线技术人员和工人非常关心的问题。
    1. 原因和影响因素
    着色系氧化所致，不同颜色则和生成的温度及氧化膜的厚度有关。如碳素钢：微黄色( 200 ℃ 膜厚460nm) 、紫色( 260 ℃ 膜厚680nm) 、淡蓝色( 320 ℃ 膜厚720nm) ?。真空度过高会引起元素挥发、粘结;1200 ℃油中淬火还会引起表层渗碳和熔化，这些都会损坏表面的光亮性。从材质、工艺、设备等三方面分析，影响光亮性的因素归纳于表4 。

    2. 获得较好光亮性的措施
    为了获得较好的光亮表面，生产实践中要注意及考虑的措施如下：
    ( 1) 真空炉的技术指标要符合国家标准。
    ( 2) 真空炉不能被污染过。
    ( 3) 事先要经过合理的烘炉。
    ( 4) 工艺要合理正确。
    ( 5) 冷却时合理选用惰性气体( 或配入一定比例的强还原性气体) 。
    ( 6) 必要时在入炉、出炉前用高纯惰性气体洗炉。
    3. 真空光亮热处理实例
    和保护气氛炉相比，真空炉获得光亮的表面更容易些，因为获得露点为- 74 ℃的保护气氛不容易，且成本高昂; 而获得和- 74 ℃露点相当，且不纯物含量相同的真空气氛却易如反掌。真空热处理的实践中碳素钢、合金结构钢获得光亮的表面较容易些。工具钢为防止元素挥发，压力( 真空度) 应控制在70 ～130Pa 。不锈钢、钛合金、高温合金等相对难度要大一些。现推荐一些实例供参考( 见表5) 。

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