真空热处理

真空热处理工艺发展

热处理的发展是伴随着机械制造业的发展而发展，机械制造又对热处理提出了更新更高的要求，模具的热处理又是热处理中技术含量最高的部分。

众所周知，模具热处理就是为了发挥模具材料的潜力，提高模具的使用性能。模具的性能必须满足：高的强度，(包括高温强度，抗冷热疲劳性能)高的硬度(耐磨性能)和高的韧性，并且还要求有良好的机械加工性、(包括良好的抛光性)可焊接性及抗腐蚀性等等。

对模具寿命影响最大的是模具的设计(包括了正确的选择材料)模具的材料，模具的热处理，模具的使用和维护等。如果模具的设计合理，材料优质，那么热处理的好坏直接决定了模具的使用寿命。国内外都在设法采用更先进的热处理手段来提高模具的性能延长模具的使用寿命。而真空热处理则是模具热处理中较先进的方式之一。所以从模具热处理来看，热处理加工设备的状态、热处理的工艺、生产过程的控制显得尤为重要。而设备的先进性是保证先进工艺实现的前提。真空高压气淬炉是实现真空热处理最为理想的设备。真空炉具有不脱碳，不氧化的效果，具有温度均匀，加热和冷却速度可控，可以实现不同的工艺过程，真空炉由于没有污染，是国际上公认的“绿色热处理”。国际上已有2-20bar的真空高压气淬炉，可以完全满足模具的真空热处理的要求。

模具热处理过程中，所采用的工艺参数对模具性能也有着至关重要的影响：它包括了加热温度、加热速度、保温时间、冷却方式、冷却速度等。正确的热处理工艺参数可以保证模具获得最佳性能，反之，将产生不良甚至严重后果。实践表明，正确的热处理工艺可以获得优良的组织，优良的组织形态才能保证优良的机械性能。合适的工艺方法可以有效的控制模具热处理时的变形和开裂。从实践中发现：模具在加热和冷却过程中，模具表面温度和心部温度的差异(加热的不均匀性和冷却的不均匀性)是造成模具变形的主要因素。(真空炉具有控制加热速度和冷却速度的能力)。不同的工艺方法可以使模具满足不同的使用条件和不同的性能要求。

总而言之，真空高压气淬工艺具有加热和冷却速度自由控制的优点，可以编制不同的工艺参数，得到预想的金相组织和性能。

真空热处理工艺原理

（1）金属在真空状态下的相变特点。在与大气压只差0.1MPa范围内的真空下，固态相变热力学、动力学不产生什么变化。在制订真空热处理工艺规程时，完全可以依据在常压下固态相变的原理。完全可以参考常压下各种类型组织转变的数据。

（2）真空脱气作用，提高金属材料的物理性能和力学性能。

（3）真空脱脂作用。

（4）金属的蒸发：在真空状态下加热，工件表面元素会发生蒸发现象。

（5）表面净化作用，实现少无氧化和少无脱碳加热。

（6）金属实现无氧化加热所需的真空度。

（1）真空热处理的优越性。真空热处理是和可控气氛并驾齐驱的应用面很广的无氧化热处理技术，也是当前热处理生产技术先进程度的主要标志之一。真空热处理不仅可实现钢件的无氧化、无脱碳，而且还可以实现生产的无污染和工件的少畸变，因而它还属于清洁和精密生产技术范畴。它已成为工模具生产中不可替代的先进技术。

（2）真空热处理工艺。工件畸变小是真空热处理的一个非常重要的优点。据国内外经验，工件真空热处理的畸变量仅为盐浴加热淬火的三分之一。研究各种材料、不同复杂程度零件的真空加热方式和各种冷却条件下的畸变规律，并用计算机加以模拟，对于推广真空热处理技术具有重要意义。真空加热、常压或高压气冷淬火时气流均匀性对零件淬硬效果和质量分散度有很大影响。采用计算机模拟手段研究炉中气流循环规律，对于改进炉子结构变具有重要意义。真空渗碳是实现高温渗碳的最可能的方式。但在高温下长时间加热会使大多数钢种的奥氏体晶粒度长得很大，对于具体钢材高温渗碳，重新加热淬火对材料和工件性能的影响规律加以研究，对优化真空渗碳、冷却、加热淬火工艺和设备是很有必要的。近几年，国际上有研究开发使用气体燃料的燃烧式真空炉的动向。在真空炉中采用气体燃料加热的困难太多，虽然有节约能源的说法，但不一定是一个重要的发展方向。

（3）真空热处理炉。现代真空热处理炉是指可施行元件的真空加热，然后在油中淬火或在常压和加压气体中淬火的冷壁式炉子。研究开发这种类型的设备是一项综合性强、跨学科、牵涉到很多科技领域的工作。

真空热处理是将金属工件在 1个大气压以下(即负压下)加热的金属热处理工艺。

20世纪20年代末，随着电真空技术的发展，出现了真空热处理工艺，当时还仅用于退火和脱气。由于设备的限制，这种工艺较长时间未能获得大的进展。60～70年代，陆续研制成功气冷式真空热处理炉、冷壁真空油淬炉和真空加热高压气淬炉等，使真空热处理工艺得到了新的发展。在真空中进行渗碳，在真空中等离子场的作用下进行渗碳、渗氮或渗其他元素的技术进展，又使真空热处理进一步扩大了应用范围。

真空高压气冷淬火技术

当前真空高压气冷淬火技术发展较快，相继出现了负压高流率气冷、加压气冷、高压气冷、超高压一气冷等新技术，不但大幅度提高了真空气冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，变形小，还有高效、节能、无污染等优点。

真空高压气冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不锈钢和特殊合金的固溶、时效，离子渗碳和碳氮共渗，以及真空烧结，钎焊后的冷却和淬火。

用高压氮气冷却淬火时、被冷却的负载只能是松散型的，高速钢可淬透至70～100mm，高合金热作模具钢可达25～100mm。

用1000kPa高压氮气冷却淬火时，被冷却负载可以是密集型的，比600kPa冷却时负载密度提高约30%～40%。

用2000kPa超高压氮气或氦气和氮气的混合气冷却淬火时，被冷却负载是密集的并可捆绑在一起。其密度较600kPa氮气冷却时提高80%～150%，可冷却所有的高速钢、高合金钢、热作工模具钢及铬钢和较多的合金油淬钢，如较大尺寸的锰钢。

具有单独冷却室的双室气冷淬火炉的冷却能力优于相同类型的单室炉。200kPa氮气冷却的双室炉的冷却效果和400kPa的单室炉相当。但运行成本、维修成本低。由于我国基础材料工业（石墨、钼材等）和配套元器件（电动机）等水平有待提高。所以在提高600kPa单室高压真空护质量的同时，发展双室加压和高压气冷淬火炉比较符合我国的国情。

真空渗氮技术

真空渗氮是使用真空炉对钢铁零件进行整体加热、充入少量气体，在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的；而离子渗氮是靠晖光放电产生的活性N离子轰击并仅加热钢铁零件表面，发生化学反应生成核化物实现硬化的。

真空渗氛时，将真空炉排气至较高真空度0.133Pa后，将工件升至，530～560℃，同时送入氨气或复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，炉压控制在0.667Pa，低压状态能加快工件表面的气体交换，活跃的N元素(或N，C)来自化学反应及氨气，保温3～5h后，用炉内惰性气体进行快速冷却。不同的材质，经此处理后可得到渗层深为20～80μm、硬度为600～1500HV的硬化层。

真空渗氮有人称为真空排气式氮碳共渗，其特点是通过真空技术，使金属表面活性化和清净化。在加热、保温、冷却的整个热处理过程中，不纯的微量气体被排出，含活性物质的纯净复合气体被送入，使表面层相结构的调整和控制、质量的改善、效率的提高成为可能。经X射线衍射分析证实，真空渗氮处理后，渗层中的化合物层是ε单相组织，没有其他脆性存在，所以硬度高，韧性好，分布也好。“白层”单相ε化合物层可达到的硬度和材质成分有关。材质中含铬量越高，硬度也呈增加趋势。铬13%时，硬度可达到1200HV；含铬18%（质量分数，余同）时，硬度可达 1500HV；含铬25%时，硬度可达1700HV。无脆性相的单相ε化合物层的耐磨性比气体氮碳共渗组织的耐磨性高，抗摩擦烧伤、抗热胶合、抗熔敷、抗熔损性能都很优异。但该“白层”的存在对有些模具和零件也有不利之处，易使锻模在锻造初期引起龟裂，焊接修补时易生成针孔。真空渗氮还有一个优点，就是通过对送入炉内的含活化物质的复合气体的种类和量的控制，可以得到几乎没有化合物层（白层），而只有0.1-1mm扩散层的组织。其原因可能是在真空炉排气至 0.133Pa后形成的，另一个原因是带有活性物质的复合气体在短时间内向钢中扩散形成的组织。这种组织的优点是耐热冲击性、抗龟裂性能优异。因而对实施高温回火的热作模具，如用高速钢钢制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐热冲击性好、抗龟裂而又有韧性的综合性能；但仅有扩散层组织时，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔损性能不够好。由于模具或机械零件的服役条件和对性能的要求不一，在进行表面热处理时，必需调整表面层的组织和性能。真空渗氮除应用于工模具外，对提高精密齿轮和要求耐磨耐蚀的机械零件以及弹簧等的性能都有明显效果，可接受处理的材质也比较广泛。

真空高压气冷等温淬火

形状复杂的较大工件从高温连续进行快速冷却时容易产生变形甚至裂纹。以往可用盐浴等温淬火解决。在单室真空高压气冷淬火炉中能否进行气冷等温淬火呢？在带有对流加热功能的单室高压气冷淬火炉中对两组φ320mm×120mm两块叠装的碳素结构钢用不同冷却方式淬火后的对化结果。一组是在1020℃加热后，在600kPa压力下连续用高纯氮气冷却（风向是上、下相互交替，40s切换一次）的结果。另一组是对试样表面、心部进行 370℃时的控制冷却。从两组曲线的对比可以看出，心部温度通过500℃的时间（半冷时间）只差约2min。从表面进行控制冷却开始到心部温度到达 370℃附近，需27min。由此可见，在单室真空高压气淬火炉进行等温气冷淬火是可行的。

真空清洗与干燥技术

有的热处理还离不开清洗干燥工序，尤其需油冷的各类热处理，清洗干燥的任务更繁重、难度也更大。国际上使用效果最佳的清洗剂是卤素系清洗剂。发达国家，如日本使用的卤素系清洗剂的比例如表1所示。其中三氯乙烷、氟里昂因属破坏大气臭氧层物质，已被禁止使用。其他卤素系物质也因对生态环境、人、畜有害而被限制使用。所以各国都在研究各种替代型的清洗干燥技术。

零件经真空热处理后，畸变小，质量高，且工艺本身操作灵活，无公害。因此真空热处理不仅是某些特殊合金热处理的必要手段，而且在一般工程用钢的热处理中也获得应用，特别是工具、模具和精密耦件等，经真空热处理后使用寿命较一般热处理有较大的提高。例如某些模具经真空热处理后，其寿命比原来盐浴处理的高40～400%，而有许多工具的寿命可提高3～4倍左右。此外，真空加热炉可在较高温度下工作，且工件可以保持洁净的表面，因而能加速化学热处理的吸附和反应过程。因此，某些化学热处理，如渗碳、渗氮、渗铬、渗硼，以及多元共渗都能得到更快、更好的效果。

真空热处理与普通热处理的区别

真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。真空热处理是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的，真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，但热处理质量大大提高。与常规热处理相比，真空热处理的同时，可实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂除气等作用，从而达到表面光亮净化的效果。

而且真空热处理的价格高是因为设备贵，耗能多；每炉重量小是因为真空腔体小，容易抽真空；真空热处理后的工件比普通热处理工件抗氧化和耐腐蚀性强，且微观结构更为致密。2100433B

主要特点

(1)严格的真空密封：众历周知，金属零件进行真空热处理均在密闭的真空炉内进行，因此，获得和维持炉子原定的漏气率，保证真空炉的工作真空度，对确保零件真空热处理的质量有着非常重要的意义。所以真空热处理炉的一个关键问题，就是要有可靠的真空密封结构。为了保证真空炉的真空性能，在真空热处理炉结构设计中必须道循一个基本原则，就是炉体要采用气密焊接，同时在炉体上尽量少开或者不开孔，少采用或者避免采用动密封结构，以尽量减少真空泄漏的机会。安装在真空炉体上的部件、附件等如水冷电极、热电偶导出装置也都必须设计密封结构。

(2)大部分加热与隔热材料只能在真空状态下使用：真空热处理炉的加热与隔热衬料是在真空与高温下工作的，因而对这些材料提出了耐高温，蒸汽压低，辐射效果好，导热系数小等要求。对抗氧化性能要求不高。所以，真空热处理炉广泛采用了钽、钨、钼和石墨等作加热与隔热构料。这些材料在大气状态下极易氧化，因此，常规热处理炉不能采用这些加热与隔热材料。

(3)水冷装置，真空热处理炉的炉壳、炉盖、电热元件导别处置(水冷电极)、中间真空隔热门等部件，均在真空、受热状态下工作。在这种极为不利的条件下工作，必须保证各部件的结构不变形、不损坏，真空密封圈不过热、不烧毁。因此，各部件应该根据不同的情况设置水冷装置，以保证真空热处理炉能够正常运行并有足够的使用寿命。

(4)采用低电压大电流：在真空容器内，当真空空度为几托一lxlo-1托的范围内时，真空容器内的通电导体在较高的电压下，会产生辉光放电现象。在真空热处理炉内，严重的会产生弧光放电，烧毁电热元件、隔热层等，造成重大事故和损失。因此，真空热处理炉的电热元件的工作电压，一般都不超过80一100伏。同时在电热元件结构设计时要采取有效措施，如尽量避免有尖端的部件，电极间的间距不能太小窄，以防止辉光放电或者弧光放电的发生。

(5)自动化程度高：真空热处理炉的自动化程度之所以较高，是因为金属工件的加热、冷却等操作，需要十几个甚至几十个动作来完成。这些动作内在真空热处理炉内进行，操作人员无法接近。同时，有些动作如加热保温结束后，金属工件进行淬火工序须六、六个动作并且要在15秒钟以内完成。在这样迅速的条件来完成许多动作，是很容易造成操作人员的紧张而构成误操作。因此，只有较高的目动化才能准确、及时按程序协调动。2100433B

真空热处理即真空技术与热处理两个专业相结合的综合技术，是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的。我国将真空划分为低、中、高和超高真空。目前大多数真空热处理炉的工作真空度在1.33~1.33×10ˉ³Pa。 真空热处理几乎可实现全部热处理工艺，如淬火、退火、回火、渗碳、氮化，在淬火工艺中可实现气淬、油淬、硝盐淬火、水淬等，还可以进行真空钎焊、烧结、表面处理等。真空热处理炉热效率高，可实现快速升温和降温，可实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂除气等作用，从而达到表面光亮净化的效果。一般来说，被处理的工件在炉内加热缓慢，内热温差较小，热应力小，因而变形小。产品合格率高。可降低成本，有除气作用，从而提高了工作的机械性能和使用寿命。工作环境好，操作安全，没有污染和公害。被处理的工件没有氢脆危险，对钛材和难熔金属壳防止表面氢脆，真空热处理工艺的稳定性和重复性好。这一系列的优点，开发真空热处理设备和工艺被越来越重视和应用越来越广。

一般金属材料在空气炉中加热，由于空气中存在氧气、水蒸气、二氧化碳等氧化性气体，这些气体与金属发生氧化作用易使被加热的金属表面产生氧化膜或氧化皮，完全失去原有的金属光泽。同时这些气体还要与金属中的碳发生反应，使其表面脱碳。如果炉中含有一氧化碳或甲烷气体，还会使金属表面增碳。对于化学性质非常活泼的Ti、Zr以及难溶金属W、Mo、Nb、Ta等，在空气炉中加热，除了要生成氧化物、氢化物、氮化物外，还要吸收这些气体并向金属内部扩散，使金属材料的性能严重恶化。这些氧化、脱碳、增碳、吸气甚至产生腐蚀等弊病，在可控气氛炉或盐浴炉中加热，有时也难以避免。为解决这一问题，通常的做法是在工件热处理前留有加工余量，热处理后在加工去掉氧化、脱碳层等。

第1章 真空热处理基础 1

1.1 有关真空的基本概念 1

1.1.1 真空 1

1.1.2 真空度 1

1.1.3 真空区域的划分 2

1.1.4 常用的真空技术名词 4

1.2 真空热处理的发展过程 4

1.2.1 真空淬火炉发展情况 5

1.2.2 真空热处理工艺的发展 5

1.3 真空热处理工艺原理 5

1.3.1 金属在真空状态下加热过程的特点 5

1.3.2 金属在真空淬火时的冷却 13

第2章 真空热处理工艺 17

2.1 真空退火 17

2.1.1 高温、难熔金属的退火 17

2.1.2 钢铁材料及其铜合金的退火 19

2.1.3 电工钢及磁合金的退火 22

2.2 真空淬火与回火 24

2.2.1 真空淬火 24

2.2.2 真空回火 33

2.3 真空渗碳与离子渗碳 38

2.4 真空脉冲渗氮及离子渗氮 49

2.4.1 真空脉冲渗氮 49

2.4.2 离子渗氮 53

2.5 真空氮碳( 碳氮) 共渗及离子氮碳( 碳氮) 共渗 61

2.5.1 真空( 脉冲) 氮碳共渗 61

2.5.2 真空碳氮共渗 62

2.5.3 离子氮碳共渗 64

2.5.4 离子碳氮共渗 68

2.6 真空渗硼及其真空渗铬 70

2.6.1 真空渗硼 70

2.6.2 真空渗铬 70

2.7 真空淬火后的工件的性能与使用寿命 72

第3章 真空热处理设备 73

3.1 概述 73

3.1.1 真空热处理炉的发展概况 73

3.1.2 真空炉类型、特点与应用 74

3.2 内热式与外热式真空炉 87

3.2.1 内热式真空热处理炉 87

3.2.2 外热式真空热处理炉 91

3.2.3 外热式与内热式真空炉的比较 95

3.2.4 国内真空炉制造厂家 95

3.3 真空淬火炉 100

3.3.1 真空气淬炉 100

3.3.2 油淬及油气真空炉 111

3.3.3 水淬真空炉及多用途真空炉 118

3.4 真空退火炉与回火炉 119

3.4.1 真空退火炉 119

3.4.2 真空回火炉 125

3.5 真空化学热处理炉 133

3.5.1 真空渗碳炉 134

3.5.2 离子渗氮炉 138

3.6 真空炉的操作、安全与维修技术 155

3.6.1 真空炉使用前的准备工作 155

3.6.2 真空淬火炉的操作、维护及常见故障的排除方法 156

3.6.3 离子渗氮炉的操作要点与维修 159

3.6.4 常用真空检漏法 162

第4章 真空热处理质量控制 163

4.1 真空热处理的应用与要求 163

4.2 真空热处理工艺制定原则 164

4.3 真空热处理工艺参数的确定 169

4.3.1 合金结构钢的真空热处理工艺参数 170

4.3.2 弹簧钢的真空热处理工艺参数 172

4.3.3 轴承钢的真空热处理工艺参数 172

4.3.4 合金工具钢的真空热处理工艺参数 173

4.3.5 高速钢的真空热处理工艺参数 174

4.3.6 模具钢的真空热处理工艺参数 175

4.3.7 高强度钢和超高强度钢的真空热处理 178

4.3.8 不锈钢的真空热处理 180

4.3.9 高温合金的真空热处理 182

4.3.10 钛合金的真空热处理 183

4.4 真空热处理质量控制 183

4.4.1 影响工件真空热处理质量的因素 184

4.4.2 真空淬火的质量效果 185

4.4.3 真空回火的质量效果 186

4.4.4 真空热处理质量检验 186

4.4.5 真空热处理缺陷的分析及措施 206

第5章 真空热处理的典型应用实例 228

5.1 金属机床与齿轮零件的真空热处理应用实例 228

5.2 轴承、标准件与弹簧的真空热处理应用实例 235

5.3 汽车、拖拉机、柴油机等零件的真空热处理应用实例 237

5.4 工模量具的真空热处理应用实例 241

5.4.1 工具的真空热处理 241

5.4.2 模具的真空热处理 245

5.4.3 量具的热处理 272

5.5 其他零件的真空热处理 274

第6章 真空热处理技术的进展 280

6.1 真空热处理设备的进展 280

6.2 真空热处理技术的新进展 292

6.2.1 真空热处理自动化在线控制系统 292

6.2.2 热等压( 真空) 淬火技术 292

6.2.3 ICBP 系列低压渗碳技术及低压渗碳多用炉( ICBP ) 293

6.2.4 VCQ2 型智能型真空渗碳淬火炉( 金属热处理2012.1 ) 297

6.2.5 VZKQ 式多用途真空炉 301

6.2.6 VNKQ 型连续式多室真空炉生产线 301

6.2.7 Modul Therm 型往复式( 梭式) 模块化多用真空炉生产线 303

6.2.8 我国燃气式真空热处理炉技术研究开发 303

6.2.9 WZDGQ30 型单室真空高压气淬炉研制 307

6.2.10 真空炉强制对流及连续高压气冷技术 310

6.2.11 WZLQH 型真空铝钎焊炉研制开发 313

6.2.12 真空清洗设备与技术 315

6.3 真空热处理技术的发展趋势与展望 325

参考文献 328 2100433B