真空热处理技术

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

本书主要介绍了真空热处理技术的基础、工艺、设备、质量控制、实例以及该技术的进展，内容翔实，实用性强，在生产实践中具有重要的参考价值，可供从事热处理的技术人员与管理人员参考，亦可作为热处理专业师生的参考书籍。

刀具真空热处理技术具有一系列突出的优点：真空热处理具有防氧化的作用。表面不氧化、不脱碳、并有还原除锈作用，省却刀具的粗加工工序，可节约昂贵的刀具钢材和原辅材料的消耗，节省加工时间，降低产品成本；真空热处理具有真空脱气、脱脂作用并无氢脆危险，防止刀具材料难熔金属的表面脆化，使刀具材料表面纯度提高，提高刀具的疲劳强度、塑性和韧性及耐腐蚀性，提高刀具的使用寿命；真空热处理具有淬火变形小，可减少常规淬火变形的校正应力存在，降低刀片使用过程中断裂的可能性，真空热处理刀片的变形为盐浴淬火的1/2-1/10，淬火后一般不需要校正就可精磨加工至成品；真空热处理工艺的稳定性和重复性好。一旦工艺确定，只要输入工艺程序，热处理操作将自动运行。避免常规热处理工艺不稳定造成的刀具质量波动；真空热处理耗电少，电能消耗为常规热处理的80%，生产成本低，但一次性投资成本大；真空热处理操作安全、自动化程度高，工作环境好，无污染无公害，符合我国工业企业清洁生产和持续发展的要求。

深冷技术在刀具产品上的应用是从模具工业应用演变而来。深冷处理与热处理一样，它与材料特性，处理温度，处理速度有很大关系，不同的处理方法其效果有明显不同。深冷技术是对材料在低于－130℃进行处理的一种工艺方法，深冷处理不仅可以显著提高刀具的力学性能和使用寿命，稳定尺寸，改善均匀性、减少变形，而且操作简便，不破坏工件，无污染，成本低，对刀具质量的提高有很大的帮助。2100433B

《真空低压渗碳高压气淬热处理技术要求》（GB/T 39194-2020）有利于促进中国机械制造及环保事业的发展，为努力构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系具有重要意义。 2100433B

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。