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高頻淬火和真空熱處理

來源: | 作者:鼎言熱處理 | 發(fā)布時間: 2019-10-15 | 5009 次瀏覽 | 分享到:

術(shù)要點真空高壓氣冷淬火技術(shù)
真空高壓氣冷等溫淬火
真空滲氮技術(shù)
真空清洗與干燥技術(shù)
歷史起源
模具的真空熱處理工藝
技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)要點真空高壓氣冷淬火技術(shù) 真空高壓氣冷等溫淬火
真空滲氮技術(shù)

高頻淬火多數(shù)用于工業(yè)金屬零件表面淬火，是使工件表面產(chǎn)生一定的感應(yīng)電流，迅速加熱零件表面，然后迅速淬火的一種金屬熱處理方法。感應(yīng)加熱設(shè)備，即對工件進(jìn)行感應(yīng)加熱，以進(jìn)行表面淬火的設(shè)備。感應(yīng)加熱的原理：工件放到感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器一般是輸入中頻或高頻交流電 (1000-300000Hz或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800-1000ºC，而心部溫度升高很小

　感應(yīng)加熱頻率的選擇：根據(jù)熱處理及加熱深度的要求選擇頻率，頻率越高加熱的深度越淺。　　高頻(10KHZ以上)加熱的深度為0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等。　　中頻(1~10KHZ)加熱深度為2-10mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。　　工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為10-20mm，一般用于較大尺寸零件的透熱，大直徑零件（直徑Ø300mm以上，如軋輥等）的表面淬火。　　感應(yīng)加熱淬火表層淬硬層的深度，取決于交流電的頻率，一般是頻率高加熱深度淺，淬硬層深度也就淺。頻率f與加熱深度δ的關(guān)系，有如下經(jīng)驗公式：δ=20/√f(20°C)；δ=500/√f(800°C)。　　式中：f為頻率，單位為Hz；δ為加熱深度，單位為毫米（mm）。　　感應(yīng)加熱表面淬火具有表面質(zhì)量好，脆性小，淬火表面不易氧化脫碳，變形小等優(yōu)點，所以感應(yīng)加熱設(shè)備在金屬表面熱處理中得到了廣泛應(yīng)用。　　感應(yīng)加熱設(shè)備是產(chǎn)生特定頻率感應(yīng)電流，進(jìn)行感應(yīng)加熱及表面淬火處理的設(shè)備。
編輯本段感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用
一、應(yīng)用
　　承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變負(fù)荷作用的工件，要求表面層承受比心部更高的應(yīng)力或耐磨性，需對工件表面提出強(qiáng)化要求，適于含碳量We=0.40～0.50%鋼材。
二、工藝方法
　　快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合。　　通過快速加熱使待加工鋼件表面達(dá)到淬火溫度，不等熱量傳到中心即迅速冷卻，僅使表層淬硬為馬氏體，中心仍為未淬火的原來塑性、韌性較好的退火（或正火及調(diào)質(zhì)）組織。
三、主要方法
　　感應(yīng)加熱表面淬火（高頻、中頻、工頻）,火焰加熱表面淬火，電接觸加熱表面淬火，電解液加熱表面淬火，激光加熱表面淬火，電子束加熱表面淬火。　　 CH-40KW高頻機(jī)
[1]
編輯本段表面淬火原理
(一）基本原理：
　　將工件放在用空心銅管繞成的感應(yīng)器內(nèi)，通入中頻或高頻交流電后，在工件表面形成同頻率的的感應(yīng)電流，將零件表面迅速加熱（幾秒鐘內(nèi)即可升溫800～1000度，心部仍接近室溫）后立即噴水冷卻（或浸油淬火)，使工件表面層淬硬。(如下面動畫所示)
(二）加熱頻率的選用
　　室溫時感應(yīng)電流流入工件表層的深度δ（mm）與電流頻率f（HZ）的關(guān)系為　　頻率升高，電流透入深度降低，淬透層降低。　　常用的電流頻率有：　　1、高頻加熱：100～500KHZ，常用200～300KHZ，為電子管式高頻加熱，淬硬層深為0.5～2.5mm，適于中小型零件。　　2、中頻加熱：電流頻率為500～10000HZ，常用2500～8000HZ，電源設(shè)備為機(jī)械式中頻加熱裝置或可控硅中頻發(fā)生器。淬硬層深度2～10 mm。適于較大直徑的軸類、中大齒輪等。　　3、工頻加熱：電流頻率為50HZ。采用機(jī)械式工頻加熱電源設(shè)備，淬硬層深可達(dá)10～20mm，適于大直徑工件的表面淬火。
(三）、感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用：
　　與普通加熱淬火比較具有：　　
1、加熱速度極快，可擴(kuò)大A體轉(zhuǎn)變溫度范圍，縮短轉(zhuǎn)變時間。　　
2

、淬火后工件表層可得到極細(xì)的隱晶馬氏體，硬度稍高（2～3HRC）。脆性較低及較高疲勞強(qiáng)度。　　
3、經(jīng)該工藝處理的工件不易氧化脫碳，甚至有些工件處理后可直接裝配使用。　　4、淬硬層深，易于控制操作，易于實現(xiàn)機(jī)械化，自動化。　　五、火焰表面加熱淬火　　適于中碳鋼35、45鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr及65Mn、灰口鑄鐵、合金鑄鐵的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤氣-氧混合氣燃燒的火焰噴射快速加熱工件。工件表面達(dá)到淬火溫度后，立即噴水冷卻。淬硬層深度為2～6mm，否則會引起工件表面嚴(yán)重過熱及變形開裂。　　表1 初試工藝及結(jié)果　　陽壓/kV 陽流/A 柵流/A 加熱時間/s 冷卻介質(zhì) 淬硬層深度/mm 硬度/HRC 脫碳層深度/mm
11 3 0.6 8 自來水浸淬 3.4-3.9 54 0.15
　　序號工藝參數(shù) 檢測結(jié)果
陽壓/kV 陽流/A 柵流/A 加熱時間/s 冷卻介質(zhì) 淬硬層深度/mm 硬度/HRC 脫碳層深度/mm 裂紋
1 11.0 2.4 0.50 7.0 自來水浸淬 3.2-3.8 54 0.120 發(fā)現(xiàn)幾條細(xì)小裂紋
2 10.5 2.4 0.40 6.5 自來水浸淬 3.2-3.7 55 0.100 存在
3 10.5 2.2 0.35 5.5 自來水浸淬 2.8-3.3 55 0.030 存在
4 10.5 2.2 0.35 5.0 自來水浸淬 2.5-3.1 55 0.005 存在

鈦合金真空熱處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

真空熱處理技術(shù)是根據(jù)組織性能要求和構(gòu)件材料的相變規(guī)律，選擇適合的冷卻介質(zhì)，使得真空加熱的材料和構(gòu)件在真空環(huán)境下按照要求的冷卻速度冷卻至出爐溫度。真空熱處理常用冷卻介質(zhì)包括：真空淬火油、非含氧氣體和水，選擇不同的冷卻介質(zhì)具有不同的冷卻速率[6]，如圖3所示。

1.真空油淬冷卻技術(shù)

真空油淬冷卻利用的冷卻介質(zhì)為真空淬火油，該技術(shù)可以替代鹽浴、氣氛保護(hù)熱處理，在獲得理想的心部組織和力學(xué)性能的同時，保證表面的光潔，特別適用于中、高合金鋼的淬火。

目前，真空油淬技術(shù)在我國熱處理行業(yè)應(yīng)用廣泛，通過長期的設(shè)備、工藝、淬火油品質(zhì)的改進(jìn)，真空油淬技術(shù)較為成熟。但是，由于其冷卻速率較慢（低于水淬），在鈦合金熱處理過程中如果控制不得當(dāng)，容易形成脆性ω相；另一方面，鈦合金工件高溫加熱入油后，在工件表面與油蒸汽接觸反應(yīng)瞬間形成增碳，不利于鈦合金性能的提高，因此不太適用于鈦合金的真空熱處理。

真空熱處理科技名詞定義
中文名稱：真空熱處理英文名稱：vacuum heat treatment 定義：在低于一個大氣壓的環(huán)境中進(jìn)行加熱的熱處理工藝。所屬學(xué)科：機(jī)械工程（一級學(xué)科）；機(jī)械工程
(2)_熱處理（二級學(xué)科）；整體熱處理（三級學(xué)科）本內(nèi)容由全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定公布
百科名片
真空熱處理是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，真空熱處理可以實現(xiàn)幾乎所有的常規(guī)熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質(zhì)量大大提高。與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理的同時，可實現(xiàn)無氧化、無脫碳、無滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達(dá)到表面光亮凈化的效果。

目錄

技術(shù)要點真空高壓氣冷淬火技術(shù)
真空高壓氣冷等溫淬火
真空滲氮技術(shù)
真空清洗與干燥技術(shù)
歷史起源
模具的真空熱處理工藝
技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)要點真空高壓氣冷淬火技術(shù) 真空高壓氣冷等溫淬火
真空滲氮技術(shù)
真空清洗與干燥技術(shù)
歷史起源
模具的真空熱處理工藝
技術(shù)的應(yīng)用
展開編輯本段技術(shù)要點
真空高壓氣冷淬火技術(shù)
　　當(dāng)前真空高壓氣冷淬火技術(shù)發(fā)展較快，相繼出現(xiàn)了負(fù)壓（＜1×105Pa）高流率氣冷、加壓（1×105～4×105Pa）氣冷、高壓（5× 105～10×105Pa）氣冷、超高壓一（10×105～20×105Pa）氣冷等新技術(shù)，不但大幅度提高了真空氣冷淬火能力，且淬火后工件表面光亮度好，變形小，還有高效、節(jié)能、無污染等優(yōu)點。　　真空高壓氣冷淬火的用途是材料的淬火和回火，不銹鋼和特殊合金的固溶、時效，離子滲碳和碳氮共滲，以及真空燒結(jié)，釬焊后的冷卻和淬火。　　用6×105Pa高壓氮氣冷卻淬火時、被冷卻的負(fù)載只能是松散型的，高速鋼（W6Mo5Cr4V2）可淬透至70～100mm，高合金熱作模具鋼（如 4Cr5MoSiV）可達(dá)25～100mm。　　用10×105Pa高壓氮氣冷卻淬火時，被冷卻負(fù)載可以是密集型的，比6×105Pa冷卻時負(fù)載密度提高約30％～4O％。　　用20×105Pa超高壓氮氣或氦氣和氮氣的混合氣冷卻淬火時，被冷卻負(fù)載是密集的并可捆綁在一起。其密度較6×105Pa氮氣冷卻時提高80％～150％，可冷卻所有的高速鋼、高合金鋼、熱作工模具鋼及Cr13％的鉻鋼和較多的合金油淬鋼，如較大尺寸的9Mn2V鋼。　　具有單獨冷卻室的雙室氣冷淬火爐的冷卻能力優(yōu)于相同類型的單室爐。2×105Pa氮氣冷卻的雙室爐的冷卻效果和4×105Pa的單室爐相當(dāng)。但運(yùn)行成本、維修成本低。由于我國基礎(chǔ)材料工業(yè)（石墨、鉬材等）和配套元器件（電動機(jī)）等水平有待提高。所以在提高6×105Pa單室高壓真空護(hù)質(zhì)量的同時，發(fā)展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國的國情。
真空高壓氣冷等溫淬火
　　形狀復(fù)雜的較大工件從高溫連續(xù)進(jìn)行快速冷卻時容易產(chǎn)生變形甚至裂紋。以往可用鹽浴等溫淬火解決。在單室真空高壓氣冷淬火爐中能否進(jìn)行氣冷等溫淬火呢？圖1為在帶有對流加熱功能的單室高壓氣冷淬火爐中對兩組φ320mm×120mm兩塊疊裝的碳素結(jié)構(gòu)鋼用不同冷卻方式淬火后的對化結(jié)果。圖中一組曲線是在102O℃加熱后，在6×105Pa壓力下連續(xù)用高純氮氣冷卻（風(fēng)向是上、下相互交替，40s切換一次）的結(jié)果。另一組是對試樣表面、心部進(jìn)行 370℃時的控制冷卻。從兩組曲線的對比可以看出，心部溫度通過50O℃的時間（半冷時間）只差約2min。從表面進(jìn)行控制冷卻開始到心部溫度到達(dá) 370℃附近，需27min。由此可見，在單室真空高壓氣淬火爐進(jìn)行等溫氣冷淬火是可行的。
真空滲氮技術(shù)
　　真空滲氮是使用真空爐對鋼鐵零件進(jìn)行整體加熱、充入少量氣體，在低壓狀態(tài)下產(chǎn)生活性氮原子滲入并向鋼中擴(kuò)散而實現(xiàn)硬化的；而離子滲氮是靠暉光放電產(chǎn)生的活性N離子轟擊并僅加熱鋼鐵零件表面，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成核化物實現(xiàn)硬化的。　　真空滲氛時，將真空爐排氣至較高真空度0.133Pa（1×10-3Torr）后，將工件升至，530～560℃，同時送入以氨氣為主的，含有活性物質(zhì)的多種復(fù)合氣體，并對各種氣體的送入量進(jìn)行精確控制，爐壓控制在0.667Pa（5Torr），保溫3～5h后，用爐內(nèi)惰性氣體進(jìn)行快速冷卻。不同的材質(zhì)，經(jīng)此處理后可得到滲層深為20～80μm、硬度為600～1500HV的硬化層。　　真空滲氮有人稱為真空排氣式氮碳共滲，其特點是通過真空技術(shù)，使金屬表面活性化和清凈化。在加熱、保溫、冷卻的整個熱處理過程中，不純的微量氣體被排出，含活性物質(zhì)的純凈復(fù)合氣體被送入，使表面層相結(jié)構(gòu)的調(diào)整和控制、質(zhì)量的改善、效率的提高成為可能。經(jīng)X射線衍射分析證實，真空滲氮處理后，滲層中的化合物層是ε單相組織，沒有其他脆性相（如Fe3C、Fe3O4）存在，所以硬度高，韌性好，分布也好?！鞍讓印眴蜗唳呕衔飳涌蛇_(dá)到的硬度和材質(zhì)成分有關(guān)。材質(zhì)中含Cr量越高，硬度也呈增加趨勢。Cr13％時，硬度可達(dá)到1200HV；含Cr18％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同）時，硬度可達(dá) 1500HV；含Cr25％時，硬度可達(dá)1700HV。無脆性相的單相ε化合物層的耐磨性比氣體氮碳共滲組織的耐磨性高，抗摩擦燒傷、抗熱膠合、抗熔敷、抗熔損性能都很優(yōu)異。但該“白層”的存在對有些模具和零件也有不利之處，易使鍛模在鍛造初期引起龜裂，焊接修補(bǔ)時易生成針孔。真空滲氮還有一個優(yōu)點，就是通過對送入爐內(nèi)的含活化物質(zhì)的復(fù)合氣體的種類和量的控制，可以得到幾乎沒有化合物層（白層），而只有擴(kuò)散層的組織。其原因可能是在真空爐排氣至 0.l33Pa（1×10-3Torr）后形成的，另一個原因是帶有活性物質(zhì)的復(fù)合氣體在短時間內(nèi)向鋼中擴(kuò)散形成的組織。這種組織的優(yōu)點是耐熱沖擊性、抗龜裂性能優(yōu)異。因而對實施高溫回火的熱作模具，如用高速鋼或4Cr4MoSiV（H13）鋼制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐熱沖擊性好、抗龜裂而又有韌性的綜合性能；但僅有擴(kuò)散層組織時，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔損性能不夠好。由于模具或機(jī)械零件的服役條件和對性能的要求不一，在進(jìn)行表面熱處理時，必需調(diào)整表面層的組織和性能。真空滲氮除應(yīng)用于工模具外，對提高精密齒輪和要求耐磨耐蝕的機(jī)械零件以及彈簧等的性能都有明顯效果，可接受處理的材質(zhì)也比較廣泛。
真空清洗與干燥技術(shù)
　　目前有的熱處理還離不開清洗干燥工序，尤其需油冷的各類熱處理，清洗干燥的任務(wù)更繁重、難度也更大。國際上使用效果最佳的清洗劑是鹵素系清洗劑。發(fā)達(dá)國家，如日本使用的鹵素系清洗劑的比例如表1所示。其中三氯乙烷、氟里昂因?qū)倨茐拇髿獬粞鯇游镔|(zhì)，已被禁止使用。其他鹵素系物質(zhì)也因?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境、人、畜有害而被限制使用。所以各國都在研究各種替代型的清洗干燥技術(shù)。
編輯本段歷史起源
　　真空熱處理是將金屬工件在 1個大氣壓以下(即負(fù)壓下)加熱的金屬熱處理工藝。　　20世紀(jì)20年代末，隨著電真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了真空熱處理工藝，當(dāng)時還僅用于退火和脫氣。由于設(shè)備的限制，這種工藝較長時間未能獲得大的進(jìn)展。60～70年代，陸續(xù)研制成功氣冷式真空熱處理爐、冷壁真空油淬爐和真空加熱高壓氣淬爐等，使真空熱處理工藝得到了新的發(fā)展。在真空中進(jìn)行滲碳，在真空中等離子場的作用下進(jìn)行滲碳、滲氮或滲其他元素的技術(shù)進(jìn)展，又使真空熱處理進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
編輯本段模具的真空熱處理工藝
　　熱處理的發(fā)展是伴隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，機(jī)械制造又對熱處理提出了更新更高的要求，模具的熱處理又是熱處理中技術(shù)含量最高的部分。　　眾所周知，模具熱處理就是為了發(fā)揮模具材料的潛力，提高模具的使用性能。模具的性能必須滿足：高的強(qiáng)度，(包括高溫強(qiáng)度，抗冷熱疲勞性能)高的硬度(耐磨性能)和高的韌性，并且還要求有良好的機(jī)械加工性、(包括良好的拋光性)可焊接性及抗腐蝕性等等。　　對模具壽命影響最大的是模具的設(shè)計(包括了正確的選擇材料)模具的材料，模具的熱處理，模具的使用和維護(hù)等。如果模具的設(shè)計合理，材料優(yōu)質(zhì)，那么熱處理的好壞直接決定了模具的使用壽命。目前國內(nèi)外都在設(shè)法采用更先進(jìn)的熱處理手段來提高模具的性能延長模具的使用壽命。而真空熱處理則是模具熱處理中較先進(jìn)的方式之一。所以從模具熱處理來看，熱處理加工設(shè)備的狀態(tài)、熱處理的工藝、生產(chǎn)過程的控制顯得尤為重要。而設(shè)備的先進(jìn)性是保證先進(jìn)工藝實現(xiàn)的前提。真空高壓氣淬爐是實現(xiàn)真空熱處理最為理想的設(shè)備。真空爐具有不脫碳，不氧化的效果，具有溫度均勻，加熱和冷卻速度可控，可以實現(xiàn)不同的工藝過程，真空爐由于沒有污染，是國際上公認(rèn)的“綠色熱處理”?，F(xiàn)在國際上已有2-20bar的真空高壓氣淬爐，可以完全滿足模具的真空熱處理的要求。　　模具熱處理過程中，所采用的工藝參數(shù)對模具性能也有著至關(guān)重要的影響：它包括了加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻方式、冷卻速度等。正確的熱處理工藝參數(shù)可以保證模具獲得最佳性能，反之，將產(chǎn)生不良甚至嚴(yán)重后果。實踐表明，正確的熱處理工藝可以獲得優(yōu)良的組織，優(yōu)良的組織形態(tài)才能保證優(yōu)良的機(jī)械性能。合適的工藝方法可以有效的控制模具熱處理時的變形和開裂。從實踐中發(fā)現(xiàn)：模具在加熱和冷卻過程中，模具表面溫度和心部溫度的差異(加熱的不均勻性和冷卻的不均勻性)是造成模具變形的主要因素。(真空爐具有控制加熱速度和冷卻速度的能力)。不同的工藝方法可以使模具滿足不同的使用條件和不同的性能要求。　　從模具的使用壽命來看，滿足硬度的要求只是達(dá)到模具技術(shù)要求的一個方面，它還有些性能要求是不好測量的，如強(qiáng)度韌性等等。模具質(zhì)量的好壞并不能完全用硬度指標(biāo)來進(jìn)行認(rèn)定，它不可能用硬度測量方法最終來檢驗出模具的使用壽命，熱處理作為特殊工序(即特殊過程)，它只能通過工藝驗證，性能實驗，確認(rèn)合理的工藝參數(shù)，并嚴(yán)格實施經(jīng)確認(rèn)的工藝參數(shù)(工序過程控制)來保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。大量數(shù)據(jù)表明，真空熱處理加工的冷沖模具變形較小、很少發(fā)生線切割開裂、磨裂的現(xiàn)象。壓鑄模采用先進(jìn)的工藝方法，在一定程度上減少模具的龜裂以及使用中粘模的現(xiàn)象。　　總而言之，真空高壓氣淬工藝具有加熱和冷卻速度自由控制的優(yōu)點，可以編制不同的工藝參數(shù)，得到預(yù)想的金相組織和性能。
編輯本段技術(shù)的應(yīng)用
　　零件經(jīng)真空熱處理后，畸變小，質(zhì)量高，且工藝本身操作靈活，無公害。因此真空熱處理不僅是某些特殊合金熱處理的必要手段，而且在一般工程用鋼的熱處理中也獲得應(yīng)用，特別是工具、模具和精密耦件等，經(jīng)真空熱處理后使用壽命較一般熱處理有較大的提高。例如某些模具經(jīng)真空熱處理后，其壽命比原來鹽浴處理的高40～400％，而有許多工具的壽命可提高3～4倍左右。此外，真空加熱爐可在較高溫度下工作，且工件可以保持潔凈的表面，因而能加速化學(xué)熱處理的吸附和反應(yīng)過程。因此，某些化學(xué)熱處理，如滲碳、滲氮、滲鉻、滲硼，以及多元共滲都能得到更快、更好的效果。

真空熱處理