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真空熱處理技術的應用
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作者:鼎言熱處理
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發(fā)布時間: 2019-10-30
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真空熱處理技術的應用
由于真空熱處理具有的一系列特點,使得這項現(xiàn)代的新工藝得到了快速發(fā)展和廣泛應用。從處理材料來看,該工藝可以處理碳鋼、不銹鋼、合金鋼、耐熱合金、磁性材料、鈦及鈦合金、鋯及鋯合金、工具鋼(含模具鋼、刃具鋼)。從產(chǎn)品的構件來看,航空工業(yè)中的飛機機翼大梁、起落架、髙強度螺栓等結構件,機械制造中的齒輪、軸類、工具、夾具、模具等都需要進行真空熱處理。從應用的工藝領域來看,在機槭、冶金、能源、交通、航天、航空、航海、兵器、建筑、輕工、紡織、化工、石油、電子、電器等行業(yè)都需要真空熱處理。真空熱處理在機械、電子產(chǎn)品更新?lián)Q代,提高產(chǎn)品質量,節(jié)能降耗,發(fā)揮材料潛力,提高產(chǎn)品壽命方面都有重要作用,下面分類介紹
1.真空退火
真空退火的特點
由于在真空加熱中,有脫氣、脫脂、清除銹跡的作用,溶解于金屬中的氣體容易排出去,所以真空退火后的零件表面清潔、光亮。真空退火時經(jīng)過壓力加工產(chǎn)生變形的晶粒得到恢復,同時形成新的晶粒,使得組織得到均勻細化,因而改變了材料的力學性能。真空退火之后材料表面沒有潤滑劑的痕跡,表面干燥,可以不經(jīng)過酸洗或噴砂的清潔工序就可以直接電鍍,達到實現(xiàn)縮短工藝流程、提高產(chǎn)品質量的目的1.3.1.2真空退火應用范圍
(1)難熔金屬的退火。鉬、鎢、鉭、鈷、釩、鋯等金屬熔點很高,而且又極易氧化,易被耐火材料污染,在加工時強度和硬度又很高,如果其中含有氫、氧、氮等氣體,會使材料延展性變差,為了把它們變成型材,則必須經(jīng)過真空退火之后,軟化了這些材料,再進行壓力加工
(2)軟磁合金的退火。軟磁合金一般采用真空熔煉和真空軋制獲得,因為它在溫度、壓力、輻射和機械負荷的作用下,還必須保證有穩(wěn)定的磁性,因此需要用真空退火處理
(3)硅鋼片的退火。為了排除硅鋼片中的氫、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體,清除氧化物和硫化物,消除內(nèi)應力和晶界畸變,提高磁感應強度,降低單位鐵損,需要真空退火。
(4)鐵鎳合金和鐵硅合金的退火。日的是改善組織結構,提高韌性
(5)電工鋼的退火。目的是提高塑性和均勻磁性
(6)不銹鋼的退火。目的是提高不銹鋼的抗晶間腐蝕能力
(7)結構鋼的退火。目的是提高強度和表面光亮度。
(8)鋼絲及熱電偶絲的退火。目的是獲得光亮的表面,消除加工應力,去除金屬絲中含有的氮和氧等有害氣體
2.真空淬火
真空淬火的主要目的是改善和強化金屬構件的質量,特別是表面層的質量。對于工具鋼而言,真空淬火后可以保證足夠的硬度要求,而且表面光亮度好,變形小,硬度高且均勻使用壽命長,后加工工藝簡單,生產(chǎn)周期短
鋼在真空淬火后,表面光亮是由于供給表面無氧化膜,附著在供給表面的油污雜質被揮發(fā),從而使金屬零件表面有光澤。真空淬火緩慢且均勻,氣冷淬火后工件原地冷卻不必移動,因此變形小且有規(guī)律。真空淬火后無氧化、脫碳,高合金工具鋼由于淬火加熱溫度高真空加熱后高活性的表面在油淬時將發(fā)生瞬時滲碳,形成一小層滲碳層,因此使真空淬火后的硬度比普通淬火時高而且均勻,不會出現(xiàn)淬火軟點。真空加熱時的脫氣作用可以提高材料的強度、耐磨性、抗咬合性能及疲勞強度,所以真空淬火后工件的壽命普遍較高。
3.真空高壓氣淬
真空高壓氣淬是在真空狀態(tài)下將被處理工件加熱,而后在高壓力、高流速的冷卻氣體中進行快速冷卻,提高被處理工件表面硬度的工藝過程之。真空高壓氣淬與普通氣淬、油淬、鹽浴淬火相比具有明顯的優(yōu)點:
①工件表面質量好、化、無增碳;
②淬火均勻性好、工件變形小;
③淬火強度可控性好,冷卻速度可以控制:
④生產(chǎn)率高,省掉了淬火后的清洗工作;
⑤無環(huán)境污染適合真空高壓氣淬的材料很多,主要有:高速鋼(如切削工具、金屬模、壓模、量規(guī)噴氣發(fā)動機用軸承)、工具鋼(鐘表零件、夾具、壓床)、模具鋼、軸承鋼等。
4.真空滲碳
真空滲碳原理
真空滲碳是將機械零件在真空中加熱,當達到鋼材臨界點溫度以上時,停留一段時間并進行脫氣及脫除氧化膜,然后通入經(jīng)過凈化的滲碳氣體(如CH4、C3、H8等),以進行滲碳及擴散。真空滲碳的滲碳溫度高,可達1030℃,滲碳速度快。滲碳零件經(jīng)脫氣、去氧化物而使表面活性提高,提高了隨后的擴散速度,滲碳與擴散反復交替進行,直到達到要求的表面濃度和深度為止。
真空滲碳的特點
真空滲碳深度與表面濃度可以控制;真空滲碳可以改變金屬零件表層的冶金學性質;真空滲碳有效滲碳深度比其他方法滲碳實際深度更深
主要應用
例如:齒輪真空滲碳、軸類零件真空滲碳、鉆井機零件真空滲碳、數(shù)據(jù)處理機零件等
5.真空回火
真空回火的目的是將真空淬火的優(yōu)勢(產(chǎn)品不氧化、不脫碳、表面光滑、無腐蝕污染等)保持下來,如果不采用真空回火,將失去真空淬火的優(yōu)越性。對熱處理后不進行精加工、需要進行多次高溫回火的精密工具更是如此真空回火的應用與真空淬火緊密相連,凡是真空淬火后的機械零部件,為了減少或消除淬火應力,保證相應的組織轉變,提高材料的塑性和韌性,獲得硬度和強度,穩(wěn)定工件尺寸等工藝需要,都要經(jīng)過真空回火處理。
真空熱處理技術的現(xiàn)狀
金屬的熱處理加工技術已經(jīng)有幾千年的歷史了,金屬的退火、淬火、回火、正火等技術在我國古代兵器加工中早有應用。真空熱處理的出現(xiàn)比較晚,1927年美國無線電公司研制出了VAC-10型真空熱處理爐。1949年美國芝加哥的企業(yè)將真空熱處理應用于生產(chǎn)中,這是真空熱處理技術工業(yè)應用的開始。20世紀60年代由于石墨材料的廣泛應用,加之宇航電子等工業(yè)的迫切需要,使真空熱處理得到飛速發(fā)展,出現(xiàn)了各種類型可適應不同工藝要求的真空爐,真空爐的技術性能、應用領域術,得到了許多工業(yè)領域的重視,取得了突飛猛進的發(fā)展
1.真空熱處理設備的發(fā)展情況
國際上的發(fā)展情況
(1)燃氣真空爐研制開發(fā)和應用。
(2)真空加壓氣淬爐的開發(fā)
(3)真空回火爐的開發(fā)。
（4)流態(tài)化真空爐的開發(fā)
(5)熱壁式真空滲碳爐的開發(fā)
(6)真空燒結爐的開發(fā)
(7)真空高壓氣淬爐智能控制系統(tǒng)的開發(fā)。
(8)多用途真空爐的開發(fā)
國內(nèi)發(fā)展情況
(1)真空氣淬爐。
目前我國主要真空高壓氣淬爐有:0.6 MPa VQG系列、0.2MPVPG系列、0.6MPa帶對流加熱系統(tǒng)的VQGD系列等。其部分性能指標已達到國際先進水平,如爐溫均勻性已經(jīng)達到美國軍標M180233A規(guī)定的要求,溫度均勻性達到±5.6℃爐內(nèi)壓升率達到國際水平(<1.33Pa),設備的最高溫度和極限真空度等指標也能滿足用戶要求,許多廠家生產(chǎn)的設備開始銷往國外
(2)燃氣式真空熱處理爐。
目前,國產(chǎn)真空熱處理爐的主要性能已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品的先進水平。如爐溫的均勻性達到美國軍標MLF-80133D和MIL-80233B規(guī)定的指標,即在5.6℃以內(nèi),壓升率指標一般均達到<0.66Pa/h,設備最高工作溫度和極限真空度以PLC型智能化控制系統(tǒng)等都能滿足用戶要求。國產(chǎn)真空退火爐、真空油淬氣淬爐等主要爐種已經(jīng)基本站穩(wěn)了國內(nèi)市場,滿足了各行業(yè)的需要,有些爐型已經(jīng)出口到國外市場,受到國際上的好評
國內(nèi)真空熱處理設備正在向專業(yè)化、自動化、可靠性、先進性方向發(fā)展,在生產(chǎn)成本降低、節(jié)約運轉費用、簡化設備結構、提高設備智能化進程、保證設備運行穩(wěn)定等方面做了許多研究開發(fā)工作。真空熱處理設備的在線控制,新型真空熱處理設備的研究開發(fā)工作受到了重視
真空熱處理工藝發(fā)展情況
20世紀70年代真空熱處理工藝在我國得到了初步發(fā)展,科技工作者主要研究探討真空熱處理的基本性質、加熱特點、金屬蒸發(fā)問題,金屬在真空下加熱的基本規(guī)律、變形問題。同時開展了典型真空熱處理工藝研究,進行了真空退火、真空油淬、真空氣淬的工藝研究和應用。20世紀80年代,真空熱處理技術在我國迅速發(fā)展,引進的先進真空熱處理設備增多,真空熱處理的工藝研究和應用日益廣泛,開發(fā)了真空高壓、真空高流率淬火工藝的應用。幾乎與此同時,真空滲碳、真空燒結、真空釬焊、真空離子滲碳(氮、金屬)等工藝也相繼開發(fā)出來。真空熱處理技術在我國從實驗和少量生產(chǎn)正式走向了工業(yè)生產(chǎn)領域。20世紀90年代以來,真空熱處理出現(xiàn)了許多新技術、新特點,高壓氣淬和超高壓氣淬開始應用,真空加熱、熱風回火、快速冷卻技術得到發(fā)展。緊接著真空清洗技術,真空熱處理設備和工藝智能控制系統(tǒng),真空滲碳及真空離子滲碳技術得到蓬勃發(fā)展和應用,在美國、德國、法國、日本、英國等國家成為新技術發(fā)展的熱點。我國在這些方面緊跟發(fā)達國家開發(fā)應用了許多真空熱處理新技術、新工藝,例如真空高壓氣淬工藝、真空回火熱風循環(huán)快連續(xù)爐真空熱處理工藝、真空滲碳工藝等,在真空清洗技術、真空滲碳工藝和真空工藝智能化控制系統(tǒng)及高溫離子熱處理等領域也有很好的研究和應用。
經(jīng)過許多科技工作者的分析探討,普遍認為今后金屬表面工程將會更多地依賴真空熱處理技術,真空熱處理技術的應用領域正在不斷擴大,工藝水平正在不斷提高。真空熱處理工藝的發(fā)展應該是簡化工藝過程、縮短工藝時間、提高工作效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質量、開發(fā)新型工藝過程。
真空熱處理理論的發(fā)展情況
熱處理是闡明金屬材料化學成分、微觀組織結構、力學性能等關系的科學。真空熱處理只是改善了熱處理的環(huán)境氣氛,提高了熱處理產(chǎn)品的質量和性能,其原理是相同的。固態(tài)金屬(包括純金屬和合金)在加熱和冷卻過程中可能發(fā)生各種相的轉變,稱為相變,金屬的固態(tài)相變是金屬能夠進行熱處理的前提
金屬固態(tài)相變的類型很多:按相變過程中金屬原子的運動特點可將固態(tài)相變分為擴散型相變和非擴散型相變;按平衡狀態(tài)可分為平衡相變和非平衡相變;按熱力學可分為一級相變和二級相變
金屬的金相組織是一門比較成熟的學科,除了研究金屬相變以外,還研究鋼中奧氏體組織的形成、結構和性能;珠光體的組織形態(tài)、晶體學,珠光體轉變動力學,珠光體的力學性能;馬式體轉變的特征,馬氏體的組織形態(tài),影響馬氏體轉變的因素,馬氏體轉變的熱力學,馬氏體轉變的動力學,馬氏體的性能;貝氏體轉變特征,貝氏體的組織形態(tài),貝氏體的形成條件,貝氏體的轉變機理等
國際上真空高壓氣淬技術和設備的進展都是在基礎理論研究的基礎上發(fā)展起來的,基礎理論研究多集中在推導工件冷卻時間的表達式。決定工件冷卻時間的主要因素是氣體與工件之間的對流換熱系數(shù),找出影響對流換熱系數(shù)的因素,如氣體壓力、流速、淬火氣體性質等,研究增加對流換熱系數(shù)的方法、途徑,尋找高效、節(jié)能、環(huán)保的設備和工藝
真空熱處理技術的發(fā)展趨勢
根據(jù)美國金屬學會熱處理分會、金屬處理研究院、能源部工業(yè)技術廳對美國熱處理工業(yè)2020年度發(fā)展前景的預測,未來的熱處理工業(yè)要有一流的質量,生產(chǎn)具有零畸變的產(chǎn)品零件;在整個工藝過程中,產(chǎn)品質量具有零分散度,能量利用率提高到80%:工作環(huán)境良好,清潔無污染;生產(chǎn)中采用標準的閉循環(huán)控制系統(tǒng),智能系統(tǒng)控制決定產(chǎn)品的性能,綜合技術使工藝時間減少50%,成本降低75%。所有這些設想,為真空熱處理技術的發(fā)展提供了廣闊的機遇。真空熱處理技術是工業(yè)發(fā)達國家廣泛采用、迅速發(fā)展的一種高效、節(jié)能、清潔空和增應也世件;在整個工藝過程中,產(chǎn)品質量具有零分散度,能量利用率提高到80%;工作環(huán)境良好,無污染的先進熱處理技術。
真空熱處理技術的應用越來越廣泛,預測其發(fā)展方向也是很有意義的工作,大膽猜想也許會給讀者帶來興趣。據(jù)估計,未來的真空熱處理應該重視以下幾個方面。
真空熱處理工藝的發(fā)展方向
①開發(fā)精密真空熱處理工藝。在被處理的零件尺寸方面,使熱處理工件變形小或無變形;在組織性能方面,需要精密、均勻、一致、可重復性好
②開發(fā)節(jié)能真空熱處理工藝。盡量減小真空熱處理過程中的熱損失,充分利用工藝過程中的余熱,開展低溫對流輜射加熱系統(tǒng)的研究,例如傳統(tǒng)的高壓氣淬主要利用緬射加熱通入惰性或中性氣體的方式,實現(xiàn)150-800℃下的對流加熱,對流輻射加熱比單純輻射加熱節(jié)能大約50%,縮短了火周期,降低了加熱工件內(nèi)部的熱應力,減小了工件的變形
③開發(fā)等溫分級控制火工藝。激烈的高壓氣冷有時會使工件嚴重裂變,工件截面尺寸越大,問題越突出,實現(xiàn)等溫分級?；鹂梢越鉀Q該問題。當工件完成奧氏體化后,再開始最大壓力或最大流量進行冷卻。在工件表面和心部各放一根熱電偶,當T作表面溫度將達馬氏體淬火溫度封,降低爐內(nèi)壓力和精確控制風量,使表面溫度不再下降,直到工件表面和心部溫度差達到預定值時,再進一步對工件冷卻
④開發(fā)復合熱處理工藝,精確控制加熱、冷卻速率,控制工件內(nèi)部組織轉變定性,提高熱處理材料或零件的質量
⑤簡化真空熱處理的工序,節(jié)省時間,人力、物力、財力
(2)真空熱處理設備的發(fā)展方向
①為提高加熱速率和均勻性,最好采用低溫對流加熱,多噴嘴圓周方向冷卻,使用四可以換向的氣流淬火,采用分級精確控制系統(tǒng),使氣淬更均勻。想辦法努力提高冷卻速率,例如采用高壓氣淬、高流率氣籜、加雖冷淬室內(nèi)部換熱條件、改善嘴群的結構和布
②開發(fā)研制氣淬壓力大于1.0MPa的超高壓氣淬設備,日前國產(chǎn)真空高壓設備氣淬壓力在0.公MPa水平,處于發(fā)達面家8世紀80年代水平,國外已經(jīng)開發(fā)出2-10MPa的真高壓氣淬爐,其工作溫度高達
因此國內(nèi)還需要努力實現(xiàn)國際先水平
③開發(fā)研制雙室真室高壓氣淬設備。目首使用的真空高壓設備大多數(shù)是單室的,即加熱和冷卻在同一室內(nèi)進行。如果改成熱,冷雙室的設備,在冷室內(nèi)淬火,不需要玲卻加熱室,降低了加熱元件的損耗,延長了加熱元件的使用壽命,誠少了溶火所需時間,提高了冷卻能力,同時也減少了冷卻氣體的消耗,節(jié)約能源、減少浪費
④改進真空熱處理設備功能,提高設備的連續(xù)化程度,開發(fā)連續(xù)式生產(chǎn)線,強化設備的可靠性、可控性、可重復性,提高真空熱處理設備運行的自動化程度,向智能化控制、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)方向發(fā)展,提高測試儀表的精度、壽命,開發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)的生產(chǎn)線,提高生產(chǎn)效率,實現(xiàn)真空熱處理設備和工藝的柔性化生產(chǎn),進行質量和工藝過程的自動化控制。
⑤探尋真空熱處理設備新的結構、新的功能;開發(fā)流態(tài)化真空熱處理爐新技術;開發(fā)機多用新產(chǎn)品;對真空熱處理設備進行優(yōu)化設計;研制節(jié)能型真空熱處理爐;開發(fā)真空熱處理設備的新用途。
(3)真空熱處理理論研究方向。
理論研究是一項艱苦、細致,又很抽象的工作,開展真空熱處理的理論研究是改進真空熱處理工藝,提高真空熱處理設備水平的基礎
①開展真空熱處理過程的數(shù)值模擬研究。真空熱處理是在密閉的真空室內(nèi)進行,很難觀察和檢査,因此開展真空熱處理過程中加熱、保溫、冷卻的數(shù)值模擬,特別是真空高壓氣淬過程的傳熱、氣體流動、冷卻過程的數(shù)值模擬十分有利于理論研究的深入。
②開展真空熱處理過程中工件內(nèi)部相變的規(guī)律。研究被處理工件內(nèi)部組織變化規(guī)律以及與外界環(huán)境因素的關系。例如研究真空高壓氣體淬火過程中氣體流場、溫度場的變化規(guī)律,提高氣淬壓力、流量對產(chǎn)品質量的影響規(guī)律,影響真空高壓氣體淬火效果的因素等都是很重要的工作
③研究加熱速度、保溫時間、冷卻速率等外界因素的變化對被處理工件內(nèi)部組織結構變化的影響等,以便給出真空熱處理工藝的最佳條件
由于真空熱處理具有的一系列特點,使得這項現(xiàn)代的新工藝得到了快速發(fā)展和廣泛應用。從處理材料來看,該工藝可以處理碳鋼、不銹鋼、合金鋼、耐熱合金、磁性材料、鈦及鈦合金、鋯及鋯合金、工具鋼(含模具鋼、刃具鋼)。從產(chǎn)品的構件來看,航空工業(yè)中的飛機機翼大梁、起落架、髙強度螺栓等結構件,機械制造中的齒輪、軸類、工具、夾具、模具等都需要進行真空熱處理。從應用的工藝領域來看,在機槭、冶金、能源、交通、航天、航空、航海、兵器、建筑、輕工、紡織、化工、石油、電子、電器等行業(yè)都需要真空熱處理。真空熱處理在機械、電子產(chǎn)品更新?lián)Q代,提高產(chǎn)品質量,節(jié)能降耗,發(fā)揮材料潛力,提高產(chǎn)品壽命方面都有重要作用,下面分類介紹
1.真空退火
真空退火的特點
由于在真空加熱中,有脫氣、脫脂、清除銹跡的作用,溶解于金屬中的氣體容易排出去,所以真空退火后的零件表面清潔、光亮。真空退火時經(jīng)過壓力加工產(chǎn)生變形的晶粒得到恢復,同時形成新的晶粒,使得組織得到均勻細化,因而改變了材料的力學性能。真空退火之后材料表面沒有潤滑劑的痕跡,表面干燥,可以不經(jīng)過酸洗或噴砂的清潔工序就可以直接電鍍,達到實現(xiàn)縮短工藝流程、提高產(chǎn)品質量的目的1.3.1.2真空退火應用范圍
(1)難熔金屬的退火。鉬、鎢、鉭、鈷、釩、鋯等金屬熔點很高,而且又極易氧化,易被耐火材料污染,在加工時強度和硬度又很高,如果其中含有氫、氧、氮等氣體,會使材料延展性變差,為了把它們變成型材,則必須經(jīng)過真空退火之后,軟化了這些材料,再進行壓力加工
(2)軟磁合金的退火。軟磁合金一般采用真空熔煉和真空軋制獲得,因為它在溫度、壓力、輻射和機械負荷的作用下,還必須保證有穩(wěn)定的磁性,因此需要用真空退火處理
(3)硅鋼片的退火。為了排除硅鋼片中的氫、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體,清除氧化物和硫化物,消除內(nèi)應力和晶界畸變,提高磁感應強度,降低單位鐵損,需要真空退火。
(4)鐵鎳合金和鐵硅合金的退火。日的是改善組織結構,提高韌性
(5)電工鋼的退火。目的是提高塑性和均勻磁性
(6)不銹鋼的退火。目的是提高不銹鋼的抗晶間腐蝕能力
(7)結構鋼的退火。目的是提高強度和表面光亮度。
(8)鋼絲及熱電偶絲的退火。目的是獲得光亮的表面,消除加工應力,去除金屬絲中含有的氮和氧等有害氣體
2.真空淬火
真空淬火的主要目的是改善和強化金屬構件的質量,特別是表面層的質量。對于工具鋼而言,真空淬火后可以保證足夠的硬度要求,而且表面光亮度好,變形小,硬度高且均勻使用壽命長,后加工工藝簡單,生產(chǎn)周期短
鋼在真空淬火后,表面光亮是由于供給表面無氧化膜,附著在供給表面的油污雜質被揮發(fā),從而使金屬零件表面有光澤。真空淬火緩慢且均勻,氣冷淬火后工件原地冷卻不必移動,因此變形小且有規(guī)律。真空淬火后無氧化、脫碳,高合金工具鋼由于淬火加熱溫度高真空加熱后高活性的表面在油淬時將發(fā)生瞬時滲碳,形成一小層滲碳層,因此使真空淬火后的硬度比普通淬火時高而且均勻,不會出現(xiàn)淬火軟點。真空加熱時的脫氣作用可以提高材料的強度、耐磨性、抗咬合性能及疲勞強度,所以真空淬火后工件的壽命普遍較高。
3.真空高壓氣淬
真空高壓氣淬是在真空狀態(tài)下將被處理工件加熱,而后在高壓力、高流速的冷卻氣體中進行快速冷卻,提高被處理工件表面硬度的工藝過程之。真空高壓氣淬與普通氣淬、油淬、鹽浴淬火相比具有明顯的優(yōu)點:
①工件表面質量好、化、無增碳;
②淬火均勻性好、工件變形小;
③淬火強度可控性好,冷卻速度可以控制:
④生產(chǎn)率高,省掉了淬火后的清洗工作;
⑤無環(huán)境污染適合真空高壓氣淬的材料很多,主要有:高速鋼(如切削工具、金屬模、壓模、量規(guī)噴氣發(fā)動機用軸承)、工具鋼(鐘表零件、夾具、壓床)、模具鋼、軸承鋼等。
4.真空滲碳
真空滲碳原理
真空滲碳是將機械零件在真空中加熱,當達到鋼材臨界點溫度以上時,停留一段時間并進行脫氣及脫除氧化膜,然后通入經(jīng)過凈化的滲碳氣體(如CH4、C3、H8等),以進行滲碳及擴散。真空滲碳的滲碳溫度高,可達1030℃,滲碳速度快。滲碳零件經(jīng)脫氣、去氧化物而使表面活性提高,提高了隨后的擴散速度,滲碳與擴散反復交替進行,直到達到要求的表面濃度和深度為止。
真空滲碳的特點
真空滲碳深度與表面濃度可以控制;真空滲碳可以改變金屬零件表層的冶金學性質;真空滲碳有效滲碳深度比其他方法滲碳實際深度更深
主要應用
例如:齒輪真空滲碳、軸類零件真空滲碳、鉆井機零件真空滲碳、數(shù)據(jù)處理機零件等
5.真空回火
真空回火的目的是將真空淬火的優(yōu)勢(產(chǎn)品不氧化、不脫碳、表面光滑、無腐蝕污染等)保持下來,如果不采用真空回火,將失去真空淬火的優(yōu)越性。對熱處理后不進行精加工、需要進行多次高溫回火的精密工具更是如此真空回火的應用與真空淬火緊密相連,凡是真空淬火后的機械零部件,為了減少或消除淬火應力,保證相應的組織轉變,提高材料的塑性和韌性,獲得硬度和強度,穩(wěn)定工件尺寸等工藝需要,都要經(jīng)過真空回火處理。
真空熱處理技術的現(xiàn)狀
金屬的熱處理加工技術已經(jīng)有幾千年的歷史了,金屬的退火、淬火、回火、正火等技術在我國古代兵器加工中早有應用。真空熱處理的出現(xiàn)比較晚,1927年美國無線電公司研制出了VAC-10型真空熱處理爐。1949年美國芝加哥的企業(yè)將真空熱處理應用于生產(chǎn)中,這是真空熱處理技術工業(yè)應用的開始。20世紀60年代由于石墨材料的廣泛應用,加之宇航電子等工業(yè)的迫切需要,使真空熱處理得到飛速發(fā)展,出現(xiàn)了各種類型可適應不同工藝要求的真空爐,真空爐的技術性能、應用領域術,得到了許多工業(yè)領域的重視,取得了突飛猛進的發(fā)展
1.真空熱處理設備的發(fā)展情況
國際上的發(fā)展情況
(1)燃氣真空爐研制開發(fā)和應用。
(2)真空加壓氣淬爐的開發(fā)
(3)真空回火爐的開發(fā)。
（4)流態(tài)化真空爐的開發(fā)
(5)熱壁式真空滲碳爐的開發(fā)
(6)真空燒結爐的開發(fā)
(7)真空高壓氣淬爐智能控制系統(tǒng)的開發(fā)。
(8)多用途真空爐的開發(fā)
國內(nèi)發(fā)展情況
(1)真空氣淬爐。
目前我國主要真空高壓氣淬爐有:0.6 MPa VQG系列、0.2MPVPG系列、0.6MPa帶對流加熱系統(tǒng)的VQGD系列等。其部分性能指標已達到國際先進水平,如爐溫均勻性已經(jīng)達到美國軍標M180233A規(guī)定的要求,溫度均勻性達到±5.6℃爐內(nèi)壓升率達到國際水平(<1.33Pa),設備的最高溫度和極限真空度等指標也能滿足用戶要求,許多廠家生產(chǎn)的設備開始銷往國外
(2)燃氣式真空熱處理爐。
目前,國產(chǎn)真空熱處理爐的主要性能已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品的先進水平。如爐溫的均勻性達到美國軍標MLF-80133D和MIL-80233B規(guī)定的指標,即在5.6℃以內(nèi),壓升率指標一般均達到<0.66Pa/h,設備最高工作溫度和極限真空度以PLC型智能化控制系統(tǒng)等都能滿足用戶要求。國產(chǎn)真空退火爐、真空油淬氣淬爐等主要爐種已經(jīng)基本站穩(wěn)了國內(nèi)市場,滿足了各行業(yè)的需要,有些爐型已經(jīng)出口到國外市場,受到國際上的好評
國內(nèi)真空熱處理設備正在向專業(yè)化、自動化、可靠性、先進性方向發(fā)展,在生產(chǎn)成本降低、節(jié)約運轉費用、簡化設備結構、提高設備智能化進程、保證設備運行穩(wěn)定等方面做了許多研究開發(fā)工作。真空熱處理設備的在線控制,新型真空熱處理設備的研究開發(fā)工作受到了重視
真空熱處理工藝發(fā)展情況
20世紀70年代真空熱處理工藝在我國得到了初步發(fā)展,科技工作者主要研究探討真空熱處理的基本性質、加熱特點、金屬蒸發(fā)問題,金屬在真空下加熱的基本規(guī)律、變形問題。同時開展了典型真空熱處理工藝研究,進行了真空退火、真空油淬、真空氣淬的工藝研究和應用。20世紀80年代,真空熱處理技術在我國迅速發(fā)展,引進的先進真空熱處理設備增多,真空熱處理的工藝研究和應用日益廣泛,開發(fā)了真空高壓、真空高流率淬火工藝的應用。幾乎與此同時,真空滲碳、真空燒結、真空釬焊、真空離子滲碳(氮、金屬)等工藝也相繼開發(fā)出來。真空熱處理技術在我國從實驗和少量生產(chǎn)正式走向了工業(yè)生產(chǎn)領域。20世紀90年代以來,真空熱處理出現(xiàn)了許多新技術、新特點,高壓氣淬和超高壓氣淬開始應用,真空加熱、熱風回火、快速冷卻技術得到發(fā)展。緊接著真空清洗技術,真空熱處理設備和工藝智能控制系統(tǒng),真空滲碳及真空離子滲碳技術得到蓬勃發(fā)展和應用,在美國、德國、法國、日本、英國等國家成為新技術發(fā)展的熱點。我國在這些方面緊跟發(fā)達國家開發(fā)應用了許多真空熱處理新技術、新工藝,例如真空高壓氣淬工藝、真空回火熱風循環(huán)快連續(xù)爐真空熱處理工藝、真空滲碳工藝等,在真空清洗技術、真空滲碳工藝和真空工藝智能化控制系統(tǒng)及高溫離子熱處理等領域也有很好的研究和應用。
經(jīng)過許多科技工作者的分析探討,普遍認為今后金屬表面工程將會更多地依賴真空熱處理技術,真空熱處理技術的應用領域正在不斷擴大,工藝水平正在不斷提高。真空熱處理工藝的發(fā)展應該是簡化工藝過程、縮短工藝時間、提高工作效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質量、開發(fā)新型工藝過程。
真空熱處理理論的發(fā)展情況
熱處理是闡明金屬材料化學成分、微觀組織結構、力學性能等關系的科學。真空熱處理只是改善了熱處理的環(huán)境氣氛,提高了熱處理產(chǎn)品的質量和性能,其原理是相同的。固態(tài)金屬(包括純金屬和合金)在加熱和冷卻過程中可能發(fā)生各種相的轉變,稱為相變,金屬的固態(tài)相變是金屬能夠進行熱處理的前提
金屬固態(tài)相變的類型很多:按相變過程中金屬原子的運動特點可將固態(tài)相變分為擴散型相變和非擴散型相變;按平衡狀態(tài)可分為平衡相變和非平衡相變;按熱力學可分為一級相變和二級相變
金屬的金相組織是一門比較成熟的學科,除了研究金屬相變以外,還研究鋼中奧氏體組織的形成、結構和性能;珠光體的組織形態(tài)、晶體學,珠光體轉變動力學,珠光體的力學性能;馬式體轉變的特征,馬氏體的組織形態(tài),影響馬氏體轉變的因素,馬氏體轉變的熱力學,馬氏體轉變的動力學,馬氏體的性能;貝氏體轉變特征,貝氏體的組織形態(tài),貝氏體的形成條件,貝氏體的轉變機理等
國際上真空高壓氣淬技術和設備的進展都是在基礎理論研究的基礎上發(fā)展起來的,基礎理論研究多集中在推導工件冷卻時間的表達式。決定工件冷卻時間的主要因素是氣體與工件之間的對流換熱系數(shù),找出影響對流換熱系數(shù)的因素,如氣體壓力、流速、淬火氣體性質等,研究增加對流換熱系數(shù)的方法、途徑,尋找高效、節(jié)能、環(huán)保的設備和工藝
真空熱處理技術的發(fā)展趨勢
根據(jù)美國金屬學會熱處理分會、金屬處理研究院、能源部工業(yè)技術廳對美國熱處理工業(yè)2020年度發(fā)展前景的預測,未來的熱處理工業(yè)要有一流的質量,生產(chǎn)具有零畸變的產(chǎn)品零件;在整個工藝過程中,產(chǎn)品質量具有零分散度,能量利用率提高到80%:工作環(huán)境良好,清潔無污染;生產(chǎn)中采用標準的閉循環(huán)控制系統(tǒng),智能系統(tǒng)控制決定產(chǎn)品的性能,綜合技術使工藝時間減少50%,成本降低75%。所有這些設想,為真空熱處理技術的發(fā)展提供了廣闊的機遇。真空熱處理技術是工業(yè)發(fā)達國家廣泛采用、迅速發(fā)展的一種高效、節(jié)能、清潔空和增應也世件;在整個工藝過程中,產(chǎn)品質量具有零分散度,能量利用率提高到80%;工作環(huán)境良好,無污染的先進熱處理技術。
真空熱處理技術的應用越來越廣泛,預測其發(fā)展方向也是很有意義的工作,大膽猜想也許會給讀者帶來興趣。據(jù)估計,未來的真空熱處理應該重視以下幾個方面。
真空熱處理工藝的發(fā)展方向
①開發(fā)精密真空熱處理工藝。在被處理的零件尺寸方面,使熱處理工件變形小或無變形;在組織性能方面,需要精密、均勻、一致、可重復性好
②開發(fā)節(jié)能真空熱處理工藝。盡量減小真空熱處理過程中的熱損失,充分利用工藝過程中的余熱,開展低溫對流輜射加熱系統(tǒng)的研究,例如傳統(tǒng)的高壓氣淬主要利用緬射加熱通入惰性或中性氣體的方式,實現(xiàn)150-800℃下的對流加熱,對流輻射加熱比單純輻射加熱節(jié)能大約50%,縮短了火周期,降低了加熱工件內(nèi)部的熱應力,減小了工件的變形
③開發(fā)等溫分級控制火工藝。激烈的高壓氣冷有時會使工件嚴重裂變,工件截面尺寸越大,問題越突出,實現(xiàn)等溫分級?；鹂梢越鉀Q該問題。當工件完成奧氏體化后,再開始最大壓力或最大流量進行冷卻。在工件表面和心部各放一根熱電偶,當T作表面溫度將達馬氏體淬火溫度封,降低爐內(nèi)壓力和精確控制風量,使表面溫度不再下降,直到工件表面和心部溫度差達到預定值時,再進一步對工件冷卻
④開發(fā)復合熱處理工藝,精確控制加熱、冷卻速率,控制工件內(nèi)部組織轉變定性,提高熱處理材料或零件的質量
⑤簡化真空熱處理的工序,節(jié)省時間,人力、物力、財力
(2)真空熱處理設備的發(fā)展方向
①為提高加熱速率和均勻性,最好采用低溫對流加熱,多噴嘴圓周方向冷卻,使用四可以換向的氣流淬火,采用分級精確控制系統(tǒng),使氣淬更均勻。想辦法努力提高冷卻速率,例如采用高壓氣淬、高流率氣籜、加雖冷淬室內(nèi)部換熱條件、改善嘴群的結構和布
②開發(fā)研制氣淬壓力大于1.0MPa的超高壓氣淬設備,日前國產(chǎn)真空高壓設備氣淬壓力在0.公MPa水平,處于發(fā)達面家8世紀80年代水平,國外已經(jīng)開發(fā)出2-10MPa的真高壓氣淬爐,其工作溫度高達
因此國內(nèi)還需要努力實現(xiàn)國際先水平
③開發(fā)研制雙室真室高壓氣淬設備。目首使用的真空高壓設備大多數(shù)是單室的,即加熱和冷卻在同一室內(nèi)進行。如果改成熱,冷雙室的設備,在冷室內(nèi)淬火,不需要玲卻加熱室,降低了加熱元件的損耗,延長了加熱元件的使用壽命,誠少了溶火所需時間,提高了冷卻能力,同時也減少了冷卻氣體的消耗,節(jié)約能源、減少浪費
④改進真空熱處理設備功能,提高設備的連續(xù)化程度,開發(fā)連續(xù)式生產(chǎn)線,強化設備的可靠性、可控性、可重復性,提高真空熱處理設備運行的自動化程度,向智能化控制、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)方向發(fā)展,提高測試儀表的精度、壽命,開發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)的生產(chǎn)線,提高生產(chǎn)效率,實現(xiàn)真空熱處理設備和工藝的柔性化生產(chǎn),進行質量和工藝過程的自動化控制。
⑤探尋真空熱處理設備新的結構、新的功能;開發(fā)流態(tài)化真空熱處理爐新技術;開發(fā)機多用新產(chǎn)品;對真空熱處理設備進行優(yōu)化設計;研制節(jié)能型真空熱處理爐;開發(fā)真空熱處理設備的新用途。
(3)真空熱處理理論研究方向。
理論研究是一項艱苦、細致,又很抽象的工作,開展真空熱處理的理論研究是改進真空熱處理工藝,提高真空熱處理設備水平的基礎
①開展真空熱處理過程的數(shù)值模擬研究。真空熱處理是在密閉的真空室內(nèi)進行,很難觀察和檢査,因此開展真空熱處理過程中加熱、保溫、冷卻的數(shù)值模擬,特別是真空高壓氣淬過程的傳熱、氣體流動、冷卻過程的數(shù)值模擬十分有利于理論研究的深入。
②開展真空熱處理過程中工件內(nèi)部相變的規(guī)律。研究被處理工件內(nèi)部組織變化規(guī)律以及與外界環(huán)境因素的關系。例如研究真空高壓氣體淬火過程中氣體流場、溫度場的變化規(guī)律,提高氣淬壓力、流量對產(chǎn)品質量的影響規(guī)律,影響真空高壓氣體淬火效果的因素等都是很重要的工作
③研究加熱速度、保溫時間、冷卻速率等外界因素的變化對被處理工件內(nèi)部組織結構變化的影響等,以便給出真空熱處理工藝的最佳條件
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