真空高溫爐

真空高溫爐是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，真空高溫爐所處的真空環(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，真空高溫爐實際也屬于氣氛控制熱處理。真空高溫爐是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，真空高溫爐可以實現(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，真空高溫爐的同時，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。
　　真空高溫爐其實還分成以下四個技術(shù)要點
　　1．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、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。

2．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。

3．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。“白層”單相ε化合物層可達(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。

　　4．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。上使用效果*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)。
　　表 1 鹵素系劑在熱處理生產(chǎn)中使用情況
　　真空水系清洗干燥技術(shù)是替代技術(shù)中發(fā)展的主流，其原理是水蒸氣蒸餾和真空蒸餾。所謂水蒸氣蒸餾是指一邊向帶有不溶于水的油類等物質(zhì)的工件上吹水蒸氣，一邊加熱，是把油分等揮發(fā)成分和水一齊蒸餾出的方法。應(yīng)用該法時，油等揮發(fā)成分的蒸氣隨水蒸氣同時發(fā)生，所以油分的沸點被降低。這就是用共沸的方法使油分和填加劑形成低沸點物質(zhì)，使在回火溫度以下的較低溫度的洗凈成為可能。所謂真空蒸餾是因為，在常壓下進(jìn)行水蒸氣蒸餾時，油分的蒸汽壓很低，伴隨水蒸氣而揮發(fā)的油分量很少。如果在真空狀態(tài)下進(jìn)行蒸氣蒸餾，油分的沸點會被進(jìn)一步降低。同時利用水蒸氣蒸餾和真空蒸餾，就可將高沸點熱處理淬火油在回火溫度下被清洗并干燥了。這種方法適合在大、中型企業(yè)和大批量生產(chǎn)的流水線上使用，效率比較高。缺點是清洗液的回收和處理及循環(huán)使用的成本高。
　　真空油系清洗干燥技術(shù)，是指用蒸汽壓比較高的輕質(zhì)溶劑油去溶解和洗凈工件上附著的蒸汽壓化較低的切削油、沖壓油、淬火油；然后再加熱減壓將溶劑油蒸發(fā)分離，從而達(dá)到洗凈的目的。選擇藥溶劑油燃點應(yīng)盡量高，粘度要低，對被清洗工件上附著的油脂有較強(qiáng)的溶解能力；對工件無腐蝕，且成本較低。我國國家標(biāo)準(zhǔn)中介紹的190號和20O號溶劑油可作為選擇時的參考。