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）等水平有待提高。所以在提高6×105Pa單室高壓真空護質(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。由于模具或機械零件的服役條件和對性能的要求不一，在進行表面熱處理時，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)下進行蒸氣蒸餾，油分的沸點會被進一步降低。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。