真空热处理工艺制定原则

fandongkun

真空热处理的工作环境其实是
指低于一个标准大气压（1.013×105Pa），
包括低真空(105~102Pa)、
中真空(102~10-1Pa)、
高真空(10-1~10-5Pa)、
超高真空(<10-5Pa)。

真空热处理相对来说也是可控气氛热处理,只是其工作环境空气极其稀薄，工件在真空状态加热可以避免常规普通热处理的氧化、脱碳，避免氢脆，变形量相对较小，提高材料零部件的综合力学性能。经真空热处理后的部件寿命通常是普通热处理的寿命的几十倍，甚至几百倍。

制定真空热处理工艺的主要内容是:确定加热 制度(温度、时间及方式)决定真空度和气压调节, 选择冷却方式和介质等。

1、加热温度
真空加热有两大特点,一是在极稀薄的气氛中加热，避免了在空气中加热产生的氧化、脱碳、侵蚀等现象；另一特点是真空状态下的传热是单一辐射传热，其传热能力E与绝对温度T的四次方成正比, 即E=C（T/100）4。

由此可知，在真空状态下、尤其在低温阶段，升温缓慢，从而使工件表面与心部之间的温差减小热应力小,工件变形也小。加热温度的选取对工件质量至关重要，在制定工艺时,根据工件的技术要求、服役条件和性能要求，找出最佳的加热温度，在不影响性能且考虑减小变形的情况下，尽量选用下限温度。

2、保温时间
保温时间的长短，取决于工件的尺寸形状及装炉量的多少。一般资料中介绍的传统加热保温时 T按下式确定：

T1=30+（1.5-2）D
T2=30+（1.0-1.5）D
T3=20+（0.25-0.5）D
式中：D为工件有效厚度(mm)；
              T1为第一次预热时间(min);
              T2为第二次预热时间(min);
              T3为最终保温时间(min)。

实际上，在一炉中往往同时装有若干形状尺寸不同的工件，这就需要进行综合考虑。我们按照工件的大小、形状、摆放方式及装炉量，确定保温时间，同时还考虑到，真空加热主要是靠高温辐射，低温加热时(600℃以下)工件温升非常缓慢此时在工件无特殊变形要求时，应使第一次预热和第二次预热的时间尽量缩短，并提高预热温度，因为低温保温时间再长，升温后工件心部要达到表面温度还是需要一定时间。

根据真空加热原理提高预热温度，可减少 工件内外温差，使预热时间缩短，而最终的保温时间应该适当延长，使得钢中的碳化物充分溶解。这样，既保证了质量，也提高了工作效率。保温时间的长短还与下列因素有关:

①装炉量：工件尺寸相同时装炉量大,则透烧的时间应延长；反之，则应缩短。



②工件摆放形式：由于真空炉是辐射加热，一般说来，如果工件形状相同，应尽量使工件摆放整齐，避免遮挡热辐射，并留出一定的摆放空隙（<D），以保证工件能够受到最大的热辐射；对不同工件同装一炉，除按最大工件计算保温时间外，还要增加透烧时间。当摆放空隙<D时，所得的经验公式为：
T1=T2=T3=0.4G+D
式中G为装炉量(kg)
其余各符号的意义同前。
另外
对于小工件（有效厚度D≤20mm）
或是工件之间的摆放空隙≥D
保温时间可以减少:
T1=T2=0.1G+D
T3=0.3G+D
对于大工件（有效厚度D≥100mm）
最后的保温时间可以减少
T1=T2=T3=0.4G+0.6D

③加热温度：加热温度高，可缩短保温时间。

3、冷却时间
①预冷：对于高温淬火的中小零件，还注意到由热室进入冷室后，在淬火前是否进行预冷，将影响淬火变形。其规律是：由热室进入冷室后，直接进行油冷或气冷，将导致尺寸变化；如果进行适当的预冷，则可保持热处理前的尺寸不变；但若预冷时间过长，将会导致工件尺寸胀大。一般的规律是，对于有效厚度为20~60mm的工件，预冷时间为0.5~3min 。

据分析，这是由于当不预冷而直接进行淬火时， 零件中的内应力以热应力为主，故出现体积收缩，而在经较长时间预冷后再淬火时，零件中的内应力以相变应力为主，从而出现体积膨胀，只有在进行适当时间的预冷后，热应力和相变应力的作用相平衡，才能达到工件的尺寸不变。

②气冷：我们所采用的真空炉可通入2bar以下氮气进行加压气淬，冷却到100℃以下出炉。计算气冷时间的经验公式如下:     
   
T4=0.2G+0.3D
式中：T4为气冷时间(min)。

③油冷：淬火油温度一般控制在60~80℃，工模具的出油温度通常控制在100~200℃。计算油冷时间的经验公式如下:

T5=0.02G+0.1D
式中：T5为油中冷却时间(min)。

这时工件出炉温度一般可在150℃左右。

4、结论
①考虑到装炉量及摆放空隙<D时,
   保温时间按T1=T2=T3=0.4G+D 确定；

②对于小工件(有效厚度D≤20mm,且摆放空隙≥D)时,
   保温时间按T1=T2=0.1G+D   T3=0.3G+D 确定；

③对于大工件(有效厚度D≥100mm)时，
   保温时间按T1=T2=T3=0.4G+0.6D确定；

④空冷时间按T4=0.2G+0.3D确定；

⑤油冷时间按T5=0.02G+0.1D确定。