真空热处理生产实践

程军，秦永年，孔令飞，程良，常森

真空热处理同其他热处理方法相比具有加热无氧化、无脱碳、变形小，零件表面质量高，无环境污染，以及生产作业条件好等突出优点。因此，真空热处理在航天领域产品零部件的热处理方面深受欢迎。但由于航天产品零件材料的特殊性和真空热处理加热的特殊性，以及生产操作和工艺等方面的不成熟，一些材料如40Cr13、95Cr18、30CrMnSiA等，在真空热处理后效果不佳，硬度不足或性能不够。通过笔者的生产实践和工艺攻关，获得一些改善。现将这些经验和方法加以总结，仅供参考。

1.真空加热的特点及生产操作中存在的缺陷

在真空气氛中加热优于其他加热介质（空气、可控气氛、盐浴），普通热处理的加热方式都不能在较高的加热温度下完全保持金属零件炽热表面与气氛碳势严格平衡，且不起任何化学反应，因此零件氧化、脱碳、侵蚀等现象会普遍发生。而真空热处理加热是在极稀薄的气氛中进行，可以避免上述弊病。在真空中零件主要靠单一的辐射传热进行加热，而辐射传热有其特有的规律，即：斯蒂芬-波尔兹曼四次方定律

式中 E——理想灰体传热能力，J/（m2·h）；

4.96ε——理想灰体辐射系数 C，J/（m2·h·K4）；

T——温度，K。

由此可见，真空加热尤其是在低温阶段，工件升温速度必然缓慢。真空加热还存在一个特殊的“滞后”现象，即真空炉中测量温度的热电偶升到设定的淬火温度时，被加热零件还远没达到淬火温度。

有些操作者不熟悉真空炉辐射加热的特点，不清楚真空炉加热存在“滞后”现象；工艺方面也没有一个较为通用的加热时间确定方法，加热时间（包括预热时间和保温时间）过长或过短；组织生产时装炉方式不合理，存在工件相互遮挡，同炉处理的工件大小、形状差异较大。这些因素都会致使零件真空热处理后出现以下缺陷：硬度不足，晶粒粗大，力学性能不够，或造成生产时间和资源的浪费。

2.工艺参数的合理选取

（1）真空度 选择真空度要考虑所处理零件的化学成分和加热淬火温度。在常压下的热处理淬火温度范围内，零件表面合金元素一般不会蒸发，但在真空状态下加热，零件表面合金元素的蒸发有时会很严重，从而造成零件表面光亮度下降，使表面组织发生变化，力学性能下降。随着加热温度的升高和保温时间的延长，真空度越高，合金元素蒸发越严重，特别是一些含Cr、Mn元素较高的合金钢。但真空度又不能太低，过低的真空度起不到保护作用，从而失去真空热处理的意义。因此，真空热处理时应合理选择真空度，决不是真空度越高越好。

对所有的金属，操作时都应遵循“低温高真空，高温低真空”的真空度选择原则。对碳素钢来说，650℃以上加热，在较低真空度下，即可实现无氧化加热；对于高强度钢30CrMnSiA和马氏体不锈钢95Cr18等材料，在850℃以上温度加热，真空度应选择在13.3～1.33Pa，即可实现无氧化加热。特别注意有些材料，在同一真空度下，往往高温时不氧化，中温时氧化。如：20Cr13、40Cr13等马氏体不锈钢，真空度6.5Pa时加热，温度1050℃左右加热无氧化，而在600～700℃加热却出现氧化。所以真空加热时，不同的温度段，所使用的真空度也应有所不同。

为了保证零件的表面粗糙度，又不使零件表面合金元素蒸发，一般正确的操作应是，先将炉内抽至较高的真空度，然后充入高纯氮气，使炉内压力维持在26.6～200Pa下加热，可得到较好的实际生产效果。

（2）加热温度段、预热温度和加热保温时间 真空热处理的加热主要靠高温辐射，而不是常规热处理的高温时气体对流和低温时工件间传导，加热速度和升温速度很慢。因此，必须进行分段预热、加热和保温。一般真空加热典型的三阶段，600℃（或650℃左右）一次预热，800℃（或850℃左右）二次预热，1000℃以上温度为加热保温段，这三个加热保温段，适用于高合金工具钢和马氏体不锈钢，一些高强度结构钢也可灵活地运用两段加热。

在低温阶段，即600℃（或650℃左右）真空加热的滞后现象比较严重，如果装炉量少或单件装炉，温度滞后现象更为严重；在中温阶段加热，即800℃（或850℃左右）滞后现象就较弱；在高温阶段加热时，温度滞后轻微，几乎没有滞后现象，但是仍需要一段时间保温来使零件表面和心部温度一致，即所谓的“透烧”。

图1为真空热处理典型的三段式加热曲线。

根据平时的工作经验和参考资料，真空热处理（三段式加热）加热保温时间计算方法如下：

t1=30+aD

t2=30+bD

t3=20+cD

式中 t1——第一段加热温度的加热时间和保温时间，min；

t2——第二段加热温度的加热时间和保温时间，min；

t3——第三段加热温度的加热时间和保温时间，又称淬火保温时间，min；

a、b、c——加热系数；

D——零件有效厚度，mm。

第一段的特点是加热缓慢，时间较长。第二段的特点与第一段相比加热速度快，比t1时间稍短。第三段时工件烧透，工件组织中碳化物基本溶解。其特点是淬火加热速度明显加快，升温时间缩短。

只有a＞b＞c时，计算加热保温时间才合理，才能遵循t1＞t2＞t3缓慢升温的原则，也才能满足真空炉加热零件透烧的需要。即温度越高，加热系数越小。一般取a=1.5～2.0，b=1.0～1.5，c=0.25～0.5。

当零件形状复杂，装炉摆放密集，屏蔽严重时采用下限（数值大的）加热系数；当零件形状简单，摆放松散时采用上限（数值小的）加热系数。对于不锈钢和合金元素含量高的钢种，取下限加热系数。式中30、30、20是根据内热式真空炉不同温度段加热特点预设的升温时间（有些资料中原为30、20、15，根据笔者日常的工作经验和相关资料调整为30、30、20）。

综上所述，根据真空炉加热的特点，操作者可用简单计算法算出时间，使用过程中再用观察窗（瞭望口）观色法予以修正，逐步改进，以求获得各温度段加热时较正确的加热、保温时间，对把握真空热处理质量十分重要。但观色法要求操作者对火色的观看具有丰富经验。

3.减小工件真空淬火变形的合理操作

为减小工件真空淬火变形，应注意淬火前对工件进行正确保护，装炉时合理摆放工件，正确使用淬火工装，并做到缓慢加热和相变点前的充分预热。

图1

对结构复杂的工件或薄厚悬殊的工件，应采用氧化铝纤维棉包扎工件复杂部位的棱角或工件的薄壁处，减小因厚度不均匀引起的变形。

真空热处理时工件摆放方式不同，其变形量也不同；同时工件的摆放方式对工件淬火硬度的均匀性也有很大影响。真空热处理是靠辐射加热，摆放方式不当，势必造成工件相互遮挡严重，加热效果差。因此，工件的摆放应有利于淬火时油的循环流动，工件间应留有一定的间隙，便于得到最好的加热效果和淬火冷却时油的均匀流动。

为了防止易变形工件产生弯曲变形,应采用合理的料盘和吊挂工装、夹具。对于细长的杆类工件应悬挂放置，对于盘类工件应尽量使用料盘。同时淬火前应对料盘和夹具、工装进行校正。工件放置后，保证料盘平整，以防止由于料盘变形造成淬火工件的附加变形。

真空热处理时引起工件变形的主要原因是组织应力、热应力及工件前道工序形成的残余应力。只要真空炉采取完善的隔热结构，合理布置加热元件，实施缓慢加热和相变点前的充分预热，均可使真空淬火工件的变形减小。特别是低温阶段（600℃以下），辐射传热的效率很低，工件刚开始受热，升温速度相当缓慢。升温到钢的相变点附近时，应进行充分预热。冷却时在不产生残留奥氏体转变和合金碳化物的析出时，应采取低速冷却。总之，正确选择温度、正确进行真空油淬操作，工件淬火变形量可降低到盐浴炉淬火加热变形的1/2～1/10。

4.典型工件真空热处理

（1）40Cr13滑阀真空热处理 工件尺寸为φ20mm×50mm，有效厚度为6mm（壁厚）；热处理技术要求50～55HRC；设备用真空炉；真空度：650℃、880 ℃预热采用1.33Pa，1040℃加热保温采用1.33～13.3Pa；冷却时充入氮气降低真空度为101.3Pa（100Pa左右）。工艺曲线如图2所示。

效果：淬火硬度<50HRC。分析及改进意见：第一段升温速度过快，预热保温时间不足，容易导致工件心部温度不够；第三阶段的淬火保温时间较长，工件心部温度达到淬火温度，但表面保温时间过长，出现晶粒粗大现象。建议把第一段的升温时间改为40min，把第三段的保温时间改为20min。

（2）95Cr18活塞杆真空热处理 工件尺寸为φ20mm×30mm及φ5mm×10mm，有效厚度为10mm（壁厚）；热处理技术要求：55～60HRC；设备用真空炉；真空度：650℃、880℃预热和1040℃加热保温都采用1.33～13.3Pa；冷却时充入氮气降低真空度为101.3Pa。工艺曲线如图3所示。

效果：淬火后零件硬度≤60RC。分析：95Cr18活塞杆真空热处理淬火，预热段和淬火段的升温时间、保温时间选择合理，工件装炉摆放无相互遮挡。

（3）30CrMnSiA螺柱真空热处理 工件尺寸为φ30mm×130mm，有效厚度为30mm；热处理技术要求：硬度43～48HRC；设备用真空炉；真空度：650℃预热和880℃加热保温都采用1.33～13.3Pa；冷却时充入氮气降低真空度为101.3Pa。工艺曲线如图4所示。

效果：淬火后硬度36～50HRC。分析：从加热的工艺曲线分析，预热、升温、保温都较合理。但由于工件装炉方式采用平铺在淬火料筐中，导致出现较大的硬度不均匀性。

图2 40Cr13滑阀真空热处理淬火工艺曲线

图3 95Cr18活塞杆真空热处理淬火工艺曲线

图4 30CrMnSiA螺柱真空热处理工艺曲线