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真空热处理的优势在哪里?
2019-09-30 09:11:20
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南通模具钢真空热处理技术

  真空热处理的优势在哪里?


  真空热处理实现了热处理的全部或部分工艺在真空状态下进行,如淬火、退火、回火、渗碳、渗铬、氮化等等。结合了真空技术与热处理两种工艺技术后,相比常规的的热处理工艺,真空热处理拥有了更多的优势


  首先,真空热处理可以实现不氧化、不脱碳、不增碳,对工件内部和表面有良好的保护作用。


  氧化会使金属表面失去光泽,粗糙度增加,精度下降,钢件的强度以及力学性能也会降低。脱碳也就是钢在加热时表面碳含量降低的现象。一般情况下,钢的氧化伴随着脱碳,碳含量降低会明显降低钢的淬火硬度、耐磨性、及疲劳性能。而真空热处理由于金属是在一定的真空度下加热,工件避免了与氧气接触,工件没有氧化,无脱碳,可以得到光亮的表面及较好的热处理质量,同时在真空状态下,也不会发生还原反应,也就不会发生增碳现象。


  其次,真空热处理具有脱气的作用,可以提高金属等材料的机械性能、净化表面。


  金属坯料在冶炼时会吸入空气中极少量的氢气、氮气、一氧化碳等气体,从而产生微小气孔,易造成氢脆等缺陷。硬质合金,在压制时也会有空气进入。在真空热处理中,真空状态对液态金属有明显的除气效果,对固态金属中溶解的气体也有很好的排除作用,从而消除氢脆等缺陷,提高材料的塑性、韧性和疲劳强度,提高工件的整体机械性能。同时真空中氧化物会发生分解,形成的游离氧立即排出真空室,可以使金属表面质量进一步改善,起到净化作用。


  第三,真空热处理后的工件变形小。一般来说,被处理的工件在炉内靠热辐射加热,内外温差较小,热应力小,因而决定了真空热处理工艺处理的工件变形小。同时在真空下加热和在真空下淬火,自动完成,避免了热态下工件在空气中的搬运,减少了人为加工变形。这样就大大减少了后期的机加工量。


  除了以上3个主要优势外,真空热处理在可控环境下加热和真空淬火,还可以可减少工件合金元素的挥发性,保证工件的热处理质量。同时,真空热处理炉热效率高,可实现快速升温和降温,稳定性和重复性好。


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  真空热处理炉的技术特点


  真空热处理炉是真空技术与热处理技术相结合的热处理技术,真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境,包括低真空、中等真空、高真空和超高真空,真空热处理实际也属于气氛控制热处理。真空热处理是指热处理工艺的全部和部分在真空状态下进行的,真空热处理可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺,但热处理质量大大提高。与常规热处理相比,真空热处理的同时,可实现无氧化、无脱碳、无渗碳,可去掉工件表面的磷屑,并有脱脂除气等作用,从而达到表面光亮净化的效果。


  真空高压气冷淬火技术


  当前真空高压气冷淬火技术发展较快,相继出现了负压(<1×10^5Pa)高流率气冷、加压(1×105~4×105Pa)气冷、高压(5×105~10×105Pa)气冷、超高压一(10×105~20×105Pa)气冷等新技术,不但大幅度提高了真空气冷淬火能力,且淬火后工件表面光亮度好,变形小,还有高效、节能、无污染等优点。


  真空高压气冷淬火的用途是材料的淬火和回火,不锈钢和特殊合金的固溶、时效,离子渗碳和碳氮共渗,以及真空烧结,钎焊后的冷却和淬火。


  用6×105Pa高压氮气冷却淬火时、被冷却的负载只能是松散型的,高速钢(W6Mo5Cr4V2)可淬透至70~100mm,高合金热作模具钢(如4Cr5MoSiV)可达25~100mm。


  用10×105Pa高压氮气冷却淬火时,被冷却负载可以是密集型的,比6×105Pa冷却时负载密度提高约30%~4O%。


  用20×105Pa超高压氮气或氦气和氮气的混合气冷却淬火时,被冷却负载是密集的并可捆绑在一起。其密度较6×105Pa氮气冷却时提高80%~150%,可冷却所有的高速钢、高合金钢、热作工模具钢及Cr13%的铬钢和较多的合金油淬钢,如较大尺寸的9Mn2V钢。


  具有单独冷却室的双室气冷淬火炉的冷却能力优于相同类型的单室炉。2×105Pa氮气冷却的双室炉的冷却效果和4×105Pa的单室炉相当。但运行成本、维修成本低。由于我国基础材料工业(石墨、钼材等)和配套元器件(电动机)等水平有待提高。所以在提高6×105Pa单室高压真空护质量的同时,发展双室加压和高压气冷淬火炉比较符合我国的国情真空高压气冷等温淬火形状复杂的较大工件从高温连续进行快速冷却时容易产生变形甚至裂纹。以往可用盐浴等温淬火解决。在单室真空高压气冷淬火炉中能否进行气冷等温淬火呢?图1为在带有对流加热功能的单室高压气冷淬火炉中对两组φ320mm×120mm两块叠装的碳素结构钢用不同冷却方式淬火后的对化结果。图中一组曲线是在102O℃加热后,在6×105Pa压力下连续用高纯氮气冷却(风向是上、下相互交替,40s切换一次)的结果。另一组是对试样表面、心部进行370℃时的控制冷却。从两组曲线的对比可以看出,心部温度通过50O℃的时间(半冷时间)只差约2min。从表面进行控制冷却开始到心部温度到达370℃附近,需27min。由此可见,在单室真空高压气淬火炉进行等温气冷淬火是可行的。


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  真空渗氮技术


  真空渗氮是使用真空炉对钢铁零件进行整体加热、充入少量气体,在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的;而离子渗氮是靠晖光放电产生的活性N离子轰击并仅加热钢铁零件表面,发生化学反应生成核化物实现硬化的。


  真空渗氛时,将真空炉排气至较高真空度0.133Pa(1×10-3Torr)后,将工件升至,530~560℃,同时送入氨气或NH3+CXHY+N2O复合气体,并对各种气体的送入量进行精确控制,炉压控制在0.667Pa(5Torr),低压状态能加快工件表面的气体交换,活跃的N元素(或N,C)来自化学反应及NH3(或在处理温度500-570℃NH3和CXHY的裂解),保温3~5h后,用炉内惰性气体进行快速冷却。不同的材质,经此处理后可得到渗层深为20~80μm、硬度为600~1500HV的硬化层。


  真空渗氮有人称为真空排气式氮碳共渗,其特点是通过真空技术,使金属表面活性化和清净化。在加热、保温、冷却的整个热处理过程中,不纯的微量气体被排出,含活性物质的纯净复合气体被送入,使表面层相结构的调整和控制、质量的改善、效率的提高成为可能。经X射线衍射分析证实,真空渗氮处理后,渗层中的化合物层是ε单相组织,没有其他脆性相(如Fe3C、Fe3O4)存在,所以硬度高,韧性好,分布也好。“白层”单相ε化合物层可达到的硬度和材质成分有关。材质中含Cr量越高,硬度也呈增加趋势。Cr13%时,硬度可达到1200HV;含Cr18%(质量分数,余同)时,硬度可达1500HV;含Cr25%时,硬度可达1700HV。无脆性相的单相ε化合物层的耐磨性比气体氮碳共渗组织的耐磨性高,抗摩擦烧伤、抗热胶合、抗熔敷、抗熔损性能都很优异。但该“白层”的存在对有些模具和零件也有不利之处,易使锻模在锻造初期引起龟裂,焊接修补时易生成针孔。真空渗氮还有一个优点,就是通过对送入炉内的含活化物质的复合气体的种类和量的控制,可以得到几乎没有化合物层(白层),而只有0.1-1mm扩散层的组织。其原因可能是在真空炉排气至0.l33Pa(1×10-3Torr)后形成的,另一个原因是带有活性物质的复合气体在短时间内向钢中扩散形成的组织。这种组织的优点是耐热冲击性、抗龟裂性能优异。因而对实施高温回火的热作模具,如用高速钢或4Cr4MoSiV(H13)钢制模具可以得到表面硬度高、耐磨性好、耐热冲击性好、抗龟裂而又有韧性的综合性能;但仅有扩散层组织时,模具的抗咬合性、耐熔敷、熔损性能不够好。由于模具或机械零件的服役条件和对性能的要求不一,在进行表面热处理时,必需调整表面层的组织和性能。真空渗氮除应用于工模具外,对提高精密齿轮和要求耐磨耐蚀的机械零件以及弹簧等的性能都有明显效果,可接受处理的材质也比较广泛。


  真空清洗与干燥技术目前有的热处理还离不开清洗干燥工序,尤其需油冷的各类热处理,清洗干燥的任务更繁重、难度也更大。国际上使用效果的清洗剂是卤素系清洗剂。发达,如日本使用的卤素系清洗剂的比例如表1所示。其中三氯乙烷、氟里昂因属破坏大气臭氧层物质,已被禁止使用。其他卤素系物质也因对生态环境、人、畜有害而被限制使用。所以各国都在研究各种替代型的清洗干燥技术。


  


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