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            上海熱處理廠有限公司真空熱處理工藝技術及設備  2011/3/8 
             
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            真空高壓氣冷淬火技術

              當前真空高壓氣冷淬火技術發展較快,相繼出現了負壓(<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,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,還有高效、節能、無污染等優點。

              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,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25~100mm。

              用10×105Pa高壓氮氣冷卻淬火時,被冷卻負載可以是密集型的,比6×105Pa冷卻時負載密度提高約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。但運行成本、維修成本低。由于我國基礎材料工業(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單室高壓真空護質量的同時,發展雙室加壓和高壓氣冷淬火爐比較符合我國的國情。

            真空高壓氣冷等溫淬火

              形狀復雜的較大工件從高溫連續進行快速冷卻時容易產生變形甚至裂紋。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兩塊疊裝的碳素結構鋼用不同冷卻方式淬火后的對化結果。圖中一組曲線是在102O℃加熱后,在6×105Pa壓力下連續用高純氮氣冷卻(風向是上、下相互交替,40s切換一次)的結果。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 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。

            真空滲氮技術

              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,在低壓狀態下產生活性氮原子滲入并向鋼中擴散而實現硬化的;而離子滲氮是靠暉光放電產生的活性N離子轟擊并僅加熱鋼鐵零件表面,發生化學反應生成核化物實現硬化的。

              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℃,同時送入氨氣或NH3+CXHY+N2O復合氣體,并對各種氣體的送入量進行精確控制,爐壓控制在0.667Pa(5Torr),低壓狀態能加快工件表面的氣體交換,活躍的N元素(或N,C)來自化學反應及NH3(或在處理溫度500-570℃NH3和CXHY的裂解),保溫3~5h后,用爐內惰性氣體進行快速冷卻。不同的材質,經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,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,含活性物質的純凈復合氣體被送入,使表面層相結構的調整和控制、質量的改善、效率的提高成為可能。經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化合物層可達到的硬度和材質成分有關。材質中含Cr量越高,硬度也呈增加趨勢。Cr13%時,硬度可達到1200HV;含Cr18%(質量分數,余同)時,硬度可達 1500HV;含Cr25%時,硬度可達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點,就是通過對送入爐內的含活化物質的復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0.1-1mm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的復合氣體在短時間內向鋼中擴散形成的組織。這種組織的優點是耐熱沖擊性、抗龜裂性能優異。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,必需調整表面層的組織和性能。真空滲氮除應用于工模具外,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,可接受處理的材質也比較廣泛。

            真空清洗與干燥技術

              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,清洗干燥的任務更繁重、難度也更大。國際上使用效果最佳的清洗劑是鹵素系清洗劑。發達國家,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、氟里昂因屬破壞大氣臭氧層物質,已被禁止使用。其他鹵素系物質也因對生態環境、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。

            模具的真空熱處理工藝 

               熱處理的發展是伴隨著機械制造業的發展而發展,機械制造又對熱處理提出了更新更高的要求,模具的熱處理又是熱處理中技術含量最高的部分。

              眾所周知,模具熱處理就是為了發揮模具材料的潛力,提高模具的使用性能。模具的性能必須滿足:高的強度,(包括高溫強度,抗冷熱疲勞性能)高的硬度(耐磨性能)和高的韌性,并且還要求有良好的機械加工性、(包括良好的拋光性)可焊接性及抗腐蝕性等等。

              對模具壽命影響最大的是模具的設計(包括了正確的選擇材料)模具的材料,模具的熱處理,模具的使用和維護等。如果模具的設計合理,材料優質,那么熱處理的好壞直接決定了模具的使用壽命。目前國內外都在設法采用更先進的熱處理手段來提高模具的性能延長模具的使用壽命。而真空熱處理則是模具熱處理中較先進的方式之一。所以從模具熱處理來看,熱處理加工設備的狀態、熱處理的工藝、生產過程的控制顯得尤為重要。而設備的先進性是保證先進工藝實現的前提。真空高壓氣淬爐是實現真空熱處理最為理想的設備。真空爐具有不脫碳,不氧化的效果,具有溫度均勻,加熱和冷卻速度可控,可以實現不同的工藝過程,真空爐由于沒有污染,是國際上公認的“綠色熱處理”,F在國際上已有2-20bar的真空高壓氣淬爐,可以完全滿足模具的真空熱處理的要求。

              模具熱處理過程中,所采用的工藝參數對模具性能也有著至關重要的影響:它包括了加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻方式、冷卻速度等。正確的熱處理工藝參數可以保證模具獲得最佳性能,反之,將產生不良甚至嚴重后果。實踐表明,正確的熱處理工藝可以獲得優良的組織,優良的組織形態才能保證優良的機械性能。合適的工藝方法可以有效的控制模具熱處理時的變形和開裂。從實踐中發現:模具在加熱和冷卻過程中,模具表面溫度和心部溫度的差異(加熱的不均勻性和冷卻的不均勻性)是造成模具變形的主要因素。(真空爐具有控制加熱速度和冷卻速度的能力)。不同的工藝方法可以使模具滿足不同的使用條件和不同的性能要求。

              從模具的使用壽命來看,滿足硬度的要求只是達到模具技術要求的一個方面,它還有些性能要求是不好測量的,如強度韌性等等。模具質量的好壞并不能完全用硬度指標來進行認定,它不可能用硬度測量方法最終來檢驗出模具的使用壽命,熱處理作為特殊工序(即特殊過程),它只能通過工藝驗證,性能實驗,確認合理的工藝參數,并嚴格實施經確認的工藝參數(工序過程控制)來保證產品質量的可靠性和穩定性。大量數據表明,真空熱處理加工的冷沖模具變形較小、很少發生線切割開裂、磨裂的現象。壓鑄模采用先進的工藝方法,在一定程度上減少模具的龜裂以及使用中粘模的現象。

              總而言之,真空高壓氣淬工藝具有加熱和冷卻速度自由控制的優點,可以編制不同的工藝參數,得到預想的金相組織和性能。  

            技術的應用

              零件經真空熱處理后,畸變小,質量高,且工藝本身操作靈活,無公害。因此真空熱處理不僅是某些特殊合金熱處理的必要手段,而且在一般工程用鋼的熱處理中也獲得應用,特別是工具、模具和精密耦件等,經真空熱處理后使用壽命較一般熱處理有較大的提高。例如某些模具經真空熱處理后,其壽命比原來鹽浴處理的高40~400%,而有許多工具的壽命可提高3~4倍左右。此外,真空加熱爐可在較高溫度下工作,且工件可以保持潔凈的表面,因而能加速化學熱處理的吸附和反應過程。因此,某些化學熱處理,如滲碳、滲氮、滲鉻、滲硼,以及多元共滲都能得到更快、更好的效果。

             
             
                  
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