真空热处理的发展和展望

真空热处理是指金属制件在真空或先抽真空后通惰性气体条件下加热，然后在油或气体中淬火冷却的技术。由于真空热处理时，工件基本不氧化，钢件不脱碳，采用通气对流加热方式还可使加热均匀，减少表面和心部的温差，从而也减少畸变。目前它已成为优质工模具不可或缺和首选的热处理工艺。更为可贵的是，真空热处理在生产过程中不会产生任何污染环境的物质，从而被大家公认属于清洁生产技术范畴。可以毫不夸张地说，真空热处理已成为当前先进热处理生产技术的主要标志。

当前真空热处理发展的主要特点是对流加热、高压气淬、低压渗碳、离子渗碳、乙炔渗碳等诸方面。为了使热处理同行在生产技术改造中能正确了解和掌播真空热处理的发展趋势，从而能适当选择、推广应用。本文就这些技术发展的特点分别加以介绍，以飨读者。

1．对流加热技术

在真空条件下加热工件，主要依赖辐射。由于辐射传热与温度的4次方成比例，所以在850℃以下辐射效果不高，工件加热速度很慢；其次，因为金属材料中的某些合金元素在低压条件下加热时有蒸发损失现象，会造成表面合金元素的贫乏，以致影响其淬火后的表面层性能。

对流加热技术是指先将真空炉炉膛抽到一定真空度，然后通以0．1—0．2MPa的惰性（Ar、He）、中性（N₂）或还原性（H₂）气体，并在充分搅动条件下施行加热，与在单纯真空条件下比较，加热速度至少可提高一倍以上

2．高压气淬技术

高速钢和高碳高合金模具钢、工模具经过真空加热油中淬火后，在刃部和薄壁部分表面会出现由合金碳化物构成的高硬度白亮层，脆性很大，服役时易崩刃，造成早期失效。高速钢的熔点较低，淬火加热的奥氏体化温度接近熔点，在真空中加热时，表面得到很大程度的净化，使表层原子保持较高的活性，而在处于一定真空度下的油中淬火冷却时，工模具在油气膜的瞬间表面也会增碳，从而进一步降低熔点，以致表面局部出现熔化现象，所以高碳高合金工模具钢真空加热后在油中淬火是不可行的。

高碳、高合金工模具钢真空加热奥氏体化后在惰性、中性或还原性气体中淬火冷却是惰性。中性或还原性气体中淬火冷却是保证质量的唯一可行途径。但是负压和常压下的气冷不能使大型工件或批量炉料都获得好的淬硬效果。一则气体本身也需要冷却，二则在有限体积条件下要增加气体的冷却能力，只有靠增加冷却气体的量，即提高冷却气体的压力来实现。

1975年开发出了第一台0.2MPa的气淬炉，而第一台0.5MPa气淬炉是1977年开发出的。

Bernd Edenhofer对各种液体和不同压力下的各种气体淬冷介质的导热能力进行了定量的比较。可以看出，随着气体压力的提高，其导热能力逐步增加。常用的各种冷却气体的导热能力有很大差别，在N₂、H₂、He和Ar4种气体中以HZ的冷却能力最强， He次之， N₂第三;Ar最差。N₂的冷却能力虽然较差，但其价格最低，且安全，故使用最广。2MPa以

上压力以用He居多，但He很贵，每次淬火后必须考虑回收。

在炉中施行单件加热和淬冷时，0．6MPa的N₂即可达到油在搅拌状态下的冷却能力；0．6MPa的He可达到聚合物淬火介质，甚至水的冷却能力； 0．6MPa的 H₂可完全达到水的冷却能力。而整批装料时，1MPa的N₂也达不到熔盐的冷却能力；2 MPa的He也只能达到油冷却能力的下限；而2～4 MPa的HZ的冷却能力可完全包容油冷能力的范围。气冷淬火，包括高压气冷淬火的另一最大优点是工件的淬火畸变很小，开裂倾向也小。在气冷淬火时，适当控制气体温度还可得到等温或分级淬火效果，从而进一步减少畸变。

可改变气流方向的真空高压气淬炉早在20世纪80年代初即已开发。而气流方向可在上下、前后变化的垂直气流通过整装炉料的高压气沙方式直到3年前才出现。

靠提高气体压力和采用He、H₂高热导率气体冷却可以提高单室气淬炉的淬冷能力，但也会提高生产成本。改善炉子结构，使气流通道通畅，减少阻力，采用新开发的强力风扇，使用提高热交换面积50％的新式水冷热交换器等措施不会使单室炉的投资明显增加，但却能提高其淬火冷却能力30％。经过如此改进的单室炉仍然难于和油淬炉相比，而针对既定材料和已知截面尺寸的零件已足以使工件淬硬，但旧式一般单室炉却难以达到。

双室高压气淬炉相对于单室炉在冷却效果上具有无可置疑的优越性。工件在加热室被加热奥氏体化以后转移到冷的炉腔再进行气体冷却，可以使需冷却的物料质量减少50％，由于冷态炉腔截面有可能进一步缩小，就使气体的流速加大。在单室炉的热态炉腔中气冷，气体本身湿度可达200～250℃，而在冷护腔中冷却时，气体温度则只有50℃，另外在工件和气体间的悬殊温差也会导致炉子冷却能力显著增加。

经过如此改进的在双室炉的冷腔中气淬可以使炉子的综合冷却能力比单室护提高60％一80 ％。

多层工件密集装炉时，高压气冷就很难达到油的冷却效果。采用高速气流喷嘴可以显著提高气淬时的冷却能力。高速喷嘴可使气流速度从10m/s直到 200m／s。单个和单层零件在0.1MPa的空气或氢气喷射气流中冷却时相当于 1MPa He在多层密装炉时的冷却能力。0．6MPa N₂的喷射气流在单件或单层装料时可达到快速淬火油的平均淬火烈度，而在全密集装料时却需要4MPa的H₂。

Ipsen公司还开发出一种Flux－Sensor（气流传感器），可放在炉料中直接测出冷却曲线，测出流过传感器表面的热流，从而计算出传热系数。此传感器可放在任何真空护中，在各种装料条件下使用，获得每炉次的冷却热流和传热系数值。该传感器的主要功能是判别不同真空炉的淬冷能力，其次是证实每个炉次淬冷周期的重现性。利用这种测量装置，配以适当的软件系统把新测出的传热系数推及到其他材料和不同尺寸零件，预测其淬火冷却条件。这种控制系统被称作Vacu－Quench－Expert（真空淬火专家系统）；另外它还储存有关于装炉方式、与温度有关的材料数据、连续转变曲线以及求解热交换和传热问题的必要的计算机程序。

3．低压（真空）渗碳技术

和常规气体渗碳相比，低压渗碳具有一系列优点，诸如在渗层中不会出现内氧化和反常组织，工件表面光亮、渗速快，易于实现离子渗碳和高温渗碳，进一步提高渗速。低压渗碳后再施行高压气淬，可使渗碳淬火的钢件畸变减到最低程度。近几年陆续向世的半连续和连续式低压沙碳炉以及渗碳淬火回水连续式生产线为推广低压渗碳技术创造了良好条件。可以想象，汽车工业中大量渗碳淬火件改用低压渗碳的技术革新高潮已指日可待了。

70年代开发的低压渗碳技术由于渗层均匀性和炉中集炭问题的阻碍，早期的低压渗碳炉未能得到广泛采用。当前这些问题基本上都得到解决。由于采用渗碳气体的特种喷射人炉机构和把通人的气体压力降低到1X10^-4 MPa以下，以及施行脉冲供气方式，炉中和工件表面积存炭黑现象已不复存在。目前的低压渗碳技术能保证渗层深度在0．6mm情况下，渗层均匀度在土0．1mm以内。

德国 ALD Vacuum TECHNOLOGIES AG公司新开发的半连续式低压渗碳护用于汽车同步环960℃的渗碳，在2MPa的He中淬火。用过的He气可以回收再用。和油淬相比，高压气淬后的齿轮畸变显著减小。

Ipsen公司新开发的三室离子渗碳炉具有油淬和气淬双重功能。渗碳气体可用CH₄、 C₃H₈，冷却气体用N₂、H₂或Ar。工件渗碳后气冷在另一冷腔内进行，气体压力可达0．6MPa，在整炉装料条件下，用N₂、H₂冷却时，可接近或达到油的冷却能力。

Ipsen公司新开发的AvaC 渗碳技术是在低压渗碳过程中采用乙炔（C₂H₂）作为渗碳气体。在一般低压渗碳时，CH₄的分解度极低，渗碳效果很差，C₂H₄、C₃H₈等气体的渗碳能力都较强，而渗碳和渗透能力最强的是乙炔。用乙炔可使Ф3mm X90mm的不通孔内部都渗上碳，而且从孔口到底部渗碳淬火后都能达到770～840HV；的硬度。这对于发动机喷油嘴内孔渗碳十分有利。为此Ipsen公司开发的RVTC低压渗碳和冷腔高压气淬双室炉，可用于航空工业的齿轮、轴承或特种零件的渗碳淬火。另外，该公司新开发的用乙炔渗碳的半连续式低压渗碳、油中淬火、清洗、回火生产线用于生产汽车变速箱齿轮，每条线每日生产量可达5400kg。

低压渗碳时，由于不存在渗碳气体和钢件的平衡反应，钢件在高温下处于碳氢化合物气体中，数分钟内表面即可达到很高的合碳量，从而增大工艺控制的难度。到目前为止生产中仍采用在不同温度和气压条件下碳传递速度的试验测定数据来控制。这些数据存储在数据库和有关碳渗入和扩散的计算机程序中。当计算的钢件表面合碳量达到奥氏体的饱和极限时，控制系统就中止渗碳（强渗）。此过程仅持续数分钟，依次施行渗碳、排气和扩散直到获得规定的渗层厚度为止。