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真空热处理技术的应用
来源: | 作者:鼎言热处理 | 发布时间: 2019-10-30 | 474 次浏览 | 分享到:
真空热处理技术的应用
        由于真空热处理具有的一系列特点,使得这项现代的新工艺得到了快速发展和广泛应用。从处理材料来看,该工艺可以处理碳钢、不锈钢、合金钢、耐热合金、磁性材料、钛及钛合金、锆及锆合金、工具钢(含模具钢、刃具钢)。从产品的构件来看,航空工业中的飞机机翼大梁、起落架、髙强度螺栓等结构件,机械制造中的齿轮、轴类、工具、夹具、模具等都需要进行真空热处理。从应用的工艺领域来看,在机槭、冶金、能源、交通、航天、航空、航海、兵器、建筑、轻工、纺织、化工、石油、电子、电器等行业都需要真空热处理。真空热处理在机械、电子产品更新换代,提高产品质量,节能降耗,发挥材料潜力,提高产品寿命方面都有重要作用,下面分类介绍
1.真空退火
真空退火的特点
       由于在真空加热中,有脱气、脱脂、清除锈迹的作用,溶解于金属中的气体容易排出去,所以真空退火后的零件表面清洁、光亮。真空退火时经过压力加工产生变形的晶粒得到恢复,同时形成新的晶粒,使得组织得到均匀细化,因而改变了材料的力学性能。真空退火之后材料表面没有润滑剂的痕迹,表面干燥,可以不经过酸洗或喷砂的清洁工序就可以直接电镀,达到实现缩短工艺流程、提高产品质量的目的1.3.1.2真空退火应用范围
       (1)难熔金属的退火。钼、钨、钽、钴、钒、锆等金属熔点很高,而且又极易氧化,易被耐火材料污染,在加工时强度和硬度又很高,如果其中含有氢、氧、氮等气体,会使材料延展性变差,为了把它们变成型材,则必须经过真空退火之后,软化了这些材料,再进行压力加工
       (2)软磁合金的退火。软磁合金一般采用真空熔炼和真空轧制获得,因为它在温度、压力、辐射和机械负荷的作用下,还必须保证有稳定的磁性,因此需要用真空退火处理
       (3)硅钢片的退火。为了排除硅钢片中的氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等气体,清除氧化物和硫化物,消除内应力和晶界畸变,提高磁感应强度,降低单位铁损,需要真空退火。

        (4)铁镍合金和铁硅合金的退火。日的是改善组织结构,提高韧性
        (5)电工钢的退火。目的是提高塑性和均匀磁性
        (6)不锈钢的退火。目的是提高不锈钢的抗晶间腐蚀能力
        (7)结构钢的退火。目的是提高强度和表面光亮度。
        (8)钢丝及热电偶丝的退火。目的是获得光亮的表面,消除加工应力,去除金属丝中含有的氮和氧等有害气体

2.真空淬火
      真空淬火的主要目的是改善和强化金属构件的质量,特别是表面层的质量。对于工具钢而言,真空淬火后可以保证足够的硬度要求,而且表面光亮度好,变形小,硬度高且均匀使用寿命长,后加工工艺简单,生产周期短
      钢在真空淬火后,表面光亮是由于供给表面无氧化膜,附着在供给表面的油污杂质被挥发,从而使金属零件表面有光泽。真空淬火缓慢且均匀,气冷淬火后工件原地冷却不必移动,因此变形小且有规律。真空淬火后无氧化、脱碳,高合金工具钢由于淬火加热温度高真空加热后高活性的表面在油淬时将发生瞬时渗碳,形成一小层渗碳层,因此使真空淬火后的硬度比普通淬火时高而且均匀,不会出现淬火软点。真空加热时的脱气作用可以提高材料的强度、耐磨性、抗咬合性能及疲劳强度,所以真空淬火后工件的寿命普遍较高。
3.真空高压气淬

      真空高压气淬是在真空状态下将被处理工件加热,而后在高压力、高流速的冷却气体中进行快速冷却,提高被处理工件表面硬度的工艺过程之。真空高压气淬与普通气淬、油淬、盐浴淬火相比具有明显的优点:
①工件表面质量好、化、无增碳;
②淬火均匀性好、工件变形小;
③淬火强度可控性好,冷却速度可以控制:
④生产率高,省掉了淬火后的清洗工作;
⑤无环境污染适合真空高压气淬的材料很多,主要有:高速钢(如切削工具、金属模、压模、量规喷气发动机用轴承)、工具钢(钟表零件、夹具、压床)、模具钢、轴承钢等。
4.真空渗碳
 
真空渗碳原理     
     真空渗碳是将机械零件在真空中加热,当达到钢材临界点温度以上时,停留一段时间并进行脱气及脱除氧化膜,然后通入经过净化的渗碳气体(如CH4、C3、H8等),以进行渗碳及扩散。真空渗碳的渗碳温度高,可达1030℃,滲碳速度快。渗碳零件经脱气、去氧化物而使表面活性提高,提高了随后的扩散速度,渗碳与扩散反复交替进行,直到达到要求的表面浓度和深度为止。

真空渗碳的特点 
    真空渗碳深度与表面浓度可以控制;真空渗碳可以改变金属零件表层的冶金学性质;真空渗碳有效滲碳深度比其他方法渗碳实际深度更深
主要应用

      例如:齿轮真空渗碳、轴类零件真空渗碳、钻井机零件真空渗碳、数据处理机零件等
5.真空回火

真空回火的目的是将真空淬火的优势(产品不氧化、不脱碳、表面光滑、无腐蚀污染等)保持下来,如果不采用真空回火,将失去真空淬火的优越性。对热处理后不进行精加工、需要进行多次高温回火的精密工具更是如此真空回火的应用与真空淬火紧密相连,凡是真空淬火后的机械零部件,为了减少或消除淬火应力,保证相应的组织转变,提高材料的塑性和韧性,获得硬度和强度,稳定工件尺寸等工艺需要,都要经过真空回火处理。

真空热处理技术的现状

      金属的热处理加工技术已经有几千年的历史了,金属的退火、淬火、回火、正火等技术在我国古代兵器加工中早有应用。真空热处理的出现比较晚,1927年美国无线电公司研制出了VAC-10型真空热处理炉。1949年美国芝加哥的企业将真空热处理应用于生产中,这是真空热处理技术工业应用的开始。20世纪60年代由于石墨材料的广泛应用,加之宇航电子等工业的迫切需要,使真空热处理得到飞速发展,出现了各种类型可适应不同工艺要求的真空炉,真空炉的技术性能、应用领域术,得到了许多工业领域的重视,取得了突飞猛进的发展
1.真空热处理设备的发展情况

       国际上的发展情况
       (1)燃气真空炉研制开发和应用。
       (2)真空加压气淬炉的开发
       (3)真空回火炉的开发。
      (4)流态化真空炉的开发
       (5)热壁式真空渗碳炉的开发
       (6)真空烧结炉的开发
       (7)真空高压气淬炉智能控制系统的开发。
       (8)多用途真空炉的开发
国内发展情况     
     (1)真空气淬炉。
      目前我国主要真空高压气淬炉有:0.6 MPa VQG系列、0.2MPVPG系列、0.6MPa带对流加热系统的VQGD系列等。其部分性能指标已达到国际先进水平,如炉温均匀性已经达到美国军标M180233A规定的要求,温度均匀性达到±5.6℃炉内压升率达到国际水平(<1.33Pa),设备的最高温度和极限真空度等指标也能满足用户要求,许多厂家生产的设备开始销往国外

      (2)燃气式真空热处理炉。
      目前,国产真空热处理炉的主要性能已经达到国际同类产品的先进水平。如炉温的均匀性达到美国军标MLF-80133D和MIL-80233B规定的指标,即在5.6℃以内,压升率指标一般均达到<0.66Pa/h,设备最高工作温度和极限真空度以PLC型智能化控制系统等都能满足用户要求。国产真空退火炉、真空油淬气淬炉等主要炉种已经基本站稳了国内市场,满足了各行业的需要,有些炉型已经出口到国外市场,受到国际上的好评

       国内真空热处理设备正在向专业化、自动化、可靠性、先进性方向发展,在生产成本降低、节约运转费用、简化设备结构、提高设备智能化进程、保证设备运行稳定等方面做了许多研究开发工作。真空热处理设备的在线控制,新型真空热处理设备的研究开发工作受到了重视
真空热处理工艺发展情况
       20世纪70年代真空热处理工艺在我国得到了初步发展,科技工作者主要研究探讨真空热处理的基本性质、加热特点、金属蒸发问题,金属在真空下加热的基本规律、变形问题。同时开展了典型真空热处理工艺研究,进行了真空退火、真空油淬、真空气淬的工艺研究和应用。20世纪80年代,真空热处理技术在我国迅速发展,引进的先进真空热处理设备增多,真空热处理的工艺研究和应用日益广泛,开发了真空高压、真空高流率淬火工艺的应用。几乎与此同时,真空渗碳、真空烧结、真空钎焊、真空离子渗碳(氮、金属)等工艺也相继开发出来。真空热处理技术在我国从实验和少量生产正式走向了工业生产领域。20世纪90年代以来,真空热处理出现了许多新技术、新特点,高压气淬和超高压气淬开始应用,真空加热、热风回火、快速冷却技术得到发展。紧接着真空清洗技术,真空热处理设备和工艺智能控制系统,真空渗碳及真空离子渗碳技术得到蓬勃发展和应用,在美国、德国、法国、日本、英国等国家成为新技术发展的热点。我国在这些方面紧跟发达国家开发应用了许多真空热处理新技术、新工艺,例如真空高压气淬工艺、真空回火热风循环快连续炉真空热处理工艺、真空渗碳工艺等,在真空清洗技术、真空渗碳工艺和真空工艺智能化控制系统及高温离子热处理等领域也有很好的研究和应用。
       经过许多科技工作者的分析探讨,普遍认为今后金属表面工程将会更多地依赖真空热处理技术,真空热处理技术的应用领域正在不断扩大,工艺水平正在不断提高。真空热处理工艺的发展应该是简化工艺过程、缩短工艺时间、提高工作效率、稳定产品质量、开发新型工艺过程。

真空热处理理论的发展情况
       热处理是阐明金属材料化学成分、微观组织结构、力学性能等关系的科学。真空热处理只是改善了热处理的环境气氛,提高了热处理产品的质量和性能,其原理是相同的。固态金属(包括纯金属和合金)在加热和冷却过程中可能发生各种相的转变,称为相变,金属的固态相变是金属能够进行热处理的前提
金属固态相变的类型很多:按相变过程中金属原子的运动特点可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变;按平衡状态可分为平衡相变和非平衡相变;按热力学可分为一级相变和二级相变
      金属的金相组织是一门比较成熟的学科,除了研究金属相变以外,还研究钢中奥氏体组织的形成、结构和性能;珠光体的组织形态、晶体学,珠光体转变动力学,珠光体的力学性能;马式体转变的特征,马氏体的组织形态,影响马氏体转变的因素,马氏体转变的热力学,马氏体转变的动力学,马氏体的性能;贝氏体转变特征,贝氏体的组织形态,贝氏体的形成条件,贝氏体的转变机理等
       国际上真空高压气淬技术和设备的进展都是在基础理论研究的基础上发展起来的,基础理论研究多集中在推导工件冷却时间的表达式。决定工件冷却时间的主要因素是气体与工件之间的对流换热系数,找出影响对流换热系数的因素,如气体压力、流速、淬火气体性质等,研究增加对流换热系数的方法、途径,寻找高效、节能、环保的设备和工艺
真空热处理技术的发展趋势

       根据美国金属学会热处理分会、金属处理研究院、能源部工业技术厅对美国热处理工业2020年度发展前景的预测,未来的热处理工业要有一流的质量,生产具有零畸变的产品零件;在整个工艺过程中,产品质量具有零分散度,能量利用率提高到80%:工作环境良好,清洁无污染;生产中采用标准的闭循环控制系统,智能系统控制决定产品的性能,综合技术使工艺时间减少50%,成本降低75%。所有这些设想,为真空热处理技术的发展提供了广阔的机遇。真空热处理技术是工业发达国家广泛采用、迅速发展的一种高效、节能、清洁空和增应也世件;在整个工艺过程中,产品质量具有零分散度,能量利用率提高到80%;工作环境良好,无污染的先进热处理技术。
          真空热处理技术的应用越来越广泛,预测其发展方向也是很有意义的工作,大胆猜想也许会给读者带来兴趣。据估计,未来的真空热处理应该重视以下几个方面。
真空热处理工艺的发展方向
       ①开发精密真空热处理工艺。在被处理的零件尺寸方面,使热处理工件变形小或无变形;在组织性能方面,需要精密、均匀、一致、可重复性好
       ②开发节能真空热处理工艺。尽量减小真空热处理过程中的热损失,充分利用工艺过程中的余热,开展低温对流辎射加热系统的研究,例如传统的高压气淬主要利用缅射加热通入惰性或中性气体的方式,实现150-800℃下的对流加热,对流辐射加热比单純辐射加热节能大约50%,缩短了火周期,降低了加热工件内部的热应力,减小了工件的变形
       ③开发等温分级控制火工艺。激烈的高压气冷有时会使工件严重裂变,工件截面尺寸越大,问题越突出,实现等温分级停火可以解决该问题。当工件完成奥氏体化后,再开始最大压力或最大流量进行冷却。在工件表面和心部各放一根热电偶,当T作表面温度将达马氏体淬火温度封,降低炉内压力和精确控制风量,使表面温度不再下降,直到工件表面和心部温度差达到预定值时,再进一步对工件冷却
       ④开发复合热处理工艺,精确控制加热、冷却速率,控制工件内部组织转变定性,提高热处理材料或零件的质量

       ⑤简化真空热处理的工序,节省时间,人力、物力、财力
(2)真空热处理设备的发展方向
       
为提高加热速率和均匀性,最好采用低温对流加热,多喷嘴圆周方向冷却,使用四可以换向的气流淬火,采用分级精确控制系统,使气淬更均匀。想办法努力提高冷却速率,例如采用高压气淬、高流率气箨、加虽冷淬室内部换热条件、改善嘴群的结构和布
       ②开发研制气淬压力大于1.0MPa的超高压气淬设备,日前国产真空高压设备气淬压力在0.公MPa水平,处于发达面家8世纪80年代水平,国外已经开发出2-10MPa的真高压气淬炉,其工作温度高达

因此国内还需要努力实现国际先水平
       ③开发研制双室真室高压气淬设备。目首使用的真空高压设备大多数是单室的,即加热和冷却在同一室内进行。如果改成热,冷双室的设备,在冷室内淬火,不需要玲却加热室,降低了加热元件的损耗,延长了加热元件的使用寿命,诚少了溶火所需时间,提高了冷却能力,同时也减少了冷却气体的消耗,节约能源、减少浪费
       ④改进真空热处理设备功能,提高设备的连续化程度,开发连续式生产线,强化设备的可靠性、可控性、可重复性,提高真空热处理设备运行的自动化程度,向智能化控制、网络管理系统方向发展,提高测试仪表的精度、寿命,开发大规模生产的生产线,提高生产效率,实现真空热处理设备和工艺的柔性化生产,进行质量和工艺过程的自动化控制。
       ⑤探寻真空热处理设备新的结构、新的功能;开发流态化真空热处理炉新技术;开发机多用新产品;对真空热处理设备进行优化设计;研制节能型真空热处理炉;开发真空热处理设备的新用途。
(3)真空热处理理论研究方向。
        理论研究是一项艰苦、细致,又很抽象的工作,开展真空热处理的理论研究是改进真空热处理工艺,提高真空热处理设备水平的基础
       ①开展真空热处理过程的数值模拟研究。真空热处理是在密闭的真空室内进行,很难观察和检査,因此开展真空热处理过程中加热、保温、冷却的数值模拟,特别是真空高压气淬过程的传热、气体流动、冷却过程的数值模拟十分有利于理论研究的深入。
       ②开展真空热处理过程中工件内部相变的规律。研究被处理工件内部组织变化规律以及与外界环境因素的关系。例如研究真空高压气体淬火过程中气体流场、温度场的变化规
律,提高气淬压力、流量对产品质量的影响规律,影响真空高压气体淬火效果的因素等都是很重要的工作
       ③研究加热速度、保温时间、冷却速率等外界因素的变化对被处理工件内部组织结构变化的影响等,以便给出真空热处理工艺的最佳条件