內(nèi)容摘要：從真空熱處理的真空度、加熱時間、預(yù)熱和加熱溫度段以及影響工件變形的因素等方面來談?wù)婵諢崽幚砩a(chǎn)中的一些實踐經(jīng)驗、方法，并對工廠常用材料馬氏體不銹鋼40C r13、95Cr18和高強度鋼30CrMnSiA材料的真空熱處理工藝進行了分析比較。

真空熱處理同其他熱處理方法相比具有加熱無氧化、無脫碳、變形小，零件表面質(zhì)量高，無環(huán)境污染，以及生產(chǎn)作業(yè)條件好等突出優(yōu)點。因此，真空熱處理在航天領(lǐng)域產(chǎn)品零部件的熱處理方面深受歡迎。但由于航天產(chǎn)品零件材料的特殊性和真空熱處理加熱的特殊性，以及生產(chǎn)操作和工藝等方面的不成熟，一些材料如40Cr13、95Cr18、30CrMnSiA等，在真空熱處理后效果不佳，硬度不足或性能不夠。通過筆者的生產(chǎn)實踐和工藝攻關(guān)，獲得一些改善?，F(xiàn)將這些經(jīng)驗和方法加以總結(jié)，僅供參考。

1.真空加熱的特點及生產(chǎn)操作中存在的缺陷
在真空氣氛中加熱優(yōu)于其他加熱介質(zhì)（空氣、可控氣氛、鹽?。胀崽幚淼募訜岱绞蕉疾荒茉谳^高的加熱溫度下完全保持金屬零件熾熱表面與氣氛碳勢嚴(yán)格平衡，且不起任何化學(xué)反應(yīng)，因此零件氧化、脫碳、侵蝕等現(xiàn)象會普遍發(fā)生。而真空熱處理加熱是在極稀薄的氣氛中進行，可以避免上述弊病。在真空中零件主要靠單一的輻射傳熱進行加熱，而輻射傳熱有其特有的規(guī)律，即：斯蒂芬-波爾茲曼四次方定律

式中 E——理想灰體傳熱能力，J/（m2·h）；
4.96ε——理想灰體輻射系數(shù)C，J/（m2·h·K4）；
T——溫度，K。
由此可見，真空加熱尤其是在低溫階段，工件升溫速度必然緩慢。真空加熱還存在一個特殊的“滯后”現(xiàn)象，即真空爐中測量溫度的熱電偶升到設(shè)定的淬火溫度時，被加熱零件還遠沒達到淬火溫度。
有些操作者不熟悉真空爐輻射加熱的特點，不清楚真空爐加熱存在“滯后”現(xiàn)象；工藝方面也沒有一個較為通用的加熱時間確定方法，加熱時間（包括預(yù)熱時間和保溫時間）過長或過短；組織生產(chǎn)時裝爐方式不合理，存在工件相互遮擋，同爐處理的工件大小、形狀差異較大。這些因素都會致使零件真空熱處理后出現(xiàn)以下缺陷：硬度不足，晶粒粗大，力學(xué)性能不夠，或造成生產(chǎn)時間和資源的浪費。

2.工藝參數(shù)的合理選取

（1）真空度選擇真空度要考慮所處理零件的化學(xué)成分和加熱淬火溫度。在常壓下的熱處理淬火溫度范圍內(nèi)，零件表面合金元素一般不會蒸發(fā)，但在真空狀態(tài)下加熱，零件表面合金元素的蒸發(fā)有時會很嚴(yán)重，從而造成零件表面光亮度下降，使表面組織發(fā)生變化，力學(xué)性能下降。隨著加熱溫度的升高和保溫時間的延長，真空度越高，合金元素蒸發(fā)越嚴(yán)重，特別是一些含Cr、Mn元素較高的合金鋼。但真空度又不能太低，過低的真空度起不到保護作用，從而失去真空熱處理的意義。因此，真空熱處理時應(yīng)合理選擇真空度，決不是真空度越高越好。

對所有的金屬，操作時都應(yīng)遵循“低溫高真空，高溫低真空”的真空度選擇原則。對碳素鋼來說，650℃以上加熱，在較低真空度下，即可實現(xiàn)無氧化加熱；對于高強度鋼30CrMnSiA和馬氏體不銹鋼95Cr18等材料，在850℃以上溫度加熱，真空度應(yīng)選擇在13.3～1.33Pa，即可實現(xiàn)無氧化加熱。特別注意有些材料，在同一真空度下，往往高溫時不氧化，中溫時氧化。如：20Cr13、40Cr13等馬氏體不銹鋼，真空度6.5Pa時加熱，溫度1050℃左右加熱無氧化，而在600～700℃加熱卻出現(xiàn)氧化。所以真空加熱時，不同的溫度段，所使用的真空度也應(yīng)有所不同。

為了保證零件的表面粗糙度，又不使零件表面合金元素蒸發(fā)，一般正確的操作應(yīng)是，先將爐內(nèi)抽至較高的真空度，然后充入高純氮氣，使?fàn)t內(nèi)壓力維持在26.6～200Pa下加熱，可得到較好的實際生產(chǎn)效果。

（2）加熱溫度段、預(yù)熱溫度和加熱保溫時間真空熱處理的加熱主要靠高溫輻射，而不是常規(guī)熱處理的高溫時氣體對流和低溫時工件間傳導(dǎo)，加熱速度和升溫速度很慢。因此，必須進行分段預(yù)熱、加熱和保溫。一般真空加熱典型的三階段，600℃（或650℃左右）一次預(yù)熱，800℃（或850℃左右）二次預(yù)熱，1000℃以上溫度為加熱保溫段，這三個加熱保溫段，適用于高合金工具鋼和馬氏體不銹鋼，一些高強度結(jié)構(gòu)鋼也可靈活地運用兩段加熱。

在低溫階段，即600℃（或650℃左右）真空加熱的滯后現(xiàn)象比較嚴(yán)重，如果裝爐量少或單件裝爐，溫度滯后現(xiàn)象更為嚴(yán)重；在中溫階段加熱，即800℃（或850℃左右）滯后現(xiàn)象就較弱；在高溫階段加熱時，溫度滯后輕微，幾乎沒有滯后現(xiàn)象，但是仍需要一段時間保溫來使零件表面和心部溫度一致，即所謂的“透燒”。

圖1為真空熱處理典型的三段式加熱曲線。

根據(jù)平時的工作經(jīng)驗和參考資料，真空熱處理（三段式加熱）加熱保溫時間計算方法如下：
t1=30+aD
t2=30+bD
t3=20+cD
式中t1——第一段加熱溫度的加熱時間和保溫時間，min；
t2——第二段加熱溫度的加熱時間和保溫時間，min；
t3——第三段加熱溫度的加熱時間和保溫時間，又稱淬火保溫時間，min；
a、b、c——加熱系數(shù)；
D——零件有效厚度，mm。

第一段的特點是加熱緩慢，時間較長。第二段的特點與第一段相比加熱速度快，比t1時間稍短。第三段時工件燒透，工件組織中碳化物基本溶解。其特點是淬火加熱速度明顯加快，升溫時間縮短。
只有a＞b＞c時，計算加熱保溫時間才合理，才能遵循t1＞t2＞t3緩慢升溫的原則，也才能滿足真空爐加熱零件透燒的需要。即溫度越高，加熱系數(shù)越小。一般取a=1.5～2.0，b=1.0～1.5，c=0.25～0.5。
當(dāng)零件形狀復(fù)雜，裝爐擺放密集，屏蔽嚴(yán)重時采用下限（數(shù)值大的）加熱系數(shù)；當(dāng)零件形狀簡單，擺放松散時采用上限（數(shù)值小的）加熱系數(shù)。對于不銹鋼和合金元素含量高的鋼種，取下限加熱系數(shù)。式中30、30、20是根據(jù)內(nèi)熱式真空爐不同溫度段加熱特點預(yù)設(shè)的升溫時間（有些資料中原為30、20、15，根據(jù)筆者日常的工作經(jīng)驗和相關(guān)資料調(diào)整為30、30、20）。
綜上所述，根據(jù)真空爐加熱的特點，操作者可用簡單計算法算出時間，使用過程中再用觀察窗（瞭望口）觀色法予以修正，逐步改進，以求獲得各溫度段加熱時較正確的加熱、保溫時間，對把握真空熱處理質(zhì)量十分重要。但觀色法要求操作者對火色的觀看具有豐富經(jīng)驗。

3.減小工件真空淬火變形的合理操作
為減小工件真空淬火變形，應(yīng)注意淬火前對工件進行正確保護，裝爐時合理擺放工件，正確使用淬火工裝，并做到緩慢加熱和相變點前的充分預(yù)熱。
對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件或薄厚懸殊的工件，應(yīng)采用氧化鋁纖維棉包扎工件復(fù)雜部位的棱角或工件的薄壁處，減小因厚度不均勻引起的變形。
真空熱處理時工件擺放方式不同，其變形量也不同；同時工件的擺放方式對工件淬火硬度的均勻性也有很大影響。真空熱處理是靠輻射加熱，擺放方式不當(dāng)，勢必造成工件相互遮擋嚴(yán)重，加熱效果差。因此，工件的擺放應(yīng)有利于淬火時油的循環(huán)流動，工件間應(yīng)留有一定的間隙，便于得到z*好的加熱效果和淬火冷卻時油的均勻流動。
為了防止易變形工件產(chǎn)生彎曲變形，應(yīng)采用合理的料盤和吊掛工裝、夾具。對于細長的桿類工件應(yīng)懸掛放置，對于盤類工件應(yīng)盡量使用料盤。同時淬火前應(yīng)對料盤和夾具、工裝進行校正。工件放置后，保證料盤平整，以防止由于料盤變形造成淬火工件的附加變形。
真空熱處理時引起工件變形的主要原因是組織應(yīng)力、熱應(yīng)力及工件前道工序形成的殘余應(yīng)力。只要真空爐采取完善的隔熱結(jié)構(gòu)，合理布置加熱元件，實施緩慢加熱和相變點前的充分預(yù)熱，均可使真空淬火工件的變形減小。特別是低溫階段（600℃以下），輻射傳熱的效率很低，工件剛開始受熱，升溫速度相當(dāng)緩慢。升溫到鋼的相變點附近時，應(yīng)進行充分預(yù)熱。冷卻時在不產(chǎn)生殘留奧氏體轉(zhuǎn)變和合金碳化物的析出時，應(yīng)采取低速冷卻?？傊_選擇溫度、正確進行真空油淬操作，工件淬火變形量可降低到鹽浴爐淬火加熱變形的1/2～1/10。

4.典型工件真空熱處理
（1）40Cr13滑閥真空熱處理工件尺寸為φ20mm×50mm，有效厚度為6mm（壁厚）；熱處理技術(shù)要求50～55HRC；設(shè)備用真空爐；真空度：650℃、880℃預(yù)熱采用1.33Pa，1040℃加熱保溫采用1.33～13.3Pa；冷卻時充入氮氣降低真空度為101.3Pa（100Pa左右）。工藝曲線如圖2所示。

效果：淬火硬度<50HRC。分析及改進意見：第一段升溫速度過快，預(yù)熱保溫時間不足，容易導(dǎo)致工件心部溫度不夠；第三階段的淬火保溫時間較長，工件心部溫度達到淬火溫度，但表面保溫時間過長，出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象。建議把第一段的升溫時間改為40min，把第三段的保溫時間改為20min。

（2）95Cr18活塞桿真空熱處理工件尺寸為φ20mm×30mm及φ5mm×10mm，有效厚度為10mm（壁厚）；熱處理技術(shù)要求：55～60HRC；設(shè)備用真空爐；真空度：650℃、880℃預(yù)熱和1040℃加熱保溫都采用1.33～13.3Pa；冷卻時充入氮氣降低真空度為101.3Pa。工藝曲線如圖3所示。

效果：淬火后零件硬度≥60RC。分析：95Cr18活塞桿真空熱處理淬火，預(yù)熱段和淬火段的升溫時間、保溫時間選擇合理，工件裝爐擺放無相互遮擋。

（3）30CrMnSiA螺柱真空熱處理工件尺寸為φ30mm×130mm，有效厚度為30mm；熱處理技術(shù)要求：硬度43～48HRC；設(shè)備用真空爐；真空度：650℃預(yù)熱和880℃加熱保溫都采用1.33～13.3Pa；冷卻時充入氮氣降低真空度為101.3Pa。工藝曲線如圖4所示。

效果：淬火后硬度36～50HRC。分析：從加熱的工藝曲線分析，預(yù)熱、升溫、保溫都較合理。但由于工件裝爐方式采用平鋪在淬火料筐中，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的硬度不均勻性。