浅谈真空热处理表面光亮的质量控制

张雅，吕韦

（安徽天航机电有限公司， 安徽芜湖 241000）

热处理的质量控制方式主要是预防以及对热处理过程的管控。从机械加工的成品或半成品零件转入热处理工序，对于热处理过程的控制十分重要，主要从人、机、料、法、环、测等六个方面进行控制。与传统热处理相比，真空热处理要复杂得多，而加强零件的真空热处理质量过程控制，包括零件外部表面状态以及内部组织状态。作为外部表面状态如硬度、氧化色、腐蚀、变形等缺陷由于其较为容易被检测和控制，在生产中常常作为热处理质量分析的切入点。

通常制定热处理工艺时要确定的热处理参数主要有：加热制度（加热温度、时间、方式）、真空压强、冷却方式和冷却介质等。经过真空热处理的零件有着不氧化、不增碳以及不脱碳的优势，并且真空环境可以使金属零件释放出溶解的气体以及使金属氧化物分解，因而零件表面较为光亮。从宏观来看，影响真空热处理质量因素主要有以下几个方面，如表1所示。

金属零件在真空淬火、回火以及退火过程中在不同温度下均会出现不同颜色的氧化膜缺陷。真空加热不同温度下工件氧化膜的颜色，如表2所示。

对于影响真空热处理表面光亮的氧化原因主要包括零件的材料、热处理工艺以及热处理设备等多方面。现根据真空淬、回火以及真空退火，并结合生产实际简要分析其对工件表面光亮的质量控制。

表1 影响工件真空热处理质量的因素［1］

表2 真空加热不同温度下工件氧化膜的颜色［1］

1 真空淬火对于工件表面的质量控制

合金中(包括零件、真空加热室的结构材料以及运送零件的料框)或者绑扎零件所用的钢丝中，如果含有有蒸气压较高的元素（Cr、Mn、Cu、Ag、Al、Mg等），当金属元素的蒸气压小于真空加热环境的蒸气压时，金属元素就会开始蒸发，并以气体形式围绕在固态金属的周围，对固态金属产生黏附作用并污染金属表面，并且冷却时还会造成零件之间或者零件和料框的黏连，甚至会造成加热元件和炉体之间的短路。因此为避免合金元素的蒸发，在真空淬火过程中会选择向真空加热室充入惰性气体以提高真空压强［2］。

另外在零件的真空油淬过程中，油会经历由液态到气态的物态变化，从而导致零件各个部位的冷却速度存在差异，此为淬火变形的一个原因。真空正压气淬，采用高压气体作为冷却介质，由于气态冷却介质在淬火过程中不会经历物态变化，相较于油冷零件有着更为均匀的冷却速度，可实现更小的变形，同时，气淬可实现较油冷更为光亮的表面。

真空正压气淬虽有色泽变化小和微变形的优点，但是其局限性也同样突出：主要表现在气体的冷却压力，乃至装炉量的不同，都会明显影响零件冷却速度，进而影响淬火后性能；同时，相较于油冷，气体的冷却能力低，会带来淬透性的明显下降，对于不锈钢、高速钢等高淬透性钢，气冷能一定条件满足零件的淬透，北京航空材料研究院研究表明，对于1Cr15 Ni4Mo3N不锈钢，3bar压力下气淬可淬透Φ60mm，但是对于低淬透性结构钢等，气冷存在局限。同时，对于不同的不锈钢材料，在不同气淬压力下，均存在不同的临界淬透尺寸，均需进行工艺参数的摸索和验证。另一方面，6bar乃至10bar以上的高压气体，需要更为完善的现场的设施及工艺操作等，这些均为此项工作所要进行的相关研究。

2 真空回火对于工件表面质量的控制

真空回火后工件表面的发暗现象一直是被关注的真空热处理问题。有分析认为，真空度在（10-2～10-4）Pa范围内，水蒸气峰继续保持相当大的比例，O2的光谱已接近消失。在650℃以上水蒸气开始分解，出现链式反应；而在650℃以下，真空炉内呈微氧化状态，而回火温度正好是在此温度范围区域内，因此这也正是真空回火后表面发暗或不稳定的原因［4］。

而对于提高真空回火后表面光亮度的方法主要有以下几个方面［3］：

（1）提高真空加热的真空度。使真空度保持在1.3×10-2Pa以上，减少O2从而减少对工件的氧化作用。

（2）冲入N2中加入10%H2，使还原性气氛H2与炉内氧化性气氛中和,使炉内呈弱还原性气氛。

（3）减少真空炉隔热屏的吸收和排放水气的影响，排除耐火纤维隔热屏吸水性大的弊端，利用全金属隔热屏设计。

（4）回火后快速冷却，使工件出炉温度低，提高回火光亮度。

（5）提高回火温度均匀性，有利于回火光亮度保持一致。

用以上方法可以使回火工件光亮度达到真空淬火的90%以上。

3 真空退火对于工件表面的质量控制

除了钢、铜及其合金的真空退火，还可以进行与气体有亲和力的金属如钛、铌等元素退火，对于真空度的选择应该避免合金中的化合物的分解与脱溶等，应根据金属的氧化特性。但在退火前必须进行零件的清洗、脱脂以及烘干处理，防止加热过程中出现表面氧化、腐蚀、脱碳以及增碳的缺陷。

真空热处理属于光亮热处理，相比于普通热处理有着很多优点，但同样也存在着很多缺陷。正常情况下，经过真空热处理之后的零件应该保持热处理之前的金属光亮度。对于真空热处理后产生的表面光亮度的问题较为常见也较为直观，而这些表面的光亮问题也正反映了内部组织的一些缺陷，因此对于零件表面的质量控制则显得非常重要，同时这也为提高零件的使用寿命奠定了良好的基础。