真空淬火常见故障

胡剑锋,尹中秋,毛 喆,黄红武,黄天勇

(1.中国人民解放军驻一二四厂军事代表室，河南 郑州 450005； 2.航空工业郑飞公司，河南 郑州 450005)

我公司使用的真空双室淬火炉，主要用于合金钢和不锈钢制件的淬火处理，工作使用温度范围为800～1200 ℃。但由于工艺不完备、设备维护不当等原因，制件淬火后出现热处理质量达不到技术要求的现象。因此，本文针对生产中常出现的质量故障进行总结。

1 常见故障

1.1 淬火后硬度不足

案例：一批材料为30CrMnSiA的制件，有效厚度为10 mm，技术要求硬度为35～41 HRC。热处理工艺如下：

1)淬火：采用真空淬火炉在650±10 ℃温度下保温20 min后，升温至890±10 ℃保温50 min，油冷淬火，其真空度为1～10 Pa。

2)回火：采用井式电阻炉，520±20 ℃温度下保温60 min，水冷。

按上述热处理工艺进行淬火、回火后，测量制件硬度为34 HRC，不符合技术要求。将该批制件按上述工艺重新淬火后测量硬度为34 HRC，低于该材料淬火后硬度大于44 HRC的要求。抽取该批制件中的三件进行盐炉淬火工艺试验，盐炉890±10 ℃加热保温10 min，油冷后三件制件的硬度均在47 HRC左右，按原工艺回火后均符合35～41 HRC的技术要求。通过两种淬火方式对比，发现使用真空淬火后制件的硬度不足。

复查操作过程，发现操作者在淬火保温结束转移至冷室后，直接进行入油冷却。此时冷室真空度为6 Pa，不符合标准HB/Z 191—1991《航空结构钢不锈钢真空热处理说明书》中7.2.6.2.3条的规定：“淬火时油面压强一般应通过回充氮(氩)气控制在5×104Pa左右，并采用先充气后入油的方式进行淬火。对于淬透性较好的结构钢(如：40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、30CrMnSiNi2A、300M钢等)以及马氏体不锈钢等，可以采取先入油后充气或不充气、或先充气后入油的方式进行淬火。采取先充气后入油的方式，充气压强可小于5×104Pa，一般控制在2.5×104Pa左右”。而30CrMnSiA这种材料淬透性一般(淬火直径为φ25 mm)，若在工艺规程中没有明确冷却时的真空度要求，操作者一旦未进行充气处理，容易造成淬火后硬度不足。

制件淬火冷却过程分为三个阶段：蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段。制件从真空炉热室保温再转移到冷室入油冷却的瞬间，周围的油立即被加热气化，在制件表面形成一层蒸汽膜，该膜层的存在使制件仅靠辐射进行热传导，导热性差；同时，冷却初期工件放出的热量大于蒸汽膜传递给油的热量，蒸汽膜会不断增厚，随后因受到冷却油的降温作用会使蒸汽膜破裂，工件与油直接接触，使油在工件表面激烈沸腾，不断产生气体带走大量的热能，让工件冷却速度加大；当工件冷却到真空淬火油的沸点时，主要以对流的方式进行冷却，冷却速度也相对缓慢。制件淬火冷却时要求快速通过C曲线的“鼻尖”才能保证制件加热形成的过冷奥氏体能转变为马氏体，这就要求制件冷却过程中，蒸汽膜形成和破裂阶段要短，应快速进入沸腾阶段，使制件冷却速度大于临界冷却速度从而通过C曲线的“鼻尖”。至于对流阶段的冷速快慢是否能获得马氏体组织并不相关，冷却慢反而会减少淬火开裂倾向。对于30CrMnSiA制件，采用常规的盐炉或电炉加热，油冷后都能满足要求。而真空淬火为了使淬火油不污染真空系统，所用真空淬火油饱和蒸汽压低，即低压下蒸发少[1]，这就决定了真空状态下蒸汽膜阶段保持的时间会更长。然而，30CrMnSiA材料淬透性一般，制件在冷却过程中，冷速会小于临界冷却速度，并与C曲线相交，从而使过冷奥氏体提前发生了组织转变，淬火后不能全部得到马氏体组织，造成制件淬火后硬度较低。根据兰纳德-琼斯理论，分子间的排斥作用与距离(r)的12次方成反比，而吸引作用与距离(r)的6次方成反比。由此可知，淬火冷却时增大压力会使气体的摩尔体积减小，即分子间距减小，分子间引力增加，蒸汽膜进一步变薄，缩短了传热慢的蒸汽膜阶段[2]。因而，能保证淬火冷却后得到马氏体组织，从而使制件具有较高的硬度。

通过以上分析，再将该批制件按原工艺规程进行真空炉加热保温，在冷却时先充氮气至5×104Pa左右后，再入油冷却，测量制件硬度为46～47 HRC，表明淬火过程中组织转变充分，符合要求。

1.2 淬火后硬度不均匀

案例：某制件材料为30CrMnSiA，最大外形尺寸为185 mm×34 mm×27 mm，热处理要求硬度为35～41 HRC。热处理后进行硬度检测，发现该制件不同部位硬度不一致，最高处硬度为36 HRC，最低处仅有20 HRC，并且硬度高低呈区域性，沿185 mm长度方向依次测量，硬度呈下降趋势，不符合要求。

复查该制件热处理工艺规程及操作记录得知，该制件热处理时使用盐浴炉淬火：890±10 ℃温度下加热保温20～25 min，油冷；碱浴炉回火：520±20 ℃温度下加热保温30～40 min，水冷。

因在实际生产中，盐浴炉出现故障，工艺人员将淬火设备更改为真空淬火炉，相应的淬火保温时间更改为40～60 min。实际操作中，淬火保温50 min，入油冷却前也按规定进行了回充氮气。该制件最大有效厚度为27 mm，根据标准HB/Z 136—2000《航空结构钢热处理工艺》中规定保温时间为16～35 min，工艺规程选取20～25 min符合标准范围。更改为真空淬火炉进行淬火时，标准HB/Z 191—1991《航空结构钢不锈钢真空热处理说明书》中7.2.4条规定，淬火保温时间为(20～30) min+(2～3)min/mm。该制件最大有效厚度为27 mm，计算其保温时间应为74～111 min，更改的工艺规程为40～60 min，远小于标准规定，造成淬火后硬度不均现象。真空淬火加热保温时间较盐炉、空气电炉要长，这是因为真空炉内空气稀薄，热能传递主要依靠辐射进行，比盐炉的对流和空气炉空气流动传导速度都慢。同时，辐射传递热能具有一定方向性，工件正对热源可接受辐射加热的部位先加热，其他部位则需要工件自身进行热传递，该制件真空热处理后出现的硬度降低，是工艺人员更改工艺规程，导致加热保温时间短，正对热源部位在加热时间内能达到工艺规定的淬火温度，其它靠热传递提升温度的部位还未达到淬火所需要的温度，造成制件局部未达到奥氏体转变温度或奥氏体化不充分，淬火后不能得到马氏体组织，而获得珠光体组织；回火后，制件马氏体组织转变为屈氏体，而珠光体组织在回火过程中不发生组织转变，从而造成制件热处理后各部位硬度不均匀。

将该制件重新采用真空淬火，保温时间80 min，淬火后制件各部位硬度均匀，均在46～47 HRC之间，按原工艺回火后，制件各部位硬度在36～37 HRC，符合要求。

1.3 淬火后表面渗碳

案例： 某30CrMnSiA材料制件，技术要求σb为1175±100 MPa(II)，根据标准HB 5013—1996《热处理制件检验类别》中的规定，热处理要求为II类时，需进行试样的拉伸和100%制件的硬度检测。工艺规程规定热处理后取两件随炉试样进行拉伸试验测量强度，制件100%用砂纸抛光后进行硬度测量，要求硬度在35～41 HRC之间。

采用真空炉淬火、电炉回火后，取2件试样精加工后进行拉伸试验，抗拉强度σb为1045、1060 MPa，而对制件进行洛氏硬度测量时，却发现制件的硬度值为43 HRC，即强度偏下限符合要求，但硬度却高于要求。对制件表面打磨去除0.3 mm后，再进行硬度检测，硬度为36～37 HRC。对制件进行金相观察，发现制件表面有0.2 mm深度的渗碳层。

材料的淬硬性主要决定于自身的含碳量[3]，制件表面碳含量高于心部，按同种工艺进行淬火、回火后，制件表面硬度高于心部。而拉伸试样在热处理后还需要进行机械加工，其表面的渗碳层已去除，所测数值为真实的强度值。洛氏硬度测量原理是在初试验力和主试验力作用下将硬度计针头压入制件表面，然后卸除主试验力，在初试验力下测量残余压入深度计算洛氏硬度[4]。可见洛氏硬度是在制件表面进行测量，表面渗碳层的存在对硬度计压头的变形阻力增大，产生的塑性变形小，所得到的残余压入深度减少，所测的硬度值偏高。而去除渗碳层后，制件表现为真实硬度，与所测的抗拉强度值对照相符。

检查真空淬火炉，发现在加热室内壁粘附较多的油。真空状态下，制件在淬火温度下，气氛中的氧分压低于金属氧化物的平衡分解压，使金属处于还原状态，不仅使金属本身不氧化，而且还可以使原来已经氧化的金属进行还原分解。同时，附在工件上的脂肪族油脂，是碳、氢、氧化合物，蒸气压较高，在真空加热时可被挥发或分解。加热室内有较多残油，在真空加热下油脂的分解会产生活性碳原子，在制件表面被还原呈现活性，具备了渗碳的基本条件[5]。由此可见，加热室内壁粘附的残油是导致零件在淬火加热中渗入碳原子的主要原因。

在日常生产中，真空炉加热室内出现残油的原因主要是这两方面：一方面是零件进入真空炉前制件的油污未清洗干净；另一方面是淬火料筐和小车淬火时需和工件一同进行油冷，后续生产时，料筐和小车上的油带入加热室内。残油在热室内加热分解，部分被真空泵抽出，部分在加热室内形成一定的碳势，待残油积累至一定程度后，加热分解能形成较高碳势，从而对制件表面进行了渗碳。

1.4 淬火后表面发暗

制件用真空热处理淬火后表面发暗，造成这一现象的主要原因是真空炉存在漏气现象，在加热过程中，加热室漏入氧气，没有达到真空炉无氧的效果，使气氛中的氧分压增大超过金属氧化物的平衡分解压，造成制件氧化。一般情况下，进行真空淬火的零件要求真空度在1～10 Pa，不会使用真空淬火炉的极限真空度(一般为10-2Pa)，在加热过程中，真空炉的机械泵、罗茨泵都在工作，真空计显示是达到工艺规定的真空度要求，对漏气的现象表现的不明显。漏气不仅会使制件氧化，严重情况下还会将真空炉热室加热元件因氧化而烧损。除此之外，导致真空炉漏气的原因还有很多方面，应按标准HB/Z 191—1991中的要求，定期进行压升率检查，及时发现漏气现象，排故设备漏气故障后再进行生产。

2 控制措施

为了能够长期稳定的保证真空淬火热处理质量，减少生产中的返工及制件的报废，应通过对工艺文件控制、加强设备管理并结合日常监督三方面进行控制。

2.1 工艺文件控制

2.1.1工艺参数的溯源性

热处理工艺规程的各参数都有相关标准，工艺人员在编制工艺规程时，应遵循相关标准，保证工艺文件的溯源性。根据标准GB/T 1900—2016《质量管理体系要求》中新增“7.1.6知识管理”这一条款的要求，企业应对涉及真空淬火热处理的相关标准进行识别和梳理，并根据企业自身的产品特点，结合热处理特殊过程确认的结果，编制自身的企业标准作为工艺规程编制的依据，并根据实际生产情况不断总结和完善。

2.1.2工艺规程细化

在工艺规程中，应对易出现质量问题的环节进行明确要求，如为了防止零件在真空炉内各制件加热不均匀，应在工艺规程中明确零件装炉数量及摆放方式；为防止淬火油冷后硬度不足，应根据不同材料的制件明确油冷时是否需进行充气，并对需要充气的方式及淬火时冷室的压强进行明确的规定。

2.1.3工艺规程编制及更改控制

工艺文件应按规定进行编制、校对、审签等，并制定相应的职责和权限，保证工艺规程编制正确。在更改控制上，应按标准GJB 509B—2008《热处理工艺质量控制》中8.2的要求，即“工艺文件的更改审批程序应与工艺文件的编制审批程序相同，重要更改应通过工艺验证，必要时应对新工艺的试验件进行功能考核，得出合格结论后方可更改”。

2.2 设备控制

对于真空炉的维护，应由企业设备管理部门针对真空炉的特性，编制相应的操作说明、保养规范等，让车间设备管理人员及操作者清楚各自所应担负的职责及正确的操作方法。并制定操作人员日常点检与设备管理人员日常巡查相结合的方式，对真空炉出现故障及时处理，严禁设备带故障运行。

2.3 日常监督控制

由热处理车间管理者带领工艺人员定期对生产现场进行工艺纪律检查，检查仪表员是否按规定周期对真空炉进行炉温均匀性的测量和压升率的检测，检查真空炉各类仪表是否在有效期内，并对操作者入真空炉前的制件、料筐、小车上的油污清洗是否到位进行检查等。通过工艺纪律检查，规范各类人员的行为，形成按章操作的氛围。

3 结语

为保证真空淬火后制件质量长期的稳定性，需要工艺人员、设备管理员和操作人员严格遵守工艺纪律，结合实际中出现的问题，不断完善工艺、细化流程，达到持续提升真空热处理过程能力。