真空热处理的应用与体会

雷 胜

(绵阳市天旋气门组件有限责任公司，四川 绵阳 621011)

采用盐浴炉或高温箱式炉加热是模具热处理的主要手段之一。但采用盐浴炉加热会存在许多缺点，如加热介质所用的钡盐有毒，产生的废气/废渣污染环境，操作环境恶劣等[1]。

虽然采用高温箱式炉加热可以达到某些模具的性能要求，但因高温加热需填充防氧化、防脱碳介质，若没有附加的在线监测仪器，仅仅依靠控温仪表显示的数据，在确定保温时间时会存在较大的误差，这将会直接影响工件是否透烧、是否完成相应的合金化？另外，由于传统高温箱式炉加热元件布置不合理，造成炉膛内不同区域温度存在较大的差异，如图1所示。因此，采用这种方式加热，工件会存在质量稳定性差、数据重现性差等缺点；并且这种模式对人的依赖性很大，如果操作人员经验不足，容易造成时间和经济成本的浪费。

图1 高温箱式炉炉膛Fig.1 High temperature box furnace chamber

真空热处理作为一种新兴的热处理技术，具有无氧化、无脱碳、能脱脂/脱气、热处理变形小以及热处理后机械性能好等特点[2-3]。目前，已在市场上应用几十年，但普及率并不是很高。基于这种实际情况以及模具热处理市场对真空热处理的需要，本文介绍了真空热处理的特点和应用现状，并对真空热处理的发展提出建议。

1 设备概况

真空油淬炉设备简图如图2所示。

图2 真空油淬炉Fig.2 Vacuum oil quenching furnace

温控系统：采用高精度仪表内置PID调节方式+可控硅功率输出，温度能实现程序化的控制，能够较大程度地满足高精度模具/产品的精准化控制要求。而以前的箱式炉控制系统，采用位式控制方式，通过控制交流接触器的通断，来达到通电/断电的目的，从而控制加热/不加热。这种控制方式容易存在不同区域温度波动大，控温精度不高等缺点[4]，并且接触器的频繁吸合/断开所产生的振动，对控制柜内的其他元器件的稳定性也会产生一定程度的影响。因此，这种温控方式已被市场逐渐淘汰。

电气控制系统：采用可编程控制器PLC代替以前的接触器，可以提高控制精度，同时还精简了控制柜内的元器件数量，满足了市场简单化、高精度化发展的需要。

仪表系统：仪表配置俱全，基本上能满足正常生产的需求。

2 真空热处理的应用

目前，常用的合金调质钢、合金工具钢、弹簧钢、热作模具钢、冷作模具钢以及高速钢等材质均具有良好的淬透性。因此，采用真空热处理是完全可以满足材质对热处理工艺要求。而合金调质钢，在真空炉淬火过程中，对不同壁厚的产品会存在临界直径效应，对此类材料需要特别关注。

3 工件热处理质量

3.1 外观

图3是工件油淬后的外观，其表面光亮，无氧化色。但真空油淬炉由于长期使用，不可避免会存在一定的污染。因此，若要保证工件外观，除了必须严格执行工艺规程操作外，还需定期对淬火油进行脱气和设备的维护保养。

图3 工件热处理后外观Fig.3 Appearance of workpiece after heat treatment

3.2 多层装料的硬度均匀性

图4为材质GCr15工件多层装料示意图。工件淬火后的硬度值见表1。从表中可以看出，工件硬度上限和下限值分别为66.65 HRC和64.6 HRC，最大极差为2.05 HRC，而该产品的公差要求为5 HRC，完全满足该产品技术要求。

图4 材质GCr15工件多层装料示意图Fig.4 Multi-layer loading diagram of GCr15 workpiece

3.3 工模具热处理方面

针对相关的冷作模具、热作模具以及高速钢类模具，采用合理的热处理工艺，通过试样和批量生产的数据统计，真空热处理后金相组织、硬度均匀性、使用寿命等均优于传统的热处理方式。

4 真空热处理过程控制要素

由于真空热处理的工作状态属于负压，炉内加热方式主要是辐射，所以加热速度相对缓慢。真空热处理炉中的透烧加热时间是盐浴炉的6倍，空气炉的1.5倍[5]。因此，在制定工艺时，针对某些因素需要重点考虑，常见的过程变量有：1)预热和淬火温度；2)阶梯升温段数；3)升温和保温时间；4)升温速率；5)装炉量；6)工件摆放方式；7)工件热前的表面清洁度；8)工作真空度；9)加热时是否需要分压；10)油淬时是否需要加压；11)淬火油的脱气等。

5 结束语

应用真空热处理，可以提升部分产品、工模具的热处理质量。一定程度上，也实现了节能、减排、降成本的目的。但在真空热处理炉的应用中，也会存在各种各样的问题，需要定期做好维护保养。另外，真空热处理作为一种清洁、高质量的热处理方式，其设备价格比传统热处理设备昂贵。因此要实现真空热处理技术(真空渗碳、真空淬火及退火等)的普及与应用，还需有待时日，也需要相关政策和企业人力和物力上的大力支持[6]。