真空回火零件变色问题分析

王海平，赵兴德，蒋克全，江智轩，邵 锦

(昌河飞机工业(集团)有限责任公司，江西 景德镇 333000)

真空热处理具有无氧化、无脱碳等优点[1]，对带螺纹及精加工到位零件的热处理具有很好的保护作用，能防止其在高温下不被氧化，提高综合力学性能[2]，同时保证零件表面质量。真空回火能有效将真空淬火表面光亮的优势保持下来，对于结构复杂、加工到位等表面质量要求高的零件通常采用真空炉淬火、回火。现有多批次零件在真空淬火后表面光亮[3]，真空回火后零件出现表面变色。图1所示为真空回火后表面发黑的零件。为提高零件质量、提高等级品率、减少同类事情的发生，对零件真空回火过程发生变色原因进行了研究和分析。

1 零件变色问题分析

热处理对各影响因素较为敏感，尤其是条件严格的真空热处理，可从人、机、料、法、环[4]五个方面进行分析。根据实际生产情况，外围生产环境一直较稳定，故可排除环境影响；热处理工艺严格按照国家标准要求制定，热处理工艺稳定且未发生改变，可排除工艺方法的影响。可能存在的影响因素有：

1)清洗不干净。需真空回火的试件结构较复杂或带螺纹易藏油，淬火后清洗不干净(含工装)，杂质在高温下分解，并附着在零件表面。

2)原材料。材料自身特性受外界条件变化易发生波动，如结构钢易氧化，不锈钢具有较好抗氧化性。

(a)接头；(b)螺栓图1 真空回火后零件表面变色(a) joint; (b) boltFig.1 Parts surface discoloration after vacuum tempering

3)设备。a.真空室被污染：真空室内存在的污染物(多为油脂)为碳、氢、氧化合物，蒸气压较高，在真空中加热时容易被挥发或分解，从而造成工件被氧化变色。b.真空系统抽气效率不够：真空系统抽气效率不够，容易造成真空室极限真空度达不到或加热过程中真空室和工件放气，从而造成工件氧化变色。c.真空室漏气：大部分真空炉零件变色都是漏气造成的，漏气分内漏和外漏，内漏主要是有真空阀门(粗抽阀、氮气充气阀)关闭不严、冷却水管漏水等原因造成；真空炉外漏部位主要有炉门密封、热电偶密封、高阀阀杆密封、放气阀阀芯密封和真空检测规管等。d.冷却氮气不纯或供气管道漏气：在真空炉强制风冷时，被污染的氮气或纯度不高的氮气进入真空室，造成冷室炉体内氧分压超标，从而出现工件氧化变色问题；而供气管道漏气，在进行真空正压气淬时，由于充入炉内的氩/氮气量很大，氮气的流动量也很快，因此在管道所存在的漏气点处就会形成涡流现象，从而将漏气点外的空气瞬时吸入真空室内，造成工件氧化变色。

针对上述可能存在的影响因素，进行了试验分析。

2 真空回火后零件变色影响因素试验

2.1 清洗操作影响因素试验

取15CrMnMoVA带螺纹类材料12件，分为A、B两组，各6件。正常淬火后，A组用干净抹布蘸取丙酮擦拭干净后回火；B组用丙酮浸泡清洗，并用清洗机对试样进行较深层次清洗，装炉前擦干，待有机溶剂挥发，工装同样预先进行清洗后使用，回火操作同A组。A、B组零件真空回火后表面均严重变色，但A组零件变色较B组浅。

由试验结果可知，清洗不干净是导致零件变色的其中一个影响因素，但不是主导因素。

2.2 原材料影响因素试验

分别取18Cr2Ni4WA、30CrMnSiA、15CrMnMoVA和1Cr17Ni3A材料试验件各6件，相同材料的6件试验件为一组，分别标为E、F、G、H组，进行原材料影响因素试验。

试验发现四组试验件真空回火后均出现不同程度的变色。其中，E、F、G三组结构钢变色较为严重，且回火温度越高，颜色越深；H组试验件表面呈灰色，无金属光泽，由于不锈钢的Cr含量较高，具有较强的高温抗氧化能力，故颜色较浅。

由试验结果可知，不同材料存在不同金属特性，自身特性、回火温度不同使得零件真空回火变色程度不同，但真空回火后零件变色与材料自身特性无必然关系。

2.3 设备影响因素试验

2.3.1炉膛清理试验

图2为真空回火炉结构图，该真空回火炉分热室、冷室，冷室中放有冷却油，冷、热室之间用隔热门相隔，热室加热保温时不受影响。

凉炉后打开热室发现，炉膛内存在较多小碎粒等杂质，支撑架碳化严重，如图3所示。拆除内胆后，热室内壁附着众多冷却油渍，如图4所示。

图2 真空回火炉结构图Fig.2 Structure drawing of vacuum tempering furnace

图3 热室Fig.3 Hot chamber

图4 拆除热室后内胆Fig.4 The liner after removed the hot chamber

对热室进行拆除、清理并重新安装后正常烘炉。零件进行真空回火热处理，与炉膛清理前相比，零件表面颜色有较大改观，但仍偏暗、无金属光泽。试验结果表明：热室炉膛有杂质、油渍是影响零件表面变色的重要因素。

2.3.2真空泄漏试验

对真空回火炉进行压升率测试试验，表1为压升率检测数据。压升率测试结果为0.158 Pa/h，符合<0.67 Pa/h要求。同时采用质谱检漏仪检漏[5]，未查验到泄漏情况。试验结果表明：设备静态整体密封性优良，能保证真空度要求。

表1 泄漏率检测数据Table 1 Test dataof leakage rate

2.3.3冷室、热室随炉冷试验

在进行上述炉膛清理及泄漏率检测试验后，对冷室、热室进行随炉冷试验。图5为保温结束后，关闭所有阀门，随炉冷至室温后试样状态。图6为热室保温结束后，进冷室随炉冷的试样状态。从图5、6中可看出，在热室随炉冷的零件表面略微发黄，仍保持金属光泽；而从热室出炉进冷室随炉冷的试样表面发黑，变色严重。

在实际排故操作过程中发现，隔热门开闭的瞬间，冷热室压力值波动较大，并超出工艺允许范围。检查维修发现隔热门连接的冷却管路存在一定的渗漏，水在真空下持续挥发，并在高温下与零件表面反应，使零件发生氧化。对中门漏水处进行止水加固后，再次进行试验验证，真空回火后零件表面光亮。

3 结论

影响零件真空回火变色因素主要为炉膛污染和真空泄漏。引起炉膛污染的主要原因有未清洗干净的零件及工装带入油污，真空泵反油等；设备局部泄漏也会引起零件的氧化变色，关键是在设备排故中准确找到泄漏点。炉膛污染与真空泄漏不仅会使工件表面质量达不到要求，还会使加热元件与真空系统造成损害，影响设备的使用寿命。根据上述试验以及真空热处理实际操作经验，可采用以下措施以减少零件真空回火变色：

图5 保温结束后在热室随炉冷Fig.5 It is cooled with the furnace in the hot chamber after heat holding

图6 保温结束后在冷室随炉冷Fig.6 It is cooled with the furnace in the cold chamber after heat holding

1)做好设备的日常操作和维护保养工作，按规范操作，加热前先进行抽真空处理，含淬火油除气处理，严禁减少工序；定期清理炉膛，并进行烘炉，做好泄漏率测试，设备不工作时，减少开炉门时间，冷热室保持工作时真空度。2)工件、工装入炉前进行清洗，洗去表面残油，待有机溶剂挥发后方可入炉。3)做好炉门、管路及连接部位密封件的定期检查工作，如密封圈、阀门及时检查，有故障及时更换，同时防止真空泵反油现象发生。4)仪表定期送检，进行周期性测试试验。