真空热处理技术的发展

真空热处理技术的发展北京航空材料研究院王广生1前言真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、脱气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加热和冷却，减少热处理变形，提高材料性能；还具有便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点，近年已被广泛采用，并获得迅速发展。真空热处理由早期的真空退火、真空除气向真空淬火、真空回火、真空化学热处理和特种真空热处理方向发展；真空热处理炉设计制造、元器件水平和性能不断提高，并发展了真空热处理生产线。本文结合近年的真空热处理技术研究和实践，综述了真空热处理技术发展现状和展望。2真空油淬2.1增碳问题钢在真空高温加热时使其表面活化，真空淬火时淬火油受热分解形成的活化碳原子在油淬过程中渗入，使工件表面形成增碳层。这种渗碳现象随淬火温度上升而更加严重，且与淬火加热保温时间无关。为防止该现象的产生，应选择质量好的真空淬火油和改进热处理工艺。表140CrNi2Si2MoVA钢真空油淬与普通油淬的力学性能对比①②δ5ψ热处理方式热处理工艺σbMPa%akKJ/m2KICMN·m-3/2Nf次(K=0.6)真空油淬870℃1h③6.7Pa④，先充气后入油，7.5×104Pa⑤191911.854.774682.21370普通油淬870℃1h油冷197411.250.880184.21445技术条件要求870℃油冷1860~2060≥8≥30≥490--2.2油面压强的选择图1某些钢在ZZ-1真空淬火油中淬火硬度与淬火压强的关系1.Cr12MoV2.60Si2MnA3.40CrNi2SiMoVA4.40CrMnSiMoVA5.37CrNi3A6.40CrA7.40CrNiMoA8.38CrMoAlA9.30CrMnSiNi2A10.1Cr11Ni2W2MoVA11.30CrMnSiA12.Cr17Ni2A13.1Cr1314.18Cr2Ni4WA15.65Mn16.T8A17.12CrNi3A18.45钢3真空加压气淬（1）真空加压气淬的冷速测定我们用KHR-01便携式冷却介质性能测定仪，采用内装热电偶的镍基合金探头试验法，测试了美国Abar-Ipsen公司H3636的各种压力气冷的冷却速度，并与气冷、吹风冷却、油淬进行对比，其结果如图2所示。实现了真空加压气冷的冷速与通常的冷却介质冷却的对比衔接。图2真空加压气淬冷速测定1—0.05MPa气淬2—0.1MPa气淬3—静止空气冷却（在空气中）4—0.2MPa气淬5—0.3MPa气淬6—0.4MPa气淬7—0.5MPa气淬8—0.6MPa气淬（2）真空加压气淬的淬透性•真空气淬冷却速度受多种因素影响，如气体的种类、温度、流速、压力以及工件尺寸等，为提高真空气淬时的冷却速度，可采取下述诸法实现：•（1）采用大换热器，以降低淬火气体温度；•（2）加大气体流速、流量；•（3）改单向气流为360°周向高压喷射流；•（4）选用热传导能力高的气体。常用气体的导热性能:λ(H2)∶λ(H)∶λ(N2)∶λ(Ar)=2.2∶1.7∶1∶0.7。从安全及成本方面考虑，具有最佳冷速、最低成本和安全性的便是80%He+20%N2混合气体。理论上20×105Pa的氦冷条件已达到油冷的冷速，40×105Pa的H2冷条件则可达到水冷的能力。表2真空高压气淬的淬硬能力相应压力下淬火尺寸，mmDIN（德）AISI（美）AFNOR（法）GB（中）6bar10bar20bar硬度HRC50NiCr13---8010012059X45NiCrMo4---16018020056100MnCrW40190MWCV5MnCrWV40801206460WCrV7S155WC205CrW2Si60801006090MnCrV51O290MV89Mn2V408012063X100CrMoV51A2Z100CDV5Cr5Mo1V16020020063X210Cr12D3Z200C12Cr126010016064X210CrW12D6Z200CW12-16020020065X155CrVMo121D2Z160CDV12Cr12MoV1602002006355NiCrMoV6L655NCDV75CrNiMo1001602005656NiCrMoV7L655NCDV75CrNiMo12020020057X38CrMoV51H11Z38CDV54Cr5MoSiV16020020054X40CrMoV51H13Z40CDV54Cr5MoSiV116020020054X32CrMoV33H1032DCV28-10014016050X32CrMoV333H10A30DCKV28-16020020052X42Cr13420Z40C144Cr13-10012056X36CrMo17----14016050S6-5-2M2Z85WDCV06-05-04-02W6Mo5Cr4V210016020066S2-10-1-8M42Z110DKCWV09-08-04-02-01W2Mo9Cr4VCo812018020066S10-4-3-10-Z130WKCDV10-10-04-04-03-14020020067100Cr6E52100100C6GCr15-10206334CrNiMo6-35NCD635Cr2Ni2MoA20406054100CrMo73---51025644真空渗碳•真空渗碳多采用真空-充气脉冲式渗碳工艺，以避免渗碳过程中产生内氧化等缺陷。该工艺具有工件表面光亮、生产效率高、成本低、可进行盲孔或小孔渗碳等优点，但工件表面碳黑多、尖角过渗等问题突出，应予防止。•我们采用国产双室真空渗碳炉进行了不锈钢真空渗碳研究，圆满解决了不锈钢由于存在钝化膜而不易进行渗碳和渗碳温度过高的问题。采用丙烷作渗碳剂、氮气作载气，合理控制两种气体混合比例及流量压力，有效控制了真空渗碳过程中碳黑的产生及其影响。1Cr11Ni2W2MoV不锈钢真空渗碳结果如表3所示。表31Cr11Ni2W2MoV钢真空渗碳处理后金相和硬度检验结果工艺序号渗层深度mm碳化物级别中心组织级别表面硬度HRC心部硬度HRC11.175~621.105~630.945~640.915~750.93560.81570.975~680.525~690.565~62~360~62.542~455真空磁场热处理•磁场热处理可以提高磁性材料的电磁性能，也可以提高结构材料的力学性能。真空磁场热处理把真空热处理技术与电磁场技术结合起来，形成真空热处理的又一个分支。•我们研制成功可控制加热和冷却的真空磁场热处理设备，对软磁材料49К2ФА（相当于1J22）和电机转子进行了真空磁场热处理，样件和产品的磁性有很大提高（见表4），与普通真空热处理相比，真空磁场热处理在磁感应强度（B）和屈服强度（σs）相同情况下，矫顽力（Hc）明显降低。表4真空磁场热处理与普通真空热处理对比性能测试结果类别热处理工艺B4(T)B10(T)B25(T)Hc(Oc)σb(MPa)备注真空磁场热处理加热760℃×3h,≤0.133Pa;保温结束前15min，加充磁电流330A，至冷却后5min,冷却采用炉冷2.052.162.230.3纵向343横向358一次处理合格2.022.162.250.6纵向351横向309第一次处理不合格普通真空热处理加热770~780℃×3h,≤0.133Pa；炉冷至730℃再以400℃/h冷速冷至500℃,再炉冷至300℃,通气冷却2.042.182.260.5纵向356横向314第二次处理合格技术要求加热760~780℃×2.5~3h,≤0.133Pa;保温结束前15min，加充磁电流330A，至冷却后5min；以300~600℃/h冷速冷却至400℃，随炉冷却≥1.85≥2.05≥2.20≤0.7≥2946钛合金氢处理钛合金加氢会使钛合金产生一些变化：①压力加工时钛合金的流动应力显著降低，抗变形极限明显提高；②片状粗晶组织容易转变成球形细晶组织；③机加工条件得到改善；④细化钛合金铸件、锻件晶粒组织，提高其力学性能。根据这些变化，采用的钛合金氢处理工艺主要包括：①氢增塑；②氢加工；③氢致密；④铸件氢工艺。实际生产上，通常是将这些工艺结合在一起使用。表5Ti-6Al-4V合金铸件氢处理前后拉伸性能对比材料状态0.2%屈服强度MPa极限强度MPa伸长率（%）断面收缩率（%）未处理氢处理8411062910111786169表6Ti-6Al-4V锻件氢处理后的组织形态热轧温度/℃试样号氢含量（wt%）7509101000110012340.0050.21.52.1等轴晶等轴晶等轴晶等轴晶粗大针状细小针状细小针状细小针状粗大针状细小针状细小针状细小针状粗大针状粗大针状粗大针状粗大针状7真空炉设计和制造(1)组件积木式设计,产品规格标准化、系列化（2）具有对流加热功能，提高加热速率和均匀性（3）采用石墨构件，提高使用温度，降低成本表7TC-11钛合金真空热处理后的力学性能室温500℃500℃持久真空热处理工艺σbMPaσ0.2MPaδ5%ψ%αKKJ/m2σbMPaδ5%ψ%th(σ=590MPa)950℃1.5h5×10-2Pa加热，Ar气冷却空气炉；530℃6h空冷1196108612.548.043582917.850.7105技术条件(HB5286)要求950℃1h空冷;530℃6h空冷1030~1225≥930≥9≥30≥295≥685≥12≥45≥100表8定向凝固高温合金真空热处理的力学性能室温900℃980℃持久(σ=220MPa)真空热处理工艺σbMPaδ5%σbMPaδ5%thδ5%1210℃2h,3~8Pa加热,Ar气冷却;870℃32h3Pa加热，Ar冷却12777.262221.193.3383技术要求1210℃2h空冷；870℃32h空冷≥980≥5——≥32≥108真空热处理标准JB/T9210-1999真空热处理HB/Z191-91航空结构钢不锈钢真空热处理说明书JB/T8195.3-1999间接电阻炉，ZR系列真空热处理和钎焊炉JB/T8195.4-1999间接电阻炉，ZC系列真空淬火炉。9真空热处理生产线近年，随着真空热处理发展和应用的扩大，真空热处理规模和水平的迅速发展，已不满足于单台或几台炉子的非连续生产，向真空热处理生产线方向发展。国外已有很多真空淬火回火生产线，真空渗碳高气淬生产线，航空工业已建成一条真空淬火回火生产线，由两台真空淬火炉，一台清洗机和两台回火炉组成，运行情况良好，提高了真空热处理生产水平和质量，减轻了工人劳动强度，改善了工作环境。正在建设真空渗碳+淬火回火生产线。对于大批量生产还将发展真空推杆炉或辊底炉生产线。10展望·二十一世纪是真空热处理大发展时期,首先发展适应各种热处理要求的真空热处理设备和工艺,包括:·真空加压气淬：提高冷却性能、控制加热和冷却、发展更好淬透性的材料、气体回收技术·真空渗碳等真空化学热处理：提高真空渗碳技术，发展其他真空化学热处理技术、真空化学热处理传感器。·真空功能热处理：真空磁场热处理、真空氢气热处理、真空焊接与热处理结合·第二方面是发展真空热处理生产线和柔性化技术，与各种冷热加工生产线配合，适应先进制造技术发展要求。·预计不久的将来，真空热处理将成为主要热处理工艺之一，可能占有热处理半壁江山。