真空熱處理的應用與體會

雷 勝

(綿陽市天旋氣門組件有限責任公司，四川 綿陽 621011)

采用鹽浴爐或高溫箱式爐加熱是模具熱處理的主要手段之一。但采用鹽浴爐加熱會存在許多缺點，如加熱介質所用的鋇鹽有毒，產生的廢氣/廢渣污染環境，操作環境惡劣等[1]。

雖然采用高溫箱式爐加熱可以達到某些模具的性能要求，但因高溫加熱需填充防氧化、防脫碳介質，若沒有附加的在線監測儀器，僅僅依靠控溫儀表顯示的數據，在確定保溫時間時會存在較大的誤差，這將會直接影響工件是否透燒、是否完成相應的合金化？另外，由于傳統高溫箱式爐加熱元件布置不合理，造成爐膛內不同區域溫度存在較大的差異，如圖1所示。因此，采用這種方式加熱，工件會存在質量穩定性差、數據重現性差等缺點；并且這種模式對人的依賴性很大，如果操作人員經驗不足，容易造成時間和經濟成本的浪費。

圖1 高溫箱式爐爐膛Fig.1 High temperature box furnace chamber

真空熱處理作為一種新興的熱處理技術，具有無氧化、無脫碳、能脫脂/脫氣、熱處理變形小以及熱處理后機械性能好等特點[2-3]。目前，已在市場上應用幾十年，但普及率并不是很高。基于這種實際情況以及模具熱處理市場對真空熱處理的需要，本文介紹了真空熱處理的特點和應用現狀，并對真空熱處理的發展提出建議。

1 設備概況

真空油淬爐設備簡圖如圖2所示。

圖2 真空油淬爐Fig.2 Vacuum oil quenching furnace

溫控系統：采用高精度儀表內置PID調節方式+可控硅功率輸出，溫度能實現程序化的控制，能夠較大程度地滿足高精度模具/產品的精準化控制要求。而以前的箱式爐控制系統，采用位式控制方式，通過控制交流接觸器的通斷，來達到通電/斷電的目的，從而控制加熱/不加熱。這種控制方式容易存在不同區域溫度波動大，控溫精度不高等缺點[4]，并且接觸器的頻繁吸合/斷開所產生的振動，對控制柜內的其他元器件的穩定性也會產生一定程度的影響。因此，這種溫控方式已被市場逐漸淘汰。

電氣控制系統：采用可編程控制器PLC代替以前的接觸器，可以提高控制精度，同時還精簡了控制柜內的元器件數量，滿足了市場簡單化、高精度化發展的需要。

儀表系統：儀表配置俱全，基本上能滿足正常生產的需求。

2 真空熱處理的應用

目前，常用的合金調質鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、熱作模具鋼、冷作模具鋼以及高速鋼等材質均具有良好的淬透性。因此，采用真空熱處理是完全可以滿足材質對熱處理工藝要求。而合金調質鋼，在真空爐淬火過程中，對不同壁厚的產品會存在臨界直徑效應，對此類材料需要特別關注。

3 工件熱處理質量

3.1 外觀

圖3是工件油淬后的外觀，其表面光亮，無氧化色。但真空油淬爐由于長期使用，不可避免會存在一定的污染。因此，若要保證工件外觀，除了必須嚴格執行工藝規程操作外，還需定期對淬火油進行脫氣和設備的維護保養。

圖3 工件熱處理后外觀Fig.3 Appearance of workpiece after heat treatment

3.2 多層裝料的硬度均勻性

圖4為材質GCr15工件多層裝料示意圖。工件淬火后的硬度值見表1。從表中可以看出，工件硬度上限和下限值分別為66.65 HRC和64.6 HRC，最大極差為2.05 HRC，而該產品的公差要求為5 HRC，完全滿足該產品技術要求。

圖4 材質GCr15工件多層裝料示意圖Fig.4 Multi-layer loading diagram of GCr15 workpiece

3.3 工模具熱處理方面

針對相關的冷作模具、熱作模具以及高速鋼類模具，采用合理的熱處理工藝，通過試樣和批量生產的數據統計，真空熱處理后金相組織、硬度均勻性、使用壽命等均優于傳統的熱處理方式。

4 真空熱處理過程控制要素

由于真空熱處理的工作狀態屬于負壓，爐內加熱方式主要是輻射，所以加熱速度相對緩慢。真空熱處理爐中的透燒加熱時間是鹽浴爐的6倍，空氣爐的1.5倍[5]。因此，在制定工藝時，針對某些因素需要重點考慮，常見的過程變量有：1)預熱和淬火溫度；2)階梯升溫段數；3)升溫和保溫時間；4)升溫速率；5)裝爐量；6)工件擺放方式；7)工件熱前的表面清潔度；8)工作真空度；9)加熱時是否需要分壓；10)油淬時是否需要加壓；11)淬火油的脫氣等。

5 結束語

應用真空熱處理，可以提升部分產品、工模具的熱處理質量。一定程度上，也實現了節能、減排、降成本的目的。但在真空熱處理爐的應用中，也會存在各種各樣的問題，需要定期做好維護保養。另外，真空熱處理作為一種清潔、高質量的熱處理方式，其設備價格比傳統熱處理設備昂貴。因此要實現真空熱處理技術(真空滲碳、真空淬火及退火等)的普及與應用，還需有待時日，也需要相關政策和企業人力和物力上的大力支持[6]。