真空热处理技术的发展-A.doc

1、1真空热处理技术的发展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 真空油淬真空油淬是目前真空热处理的主要工艺。真空油淬技术发展过程中曾遇到

2、的技术技术难点是真空油淬增碳问题。上世纪七十年代我们的试验研究表明，真空油淬可能产生增碳，使疲劳性能降低。近三十年解决了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技术关键，除在工模具热处理方面应用外，已成功用于重要结构件的精密热处理。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。真空淬火油要求有低的饱和蒸气压，良好的化学稳定性，残碳和杂质少，酸值低。国产真空淬火油有 ZZ-1、ZZ-2 ，各公司、工厂

3、都有各自的品牌，但性能和质量差异较大，关键要保证长期使用的稳定性，保证淬火后工件光亮，具有合适的淬火冷却性能。在真空淬火工艺方面，为防止增碳现象要选择合适的加热真空度，采取选2充气后入油或气油两段冷却法等。试验结果表明，高速钢真空油淬可能在工件表面形成 3040m 的增碳白层。经过改进后，结构钢（如 40CrNi2Si2MoVA）类似现象大大减少，增碳层只有约 0.10.2m 厚，其力学性能可满足技术要求，并不影响使用性能，见表1。表 1 40CrNi2Si2MoVA 钢真空油淬与普通油淬的力学性能对比 5 热处理方式 热处理工艺 bMPa %akKJ/m2KICMNm-3/2Nf 次(K=0

4、.6)真空油淬8701h 6.7Pa ，先充气后入油，7.5104Pa1919 11.8 54.7 746 82.2 1370普通油淬870 1h 油冷 1974 11.2 50.8 801 84.2 1445技术条件要求870油冷 186020608 30 490 - -真空与普通油淬后均经 300回火 2h，空冷。回火两次；真空油淬的试样为精加工状态，普通油淬的试样为粗加工状态；真空淬火保温时间含 30min 加热滞后补偿时间；加热真空度；充气压强；充气前淬火室真空度为 6.7Pa。2.2 油面压强的选择在低压强下，真空淬火油的冷却能力下降，对某些钢来说，可能达不到淬火的目的。为此，在淬火

5、前，向淬火室内充入高纯的中性或惰性气体，在油面上造成一定的压强，就可以实现钢的充分淬火并获得光亮的表面。能够获得与在大气压下相同淬火硬度的最低液面压强称为临界淬火压强。临界淬火压强与真空淬火油的特性及钢的淬硬性有关。图 1 示出某些钢在国产 ZZ-1 型真空淬火油中的淬火硬度与淬火压强的关系。试验结果表明，对于淬硬性较差的钢，如12CrNi3A、45、30CrMnSiA 、65Mn、T8A 钢的淬火硬度随油面压强的下降而明显下降，有明显的临界淬火压强，它们分别为 1104Pa、110 -4Pa 3、2.510 4Pa、110 3Pa、510 4Pa。而淬硬性好的钢如 18Cr2Ni4WA 、3

6、7CrNi3A、38CrMoAlA、40CrA、30CrMnSiNi2A、40CrNiMoA、40CrMnSiMoVA、40CrNi2Si2MoVA（300M ） 、60Si2MnA、1Cr11Ni2W2MoVA、 1Cr13、Cr17Ni2A、Cr12MoVA 钢的淬火硬度并不随油面压强的降低而明显下降。对于淬硬性较差的钢，应选用先充气后入油的方式进行淬火。油面压强应高于其临界淬火压强。一般调节在 5104Pa 左右，但不宜低于 1104Pa。对中等淬硬性的钢，也应采取先充气后入油的方式进行淬火。油面压强可调节在1104Pa 左右，但不宜低于 5103Pa。淬硬性很好的钢可以采取充气或不充气

7、的方式进行淬火；采取充气方式的，可以先充气后入油，也可先入油后充气；采取先充气的方式时，充气压强可在 2.5104Pa5104Pa 范围内选定。为防止和减少油蒸气进入并污染加热室，宜选用较高的充气压强。所用的气体应为高纯的中性或惰性气体。采取后充气的方式，可以充纯度较低的气体，充气压强也可低一些。采取不充气的方式进行淬火，就是工件入油前后均不充气。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. Cr12MoV 2 .60Si2MnA 3. 40CrNi2SiMoVA 4. 40CrMnSiMoVA 5. 37CrNi3A 6. 40CrA7. 40CrNiMoA 8. 3

8、8CrMoAlA 9. 30CrMnSiNi2A 10. 1Cr11Ni2W2MoVA 11. 30CrMnSiA12. Cr17Ni2A 13. 1Cr13 14. 18Cr2Ni4WA 15. 65Mn 16. T8A 17. 12CrNi3A 18. 45钢 真空油淬比普通油淬的淬火冷却能力略低，真空油淬的淬透性一般为普通4油淬的 75%左右。2.3 淬火转移时间 航空超高强度钢制起落架等重要受力件大都是长杆件，一般要求采用立式真空油淬炉进行垂直加热和淬火，给真空热处理带来不少困难，成为航空真空热处理的关键。为了防止油淬时油烟上升污染加热室，真空立式油淬炉一般有三个室：加热室、中间室、淬

9、火槽，如图 2 所示。淬火时，先将加热的工件放到中间室，关闭炉门后再淬入油中，这样淬火转移时间较长，很难达到结构钢淬火转移时间25s 要求。通过良好紧凑结构设计和精密协调的控制，较好解决了立式真空油淬炉淬火时防止污染加热室和缩短淬火转移时间的技术关键，成功用于起落架等长杆件的真空油淬。图 2 PFTH 型立式三室油淬真空炉真空立式油淬炉还有一个没有中间室的方案，真空加热室直接连着淬火油槽，还有一个储备油槽，淬火油槽中淬火油可以在淬火槽和储备槽中快速转移。真空加热后淬火时，淬火槽没有油，可以直接将加热的工件放在淬火槽中，然后再迅速将储备槽中油注入淬火槽，以实现真空油淬。3 真空加压气淬真空加压气

10、淬具有工件表面光洁、无需清洗、避免环境污染等很多优点，5是近年来真空热处理重要和迅速发展领域。主要的问题是淬透性和淬硬性及与传统的气淬、油淬、分级淬火或等温淬火对比和衔接，应从冷速测定和临界直径测定去研究。目前航空工业中真空加压气淬已成功用于不锈钢、高温合金、钛合金、精密合金和部分结构钢等零件的热处理，发挥了重要作用。（1）真空加压气淬的冷速测定真空加压气冷，提高了冷却速度，可以代替传统的气冷、部分油冷或分级淬火，可以实现控制冷却，达到合理冷却的目的。所以研究真空加压气冷的冷却特性并与常规的炉冷、气冷、油冷、硝盐浴等冷却方式对比是制定真空加压气冷工艺的重要依据。我们用 KHR-01 便携式冷却

11、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10.05MPa 气淬 20.1MPa 气淬 3静止空气冷却（在空气中） 40.2MPa 气淬 50.3MPa 气淬 60.4MPa 气淬 70.5MPa 气淬 80.6MPa 气淬（2）真空加压气淬的淬透性6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

12、实现： 采用大换热器，以降低淬火气体温度； 加大气体流速、流量； 改单向气流为 360周向高压喷射流； 选用热传导能力高的气体。常用气体的导热性能如下：(H 2)(He)（N 2）（Ar）=2.2 1.710.7。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。而He 及其他气淬气体的回收再生技术则是今后需予研究的一个课题，以利气淬技术的推广使用。理论上 20105Pa 的 He 冷却条件已达到油冷的冷速，4010 5Pa 的 H2 冷条件则可达到水冷的能力。我们的试验表明，510 5Pa 压力下气淬，可将 80mm 的 40CrMnSiMoVA

13、钢淬透；40CrNi2Si2MoVA 钢可淬透 60mm，2Cr13 钢可淬透130mm，9Cr18 钢可淬透 50mm。目前，对于真空加压气淬技术的关键是对重要的合金结构钢、工模具钢和不锈钢等测试和确定不同淬火压强的临界淬透直径，以指导真空加压气淬热处理生产。可借鉴的临界淬透直径如表 2 所示。另外就是研究和发展提高真空加压气淬冷却能力的新技术。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）6bar 10bar 20bar硬度HRC50NiCr13 - - - 80 100 120 59X45NiCrMo4 - - - 160 18

14、0 200 56100MnCrW4 01 90MWCV5 MnCrWV 40 80 120 6460WCrV7 S1 55WC20 5CrW2Si 60 80 100 6090MnCrV51 O2 90MV8 9Mn2V 40 80 120 63X100CrMoV51 A2 Z100CDV5 Cr5Mo1V 160 200 200 63X210Cr12 D3 Z200C12 Cr12 60 100 160 647X210CrW12 D6 Z200CW12 - 160 200 200 65X155CrVMo121 D2 Z160CDV12 Cr12MoV 160 200 200 6355NiCr

15、MoV6 L6 55NCDV7 5CrNiMo 100 160 200 5656NiCrMoV7 L6 55NCDV7 5CrNiMo 120 200 200 57X38CrMoV51 H11 Z38CDV5 4Cr5MoSiV 160 200 200 54X40CrMoV51 H13 Z40CDV5 4Cr5MoSiV1 160 200 200 54X32CrMoV33 H10 32DCV28 - 100 140 160 50X32CrMoV333 H10A 30DCKV28 - 160 200 200 52X42Cr13 420 Z40C14 4Cr13 - 100 120 56X36Cr

16、Mo17 - - - - 140 160 50S6-5-2 M2 Z85WDCV06-05-04-02W6Mo5Cr4V2 100 160 200 66S2-10-1-8 M42 Z110DKCWV09-08-04-02-01W2Mo9Cr4VCo8120 180 200 66S10-4-3-10 - Z130WKCDV10-10-04-04-03- 140 200 200 67100Cr6 E52100 100C6 GCr15 - 10 20 6334CrNiMo6 - 35NCD6 35Cr2Ni2MoA 20 40 60 54100CrMo73 - - - 5 10 25 64（3）超高

17、强度钢 300M 的真空加压气淬Abar-Ipsen 公司研究了 300M 钢真空加压气淬，300M 钢 50.8mm 试件在5bar 充氮气气淬时，从 870冷却到 370需 4min，30min 时可冷却到 66。300M 钢经 5bar 和 6bar 充氮气气淬后心部取样的拉伸性能如表 3 所示。试验结果表明，300M 钢 50.8mm 试件经 5bar 充氮气淬和 76mm 试件经 6bar 充氮气淬后的拉伸和冲击性能均能满足技术条件的要求，这就是说，5bar 氮气真空加压气淬能淬透 300M 钢中 50.8mm，而 6bar 氮气能淬透 76mm。这些数据为低合金超高强度钢采用真空加

18、压气淬提供了重要技术资料，但要实际应用还需进行深入研究。表 3 300M 钢真空加压气淬力学性能试验结果试验条件 b（MPa） s（MPa） （%） （%） HRC50.8mm 试件 2090 1828 6 34 535485bar 氮气气淬 76mm 试件6bar 氮气气淬 1998199316681682121234335153技术条件要求 19002100 1590 7 25 -注：试验时装有 76.2mm76.2mm 钢件陪衬料，试件心部到温后透烧 30min 气淬，2884h 回火两次。试验时装有 76mm229mm 钢件陪衬料，试件心部到温后透烧 150min 气淬，3026h回火

19、两次。Abar-Ipsen 公司对 300M 钢及德国钢种 32NiCrMo125（相当于 32CrNi4Mo） 、45SiCrV6（相当于 45CrSi2Mo） 、90CrMoV18（相当于 Cr17） 、22CrNi17（相当于 Cr17Ni2）钢进行了真空加压气淬试验。炉中装满了陪衬料，额定载荷重 150kg，试件放在陪衬料中间。真空加热后进行 6bar 氮气加压气淬，然后测试心部和表面维氏硬度，其结果如表 4 所示。由此可以看出，6bar 氮气真空加压气淬时，除 45SiCrV6 外其他钢种均可淬透 40mm，而 45SiCrV6 钢连 20mm 都淬不透。表 4 结构钢和不锈钢真空加

20、压气淬试验结果20mm 试件的硬度，HV40mm 试件硬度，HV材料淬火温度 技术条件要求 HV心部 表面 心部 表面300M32NiCrMo12545SiCrV690CrMoV1822CrNi1787087089010501020575535590550590660420465509620549555542591643699426444593627549569571643673688426453613636551581-659700439450551634551581-642704436453（4）防止沾连某些金属紧密接触情况下，在真空加热时可能产生低熔点共晶，因熔化产生沾连，所以在高温真空

21、热处理时应注意防止这种现象。防止.沾连的最高允许温度如表 5 所示。9表 5 材料在真空下可以互相接触（不粘结）的最高允许温度 材料 W Mo Al2O3BeO MgOSiO2 ThO2ZrO2Ta Ti Nia Fea CW 2540 1930 1825 1760 1370 1370 2205 1595 1260 1205 1480Mo 1930 1825 1760 1370 1370 1900 1900 1930 1260 1260 1205 1480Al2O31825 1825BeO 1760 1370 1760 1760 1595 1760MgO1370 1370 1370 1370S

22、iO2 1370 1370ThO21980 2205 1900 1980ZrO22040 1595 1595Ta 2340 1260 1260 1205 1930Ti 1260 930 1040 1260Nia 1260 1205 1260Fea 1205 1095C 2205a 同样适用于 Ni、Fe、Cr 合金。104 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

23、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 6所示。已成功用于航空工业生产。目前真空渗碳应用遇到的主要问题是如何解决从传统的气体渗碳工艺向真空渗碳工艺的转化，研究适应真空渗碳-高压气淬的高淬透性新钢种。表 6 1Cr11Ni2W2MoV 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 HRC1 1.17 562 1.10 563 0.94 564 0.91 575

24、0.93 56 0.81 57 0.97 568 0.52 569 0.56 5623 6062.5 42455 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。我们和北京华海中谊真空工业炉公司合作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 492（相当于 1J22）和电机转子进行了真空磁热处理，样件和产品的磁性有很大提高（见表 7） ，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（ S）相同情况下，矫顽11力（H C）明显降低。已成功用于航空工业

25、生产。表 7 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(Oe) S (MPa)备注真空磁场热处理加热 7603h,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2.05 2.16 2.23 0.3 纵向 343横向 358一次处理合格2.02 2.16 2.25 0.9 纵向 351横向 309第一次处理不合格普通真空热处理加热 7707803h,0.133Pa；炉冷至 730再以 400/h 冷速冷至 500, 再炉冷至 300, 通气冷却2.04 2.18 2.26 0.5 纵

26、向 356横向 314第二次处理合格技术要求加热 7607802.53h,0.133Pa;保温结束前15min，加充磁电流 330A，至冷却后 5min；以 300600/h冷速冷却至400，随炉冷却1.852.05 2.20 0.6 2946 钛合金氢处理氢处理是钛合金的一种特有的热处理方式，它是 20 世纪 70 年代末 80 年代12初发展起来的一种新技术。主要是指当钛合金中氢含量达到规定浓度时，氢使钛合金组织结构发生变化，促使其工艺性能和力学性能得到改善。对钛合金进行氢处理后，再利用真空退火降低氢含量以达到标准值，使钛合金在以后使用过程中不发生氢脆。钛合金加氢会使钛合金产生一些变化：压

27、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；片状粗晶组织容易转变成球形细晶组织；机加工条件得到改善；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：氢增塑；氢加工；氢致密；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。经过氢处理，Ti-6Al-4V 合金铸件的性能得到改善，见表 8。氢处理可以细化晶粒并提高 Ti-6Al-4V 合金铸件的抗疲劳性。表 8 Ti-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

28、对于 Ti-6Al-4V 合金锻件 ,通过氢处理获得细小等轴状微观组织 ,见表 9,并提高了拉伸强度和疲劳性能。表 9 Ti-6Al-4V 锻件氢处理后的组织形态热轧温度 /试样号 氢含量（wt%） 750 910 1000 110012340.0050.21.52.1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 真空度选择在真空热处理时,工作真空度要根据材料和加热温度来选择,首先要满足无氧13化加热所需的工作真空度,再综合考虑表面光亮度、除气和合金元素蒸发等因素,常用材料真空热处理推荐真空度如下：钢 推荐真空度 1

29、-l0-1 Pa不锈钢、高温合金 摧荐真空度 10-1 -10-2 Pa钛合金 推荐真空度 10-2 Pa铜合金 推荐真空度 l33-13.3 Pal8 真空炉设计和制造真空炉设计和制造向高效率、低成本、节能和多功能方向发展。(1) 积木式设计,产品规格标准化、系列化为了适应用户多用途、多类型的要求,发展组件积木式设计,以满足不同需求,并迅速做出设计方案。组件积木式设计就是把炉体分解成前炉、后炉、中段等大组件，并预先设计好大组件的图纸和资料，当设计新炉子时选用这些标准组合件组合而成。另外真空炉生产厂家还应建立本企业标准，使其产品规格标准化、系列化，以利于加强管理和质量控制，不断提高产品质量；用

30、户也应尽量选用真空炉生产厂的标准型号规格，降低成本，保证质量，便于使用和维护。（2）具有对流加热功能，提高加热速率和均匀性在真空炉中的加热过程仅仅依靠辐射造成的热传递。这种加热效果在由大量零件组成的高密度炉料时显得特别的慢。特别是在低温范围内（850以下）由穿过装料的气体循环造成的对流热传导可以显著提高加热速度并且减少加热时间。为此，在 80 年代末开发出了具有对流加热功能的真空炉，这样在 850以内对炉料可采用对流加热，然后通过辐射加热到最终的奥氏体化温度。对流加热功能大大改善了真空炉的低温性能。试验表明使用对流加热后可使工作周期缩短。采用了对流加热后加热时间缩短了几乎一半。14具有对流加热

31、功能的高压气淬单室真空炉。在此炉的前炉门上装有一台对流加热风扇。（3）采用石墨构件，提高使用温度，降低成本真空热处理炉重大改进之一是采用石墨制作真空炉的加热元件、隔热屏、夹具等构件。在热处理时是否导致工件表面增碳是人们关注的大问题。美国 Abar-Ipsen 公司对钛合金和不锈钢真空热处理时的增碳问题进行了试验研究。在将钛合金和不锈钢与石墨直接接触或保持一定距离的条件下，进行真空热处理，然后检测试样表面显微硬度和金相组织，用电子探针进行表面成分分析，钛合金试验结果如表 10、11 所示。Ti-6Al-4V 在与石墨板高压接触情况下进行真空热处理时（1.3310 -2Pa，即 110-4Torr

32、） ，钛合金表层出现 0.4mm厚呈择优选取的针状 相。这可能是由于表面微量的增碳所致。但用电子探针检查（碳分辨率 0.1%） ，没有发现表面的增碳。Ti-6Al-4V 在与石墨低压接触或不接触的条件下进行真空热处理时（1.3310 -2Pa） ，没有发现表面增碳。但在回充 267Pa（2Torr）氮气时，即便钛合金与石墨不接触，热处理后表面也产生 相硬化层，所以钛合金真空热处理时不能用氮气作回充气体，一般采用氩气等惰性气体。表 10 在 1.3310-2Pa 真空度下，Ti-6Al-4V 与石墨接触增碳试验结果增碳情况石墨类型 温度 时间 min高压接触 低压接触AST 或 CFC 1040

33、 180针状 相择优方向排列，深度为0.4mm检测不出表 11 Ti-6Al-4V 与石墨间距 25.4mm 时真空或充氮的增碳试验结果增碳情况石墨类型 温度 时间 min高压接触 低压接触AST 或 CFC 870 180 未检测出 层深 12mAST 或 CFC 980 180 未检测出 层深 25mAST 或 CFC 1040 180 未检测出 层深 40m不锈钢的试验结果如表 12、13 所示。不锈钢与石墨在高压结果 900以上的条件下，真空热处理时会产生明显的增碳现象，表层晶界碳化物增加，甚至形成连续网状碳化物。低压接触时，1070以上真空热处理会产生局部增碳；不接触时没有增碳。在不

34、锈钢与石墨不接触的情况下，如采用回充氮气至151333Pa 时，在 1260以上真空热处理仍出现很小的局部增碳；而采用回充氢气至 1333Pa 时没有增碳。在石墨表面等离子喷涂 250m 厚氧化铝后，重复上述试验，没有发现增碳，甚至在高压接触加工 20 小时也没有增碳，所以在石墨构件表面上喷涂氧化铝层能防止增碳。此外，石墨与不锈钢或 Inconel 高温合金能形成共晶，在约 1125熔化。表 12 在 1.3310-2Pa 真空度下 347 不锈钢与石墨接触增碳试验结果接触压力石墨类型 温度， 时间，min 高 低 增碳情况增碳深度，mmATS 1070 120 连续碳化物 0.45CFC 1

35、070 120 严重连续碳化物 0.80ATS 1070 120 局部不连续碳化物 0.15CFC 1070 120 未检测出ATS 950 120 局部不连续碳化物 0.05ATS 950 120 未检测出ATS 900 120 局部微小碳化物 0.015ATS 850 120 未检测出表 13 347 不锈钢与石墨间距 25.4mm 情况下充气增碳试验结果充气至1333Pa石墨类型 温度， 时间，minN2 H2增碳情况增碳深度，mmATS 1205 180 未检测出 0.45ATS 1205 180 未检测出 0.80ATS 1260 180 少量不连续晶界碳化物0.15ATS 1260

36、 180 未检测出ATS 1315 180 少量晶界碳化物 0.05ATS 1315 180 未检测出16CFC 1315 180 极少量不连续晶界碳化物0.015 .预防增碳的措施可以采取下列措施防止钛合金、不锈钢及高温合金在石墨构件的真空炉中加热时增碳。（1）在真空炉的石墨炉底板或支撑导轨表面上等离子喷涂 0.25mm 以上厚度的氧化铝层。（2）在炉床上垫放一块耐高温的氧化铝板材，或者在石墨支撑导轨上开纵向槽，嵌入氧化铝棒或管，也可以用非石墨夹具把工件与石墨构件隔开。（3）选择合适的工作真空度。钛合金真空热处理时，真空度为 10-2Pa（10 -4Torr）数量级；不锈钢和高温合金进行真空

37、热处理时，在避免表面元素贫化的前提下，尽量选择较高的真空度，真空度一般为 10Pa（10 -2Torr）数量级。（4）钛合金、不锈钢及高温合金真空热处理时，不能回充氮气，一般可采用高纯氩气回充；对于不锈钢也可以采用氢气回充。目前，国内外的热处理厂家采用不同的防止增碳的措施，已成功使用石墨构件的真空炉对钛合金、不锈钢及高温合金零件进行真空热处理，并已成功地用于航空航天产品的热处理，获得了很好的经济效益。由此可以得出结论，只要采取适当的预防措施完全可以避免产生增碳，而且不会影响零件的使用性能。我们用 WZC-30G 型卧式真空淬火炉进行了钛合金和高温合金无余量叶片的真空热处理工艺研究和生产。该炉采

38、用石墨带或石墨棒作为加热元件，采用石墨板和陶瓷纤维炉衬，石墨导轨上嵌氧化铝衬条。生产中采用不锈钢或高温合金料架，选择合适的真空度，采用高纯氩气进行冷却。典型的力学性能数据如表 14、表 15 所示。真空热处理后随炉试样的性能均达到了相应的技术要求，零件表面光洁，取得了满意效果。表 14 TC-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 bMPa 0.2MPa 5% KKJ/m2 bMPa 5%th(=590MPa)950 1.5h510-2Pa 加热，1196 1086 12.5 48.0 435 829 17.8 50.7 10517Ar 气冷却空气炉；530

39、6h 空冷技术条件(HB5286)要求950 1h 空冷;530 6h 空冷10301225930 9 30 295 685 12 45 100表 15 定向凝固高温合金真空热处理的力学性能室温 900 980持久(=220MPa)真空热处理工艺 bMPa 5% bMPa 5%th 5%1210 2h, 38Pa 加热, Ar 气冷却; 870 32h 3Pa 加热，Ar 冷却1277 7.2 622 21.1 93.3 383技术要求 1210 2h 空冷；870 32h 空冷9805 32 10（4） 炉温均匀性检测新技术在初期实施炉温均匀性检测时困难很多，真空热处理炉没有专门的测温孔或装

40、置，测量效率和准确度很低。后来解决了测温孔和装置。近几年又发展了直插式测试方法，解决了高温炉、连续炉炉温均匀性测试问题。炉温追踪仪可以实现与测温架或工件一起入炉，随系统移动，记录炉子温度均匀性或工件热工艺过程。 直插式测试方法传统测温架测试炉温均匀性，对高温炉经常发生烧塌测温架和热电偶损坏现象，对连续炉经常发生拉断热电偶现象，直插式测试方法解决了上述困难，测试方便简捷。直插式测试炉温均匀性，首先对预定炉子的有效加热区的各测试点，从炉子顶上或侧面打几个直插热电偶的孔，在孔边缘固定法兰盘和通孔螺栓，以便固定插入热电偶，对真空炉还要作好动密封。测试时将直插热电偶从测温孔按要求插入炉膛并固定，测试后取

41、出热电偶，恢复炉子正常情况。18 炉温追踪仪该仪器由数据记录仪和隔热箱组成，相当于飞机的“黑匣子” 。首先把热电偶按测温要求固定在测温架或工件上，然后将热电偶与数据记录仪联接，把数据记录仪放入隔热箱中；测试时把测温架、热电偶及装入隔热箱中的数据记录仪一起放入炉中，数据记录仪将自动跟踪记录各点温度；测试后将数据记录仪与电脑联接，把各点温度自动打印或绘制曲线。 微机巡检仪近年很多单位开发成功微机巡检仪，精度高（可达 0.1 级） ，具有热电偶自动补偿、自动计算最大偏差值、炉温均匀性自动评定和制表等功能。能满足AMS2750D 的要求。9 真空热处理标准建立规范的标准,用于指导生产,是提高生产水平和

42、质量的重要举措和标志。目前我国关于真空热处理标准有：GB/T 22561-2008 真空热处理HB/Z 191-91 航空结构钢不锈钢真空热处理说明书JB/T 8195.3-1999 间接电阻炉，ZR 系列真空热处理和钎焊炉JB/T 8195.4-1999 间接电阻炉，ZC 系列真空淬火炉。其中前两项标准是真空热处理工艺指导性文件，后两项是真空热处理设备的标准。在真空热处理工艺方面，真空热处理加热特点决定了真空炉加热升温速度快，而工件传热需要时间，滞后比较多，为此真空热处理加热时一般采用阶段升温，预热 12 次或者控制升温，同时还要适当延长保温时间，保温时间一般为空气炉的 1.5 倍。真空热处

43、理的真空度根据待处理材料选择，要保证热处理后表面光亮，又要注意防止表元素贫化，结构钢、不锈钢真空度为 10-110Pa，钛合金真空度为 10-210-1Pa。在真空热处理炉方面，重要的是保证炉子的性能，包括：极限真空度和工作真空度最高温度和最高工作温度有效加热区尺寸和炉温均匀性压升率19空炉抽空时间空炉升温时间 最大装炉量淬火转移时间和冷却能力此外，还要保证炉子性能的稳定性，便于操作和维护。10 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

44、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。北京华海中谊公司为航空工业 331 厂制造的真空热处理生产线已使用近两年，有效区尺寸为 900800600mm，包括两台双室真空油淬炉、两台双室真空回火炉、往复式清洗机、双循环水冷系统及氮气供应系统、自行走炉外料车等组成。见图 3。主要功能：整条生产线的主机为两台双室真空油淬气冷炉、两台真空回火炉和一台往复式清洗机。主机由炉外的一套自动行走的炉

45、外料车联系统起来。用来完成工件的真空淬火前清洗、真空油淬、真空油淬后的清洗、真空回火、真空退火等功能。主机两端设有上下料台用于工件的进出炉前后的存放。双循环冷却水系统和制氮系统为生产线提供冷却水和氮气。该条生产线中每一台设备具有单独操作的触摸屏控制系统，同时有上位机系统对整条生产线进行监视。20图 3 331 厂真空油淬、回火热处理生产线2111 发展方向和展望（1）真空立式油淬炉和真空水淬炉存在淬火转移时间问题，航空结构钢要求淬火转移时间25s，超高强度钢长杆型零件长度超过 3m，航天要求 6.5m；钛合金紧固件真空水淬固溶处理，要求淬火转移时间6s。应研究真空液体淬火介质淬火的新技术。（2

46、）真空高压气淬存在临界淬透直径和限制尺寸问题，研究提高冷却能力和淬透性、控制加热和冷却技术、气体供应和回收技术等新技术，发展淬透性更好材料。（3）真空渗碳存在工艺路线更改和淬透性问题，研究提高真空渗碳技术，减少碳黑，研究开发提高和保证淬透性的新型渗碳钢和国产的工艺专家系统，发展其他真空化学热处理技术和相应传感器。（4）针对高温真空热处理元素贫化和双性能零件的真空热处理问题，开展真空/气氛热处理的控制冷却技术研究。（5）研究真空功能热处理，如真空磁场热处理、真空氢气热处理、真空焊接与热处理结合等，适应先进材料和制造技术的要求。（6）发展真空、可控气氛热处理生产线和柔性化技术，与各种冷热加工生产线

47、配合，适应先进制造技术发展。（7）解决长杆型零件少无氧化脱碳等温淬火问题，发展大型立式底装料多用炉；研究开发真空等温淬火油和真空等温气淬技术。（8）热处理车间改造和新建的技术问题不少，应贯彻热处理质量控制标准（HB5354、GJB509B、AMS2750D）的基本要求，注意节能环保的要求，关注和采用先进热处理技术和信息化。如集散式控制或监控及计算机网络，分离式空气冷却淬火槽和新型淬火介质，空气换热器冷却循环水及热量再利用，真空溶剂清洗技术，液氩液氮应用及工艺材料质量控制，热处理生产线等。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22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。