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真空熱處理作為一種綠色環保技術

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?真空熱處理作為一種綠色環保技術,經過多年的發展,特別是高壓氣淬爐的廣泛應用,使得工模具的真空熱處理具有很多優勢:無污染;一次裝爐量大;節能;少無氧化脫碳;控溫精度高;自動控制程度高,操作過程受人為因素影響小等,在我廠的工模具熱處理中得到了成功應用。但同時在生產中也遇到了許多問題,這些問題牽扯的面較廣,通過一一分析,制定了解決的措施,取得了一定的經驗,下面就真空熱處理在工模具中的應用及常見問題分析和解決對策,做出回顧總結。??

一、小刀具的真空淬火??

直徑6mm以下的小刀具由于變形、容易掉落鹽浴中等問題無法直接在鹽浴中加熱淬火,需制作專用工裝,裝套筒隔鹽加熱。雖然對套筒進行預抽真空,但受預抽真空的程度、套筒本身的氧化狀態、鹽爐溫度波動大等影響所淬刀具還是會產生氧化脫碳、硬度穩定性差等問題。采用自動控制的真空爐加熱淬火,很好的解決了這些問題,質量穩定性大大提高,而且一次裝爐量大,省時省力。但在真空淬火時又遇到其他一些問題:??

1.淬火后刀具相互粘連問題??

對于細長桿狀的小刀具,為防止加熱變形,裝爐要求自然垂直豎立。生產上采用裝入套筒的方法,即將幾十件刀具理順插入一個套筒中立直。為防止刀具歪斜,必須使套筒內的刀具緊密靠攏。在這種情況下真空淬火后時常出現刀具粘連的現象,嚴重時粘成一團很難磕開。造成粘連的原因是由于鉻等合金元素在真空狀態下蒸發,蒸發出來的氣體狀金屬粘附在刀具表面造成相互粘連,不僅污染表面影響光度,還會造成工件表面硬度低、軟點等問題。??

為減小或防止粘連必須注意,加熱到850℃以上時及時回充氮氣分壓,通過降低真空度防止這類現象的產生。對這種密集排列的情況而言,回充氮氣的分壓應保持在800~1000Pa才能使淬火的刀具光亮無粘連。??

2.真空淬火的刀具不耐回火,硬度低??

國產真空爐,6bar壓力淬火的普通高速鋼刀具,560℃回火后沒有二次硬化現象,有時甚至存在硬度下降的趨勢,反映出的結果是不耐回火。為防止回火時硬度下降,我們選用下限溫度540~550℃回火。??

高速鋼刀具在熱處理過程中冷卻速度是一個極為重要的因素,理想的冷卻速度是“快”到可以使其在奧氏體化溫度達到的平衡狀態能“凍結”下來,這種狀態的鋼進行適當的回火將具有最佳的韌性和硬度。但在實際淬火時,存在著使溶于奧氏體中的碳化物重新析出的傾向,特別是在1000~800℃范圍其析出速度達到峰值。這種過共析碳化物的析出使基體中的碳和合金元素貧乏,從而降低鋼在回火時產生二次硬化的勢能,還會降低鋼的硬度和韌性。法國愛和高速鋼公司對1000~800℃之間的不同冷卻速率對最終硬度的影響進行了試驗研究,認為要避免硬度的損失,必須以至少7℃/s的速度冷卻,這時淬火的壓力應達到10bar,而且爐內氣體的吹向、循環及冷卻方式等也要設置合理。??

真空爐中的加熱主要依靠輻射傳熱的方式進行,對流傳熱作用很少,因此靠近加熱元件的刀具比“背陰”(不直接面向輻射體的一方)處要快,相應的在淬火加熱溫度下的保溫時間也就不同,碳化物的溶解程度不同,致使紅硬性上有差別。另外360°方向吹氣冷卻的真空爐,氣流吹向負載的周邊,四周比心部的冷卻要快,進一步加劇了紅硬性的差別。要想解決這種差異,一方面適當延長淬火保溫時間,保證爐內各部位的刀具都燒透,另一方面真空爐本身的冷卻方式、冷卻速度也有影響,如冷卻風機的啟動方式、爐內氣體的流向等。目前,真空爐氣體的冷卻方式除360°圓周冷卻方式外還有上下方形冷卻方式,上下方形冷卻時氣流穿過負載,有利于多層放置的小工件。所以,應根據工件的特點選用相應的爐型。??

二、真空淬火的變形問題??

大家普遍認為淬火變形小是真空淬火的優勢之一,但在實際生產中并非完全如此,對于細長桿件和薄的圓片狀刀具,圓周360°冷卻的真空爐淬火的變形量遠遠大于鹽浴淬火。真空爐中淬火時氣體流向對工件的淬火變形有著至關重要的意義。圓周冷卻方式冷卻時氣體流向工件四周,易導致工件變形,而上下方形冷卻方式氣體能均勻流經豎直放置的工件,變形要小。??

為避免工件淬火變形,裝爐方式也很重要,原則上氣體應均勻流經工件,工件不能因自身重量或相互擠壓而變形。??

三、真空淬火脫碳問題??

在真空加熱時,由于氧分子稀薄,氧的分解壓很低,氧化作用被抑制,通常情況下不會在加熱過程中發生氧化、脫碳以及其它化學腐蝕。但是,對于已存在脫碳層的工件,在真空狀態加熱時表面脫碳層有加深、加劇的情況發生。為什么在真空狀態脫碳層會加重,既然與氧的反應被抑制,那么可能是與碳原子在金屬內的擴散有關。加熱時在脫碳與未脫碳的交界區碳原子會向低碳區發生擴散,真空加熱的時間又長,致使脫碳層加深。因此,千萬不要認為真空不氧化就把表面略有脫碳的工件放入真空爐加熱,這有可能使得脫碳更嚴重,影響成活硬度。??

四、真空爐爐體材質對產品質量的影響??

由于高速鋼是高溫淬火,爐體保溫材質的性能除了對設備使用壽命、降低生產成本有著很大的影響外,對熱處理的效果及產品質量也有很大的影響。??

我們在2012年對真空爐進行了大修,更換了爐膽、加熱元件等部件,由于忽視了爐膽碳素纖維的質量,維修后按正常工藝淬火回火的刀具硬度居高不下,逐步反復提溫回火至600℃才將其硬度降至63~66HRC,但該批刀具發往用戶后,用戶復檢時發現硬度只有58~60HRC。再次分析前后硬度差異的原因,這才恍然大悟原來淬火回火后的高硬度僅限于表面層,熱處理后機加工把表面的高硬度層磨掉了,刀具內部真實的硬度并不高。至于表面高硬度是由于新爐膽碳纖維中的碳揮發,在高溫加熱過程中碳原子滲入刀具表面,造成了硬度高的假象。由于忽視了設備的影響,采取了錯誤的工藝措施,導致了廢品。??

此外,爐內揮發的碳纖維還會污染加熱元件,嚴重時使加熱元件放電打火,一旦打火的火弧沖擊到工件上,就會造成工件表面局部燒傷,影響質量。我們的Cr12MoV模具板件當時有過燒傷三次的教訓。這種碳纖維的污染一直經歷了半年的揮發、抽氣才慢慢消去。因此,在確定爐襯時應注意選用密度高、質量好或者經過一些表面處理工藝進行保護的碳素纖維材料。??

真空熱處理是清潔、節能、先進的熱處理技術,但在實際應用中還需要注意一些問題,只有不斷掌握規律,采取措施,揚長避短,才能充分發揮其特有的優勢。??

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