叢培武
真空熱處理技術(shù)作為一種先進熱處理生產(chǎn)技術(shù)，在我國已有40多年的發(fā)展歷史，廣泛應用于各種材料，具有無氧化、表面質(zhì)量好、變形微小、無污染等諸多優(yōu)勢。本文著重介紹了真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的典型應用，包括H13模具鋼的真空淬火（油淬、高壓氣淬、氣油淬）、20CrMnTi的真空滲碳和10號鋼的薄層真空碳氮共滲。最后，本文提出了真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的應用展望。
真空熱處理技術(shù)簡介
利用真空熱處理技術(shù)處理的產(chǎn)品和零件具有無氧化、無脫碳、脫氣、脫脂、表面質(zhì)量好、變形微小、綜合力學性能優(yōu)異的優(yōu)點。同時真空熱處理設(shè)備也具備無污染、無公害、自動化程度高的突出優(yōu)點，因而真空熱處理技術(shù)廣泛應用于各種精密產(chǎn)品零件的生產(chǎn)中。可以說，真空熱處理已成為當前先進熱處理生產(chǎn)技術(shù)的主要標志。
我國真空熱處理技術(shù)的基礎(chǔ)研究始于20世紀70年代，而后經(jīng)歷了技術(shù)引進、消化吸收和自主開發(fā)的過程。20世紀90年代,隨著航空、航天等國防工業(yè)和機械制造等行業(yè)的迅猛發(fā)展,真空熱處理技術(shù)和裝備得以推廣。目前我國真空熱處理爐主要產(chǎn)品有真空油淬爐、真空高壓氣淬爐、真空回火爐、真空釬焊爐、真空燒結(jié)爐、真空低壓滲碳爐、真空滲氮爐和真空熱處理連續(xù)生產(chǎn)線等。
真空熱處理技術(shù)廣泛應用于各種材料，包括普通碳鋼、合金鋼、模具鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、鈦合金、磁合金、彈性合金、銅合金及高純鋁箔等。這些材料被廣泛地應用于冶金、機械、化工、電子、汽車、航空航天等行業(yè)。對這些材料制品的熱處理，相較于氣氛爐和鹽浴爐，真空熱處理爐具有產(chǎn)品質(zhì)量好、后續(xù)加工少、運行成本低等特點，詳情如表1所示。
表1 真空爐與氣氛爐、鹽浴爐對比表
真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的典型應用
鍛壓是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)。在機械裝備中，鍛壓產(chǎn)品占比很高，如汽車的幾乎全部關(guān)鍵零部件（曲軸、連桿、凸輪軸、半軸、傳動齒輪等），飛機的承載關(guān)鍵構(gòu)件（飛機機體中的框、梁、起落架、接頭等；發(fā)動機中的盤、軸、環(huán)等），液壓、泵類機械的近一半零部件等。生產(chǎn)這些鍛件的模具以及鍛壓產(chǎn)品，幾乎全部都要經(jīng)過熱處理。或為了改善材料的成形性能，或為了增強零部件的機械性能及表面質(zhì)量。真空熱處理作為一種先進的熱處理技術(shù)，不僅能為很多優(yōu)質(zhì)的鍛壓產(chǎn)品提供質(zhì)量保證，還能解決傳統(tǒng)熱處理能耗大、污染環(huán)境的問題。下面就幾個真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的典型應用做詳細介紹。
H13模具鋼的真空淬火
H13模具鋼廣泛應用于熱鍛模具、熱擠壓和壓鑄模具。為了獲得光亮的表面和高強、高韌性能，并減小冷卻應力和畸變，對不同尺寸和技術(shù)要求的H13模具鋼，往往采用不同的處理工藝：真空油淬、真空高壓氣淬、真空氣油復合淬火。
⑴通用熱處理工藝。
H13模具鋼的通用熱處理工藝為兩次預熱—奧氏體化溫度加熱—淬火—兩次高溫回火，如圖1所示。預熱階段必須緩慢升溫，0～650℃預熱速度應＜220℃/h,650～850℃預熱速度＜165℃/h ；加熱階段，應以盡可能快的速度加熱至奧氏體化溫度1030℃；淬火階段，冷速應＞28℃/min，避免發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，盡可能減少二次碳化物和貝氏體，并保證形變很小。
圖1 H13鋼熱作模具工藝曲線
⑵不同淬火方式。
1)真空油淬。
真空油淬和真空氣淬相比，可以達到更快的冷卻速度，因而容易獲得表面光亮且高強高韌的性能，所以至今國內(nèi)大多數(shù)模具鋼仍采用油淬技術(shù)。對H13模具鋼，有效尺寸＜100mm時，油淬后顯微組織只有馬氏體，基本無二次碳化物析出，具有良好的沖擊韌性。但是，由于冷速過大，也存在畸變大、淬裂風險大的問題。
2)真空高壓氣淬。
為了解決H13模具鋼油淬畸變大而尺寸超差的問題，并實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的要求，國內(nèi)越來越多地采用真空高壓氣淬技術(shù)。但是高壓氣淬的冷卻速度受模具尺寸及裝爐量的影響，有可能得到馬氏體＋二次碳化物組織，也有可能得到馬氏體＋二次碳化物＋貝氏體組織。二次碳化物和貝氏體都會使材料的沖擊韌性有所下降，因此在實際生產(chǎn)中應盡可能加大氣淬壓力,提高氣流冷卻速度，避免產(chǎn)生這些不良組織。
3)真空氣油復合淬火。
為了兼顧減少變形和高強高韌的技術(shù)要求，H13 模具鋼更多地采用先充氣預冷、再油淬的工藝，該工藝能夠滿足大多數(shù)模具的熱處理技術(shù)要求。除此之外，北京機電研究所研發(fā)出采用高溫區(qū)（1030℃至540℃）高壓氣淬、低溫區(qū)（540℃至室溫）油淬的真空氣油復合淬火工藝，可以得到馬氏體＋二次碳化物＋少量貝氏體組織，模具性能更佳。此工藝是當今H13模具鋼熱處理的新動向。
20CrMnTi鍛造錐齒輪的真空滲碳
20CrMnTi鍛造錐齒輪多用于車輛機械的變速箱，為滿足抗疲勞的性能要求，往往采用真空滲碳技術(shù)，下面介紹一個實例。
⑴技術(shù)要求。
20CrMnTi鍛造錐齒輪，要求硬化層深1.0～1.4 mm;硬度58～65HRC。
⑵處理工藝。
采用北京機電研究所設(shè)計制造的真空低壓滲碳淬火爐，20CrMnTi鍛造錐齒輪的熱處理工藝為預熱—保溫—滲碳—擴散—滲碳—擴散—淬火，如圖2所示。其中，滲碳壓力為2000Pa。
圖2 20CrMnTi鍛造錐齒輪的真空滲碳工藝
⑶處理結(jié)果。
取兩個試樣檢測，測量結(jié)果如表2所示，硬化層深度和表面硬度均符合技術(shù)要求。
表2 試樣檢測結(jié)果
真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的應用展望
《中國制造2025》提出了“到新中國成立一百年時，把我國建設(shè)成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強國”的發(fā)展目標。其指導思想為創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本。真空低壓滲碳技術(shù)、高壓氣淬技術(shù)是熱處理行業(yè)綠色化的典型技術(shù)，具有節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)的特點，值得推廣。鍛壓行業(yè)正面臨著產(chǎn)業(yè)升級，精密鍛壓技術(shù)在不斷發(fā)展，各種鍛壓產(chǎn)品對精密熱處理的需求日益加強，真空熱處理技術(shù)作為精密熱處理的一種手段，能夠有效降低熱應力和組織應力，從而減少畸變。相信真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的應用會越來越廣泛，而真空熱處理與鍛壓技術(shù)的結(jié)合與發(fā)展也勢必會大大提升我國先進制造技術(shù)的水平。
作者簡介
叢培武，北京機電研究所真空熱處理中心主任，研究員。主要從事真空熱處理、真空燒結(jié)、真空釬焊等設(shè)備和工藝技術(shù)的研發(fā)、設(shè)計工作。獲中國機械行業(yè)科技進步二等獎2項，發(fā)表論文20余篇，申請專利10項。
來源：《鍛造與沖壓》2018年第1期
（版權(quán)歸原作者或機構(gòu)所有）
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