文/叢培武·北京機(jī)電研究所

真空熱處理技術(shù)作為一種先進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)真空熱處理設(shè)備也具備無污染、無公害、自動(dòng)化程度高的突出優(yōu)點(diǎn)，因而真空熱處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種精密產(chǎn)品零件的生產(chǎn)中?？梢哉f，真空熱處理已成為當(dāng)前先進(jìn)熱處理生產(chǎn)技術(shù)的主要標(biāo)志。

我國真空熱處理技術(shù)的基礎(chǔ)研究始于20世紀(jì)70年代，而后經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和自主開發(fā)的過程。20世紀(jì)90年代,隨著航空、航天等國防工業(yè)和機(jī)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(yīng)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(yīng)用于冶金、機(jī)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(yùn)行成本低等特點(diǎn)，詳情如表1所示。

真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的典型應(yīng)用

鍛壓是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)。在機(jī)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(dòng)齒輪等），飛機(jī)的承載關(guān)鍵構(gòu)件（飛機(jī)機(jī)體中的框、梁、起落架、接頭等；發(fā)動(dòng)機(jī)中的盤、軸、環(huán)等），液壓、泵類機(jī)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?yàn)榱烁纳撇牧系某尚涡阅?，或?yàn)榱嗽鰪?qiáng)零部件的機(jī)械性能及表面質(zhì)量。真空熱處理作為一種先進(jìn)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(gè)真空熱處理技術(shù)在鍛壓行業(yè)的典型應(yīng)用做詳細(xì)介紹。

表1 真空爐與氣氛爐、鹽浴爐對比表

H13模具鋼的真空淬火

H13模具鋼廣泛應(yīng)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(qiáng)、高韌性能，并減小冷卻應(yīng)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(fù)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(yù)熱—奧氏體化溫度加熱—淬火—兩次高溫回火，如圖1所示。預(yù)熱階段必須緩慢升溫，0～650℃預(yù)熱速度應(yīng)＜220℃/h,650～850℃預(yù)熱速度＜165℃/h ；加熱階段，應(yīng)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(yīng)＞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。

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(dá)到更快的冷卻速度，因而容易獲得表面光亮且高強(qiáng)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(shí)，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(fēng)險(xiǎn)大的問題。

圖1 H13鋼熱作模具工藝曲線

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(shí)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(huì)使材料的沖擊韌性有所下降，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)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(fù)合淬火。

為了兼顧減少變形和高強(qiáng)高韌的技術(shù)要求，H13模具鋼更多地采用先充氣預(yù)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(jī)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(fù)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(dāng)今H13模具鋼熱處理的新動(dòng)向。

20CrMnTi鍛造錐齒輪的真空滲碳

20CrMnTi鍛造錐齒輪多用于車輛機(jī)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(gè)實(shí)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(jī)電研究所設(shè)計(jì)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(yù)熱—保溫—滲碳—擴(kuò)散—滲碳—擴(kuò)散—淬火，如圖2所示。其中，滲碳壓力為2000Pa。

⑶處理結(jié)果。

取兩個(gè)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。

圖2 20CrMnTi鍛造錐齒輪的真空滲碳工藝

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(yīng)用展望

《中國制造2025》提出了“到新中國成立一百年時(shí)，把我國建設(shè)成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強(qiáng)國”的發(fā)展目標(biāo)。其指導(dǎo)思想為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、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(diǎn)，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(qiáng)，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(yīng)力和組織應(yīng)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(yīng)用會(huì)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(huì)大大提升我國先進(jìn)制造技術(shù)的水平。