張雅，呂韋

（安徽天航機電有限公司， 安徽蕪湖 241000）

熱處理的質(zhì)量控制方式主要是預(yù)防以及對熱處理過程的管控。從機械加工的成品或半成品零件轉(zhuǎn)入熱處理工序，對于熱處理過程的控制十分重要，主要從人、機、料、法、環(huán)、測等六個方面進行控制。與傳統(tǒng)熱處理相比，真空熱處理要復(fù)雜得多，而加強零件的真空熱處理質(zhì)量過程控制，包括零件外部表面狀態(tài)以及內(nèi)部組織狀態(tài)。作為外部表面狀態(tài)如硬度、氧化色、腐蝕、變形等缺陷由于其較為容易被檢測和控制，在生產(chǎn)中常常作為熱處理質(zhì)量分析的切入點。

通常制定熱處理工藝時要確定的熱處理參數(shù)主要有：加熱制度（加熱溫度、時間、方式）、真空壓強、冷卻方式和冷卻介質(zhì)等。經(jīng)過真空熱處理的零件有著不氧化、不增碳以及不脫碳的優(yōu)勢，并且真空環(huán)境可以使金屬零件釋放出溶解的氣體以及使金屬氧化物分解，因而零件表面較為光亮。從宏觀來看，影響真空熱處理質(zhì)量因素主要有以下幾個方面，如表1所示。

金屬零件在真空淬火、回火以及退火過程中在不同溫度下均會出現(xiàn)不同顏色的氧化膜缺陷。真空加熱不同溫度下工件氧化膜的顏色，如表2所示。

對于影響真空熱處理表面光亮的氧化原因主要包括零件的材料、熱處理工藝以及熱處理設(shè)備等多方面?，F(xiàn)根據(jù)真空淬、回火以及真空退火，并結(jié)合生產(chǎn)實際簡要分析其對工件表面光亮的質(zhì)量控制。

表1 影響工件真空熱處理質(zhì)量的因素［1］

表2 真空加熱不同溫度下工件氧化膜的顏色［1］

1 真空淬火對于工件表面的質(zhì)量控制

合金中(包括零件、真空加熱室的結(jié)構(gòu)材料以及運送零件的料框)或者綁扎零件所用的鋼絲中，如果含有有蒸氣壓較高的元素（Cr、Mn、Cu、Ag、Al、Mg等），當金屬元素的蒸氣壓小于真空加熱環(huán)境的蒸氣壓時，金屬元素就會開始蒸發(fā)，并以氣體形式圍繞在固態(tài)金屬的周圍，對固態(tài)金屬產(chǎn)生黏附作用并污染金屬表面，并且冷卻時還會造成零件之間或者零件和料框的黏連，甚至會造成加熱元件和爐體之間的短路。因此為避免合金元素的蒸發(fā)，在真空淬火過程中會選擇向真空加熱室充入惰性氣體以提高真空壓強［2］。

另外在零件的真空油淬過程中，油會經(jīng)歷由液態(tài)到氣態(tài)的物態(tài)變化，從而導(dǎo)致零件各個部位的冷卻速度存在差異，此為淬火變形的一個原因。真空正壓氣淬，采用高壓氣體作為冷卻介質(zhì)，由于氣態(tài)冷卻介質(zhì)在淬火過程中不會經(jīng)歷物態(tài)變化，相較于油冷零件有著更為均勻的冷卻速度，可實現(xiàn)更小的變形，同時，氣淬可實現(xiàn)較油冷更為光亮的表面。

真空正壓氣淬雖有色澤變化小和微變形的優(yōu)點，但是其局限性也同樣突出：主要表現(xiàn)在氣體的冷卻壓力，乃至裝爐量的不同，都會明顯影響零件冷卻速度，進而影響淬火后性能；同時，相較于油冷，氣體的冷卻能力低，會帶來淬透性的明顯下降，對于不銹鋼、高速鋼等高淬透性鋼，氣冷能一定條件滿足零件的淬透，北京航空材料研究院研究表明，對于1Cr15 Ni4Mo3N不銹鋼，3bar壓力下氣淬可淬透Φ60mm，但是對于低淬透性結(jié)構(gòu)鋼等，氣冷存在局限。同時，對于不同的不銹鋼材料，在不同氣淬壓力下，均存在不同的臨界淬透尺寸，均需進行工藝參數(shù)的摸索和驗證。另一方面，6bar乃至10bar以上的高壓氣體，需要更為完善的現(xiàn)場的設(shè)施及工藝操作等，這些均為此項工作所要進行的相關(guān)研究。

2 真空回火對于工件表面質(zhì)量的控制

真空回火后工件表面的發(fā)暗現(xiàn)象一直是被關(guān)注的真空熱處理問題。有分析認為，真空度在（10-2～10-4）Pa范圍內(nèi)，水蒸氣峰繼續(xù)保持相當大的比例，O2的光譜已接近消失。在650℃以上水蒸氣開始分解，出現(xiàn)鏈式反應(yīng)；而在650℃以下，真空爐內(nèi)呈微氧化狀態(tài)，而回火溫度正好是在此溫度范圍區(qū)域內(nèi)，因此這也正是真空回火后表面發(fā)暗或不穩(wěn)定的原因［4］。

而對于提高真空回火后表面光亮度的方法主要有以下幾個方面［3］：

（1）提高真空加熱的真空度。使真空度保持在1.3×10-2Pa以上，減少O2從而減少對工件的氧化作用。

（2）沖入N2中加入10%H2，使還原性氣氛H2與爐內(nèi)氧化性氣氛中和,使爐內(nèi)呈弱還原性氣氛。

（3）減少真空爐隔熱屏的吸收和排放水氣的影響，排除耐火纖維隔熱屏吸水性大的弊端，利用全金屬隔熱屏設(shè)計。

（4）回火后快速冷卻，使工件出爐溫度低，提高回火光亮度。

（5）提高回火溫度均勻性，有利于回火光亮度保持一致。

用以上方法可以使回火工件光亮度達到真空淬火的90%以上。

3 真空退火對于工件表面的質(zhì)量控制

除了鋼、銅及其合金的真空退火，還可以進行與氣體有親和力的金屬如鈦、鈮等元素退火，對于真空度的選擇應(yīng)該避免合金中的化合物的分解與脫溶等，應(yīng)根據(jù)金屬的氧化特性。但在退火前必須進行零件的清洗、脫脂以及烘干處理，防止加熱過程中出現(xiàn)表面氧化、腐蝕、脫碳以及增碳的缺陷。

真空熱處理屬于光亮熱處理，相比于普通熱處理有著很多優(yōu)點，但同樣也存在著很多缺陷。正常情況下，經(jīng)過真空熱處理之后的零件應(yīng)該保持熱處理之前的金屬光亮度。對于真空熱處理后產(chǎn)生的表面光亮度的問題較為常見也較為直觀，而這些表面的光亮問題也正反映了內(nèi)部組織的一些缺陷，因此對于零件表面的質(zhì)量控制則顯得非常重要，同時這也為提高零件的使用壽命奠定了良好的基礎(chǔ)。