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真空热处理(vacuum heat treatment)

将工件置于真空度为%26asymp;133%26times;10~133%26times;10-6 Pa(10~10-6 Torr)的真空室内进行的金属热处理工艺。近期发展,还将真空与控制气氛相配合,形成了一系列以真空技术为主的新热处理工艺,如真空渗碳。由于在处理质量、节能方面,尤其环境保护方面明显的优势,20世纪50年代才起步的真空热处理已迅速发展成为当代热处理工艺和设备更新的主流;在工业发达国家,至80年代末真空热处理已占金属热处理市场总量的25%。真空热处理最大的缺点是工件的升温慢,尤其在低温(600℃以下)区。这导致总的加热时间长,为盐浴炉的6倍,为空气及其他气体介质炉的1.5倍,是降低能耗及提高生产率的一大障碍。为解决这一问题,已普遍采用了所谓真空载气加热法,即抽气达到真空度之后,充入10Pa以下的高纯氮气,利用气体的自然对流增加热传导,后又发展为在低温阶段正压(1~2)%26times;105 Pa惰性气体强制循环流动,进一步加速升温。

精密钢管

特殊效应

工业意义的%26ldquo;真空%26rdquo;一词,实指将大气气氛抽至设定的低压,用负压值控制其化学特性的可控气氛,可称%26ldquo;真空气氛%26rdquo;。金属材料在其中进行热处理时,所发生的真空还原、无脱碳和无渗碳、脱气和蒸发等几种特殊效应是传统热处理法不具备的。

真空还原在稀释大气中,金属的氧化、还原反应平衡可表示为:M表示金属元素;po2,为真空气氛的氧分压;po2MO为氧化物的平衡分解(氧分)压,即M0的饱和蒸气压。当真空度满足po2%26lt;po2MO时,不但M无氧化,而且原有氧化物将发生分解,氧被抽走,此即真空还原效应。真空还原效应使工件表面处于一种高度洁净和化学活性状态。

各种金属氧化物的Po2MO有很大的差异,且皆随温度上升而增大。图1为几种金属氧化物平衡分解压与温度的关系(理论值)。曲线位置越低表明该元素与氧的亲和力越大,作真空光亮热处理时要求更高的真空度。但是,工业上实现无氧化真空处理所需真空度比根据图1提出的要求低得多。如,钢铁材料,包括含铬、钼的合金钢,在850~1200℃处理时,大约仅需1.33~13.3Pa(10-2~10-1 Torr);又如钛合金的无氧化处理大约仅需1.33%26times;10-2 Pa(10-4Torr),这都远高于图1提供的FeO和Ti02。在上述温度范围的平衡分解压。

无脱碳和无渗碳工业常用的热处理真空气氛(%26asymp;1.33Pa,10-2 Torr)露点约为一60℃,对钢铁材料的脱碳一渗碳反应呈中性,因而真空热处理在保持钢材材料表面碳含量方面也优于其他热处理,包括控制碳势的保护气氛热处理

脱气凝固时残存下来的,以及锻轧或其他过程吸入的气体,如H2、H20,在足够的负压下,由内部扩散至表面,逸出并被抽走。真空度越高,或温度越高,脱气效果越好。脱气作用是真空热处理结构件强韧性高于常规(空气,盐浴,控制气氛)热处理的主要原因之一。

蒸发当真空气氛的压力低于金属的蒸气压时,金属就会蒸发并被抽走。发生蒸发的工件,表面将变得粗糙不平,并与其他工件和夹具发生粘结;蒸气压高的合金元素,如钢中的铬,将被优先蒸发,造成工件表层合金元素的贫化。图2为各种金属蒸气压与温度的关系。凡蒸气压高于铁的元素,如铜、铝、铬、锰,皆易在真空热处理时在合金钢件表层形成贫化区。为防止蒸发,应尽可能采用低真空、低温;或在抽气之后向密闭室内充入适当惰性气体,以提高炉压。

常用工艺

现应用最多的工艺是真空退火、真空淬火和真空渗碳。

真空退火优质弹簧钢、工具钢、轴承钢的丝材,不锈钢制品及钛合金材,作光亮退火均可采用真空处理。退火温度愈低,则要求真空度愈高。为防止铬的蒸发及加速热传导,一般采用载气加热(保温)法,并注意对不锈钢和钛合金不宜用氮而应采用氩气。

真空淬火真空淬火炉按冷却方法分为油淬和气淬两类,按工位数分为单室式和双室式,904山\畏嘲均属周期式作业炉。真空油淬炉都是双室的,后室置电加热元件,前室的下方置油槽。工件完成加热、保温后移入前室,关闭中门后向前室充入惰性气至大约2.66%26times;lO4 ~1.01%26times;105 Pa(200~760mm汞柱),入油。油淬易引起工件表面变质。由于表面活性大,在短暂的高温油膜作用下即可发生显著薄层渗碳,此外,碳黑和油在表面的粘附对简化热处理流程很不利。真空淬火技术的近期发展主要在于研制性能优良、工位单一的气冷淬火炉。前述双室式炉亦可用于气淬(在前室喷气冷却),但双工位式的操作使大批量装炉的生产发生困难,也易在高温移动中引起工件变形或改变工件方位增加淬火变形。单一工位的气冷淬火炉是在加热保温完成后在加热室内喷气冷却。气冷的冷速不如油冷快,也低于传统淬火法中的熔盐等温、分级淬火。因而,不断提高喷冷室压力,增大流量,以及采用摩尔质量比氮和氩小的惰性气体氦和氢,是当今真空淬火技术发展的主流。70年代后期将氮气喷冷的压力从(1~2)%26times;105Pa提高到(5~6)%26times;105Pa,使冷却能力接近于常压下的油冷。80年代中期出现超高压气淬,用(10~20)%26times;105Pa的氦,冷却能力等于或略高于油淬,已进入工业实用。90年代初采用40%26times;105Pa的氢气,接近水淬的冷却能力,尚处于起步阶段。工业发达国家已进展到以高压(5~6)%26times;10。Pa气淬为主体,而中国产气淬炉图2一些金属的蒸气压(理论值)与温度的关系则尚处于一般加压气淬(2%26times;105Pa)型阶段。

真空渗碳图3为真空渗碳一淬火工艺曲线。在真空中加热到渗碳温度并保温使表面净化、活化之后,通入稀薄渗碳富化气(见控制气氛热处理),在大约1330Pa(10T0rr)负压下进行渗入,然后停气(降压)进行扩散。渗碳后的淬火采用一次淬火法,即先停电,通氮冷却工件至临界点A,、以下,使内部发生相变,再停气、开泵,升温到Ac1,~Accm之间。淬冷方法可采用气冷或油冷。后者为奥氏体化后移入前室,充氮至常压,入油。真空渗碳的温度一般高于普通气体渗碳,常采用920~1040℃渗入和扩散可按图3所示分两阶段,也可用脉冲式通气、停气,多段式的渗一扩相间,效果更好。由于温度高,尤其表面洁净、有活性,真空渗碳层形成速度比普通气体、液体和固体渗碳快,如要求渗层为1mm时,在927℃只需5h,而1033℃仅需1h。

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