真空热处理工艺.doc

真空热处理工艺屠恒悦目录前言 1一、真空热处理工艺原理和真空热处理和加热特点 11、工艺原理 12、真空热处理的加热特点： 3二、真空热处理工艺参数的确定 31、真空度： 32、加热和预热温度： 43、真空淬火加热时间 4三、真空热处理的冷却方法 51、气淬 52、真空油淬 73、为减小工件变形采用的分级冷却 94、真空水淬 95、真空硝盐淬火 96、炉冷或控速冷却 9四、真空退火、真空淬火、真空回火及常用金属材料的真空淬火、回火工艺规范 91、真空退火目的 92、真空淬火： 143、真空回火 19四、常用金属材料的真空淬火、回火工艺规范 20（1）合金结构钢和超高强度钢 20（2）弹簧钢 22（3）轴承钢 22（4）合金工具钢 22（5）高速钢 23（6）不锈耐热钢 24A前言所谓真空热处理是工件在10-1~10-2Pa真空介质中进行加热到所需要的温度，然后在不同介质中以不同冷速进行冷却的热处理方法真空热处理被当代热处理界称为高效、节能和无污染的清洁热处理真空热处理的零件具有无氧化，无脱碳、脱气、脱脂，表面质量好，变形小，综合力学性能高，可靠性好（重复性好，寿命稳定）等一系列优点因此，真空热处理受到国内外广泛的重视和普遍的应用。

并把真空热处理普及程度作为衡量一个国家热处理技术水平的重要标志真空热处理技术是近四十年以来热处理工艺发展的热点，也是当今先进制造技术的重要领域一、真空热处理工艺原理和真空热处理和加热特点1、工艺原理（1）金属在真空状态下的相变特点在与大气压只差0.1MPa范围内的真空下，固态相变热力学、动力学不产生什么变化在制订真空热处理工艺规程时，完全可以依据在常压下固态相变的原理完全可以参考常压下各种类型组织转变的数据2）真空脱气作用，提高金属材料的物理性能和力学性能3）真空脱脂作用4）金属的蒸发：在真空状态下加热，工件表面元素会发生蒸发现象表一 各种金属的蒸气压金属达到下列蒸气压的平衡温度（℃）熔点（℃）10-2Pa10-1Pa1Pa10Pa133PaCu103511411273142216281038Ag848936104711841353961Be102911301246139515821284Mg301331343515605651Ca463528605700817851Ba406546629730858717Zn248292323405-419Cd180220264321-321Hg-5.5134882126-38.9Ae80888999611231179660Li377439514607725179Na19523829135643798K12316120726533864In74684095210881260157C22882471268129263214-Si111612231343148516701410Ti1249138415461742-1721Zr166018612001221225491830Sn9221042118913731609232Pb548625718832975328V158617261888207922071697Nb23552539---2415Ta25992820---2996Bi536609693802934271Cr99210901205134215041890Mo209522902533--2625Mn791873980110312511244Fe119513301447160217831535W276730163309--3410Ni125713711510167918841455Pt174419042090231325821774Au119013161465164618671063（5）表面净化作用，实现少无氧化和少无脱碳加热。

图一 各种金属氧化物的分解压力金属的氧化反应是可逆的：Mo≒2M+2O 2O→O2↑取决于气氛中氧的分压和金属氧化物的分压的大小当氧分压大于金属氧化物的分压时，反应向左进行，金属表面产生氧化反之，如氧化物的分解压大于氧的分压，反应向右进行，其结果是氧化物分解亚氧化物理论和真空炉中碳元素存在，使炉内氧的分压低于金属氧化物的分压，使金属不会氧化表二 真空度和相对杂质及相对露点关系真空度Pa1.33×1041.33×1031.33×1021.33×101.331.33×10-11.33×10-21.33×10-3托10010110-110-210-310-410-5相对杂质含量%13.21.320.1321.32×10-21.32×10-31.32×10-41.32×10-51.32×10-6PPM(百万分比)132013213.21.320.1320.0132相对露点（℃）+11-18-40-59-74-88-101（6）金属实现无氧化加热所需的真空度图二 为不同金属无氧化加热温度和真空度的关系曲线2、真空热处理的加热特点：两个显著特点：一是空载时炉子的升温速度快，二是工件的加热速度慢。

二、真空热处理工艺参数的确定1、真空度：表三 各种材料在真空热处理时的真空度材 料真空热处理时真空度Pa合金工具钢、结构钢、轴承钢（淬火温度在900℃以下）1~10-1含Cr、Mn、Si等合金钢（在1000℃以上加热）10Pa（回填高纯氮）不锈钢（析出硬化型合金）、Fe、Ni基合金，钴基合金10-1~10-2钛合金10-2高速钢1000℃以上充666~13.3Pa N2Cu及其合金133~13.3Pa高合金钢回火1.3~10-2在考虑工作真空度时应注意几点：（1）在900℃以前，先抽0.1Pa以上高真空，以利脱气2）10-1Pa进行加热，相当于1PPM以上纯度惰性气体，一般黑色金属就不会氧化3）充入惰性气体时，如充133Pa，（50%N2+50%H2）的氮氢混合气体，其效果比10-2～10-3Pa真空还好此时氧分压66.5Pa是安全的4）真空度与钢表面光亮度有对应关系5）一般10-3~133Pa真空范围内，真空度温差为±5℃，如气压上升，温度均匀性下降，所以充气压力应尽量可能低些2、加热和预热温度：表四 预热温度参考表淬火加热温度（℃）预热温度（1）（℃）预热温度（2）（℃）预热温度（3）（℃）800~900550-6001000-1100550-600800-8501200以上550-600800-8501000-10503、真空淬火加热时间图三 真空加热时的特性曲线图四 炉温和被加热工件表面与中心温度t总=t均+t保 t均=a`×ht保为相变时间，t均为均热时间，a`为透热系数（分/mm），h为有效厚度（mm）。

表五 a`透热系数的确定加热温度（℃）60080010001100~1200a`（分/mm）1.6~2.20.8~1.00.3~0.50.2~0.4预热情况600℃预热600、800℃预热600、800、1000℃预热注：没有预热，直接加热，a`应增大10~20%表六 t保时间确定钢材碳素工具钢低合金钢高合金钢t保（分）5~1010~2020~40三、真空热处理的冷却方法1、气淬（1）各种冷却气体的性质表七 各种冷却气体的性质（100℃时）气体密度（Kg/m3）普朗特数粘度系数（Kg.s/m3）热传导率（kcal/m.h. ℃）热传导率比N20.8870.702.5×10-60.02691Ar1.3050.692.7640.01770.728He0.1720.722.310.1431.366H20.06360.691.0480.1891.468图五 氢、氦、氮、氩的相对冷却性能为保证工件表面不氧化，具有高的光亮度，对冷却气体N2纯度有一定要求表八 氮气纯度标准处理材料氮气纯度（%）轴承钢、高速钢99.995~99.998高温耐热合金99.999高温活性金属99.9999半导体材料99.99999表九 热处理用氩气、氢气、氮气的行业标准名称指标要求，%（V/V）氩含量氮含量氢含量氧含量总碳含量（以甲烷计）水含量高纯氩气≥99.999≤0.0005≤0.0001≤0.0002≤0.0002≤0.004氩气≥99.99≤0.007≤0.0005≤0.001≤0.001≤0.002高纯氮-≥99.999≤0.0001≤0.0003≤0.0003≤0.0005纯氮-≥99.996≤0.0005≤0.001CO≤0.0005CO2≤0.0005CH4≤0.0005≤0.0005工业用气态氮Ⅰ类-99.5-≤0.5-露点≤-43℃Ⅱ类Ⅰ级-99.5-≤0.5-游离水≤100ml/瓶Ⅱ类Ⅱ级-98.5-≤1.5-游离水≤100ml/瓶氢气-≤0.006≥99.99≤0.0005CO≤0.0005CO2≤0.0005CH4≤0.001≤0.003注：①水分压15℃，大于11.8MPa条件下测定。

②高纯氮、纯氮不适合用于沉淀硬化不锈钢，马氏体时效钢，高温合金、钛合金等真空热处理回充和冷却气之用③氢气不适用于高强度钢、钛合金、黄铜的热处理保护④液态氮不规定水的含量2）提高气体冷却能力的方法牛顿公式：Q=k（tw-tf）·F（kcal/h）Q为传热量； tw为工件温度； tf为气体温度；F为工件表面积。