真空熱處理作為一種綠色環保技術，經過多年的發展，特別是高壓氣淬爐的廣泛應用，使得工模具的真空熱處理具有很多優勢：無污染；一次裝爐量大；節能；少無氧化脫碳；控溫精度高；自動控制程度高，操作過程受人為因素影響小等，在我廠的工模具熱處理中得到了成功應用。但同時在生產中也遇到了許多問題，這些問題牽扯的面較廣，通過一一分析，制定了解決的措施，取得了一定的經驗，下面就真空熱處理在工模具中的應用及常見問題分析和解決對策，做出回顧總結。
一、小刀具的真空淬火
直徑6mm以下的小刀具由于變形、容易掉落鹽浴中等問題無法直接在鹽浴中加熱淬火，需制作專用工裝，裝套筒隔鹽加熱。雖然對套筒進行預抽真空，但受預抽真空的程度、套筒本身的氧化狀態、鹽爐溫度波動大等影響所淬刀具還是會產生氧化脫碳、硬度穩定性差等問題。采用自動控制的真空爐加熱淬火，很好的解決了這些問題，質量穩定性大大提高，而且一次裝爐量大，省時省力。但在真空淬火時又遇到其他一些問題：
1.淬火后刀具相互粘連問題
對于細長桿狀的小刀具，為防止加熱變形，裝爐要求自然垂直豎立。生產上采用裝入套筒的方法，即將幾十件刀具理順插入一個套筒中立直。為防止刀具歪斜，必須使套筒內的刀具緊密靠攏。在這種情況下真空淬火后時常出現刀具粘連的現象，嚴重時粘成一團很難磕開。造成粘連的原因是由于鉻等合金元素在真空狀態下蒸發，蒸發出來的氣體狀金屬粘附在刀具表面造成相互粘連，不僅污染表面影響光度，還會造成工件表面硬度低、軟點等問題。
為減小或防止粘連必須注意，加熱到850℃以上時及時回充氮氣分壓，通過降低真空度防止這類現象的產生。對這種密集排列的情況而言，回充氮氣的分壓應保持在800～1000Pa才能使淬火的刀具光亮無粘連。
2.真空淬火的刀具不耐回火，硬度低
國產真空爐，6bar壓力淬火的普通高速鋼刀具，560℃回火后沒有二次硬化現象，有時甚至存在硬度下降的趨勢，反映出的結果是不耐回火。為防止回火時硬度下降，我們選用下限溫度540～550℃回火。
高速鋼刀具在熱處理過程中冷卻速度是一個極為重要的因素，理想的冷卻速度是“快”到可以使其在奧氏體化溫度達到的平衡狀態能“凍結”下來，這種狀態的鋼進行適當的回火將具有最佳的韌性和硬度。但在實際淬火時，存在著使溶于奧氏體中的碳化物重新析出的傾向，特別是在1000～800℃范圍其析出速度達到峰值。這種過共析碳化物的析出使基體中的碳和合金元素貧乏，從而降低鋼在回火時產生二次硬化的勢能，還會降低鋼的硬度和韌性。法國愛和高速鋼公司對1000～800℃之間的不同冷卻速率對最終硬度的影響進行了試驗研究，認為要避免硬度的損失，必須以至少7℃/s的速度冷卻，這時淬火的壓力應達到10bar，而且爐內氣體的吹向、循環及冷卻方式等也要設置合理。
3.同爐淬火的刀具紅硬性有差別
真空爐淬火的刀具，經正常溫度回火后硬度均勻性較好，偏差1.5HRC左右。但經590～600℃回火后硬度偏差加大。用法國愛和公司EM35鈷高速鋼制作的M3以下規格的絲錐，同爐淬火550℃回火三次后，硬度65.7～66.8HRC（見圖1），均勻性很好。再經600℃×2h回火后，硬度高低不均（見圖2）。
圖1 1210℃淬火，550℃回火三次
圖2 1210℃淬火，550℃回火兩次+660℃回火1次
由圖2可以看出，高溫回火后，硬度大約10%在62～63HRC，20%在65～66HRC，其余70%為63～65HRC。600℃回火后硬度散差加大說明在紅硬性上有差別。
真空爐中的加熱主要依靠輻射傳熱的方式進行，對流傳熱作用很少，因此靠近加熱元件的刀具比“背陰”（不直接面向輻射體的一方）處要快，相應的在淬火加熱溫度下的保溫時間也就不同，碳化物的溶解程度不同，致使紅硬性上有差別。另外360°方向吹氣冷卻的真空爐，氣流吹向負載的周邊，四周比心部的冷卻要快，進一步加劇了紅硬性的差別。要想解決這種差異，一方面適當延長淬火保溫時間，保證爐內各部位的刀具都燒透，另一方面真空爐本身的冷卻方式、冷卻速度也有影響，如冷卻風機的啟動方式、爐內氣體的流向等。目前，真空爐氣體的冷卻方式除360°圓周冷卻方式外還有上下方形冷卻方式，上下方形冷卻時氣流穿過負載，有利于多層放置的小工件。所以，應根據工件的特點選用相應的爐型。
二、真空淬火的變形問題
大家普遍認為淬火變形小是真空淬火的優勢之一，但在實際生產中并非完全如此，對于細長桿件和薄的圓片狀刀具，圓周360°冷卻的真空爐淬火的變形量遠遠大于鹽浴淬火。真空爐中淬火時氣體流向對工件的淬火變形有著至關重要的意義。圓周冷卻方式冷卻時氣體流向工件四周，易導致工件變形，而上下方形冷卻方式氣體能均勻流經豎直放置的工件，變形要小。
為避免工件淬火變形，裝爐方式也很重要，原則上氣體應均勻流經工件，工件不能因自身重量或相互擠壓而變形。
三、真空淬火脫碳問題
在真空加熱時，由于氧分子稀薄，氧的分解壓很低，氧化作用被抑制，通常情況下不會在加熱過程中發生氧化、脫碳以及其它化學腐蝕。但是，對于已存在脫碳層的工件，在真空狀態加熱時表面脫碳層有加深、加劇的情況發生。為什么在真空狀態脫碳層會加重，既然與氧的反應被抑制，那么可能是與碳原子在金屬內的擴散有關。加熱時在脫碳與未脫碳的交界區碳原子會向低碳區發生擴散，真空加熱的時間又長，致使脫碳層加深。因此，千萬不要認為真空不氧化就把表面略有脫碳的工件放入真空爐加熱，這有可能使得脫碳更嚴重，影響成活硬度。
四、真空爐爐體材質對產品質量的影響
由于高速鋼是高溫淬火，爐體保溫材質的性能除了對設備使用壽命、降低生產成本有著很大的影響外，對熱處理的效果及產品質量也有很大的影響。
我們在2012年對真空爐進行了大修，更換了爐膽、加熱元件等部件，由于忽視了爐膽碳素纖維的質量，維修后按正常工藝淬火回火的刀具硬度居高不下，逐步反復提溫回火至600℃才將其硬度降至63～66HRC，但該批刀具發往用戶后，用戶復檢時發現硬度只有58～60HRC。再次分析前后硬度差異的原因，這才恍然大悟原來淬火回火后的高硬度僅限于表面層，熱處理后機加工把表面的高硬度層磨掉了，刀具內部真實的硬度并不高。至于表面高硬度是由于新爐膽碳纖維中的碳揮發，在高溫加熱過程中碳原子滲入刀具表面，造成了硬度高的假象。由于忽視了設備的影響，采取了錯誤的工藝措施，導致了廢品。
此外，爐內揮發的碳纖維還會污染加熱元件，嚴重時使加熱元件放電打火，一旦打火的火弧沖擊到工件上，就會造成工件表面局部燒傷，影響質量。我們的Cr12MoV模具板件當時有過燒傷三次的教訓。這種碳纖維的污染一直經歷了半年的揮發、抽氣才慢慢消去。因此，在確定爐襯時應注意選用密度高、質量好或者經過一些表面處理工藝進行保護的碳素纖維材料。
真空熱處理是清潔、節能、先進的熱處理技術，但在實際應用中還需要注意一些問題，只有不斷掌握規律，采取措施，揚長避短，才能充分發揮其特有的優勢。
