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、刀具真空淬火
直徑6mm由于變形由于變形，容易掉入鹽浴中等問題，不能直接在鹽浴中加熱淬火，需要制作專用工具，安裝套筒進行鹽加熱。雖然套筒是預真空，但由于預真空程度、套筒本身的氧化狀態、鹽爐溫度波動大，淬火工具仍會產生氧化脫碳、硬度穩定性差等問題。采用自動控制的真空爐加熱淬火，很好地解決了這些問題，大大提高了質量穩定性，一次容量大，節省時間和精力。但在真空淬火過程中遇到了其他問題：
1.淬火后刀具粘連問題
對于細長的桿狀工具，為了防止加熱變形，爐需要自然垂直安裝。生產采用安裝套筒的方法，即將數十個工具理順插入套筒中立直。為了防止工具傾斜，套筒中的工具必須靠近。在這種情況下，真空淬火后經常出現工具粘附現象，嚴重時難以打開。粘附的原因是鉻等合金元素在真空中蒸發，蒸發的氣體金屬粘附在工具表面，不僅污染表面，影響光度，而且導致工件表面硬度低、軟點等問題。
必須注意減少或防止粘連，加熱到850℃在上述情況下，通過降低真空度，及時回充氮氣分壓，防止此類現象的發生。對于這種密集排列，回充氮的分壓應保持在800~1000Pa使淬火刀具光亮無粘。
2.真空淬火刀具不耐回火，硬度低
國產真空爐，6bar普通高速鋼刀具的壓力淬火，560℃回火后沒有二次硬化，有時甚至有硬度下降的趨勢，反映出不耐回火。為了防止回火時硬度下降，我們選擇540~550的下限溫度℃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℃該范圍的沉淀速度達到峰值。這種過分析碳化物的沉淀使基體中的碳和合金元素貧乏，從而降低了鋼在回火過程中產生二次硬化的勢能，降低了鋼的硬度和韌性。法國愛和高速鋼鐵公司擁有1000~8000℃試驗研究了不同冷卻速率對最終硬度的影響，認為為為了避免硬度損失，必須至少7℃/s淬火壓力應達到10bar，此外，還應合理設置爐內氣體的吹向、循環和冷卻方法。
3.同爐淬火刀具的紅硬度不同
經正常溫度回火后，真空爐淬火刀具硬度均勻性好，偏差1.5HRC大約590~6000。℃回火后硬度偏差加大。用法國愛和公司EM由鈷高速鋼制成M3.同爐淬火550以下規格的絲錐℃回火三次后，硬度為65.7～66.8HRC(見圖1)均勻性好。6000℃×2h回火后，硬度不均勻(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
從圖2可以看出，高溫回火后，硬度約為62~63%HRC，20%在65～66HRC，其余70%為63～65HRC。600℃回火后硬度散差增加說明紅硬度不同。
真空爐中的加熱主要依靠輻射傳熱，對流傳熱影響不大。因此，靠近加熱元件的刀具比背陰（不直接面向輻射體的一側）快，淬火加熱溫度下相應的保溫時間不同，碳化物溶解度不同，導致紅硬度不同。另外360°真空爐的方向吹冷卻，氣流吹到負載周圍，周圍的冷卻速度比心臟快，進一步加劇了紅色和硬度之間的差異。為了解決這一差異，一方面，適當延長淬火保溫時間，確保爐內各部分的工具完全燃燒，另一方面，真空爐本身的冷卻方式和冷卻速度也受到影響，如冷卻風扇的啟動模式、爐內氣體的流動方向等。目前，除360外，真空爐氣體的冷卻°除了圓周冷卻模式外，還有上下方形冷卻模式。上下方形冷卻時，氣流通過負載，有利于多層放置的小工件。因此，應根據工件的特點選擇相應的爐型。
二、真空淬火變形問題
人們普遍認為淬火變形小是真空淬火的優點之一，但在實際生產中并非如此。對于細長的桿和薄的圓形刀具，圓周360°冷卻真空爐淬火的變形量遠遠大于鹽浴淬火。在真空爐中淬火時，氣體流向對工件的淬火變形具有重要意義。氣體流向工件周圍，容易導致工件變形，上下方形冷卻氣體可均勻流經垂直工件，變形較小。
為避免工件淬火變形，原則上氣體應均勻流經工件，工件不得因自身重量或相互擠壓而變形。
三、真空淬火脫碳問題
在真空加熱過程中，由于氧分子稀薄，氧分解壓很低，氧化作用受到抑制，通常在加熱過程中不會發生氧化、脫碳等化學腐蝕。然而，對于有脫碳層的工件，在真空加熱過程中，表面脫碳層會加深和加劇。為什么真空脫碳層會加重？由于與氧的反應受到抑制，可能與金屬中碳原子的擴散有關。加熱過程中，脫碳與未脫碳交界處的碳原子會擴散到低碳區，真空加熱時間長，導致脫碳層加深。因此，不要認為真空不氧化會在真空爐中加熱表面略脫碳的工件，這可能會使脫碳更嚴重，影響存活硬度。
四、真空爐體材料對產品質量的影響
由于高速鋼是高溫淬火，爐體保溫材料的性能不僅對設備的使用壽命和降低生產成本有很大的影響，而且對熱處理的效果和產品質量也有很大的影響。
2012年，我們對真空爐進行了大修，更換了爐膽、加熱元件等部件。由于忽視了爐膽碳纖維的質量，維修后按正常工藝淬火回火的刀具硬度較高，逐漸反復加熱回火至600℃硬度降低到63~666HRC，但這批刀具發送給用戶后，用戶發現硬度只有58~60HRC。再次分析前后硬度差的原因，突然意識到淬火回火后的高硬度僅限于表面層。熱處理后，機械加工磨損了表面的高硬度層，刀具內部的真實硬度不高。至于表面高硬度，由于新爐膽碳纖維中的碳揮發，碳原子在高溫加熱過程中滲入刀具表面，造成高硬度的錯覺。由于忽視了設備的影響，采取了錯誤的工藝措施，導致浪費。
此外，爐內揮發性碳纖維也會污染加熱元件，嚴重放電加熱元件，一旦火弧沖擊工件，會造成工件表面局部燒傷，影響質量。我們的Cr12MoV當時，模具板已經燒傷了三次。這種碳纖維的污染經過半年的揮發和抽氣才慢慢消除。因此，在確定爐襯時，應注意選擇密度高、質量好或經過一些表面處理工藝保護的碳纖維材料。
真空熱處理是一種清潔、節能、先進的熱處理技術，但在實際應用中也需要注意一些問題。只有不斷掌握規則，采取措施，培養優勢，規避弱點，才能充分發揮其獨特的優勢。
