真空熱處理作為一種綠色環(huán)保技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是高壓氣淬爐的廣泛應(yīng)用，使得工模具的真空熱處理具有很多優(yōu)勢(shì)：無污染；一次裝爐量大；節(jié)能；少無氧化脫碳；控溫精度高；自動(dòng)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(yīng)用。但同時(shí)在生產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)，下面就真空熱處理在工模具中的應(yīng)用及常見問題分析和解決對(duì)策，做出回顧總結(jié)。
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(duì)套筒進(jìn)行預(yù)抽真空，但受預(yù)抽真空的程度、套筒本身的氧化狀態(tài)、鹽爐溫度波動(dòng)大等影響所淬刀具還是會(huì)產(chǎn)生氧化脫碳、硬度穩(wěn)定性差等問題。采用自動(dòng)控制的真空爐加熱淬火，很好的解決了這些問題，質(zhì)量穩(wěn)定性大大提高，而且一次裝爐量大，省時(shí)省力。但在真空淬火時(shí)又遇到其他一些問題：
1.淬火后刀具相互粘連問題
對(duì)于細(xì)長(zhǎng)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(chǎn)上采用裝入套筒的方法，即將幾十件刀具理順插入一個(gè)套筒中立直。為防止刀具歪斜，必須使套筒內(nèi)的刀具緊密靠攏。在這種情況下真空淬火后時(shí)常出現(xiàn)刀具粘連的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)粘成一團(tuán)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(tài)下蒸發(fā)，蒸發(fā)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(huì)造成工件表面硬度低、軟點(diǎn)等問題。
為減小或防止粘連必須注意，加熱到850℃以上時(shí)及時(shí)回充氮?dú)夥謮海ㄟ^降低真空度防止這類現(xiàn)象的產(chǎn)生。對(duì)這種密集排列的情況而言，回充氮?dú)獾姆謮簯?yīng)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(guó)產(chǎn)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(xiàn)象，有時(shí)甚至存在硬度下降的趨勢(shì)，反映出的結(jié)果是不耐回火。為防止回火時(shí)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(gè)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(dá)到的平衡狀態(tài)能“凍結(jié)”下來，這種狀態(tài)的鋼進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕鼗饘⒕哂凶罴训捻g性和硬度。但在實(shí)際淬火時(shí)，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(dá)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(shí)產(chǎn)生二次硬化的勢(shì)能，還會(huì)降低鋼的硬度和韌性。法國(guó)愛和高速鋼公司對(duì)1000～800℃之間的不同冷卻速率對(duì)最終硬度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為要避免硬度的損失，必須以至少7℃/s的速度冷卻，這時(shí)淬火的壓力應(yīng)達(dá)到10bar，而且爐內(nèi)氣體的吹向、循環(huán)及冷卻方式等也要設(shè)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(jīng)正常溫度回火后硬度均勻性較好，偏差1.5HRC左右。但經(jīng)590～600℃回火后硬度偏差加大。用法國(guó)愛和公司EM35鈷高速鋼制作的M3以下規(guī)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(jīng)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(jìn)行，對(duì)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(yīng)的在淬火加熱溫度下的保溫時(shí)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(fù)載的周邊，四周比心部的冷卻要快，進(jìn)一步加劇了紅硬性的差別。要想解決這種差異，一方面適當(dāng)延長(zhǎng)淬火保溫時(shí)間，保證爐內(nèi)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(fēng)機(jī)的啟動(dòng)方式、爐內(nèi)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(shí)氣流穿過負(fù)載，有利于多層放置的小工件。所以，應(yīng)根據(jù)工件的特點(diǎn)選用相應(yīng)的爐型。
二、真空淬火的變形問題
大家普遍認(rèn)為淬火變形小是真空淬火的優(yōu)勢(shì)之一，但在實(shí)際生產(chǎn)中并非完全如此，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹽浴淬火。真空爐中淬火時(shí)氣體流向?qū)ぜ拇慊鹱冃斡兄陵P(guān)重要的意義。圓周冷卻方式冷卻時(shí)氣體流向工件四周，易導(dǎo)致工件變形，而上下方形冷卻方式氣體能均勻流經(jīng)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(yīng)均勻流經(jīng)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(shí)，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(huì)在加熱過程中發(fā)生氧化、脫碳以及其它化學(xué)腐蝕。但是，對(duì)于已存在脫碳層的工件，在真空狀態(tài)加熱時(shí)表面脫碳層有加深、加劇的情況發(fā)生。為什么在真空狀態(tài)脫碳層會(huì)加重，既然與氧的反應(yīng)被抑制，那么可能是與碳原子在金屬內(nèi)的擴(kuò)散有關(guān)。加熱時(shí)在脫碳與未脫碳的交界區(qū)碳原子會(huì)向低碳區(qū)發(fā)生擴(kuò)散，真空加熱的時(shí)間又長(zhǎng)，致使脫碳層加深。因此，千萬不要認(rèn)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(yán)重，影響成活硬度。
四、真空爐爐體材質(zhì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響
由于高速鋼是高溫淬火，爐體保溫材質(zhì)的性能除了對(duì)設(shè)備使用壽命、降低生產(chǎn)成本有著很大的影響外，對(duì)熱處理的效果及產(chǎn)品質(zhì)量也有很大的影響。
我們?cè)?012年對(duì)真空爐進(jìn)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(zhì)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(fù)提溫回火至600℃才將其硬度降至63～66HRC，但該批刀具發(fā)往用戶后，用戶復(fù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)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(jī)加工把表面的高硬度層磨掉了，刀具內(nèi)部真實(shí)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(fā)，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(shè)備的影響，采取了錯(cuò)誤的工藝措施，導(dǎo)致了廢品。
此外，爐內(nèi)揮發(fā)的碳纖維還會(huì)污染加熱元件，嚴(yán)重時(shí)使加熱元件放電打火，一旦打火的火弧沖擊到工件上，就會(huì)造成工件表面局部燒傷，影響質(zhì)量。我們的Cr12MoV模具板件當(dāng)時(shí)有過燒傷三次的教訓(xùn)。這種碳纖維的污染一直經(jīng)歷了半年的揮發(fā)、抽氣才慢慢消去。因此，在確定爐襯時(shí)應(yīng)注意選用密度高、質(zhì)量好或者經(jīng)過一些表面處理工藝進(jìn)行保護(hù)的碳素纖維材料。
真空熱處理是清潔、節(jié)能、先進(jìn)的熱處理技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中還需要注意一些問題，只有不斷掌握規(guī)律，采取措施，揚(yáng)長(zhǎng)避短，才能充分發(fā)揮其特有的優(yōu)勢(shì)。
