真空热处理实践

一、真空热处理加热工艺

    1. 加热曲线类型

    真空中工件主要靠辐射进行加热，而辐射传热有其特有的规律，该规律的特点就是符合辐射传热的四次方定律(斯蒂芬玻尔兹曼定律)，见下式：

    式中 Q辐———辐射传递的热量；
         α———辐射传热系数；
         T1 ———辐射元件表面温度；
         T2 ———受辐射物体表面温度。

    上式说明，高温时即使是很小的温度差也能产生很高的传热速度。据计算，在1200℃ 时，1℃温度差所引起的传热量是540℃ 时1℃ 温度差所引起的传热量的5倍。同时，也有资料告诉我们，在相同情况下真空加所需时间约是空气炉的3倍、盐浴炉的6倍。这些都说明真空炉内低温加热慢、加热速度“滞后”。为此，使用真空炉时，绝对不能照搬空气炉、盐浴炉和气氛炉的工艺。图1 、图2 和图3所示的三种类型的加热工艺，只有图1是正确的，正是因为它体现了真空炉内加热的特点。

    2. 加热时间的确定

    ( 1) 加热时间的近似计算法。图4 中不同温度下时间可按下列方法计算：

    T1 = 30 + ( 2.0 ～1.5) ×D ( 1)
    T2 = 20 + ( 1.5 ～1.0) ×D ( 2)
    T3 = 15 + ( 1.0 ～0.8) ×D ( 3)

    式中： T1 、T2 、T3 为时间( min) 。D为被加热工件有效厚度(mm) ，并按有关规定考虑，即圆柱形工件按直径计算，管形工件当高度/ 壁厚≤1.5mm 时，以高度计算； 当高度/ 厚度≥1.5mm 时，以1.5mm 壁厚计算； 当外径/ 内径>7时，按实心圆柱体计算，空心内圆柱体以外径乘0.8 计算。

     公式括号中的数据为加热系数，( 1) 、( 2) 式中工件形状复杂，或捆绑、密集、屏蔽严重时选下限( 数值大的)；工件形状简单、摆放松散时选上限( 数值小的) 。(3) 式中高合金钢选下限( 数值大的)； 高速钢选上限( 数值小的) 。30、20、15是根据内热式真空炉、不同温度段加热特点预设的升温时间(min) 。

    实践证明，当材质无质量问题，温度、冷却方法选择正确时，使用该计算法选定时间可以确保变形会减轻，且不会淬裂。但此法的缺点是，加热系数的上、下限选择不当时易出现偏差，偏差较大时会引起硬度不足或效率降低。

    ( 2) 观察加热室炉膛颜色的经验法。

    ①第一段预热。如图4所示，预热温度为650℃，目的是在此温度下缓慢透烧，消除被加热件原有的应力( 锻造或冷加工应力)，减轻新产生的热应力。温度选择原则是低于材料的Ac1，但不能太低，太低不易观察炉膛颜色。炉膛颜色观察( 从加热室后炉门窥视孔) 需要有经验的热处理技术人员或技术工人。650℃ 时炉膛颜色为“暗红”。观察要领是：自升温开始计，至被加热件颜色不暗于炉膛其他件( 料筐、热电偶、炉膛内表面衬等) 的颜色，到暗红色基本一致为止，即视为已透烧。此段时间(OB 段) 即为第一段预热所需时间T1。当然这段时间的特点是“缓慢、时间较长”。

    ②第二段预热。如图4所示，850℃属第二段预热，目的同第一段预热。850℃炉膛的颜色为“橘黄”。观察要领是：自炉温从650℃升温开始计，至被加热件颜色不暗于炉膛其他件( 料筐、热电偶、炉膛内表面衬等)的颜色，到橘红色基本一致为止，即视为已透烧。此段时间(BD段) 即为第二段预热所需时间T2。这段时间的特点是：和第一段预热相比，加热速度加快，透烧时间缩短。

    ③淬火加热时间。如图4所示，T3为淬火加热时间，实际上T3含有两部分，DF段为被加热工件升温、透烧时间，FG段为被加热工件心部到温后的保温时间，即合金化时间。升温、透烧时间与被加热工件尺寸、装炉方式( 散装、捆绑、密集堆放等) 有关，与被加热工件成分关系不大; 保温时间( 合金化时间) 只与成分有关。升温、透烧时间可用经验法观察估计出来，此时炉膛颜色为“黄白” 色，观察要领同前。特别需要指出的是，淬火加热速度明显加快，升温、透烧时间明显缩短。升温、透烧( 即“黄白” 颜色一经均匀一致) 后的保温时间( 合金化时间) 如何确定，请参考表1 。

    观测颜色法较准确可靠，加热效果和效率可兼顾。但需要丰富的炉前操作经验和相应的金属热处理专业基础知识，且观察较辛苦。

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