真空熱處理作為一種綠色環(huán)保技術，經(jīng)過多年的發(fā)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(yōu)勢：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(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，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(jié)。

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(tài)、鹽爐溫度波動大，淬火工具仍會產(chǎn)生氧化脫碳、硬度穩(wěn)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(zhì)量穩(wěn)定性，一次容量大，節(jié)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(chǎn)采用安裝套筒的方法，即將數(shù)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(jīng)常出現(xiàn)工具粘附現(xiàn)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(fā)，蒸發(fā)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(xiàn)象的發(fā)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(chǎn)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(tài)能“凍結(jié)”下來，這種狀態(tài)的鋼進行適當?shù)幕鼗饘⒕哂凶罴训捻g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(chǎn)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(nèi)氣體的吹向、循環(huán)和冷卻方法。

3.同爐淬火刀具的紅硬度不同

經(jīng)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(guī)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(cè)）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(nèi)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(nèi)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(jù)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(yōu)點之一，但在實際生產(chǎn)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?qū)ぜ拇慊鹱冃尉哂兄匾饬x。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(jīng)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(jīng)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(fā)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(qū)，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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)成本有很大的影響，而且對熱處理的效果和產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)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(fā)送給用戶后，用戶發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(fā)，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(nèi)揮發(fā)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(zhì)量。我們的Cr12MoV當時，模具板已經(jīng)燒傷了三次。這種碳纖維的污染經(jīng)過半年的揮發(fā)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(zhì)量好或經(jīng)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(jié)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(guī)則，采取措施，培養(yǎng)優(yōu)勢，規(guī)避弱點，才能充分發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。