1、真空淬火真空淬火2真空条件下金属加热的特点真空条件下金属加热的特点l斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 0C0(/100)4,J/(m,J/(m2 2h);h);C0为绝对黑体的辐射系数为绝对黑体的辐射系数12.7107,J/(m,J/(m2 2hKhK4 4););T T为辐射体绝对温度（为辐射体绝对温度（K K）。）。l实际真空热处理条件下：实际真空热处理条件下：理想灰体传热能与绝对温度的四次方成正比：理想灰体传热能与绝对温度的四次方成正比：C(/100)4C理想灰体辐射系数，理想灰体辐射系数，C=4.96，灰体黑度。灰体黑度。3辐射热交换辐射热交换lQ12=C导导(T1/100)4-(
2、T2/100)4F1 12 (J/h)lC导导=4.96(1/1-1)12+1+(1/2-1)21 J/(m2 hk4)Q12单位时间内，高温面传给低温面的热量；单位时间内，高温面传给低温面的热量；C导导导来辐射系数；导来辐射系数；T1，T2分别为高温面（炉子）和低温面（工件）的绝对温度（分别为高温面（炉子）和低温面（工件）的绝对温度（K）；）；F1高温面表面积（高温面表面积（m2）；）；12 角度系数。角度系数。12=21=112=1 21=F1/F2F2F1F1F2F2F1F2F112=1 21=F1/F212=F2/(F1+F2)21=F1/(F1+F2)4真空炉升温特性真空炉升温特性l
3、真空炉空载时的自身升温速度很高；热惯性小；真空炉空载时的自身升温速度很高；热惯性小；蓄热、散热量微小蓄热、散热量微小l升温主要取决于对炉料可达到的供热能力（被升温主要取决于对炉料可达到的供热能力（被加热工件在单位时间、单位面积上从真空炉获加热工件在单位时间、单位面积上从真空炉获得的热量）得的热量）l在真空炉里比在介质中综合传热的常规加热，在真空炉里比在介质中综合传热的常规加热，供热能力低得多，特别是辐射效率低的升温阶供热能力低得多，特别是辐射效率低的升温阶段段（600600）和回火加热时。）和回火加热时。5钢在真空和其他介质中加热速度钢在真空和其他介质中加热速度GCr15钢钢50mm 100m
4、m试样在不同介质中的加热速度试样在不同介质中的加热速度1盐浴中加热，盐浴中加热，2空气炉中加热，空气炉中加热，3真空中加热，真空中加热，1，2高温装炉；高温装炉；3室温装炉室温装炉6真空加热表面与心部的温差真空加热表面与心部的温差lW18Cr4V钢钢 在在850C预热，预热，继续加热到继续加热到1280C。lGCr15钢钢 采用两种加热方式：采用两种加热方式：1.600C预热，继续加热预热，继续加热到到 850C；2.室温直接加热到室温直接加热到850C。l分段预热的必要性。分段预热的必要性。W18Cr4V高速钢高速钢50mm100mm试样经试样经850 预热加热到预热加热到1280 过过程中
5、的表面和心部升温曲线程中的表面和心部升温曲线1炉温炉温2表面温度表面温度3 芯部温度芯部温度7真空加热表面与心部的温差真空加热表面与心部的温差GCr15钢钢50mm100mm试样试样850 加热时的表面和芯部升温曲线加热时的表面和芯部升温曲线1炉温；炉温；2表面温度，表面温度，3 芯部温度芯部温度GCr15钢钢50mm100mm试样经试样经600 预热加热到预热加热到850 的表面和芯部升温曲线的表面和芯部升温曲线1炉温；炉温；2表面温度，表面温度，3 芯部温度芯部温度8不同尺寸工件的烧透时间不同尺寸工件的烧透时间不同直径的不同直径的GCr15钢钢试样的加热时间试样的加热时间1600 预热，预
6、热，2室温直接到室温直接到850 ，3经经600 预热后加热到预热后加热到850 加热系数加热系数1.0-1.5min/mm不同直径的不同直径的W18Cr4V钢钢试样试样的加热时间：的加热时间：1850 预热，预热，2经经850 预热后加热到预热后加热到1280 加热系数加热系数0.46-0.52min/mm9真空加热时的真空度的确定真空加热时的真空度的确定l大多数金属在大多数金属在500-1350,10-10-3Pa条件条件下加热。下加热。l综合考虑表面光亮度、除气、脱碳和合金综合考虑表面光亮度、除气、脱碳和合金元素蒸发等效果来确定加热过程的真空度。元素蒸发等效果来确定加热过程的真空度。l“
7、充气法充气法”克服合金元素选择性蒸发。克服合金元素选择性蒸发。10真空淬火优缺点真空淬火优缺点l真空淬火后的工件表面光亮、不增碳、不脱碳。真空淬火后的工件表面光亮、不增碳、不脱碳。可提高承受摩擦和接触应力的工模具的使用寿可提高承受摩擦和接触应力的工模具的使用寿命；命；l淬火后工件尺寸和形状变化小，可省去修复变淬火后工件尺寸和形状变化小，可省去修复变形的机加工。形的机加工。l淬火后的工件硬度均匀、机械性能高、质量稳淬火后的工件硬度均匀、机械性能高、质量稳定。定。l设备投资大。设备投资大。11真空淬火的冷却真空淬火的冷却l真空气淬：真空气淬：l冷速与气体种类、气体压力、流速、炉子结果冷速与气体种类
8、、气体压力、流速、炉子结果及装炉状况有关；及装炉状况有关；l冷却气体的种类冷却气体的种类l提高气体冷却能力的方法提高气体冷却能力的方法l真空油淬：真空油淬：l真空淬火油的特性真空淬火油的特性l真空淬火油的使用真空淬火油的使用12冷却气体的种类冷却气体的种类l可供冷却气有氩、氦可供冷却气有氩、氦氢、氮气等。氢、氮气等。l与相同条件下的空气与相同条件下的空气的传热速度比较，空的传热速度比较，空气为气为1，则氮为，则氮为0.99，氩为氩为0.70，氢，氢7，氦，氦为为6。氢、氦、氩气的相对冷却性能氢、氦、氩气的相对冷却性能13提高气体冷却能力的方法提高气体冷却能力的方法l只考虑对流传热，按牛顿公式则
9、传只考虑对流传热，按牛顿公式则传热量为：热量为：Q=K（tw-tf）F（kJ/h）lQ与固体温度与固体温度tw和气体温度和气体温度tf之差之差以及工件表面积（以及工件表面积（F）大小成正比。）大小成正比。l对流传热系数对流传热系数K是气体热导率是气体热导率、粘滞系数粘滞系数、流速、流速、密度密度(压力）压力）的函数的函数K=/d C（d/）ml提高冷却气体的密度（压力）和流提高冷却气体的密度（压力）和流速可以正比例加大对流传热效率。速可以正比例加大对流传热效率。气压对冷却速度的影响气压对冷却速度的影响1-0.66m3/s;2-0.566m3/s1465Mn钢薄片状弹簧支架的真空淬火钢薄片状弹簧
10、支架的真空淬火l原材料：原材料：冷轧退火态，冷轧退火态，细珠光体细珠光体+铁素体；铁素体；lQ：变形；：变形；图图2.1 弹簧片形状尺寸示意图弹簧片形状尺寸示意图1565Mn钢弹簧支架的真空淬火工艺钢弹簧支架的真空淬火工艺 l冷态真空度冷态真空度1.33Pa，升温后，升温后真空度下降真空度下降66.5Pa，应考虑，应考虑Mn的蒸气压较高且随温度升的蒸气压较高且随温度升高而增大。高而增大。l相变点附近相变点附近680预热：热处预热：热处理变形小，升温速度慢，受理变形小，升温速度慢，受热均匀热均匀;l入油后充入入油后充入350-400Torr氮气：氮气：超过真空淬火油临界压力的超过真空淬火油临界压
11、力的中性气体，使真空淬火油达中性气体，使真空淬火油达到使钢淬透的冷却速度。到使钢淬透的冷却速度。弹簧片真空热处理工艺弹簧片真空热处理工艺N21665Mn钢弹簧支架的真空淬火预应力钢弹簧支架的真空淬火预应力l真空热处理前的预应力真空热处理前的预应力对薄而长的弹簧片热处对薄而长的弹簧片热处理后的变形影响很大；理后的变形影响很大；l工件自重、相互挤压力工件自重、相互挤压力不均、振动均可导致变不均、振动均可导致变形；形；l各弹簧片间、弹簧与夹各弹簧片间、弹簧与夹具间贴合紧密、受力均具间贴合紧密、受力均匀，限制热变形。匀，限制热变形。弹簧片装夹示意图弹簧片装夹示意图1-固定螺栓；固定螺栓；2-上斜铁；上
12、斜铁；3-弹簧片弹簧片4-底板；底板；5-下斜铁下斜铁17压铸模压铸模l3Cr2W8V钢制电机转子钢制电机转子铝压铸模铝压铸模lQ:模具工况恶劣（高压、模具工况恶劣（高压、高温铝冲刷，手工脱模高温铝冲刷，手工脱模需锤击，水冷），要求需锤击，水冷），要求耐磨性、耐热疲劳性及耐磨性、耐热疲劳性及足够的硬度和韧性。足够的硬度和韧性。lA：预热：预热+回火回火3Cr2W8V钢压铸模尺寸钢压铸模尺寸0.2318压铸模真空淬火压铸模真空淬火淬火温度对淬火温度对3Cr2W8V钢热疲劳抗力的影响钢热疲劳抗力的影响800水冷，循环前，水冷，循环前，49-51HRCA-产生产生0.4mm裂纹的循环次数裂纹的循环次
13、数800预热预热60min，真空度，真空度13.31.33Pa1150 油淬，油淬，670680 回火，真空度高于回火，真空度高于1333133Pa低于低于1.33Pa1180 C3Cr2W8V钢压铸模真空热处理工艺钢压铸模真空热处理工艺N2 99.99919冷冲模具真空淬火冷冲模具真空淬火lCr12MoV钢制硅钢片钢制硅钢片冷冲模凹模冷冲模凹模lQ：88定位销孔要求定位销孔要求精度高，精度高，lA A：无需研修，保证：无需研修，保证型腔边缘硬度。型腔边缘硬度。Cr12MoV冷冲凹模形状及尺寸冷冲凹模形状及尺寸20冷冲模具真空淬火冷冲模具真空淬火冷冲模原工艺冷冲模原工艺箱式高温电炉，淬入箱式高
14、温电炉，淬入400 硝盐炉中硝盐炉中真空度真空度1.33Pa，入油后通入氮气，入油后通入氮气，后普通油炉回火后普通油炉回火Cr12MoV冷冲模真空热处理工艺冷冲模真空热处理工艺99.99%N221辊压模真空淬火辊压模真空淬火l制造纺织印染机械中的钢芯的模具制造纺织印染机械中的钢芯的模具lQ：螺牙高度：螺牙高度0.12mm47，圆度，圆度0.003，要求硬度，要求硬度62-64HRClA:真空度真空度13.3-1.33Pa,入油后通入入油后通入99.9%氮气至氮气至0.6105Pa辊压铸的工作状态辊压铸的工作状态1-辊压模；辊压模；2-模芯（工件）模芯（工件）45#高速钢高速钢30M33高速钢高
15、速钢W18Cr4V辊压模真空热处理辊压模真空热处理工艺工艺99.9%N222高速钢钻头正压气淬高速钢钻头正压气淬lW6Mo5Cr4V2l1.5-2.5mm小钻头小钻头lQ：钻头粘连：钻头粘连lA：高温加热阶段充：高温加热阶段充高纯氮气真空度降至高纯氮气真空度降至133PaM2高速钢（美国制）钻头真空气淬工艺高速钢（美国制）钻头真空气淬工艺23Cr12MoV钢三角零件真空淬火钢三角零件真空淬火上盘外压针三角外形上盘外压针三角外形下盘压针三角外形下盘压针三角外形下盘挺针三角外形下盘挺针三角外形上盘内顶针三角外形上盘内顶针三角外形针织机用合金工具钢三角形零件针织机用合金工具钢三角形零件24Cr12M
16、oV钢三角零件真空淬火钢三角零件真空淬火初次确定的真空淬火曲线初次确定的真空淬火曲线真空淬火工艺曲线真空淬火工艺曲线lQ：硬度要求：硬度要求62-65HRC，线切割，线切割+热处理热处理直接装机直接装机lA：预热温度提高，淬火加热保温时间减少：预热温度提高，淬火加热保温时间减少25真空高压气体淬火真空高压气体淬火（概述）（概述）l传热系数传热系数与气体压力与气体压力P和速度和速度V的的关系式关系式（Hilpert R.）=10-5mA(PV)mlA、m为常数，与炉子结构、炉料及冷却气体的为常数，与炉子结构、炉料及冷却气体的物理性质有关。（通常物理性质有关。（通常m=0.6-0.8）l热传递在开
17、始几个（热传递在开始几个（105Pa）压力下是大的，随）压力下是大的，随着压力增加而减少。着压力增加而减少。l气体压力和淬火速率间关系曲线气体压力和淬火速率间关系曲线26概述概述淬火参数的影响淬火参数的影响气体压力和淬火速率间的关系曲线气体压力和淬火速率间的关系曲线27概述概述冷却气体压力和冷却时间的关系冷却气体压力和冷却时间的关系气体压力对淬火回火硬度的影响气体压力对淬火回火硬度的影响mm28概述概述l气冷压力提高，可提高冷却速度达到和气冷压力提高，可提高冷却速度达到和超过油的冷却速度超过油的冷却速度SKD61钢钢250mm250mm(C0.37Cr5Mo1.3V1%)超高压气冷和油冷、盐浴
18、冷却的比较超高压气冷和油冷、盐浴冷却的比较9.5105Pa29概述概述各种气体在不同压力下的热导率各种气体在不同压力下的热导率40mm40mm工件心部的冷却速度工件心部的冷却速度（气体种类和压力的比较）（气体种类和压力的比较）30概述概述l国内普及的高压气淬技术是国内普及的高压气淬技术是 5 10510 105Pa真空高压真空高压气冷淬火工艺及设备；气冷淬火工艺及设备；l低合金钢淬火件、大尺寸的模具低合金钢淬火件、大尺寸的模具和轴类、高密集装载工件和轴类、高密集装载工件56 105Pa真空高压气冷不足；真空高压气冷不足；l提高使热导率高于提高使热导率高于350450W/(m2K)：冷却气压力冷
19、却气压力冷却气循环速度冷却气循环速度He 6 105Pa气冷风扇电机功率提高气冷风扇电机功率提高10，热导率提高热导率提高40N210 105Pa气冷风扇电机功率提高气冷风扇电机功率提高140，热导率提高热导率提高35实用真空炉冷却气体和压力的变迁实用真空炉冷却气体和压力的变迁31概述概述表：不同压力气冷淬火效果表：不同压力气冷淬火效果尺寸尺寸/mm 气体压气体压/Pa气体种类气体种类中心硬度中心硬度HRC备注备注606 105N260材质材质（质量分数）（质量分数）C2%,Cr12%10010 105N264-6520020 105He+N264-65 大于大于60mm的轴或其他模具，心部热
20、要求的轴或其他模具，心部热要求6465HRC，需改用油淬，或增大气冷时冷却气的压力，或更换气体种类。需改用油淬，或增大气冷时冷却气的压力，或更换气体种类。32高压气体冷却理论高压气体冷却理论l参量：与负载、参量：与负载、炉子炉子相关的参量相关的参量l强制对流冷却方程强制对流冷却方程 t=WCt=WCp p/(A)ln(T/(A)ln(T1 1-T-Tf f)/T)/T2 2-T-Tf f t t从从T T1 1-T-T2 2冷却时间冷却时间s s，W W负载重量负载重量kgkg，C Cp p负载比热容，负载比热容，A A负载表面积，负载表面积，热导率，热导率，T T1 1初始温度，初始温度，T
21、 T2 2 最终温度，最终温度，T Tf f平均气体冷却温度。平均气体冷却温度。l传热系数传热系数边界两端温度差为边界两端温度差为1 1C C 在单位时间穿过介质或系统单位面积的热量在单位时间穿过介质或系统单位面积的热量与表面几何形状、流体的性质和流体的热动力学和传输性质有关。与表面几何形状、流体的性质和流体的热动力学和传输性质有关。33理论理论l标准气流通过单一物体两端强制对流冷却传热标准气流通过单一物体两端强制对流冷却传热系数的简化方程系数的简化方程k=KCk=KCp pG GP P1 1/（D DP P2 2)K K常数，常数，C Cp p冷却气体比热容，冷却气体比热容，D D冷却表面的
22、外部直径，冷却表面的外部直径，P P1 1 P P2 2指数，指数，G G冷却气体物质流体积气体流冷却气体物质流体积气体流Q Q与气体密度的乘积，以雷诺数与气体密度的乘积，以雷诺数R Re e 来描述其特性，来描述其特性，R Re e与与G G成正比物质流成正比物质流/气体粘度。气体粘度。冷却速率冷却速率KK（G G）P P1 1l淬火速率与热交换系数成正比淬火速率与热交换系数成正比,热交换系数和冷热交换系数和冷却气体的物质流的却气体的物质流的P P1 1次方成正比次方成正比34理论理论l流体定律流体定律P=RSQP=RSQ2 2 P P通过系统的压力的降落，通过系统的压力的降落，R R流体阻
23、力，流体阻力，S S气体密度或气体压力，气体密度或气体压力，Q Q气体流流量，此处系统为具有穿过气流风机压力降落为气体流流量，此处系统为具有穿过气流风机压力降落为PP的真的真空炉。空炉。l压力的降落对气体流流量比对气体压力更敏感压力的降落对气体流流量比对气体压力更敏感PP系统压力的降落对速度敏感，给定系统中体系统压力的降落对速度敏感，给定系统中体积气体流增加，气流速度也增加。积气体流增加，气流速度也增加。35对流加热对流加热 对流加热和真空加热的不同对流加热和真空加热的不同(105mm轴）轴）9236对流加热对流加热对流加热和真空加热实际操作的不同对流加热和真空加热实际操作的不同(VTT-42
24、4真空气冷淬火炉真空气冷淬火炉)装炉装炉200kg，500600900mm3容积，高速钢切削工具容积，高速钢切削工具1200支）支）37应用应用l螺纹铣刀螺纹铣刀l滚丝轮滚丝轮l阶梯轴阶梯轴l辊环辊环l热模工具热模工具38滚丝轮真空高压气体淬火滚丝轮真空高压气体淬火lCr12MoVCr12MoV钢钢l61D261D2133M14 133M14 2 2 6060 加工汽车轴承盖加工汽车轴承盖螺栓螺栓l200mm200mm60mm60mml螺栓材料螺栓材料ML40Cr调质调质285321HBl工序：工序：锻打锻打退火退火机加机加淬火淬火回火回火磨内孔磨内孔l内孔变形内孔变形0.02mm以内，以内，
25、6365HRC61D2133滚丝轮真空处理工艺曲线滚丝轮真空处理工艺曲线2 210105 5PaPa100 100 出炉出炉39阶梯轴真空高压气体淬火阶梯轴真空高压气体淬火lCr12MoVCr12MoV钢钢l加热温度加热温度10301030、5 510105 5PaPa气冷气冷l料台旋转法：工件轴杆偏料台旋转法：工件轴杆偏摆量摆量8.58.5m,m,偏差偏差7.5 7.5 mm，非料台旋转：工件轴杆偏非料台旋转：工件轴杆偏摆量摆量22.522.5m,m,偏差偏差38 38 mm；l硬度硬度6464.5HRC阶梯轴的形状及真空气淬后的变形量阶梯轴的形状及真空气淬后的变形量40料台旋转法料台旋转法
26、加热冷却时料台旋转的效果加热冷却时料台旋转的效果41真空油淬真空油淬l真空淬火油的特性：真空淬火油的特性：饱和蒸气压低饱和蒸气压低临界压强低临界压强低化学稳定性好化学稳定性好杂质与残碳少杂质与残碳少酸值低酸值低42真空油淬真空油淬ZZ1号油不同真空度下的冷却曲线号油不同真空度下的冷却曲线1-0.013kPa;2-5kPa;3-10kPa;4-26.6kPa5-50kPa;6-66.6kPa;7-101kPaZZ2号油不同真空度下的冷却曲线号油不同真空度下的冷却曲线1-0.013kPa;2-5kPa;3-10kPa;4-26.6kPa5-50kPa;6-66.6kPa;7-101kPa8mm 8
27、mm 24mm24mm银棒银棒压强下降压强下降43真空油淬真空油淬l普通真空淬火油特性指标随液面压强下降有明普通真空淬火油特性指标随液面压强下降有明显变化：显变化：特性温度降低特性温度降低特性时间延长特性时间延长沸腾阶段出现在更低温度区间沸腾阶段出现在更低温度区间800-400范围冷却时间比大气压下显著延长。范围冷却时间比大气压下显著延长。钢在低气压下油冷却能力下降，低温区有较高钢在低气压下油冷却能力下降，低温区有较高冷速冷速44真空油淬过程重要方面真空油淬过程重要方面l维持液面是临界压强维持液面是临界压强l提高气压可以提高油蒸发及凝结温度提高气压可以提高油蒸发及凝结温度l足够油量：足够油量：
28、1：101：15l淬火油的酸值、残碳、水分，离子量等可淬火油的酸值、残碳、水分，离子量等可使工件着色，对光洁度影响大。使工件着色，对光洁度影响大。l一般在一般在4080使用使用l搅拌可以迅速调节油温均匀搅拌可以迅速调节油温均匀l瞬时高温渗碳瞬时高温渗碳45真空淬火的质量效果真空淬火的质量效果l真空淬火的表面状态真空淬火的表面状态l真空淬火工件的变形真空淬火工件的变形l真空淬火后钢的机械性能真空淬火后钢的机械性能l真空淬火产品的使用寿命真空淬火产品的使用寿命l真空油淬时高温瞬时渗碳真空油淬时高温瞬时渗碳m15346真空淬火的表面状态真空淬火的表面状态l影响因素：真空度、漏气率、冷却介质特性、材料
29、等影响因素：真空度、漏气率、冷却介质特性、材料等材料中铁、铬、镍元素与炉中残存的氧和水蒸气相互作材料中铁、铬、镍元素与炉中残存的氧和水蒸气相互作用，使工件表面着色；用，使工件表面着色；高温时，含铬、锰元素的钢由于产生蒸发而使表面粗糙；高温时，含铬、锰元素的钢由于产生蒸发而使表面粗糙；含铝、钛的不锈钢和耐热合金对氧敏感，色变暗；含铝、钛的不锈钢和耐热合金对氧敏感，色变暗；冷却气体纯度不够，微量活性杂质使工件表面着色。冷却气体纯度不够，微量活性杂质使工件表面着色。油淬光亮度低于气淬油淬光亮度低于气淬回火（特别是中、高温回火）可使光亮略低回火（特别是中、高温回火）可使光亮略低47真空淬火工件的变形真
30、空淬火工件的变形l30CrMnSiA30CrMnSiA制的制的C C形试样形试样l柴油机针阀柴油机针阀l真空度真空度1010-1-1 Pa Pa，900900加热保温加热保温90min90min油淬油淬l减小淬火变形的方法减小淬火变形的方法缓慢升温（低温段）缓慢升温（低温段）预热（钢相变点）预热（钢相变点）低冷速低冷速料盘与工装卡具的选用料盘与工装卡具的选用油淬控制搅拌油淬控制搅拌变形试样的外形和尺寸变形试样的外形和尺寸人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。
