真空淬火常見故障

胡劍鋒,尹中秋,毛 喆,黃紅武,黃天勇

(1.中國人民解放軍駐一二四廠軍事代表室，河南 鄭州 450005； 2.航空工業(yè)鄭飛公司，河南 鄭州 450005)

我公司使用的真空雙室淬火爐，主要用于合金鋼和不銹鋼制件的淬火處理，工作使用溫度范圍為800～1200 ℃。但由于工藝不完備、設備維護不當?shù)仍?，制件淬火后出現(xiàn)熱處理質量達不到技術要求的現(xiàn)象。因此，本文針對生產(chǎn)中常出現(xiàn)的質量故障進行總結。

1 常見故障

1.1 淬火后硬度不足

案例：一批材料為30CrMnSiA的制件，有效厚度為10 mm，技術要求硬度為35～41 HRC。熱處理工藝如下：

1)淬火：采用真空淬火爐在650±10 ℃溫度下保溫20 min后，升溫至890±10 ℃保溫50 min，油冷淬火，其真空度為1～10 Pa。

2)回火：采用井式電阻爐，520±20 ℃溫度下保溫60 min，水冷。

按上述熱處理工藝進行淬火、回火后，測量制件硬度為34 HRC，不符合技術要求。將該批制件按上述工藝重新淬火后測量硬度為34 HRC，低于該材料淬火后硬度大于44 HRC的要求。抽取該批制件中的三件進行鹽爐淬火工藝試驗，鹽爐890±10 ℃加熱保溫10 min，油冷后三件制件的硬度均在47 HRC左右，按原工藝回火后均符合35～41 HRC的技術要求。通過兩種淬火方式對比，發(fā)現(xiàn)使用真空淬火后制件的硬度不足。

復查操作過程，發(fā)現(xiàn)操作者在淬火保溫結束轉移至冷室后，直接進行入油冷卻。此時冷室真空度為6 Pa，不符合標準HB/Z 191—1991《航空結構鋼不銹鋼真空熱處理說明書》中7.2.6.2.3條的規(guī)定：“淬火時油面壓強一般應通過回充氮(氬)氣控制在5×104Pa左右，并采用先充氣后入油的方式進行淬火。對于淬透性較好的結構鋼(如：40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、30CrMnSiNi2A、300M鋼等)以及馬氏體不銹鋼等，可以采取先入油后充氣或不充氣、或先充氣后入油的方式進行淬火。采取先充氣后入油的方式，充氣壓強可小于5×104Pa，一般控制在2.5×104Pa左右”。而30CrMnSiA這種材料淬透性一般(淬火直徑為φ25 mm)，若在工藝規(guī)程中沒有明確冷卻時的真空度要求，操作者一旦未進行充氣處理，容易造成淬火后硬度不足。

制件淬火冷卻過程分為三個階段：蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段。制件從真空爐熱室保溫再轉移到冷室入油冷卻的瞬間，周圍的油立即被加熱氣化，在制件表面形成一層蒸汽膜，該膜層的存在使制件僅靠輻射進行熱傳導，導熱性差；同時，冷卻初期工件放出的熱量大于蒸汽膜傳遞給油的熱量，蒸汽膜會不斷增厚，隨后因受到冷卻油的降溫作用會使蒸汽膜破裂，工件與油直接接觸，使油在工件表面激烈沸騰，不斷產(chǎn)生氣體帶走大量的熱能，讓工件冷卻速度加大；當工件冷卻到真空淬火油的沸點時，主要以對流的方式進行冷卻，冷卻速度也相對緩慢。制件淬火冷卻時要求快速通過C曲線的“鼻尖”才能保證制件加熱形成的過冷奧氏體能轉變?yōu)轳R氏體，這就要求制件冷卻過程中，蒸汽膜形成和破裂階段要短，應快速進入沸騰階段，使制件冷卻速度大于臨界冷卻速度從而通過C曲線的“鼻尖”。至于對流階段的冷速快慢是否能獲得馬氏體組織并不相關，冷卻慢反而會減少淬火開裂傾向。對于30CrMnSiA制件，采用常規(guī)的鹽爐或電爐加熱，油冷后都能滿足要求。而真空淬火為了使淬火油不污染真空系統(tǒng)，所用真空淬火油飽和蒸汽壓低，即低壓下蒸發(fā)少[1]，這就決定了真空狀態(tài)下蒸汽膜階段保持的時間會更長。然而，30CrMnSiA材料淬透性一般，制件在冷卻過程中，冷速會小于臨界冷卻速度，并與C曲線相交，從而使過冷奧氏體提前發(fā)生了組織轉變，淬火后不能全部得到馬氏體組織，造成制件淬火后硬度較低。根據(jù)蘭納德-瓊斯理論，分子間的排斥作用與距離(r)的12次方成反比，而吸引作用與距離(r)的6次方成反比。由此可知，淬火冷卻時增大壓力會使氣體的摩爾體積減小，即分子間距減小，分子間引力增加，蒸汽膜進一步變薄，縮短了傳熱慢的蒸汽膜階段[2]。因而，能保證淬火冷卻后得到馬氏體組織，從而使制件具有較高的硬度。

通過以上分析，再將該批制件按原工藝規(guī)程進行真空爐加熱保溫，在冷卻時先充氮氣至5×104Pa左右后，再入油冷卻，測量制件硬度為46～47 HRC，表明淬火過程中組織轉變充分，符合要求。

1.2 淬火后硬度不均勻

案例：某制件材料為30CrMnSiA，最大外形尺寸為185 mm×34 mm×27 mm，熱處理要求硬度為35～41 HRC。熱處理后進行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)該制件不同部位硬度不一致，最高處硬度為36 HRC，最低處僅有20 HRC，并且硬度高低呈區(qū)域性，沿185 mm長度方向依次測量，硬度呈下降趨勢，不符合要求。

復查該制件熱處理工藝規(guī)程及操作記錄得知，該制件熱處理時使用鹽浴爐淬火：890±10 ℃溫度下加熱保溫20～25 min，油冷；堿浴爐回火：520±20 ℃溫度下加熱保溫30～40 min，水冷。

因在實際生產(chǎn)中，鹽浴爐出現(xiàn)故障，工藝人員將淬火設備更改為真空淬火爐，相應的淬火保溫時間更改為40～60 min。實際操作中，淬火保溫50 min，入油冷卻前也按規(guī)定進行了回充氮氣。該制件最大有效厚度為27 mm，根據(jù)標準HB/Z 136—2000《航空結構鋼熱處理工藝》中規(guī)定保溫時間為16～35 min，工藝規(guī)程選取20～25 min符合標準范圍。更改為真空淬火爐進行淬火時，標準HB/Z 191—1991《航空結構鋼不銹鋼真空熱處理說明書》中7.2.4條規(guī)定，淬火保溫時間為(20～30) min+(2～3)min/mm。該制件最大有效厚度為27 mm，計算其保溫時間應為74～111 min，更改的工藝規(guī)程為40～60 min，遠小于標準規(guī)定，造成淬火后硬度不均現(xiàn)象。真空淬火加熱保溫時間較鹽爐、空氣電爐要長，這是因為真空爐內空氣稀薄，熱能傳遞主要依靠輻射進行，比鹽爐的對流和空氣爐空氣流動傳導速度都慢。同時，輻射傳遞熱能具有一定方向性，工件正對熱源可接受輻射加熱的部位先加熱，其他部位則需要工件自身進行熱傳遞，該制件真空熱處理后出現(xiàn)的硬度降低，是工藝人員更改工藝規(guī)程，導致加熱保溫時間短，正對熱源部位在加熱時間內能達到工藝規(guī)定的淬火溫度，其它靠熱傳遞提升溫度的部位還未達到淬火所需要的溫度，造成制件局部未達到奧氏體轉變溫度或奧氏體化不充分，淬火后不能得到馬氏體組織，而獲得珠光體組織；回火后，制件馬氏體組織轉變?yōu)榍象w，而珠光體組織在回火過程中不發(fā)生組織轉變，從而造成制件熱處理后各部位硬度不均勻。

將該制件重新采用真空淬火，保溫時間80 min，淬火后制件各部位硬度均勻，均在46～47 HRC之間，按原工藝回火后，制件各部位硬度在36～37 HRC，符合要求。

1.3 淬火后表面滲碳

案例： 某30CrMnSiA材料制件，技術要求σb為1175±100 MPa(II)，根據(jù)標準HB 5013—1996《熱處理制件檢驗類別》中的規(guī)定，熱處理要求為II類時，需進行試樣的拉伸和100%制件的硬度檢測。工藝規(guī)程規(guī)定熱處理后取兩件隨爐試樣進行拉伸試驗測量強度，制件100%用砂紙拋光后進行硬度測量，要求硬度在35～41 HRC之間。

采用真空爐淬火、電爐回火后，取2件試樣精加工后進行拉伸試驗，抗拉強度σb為1045、1060 MPa，而對制件進行洛氏硬度測量時，卻發(fā)現(xiàn)制件的硬度值為43 HRC，即強度偏下限符合要求，但硬度卻高于要求。對制件表面打磨去除0.3 mm后，再進行硬度檢測，硬度為36～37 HRC。對制件進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)制件表面有0.2 mm深度的滲碳層。

材料的淬硬性主要決定于自身的含碳量[3]，制件表面碳含量高于心部，按同種工藝進行淬火、回火后，制件表面硬度高于心部。而拉伸試樣在熱處理后還需要進行機械加工，其表面的滲碳層已去除，所測數(shù)值為真實的強度值。洛氏硬度測量原理是在初試驗力和主試驗力作用下將硬度計針頭壓入制件表面，然后卸除主試驗力，在初試驗力下測量殘余壓入深度計算洛氏硬度[4]。可見洛氏硬度是在制件表面進行測量，表面滲碳層的存在對硬度計壓頭的變形阻力增大，產(chǎn)生的塑性變形小，所得到的殘余壓入深度減少，所測的硬度值偏高。而去除滲碳層后，制件表現(xiàn)為真實硬度，與所測的抗拉強度值對照相符。

檢查真空淬火爐，發(fā)現(xiàn)在加熱室內壁粘附較多的油。真空狀態(tài)下，制件在淬火溫度下，氣氛中的氧分壓低于金屬氧化物的平衡分解壓，使金屬處于還原狀態(tài)，不僅使金屬本身不氧化，而且還可以使原來已經(jīng)氧化的金屬進行還原分解。同時，附在工件上的脂肪族油脂，是碳、氫、氧化合物，蒸氣壓較高，在真空加熱時可被揮發(fā)或分解。加熱室內有較多殘油，在真空加熱下油脂的分解會產(chǎn)生活性碳原子，在制件表面被還原呈現(xiàn)活性，具備了滲碳的基本條件[5]。由此可見，加熱室內壁粘附的殘油是導致零件在淬火加熱中滲入碳原子的主要原因。

在日常生產(chǎn)中，真空爐加熱室內出現(xiàn)殘油的原因主要是這兩方面：一方面是零件進入真空爐前制件的油污未清洗干凈；另一方面是淬火料筐和小車淬火時需和工件一同進行油冷，后續(xù)生產(chǎn)時，料筐和小車上的油帶入加熱室內。殘油在熱室內加熱分解，部分被真空泵抽出，部分在加熱室內形成一定的碳勢，待殘油積累至一定程度后，加熱分解能形成較高碳勢，從而對制件表面進行了滲碳。

1.4 淬火后表面發(fā)暗

制件用真空熱處理淬火后表面發(fā)暗，造成這一現(xiàn)象的主要原因是真空爐存在漏氣現(xiàn)象，在加熱過程中，加熱室漏入氧氣，沒有達到真空爐無氧的效果，使氣氛中的氧分壓增大超過金屬氧化物的平衡分解壓，造成制件氧化。一般情況下，進行真空淬火的零件要求真空度在1～10 Pa，不會使用真空淬火爐的極限真空度(一般為10-2Pa)，在加熱過程中，真空爐的機械泵、羅茨泵都在工作，真空計顯示是達到工藝規(guī)定的真空度要求，對漏氣的現(xiàn)象表現(xiàn)的不明顯。漏氣不僅會使制件氧化，嚴重情況下還會將真空爐熱室加熱元件因氧化而燒損。除此之外，導致真空爐漏氣的原因還有很多方面，應按標準HB/Z 191—1991中的要求，定期進行壓升率檢查，及時發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，排故設備漏氣故障后再進行生產(chǎn)。

2 控制措施

為了能夠長期穩(wěn)定的保證真空淬火熱處理質量，減少生產(chǎn)中的返工及制件的報廢，應通過對工藝文件控制、加強設備管理并結合日常監(jiān)督三方面進行控制。

2.1 工藝文件控制

2.1.1工藝參數(shù)的溯源性

熱處理工藝規(guī)程的各參數(shù)都有相關標準，工藝人員在編制工藝規(guī)程時，應遵循相關標準，保證工藝文件的溯源性。根據(jù)標準GB/T 1900—2016《質量管理體系要求》中新增“7.1.6知識管理”這一條款的要求，企業(yè)應對涉及真空淬火熱處理的相關標準進行識別和梳理，并根據(jù)企業(yè)自身的產(chǎn)品特點，結合熱處理特殊過程確認的結果，編制自身的企業(yè)標準作為工藝規(guī)程編制的依據(jù)，并根據(jù)實際生產(chǎn)情況不斷總結和完善。

2.1.2工藝規(guī)程細化

在工藝規(guī)程中，應對易出現(xiàn)質量問題的環(huán)節(jié)進行明確要求，如為了防止零件在真空爐內各制件加熱不均勻，應在工藝規(guī)程中明確零件裝爐數(shù)量及擺放方式；為防止淬火油冷后硬度不足，應根據(jù)不同材料的制件明確油冷時是否需進行充氣，并對需要充氣的方式及淬火時冷室的壓強進行明確的規(guī)定。

2.1.3工藝規(guī)程編制及更改控制

工藝文件應按規(guī)定進行編制、校對、審簽等，并制定相應的職責和權限，保證工藝規(guī)程編制正確。在更改控制上，應按標準GJB 509B—2008《熱處理工藝質量控制》中8.2的要求，即“工藝文件的更改審批程序應與工藝文件的編制審批程序相同，重要更改應通過工藝驗證，必要時應對新工藝的試驗件進行功能考核，得出合格結論后方可更改”。

2.2 設備控制

對于真空爐的維護，應由企業(yè)設備管理部門針對真空爐的特性，編制相應的操作說明、保養(yǎng)規(guī)范等，讓車間設備管理人員及操作者清楚各自所應擔負的職責及正確的操作方法。并制定操作人員日常點檢與設備管理人員日常巡查相結合的方式，對真空爐出現(xiàn)故障及時處理，嚴禁設備帶故障運行。

2.3 日常監(jiān)督控制

由熱處理車間管理者帶領工藝人員定期對生產(chǎn)現(xiàn)場進行工藝紀律檢查，檢查儀表員是否按規(guī)定周期對真空爐進行爐溫均勻性的測量和壓升率的檢測，檢查真空爐各類儀表是否在有效期內，并對操作者入真空爐前的制件、料筐、小車上的油污清洗是否到位進行檢查等。通過工藝紀律檢查，規(guī)范各類人員的行為，形成按章操作的氛圍。

3 結語

為保證真空淬火后制件質量長期的穩(wěn)定性，需要工藝人員、設備管理員和操作人員嚴格遵守工藝紀律，結合實際中出現(xiàn)的問題，不斷完善工藝、細化流程，達到持續(xù)提升真空熱處理過程能力。