真空回火零件變色問題分析

王海平，趙興德，蔣克全，江智軒，邵 錦

(昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

真空熱處理具有無氧化、無脫碳等優(yōu)點(diǎn)[1]，對帶螺紋及精加工到位零件的熱處理具有很好的保護(hù)作用，能防止其在高溫下不被氧化，提高綜合力學(xué)性能[2]，同時(shí)保證零件表面質(zhì)量。真空回火能有效將真空淬火表面光亮的優(yōu)勢保持下來，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工到位等表面質(zhì)量要求高的零件通常采用真空爐淬火、回火?，F(xiàn)有多批次零件在真空淬火后表面光亮[3]，真空回火后零件出現(xiàn)表面變色。圖1所示為真空回火后表面發(fā)黑的零件。為提高零件質(zhì)量、提高等級品率、減少同類事情的發(fā)生，對零件真空回火過程發(fā)生變色原因進(jìn)行了研究和分析。

1 零件變色問題分析

熱處理對各影響因素較為敏感，尤其是條件嚴(yán)格的真空熱處理，可從人、機(jī)、料、法、環(huán)[4]五個方面進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，外圍生產(chǎn)環(huán)境一直較穩(wěn)定，故可排除環(huán)境影響；熱處理工藝嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求制定，熱處理工藝穩(wěn)定且未發(fā)生改變，可排除工藝方法的影響?？赡艽嬖诘挠绊懸蛩赜校?/p>

1)清洗不干凈。需真空回火的試件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或帶螺紋易藏油，淬火后清洗不干凈(含工裝)，雜質(zhì)在高溫下分解，并附著在零件表面。

2)原材料。材料自身特性受外界條件變化易發(fā)生波動，如結(jié)構(gòu)鋼易氧化，不銹鋼具有較好抗氧化性。

(a)接頭；(b)螺栓圖1 真空回火后零件表面變色(a) joint; (b) boltFig.1 Parts surface discoloration after vacuum tempering

3)設(shè)備。a.真空室被污染：真空室內(nèi)存在的污染物(多為油脂)為碳、氫、氧化合物，蒸氣壓較高，在真空中加熱時(shí)容易被揮發(fā)或分解，從而造成工件被氧化變色。b.真空系統(tǒng)抽氣效率不夠：真空系統(tǒng)抽氣效率不夠，容易造成真空室極限真空度達(dá)不到或加熱過程中真空室和工件放氣，從而造成工件氧化變色。c.真空室漏氣：大部分真空爐零件變色都是漏氣造成的，漏氣分內(nèi)漏和外漏，內(nèi)漏主要是有真空閥門(粗抽閥、氮?dú)獬錃忾y)關(guān)閉不嚴(yán)、冷卻水管漏水等原因造成；真空爐外漏部位主要有爐門密封、熱電偶密封、高閥閥桿密封、放氣閥閥芯密封和真空檢測規(guī)管等。d.冷卻氮?dú)獠患兓蚬夤艿缆猓涸谡婵諣t強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，被污染的氮?dú)饣蚣兌炔桓叩牡獨(dú)膺M(jìn)入真空室，造成冷室爐體內(nèi)氧分壓超標(biāo)，從而出現(xiàn)工件氧化變色問題；而供氣管道漏氣，在進(jìn)行真空正壓氣淬時(shí)，由于充入爐內(nèi)的氬/氮?dú)饬亢艽?，氮?dú)獾牧鲃恿恳埠芸欤虼嗽诠艿浪嬖诘穆恻c(diǎn)處就會形成渦流現(xiàn)象，從而將漏氣點(diǎn)外的空氣瞬時(shí)吸入真空室內(nèi)，造成工件氧化變色。

針對上述可能存在的影響因素，進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

2 真空回火后零件變色影響因素試驗(yàn)

2.1 清洗操作影響因素試驗(yàn)

取15CrMnMoVA帶螺紋類材料12件，分為A、B兩組，各6件。正常淬火后，A組用干凈抹布蘸取丙酮擦拭干凈后回火；B組用丙酮浸泡清洗，并用清洗機(jī)對試樣進(jìn)行較深層次清洗，裝爐前擦干，待有機(jī)溶劑揮發(fā)，工裝同樣預(yù)先進(jìn)行清洗后使用，回火操作同A組。A、B組零件真空回火后表面均嚴(yán)重變色，但A組零件變色較B組淺。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，清洗不干凈是導(dǎo)致零件變色的其中一個影響因素，但不是主導(dǎo)因素。

2.2 原材料影響因素試驗(yàn)

分別取18Cr2Ni4WA、30CrMnSiA、15CrMnMoVA和1Cr17Ni3A材料試驗(yàn)件各6件，相同材料的6件試驗(yàn)件為一組，分別標(biāo)為E、F、G、H組，進(jìn)行原材料影響因素試驗(yàn)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)四組試驗(yàn)件真空回火后均出現(xiàn)不同程度的變色。其中，E、F、G三組結(jié)構(gòu)鋼變色較為嚴(yán)重，且回火溫度越高，顏色越深；H組試驗(yàn)件表面呈灰色，無金屬光澤，由于不銹鋼的Cr含量較高，具有較強(qiáng)的高溫抗氧化能力，故顏色較淺。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，不同材料存在不同金屬特性，自身特性、回火溫度不同使得零件真空回火變色程度不同，但真空回火后零件變色與材料自身特性無必然關(guān)系。

2.3 設(shè)備影響因素試驗(yàn)

2.3.1爐膛清理試驗(yàn)

圖2為真空回火爐結(jié)構(gòu)圖，該真空回火爐分熱室、冷室，冷室中放有冷卻油，冷、熱室之間用隔熱門相隔，熱室加熱保溫時(shí)不受影響。

涼爐后打開熱室發(fā)現(xiàn)，爐膛內(nèi)存在較多小碎粒等雜質(zhì)，支撐架碳化嚴(yán)重，如圖3所示。拆除內(nèi)膽后，熱室內(nèi)壁附著眾多冷卻油漬，如圖4所示。

圖2 真空回火爐結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of vacuum tempering furnace

圖3 熱室Fig.3 Hot chamber

圖4 拆除熱室后內(nèi)膽Fig.4 The liner after removed the hot chamber

對熱室進(jìn)行拆除、清理并重新安裝后正常烘爐。零件進(jìn)行真空回火熱處理，與爐膛清理前相比，零件表面顏色有較大改觀，但仍偏暗、無金屬光澤。試驗(yàn)結(jié)果表明：熱室爐膛有雜質(zhì)、油漬是影響零件表面變色的重要因素。

2.3.2真空泄漏試驗(yàn)

對真空回火爐進(jìn)行壓升率測試試驗(yàn)，表1為壓升率檢測數(shù)據(jù)。壓升率測試結(jié)果為0.158 Pa/h，符合<0.67 Pa/h要求。同時(shí)采用質(zhì)譜檢漏儀檢漏[5]，未查驗(yàn)到泄漏情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)備靜態(tài)整體密封性優(yōu)良，能保證真空度要求。

表1 泄漏率檢測數(shù)據(jù)Table 1 Test dataof leakage rate

2.3.3冷室、熱室隨爐冷試驗(yàn)

在進(jìn)行上述爐膛清理及泄漏率檢測試驗(yàn)后，對冷室、熱室進(jìn)行隨爐冷試驗(yàn)。圖5為保溫結(jié)束后，關(guān)閉所有閥門，隨爐冷至室溫后試樣狀態(tài)。圖6為熱室保溫結(jié)束后，進(jìn)冷室隨爐冷的試樣狀態(tài)。從圖5、6中可看出，在熱室隨爐冷的零件表面略微發(fā)黃，仍保持金屬光澤；而從熱室出爐進(jìn)冷室隨爐冷的試樣表面發(fā)黑，變色嚴(yán)重。

在實(shí)際排故操作過程中發(fā)現(xiàn)，隔熱門開閉的瞬間，冷熱室壓力值波動較大，并超出工藝允許范圍。檢查維修發(fā)現(xiàn)隔熱門連接的冷卻管路存在一定的滲漏，水在真空下持續(xù)揮發(fā)，并在高溫下與零件表面反應(yīng)，使零件發(fā)生氧化。對中門漏水處進(jìn)行止水加固后，再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，真空回火后零件表面光亮。

3 結(jié)論

影響零件真空回火變色因素主要為爐膛污染和真空泄漏。引起爐膛污染的主要原因有未清洗干凈的零件及工裝帶入油污，真空泵反油等；設(shè)備局部泄漏也會引起零件的氧化變色，關(guān)鍵是在設(shè)備排故中準(zhǔn)確找到泄漏點(diǎn)。爐膛污染與真空泄漏不僅會使工件表面質(zhì)量達(dá)不到要求，還會使加熱元件與真空系統(tǒng)造成損害，影響設(shè)備的使用壽命。根據(jù)上述試驗(yàn)以及真空熱處理實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，可采用以下措施以減少零件真空回火變色：

圖5 保溫結(jié)束后在熱室隨爐冷Fig.5 It is cooled with the furnace in the hot chamber after heat holding

圖6 保溫結(jié)束后在冷室隨爐冷Fig.6 It is cooled with the furnace in the cold chamber after heat holding

1)做好設(shè)備的日常操作和維護(hù)保養(yǎng)工作，按規(guī)范操作，加熱前先進(jìn)行抽真空處理，含淬火油除氣處理，嚴(yán)禁減少工序；定期清理爐膛，并進(jìn)行烘爐，做好泄漏率測試，設(shè)備不工作時(shí)，減少開爐門時(shí)間，冷熱室保持工作時(shí)真空度。2)工件、工裝入爐前進(jìn)行清洗，洗去表面殘油，待有機(jī)溶劑揮發(fā)后方可入爐。3)做好爐門、管路及連接部位密封件的定期檢查工作，如密封圈、閥門及時(shí)檢查，有故障及時(shí)更換，同時(shí)防止真空泵反油現(xiàn)象發(fā)生。4)儀表定期送檢，進(jìn)行周期性測試試驗(yàn)。