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不锈钢的真空热处理

来源:博创兴(博创兴金属整理发布)   时间:2021-10-10

不锈钢真空热处理是指将不锈钢工件放在低于1个大气压的密闭容器(设备)中加热和冷却的热处理。对于不锈钢淬火或固溶化加热(大于1000℃),可控制真空度在5~10Pa,回火或消除应力处理加热(小于700℃),可控制真空度在0.1~0.2Pa。在这种真空度条件下加热,可有效地保护不锈钢表面不产生前面述及的各类有害效果。

1.真空加热特点

(1)加热速度慢。在真空条件下加热时,工件的加热过程只有热辐射和工件本身的热传导,不存在在空气介质中加热的对流和介质传导作用,所以,在真空条件下的加热速度要慢得多,工件实际温度也要比炉温仪表指示的温度滞后得多。有试验研究证明,φ40mm的工件从880℃加热到1020℃时,工件到温时间要比炉温仪表指示到温时间滞后15min。所以,真空加热时的工件保温时间要比在空气中的加热保温时间长,在实际操作中,保温时间可延长1倍,或采取几个台阶的加热方式。

(2)可洁净工件表面。真空热处理可使工件表面得到净化,获得光亮的表面,这种效果是因为在真空条件下,原先附着在工件表面上的油污、加工润滑剂等可污染表面的脂肪类物质可分解成氢、水蒸气和二氧化碳气体,这些气体可迅速被真空泵排出,不会对工件表面形成污染。

(3)降低工件中的气体含量。气体在金属中的溶解度是随温度变化的,一般情况是在高温时溶解度大,低温时溶解度小,在有相变点的金属中,在相变点附近的温度区间气体溶解度变化更大。因此,金属从液态冷却成固态时,因冷却速度快,有一部分气体来不及逸出而保留在钢中。一般钢中均含有氧、氢、氮等气体,这些气体的存在给钢的性能带来危害。在真空热处理条件下,钢中气体将向表面扩散并从钢表面逸出,随之被真空泵抽出炉外。钢中有害气体减少的结果是提高了钢的性能质量。

(4)氧化物的分解。钢中的氧化物在大多数情况下对钢的质量和性能是有害的。钢中氧化物在一定条件下是可以分解的。在真空条件下,真空度低于氧化物的分解压力时,氧化物将会发生分解反应

2MO═══2M+2O↑

2O─→O2

氧化物分解后形成的氧会逸出钢基体,被真空泵排出炉外。可见,钢中的氧化物分解和氧的逸出,改善了钢的表面质量。

(5)合金元素的蒸发。钢中的各种合金元素在一定的温度下有各自的蒸气压,一种合金元素在不同温度下也有不同的蒸气压。当周围的气压低于合金元素的蒸气压力时,合金元素将会蒸发。所以,在真空热处理条件下,钢中的合金元素会有不同程度的蒸发,结果是钢中合金元素的含量会降低。钢中合金元素的减少不仅使其物理化学性质发生变化,还会影响钢热处理的效果和性能,特别是不锈钢中铬、镍、钼等元素的流失会降低钢的耐腐蚀性能。可见,真空热处理的这一特点是有害的。所以,为防止钢在真空热处理时合金元素的流失,在真空加热温度高于800℃时,常向炉内通以惰性气体,调整炉内压力,使其接近或高于合金元素的分解压力。

2.不锈钢真空热处理生产操作

不锈钢真空热处理可依据钢种的不同,用于退火、固溶化、淬火、回火、去应力等处理。

(1)设备的选择。真空热处理炉有不同的型式(立式、卧式、组合式等),不同的加热热源(电阻加热、感应加热、电子束加热、等离子加热等),不同的加热方式(外加热、内加热等)。按使用温度可分为低温炉(≤700℃)、中温炉(>700~1000℃)、高温炉(>1000℃),按极限真空度可分为低真空(1.33×103~13.3Pa)、中真空(13.3~1.33×10-2 Pa)、高真空(1.33×10-2~1.33×10-4 Pa)、超高真空(1.33×10-4 Pa以上)。

对于不锈钢热处理来说,主要考虑设备操作方便,系统安全可靠,极限真空度达到13.3~1.33×10-2 Pa即可满足使用要求。更高的极限真空度要求会增大设备成本。压升率不大于0.6Pa/ h,温度均匀性要高,温差一般不大于±5℃,具有可满足冷却需要的气冷或油冷装置。

(2)不锈钢真空热处理操作要点。

①装炉。工件装炉时要均匀分布,保留间隙,这是考虑以辐射加热为主的加热特点,以保证工件加热均匀。

②预热。不锈钢加热温度较高,当工艺温度在1000~1100℃时,用800℃温度保温预热,工艺温度大于1100℃时,可用850℃温度保温预热,然后再升至工艺要求的加热温度。

③加热温度。不锈钢热处理的加热温度与在空气炉中的加热温度相同,最好取下限温度。

④保温时间。不锈钢真空热处理时,在高温区的保温时间要比在空气炉中加热适当延长,延长时间为1倍左右,在回火的低温区,比空气炉中的回火保温时间略长即可。

⑤工作时真空度的调整。考虑钢在真空加热时合金元素蒸发的特点,在高温时,可用充加惰性气体的方法,如氮气等,升高炉内压力,炉温在900℃以下时可控制炉内压力在1.33×10-1 Pa,在900~1100℃时可控制为13.3~1.33Pa,在>1100℃时可控制为13.3~665Pa。

⑥冷却。应根据热处理的工艺要求,采用炉冷、气冷或油冷。

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