真空氣淬的冷速與氣體的種類、氣體壓力、流速、爐子結(jié)構(gòu)及裝爐狀況有關(guān)。可供使用的氣體有氬、氦、氫、氮。與相同條件下的空氣傳熱速度相比，設(shè)空氣為1，則氮為0.99，氬為0.70，氫為7，氦為6。熱處理用氣體技術(shù)條件見下表。
熱處理用氣體技術(shù)要求（JB/T 7530～1994）
氣體名稱 | 指標要求（% ，V/V） | ||||||
氬含量 | 氮含量 | 氫含量 | 氧含量 | 總碳含量 （以甲烷計） | 水含量 | ||
高純氬氣 | ≥99.999 | ≤0.0005 | ≤0.0001 | ≤0.0002 | ≤0.0002 | ≤0.0004 | |
氬氣 | ≥99.99 | ≤0.007 | ≤0.0005 | ≤0.001 | ≤0.004 | ≤0.002① | |
高純氮 | - | ≥99.999② | ≤0.0001 | ≤0.0003 | ≤0.0003 | ≤0.0005③ | |
純氮 | - | ≥99.996② | ≤0.0005 | ≤0.001 | CO≤0.0005 CO2≤0.0005 CH4≤0.0005 | ≤0.0005③ | |
工 業(yè) 氣 態(tài) 氮 | Ⅰ類 | - | ≥99.5 | - | ≤0.5 | - | 露點 ≤-43℃ |
Ⅰ類 1級 | - | ≥99.5 | - | ≤0.5 | - | 游離水≤100ml/瓶 | |
Ⅱ類 Ⅱ級 | - | ≥99.8 | - | ≤1.5 | - | 游離水≤100ml/瓶 | |
氫氣 | - | ≤0.006 | ≥99.99 | ≤0.0005 | CO≤0.0005 CO2≤0.0005 CH4≤0.001 | ≤0.003 | |
注：
① 在15℃，大于11.8MPa條件下測定。
② 包含微量惰性氣體。
③ 液態(tài)氮不規(guī)定水含量。
在任何壓強下，氫都具有最大的熱傳導能力和最大的冷卻速度，氫可以應用于裝有石墨元件的真空爐，但對含碳量較高的鋼種，在冷卻過程的高溫階段（1050℃以上）有可能造成輕微脫碳，對高強度鋼有造成氫脆的危險，因此，真空高壓氣淬人們不會選用氫作為冷卻介質(zhì)。
冷卻速度僅次于氫的是惰性氣體氦。在空氣中He僅含0.0005%（體積分數(shù)），一般在天然氣液化過程中制取He比N得價格可高至上百倍，只有在某些特殊場合下才選用氦氣作為真空氣淬介質(zhì)。
氬的冷卻能力比空氣低，它在大氣中的體積分數(shù)為0.93%，用壓縮空氣使之液化，精餾而來的氬成本較高，所以它也不是理想的高壓氣淬介質(zhì)。
氮的資源豐富，成本低，在略低于大氣壓下進行強制循環(huán)，冷卻強度可上升20倍。它是使用安全、冶金損害小的中性氣體。在200～1200℃溫度范圍內(nèi)，對常用工模具鋼氮呈惰性狀態(tài)，所以氮是工模具高壓氣淬較理想的淬火介質(zhì)。
氮中含氧（如體積分數(shù)達0.001%以上）可使高溫下的鋼產(chǎn)生輕微的氧化、脫碳，因而，一般常規(guī)使用的高純氮的純度為99.999%（相對露點-62℃，相應于真空度1.33Pa）。鑒于高純氮價格昂貴，有時在無特殊要求的情況下，可選用一般氮氣。實踐證明，這對一般工具產(chǎn)品表面狀態(tài)無明顯損害，工業(yè)上用普通氮氣的純度為99.9%。氧氣站提供的氮氣含氧量高達1.5%（體積分數(shù)）和較多的水，因此必須經(jīng)過凈化后方可使用。
在高壓氣淬時，為了使淬得高硬度，往往會提高冷卻氣體的壓力。淬火冷卻速度隨氣壓上升明顯提高，但并非氣壓越高越好，對于尺寸較大，比表面小的工件，在更高的氣壓下，決定冷卻速度的主導因素是鋼的內(nèi)部熱傳導。因為這是對流傳熱加速冷卻的效果難以達到中心。此時提高氣壓對增大冷卻速度的作用不十分明顯。又考慮到一般的真空爐只在低于大氣壓時密封效果較好以及為了節(jié)約高純氣體，故真空氣淬時的常用壓力為0.5×105～0.8×105Pa，最高取0.92×105～0.99×105Pa，有試驗表明，對由M2鋼制成的φ25mm×40mm試樣，裝爐量100kg，施以下處理工藝：850℃×25min+1050℃×15min兩次預熱，1220℃×4min加熱，氣淬冷至550～500℃出爐續(xù)冷。當淬火氣體壓力為1×105Pa時，冷卻需185s，2×105Pa時為110s，5×105Pa時為55s。即隨著氣體壓力的升高，冷速加大，冷卻時間減少。560℃×1h×2次回火后硬度由750HV提高至880HV（65HRC）以上。
此外，加壓氣淬還擴大了高合金工模具鋼氣淬的材料品種和尺寸范圍，但氣壓又不能太高，由于動力和氣體消耗成比例的增長，設(shè)備需有嚴格的防護措施等。
提高氣體的流速可以提高其冷卻速度，例如，當氣體流速從10.2m/s提高到50.8m/s時（一般情況下步大于25m/s），氮、氫、氦的對流傳導系數(shù)將提高3倍。
為了提高氣體冷卻能力，確保工具淬火質(zhì)量，應采取合適的裝爐量，一般只裝額定值得60%～70%，工件在爐中保持上下、左右、前后適當?shù)拈g隔，均勻有序的擺放工件，也可以進一步改善冷卻時的熱交換條件。真空淬火質(zhì)量是好，但裝爐量有限，是制約真空爐在刀具業(yè)快速發(fā)展的因素之一。
關(guān)于真空淬火工件的變形問題，與常規(guī)熱處理相似，引起真空淬火變形的原因是組織應力、熱應力及火前工序留下的殘余應力。在加熱、冷卻過程中，當工件處于塑性高的狀態(tài)時，工件的自重、相互擠壓、振動等也將導致變形并使淬火變形復雜化。實踐考證，真空淬火工件的變形平均小于常規(guī)工藝，只有鹽浴加熱淬火的1/10～1/2。
現(xiàn)在真空氣淬在工模具熱處理中應用非常成功，請看如下實例：
例1
Cr12MoV鋼制螺紋銑刀 外形尺寸為135mm×37mm×37mm，淬火壓力5巴，從1020～500℃工具心部冷透為45min，再經(jīng)過15min冷卻到80℃，工藝時間為4.2h。表面硬度63～64HRC。
例2
Cr12MoV鋼制滾絲輪 外形尺寸φ200mm×60mm，1020℃×65min加熱，淬火時通入高純氮氣，壓力2巴，硬度63～65HRC。
例3
56NiCrMoV7鋼制壓鑄模，外形尺寸為247mm×268mm×400mm，加熱溫度890℃，5巴個氣淬，530℃×2h×2次回火，46～47HRC，金相組織良好。
例4
M2鋼機用絲錐高壓氣淬 1220℃加熱，6巴淬火，金相奧氏體晶粒度10.5級，550℃×1h×3次回火，硬度65.2HRC，壽命試驗達到一等品。
例5
M2鋼制φ80mmM3規(guī)格A級 齒輪滾刀，1225℃ 8巴淬火，550℃×1h×3次回火，切削試驗達到優(yōu)等品指標（22.5m）。
上海工具廠介紹，該廠用高壓氣淬處理接柄刀具、滾刀是完全可行的，不過該廠用的真空爐均為進口貨。
作者：趙步青
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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