1、真空热处理炉
真空热处理炉是用来对环模进行真空气淬的大型热处理设备。饲料机械生产厂家在选择真空热处理炉时，应考虑以下几个主要因素：真空炉形式（立式或卧式）、真空室内空间大小（直径×高度）、一次热处理工件的最大装载量( kg)、真空室内最高加热温度、用作气淬冷却介质的气体压强（又称气淬压力）等等。一般来说都采用立式的真空炉来对环模进行热处理。这主要是因为环模需平放在圆柱形的真空室内以减小真空气淬引起的变形。真空室内的空间尺寸及工件的最大装载量主要取决于饲料机械生产厂家需真空气淬的环模的最大外直径和总重量。环模在真空室内加热的最高温度不会超过1100℃，一般的真空炉都能满足此要求。气淬压力大小的选择对环模的热处理质量和周期长短影响很大，这一点将在下一节工艺参数的设置中做详细的讨论。
国内外生产真空热处理炉的厂商很多，图1所示的是美国VFS公司制造的立式真空气淬热处理炉。它主要由内置加热元件的真空室、含有人机界面的控制柜、用来储存气淬冷却介质的高压储气罐、装有鼓风机和热交换器等的气淬系统、用于维护和操作的工作台架以及真空泵等组成。VFS立式真空炉具有多种尺寸大小的真空室，这些真空室的下端盖都能全部打开并沿立柱自动下移到地面，然后沿地面上的导轨自动滑出，因此装卸环模非常方便。真空室内标定的最高加热温度可达1 400C左右，可供选择的气淬压力有0.2、0.6和1MPa三种规格。因此VFS立式真空炉非常适用于环模的真空气淬工艺。
VFS真空炉的控制柜上内置一个具有良好人机对话界面的触摸屏，真空炉的所有动作都可以通过此触摸屏来进行操作控制。值得注意的是对于每一种环模，通过触摸屏都可以为其建立一个所谓的热处理配方程序。在该程序中可预先设置在整个真空气淬期间真空室内温度随时间的变化曲线（具体内容见下一节），这样就可实现对环模真空气淬工艺的精确的自动化控制。另外这种热处理配方程序以及真空室内温度和气压随时间变化的数据可随后下载、打印并归档保存，这对已被ISO认证的饲料机械生产厂家是十分必要和方便的。
2、工艺参数的设置
上述的热处理配方程序就是用来描述如图2所示的真空室内温度随时间的变化曲线。该温度曲线由加热周期和气淬周期两部分组成。在加热周期中，环模在500和800℃两处分别经历了持续时间为30 min的预热均温阶段。原因有两个，一是高铬不锈钢的导热率比普通碳钢要低，因此环模的外表面与内部中心的温差比较大，为消除由此产生的热应力，有必要保温一段时间以尽量减小温差。二是由于在升温过程中，环模的实际温度要低于真空室内温度，环模尺寸越大，这种温度滞后现象越严重。因此需要保温一段时间以使得环模内部的实际温度上升，更趋近于图2所示的加热周期中的真空室内温度。当真空室内被加热到最高温度105℃时，也同样保持了30 min的均温。根据文献[1]，保
持均温的时间长短可按下式计算：
r=ah
式中，h是工件的有效厚度。对于大部分环模，其值应在40~ 70 mm的范围内。a是保温系数。对于l000℃左右的加热温度，其值为0.3—0.5min/mm（环模壁厚），保温时间为30 min。
AIS1420材料的奥氏体化温度为980℃左右，环模的最终加热温度（气淬温度）应比此值高一点以形成奥氏体组织。如果环模的真空弋淬温度较高，则热处理后的硬度就会较高，但也极易形成淬火裂纹。而且在高温的真空环境里，高铬不锈钢内的合金元素如Cr、Mn等的蒸发量会加大，从而可能降低了环模的力学性能。因此环模的真空气淬温度不能太高，图2将其设定为l050℃。
气淬周期开始后，高速、高压的非氧纯净气体就会喷人真空室内对环模进行快速冷却。值得注意的是当真空室内的温度下降到大约250℃左右，即AISI420材料的Ms点以下附近时，环模保持60 min的均温。其目的是减小环模各处的温差，减小热应力，另有一定量的下贝氏体形成，从而有效地防止环模的变形和开裂。这种淬火冷却方法称为等温淬火，它是高硬度的耐磨性工件的常用淬火处理方法。
在加热周期中，真空室内可采用1.33~13.3 Pa的真空度，而不需要太高的真空度。这是因为环模的最终加热温度较高，在13.3 Pa的真空度下即可实现无氧化加热。而真空度过高反而会增加合金元素Cr和Mn等的蒸发量。在气淬周期中，所采用的气淬压力越高，冷却速度就越快，冷却环模所需的时间就越短，环模的硬度就越高。但气淬压力过高，热处理后的环模极有可能出现较大的变形甚至微裂纹。考虑到环模是环形多孔的工件，某些环模的厚度又比较薄，最终选择气淬压力为0.2 MPa的VFS真空炉以最大限度地控制环模真空气淬后的变形率。
3、其它需要考虑的因素
常用的气淬冷却介质有氢气、氦气、氮气和氩气。这四种气体的冷却能力，氢气最强，氦气次之，氮气较弱，氩气最弱。由于氢气和氦气的冷却速度太快，将会使环模变形明显，故不采用。而氮气虽然成本低，使用安全，但高铬不锈钢在高温下接触纯氮时会发生表面渗氮现象，从而使其塑性变差，故也不采用。因此采用氩气作为气淬冷却介质，其冷却速度较慢，有助于避免环模真空热处理时变形。
环模在真空室内放置时，相互之间要用两根长条形的金属棒隔开。一是工件在真空室内的受热方式主要是辐射换热，因此相互之间尽量不要遮挡，环模不应直接叠放在一起。二是通过金属棒的接触使环模之间相互牵制，可减少其在热处理过程中变形。
环模在真空气淬后应及时进行回火，以消除气淬过程中产生的残余内应力，提高不锈钢材料的塑性和韧性，使环模获得良好的综合机械性能。为保证环模在回火后仍能保持较高的硬度，同时又要避开回火发生脆性的温度区，环模采用200℃低温回火较合适。
应该注意的是，与传统的环模整体热处理工艺相比，尽管真空气淬工艺具有很多优点，但也有其不足之处。其主要的缺点是热处理时间较长。按照上述工艺，每炉装载的环模一般需要6h左右的时间才能完成真空气淬，这要比采用盐浴炉进行整体热处理所花的时间长得多。另一方面，由于VFS真空炉可按预先设置好的热处理配方程序对整个真空气淬过程实施精确的自动化控制，因此正常情况下除了装卸环模和调用程序之外，操作工并不需要一直在现场，可以节省人力资源。当然本工艺还应在以下几个方面进行改进，如气淬压力可提高一些，等温淬火的保温时间可缩短等等，这些都是以后的实验研究方向。
4、环模的热处理质量检验
真空气淬后的环模表面应非常光洁，呈现浅黄色。如果在其表面某些地方出现黑色的痕迹，则需要检查真空度是否满足要求、真空室及所有管线是否有泄漏，另外所用氩气的纯度是否足够高等等。对于马氏体不锈钢材料AISI420，采用上述的热处理工艺，真空气淬后环模的表面硬度约为56~ 58 HRC，回火后的表面硬度约为54~56 HRC，符合环模热处理规范。
5、结论
笔者对马氏体不锈钢AISI420的环模真空气淬进行了详述。对此工艺中需要考虑的影响因素和可能出现的问题作了仔细的分析和讨论，并根据以往的实践经验给出了一些相关的工艺参数值和解决方案。另外也指出了本工艺的缺点及其未来的改进方向。由于真空气淬工艺在热处理质量、环保、节能及自动化控制等方面具有较大优势，将成为饲料机械生产厂家首选的环模热处理方法。
