熱處理的發(fā)展是伴隨著機械制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，機械制造又對熱處理提出了更新更高的要求，與此相對應(yīng)，材料的性能也得到改善。20世紀20年代末，隨著電真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了真空熱處理工藝，當時還僅用于退火和脫氣。由于設(shè)備的限制，這種工藝較長時間未能獲得大的進展。60～70年代，陸續(xù)研制成功氣冷式真空熱處理爐、冷壁真空油淬爐和真空加熱高壓氣淬爐等，使真空熱處理工藝得到了新的發(fā)展。在真空中進行滲碳，在真空中等離子場的作用下進行滲碳、滲氮或滲其他元素的技術(shù)進展，又使真空熱處理進一步擴大了應(yīng)用范圍。真空熱處理和可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理相比有不少明顯的特點，如加熱無氧化、無脫碳、變形小，零件表面質(zhì)量高，無環(huán)境污染，以及生產(chǎn)作業(yè)條件好等。因此，真空熱處理在航天領(lǐng)域產(chǎn)品零部件的熱處理方面深受歡迎，尤其對不銹鋼等特殊材料的處理更是較佳的選擇。下面分析不銹鋼在真空熱處理方面的特點和簡要工藝。

1.真空熱處理概述

真空熱處理是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，是指將工件放在低于1個大氣壓的密閉容器中加熱和冷卻的熱處理。對于不銹鋼淬火或固溶加熱（大于1000℃），可控制真空度在5～10Pa，回火或消除應(yīng)力處理加熱（小于700℃），可控制真空度在0.1～0.2Pa。在真空氣氛中加熱優(yōu)于其他加熱介質(zhì)（空氣、可控氣氛、鹽?。胀崽幚淼募訜岱绞蕉疾荒茉谳^高的加熱溫度下完全保持金屬零件熾熱表面與氣氛碳勢嚴格平衡，且不起任何化學反應(yīng)，因此零件氧化、脫碳、侵蝕等現(xiàn)象會普遍發(fā)生。而真空熱處理加熱是在極稀薄的氣氛中進行，在這種真空度條件下加熱，可有效地保護不銹鋼表面不產(chǎn)生各類有害效果。

2.真空熱處理的特點

（1）加熱速度慢

在真空條件下加熱時，工件的加熱過程只有熱輻射和工件本身的熱傳導(dǎo)，滿足斯蒂芬-波爾茲曼四次方定律：E=4.96ε(T/100)4

式中E—理想灰體傳熱能力，J/(m2·h)；4.96ε—理想灰體輻射系數(shù)，C·J/(m2·h·K4)；T—溫度，K。

由此可見，真空加熱尤其是在低溫階段，工件升溫速度必然緩慢。真空加熱還存在一個特殊的“滯后”現(xiàn)象，即真空爐中測量溫度的熱電偶升到設(shè)定的淬火溫度時，被加熱零件還遠沒達到淬火溫度。所以真空加熱時的工件保溫時間要比在空氣中的加熱保溫時間長，在實際操作中，保溫時間可延長1倍，或采取幾個臺階的加熱方式。

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（2）可潔凈工件表面

真空熱處理可使工件表面得到凈化，獲得光亮的表面，這是由于在真空條件下，原先附著在工件表面上的油污、加工潤滑劑等脂肪類物質(zhì)可分解成氫、水蒸氣和二氧化碳氣體，這些氣體可迅速被真空泵排出，不會對工件表面形成污染。

（3）降低工件中的其他含量

氣體在金屬中的溶解度是隨溫度變化的，一般情況是在高溫時溶解度大，低溫時溶解度小，在有相變點的金屬中，在相變點附近的溫度區(qū)間氣體溶解度變化更大。因此，金屬從液態(tài)冷卻成固態(tài)時，因冷卻速度快，有一部分氣體來不及逸出而保留在鋼中。一般鋼中均含有氧、氫、氮等氣體，這些氣體的存在給鋼的性能帶來危害。在真空熱處理條件下，鋼中氣體將向表面哭三并從鋼表面逸出，隨之被真空泵抽出爐外。鋼中有害氣體的減小，結(jié)果是提高了鋼的性能質(zhì)量。

（4）氧化物的分解

鋼中的氧化物在大多數(shù)情況下對鋼的質(zhì)量和性能是有害的。鋼中氧化物在一定條件下可以分解，在真空條件下，真空度低于氧化物的分解壓力時，氧化物將發(fā)生分解反應(yīng)：

2MO= 2M + 2Oó

2O→ O2ó

氧化物分解后形成的氧會逸出鋼基體，被真空泵排出爐外，因而改善了鋼的表面質(zhì)量。

（5）合金元素的蒸發(fā)

鋼中的各種合金元素在一定的溫度下有各自的蒸氣壓，一種合金元素在不同溫度下也有不同的蒸氣壓。當周圍的氣壓低于合金元素的蒸氣壓力時，合金元素將會蒸發(fā)。所以，在真空熱處理條件下，鋼中的合金元素會有不同程度的蒸發(fā)，結(jié)果是鋼中合金元素的含量會降低。鋼中合金元素的減少不僅使其物理化學性質(zhì)發(fā)生變化，還會影響鋼熱處理的效果和性能，特別是不銹鋼中的鉻、鎳、鉬等元素的流失會降低鋼的耐腐蝕性能?？梢姡婵諢崽幚淼倪@一特點是有害的。為此，為防止鋼在真空熱處理時合金元素的流失，在真空加熱溫度高于800℃時，常向爐內(nèi)通以惰性氣體，調(diào)整爐內(nèi)壓力，使其接近或高于合金元素的分解壓力，使爐內(nèi)壓力維持在26.6～200Pa下加熱，可得到較好的實際生產(chǎn)效果。

真空熱處理

3.不銹鋼的真空熱處理工藝要點

（1）設(shè)備的選擇。真空熱處理爐有不同的型式（立式、臥式、組合式等），不同的加熱熱源（電阻加熱、感應(yīng)加熱、電子束加熱、等離子加熱等），不同的加熱方式（外加熱、內(nèi)加熱等）。按使用溫度可分為低溫爐（≤700℃）、中溫爐（＞700～1000℃）、高溫爐（＞1000℃），按極限真空度可分為低真空（1.33×103～13.3Pa）、中真空(13.3～1.33×10-2Pa)、高真空(1.33×10-2～1.33×10-4Pa)、超高真空(1.33×10-4Pa以上)。

對所有的金屬，操作時都應(yīng)遵循“低溫高真空，高溫低真空”的真空度選擇原則。對碳素鋼來說，650℃以上加熱，在較低真空度下，即可實現(xiàn)無氧化加熱；對于馬氏體不銹鋼95Cr18材料，在850℃以上溫度加熱，真空度應(yīng)選擇在13.3～1.33Pa，即可實現(xiàn)無氧化加熱。特別注意有些材料，在同一真空度下，往往高溫時不氧化，中溫時氧化。如：20Cr13、40Cr13等馬氏體不銹鋼，真空度6.5Pa時加熱，溫度1050℃左右加熱無氧化，而在600～700℃加熱卻出現(xiàn)氧化。所以真空加熱時，不同的溫度段，所使用的真空度也應(yīng)有所不同。

對于不銹鋼熱處理來說，主要考慮設(shè)備操作方便，系統(tǒng)安全可靠，極限真空度達到13.3～1.33×10-2Pa即可滿足使用要求。更高的極限真空要求會增大設(shè)備成本。壓升率不大于0.6Pa/h，溫度均勻性要高，溫差一般不大于±5℃，具有可滿足冷卻需要的氣冷或油冷裝置。

（2）不銹鋼真空熱處理操作要點。

①裝爐。工件裝爐時要均勻分布，保留間隙，這是考慮以輻射加熱為主的加熱特點，以保證工件加熱均勻。

②預(yù)熱。不銹鋼加熱溫度較高，當工藝溫度在1000～1100℃時，用800℃溫度保溫預(yù)熱，工藝溫度大于1100℃時，可用850℃溫度保溫預(yù)熱，然后再升至工藝要求的加熱溫度。

③加熱溫度。不銹鋼熱處理的加熱溫度與在空氣爐中的加熱溫度相同，最好取下限溫度。

④保溫時間。不銹鋼真空熱處理時，在高溫區(qū)的保溫時間要比在空氣爐中加熱適當延長，延長時間為1倍左右，在回火的低溫區(qū)，比空氣爐中的回火保溫時間略長即可。

⑤工作時真空度的調(diào)整。考慮鋼的真空加熱時合金元素蒸發(fā)的特點，在高溫時，可用充加惰性氣體的方法，如氮氣等，升高爐內(nèi)壓力，爐溫在900℃以下時可控制爐內(nèi)壓力在1.33×10-2Pa，在900～1100℃時可控制為13.3～1.33Pa，在＞1000℃時可控制為13.3～665Pa。

真空熱處理不發(fā)生表面脫碳、滲碳、氧化反應(yīng)，并且真空熱處理有脫脂、脫表面銹跡，使被處理工件表面高度的凈化和活化，并容易實現(xiàn)均勻可控地緩慢加熱、和快速冷卻，所以真空熱處理變形很小。另外，真空熱處理已具備可控氣氛熱處理較多的優(yōu)點，并因質(zhì)量好、變形小、節(jié)能源和安全等特色，在不久的將來，由目前可控氣氛熱處理向真空熱處理轉(zhuǎn)移的傾向?qū)黾印?/p>

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什么是真空熱處理加工技術(shù)？

主要指的是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的新型熱處理技術(shù)，其中，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空等，所以，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。

真空熱處理是指熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進行的，真空熱處理可以實現(xiàn)幾乎所有的常規(guī)熱處理所能涉及的熱處理工藝，但熱處理質(zhì)量大大提高。

與常規(guī)熱處理相比，真空熱處理加工技術(shù)可同時實現(xiàn)無氧化、無脫碳、無滲碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達到表面光亮凈化的效果。

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1. 真空熱處理加工技術(shù)的應(yīng)用

其實，真空熱處理加工技術(shù)在國外應(yīng)用的較早，美國的海斯公司和日本真空研究所在1968年，先后研制出真空淬火油和水劑淬火介質(zhì)，從而，真空淬火技術(shù)在熱處理行業(yè)得到迅速發(fā)展，從單室爐發(fā)展到了多組合機群，從一般的真空淬火發(fā)展到高壓氣淬、真空水劑淬火、真空滲碳、真空碳氮共滲及多元共滲等。

而我國在經(jīng)過幾十年的努力，真空爐制造廠商在設(shè)計、制造水平和質(zhì)量上得到了很大的提高，用國產(chǎn)真空設(shè)備替代從國外進口的真空設(shè)備逐漸增多，從而降低了使用單位的生產(chǎn)成本，使真空熱處理的應(yīng)用范圍迅速擴大。

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2. 真空熱處理加工技術(shù)的工藝原理

利用金屬在真空狀態(tài)下的變相特點，在與大氣壓只差0.1MPa范圍內(nèi)的真空下，固態(tài)相變熱力學、動力學不產(chǎn)生什么變化。在制訂真空熱處理工藝規(guī)程時，完全可以依據(jù)在常壓下固態(tài)相變的原理，完全可以參考常壓下各種類型組織轉(zhuǎn)變的數(shù)據(jù)。同時，在真空脫氣作用下，可以提高金屬材料的物理性能和力學性能，在真空狀態(tài)下加熱，金屬工件表面元素會發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。金屬實現(xiàn)無氧化加熱所需的真空度，表面凈化作用，實現(xiàn)少無氧化和少無脫。

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3. 真空熱處理加工技術(shù)的特點

（1）真空熱處理工藝工件畸變小

據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，工件真空熱處理的畸變量僅為鹽浴加熱淬火的三分之一。研究各種材料、不同復(fù)雜程度零件的真空加熱方式和各種冷卻條件下的畸變規(guī)律，并用計算機加以模擬，對于推廣真空熱處理技術(shù)具有重要意義。真空加熱、常壓或高壓氣冷淬火時，氣流均勻性對零件淬硬效果和質(zhì)量分散度有很大影響。采用計算機模擬手段研究爐中氣流循環(huán)規(guī)律，對于改進爐子結(jié)構(gòu)具有重要意義。

（2）真空熱處理加工的優(yōu)越性

真空熱處理加工是和可控氣氛并駕齊驅(qū)的應(yīng)用面很廣的無氧化熱處理技術(shù)，也是當前熱處理生產(chǎn)技術(shù)先進程度的主要標志之一。真空熱處理不僅可以實現(xiàn)鋼件的無氧化、無脫碳，而且還可以實現(xiàn)生產(chǎn)的無污染和工件的少畸變，因而，它還屬于清潔和精密生產(chǎn)技術(shù)范疇。目前，它已成為工模具生產(chǎn)中不可替代的先進技術(shù)。

（3）采用真空熱處理爐

現(xiàn)代真空熱處理爐，是指可施行元件的真空加熱，然后在油中淬火或在常壓和加壓氣體中淬火的冷壁式爐子。研究開發(fā)這種類型的設(shè)備是一項綜合性強、跨學科、牽涉到很多科技領(lǐng)域的工作。

工模具材料真空熱處理的應(yīng)用前景很大。大多數(shù)工模具鋼目前都采取在真空中加熱，然后在氣體中冷卻淬火的方式。為了使工件表面和內(nèi)部都獲得滿意的力學性能，必須采用真空高壓氣淬技術(shù)。目前，國際上真空氣淬的氣壓已從0.2MPa、0.6MPa提高到1-2MPa甚至3MPa，所以，高壓氣淬真空爐的冷卻氣體壓力的逐步提高是一個重要的發(fā)展趨勢。

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