熱處理的發(fā)展是伴隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，機(jī)械制造又對(duì)熱處理提出了更新更高的要求，與此相對(duì)應(yīng)，材料的性能也得到改善。20世紀(jì)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(dāng)時(shí)還僅用于退火和脫氣。由于設(shè)備的限制，這種工藝較長(zhǎng)時(shí)間未能獲得大的進(jìn)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(jìn)行滲碳，在真空中等離子場(chǎng)的作用下進(jìn)行滲碳、滲氮或滲其他元素的技術(shù)進(jìn)展，又使真空熱處理進(jìn)一步擴(kuò)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(diǎn)，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(duì)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(diǎn)和簡(jiǎn)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(gè)大氣壓的密閉容器中加熱和冷卻的熱處理。對(duì)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(shì)嚴(yán)格平衡，且不起任何化學(xué)反應(yīng)，因此零件氧化、脫碳、侵蝕等現(xiàn)象會(huì)普遍發(fā)生。而真空熱處理加熱是在極稀薄的氣氛中進(jìn)行，在這種真空度條件下加熱，可有效地保護(hù)不銹鋼表面不產(chǎn)生各類有害效果。
2.真空熱處理的特點(diǎn)
（1）加熱速度慢
在真空條件下加熱時(shí)，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(gè)特殊的“滯后”現(xiàn)象，即真空爐中測(cè)量溫度的熱電偶升到設(shè)定的淬火溫度時(shí)，被加熱零件還遠(yuǎn)沒達(dá)到淬火溫度。所以真空加熱時(shí)的工件保溫時(shí)間要比在空氣中的加熱保溫時(shí)間長(zhǎng)，在實(shí)際操作中，保溫時(shí)間可延長(zhǎng)1倍，或采取幾個(gè)臺(tái)階的加熱方式。
（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(rùn)滑劑等脂肪類物質(zhì)可分解成氫、水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w，這些氣體可迅速被真空泵排出，不會(huì)對(duì)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(shí)溶解度大，低溫時(shí)溶解度小，在有相變點(diǎn)的金屬中，在相變點(diǎn)附近的溫度區(qū)間氣體溶解度變化更大。因此，金屬?gòu)囊簯B(tài)冷卻成固態(tài)時(shí)，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?xiàng)l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(duì)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(shí)，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(huì)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(dāng)周圍的氣壓低于合金元素的蒸氣壓力時(shí)，合金元素將會(huì)蒸發(fā)。所以，在真空熱處理?xiàng)l件下，鋼中的合金元素會(huì)有不同程度的蒸發(fā)，結(jié)果是鋼中合金元素的含量會(huì)降低。鋼中合金元素的減少不僅使其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，還會(huì)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(huì)降低鋼的耐腐蝕性能?？梢?，真空熱處理的這一特點(diǎn)是有害的。為此，為防止鋼在真空熱處理時(shí)合金元素的流失，在真空加熱溫度高于800℃時(shí)，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?fàn)t內(nèi)壓力維持在26.6～200Pa下加熱，可得到較好的實(shí)際生產(chǎn)效果。
3.不銹鋼的真空熱處理工藝要點(diǎn)
（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(duì)所有的金屬，操作時(shí)都應(yīng)遵循“低溫高真空，高溫低真空”的真空度選擇原則。對(duì)碳素鋼來說，650℃以上加熱，在較低真空度下，即可實(shí)現(xiàn)無氧化加熱；對(duì)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(shí)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(shí)不氧化，中溫時(shí)氧化。如：20Cr13、40Cr13等馬氏體不銹鋼，真空度6.5Pa時(shí)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(shí)，不同的溫度段，所使用的真空度也應(yīng)有所不同。
對(duì)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(dá)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(huì)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(diǎn)。
①裝爐。工件裝爐時(shí)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(diǎn)，以保證工件加熱均勻。
②預(yù)熱。不銹鋼加熱溫度較高，當(dāng)工藝溫度在1000～1100℃時(shí)，用800℃溫度保溫預(yù)熱，工藝溫度大于1100℃時(shí)，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(shí)間。不銹鋼真空熱處理時(shí)，在高溫區(qū)的保溫時(shí)間要比在空氣爐中加熱適當(dāng)延長(zhǎng)，延長(zhǎng)時(shí)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(shí)間略長(zhǎng)即可。
⑤工作時(shí)真空度的調(diào)整?？紤]鋼的真空加熱時(shí)合金元素蒸發(fā)的特點(diǎn)，在高溫時(shí)，可用充加惰性氣體的方法，如氮?dú)獾?，升高爐內(nèi)壓力，爐溫在900℃以下時(shí)可控制爐內(nèi)壓力在1.33×10-2Pa，在900～1100℃時(shí)可控制為13.3～1.33Pa，在＞1000℃時(shí)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(shí)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(diǎn)，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)?huì)增加。
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(gè)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(shí)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(jìn)行的，真空熱處理可以實(shí)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(shí)實(shí)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(dá)到表面光亮凈化的效果。
1. 真空熱處理加工技術(shù)的應(yīng)用
其實(shí)，真空熱處理加工技術(shù)在國(guó)外應(yīng)用的較早，美國(guó)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(jī)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(guó)在經(jīng)過幾十年的努力，真空爐制造廠商在設(shè)計(jì)、制造水平和質(zhì)量上得到了很大的提高，用國(guó)產(chǎn)真空設(shè)備替代從國(guó)外進(jìn)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(kuò)大。
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(diǎn)，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(xué)、動(dòng)力學(xué)不產(chǎn)生什么變化。在制訂真空熱處理工藝規(guī)程時(shí)，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(shí)，在真空脫氣作用下，可以提高金屬材料的物理性能和力學(xué)性能，在真空狀態(tài)下加熱，金屬工件表面元素會(huì)發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。金屬實(shí)現(xiàn)無氧化加熱所需的真空度，表面凈化作用，實(shí)現(xiàn)少無氧化和少無脫。
3. 真空熱處理加工技術(shù)的特點(diǎn)
（1）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(dāng)前熱處理生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)程度的主要標(biāo)志之一。真空熱處理不僅可以實(shí)現(xiàn)鋼件的無氧化、無脫碳，而且還可以實(shí)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(jìn)技術(shù)。
（2）真空熱處理工藝工件畸變小
據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，工件真空熱處理的畸變量?jī)H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(jì)算機(jī)加以模擬，對(duì)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(shí)，氣流均勻性對(duì)零件淬硬效果和質(zhì)量分散度有很大影響。采用計(jì)算機(jī)模擬手段研究爐中氣流循環(huán)規(guī)律，對(duì)于改進(jìn)爐子結(jié)構(gòu)具有重要意義。
（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(xiàng)綜合性強(qiáng)、跨學(xué)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(xué)性能，必須采用真空高壓氣淬技術(shù)。目前，國(guó)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(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。