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(wú)氧化、無(wú)脫碳、變形小，零件表面質(zhì)量高，無(wú)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、鹽浴），普通熱處理的加熱方式都不能在較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(guò)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(jiàn)，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(méi)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(lái)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(lái)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?jiàn)，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(lái)說(shuō)，650℃以上加熱，在較低真空度下，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)說(shuō)，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)獾龋郀t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(lái)，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(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)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(guò)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(wú)氧化加熱所需的真空度，表面凈化作用，實(shí)現(xiàn)少無(wú)氧化和少無(wú)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(wú)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(wú)氧化、無(wú)脫碳，而且還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無(wú)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(kāi)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)。