熱處理的發展是伴随着機械制造業的發展而發展，機械制造又(yòu)對熱處理提出了更新更高的要求，與此相對應，材料的性能也得到改善。20世紀20年代末，随着電(diàn)真空技術的發展，出現了真空熱處理工(gōng)藝，當時還僅用于退火(huǒ)和脫氣。由于設備的限制，這種工(gōng)藝較長時間未能獲得大(dà)的進展。60～70年代，陸續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(gōng)藝得到了新的發展。在真空中(zhōng)進行滲碳，在真空中(zhōng)等離(lí)子場的作用下(xià)進行滲碳、滲氮或滲其他元素的技術進展，又(yòu)使真空熱處理進一(yī)步擴大(dà)了應用範圍。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(xiǎo)，零件表面質量高，無環境污染，以及生(shēng)産作業條件好等。因此，真空熱處理在航天領域産品零部件的熱處理方面深受歡迎，尤其對不鏽鋼等特殊材料的處理更是較佳的選擇。下(xià)面分(fēn)析不鏽鋼在真空熱處理方面的特點和簡要工(gōng)藝。
1.真空熱處理概述
真空熱處理是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術，是指将工(gōng)件放(fàng)在低于1個大(dà)氣壓的密閉容器中(zhōng)加熱和冷卻的熱處理。對于不鏽鋼淬火(huǒ)或固溶加熱（大(dà)于1000℃），可控制真空度在5～10Pa，回火(huǒ)或消除應力處理加熱（小(xiǎo)于700℃），可控制真空度在0.1～0.2Pa。在真空氣氛中(zhōng)加熱優于其他加熱介質（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(xià)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，因此零件氧化、脫碳、侵蝕等現象會普遍發生(shēng)。而真空熱處理加熱是在極稀薄的氣氛中(zhōng)進行，在這種真空度條件下(xià)加熱，可有效地保護不鏽鋼表面不産生(shēng)各類有害效果。
2.真空熱處理的特點
（1）加熱速度慢(màn)
在真空條件下(xià)加熱時，工(gōng)件的加熱過程隻有熱輻射和工(gōng)件本身的熱傳導，滿足斯蒂芬-波爾茲曼四次方定律：E=4.96ε(T/100)4
式中(zhōng)E—理想灰體(tǐ)傳熱能力，J/(m2·h)；4.96ε—理想灰體(tǐ)輻射系數，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(gōng)件升溫速度必然緩慢(màn)。真空加熱還存在一(yī)個特殊的“滞後”現象，即真空爐中(zhōng)測量溫度的熱電(diàn)偶升到設定的淬火(huǒ)溫度時，被加熱零件還遠沒達到淬火(huǒ)溫度。所以真空加熱時的工(gōng)件保溫時間要比在空氣中(zhōng)的加熱保溫時間長，在實際操作中(zhōng)，保溫時間可延長1倍，或采取幾個台階的加熱方式。
（2）可潔淨工(gōng)件表面
真空熱處理可使工(gōng)件表面得到淨化，獲得光亮的表面，這是由于在真空條件下(xià)，原先附着在工(gōng)件表面上的油污、加工(gōng)潤滑劑等脂肪類物(wù)質可分(fēn)解成氫、水蒸氣和二氧化碳氣體(tǐ)，這些氣體(tǐ)可迅速被真空泵排出，不會對工(gōng)件表面形成污染。
（3）降低工(gōng)件中(zhōng)的其他含量
氣體(tǐ)在金屬中(zhōng)的溶解度是随溫度變化的，一(yī)般情況是在高溫時溶解度大(dà)，低溫時溶解度小(xiǎo)，在有相變點的金屬中(zhōng)，在相變點附近的溫度區間氣體(tǐ)溶解度變化更大(dà)。因此，金屬從液态冷卻成固态時，因冷卻速度快，有一(yī)部分(fēn)氣體(tǐ)來不及逸出而保留在鋼中(zhōng)。一(yī)般鋼中(zhōng)均含有氧、氫、氮等氣體(tǐ)，這些氣體(tǐ)的存在給鋼的性能帶來危害。在真空熱處理條件下(xià)，鋼中(zhōng)氣體(tǐ)将向表面哭三并從鋼表面逸出，随之被真空泵抽出爐外(wài)。鋼中(zhōng)有害氣體(tǐ)的減小(xiǎo)，結果是提高了鋼的性能質量。
（4）氧化物(wù)的分(fēn)解
鋼中(zhōng)的氧化物(wù)在大(dà)多數情況下(xià)對鋼的質量和性能是有害的。鋼中(zhōng)氧化物(wù)在一(yī)定條件下(xià)可以分(fēn)解，在真空條件下(xià)，真空度低于氧化物(wù)的分(fēn)解壓力時，氧化物(wù)将發生(shēng)分(fēn)解反應：
2MO= 2M + 2OÓ
2O→ O2Ó
氧化物(wù)分(fēn)解後形成的氧會逸出鋼基體(tǐ)，被真空泵排出爐外(wài)，因而改善了鋼的表面質量。
（5）合金元素的蒸發
鋼中(zhōng)的各種合金元素在一(yī)定的溫度下(xià)有各自的蒸氣壓，一(yī)種合金元素在不同溫度下(xià)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，合金元素将會蒸發。所以，在真空熱處理條件下(xià)，鋼中(zhōng)的合金元素會有不同程度的蒸發，結果是鋼中(zhōng)合金元素的含量會降低。鋼中(zhōng)合金元素的減少不僅使其物(wù)理化學性質發生(shēng)變化，還會影響鋼熱處理的效果和性能，特别是不鏽鋼中(zhōng)的鉻、鎳、钼等元素的流失會降低鋼的耐腐蝕性能。可見，真空熱處理的這一(yī)特點是有害的。爲此，爲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，常向爐内通以惰性氣體(tǐ)，調整爐内壓力，使其接近或高于合金元素的分(fēn)解壓力，使爐内壓力維持在26.6～200Pa下(xià)加熱，可得到較好的實際生(shēng)産效果。
3.不鏽鋼的真空熱處理工(gōng)藝要點
（1）設備的選擇。真空熱處理爐有不同的型式（立式、卧式、組合式等），不同的加熱熱源（電(diàn)阻加熱、感應加熱、電(diàn)子束加熱、等離(lí)子加熱等），不同的加熱方式（外(wài)加熱、内加熱等）。按使用溫度可分(fēn)爲低溫爐（≤700℃）、中(zhōng)溫爐（＞700～1000℃）、高溫爐（＞1000℃），按極限真空度可分(fēn)爲低真空（1.33×103～13.3Pa）、中(zhōng)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(xià)，即可實現無氧化加熱；對于馬氏體(tǐ)不鏽鋼95Cr18材料，在850℃以上溫度加熱，真空度應選擇在13.3～1.33Pa，即可實現無氧化加熱。特别注意有些材料，在同一(yī)真空度下(xià)，往往高溫時不氧化，中(zhōng)溫時氧化。如：20Cr13、40Cr13等馬氏體(tǐ)不鏽鋼，真空度6.5Pa時加熱，溫度1050℃左右加熱無氧化，而在600～700℃加熱卻出現氧化。所以真空加熱時，不同的溫度段，所使用的真空度也應有所不同。
對于不鏽鋼熱處理來說，主要考慮設備操作方便，系統安全可靠，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(dà)設備成本。壓升率不大(dà)于0.6Pa/h，溫度均勻性要高，溫差一(yī)般不大(dà)于±5℃，具有可滿足冷卻需要的氣冷或油冷裝置。
（2）不鏽鋼真空熱處理操作要點。
①裝爐。工(gōng)件裝爐時要均勻分(fēn)布，保留間隙，這是考慮以輻射加熱爲主的加熱特點，以保證工(gōng)件加熱均勻。
②預熱。不鏽鋼加熱溫度較高，當工(gōng)藝溫度在1000～1100℃時，用800℃溫度保溫預熱，工(gōng)藝溫度大(dà)于1100℃時，可用850℃溫度保溫預熱，然後再升至工(gōng)藝要求的加熱溫度。
③加熱溫度。不鏽鋼熱處理的加熱溫度與在空氣爐中(zhōng)的加熱溫度相同，最好取下(xià)限溫度。
④保溫時間。不鏽鋼真空熱處理時，在高溫區的保溫時間要比在空氣爐中(zhōng)加熱适當延長，延長時間爲1倍左右，在回火(huǒ)的低溫區，比空氣爐中(zhōng)的回火(huǒ)保溫時間略長即可。
⑤工(gōng)作時真空度的調整。考慮鋼的真空加熱時合金元素蒸發的特點，在高溫時，可用充加惰性氣體(tǐ)的方法，如氮氣等，升高爐内壓力，爐溫在900℃以下(xià)時可控制爐内壓力在1.33×10-2Pa，在900～1100℃時可控制爲13.3～1.33Pa，在＞1000℃時可控制爲13.3～665Pa。
真空熱處理不發生(shēng)表面脫碳、滲碳、氧化反應，并且真空熱處理有脫脂、脫表面鏽迹，使被處理工(gōng)件表面高度的淨化和活化，并容易實現均勻可控地緩慢(màn)加熱、和快速冷卻，所以真空熱處理變形很小(xiǎo)。另外(wài)，真空熱處理已具備可控氣氛熱處理較多的優點，并因質量好、變形小(xiǎo)、節能源和安全等特色，在不久的将來，由目前可控氣氛熱處理向真空熱處理轉移的傾向将會增加。
什麽是真空熱處理加工(gōng)技術？
主要指的是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術，其中(zhōng)，真空熱處理所處的真空環境指的是低于一(yī)個大(dà)氣壓的氣氛環境，包括低真空、中(zhōng)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(gōng)藝的全部和部分(fēn)在真空狀态下(xià)進行的，真空熱處理可以實現幾乎所有的常規熱處理所能涉及的熱處理工(gōng)藝，但熱處理質量大(dà)大(dà)提高。
與常規熱處理相比，真空熱處理加工(gōng)技術可同時實現無氧化、無脫碳、無滲碳，可去(qù)掉工(gōng)件表面的磷屑，并有脫脂除氣等作用，從而達到表面光亮淨化的效果。
1. 真空熱處理加工(gōng)技術的應用
其實，真空熱處理加工(gōng)技術在國外(wài)應用的較早，美國的海斯公司和日本真空研究所在1968年，先後研制出真空淬火(huǒ)油和水劑淬火(huǒ)介質，從而，真空淬火(huǒ)技術在熱處理行業得到迅速發展，從單室爐發展到了多組合機群，從一(yī)般的真空淬火(huǒ)發展到高壓氣淬、真空水劑淬火(huǒ)、真空滲碳、真空碳氮共滲及多元共滲等。
而我(wǒ)國在經過幾十年的努力，真空爐制造廠商(shāng)在設計、制造水平和質量上得到了很大(dà)的提高，用國産真空設備替代從國外(wài)進口的真空設備逐漸增多，從而降低了使用單位的生(shēng)産成本，使真空熱處理的應用範圍迅速擴大(dà)。
2. 真空熱處理加工(gōng)技術的工(gōng)藝原理
利用金屬在真空狀态下(xià)的變相特點，在與大(dà)氣壓隻差0.1MPa範圍内的真空下(xià)，固态相變熱力學、動力學不産生(shēng)什麽變化。在制訂真空熱處理工(gōng)藝規程時，完全可以依據在常壓下(xià)固态相變的原理，完全可以參考常壓下(xià)各種類型組織轉變的數據。同時，在真空脫氣作用下(xià)，可以提高金屬材料的物(wù)理性能和力學性能，在真空狀态下(xià)加熱，金屬工(gōng)件表面元素會發生(shēng)蒸發現象。金屬實現無氧化加熱所需的真空度，表面淨化作用，實現少無氧化和少無脫。
3. 真空熱處理加工(gōng)技術的特點
（1）真空熱處理加工(gōng)的優越性
真空熱處理加工(gōng)是和可控氣氛并駕齊驅的應用面很廣的無氧化熱處理技術，也是當前熱處理生(shēng)産技術先進程度的主要标志(zhì)之一(yī)。真空熱處理不僅可以實現鋼件的無氧化、無脫碳，而且還可以實現生(shēng)産的無污染和工(gōng)件的少畸變，因而，它還屬于清潔和精密生(shēng)産技術範疇。目前，它已成爲工(gōng)模具生(shēng)産中(zhōng)不可替代的先進技術。
（2）真空熱處理工(gōng)藝工(gōng)件畸變小(xiǎo)
據國内外(wài)經驗，工(gōng)件真空熱處理的畸變量僅爲鹽浴加熱淬火(huǒ)的三分(fēn)之一(yī)。研究各種材料、不同複雜(zá)程度零件的真空加熱方式和各種冷卻條件下(xià)的畸變規律，并用計算機加以模拟，對于推廣真空熱處理技術具有重要意義。真空加熱、常壓或高壓氣冷淬火(huǒ)時，氣流均勻性對零件淬硬效果和質量分(fēn)散度有很大(dà)影響。采用計算機模拟手段研究爐中(zhōng)氣流循環規律，對于改進爐子結構具有重要意義。
（3）采用真空熱處理爐
現代真空熱處理爐，是指可施行元件的真空加熱，然後在油中(zhōng)淬火(huǒ)或在常壓和加壓氣體(tǐ)中(zhōng)淬火(huǒ)的冷壁式爐子。研究開(kāi)發這種類型的設備是一(yī)項綜合性強、跨學科、牽涉到很多科技領域的工(gōng)作。
工(gōng)模具材料真空熱處理的應用前景很大(dà)。大(dà)多數工(gōng)模具鋼目前都采取在真空中(zhōng)加熱，然後在氣體(tǐ)中(zhōng)冷卻淬火(huǒ)的方式。爲了使工(gōng)件表面和内部都獲得滿意的力學性能，必須采用真空高壓氣淬技術。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(tǐ)壓力的逐步提高是一(yī)個重要的發展趨勢。