4.3　真空热处理

热处理一般不改变零件的形状和整体的化学成分，但改变零件内部的显微组织，或改变零件表面的化学成分，赋予或改善零件的使用性能，改善零件的内在质量，提高零件的耐磨、耐腐蚀等性能。改善毛坯的组织和应力状态，消除铸造、锻造和焊接等加工工艺所造成的缺陷，以利于进行各种冷、热加工。

热处理主要分为整体热处理、表面热处理、化学热处理和真空热处理。表面热处理是指快速加热零件，当热量未传至心部时，将其迅速冷却。整体热处理是对零件整体加热，以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，改变其整体力学性能。化学热处理是将零件放入一定的化学介质，经加热保温，使介质中分解产生一种或几种元素的活性原子被零件表面吸收，并向表层一定深度扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。

在负压气氛或真空环境中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使零件不氧化，不脱碳，保持处理后零件表面光洁，提高零件的性能，还可以放入渗剂进行化学热处理。

4.3.1　真空热处理基础

真空是指在给定的空间内，气体分子密度大大低于该地区大气压下的气体分子密度的状态。在真空环境下，单位体积中气体分子的数目较少；气体内部，气体分子间相互碰撞次数较少；气体分子撞击容器内壁表面的次数少。

可将真空度划分为表1-4-5所示的五种。真空度单位换算见表1-4-6。

表1-4-5　真空度的种类

表1-4-6　真空度单位换算

当气体分子与固体表面碰撞时，使固体表面吸气的现象称为吸附。气体分子脱离固体表面的过程称为解吸。用于克服气体分子与固体表面分子间结合力的能量称为解吸热。在低压强下，炉内能量大于解吸热时，气体分子被解吸。气体渗入固体内部，形成新的固态化合物称为吸收，也称为固体内部吸气。吸附和吸收的综合作用称为收附。

4.3.2　真空在热处理中的作用

真空在热处理中的作用主要分为真空保护、真空除气、净化、脱脂和蒸发。

1.真空保护

金属在空气炉中加热，可生成氧化物、氢化物和氮化物。气体向金属内部扩散，使金属性能产生变化。真空热处理是在极端稀薄的空气中进行的，真空炉内残存的气体H2O、O2、CO2以及油脂等有机物蒸气含量非常少，不足以使被处理的金属材料产生氧化、脱碳和增碳作用，因此金属表面的化学成分和原来表面的光亮度可保持不变，实现真空保护作用。

2.真空除气

真空除气通常分为两种：一种是在真空条件下，金属中的气体以分子形式或以分子状态从金属表面释放出来，并随即被真空泵抽走。如水蒸气、N2、CO2等气体分子是以物理或化学吸附形式被吸附在金属表面上，当真空度抽到100　Torr时，这些气体产生解吸而被抽走，通过加热加速气体的解吸速度。当气体是以分子状态存在于金属内部的气孔或裂缝处时，首先使气体分子分解为气体原子或离子并溶于金属。除气的工作过程：气体分子在气孔或裂缝处呈物理吸附状态，由物理吸附变为化学吸附，并分解为气体原子或离子；分解的气体原子或离子溶解于金属的点阵，通过扩散迁移而使气体原子在金属表面呈被吸附状态，然后按除气过程将气体从金属表面除去。

另一种除气是指金属氧化物在真空环境下加热时被还原，气体从金属表面挥发的净化过程。决定真空除气效果的因素有真空度、温度和时间。在给定的真空条件下，温度越高除气效果越好；真空度和温度确定后，除气时间越长，气体的扩散和挥发效果越好，除气效果越好。与常规热处理相比，经真空热处理除气后，金属材料的机械性能明显增加，尤其是塑性和韧性。

3.净化

真空净化作用是指在真空中加热时，金属表面的氧化膜、轻微锈蚀、氮化物和氢化物等化合物，被还原、分解或挥发而消失，使金属获得光洁的表面。

4.脱脂

油脂、润滑剂均属脂肪族碳氢化合物，蒸气压较高。在真空中加热时，自行挥发或分解成水、氢气和二氧化碳等气体，并被真空泵抽走，实现了脱脂的效果，避免了高温时与零件表面产生反应，获得无氧化和无腐蚀的光洁表面。

5.蒸发

在不同温度环境下，金属蒸气作用于金属表面上的平衡压力（蒸气压）也不同，温度高蒸气压高；温度低蒸气压低；温度一定时蒸气压也一定。当外界压力小于该温度的蒸气压时，金属将会蒸发而产生损失。

真空热处理时，固态金属被蒸发的现象，称为真空热处理的蒸发作用。金属在真空环境加温时，外界压力不能平衡金属在该温度下的蒸气压，金属产生蒸发。温度越高，固态金属的蒸发量越大。真空度越高外界压力越小，金属就越容易被蒸发。为防止零件合金元素的挥发，根据零件材料特性，通入高纯度的惰性气体来调节炉内的真空度，一般选择在低真空环境下加热。

4.3.3　真空热处理炉

1.真空热处理炉的加热特点

真空热处理炉的加热特点：一是炉子升温速度快。一般的炉子露在空气中。炉壁面一般采用隔热性能好的材料，炉壁面蓄热少、保温性能好、热损失小，炉子升温速度快。空载的炉子，30 min可从室温升至（[0-9]+）（[0-9]+）℃，真空热处理炉如图1-4-56所示。

图1-4-56　真空热处理炉

二是零件升温速度慢。零件在真空热处理炉中加热比在盐熔炉、空气炉和其他气氛炉中加热都慢。以f50 mm×100 mm的GCr15钢试样为例，试样心部加热由0℃到850℃时，盐熔炉、空气炉和真空炉分别需要8 min、35 min和50 min。工件在真空热处理炉中加热比在盐熔炉、空气炉和其他气氛炉中加热都慢。在真空热处理炉中的透烧加热时间是盐熔炉的6倍，空气炉的1.5倍。图1-4-57所示为加温一个工件时炉温和被加热工件的温度曲线。

图1-4-57　炉温和被加热工件的温度曲线

空气炉一般是在正压下工作，炉内的热交换既有辐射又有对流，盐熔炉主要是直接热传导，因此工件升温较快，可用于火焰筒干洗。而真空热处理炉内，气体极为稀薄，工件主要靠辐射加热，所以工件升温缓慢。尤其是在600℃以下，这种特点就更加明显。

2.真空热处理加热时间的确定

真空热处理时，有不少因素影响加热速度，如工件在料筐中排列的方式、工件的形状尺寸、表面光亮度、材料特性、装炉量、加热温度和加热方式等。精确地计算出加热时间，有一定困难，因此主要参考理论计算公式，根据实践经验进行调整。下面为普通碳钢和高合金钢的真空淬火加热时间计算经验公式，如果是真空退火则加热时间要适当延长。

（1）不预热，直接随炉升温加热的普通碳钢加热时间算法。不预热，直接随炉升温加热的加热时间是指炉子到温后开始计算的加热时间，见式（1-4-1）。

（2）须预热处理的普通碳钢工件预热时间和加热时间计算，见式（1-4-2）。

（3）高合金钢和高速钢加热时间的计算，见式（1-4-3）。

（4）在双室或连续式真空热处理炉中工件加热时间的计算，见式（1-4-4）。

3.使用真空热处理炉的注意事项

（1）炉子不用时一般处于真空状态。

（2）使用炉子前先观察炉子的真空状态，若真空则开通进气阀充气到常压。

（3）炉子须抽至规定真空再加温，防止污染。

（4）如果需要加压，通过炉子的控制程序进行加压。

4.3.4　真空热处理的特点

1.真空热处理的优点

（1）热处理变形小。实践证明，采用真空热处理可明显地减少零件的变形。

（2）提高机械性能，延长使用寿命。真空热处理，可以避免产生氧化、脱碳、合金元素贫化、腐蚀等缺陷。明显地提高了零件的疲劳寿命。

（3）节省能源。真空热处理炉，采用了隔热性能好、热容量小的隔热材料和结构，因此炉子蓄热和散热损失很小。炉内几乎不存在炉气，为特定目的使用的气体带走的热量也极小。

（4）减少污染。热处理是容易对环境产生影响的工艺。而真空热处理炉，无炉气，电加热，不排废气和烟尘。

2.真空热处理的缺点

（1）蒸发出的金属元素，会污染其他金属表面，产生金属蒸镀，相互黏结。

（2）金属被蒸发，造成金属表面粗糙。

（3）引起金属表面元素变化，造成脱落，脱锌。

（4）金属的蒸发物，沉积在炉内，造成炉子电气绝缘降低、短路，发生事故。

（5）真空热处理设备较复杂，成本高。

4.3.5　真空退火

真空退火操作过程是首先加热到所需要的温度，保温一定时间，随后按预定速度冷却。在各种真空热处理工艺中，真空退火由于操作简便而获得广泛的应用。真空退火往往是热处理的最初工序。真空退火的目的：使金属材料获得洁净光亮的表面，省去或减少后序加工工序；使金属材料软化，消除内应力和改变晶粒结构；去除材料中吸收的气体，提高材料的机械性能。

真空退火主要用于化学性质活泼、高温易氧化和吸气的难熔金属，如钨、镍、铜、钛和钛合金，精密锻造件和铸造件、表面要求高的冲压件、拉伸件消除加工硬化和应力退火等。在真空度一定的条件下，随着退火温度的提高，零件表面的光亮度也随之提高。为了获得比较理想的表面光亮度，通常在退火温度较低时，采用较高的真空度；退火温度较高时，则可采用稍低的真空度。

4.3.6　真空淬火

真空淬火是在真空状态下加热，然后在冷却介质中快速冷却，改变原子的排序，使钢硬化改善性能。图1-4-58中实线为温度变化，虚线为真空度变化。从图中可以看到，工件装入炉内后首先进行排气；当真空度达一定压力时开始加热，加热前通常要预热，以使工件的温度和炉温相同，并使工件本身受热均匀。当保温结束后炉内回充惰性气体，大体升压至一定压力时，工件油淬，或利用风扇使冷却气体循环进行气淬。

图1-4-58　真空淬火工艺曲线

真空油淬的目的是获得光亮洁净的表面，增加钢的硬度和耐磨性，先淬火配合回火，从而获得钢的强度、韧性和塑性相配合的综合机械性能。真空淬火的快速冷却方法有惰性气体冷却、油淬、水淬和硝盐等温淬火，一般采用气体和油淬火。水淬和硝盐等温淬火应用较少，气体淬火和油淬相对应用多。