1.2　真空熱處理的作用和特點

1.2.1　真空熱處理的作用

1.2.1.1　真空的保護作用

真空熱處理是在負壓氣氛中進行的熱處理，其加熱過程稱真空加熱。這個過程需要維持的氣壓狀態（即工作壓力或工作真空度）一般在100～10-3Pa左右。根據氣體分析，在此壓力下真空爐內殘存的氣體，如水蒸氣、氧、二氧化碳及油脂等有機物蒸氣含量已經非常之少，不足以使被處理的金屬材料產生氧化、脫碳、增碳等作用。在真空加熱時，由于氣氛中氧的分壓低于被加熱金屬表面的氧化物分解壓力，氧化作用被抑制，所以被處理的金屬表面與原表面光亮度比較，可在很大程度上保持不變。可見真空不但對工件加熱起到保護作用，還能使金屬保持原有的光亮表面，故真空熱處理也屬于光亮熱處理范疇。

1.2.1.2　表面凈化作用

在真空熱處理前，金屬表面上經常會附著氧化物、氮化物、氫化物等物質。在真空中加熱時，這些化合物被還原分解或揮發而消失，從而使金屬獲得光潔的表面。例如，在高速鋼或不銹鋼的表面上所形成的很薄的氧化膜，能夠在約1000℃以上的真空熱處理爐中清除掉。金屬（M）的氧化物在高溫加熱時，其分解反應一般可用下式表示：

　2MO2M+2O

2OO₂

金屬的氧化反應和分解反應是可逆的。反應向哪個方向進行，取決于爐中加熱氣氛中氧的分壓和氧化物分解壓之間的關系。氧的分壓是指爐內氣氛總壓力中氧所占的壓力。氧化物分解壓是指由于氧化物分解達到平衡后所產生的分壓。在給定的溫度下，如果氧的分壓小于氧化物分解壓，則反應向右進行，結果是氧化物分解。在高真空條件下，爐內殘余氣體很少，氧的分壓很低，低于氧化物分解壓，故反應向右進行，產生的氧氣被泵抽出，因此氧化物被除掉，保持了金屬的光亮度。可見真空提供了氧化物分解的條件，能使金屬表面得到凈化。

1.2.1.3　真空除氣作用

在真空爐中進行熱處理時，金屬工件中的氣體被脫出，從而提高了工件的性能。金屬材料經過真空熱處理，與常規熱處理相比，其力學性能，特別是塑性和韌性得到明顯改善，其主要原因是真空熱處理過程中的除氣作用，排除金屬中的氧、氫、氮等氣體，能顯著改善金屬的疲勞和韌性指標。如強度在1700～1800MPa的30CrMnSi鋼螺栓，當氫含量達到13×10-6～17×10-6時，就會產生氫脆。采用真空淬火工藝后，材料的含氫量可由大氣等溫淬火工藝（除去表層黑皮）的8×10-6減少到4.2×10-6左右。真空加熱的除氣作用，可使含Fe 2%、Cr 2%、Mo 2%的鈦合金的含氧量，從0.036%減少到0.003%。

1.2.1.4　真空脫脂作用

金屬零件在熱處理之前的機械加工過程中，往往要使用各種冷卻劑和潤滑劑。這些含有油脂的冷卻劑和潤滑劑不可避免要吸附在零件表面上。但在真空熱處理時，零件只要進行簡單的清洗、烘干就可以進行熱處理，而不需要特殊的脫脂處理。因為油脂為烴類化合物，飽和蒸氣壓較高，在真空中加熱會自行揮發或分解為水蒸氣、氫氣和二氧化碳等氣體，被真空泵抽出。故可以得到無氧化、無腐蝕的光潔金屬表面，而這個過程在氣體的常壓狀態下是不可能做到的。

1.2.1.5　蒸發現象

金屬在真空中被加熱，其中的某些蒸氣壓較高的合金元素，如Ag、Al、Mn、Cr、Si、Pb、Zn、Mg、Cu、Ni、Co等易產生蒸發現象。各種金屬元素都具有一定的飽和蒸氣壓，當外界的壓力低于該元素的飽和蒸氣壓時，該元素即發生蒸發現象。這種現象會造成材料表面元素貧化以及零件之間、零件與料筐之間的粘接，以及零件表面粗糙，影響表面的光亮。同時，元素的蒸發會影響和改變零件材料原有的特性。此外，蒸發物沉積在熱處理爐的構件上，會降低電極等爐內構件的絕緣性能，容易發生絕緣等級下降甚至短路事故。因此，在真空熱處理過程中，認為只要提高真空度就能得到良好處理效果的想法是不全面的，要根據具體的處理零件材料所含元素的蒸氣壓情況，選擇和控制加熱時恰當的真空度，可以防止某些金屬元素的大量蒸發。

在真空熱處理的實際操作中，可以根據金屬材料的種類，特別是處理溫度在1000～1200℃或以上時，對于類似合金鋼中含有的Cr、Mn等具有較高蒸氣壓（容易揮發）元素的材料，需要通入惰性氣體或高純氮氣來調節爐內的真空度，防止這些金屬大量揮發。由于惰性氣體的存在，形成熱對流，還有利于金屬材料的均勻加熱，減少零件因升溫不均產生熱應力而引起的變形。