1.2　真空热处理的作用和特点

1.2.1　真空热处理的作用

1.2.1.1　真空的保护作用

真空热处理是在负压气氛中进行的热处理，其加热过程称真空加热。这个过程需要维持的气压状态（即工作压力或工作真空度）一般在100～10-3Pa左右。根据气体分析，在此压力下真空炉内残存的气体，如水蒸气、氧、二氧化碳及油脂等有机物蒸气含量已经非常之少，不足以使被处理的金属材料产生氧化、脱碳、增碳等作用。在真空加热时，由于气氛中氧的分压低于被加热金属表面的氧化物分解压力，氧化作用被抑制，所以被处理的金属表面与原表面光亮度比较，可在很大程度上保持不变。可见真空不但对工件加热起到保护作用，还能使金属保持原有的光亮表面，故真空热处理也属于光亮热处理范畴。

1.2.1.2　表面净化作用

在真空热处理前，金属表面上经常会附着氧化物、氮化物、氢化物等物质。在真空中加热时，这些化合物被还原分解或挥发而消失，从而使金属获得光洁的表面。例如，在高速钢或不锈钢的表面上所形成的很薄的氧化膜，能够在约1000℃以上的真空热处理炉中清除掉。金属（M）的氧化物在高温加热时，其分解反应一般可用下式表示：

　2MO2M+2O

2OO₂

金属的氧化反应和分解反应是可逆的。反应向哪个方向进行，取决于炉中加热气氛中氧的分压和氧化物分解压之间的关系。氧的分压是指炉内气氛总压力中氧所占的压力。氧化物分解压是指由于氧化物分解达到平衡后所产生的分压。在给定的温度下，如果氧的分压小于氧化物分解压，则反应向右进行，结果是氧化物分解。在高真空条件下，炉内残余气体很少，氧的分压很低，低于氧化物分解压，故反应向右进行，产生的氧气被泵抽出，因此氧化物被除掉，保持了金属的光亮度。可见真空提供了氧化物分解的条件，能使金属表面得到净化。

1.2.1.3　真空除气作用

在真空炉中进行热处理时，金属工件中的气体被脱出，从而提高了工件的性能。金属材料经过真空热处理，与常规热处理相比，其力学性能，特别是塑性和韧性得到明显改善，其主要原因是真空热处理过程中的除气作用，排除金属中的氧、氢、氮等气体，能显著改善金属的疲劳和韧性指标。如强度在1700～1800MPa的30CrMnSi钢螺栓，当氢含量达到13×10-6～17×10-6时，就会产生氢脆。采用真空淬火工艺后，材料的含氢量可由大气等温淬火工艺（除去表层黑皮）的8×10-6减少到4.2×10-6左右。真空加热的除气作用，可使含Fe 2%、Cr 2%、Mo 2%的钛合金的含氧量，从0.036%减少到0.003%。

1.2.1.4　真空脱脂作用

金属零件在热处理之前的机械加工过程中，往往要使用各种冷却剂和润滑剂。这些含有油脂的冷却剂和润滑剂不可避免要吸附在零件表面上。但在真空热处理时，零件只要进行简单的清洗、烘干就可以进行热处理，而不需要特殊的脱脂处理。因为油脂为烃类化合物，饱和蒸气压较高，在真空中加热会自行挥发或分解为水蒸气、氢气和二氧化碳等气体，被真空泵抽出。故可以得到无氧化、无腐蚀的光洁金属表面，而这个过程在气体的常压状态下是不可能做到的。

1.2.1.5　蒸发现象

金属在真空中被加热，其中的某些蒸气压较高的合金元素，如Ag、Al、Mn、Cr、Si、Pb、Zn、Mg、Cu、Ni、Co等易产生蒸发现象。各种金属元素都具有一定的饱和蒸气压，当外界的压力低于该元素的饱和蒸气压时，该元素即发生蒸发现象。这种现象会造成材料表面元素贫化以及零件之间、零件与料筐之间的粘接，以及零件表面粗糙，影响表面的光亮。同时，元素的蒸发会影响和改变零件材料原有的特性。此外，蒸发物沉积在热处理炉的构件上，会降低电极等炉内构件的绝缘性能，容易发生绝缘等级下降甚至短路事故。因此，在真空热处理过程中，认为只要提高真空度就能得到良好处理效果的想法是不全面的，要根据具体的处理零件材料所含元素的蒸气压情况，选择和控制加热时恰当的真空度，可以防止某些金属元素的大量蒸发。

在真空热处理的实际操作中，可以根据金属材料的种类，特别是处理温度在1000～1200℃或以上时，对于类似合金钢中含有的Cr、Mn等具有较高蒸气压（容易挥发）元素的材料，需要通入惰性气体或高纯氮气来调节炉内的真空度，防止这些金属大量挥发。由于惰性气体的存在，形成热对流，还有利于金属材料的均匀加热，减少零件因升温不均产生热应力而引起的变形。