作者：李宝民、王志坚、徐成海 编著
出版社：化学工业出版社
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真空热处理试读：
前言
真空热处理技术是将真空技术与热处理工艺相结合，实现金属材料或机械零件性能改变，提高实用价值的工程技术，真空热处理是现代热处理技术的一种。真空热处理具有使被处理材料或机械零件无氧化、不脱碳、变形小、表面质量好、使用寿命长、无污染、无公害、力学性能优异等特点。因此，真空热处理成为现代制造业中不可缺少的关键技术之一，在机械、冶金、能源、交通、兵器、建筑、轻工、纺织、化工、石油、航天、航空、电子、电器等领域，得到广泛的重视和应用。
热处理的种类很多，其中真空热处理和气体保护热处理是先进的现代热处理技术。真空热处理也有许多种类，根据热处理材料或零件要求的性能不同，广义的真空热处理包括真空退火、真空回火、真空正火、真空淬火、真空渗碳、真空渗氮、真空烧结、真空钎焊、真空表面处理等工业过程。本书在介绍真空热处理理论的基础上，重点研究其中常用的真空退火、真空淬火、真空渗碳等几种工业过程，在研究每一种工业过程时，主要都包括真空热处理设备和真空热处理工艺两部分内容。
本书是在编著者攻读博士学位期间、参加科研工作过程中，学习总结工作内容的基础上，参考了前辈的许多经验及部分文章、书籍编写而成的，在此向他（她）们表示衷心的感谢。
本书可供机械、化工、冶金、材料等专业大学本科生学习，硕士、博士研究生作学术论文参考，从事真空热处理设备设计的工作者使用，从事真空热处理工艺的工作人员参考。
全书共分7章，第1章绪论、第2章真空热处理技术基础由徐成海编著；第3章真空退火、第4章真空渗碳与真空渗氮、第7章真空热处理的关键技术由李宝民编著；第5章真空淬火、第6章真空加压气淬由王志坚编著。全书最后由徐成海审校。
由于编著者的经验与水平有限，书中难免有疏漏之处，欢迎读者批评指正。编著者1 绪论
真空热处理是一门现代热处理技术，它是真空技术与热处理技术相结合，实现金属材料或机械零件改变内部结构和性能，提高其实用价值的一门综合性工程技术。真空热处理具有“绿色热处理”之美称，因为它能使被处理材料或机械零件具有无氧化、不脱碳、变形小、表面质量好、使用寿命长、无污染、无公害、力学性能优异等特点。因此，受到了先进机械制造领域，现代新型材料科学领域的广泛重视和应用。例如，机床零件中的60%～70%，汽车零件中的70%～80%，工具、模具和精密零件的几乎100%需要热处理，真空热处理是首选的工艺技术。
真空热处理技术与普通热处理技术一样，根据热处理材料或零件的性能要求不同，分为真空退火、真空回火、真空正火、真空淬火、真空渗碳、真空渗氮等过程，更广泛的真空热处理还包括真空钎焊、真空烧结、真空表面处理等。每一种过程都应该包括真空热处理理论、真空热处理设备和真空热处理工艺三部分内容。真空热处理原理揭示了金属在加热、保温和冷却过程中的组织结构变化规律；真空热处理工艺则是指热处理的具体操作过程；而真空热处理设备是保证真空热处理工艺得以实施的手段。三者密不可分。1.1 热处理技术的分类
热处理是通过加热、保温和冷却以改变金属内部的组织结构（有时也包括改变表面化学成分），使金属具有所需性能的一种热加工技术。热处理技术有很多种类，总体可以归纳为：①在空气中加热；②在保护气氛中加热（无氧化加热）；③特殊表面热处理；④复合热处理。
根据加热、保温、冷却方式以及获得的组织结构、性能不同，热处理可以分为普通热处理（不改变化学成分，如退火、正火、淬火、回火）、化学热处理（改变金属的化学成分，如渗碳、渗氮）、复合热处理（如渗碳淬火、变形热处理）等。按照热处理在金属材料或机械零件整个生产工艺过程中所处的位置和作用的不同，热处理又可分为预备热处理和最终热处理。1.1.1 真空热处理工艺的分类
真空热处理是普通热处理技术的发展，其分类方法与普通热处理基本相同，普通热处理能做的，真空热处理基本上都能做。例如，真空退火、真空淬火、真空回火、真空渗碳、真空渗氮、真空渗铬、真空渗硼、真空碳氮共渗等。真空淬火介质可以是油淬、气淬、水淬、硝盐淬等。表1-1给出了真空热处理的用途、适用的材料、实用举例等。表1-1 真空热处理的种类及应用实例1.1.2 真空热处理设备的分类
真空热处理设备（炉）的分类方法很多，通常按以下几种特征进行分类。
按用途可以分为：真空退火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空淬火炉、真空钎焊炉、真空烧结炉等。-1
按真空度可以分为：低真空炉（压力在1333～1.33×10Pa）、-1-4高真空炉（压力在1.33×10～1.33×10Pa）、超高真空炉（压力在-41.33×10Pa以上）。
按工作温度可以分为：低温炉（温度≤700℃）、中温炉（温度在700～1000℃）、高温炉（温度＞1000℃）。
按作业性质可以分为：周期式真空炉、半连续式真空炉、连续式真空炉。
按加热方法可以分为：电阻加热和感应加热两种。
按炉型结构形式可以分为：立式真空炉、卧式真空炉。
按热源的加热方式可以分为：电阻加热真空炉、感应加热真空炉、电子束加热真空炉、燃气加热真空炉。
通常，按真空炉的结构和加热方式，可以将真空热处理炉分为两大类：一类是外热式真空热处理炉，也称作热壁式真空热处理炉；另一类是内热式真空热处理炉，也称为冷壁式真空热处理炉。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-3在100～10Pa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+2O2OO2
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，-6-6当氢含量达到13×10～17×10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×-6-610减少到4.2×10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。1.2.2 真空热处理的特点
真空状态是一种良好的保护环境，在真空环境下热处理后的机械零件表面光滑、明亮，内部组织发生了变化，力学性能良好。除此之外，还有以下优点。（1）真空热处理节省能源，经济性好。真空热处理与常压热处理相比可以节省能源，因为真空热处理炉保温效果好，热损失少，减少了能耗。很多真空热处理设备（如真空电阻炉），可以用于多种真空热处理，例如真空退火、真空淬火、真空渗碳、真空钎焊、真空时效等。真空热处理炉可以实现机械化、自动化，节省人力和时间，从而降低产品成本。（2）真空热处理能实现环保。真空热处理与常压热处理相比，它是在密闭的环境下进行处理，环境清洁，废弃物排放及环境污染较少，真空热处理炉外壳都是水冷的，没有热影响，安全可靠。（3）真空热处理操作简单，提高了生产效率。真空热处理与常压热处理相比，对工人的操作要求简单，不容易出现差错，质量容易保证。真空热处理后的机械零件可以直接用于电镀，不必除油、清洗或进行其他表面加工，免除了许多辅助加工工序，节约了加工时间和加工费用，降低了生产成本。（4）真空热处理的机械零件质量好，提高了力学性能，能延长使用寿命。真空淬火可以将任何用油淬、气淬的材料淬到最高硬度；高速钢用真空热处理代替盐浴可以收到非常好的效果，如增加刀具寿命，刀具不会出现渗碳、脱碳、氧化、氢脆等问题；真空热处理的机械零件变形小，不容易开裂，例如高速钢燕尾铣刀真空加热，随后真空淬火不会发生开裂，零件采用真空油淬，其变形量仅为一般油淬的1/10，真空热处理后可以不用加工或只做少量磨削加工，模具的使用寿命可以延长40%～400%，工具的使用寿命能提高2～3倍。（5）真空热处理零件的变形量小。热处理过程中产生工件变形的原因：一是工件在热处理过程中产生相变应力；二是工件在加热和冷却过程中各部分温度变化速度不同而引起热应力。而真空热处理炉内温度均匀，在真空条件下加热，换热方式主要是热辐射，而不是对流加热，因此加热温度均匀，在1200℃下温度差仅为±5℃；真空热处理炉自动化程度高，炉内温度容易控制，炉内温度分布均匀，工件内外温度差较小，因而工件变形量小。（6）易于实现设备自动化，提高设备自动化程度，保证工件热处理的质量重复性好。由于真空热处理过程所需要的工作参数（如温度、压力、流量、时间、逻辑顺序等）均可由现代传感器接收、传递，可以预编出全部定量的工艺路线、执行程序。当前设计的真空热处理炉，几乎全部采用了计算机程序控制、调节、显示技术，实现了真空热处理设备的操作自动化，执行工艺过程正确无误，设备工作重复性好，人机对话与实时监控的灵活性好，从而保证了热处理产品质量的均匀一致。
真空热处理设备也有不足之处，主要体现在以下几方面。（1）热处理工件材料容易产生蒸发现象。在真空中加热，有些饱和蒸气压较高的金属元素，如铬、铜、锰、铝、铅、锌等，随着温度和真空度的提高会产生蒸发现象，使得材料表面某些元素缺失，改变了材料的表面性能，表面光洁度也会下降。金属元素蒸发后的再沉积液会污染真空炉。因此，在真空加热过程中，有时需要向真空炉内充入微量保护性气体（如纯净的氮、氩等），以保护气体的压力，控制高蒸气压的金属元素蒸发或升华。（2）真空热处理炉内会有放电现象发生。在真空炉内，在一定的气压和电压条件下，稀薄气体容易发生电离，产生辉光或弧光放电。如电阻加热的电极处，感应加热感应器的电引入装置构件之间，真空室内设置的电动机接线端子以及真空室的其他引线（如照明接线）等处，都容易发生放电现象。（3）对真空热处理设备操作者的文化素质要求较高。真空热处理设备涉及机械、电力、物理、金相、化学、计算机等方面的知识，设备控制、显示仪表较多，运行环节复杂，需要操作者对设备、运行过程有较清楚的了解，对设备故障能及时、有效地排除。（4）真空热处理炉比常压气体保护热处理炉复杂，第一次投资较高。1.3 真空热处理技术的应用
由于真空热处理具有的一系列特点，使得这项现代的新工艺得到了快速发展和广泛应用。从处理材料来看，该工艺可以处理碳钢、不锈钢、合金钢、耐热合金、磁性材料、钛及钛合金、锆及锆合金、工具钢（含模具钢、刃具钢）。从产品的构件来看，航空工业中的飞机机翼大梁、起落架、高强度螺栓等结构件，机械制造中的齿轮、轴类、工具、夹具、模具等都需要进行真空热处理。从应用的工艺领域来看，在机械、冶金、能源、交通、航天、航空、航海、兵器、建筑、轻工、纺织、化工、石油、电子、电器等行业都需要真空热处理。真空热处理在机械、电子产品更新换代，提高产品质量，节能降耗，发挥材料潜力，提高产品寿命方面都有重要作用，下面分类介绍。1.3.1 真空退火1.3.1.1 真空退火的特点
由于在真空加热中，有脱气、脱脂、清除锈迹的作用，溶解于金属中的气体容易排出去，所以真空退火后的零件表面清洁、光亮。真空退火时经过压力加工产生变形的晶粒得到恢复，同时形成新的晶粒，使得组织得到均匀细化，因而改变了材料的力学性能。真空退火之后材料表面没有润滑剂的痕迹，表面干燥，可以不经过酸洗或喷砂的清洁工序就可以直接电镀，达到实现缩短工艺流程、提高产品质量的目的。1.3.1.2 真空退火应用范围（1）难熔金属的退火。钼、钨、钽、钴、钒、锆等金属熔点很高，而且又极易氧化，易被耐火材料污染，在加工时强度和硬度又很高，如果其中含有氢、氧、氮等气体，会使材料延展性变差，为了把它们变成型材，则必须经过真空退火之后，软化了这些材料，再进行压力加工。（2）软磁合金的退火。软磁合金一般采用真空熔炼和真空轧制获得，因为它在温度、压力、辐射和机械负荷的作用下，还必须保证有稳定的磁性，因此需要用真空退火处理。（3）硅钢片的退火。为了排除硅钢片中的氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等气体，清除氧化物和硫化物，消除内应力和晶界畸变，提高磁感应强度，降低单位铁损，需要真空退火。（4）铁镍合金和铁硅合金的退火。目的是改善组织结构，提高韧性。（5）电工钢的退火。目的是提高塑性和均匀磁性。（6）不锈钢的退火。目的是提高不锈钢的抗晶间腐蚀能力。（7）结构钢的退火。目的是提高强度和表面光亮度。（8）钢丝及热电偶丝的退火。目的是获得光亮的表面，消除加工应力，去除金属丝中含有的氮和氧等有害气体。1.3.2 真空淬火
真空淬火的主要目的是改善和强化金属构件的质量，特别是表面层的质量。对于工具钢而言，真空淬火后可以保证足够的硬度要求，而且表面光亮度好，变形小，硬度高且均匀，使用寿命长，后加工工艺简单，生产周期短。
钢在真空淬火后，表面光亮是由于供给表面无氧化膜，附着在供给表面的油污杂质被挥发，从而使金属零件表面有光泽。真空淬火缓慢且均匀，气冷淬火后工件原地冷却不必移动，因此变形小且有规律。真空淬火后无氧化、脱碳，高合金工具钢由于淬火加热温度高，真空加热后高活性的表面在油淬时将发生瞬时渗碳，形成一小层渗碳层，因此使真空淬火后的硬度比普通淬火时高而且均匀，不会出现淬火软点。真空加热时的脱气作用可以提高材料的强度、耐磨性、抗咬合性能及疲劳强度，所以真空淬火后工件的寿命普遍较高。据报道，模具经真空淬火后平均寿命可提高30%以上，有的则可提高到4倍。
适合真空淬火的材料非常多，有碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、不锈钢（马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢）、高速钢、轴承钢、耐冲击钢、钛合金、铁镍基/镍基/钴基合金等。铍青铜真空淬火后，韧性可以提高50%，并且减少了氧化。1.3.3 真空高压气淬
真空高压气淬是在真空状态下将被处理工件加热，而后在高压力、高流速的冷却气体中进行快速冷却，提高被处理工件表面硬度的工艺过程。
真空高压气淬与普通气淬、油淬、盐浴淬火相比具有明显的优点：①工件表面质量好、无氧化、无增碳；②淬火均匀性好、工件变形小；③淬火强度可控性好，冷却速度可以控制；④生产率高，省掉了淬火后的清洗工作；⑤无环境污染。
适合真空高压气淬的材料很多，主要有：高速钢（如切削工具、金属模、压模、量规、喷气发动机用轴承）、工具钢（钟表零件、夹具、压床）、模具钢、轴承钢等。1.3.4 真空渗碳1.3.4.1 真空渗碳原理
真空渗碳是将机械零件在真空中加热，当达到钢材临界点温度以上时，停留一段时间，并进行脱气及脱除氧化膜，然后通入经过净化的渗碳气体（如CH、CH等），以进行渗碳及扩散。真空渗碳的渗438碳温度高，可达1030℃，渗碳速度快。渗碳零件经脱气、去氧化物而使表面活性提高，提高了随后的扩散速度，渗碳与扩散反复交替进行，直到达到要求的表面浓度和深度为止。1.3.4.2 真空渗碳的特点
真空渗碳深度与表面浓度可以控制；真空渗碳可以改变金属零件表层的冶金学性质；真空渗碳有效渗碳深度比其他方法渗碳实际深度更深。1.3.4.3 主要应用
例如：齿轮真空渗碳、轴类零件真空渗碳、钻井机零件真空渗碳、数据处理机零件等。1.3.5 真空回火
真空回火的目的是将真空淬火的优势（产品不氧化、不脱碳、表面光滑、无腐蚀污染等）保持下来，如果不采用真空回火，将失去真空淬火的优越性。对热处理后不进行精加工、需要进行多次高温回火的精密工具更是如此。
真空回火的应用与真空淬火紧密相连，凡是真空淬火后的机械零部件，为了减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高材料的塑性和韧性，获得硬度和强度，稳定工件尺寸等工艺需要，都要经过真空回火处理。1.4 真空热处理技术的现状
金属的热处理加工技术已经有几千年的历史了，金属的退火、淬火、回火、正火等技术在我国古代兵器加工中早有应用。真空热处理的出现比较晚，1927年美国无线电公司研制出了VAC-10型真空热处理炉。1949年美国芝加哥的企业将真空热处理应用于生产中，这是真空热处理技术工业应用的开始。20世纪60年代由于石墨材料的广泛应用，加之宇航、电子等工业的迫切需要，使真空热处理得到飞速发展，出现了各种类型可适应不同工艺要求的真空炉，真空炉的技术性能、应用领域和数量都得到了提高和扩展。由于真空热处理有许多优点，因此发展很快，特别是近几十年来，真空热处理成为现代制造业不可或缺的关键技术，得到了许多工业领域的重视，取得了突飞猛进的发展。1.4.1 真空热处理设备的发展情况1.4.1.1 国际上的发展情况（1）燃气真空炉研制开发和应用。（2）真空加压气淬炉的开发。（3）真空回火炉的开发。（4）流态化真空炉的开发。（5）热壁式真空渗碳炉的开发。（6）真空烧结炉的开发。（7）真空高压气淬炉智能控制系统的开发。（8）多用途真空炉的开发。1.4.1.2 国内发展情况（1）真空气淬炉。目前我国主要真空高压气淬炉有：0.6MPa VQG系列、0.2MPa VPG系列、0.6MPa带对流加热系统的VQGD系列等。其部分性能指标已达到国际先进水平，如炉温均匀性已经达到美国军标MIL-80233A规定的要求，温度均匀性达到±5.6℃，炉内压升率达到国际水平（＜1.33Pa），设备的最高温度和极限真空度等指标也能满足用户要求，许多厂家生产的设备开始销往国外。（2）燃气式真空热处理炉。目前，国产真空热处理炉的主要性能已经达到国际同类产品的先进水平。如炉温的均匀性达到美国军标MIL-F-80133D和MIL-80233B规定的指标，即在5.6℃以内，压升率指标一般均达到＜0.66Pa/h，设备最高工作温度和极限真空度以及PLC型智能化控制系统等都能满足用户要求。国产真空退火炉、真空油淬-气淬炉等主要炉种已经基本站稳了国内市场，满足了各行业的需要，有些炉型已经出口到国外市场，受到了国际上的好评。
国内真空热处理设备正在向专业化、自动化、可靠性、先进性方向发展，在生产成本降低、节约运转费用、简化设备结构、提高设备智能化进程、保证设备运行稳定等方面做了许多研究开发工作。真空热处理设备的在线控制，新型真空热处理设备的研究开发工作受到了重视。1.4.2 真空热处理工艺发展情况
20世纪70年代真空热处理工艺在我国得到了初步发展，科技工作者主要研究探讨真空热处理的基本性质、加热特点、金属蒸发问题，金属在真空下加热的基本规律、变形问题。同时开展了典型真空热处理工艺研究，进行了真空退火、真空油淬、真空气淬的工艺研究和应用。20世纪80年代，真空热处理技术在我国迅速发展，引进的先进真空热处理设备增多，真空热处理的工艺研究和应用日益广泛，开发了真空高压、真空高流率淬火工艺的应用。几乎与此同时，真空渗碳、真空烧结、真空钎焊、真空离子渗碳（氮、金属）等工艺也相继开发出来。真空热处理技术在我国从实验和少量生产正式走向了工业生产领域。20世纪90年代以来，真空热处理出现了许多新技术、新特点，高压气淬和超高压气淬开始应用，真空加热、热风回火、快速冷却技术得到发展。紧接着真空清洗技术，真空热处理设备和工艺智能控制系统，真空渗碳及真空离子渗碳技术得到蓬勃发展和应用，在美国、德国、法国、日本、英国等国家成为新技术发展的热点。我国在这些方面紧跟发达国家的先进技术，开发应用了许多真空热处理新技术、新工艺，例如真空高压气淬工艺、真空回火热风循环快冷处理、连续炉真空热处理工艺、真空渗碳工艺等，在真空清洗技术、真空渗碳工艺和真空热处理工艺智能化控制系统及高温离子热处理等领域也有很好的研究和应用。
经过许多科技工作者的分析探讨，普遍认为今后金属表面工程将会更多地依赖真空热处理技术，真空热处理技术的应用领域正在不断扩大，工艺水平正在不断提高。真空热处理工艺的发展应该是简化工艺过程、缩短工艺时间、提高工作效率、稳定产品质量、开发新型工艺过程。1.4.3 真空热处理理论的发展情况
热处理是阐明金属材料化学成分、微观组织结构、力学性能等关系的科学。真空热处理只是改善了热处理的环境气氛，提高了热处理产品的质量和性能，其原理是相同的。固态金属（包括纯金属和合金）在加热和冷却过程中可能发生各种相的转变，称为相变，金属的固态相变是金属能够进行热处理的前提。
金属固态相变的类型很多：按相变过程中金属原子的运动特点可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变；按平衡状态可分为平衡相变和非平衡相变；按热力学可分为一级相变和二级相变。
金属的金相组织是一门比较成熟的学科，除了研究金属相变以外，还研究钢中奥氏体组织的形成、结构和性能；珠光体的组织形态、晶体学，珠光体转变动力学，珠光体的力学性能；马式体转变的特征，马氏体的组织形态，影响马氏体转变的因素，马氏体转变的热力学，马氏体转变的动力学，马氏体的性能；贝氏体转变特征，贝氏体的组织形态，贝氏体的形成条件，贝氏体的转变机理等。
国际上真空高压气淬技术和设备的进展都是在基础理论研究的基础上发展起来的，基础理论研究多集中在推导工件冷却时间的表达式。决定工件冷却时间的主要因素是气体与工件之间的对流换热系数，找出影响对流换热系数的因素，如气体压力、流速、淬火气体性质等，研究增加对流换热系数的方法、途径，寻找高效、节能、环保的设备和工艺。1.5 真空热处理技术的发展趋势
根据美国金属学会热处理分会、金属处理研究院、能源部工业技术厅对美国热处理工业2020年度发展前景的预测，未来的热处理工业要有一流的质量，生产具有零畸变的产品零件；在整个工艺过程中，产品质量具有零分散度，能量利用率提高到80%；工作环境良好，清洁无污染；生产中采用标准的闭循环控制系统，智能系统控制决定产品的性能，综合技术使工艺时间减少50%，成本降低75%。所有这些设想，为真空热处理技术的发展提供了广阔的机遇。真空热处理技术是工业发达国家广泛采用、迅速发展的一种高效、节能、清洁、无污染的先进热处理技术。
真空热处理技术的应用越来越广泛，预测其发展方向也是很有意义的工作，大胆猜想也许会给读者带来兴趣。据估计，未来的真空热处理应该重视以下几个方面。（1）真空热处理工艺的发展方向
①开发精密真空热处理工艺。在被处理的零件尺寸方面，使热处理工件变形小或无变形；在组织性能方面，需要精密、均匀、一致、可重复性好。
②开发节能真空热处理工艺。尽量减小真空热处理过程中的热损失，充分利用工艺过程中的余热，开展低温对流辐射加热系统的研究，例如传统的高压气淬主要利用辐射加热，而辐射加热在760℃以上才能显现出明显效果。为了在低温下均匀而迅速加热，采用在炉内通入惰性或中性气体的方式，实现150～800℃下的对流加热，对流辐射加热比单纯辐射加热节能大约50%，缩短了淬火周期，降低了加热工件内部的热应力，减小了工件的变形。
③开发等温分级控制淬火工艺。激烈的高压气冷有时会使工件严重裂变，工件截面尺寸越大，问题越突出，实现等温分级淬火可以解决该问题。当工件完成奥氏体化后，再开始以最大压力或最大流量进行冷却。在工件表面和心部各放一根热电偶，当工件表面温度将达到马氏体淬火温度时，降低炉内压力和精确控制风量，使表面温度不再下降，直到工件表面和心部温度差达到预定值时，再进一步对工件冷却。
④开发复合热处理工艺。精确控制加热、冷却速率，控制工件内部组织转变过程和稳定性，提高热处理材料或零件的质量。
⑤简化真空热处理的工序，节省时间、人力、物力、财力。（2）真空热处理设备的发展方向
①为提高加热速率和均匀性，最好采用低温对流加热，多喷嘴圆周方向冷却，使用四周可以换向的气流淬火，采用分级精确控制系统，使气淬更均匀。想办法努力提高冷却速率，例如采用高压气淬、高流率气淬、加强冷淬室内部的换热条件、改善喷嘴群的结构和布置等。
②开发研制气淬压力大于1.0MPa的超高压气淬设备。目前国产真空高压设备气淬压力在0.6MPa水平，处于发达国家20世纪80年代水平，国外已经开发出2～10MPa的真空高压气淬炉，其工作温度高达2200℃，因此国内还需要努力实现国际先进水平。
③开发研制双室真空高压气淬设备。目前使用的真空高压设备大多数是单室的，即加热和冷却在同一室内进行。如果改成热、冷双室的设备，在冷室内淬火，不需要冷却加热室，降低了加热元件的损耗，延长了加热元件的使用寿命，减少了淬火所需时间，提高了冷却能力，同时也减少了冷却气体的消耗，节约能源、减少浪费。
④改进真空热处理设备功能，提高设备的连续化程度，开发连续式生产线，强化设备的可靠性、可控性、可重复性，提高真空热处理设备运行的自动化程度，向智能化控制、网络管理系统方向发展，提高测试仪表的精度、寿命，开发大规模生产的生产线，提高生产效率，实现真空热处理设备和工艺的柔性化生产，进行质量和工艺过程的自动化控制。
⑤探寻真空热处理设备新的结构、新的功能；开发流态化真空热处理炉新技术；开发一机多用新产品；对真空热处理设备进行优化设计；研制节能型真空热处理炉；开发真空热处理设备的新用途。（3）真空热处理理论研究方向。理论研究是一项艰苦、细致，又很抽象的工作，开展真空热处理的理论研究是改进真空热处理工艺，提高真空热处理设备水平的基础。
①开展真空热处理过程的数值模拟研究。真空热处理是在密闭的真空室内进行，很难观察和检查，因此开展真空热处理过程中加热、保温、冷却的数值模拟，特别是真空高压气淬过程的传热、气体流动、冷却过程的数值模拟十分有利于理论研究的深入。
②开展真空热处理过程中工件内部相变的规律。研究被处理工件内部组织变化规律以及与外界环境因素的关系。例如研究真空高压气体淬火过程中气体流场、温度场的变化规律，提高气淬压力、流量对产品质量的影响规律，影响真空高压气体淬火效果的因素等都是很重要的工作。
③研究加热速度、保温时间、冷却速率等外界因素的变化对被处理工件内部组织结构变化的影响等，以便给出真空热处理工艺的最佳条件。参考文献
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［9］ 徐成海，陆国柱，谈治信，陈荣发.真空设备选型与采购指南.北京：化学工业出版社，2013.2 真空热处理技术基础
金属热处理就是将固态金属通过特定的加热和冷却过程，使之发生组织转变以获得所需性能的一种工艺过程的总称。热处理是阐明金属材料化学成分-微观组织结构-力学性能关系的科学。因此，它是热处理技术的理论基础。2.1 金属固态相变基础
固态金属（包括纯金属和含金）在加热和冷却过程中可能发生各种相的转变，称为固态相变。金属的固态相变是金属能进行热处理的前提。2.1.1 金属固态相变的主要类型
金属固态相变的类型很多：按相变过程中原子的运动特点可将固态相变分为扩散型相变和非扩散型相变；按平衡状态分为平衡相变和非平衡相变；按热力学分为一级相变和二级相变。2.1.1.1 按相变过程中原子的运动特点分类（1）扩散型相变。扩散型相变一般均借助于原子的热激活运动而进行。
扩散型相变大致有以下几种：①脱溶分解；②共析转变；③有序化转变；④块状转变；⑤多形性转变；⑥调幅分解。
脱溶分解是指由过饱和固溶体中析出新相的过程，如图2-1（a）所示。当单相固溶体α冷却到固溶曲线以下时，α变成β原子过饱和的固溶体，以α'表示。β原子以新相β的形式从过饱和的α'相中析出。脱溶分解后的α'相晶体结构与α相同，但成分更接近平衡状态，这一过程可以表示为：α'α+β （2-1）
共析转变是指冷却时一个固溶体（γ）分解为与γ相晶体结构不同的两个新相α和β。混合物的相变，可表示为：γα+β （2-2）
图2-1（b）表示了这种相变的类型。钢在冷却时由奥氏体转变为珠光体（铁素体与渗碳体的混合物）即属于共析转变。
有序化转变是指固溶体组元原子从无序排列到有序排列的转变过程，可表示为：α（无序）α'（有序） （2-3）
在Fe-Co、Fe-Ni、Au-Cu、Mn-Ni、Ti-Ni、Cu-Zn等合金系中会发生这种转变，如图2-1（c）所示。
块状转变中新相的成分与母相一样，但晶体结构不同，如图2-1（d）所示。例如，纯铁或低碳钢在一定的冷却速度下，γ相可以转变为与之具有相同成分而形貌呈块状的α相。新相的长大是通过原子的短程扩散而实现的。在纯铁、铜锌等合金中就会发生块状转变。
图2-1（e）所示的多形性转变是指发生在纯金属中的晶体结构的转变，如纯铁中δ→γ→α转变。这种转变本身在生产上没有多少实际意义，但以此转变为基础的铁的固溶体固态相变是钢的热处理的基础。图2-1 各类扩散性相变的例子
另外，某些合金在高温下具有均匀单相固溶体，但冷却到某一温度范围时可分解成为与原固溶体结构相同但成分不同的两个微区，如αα+α，这种转变称为调幅分解。调幅分解的特点是：在转变初12期形成的两个微区之间并无明显界面和成分突变，但是通过扩散，最终使原来的单相固溶体分解成两个共格相。（2）非扩散型相变。非扩散型相变是指转变前后组元原子的运动不超过一个原子间距的转变。在通常情况下，非扩散到相变是在足够快的冷却速度下（即淬火），由原子没有来得及进行扩散型相变而引起的。通过淬火使钢硬化是最重要的一种热处理工艺，广泛用于生产，其转变产物称为马氏体，而这种非扩散型相变称为马氏体转变。马氏体转变不仅在钢中发生，也在许多有色金属中发生，如Ti-Ni、Cu-Zn-Si、Cu-Zn、Cu-Mn、Ni-Mn-Ga等合金系。
此外，钢中还有一种介于马氏体转变与珠光体转变之间的转变，称为贝氏体转变。此时铁原子扩散已经极其困难，但碳原子还能扩散，故可以称为半扩散型相变。其转变产物也是α相和碳化物的混合物，称为贝氏体，但形态和分布与珠光体不同。根据贝氏体转变设计的贝氏体钢具有优异的强度和突出的韧性，近年来有很大进步。2.1.1.2 按平衡状态分类
根据金属材料的平衡状态，也可将固态相变分为平衡相变和非平衡相变。（1）平衡相变。在缓慢加热或冷却时所发生的能获得符合平衡相图的平衡组织的相变称为平衡相变。前面介绍的多形性转变、平衡脱溶分解、共析转变、有序化转变等均属于平衡相变。（2）非平衡相变。若加热或冷却速率很快，上述平衡相变将被抑制，固态材料可能发生某些平衡相图上不能反映的转变，并获得被称为不平衡或亚稳态的组织，这种转变称为非平衡相变。马氏体转变、贝氏体转变、非平衡脱溶分解以及后续章节要详细介绍的伪共析转变均属于非平衡相变。就热处理工艺而言，非平衡相变具有更为重要的意义。2.1.1.3 按热力学分类
根据相变前后热力学函数的变化，可将固态相变分为一级相变和二级相变。（1）一级相变。相变时新旧两相的化学势相等，但化学势的一级偏微商不等的相变称为一级相变。设α代表旧相，β代表新相，μ为化学势、T为温度、p为压力，则有：
已知：
所以S≠S，V≠V。αβαβ
因此，在一级相变时，熵S和体积V将发生不连续变化，即一级相变有相变潜热和体积改变。材料的凝固、熔化、升华以及同素异构转变等均属于一级相变。
几乎所有伴随晶体结构变化的金属固态相变都是一级相变。（2）二级相变。相变时新旧两相的化学势相等，且化学势的一级偏微商也相等，但化学势的二级偏微商不等的相变称为二级相变，即相变时，S=S，V=V，但是：αβαβ
说明在二级相变时，无相变潜热和体积改变，但比热容、压缩系数和膨胀系数有突变。材料的部分有序化转变、磁性转变以及超导体转变均属于二级相变。2.1.2 金属固态相变的基本特征
金属固态相变与液态金属结晶一样，其相变驱动力也来自新相与母相的自由能差，也通过形核与长大两个过程来完成。但因相变前后均为固态，故有以下几个特点。2.1.2.1 界面和界面能
固态相变时，母相和新相均为固相，故其界面与固/液界面不同。通常固/固界面可以按结构特点分为共格界面、半共格界面和非共格界面三种，如图2-2所示。共格界面是指界面两侧的两个相的原子能一一对应、相互匹配。半共格界面是指由于界面两侧的原子间距不同，放在界面上只有部分原子能够依靠弹性畸变保持匹配，在不能匹配的位置将形成刃型位错。非共格界面是指由于两相的原子间距差别太大，在界面上两侧原子不能保持匹配。界面上原子排列的不规则性将导致界面能的升高，因此非共格界面能最高，半共格界面次之，共格界面能最低。图2-2 固态相变界面结构示意图
界面能的大小对新相的形核、长大以及转变后的组织形态有很大影响。若新相具有和母相相同的点阵结构和近似的点阵常数，则新相可以与母相形成低能量的共格界面。此时，新相将成针状，以保持共格界面，使界面能保持最低。如新相与母相的晶体结构不同，这时新相与母相之间可能存在一个共格或半共格界面，而其他面则是高能的非共格界面。为了降低能量，新相的形态将是一个圆盘。圆盘面为共格界面，而圆盘的边为非共格界面。对于非共格新相，所有的界面都是高能界面，因此其平衡形状大致为球形，但也不排除由于不同方向的界面能差异而形成多面体。2.1.2.2 惯习面和新、旧两相间的位向关系
新相可能是针状，也可能是片状或颗粒状。针状新相的长轴以及片状新相的主平面通常平行于母相的某一晶面。该晶面称为惯习面，通常用母相的晶面指数表示。惯习面的存在是为了减小两相的界面能。由于一个晶面族包括若干在空间互成一定角度的晶面，故沿惯习面形成的针状及片状新相将成一定角度或相互平行。
惯习面的存在表明新相与母相存在一定晶体学位向关系。因为两相的晶体各自相对于惯习面的位向关系是确定的，它们彼此间的位向关系也就确定了，结果是两相的某些低指数晶向和某些低指数晶面相互平行。例如，低碳钢发生马氏体转变时，马氏体总是在奥氏体的{111}上形成，所以{111}就是惯习面；碳钢中α相的晶面常与γ相的γγ{111}平行；α相的＜111＞晶向又常与γ相的＜110＞晶向平行。这γαγ种晶体学位向关系可以记为{110}∥{111}，＜111＞∥＜110＞。αγαγ
一般来说，当新相与母相之间为共格或半共格界面时，两相间必然存在一定的晶体学位向关系；若两相间无一定的位向关系；则其界面必定为非共格的。但有时两相间虽然存在一定的晶体学位向关系，但未必具有共格或半共格界面，这是新相在长大过程中，其界面的共格性已被破坏所致。2.1.2.3 弹性应变能
除了界面能，弹性应变能也对固态相变有重要影响。弹性应变能是指当新相与母相间存在点阵错配和体积错配时引起的应变能，如图2-3所示。点阵错配是指新相和母相的晶体结构和位向相同，但点阵常数不同，由此在所形成的共格界面附近产生应变能，称为共格应变能。显然，这种共格应变能以共格界面最大，半共格界面次之，而在共格界面为零。体积错配是指新相和母相的比体积不同，故固态转变时必将发生体积变化，新相受到周围母相的约束以致不能自由涨缩，因此产生比体积差弹性应变能。图2-4给出了在非共格界面条件下，比体积差应变能与新相几何形状之间的关系。由图中可以看出，新相呈球状时应变能最大，盘（片）状最小，针（棒）状居中。图2-3 点阵错配与体积错配（a）、（b）新相与母相共格，但点阵常数不同，从而产生点阵错配；（c）、（d）新相与母相非共格，而比体积不同，产生体积错配图2-4 新相几何形状与比体积差应变能的关系
固态相变的阻力由界面能和弹性应变能构成，与液态金属的结晶相比，固态相变的阻力由于增加了弹性应变能这一项而变大。但在固态相变中究竟是界面能为主还是弹性应变能为主，取决于具体情况。如过冷度很大，新相尺寸很小，单位体积新相的界面积很大，则界面能起主导作用，两相界面易取共格方式以降低界面能，因界面能的降低可以超过共格应变能的增加，从而降低总的形核阻力。当过冷度很小，新相尺寸较大，界面能不起主要作用，易形成非共格界面。此时若两者比体积差较大，则弹性应变能起主导作用，新相为盘（片）状以降低弹性应变能；若两相比体积差不大，弹性应变能作用不大，则形成球状以降低界面能。2.1.2.4 晶体缺陷
与液态金属不同，固态金属中存在各种晶体缺陷，如位错、空位、晶界或亚晶界。一般来说，固态相变时新相晶核总是优先在这些晶体缺陷处形成。这是因为晶体缺陷处是能量起伏、结构起伏和成分起伏最大的区域。在这些区域形核时，原子扩散激活能低，扩散速度快，相变应力也容易松弛。2.1.3 固态相变中的形核
绝大多数金属固态相变是通过形核和长大过程完成的。形核过程往往是先在母相中某些微小区域内形成新相的结构和成分，成为核坯；若核坯尺寸超过一定值，便能稳定存在并自发长大，成为新相的晶核。若晶核在母相中无择优地均匀分布，称为均匀形核；若晶核在母相的某些区域不均匀分布，则称为非均匀形核。2.1.3.1 均匀形核
固态相变均匀形核的驱动力为新、旧相的自由能差，而形核的阻力包括界面能和弹性应变能。晶核的界面能与晶核的表面积成正比，而弹性应变能与晶核的体积成正比。按照经典形核理论，均匀形核时系统自由能的总变化ΔG为： （2-4）
式中，V为新相体积；ΔG为新相与母相的单位体积自由能差；VS为新相表面积；γ为新相与母相之间单位面积界面能；ΔG为新相单s位体积弹性应变能。式（2-4）右侧第一项VΔG为体积自由能差，即V相变驱动力；Sγ为界面能，VΔG为弹性应变能，均属相变阻力。与s液固相变相比，式（2-4）增加了弹性应变能，同时界面能也可能在较大范围变化，即从共格界面的低数值到非共格界面的高数值。由于晶核可能有多个界面，准确地讲，Sγ应为晶核各个界面能的总和，即∑Sγ。ii
假设界面能各向同性，且晶核是球形，则式（2-4）变为： （2-5）
式中，r为球半径，这一方程如图2-5所示。从图2-5可以看到，ΔG有极大值存在，此时的核坯半径称为临界晶核半径，对应的自由**能称为晶核的形核功ΔG。只有核坯的半径大于r时，体系自由能才能随晶核的长大而降低，因此可以进一步长大，此时的核坯称为晶核。*令d（ΔG）/dr=0，则可求得新相的临界晶核半径r为： （2-6）图2-5 均匀形核时ΔG随r的变化*
形成临界晶核的形核功ΔG为： （2-7）
式（2-6）和式（2-7）与凝固过程的表达式非常相似，只是增加了弹性应变能，使相变阻力增加了，从而使临界晶核直径和形核功增大，表明固态相变中形核比液→固相变困难。临界晶核半径和形核功都是体积自由能差ΔG的函数，因此，它们也将随过冷度（过热度）V而变化。随过冷度（过热度）增大，临界晶核半径和形核功都减小，即相变容易发生。由于固态相变中存在体积弹性应变能ΔG，因此只s有当ΔG＞ΔG时相变才能发生，亦即过冷度（过热度）必须大于一Vs定值时，固态相变才能发生，这是与液→固相变的一个根本区别。此*外，当表面能γ和弹性应变能ΔG增大时，临界晶核半径r增大，形核s*功ΔG增高，导致形核困难。*
与液态结晶类似，临界尺寸晶核的浓度c由下式给出： （2-8）
式中，c是这一相中单位体积的原子数；k为玻尔兹曼0（Boltzmann）常数；T为热力学温度。如果每一个晶核在每秒内以f速率超过临界尺寸，那么均匀形核的形核率N就是：均匀 （2-9）
f取决于临界晶核从母相中得到一个原子的频率，与晶核的表面积和扩散速率有关。如果每个原子的迁移激活能是ΔG，f就可以写m成ωexp［-ΔG/（kT）］。ω是一个包含原子振动频率和临界晶核面m积的因子。因此，均匀形核的形核率应为： （2-10）*
在上式中，随着温度的下降，代表晶核潜在密度的exp［-ΔG/（kT）］升高很快，而原子迁移激活能ΔG几乎不随温度变化，所以mexp［-ΔG/（kT）］随温度降低而减小。因此均匀形核率随温度下m降先增加后降低，在某一温度呈现极大值，如图2-6所示。图2-6 形核率N与温度T的关系2.1.3.2 非均匀形核
如同在液相中一样，固相中的形核几乎总是非均匀的。固相中的各种缺陷，诸如空位、位错、晶界、层错、夹杂物和自由表面等都能提高材料的自由能，如果晶核的形成能使缺陷消失，就会释放出一定的自由能（ΔG），与ΔG一样，成为转变的驱动力，各种缺陷也就dV成为合适的形核位置。其形核方程为： （2-11）（1）晶界形核。若完全忽略弹性应变能，最佳的晶核形状应当使总的界面自由能最低，因此一个非共格晶界晶核的最佳形状将是图2-7中两个相接的球冠，其θ角为： （2-12）图2-7 晶界形核的临界晶核尺寸
式中，γ为α/α晶界能；γ为α/β界面能。假如具备向同性的，αααβ并且对两个晶粒是相等的，晶核引起的自由能变化由下式给出： （2-13）
式中，V为晶核的体积；S为新产生的、能量为γ的α/β界面面αβαβ积；S为能量为的α/α晶界面积，在形核过程中逐渐消失。αα
与计算式（2-6）的方法相似，考虑球冠的表面积和体积后，获得球冠的临界半径为 （2-14）
而非均匀形核的形核功由下式给出： （2-15）
式中，S（θ）为一个形状因子，表达式为 （2-16）
由此可知，的大小，即晶界作为形核位置的潜力，取决于cosθ，也就是取决于γ/γ的比值。如果γ=2γ，那么θ=0°，αααβαααβ就不存在形核势垒；如果→0，则θ=90°，说明晶界对形核没有促进作用；假设θ=60°，则，表明此时晶界形核功只为均匀形核功的1/3，晶界形核比均匀形核有明显的优势。与在两个晶粒的界面处相比，三个晶粒的共同交界——晶棱，以及四个晶粒交点——界隅处的形核功还可以进一步降低，如图2-8所示。
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