2.1　氧化与脱碳

钢铁热处理的目的是用于改善材料的组织状态和消除内应力，获得需要的组织和力学性能。钢铁零件在锻造和热处理过程中是在热处理加热炉内完成加热过程的。零件的加热方式一般有三种，即传导、对流和辐射。加热的介质按对零件表面有无影响，分为空气、可控气氛或保护气氛、流动粒子、盐浴、真空等几种，其中对零件基本无影响的为真空、可控气氛或保护气氛等。

2.1.1　氧化与脱碳的机理

钢在热变形、退火和热处理过程中，如果在没有保护性的介质或气氛中加热，钢表面的铁和合金原子将会与加热介质中的氧化性物质发生化学反应，生成氧化物，造成表面脱碳和变质等现象，严重影响零件的力学性能，甚至会造成产品的报废，因此在零件的热加工过程中必须控制炉内的气氛，确保实现零件的无氧化和脱碳加热。一旦出现该类缺陷要采用磨削、车削的加工方法或抛丸（喷丸）处理去除，也可采用化学方法如硫酸或盐酸进行清理，但需注意防止氢脆现象的发生。

钢的氧化和脱碳发生的原因是多方面的，同加热设备性能、加热方法和方式、使用的热源、加热的介质等有很大的关系。如何采取必要的技术措施和保护手段实现零件的无氧化和脱碳加热，确保其零件热处理后的表面质量是热处理工作者的首要任务，必须认真对待和分析。

2.1.1.1　钢的氧化

钢的热处理离不开加热介质和热处理设备。常规的加热介质有气体、可控气氛、熔融盐浴、流动粒子、真空等，下面分别加以介绍和分析，探讨其对钢的表面质量的影响。

在一般的气体介质（如空气）中，O₂、CO₂和水蒸气等是氧化脱碳性强的介质。它们一般按下列化学反应进行，从而造成钢的表面被氧化，即钢在氧化性气氛中加热，在零件的表面将产生氧化层。化学分析表明氧化层从表到里依次为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO，其形成的机理为表面的氧气含量高，与铁强烈作用生成Fe₂O₃，中间部分为Fe₃O₄，内层形成了氧含量较低的FeO。另外随着炉内氧含量的增加和加热温度的提高，氧化层的厚度会不断增加。在实际的热处理过程中要将氧化性气氛消除，并确保工艺温度符合技术要求。

　　（2-1）

　　（2-2）

　　（2-3）

　　（2-4）

从上述四个化学反应可知，钢表面的铁被氧气、二氧化碳、水蒸气等氧化，损耗了金属，同时造成零件的表面产生锈蚀和麻点，粗糙不平；另外因表面氧化皮的存在而影响淬火冷却的均匀性，造成工件表面的不均匀或硬度不足，因此钢表面的氧化皮是造成淬火软点和淬火开裂的根源。

通常钢铁零件的急剧氧化是在525℃以上发生的，是钢铁与空气中的氧结合形成氧化铁，它低于脱碳的温度。氧化扩展的快慢程度取决于固溶体的成分，作为工具钢，其中的铬含量以及碳化物相的特性影响较大。高碳钢的氧化皮十分致密，而低碳钢的则疏松易于剥落，在570℃以下，形成的氧化物由表到里依次为Fe₂O₃、Fe₃O₄，而570℃以上，则为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO，如图2-1所示。上述氧化皮与基体的结合性差，同时各自的膨胀系数不同，因此会一块块剥落，这样既消耗了金属，又造成零件表面质量的下降，因此在加热过程中应采取必要的措施，杜绝零件在氧化性气氛中完成热处理。

钢铁零件在空气中加热将发生氧化反应，脱碳在高温下（800℃）进行得十分强烈，溶解于钢中奥氏体的碳和碳化物中的化合碳，被空气氧化烧损而脱碳：

C+O₂══CO₂　　（2-5）

Fe₃C+O₂══3Fe+CO₂　　（2-6）

热处理炉内气体介质成分有H₂、N₂、CO、CH₄、少量CO₂以及水蒸气等各类保护和可控气氛，他们对钢铁零件的表面作用有很大的差异。CO₂为燃烧产物的主要组分，在高温下引起钢表面的氧化和脱碳，但对铜和铜的合金无化学作用，因此常用作该类材料的保护气氛。CO对钢铁具有还原作用，可使钢的表面增碳。CO₂氧化还原反应在570℃以下进行。随着炉内氧含量增加和加热温度的提高，氧化程度增加，氧化层厚度的增加，见图2-2。

　　（2-7）

　　（2-8）

　　（2-9）

因此钢在CO-CO₂的混合气体中可以发生脱碳或增碳反应。

　　（2-10）

水蒸气在高温下对钢有氧化和脱碳作用，H₂作为一种还原性气体，在高温下可使钢的表面氧化物得到还原，钢在H₂-H₂O气氛中的氧化还原反应为：

　　（2-11）

　　（2-12）

　　（2-13）

上述反应是可逆的，因此可以实现对炉内成分的合理控制，确保零件在热处理加热过程中实现无氧化和脱碳加热。

图2-3为钢在H₂-H₂O气氛中加热后发生的氧化还原反应：

　　（2-14）

　　（2-15）

另外纯氢对钢也有脱碳作用，其脱碳程度取决于炉温、水蒸气的含量、加热时间以及钢中原始的含碳量等因素。当H₂中水蒸气的含量提高时，则氧化脱碳的作用将更加剧烈。图2-4为40钢脱碳层与加热时间的对应关系。

2.1.1.2　钢的脱碳

钢件在加热过程中，由于炉内脱碳性气氛与钢表面的碳原子发生化学反应，即钢表面的碳原子部分或全部被烧掉，因此降低了其表面的含碳量，从而影响到零件的表面质量和机械性能，常规而言是不允许的。无保护加热造成脱碳总是不可避免的，实验表明脱碳后的表面组织为铁素体，内部为奥氏体组织，在淬火后二者转变为马氏体的过程中，表面产生拉应力的作用，将会造成表面的变形和开裂，表面硬度、抗拉强度和疲劳强度等普遍下降，出现零件的早期时效，因此必须避免该类现象的发生。

钢在加热过程中离不开加热体和加热的介质，热处理加热设备种类较多，加热的方式有传导、对流和辐射三种，任何热处理设备均具有其中的一种或几种传热方式。通常在加热的介质炉气中存在有O₂、CO₂、H₂O和H₂等气体，它们和钢表面的碳发生化学作用，造成碳含量的下降。钢的脱碳过程有两个环节，一是表面的碳原子被氧化，二是表面的碳失去引起表面碳浓度的降低，根据化学平衡原理心部碳向表面扩散移动，因此脱碳层会不断增加，时间越长则脱碳越严重。下面为零件在脱碳时的化学反应式：

　　（2-16）

　　（2-17）

　　（2-18）

　　（2-19）

从上述几个反应式来看，钢件表面的碳原子分别与氧化性的气体作用生成了相应的气体，碳含量则低于钢的原始成分，无法获得要求的组织和性能，因此实现无脱碳的热处理是至关重要的举措。

同时还应当清醒地看到O₂、CO₂、H₂O和H₂等气体除发生以上作用外，它们也可同钢中的Fe₃C反应使其失去碳原子：

　　（2-20）

　　（2-21）

　　（2-22）

因此无论是钢表面的碳原子还是渗碳体中呈化合态的碳原子，一旦发生脱碳则其零件表面的含碳量降低，造成淬火后硬度低和耐磨性的减弱，尤其是造成零件疲劳强度的明显下降。上述炉内的气氛中O₂、CO₂、H₂O和H₂属于氧化性的气体，在加热的过程中引起钢表面的氧化和脱碳，而CO、CH₄则为还原性气体，可以使氧化层和脱碳层得到还原，恢复钢表面的原始成分状态。需要说明的是H₂除外，在还原性和氧化性的气氛中，如含有水蒸气它将会造成表面的明显脱碳。作为气体加热介质而言，为了确保加热过程中不出现上述缺陷，应当采用在还原性或保护气氛中完成零件的热处理，这是热处理工作者一直努力的方向。目前陆续开发了一系列的加热方法，实现了不改变零件的表面成分和状态的保护介质的加热。

从脱碳产生的机理来看，脱碳的实质为钢中的碳原子在高温下与氧和氢等发生作用，生成了一氧化碳。一般而言，钢的氧化和脱碳是同时进行的，其扩散均在A_C1相变点以上高温下强烈发生，因此控制好炉内的成分即可避免氧化和脱碳现象的出现，尤其是水蒸气必须去除。当钢表面的氧化速度小于碳从内层向外层扩散的速度时会发生脱碳，即在氧化性较弱的氧化性气氛中会发生脱碳现象，相反，当钢表面的氧化速度大于碳从内层向外层扩散的速度时会发生氧化。

对工具钢而言，轻度脱碳（0.6%～0.8%）不会明显造成过共析钢硬度的降低，但会减少残余奥氏体中碳化物的含量，在淬火温度下，加剧表层晶粒的粗化和长大，使钢的强度下降。如有严重的脱碳（0.4%～0.5%），钢的淬火和回火后硬度将大大降低，耐用度下降，同时将引起淬火裂纹的出现，从而加剧零件之间的粘连。因此对工具钢来说，确保零件加热过程中无氧化和脱碳是提高热处理产品质量的前提。

零件的表面被氧化和脱碳后其表面状态十分粗糙，失去光泽，在热处理过程中将导致淬火裂纹、软点、硬度不足等缺陷，造成抗拉强度和疲劳强度明显下降。对高速工具钢而言，表面脱碳使工件的红硬性降低，表面脱碳后将严重降低刀具的耐用度，脱碳和未脱碳部分因淬火后比容不同而产生差异，影响到刀具结合部分的强度等，因此应当注意避免该类问题的出现。

弹簧钢表面如存在脱碳现象，将严重影响疲劳强度和抗拉强度。而对螺栓的标准件脱碳而言，将造成螺纹表面硬度降低、螺纹脱扣、强度明显降低等，无法满足螺栓的工作需要。因此脱碳是不允许的，在加热过程中应采取保护措施，确保产品质量合格。

钢铁表面脱碳后，含碳量与内部基体的碳成分存在了差异，因此淬火后过冷奥氏体转变为马氏体，在表面的热应力和组织应力的共同作用下，造成内外膨胀量的差异，容易出现零件的淬火裂纹。若表面为完全脱碳，则不会造成淬火裂纹的出现，其原因在于表面只有热应力，内部为拉应力，因此表面受到压应力的作用。需要说明的是因为操作不当所致的表面脱碳，将使表面变硬，不会发生塑性变形，如残留的含碳量低于0.3%，不会开裂；而高于0.4%存在开裂的倾向，因此残留碳含量的多少直接影响到零件的产品质量问题，这一点应引起热处理技术人员的重视。

2.1.2　零件加热常用介质的作用和防止氧化与脱碳的措施

氧化和脱碳几乎为零件在热处理过程中难以避免的，它是零件表面和加热介质作用的结果，因此控制氧化和脱碳的措施也必须从这两方面着手，一是改变零件在加热过程中介质的成分，二是将加热零件与加热介质隔离。严格控制零件在加热过程中表面不受外界气氛的作用，即可达到零件热处理的要求，零件的表面状态则不会改变。

加热介质在高温下与零件的表面发生化学作用，加热温度、加热速度选择不当，装炉量不符合要求，等，均会对零件的加热造成一定的影响。钢铁零件在570℃以上即被氧化，氧化后的表面烧损、无光洁，影响其力学性能、磨损性能和切削性能等，同时对炉衬等有一定的危害性。同样表面脱碳将严重影响零件的性能和寿命。为了系统了解和便于选择加热介质，现对常用的加热介质的性质和在加热过程中需采取的措施分别加以介绍，供参考。

2.1.2.1　空气

从我国热处理设备的发展趋势来看，箱式炉和井式炉在国内热处理企业还占有约40%的比例，其加热的介质为空气。空气中的氧气、二氧化碳和水蒸气等氧化性气体在一定的温度下与零件表面的碳等发生反应，使零件表面出现氧化和脱碳，因此应尽可能地加以避免。

对于只能进行空气加热的设备来说，如不采取一定的保护措施，势必造成表面的氧化脱碳。在空气等氧化性气氛中实现对钢铁零件的加热，除氧气外，不含水蒸气的氢气对表面没有影响，但当含水量在0.05%左右时，将会造成零件表面的脱碳。

如钢在无保护的空气中加热，随着温度的升高和时间的延长，其表面的氧化和脱碳越来越严重，具体数值见表2-1。

为了解决零件在空气中加热而表面被氧化和脱碳的问题，对于箱式和井式等电阻炉而言，应采取必要的方法和有效措施，使零件的表面与加热介质隔离或隔绝，则可避免零件的表面氧化和脱碳的发生，同时也确保表面质量状态和成分保持不变，获得要求的组织和力学性能，满足零件服役条件的需要。下面介绍几种常见的保护方法，供实际应用中参考。

（1）涂料保护　是指将零件用涂料涂覆，通过其隔绝与氧化性气氛的接触，完成零件的加热过程。如何保证涂料在加热中和淬火前不脱落，而冷却后及时离开零件表面，完成零件的淬火处理，是对涂料选用的基本要求。

对涂料的要求为：

①在加热过程中不允许脱落和破裂，具有良好的保护效果；

②涂料中的元素不会渗入零件的表面，也不会与钢中的元素起化学反应，性能稳定；

③不会降低零件的冷却性能，对冷却介质无危害；

④零件淬火后可自行脱落，不会影响淬火性能；

⑤无粘连现象；

⑥对零件无腐蚀。

常见涂料的配方和应用具体见表2-2。

为了确保零件的无氧化和脱碳加热，要求：零件表面清洁、无油污和锈迹；涂料要搅拌均匀，无颗粒状；零件上的涂料厚度应均匀；晾干后或烘干后进炉内加热等。应当特别注意的是零件之间堆放时，不要碰掉涂料层，否则脱落部位在加热时将产生氧化和脱碳。

另外还有采用石墨粉＋机油（或水玻璃）混合后刷涂1～2mm厚，将其在200～300℃加热后浸入硼砂水溶液中，使零件表面黏附一层硼砂层的方法。该方法的缺点为加热时易于剥落、开裂，降低了零件表面的淬火温度，难于清洗等，一般很少使用。

（2）保护加热　除涂料实现保护加热外，防止零件氧化和脱碳的措施还有将零件埋进石英砂，采用铸铁屑封箱或添加木炭等。另外，采用不锈钢套或罐密封加热，若有条件，采用密封罐抽成真空后向内通入保护性气体也可实现零件的无氧化脱碳加热。装箱加热主要用于热锻模的回火、高碳钢和高速工具钢退火等。装箱加热虽可保护和减少零件的氧化和脱碳，但其具有加热时间长、操作繁琐、对零件有增碳或脱碳的作用等缺陷。

目前各种防氧化脱碳的固体保护剂种类较多，应根据材料的成分、热处理后的加工状态以及需要的技术指标来综合考虑。

2.1.2.2　保护气氛

钢的热处理应当在保护性气氛中进行。在加热过程中能保护工件，免于氧化、脱碳的炉气即为保护气氛。淬火加热工序应确保零件的表面状态没有发生改变。热锻模具、结构钢零件保护加热时，常用的保护气氛的成分详见表2-3。

零件在加热过程中，为保护零件免于氧化和脱碳，在具有还原性的气氛中完成热处理，可以获得无氧化、不脱碳的光亮表面，提高了表面质量，同时也省去了酸洗、抛丸或喷砂工序，提高了作业效率，明显降低了生产成本，因此国内外关于保护气氛的热处理炉已经得到了推广和应用。

保护气氛的种类很多，为了便于了解其特性，下面分别加以介绍，供零件在加热过程中正确选用。同时应特别注意在气氛的选择上，要考虑到产品的批量、材料的类型、热处理设备的现状、工艺水平的高低、热处理产品质量的技术要求等，在经过工艺验证后才能确定采用何种保护气氛，这对于保护零件的表面质量至关重要。

（1）可控气氛　可控气氛炉内的气氛可以进行有效控制，确保其在一个合理的范围内，实现零件热处理无氧化和脱碳现象的发生。

①可控气氛的原理。其原理在前面已经讲解，根据化学反应的平衡原理，增加正方向反应产物CO和H₂的含量将导致正反应过程的停止或减弱，假如CO和H₂的含量升高到一定程度，反应将朝逆方向进行，即得到还原性气氛。控制好炉气中CO₂/CO和H₂O/H₂的比值，就能完全控制整个化学反应的趋势和方向，也就能控制钢铁零件表面的氧化和脱碳的过程。

图2-5表示钢铁零件在不同温度下，CO₂/CO及H₂O/H₂的值与铁的氧化-还原反应的平衡关系，两条曲线分别为BOC和AOD。从图中可以看出两条曲线的变化规律不同，但其共同点为在两条线的左侧均为还原区域，而右侧是氧化区域。另外在BOD区间内，CO₂/CO的还原区与H₂O/H₂的氧化区重叠。此处重点分析一下钢铁在炉内气氛中，温度和CO₂/CO及H₂O/H₂的关系对表面质量状态的影响。查找AD线在950℃时，当气氛中的CO₂/CO=0.4，则炉内氧化和还原的速度相等，整个反应处于平衡状态。此时钢表面无氧化和脱碳现象发生，即可实现无氧化脱碳的加热过程。相反如果CO₂/CO值>0.4，将发生Fe＋CO₂→FeO＋CO氧化反应，钢中铁原子被氧化成氧化铁，而CO₂/CO值小于0.4，将发生FeO＋CO→Fe＋CO₂的还原反应，氧化铁被还原为铁原子。随着温度的改变，CO₂/CO的平衡值也会发生变动，即温度越高则平衡值越小，因此为了确保钢铁零件在保护气氛中不被氧化，要求加热温度提高时，CO₂/CO的平衡值应越小越好。

需要注意的是热处理炉内的炉气会同时包含有CO₂、CO、H₂O和H₂，因此在某一温度下进行炉内成分的分析时，要综合考虑气氛的作用。从图2-5中可以大致看出，在热处理常用加热温度范围内（700～950℃）要避免钢的氧化，应使炉内气氛CO₂/CO的值相应控制在0.4～0.7，而H₂O/H₂比值应为0.4～0.5。

在不同的加热温度下，钢中的含碳量与CO₂/CO及H₂O/H₂的值具有一定的平衡关系。从图中可知，要防止钢的脱碳发生，只有将CO₂/CO及H₂O/H₂的值控制在更小的范围内，这一点需引起我们的高度重视。例如在850℃加热含碳量小于0.5%的碳钢，应将CO₂/CO及H₂O/H₂的值均降到0.4以下，才能防止钢的脱碳。总之，根据炉内零件的化学成分、炉内气氛、装炉方式和热处理设备的类型等几个方面进行考虑，将炉内的气氛控制在一定的温度范围内，即可确保钢加热时免于氧化和脱碳。

需要注意的是为确保零件在可控气氛中实现无氧化、脱碳加热，要求炉内的保护气氛稳定；炉膛密封性要好，避免空气的混入；炉内气体呈现正压。因此在实际的热处理过程中，严格执行工艺要求是确保零件表面质量的前提，同时应当切实做好保护气氛不间断的相关准备工作。

②几种常见的可控气氛。可控气氛的选用原则为：钢铁零件的化学成分、热处理的技术要求，原料的来源和成本价格等。在实际热处理过程中采用多种气氛，确保零件在加热过程中无氧化脱碳现象，实现零件的表面状态的清洁和成分的稳定。

我国目前的网带式加热炉多采用可控气氛保护加热，用于处理内燃机气门、轴承、标准件、弹簧、螺纹刀具等小型大批量零件，均取得了良好的经济效益和社会效益，同时也借鉴和吸收了国外许多成熟的经验和热处理技术，使我国可控气氛热处理设备的制造水平得到很大的提高，既可处理中温的零件，也生产了在1050℃温度以上工作的可控气氛热处理设备。我国目前常用的可控气氛有三种：放热式气氛、吸热式气氛和滴注式气氛。它们的作用和特点归类如下。

a．放热式可控气氛。它是液化石油气（主要成分为丙烷C₃H₈和丁烷C₄H₁₀）、城市煤气或天然气（主要成分为甲烷CH₄）等原料气与空气按一定比例混合后，完全靠自身的燃烧反应（放热反应）制备而成，燃烧产生的气氛中CO₂和H₂O较多，无法防止脱碳，一般常作为低碳钢和中碳钢零件的无氧化加热。只有经过净化处理的放热气氛才能防止零件表面的脱碳，同时有可能适于渗碳等化学热处理的载体气（稀释气）。目前国内生产的流动粒子炉采用气体燃烧的热量来加热颗粒，完成对工件的加热，其炉内气氛即为放热式气氛，作为通常的热处理气氛可以满足零件的热处理技术要求。

b．吸热式可控气氛。它是将原料气（如液化石油气、城市煤气或天然气）与空气按一定比例混合后进行吸热反应（外部加热）制备而成。从反应的性质来看，吸热式可控气氛比放热式可控气氛中CO和H₂的含量高，CO₂和H₂O的含量明显降低。该气氛可用于防止零件的氧化和脱碳，用于碳氮共渗或渗碳等，其应用十分广泛。吸热式可控气氛的成分控制通常用露点仪或红外线分析仪来测定，用电子装置进行自动控制，精度和灵敏性好，这是重要的工艺监控手段和措施。

需要指出，气氛中含有较多的H₂，应注意防止出现爆炸现象，要采取必要的防范措施。另外考虑到由于气氛与钢中的铬元素发生化学反应，将会造成钢表面铬的减少，因此不适于铬合金钢零件的保护加热。

c．滴注式可控气氛。将甲醇（CH₃OH）、煤油和苯等碳氢化合物直接滴入高温加热的炉膛内，通过这些有机物的高温裂解或裂化，产生含有CO、H₂和CH₄等的还原性混合气体，实现了零件在热处理过程中的无氧化脱碳加热。在生产中常将甲醇作为滴入剂，完成保护性加热，考虑到其裂解产物碳势较低，还需补充炉气的碳势，即通常要另外滴入乙醇（C₂H₅OH）、异丙醇（C₃H₇OH）和丙酮（CH₃COCH₃）等第二种液体。其滴入量和滴入剂的成分应根据零件的材质、装炉量、炉膛、技术要求、密封程度、零件的装炉方式以及保温结束后的冷却介质等综合考虑后来确定。

通常滴注式可控气氛具有成分制备简单，原料来源广，操作方便和易行，生产效率高，效果稳定等优点，因此目前国内外热处理企业普遍使用该类气氛进行零件的保护性加热或化学热处理，为保持炉内成分的均匀和稳定，在井式炉和箱式炉的上方应添加搅拌风机。

笔者接触了大量的国内外热处理设备，采用单一的介质提供需要的成分十分困难，一般采用几种液体或气体同时滴入或通入炉膛，这样才能满足零件表面无氧化脱碳的需要。在网带式渗氮和碳氮共渗炉内，为确保零件的光亮淬火或退火，一般是甲醇和氮气同时供应。

（2）氨分解气　除了上述三种保护气氛外，在实际热处理过程中还可采用另外的保护措施。氨分解气是指将氨加热后分解为氮气和氢气，二者与加热的零件不产生化学反应，常用于铬合金钢（如不锈钢、耐热钢等）的退火、钎焊、固溶处理以及光亮淬火等，这样可节约大量价格较高的纯氢（保护气体）。当然向炉内通入氢气、氮气（中性气体）和氦气（惰性气体），同样起到保护的作用。

随着科学技术的进步和对零件热处理表面质量要求的提高，真空炉已经得到一定程度的普及和推广，炉膛内抽成真空状态，使内部的氧化性物质（主要指氧）的含量微乎其微，确保了零件加热或冷却中无氧化脱碳现象。也可向炉内充入一定量的高纯氮气作为加热介质，提高加热的效果。

2.1.2.3　熔融盐浴

盐浴炉的加热和导电介质为中性的熔融盐，零件在其内部加热，不会与空气接触，加热速度快，因此氧化和脱碳的倾向小。零件在盐浴炉中加热具有以下几个特点：

①加热速度快，热的传递方式为传导和对流，可以迅速通过盐浴将热量传递给零件，从而实现了快速加热；

②零件的加热均匀，由于熔融的盐浴流动性好，零件的整体同时受到加热，不存在加热快慢和先后问题，组织的转变是同时进行的；

③零件的变形小，由于零件在盐浴中加热时是呈悬挂状态，仅仅存在自身重力的作用，而盐浴流动的作用力较小，故在加热过程中，盐浴炉处理的零件的变形量是比较小的；

④可以完成对零件的局部加热，利用其盐液面的上下温度的差异，根据零件组织转变的相变点的不同，对要求零件为两个硬度的零件，采取盐浴即可满足不同硬度的需要；

⑤能够进行零件的快速加热，将盐浴温度提高到正常淬火温度100～150℃以上，将零件放入盐浴中加热，在很短的时间内即可完成组织的加热过程。该方法同高频加热相类似，达到节能、提高生产效率和减轻操作者劳动强度的作用。

由以上特点来看，熔融盐浴应符合以下要求，才能满足工件的加热需要：

①盐浴的成分要稳定；

②对加热的零件、坩埚和炉衬等材料的侵蚀性小；

③对金属和钢材的氧化脱碳不严重，内部成分可以得到良好的控制；

④零件加热状态下盐浴的蒸发量少；

⑤零件带出的盐浴少，温度稳定；

⑥热处理的零件表面易于清洗；

⑦盐浴无毒，对环境无危害。

从以上特点来分析，盐浴炉加热的优点显而易见，因此目前国内外热处理企业使用的加热设备中，其仍占有25%～30%的比例，其盐浴用盐的配方较多。根据零件的材质和技术要求不同，可以采用低温、中温和高温进行零件的加热淬火处理，来达到图纸和工艺文件的技术要求。

（1）盐浴炉氧化和脱碳的原因　目前我国热处理企业的加热设备有盐浴炉、高温箱式或井式电阻炉、燃气炉、可控气氛炉和真空炉等，根据加热温度的高低可分为低温、中温和高温三种类型，生产中常见的盐浴加热配方见表2-4。

中温盐浴的成分有三种，即70% BaCl₂+30% NaCl、50% BaCl₂+50% NaCl和50% KCl+50% NaCl，三者的使用温度是基本相同的，唯一需要注意的是前者主要用作高速钢和高合金钢的预热盐浴，由于BaCl₂含量较高，因此可确保高温下盐浴的稳定。50% BaCl₂+50% NaCl加热后的零件的清洗比较困难，需要引起我们的重视，必须进行煮沸、刷洗或喷丸等处理。采用盐浴实现零件的加热，如脱氧及时则BaCl₂具有最佳的效果。需要注意的是若BaCl₂中含有少量NaCl，在1200～1300℃高温下将会加剧挥发，因此难于控制加热的温度，氯化钡和氯化钠的混合盐在800～900℃加热时，蒸发量达到最大。对于盐浴成分为70% BaCl₂+30% NaCl的熔盐，也可实现对零件的可靠加热，而56% KCl+44% NaCl的盐浴的加热效果差。从以上分析来看，作为需高温淬火的零件，根据零件的化学成分、尺寸的大小、截面的尺寸等，建议采用二次预热进行零件的热处理。

新盐对零件具有最佳的加热保护效果。钢铁零件在盐浴炉的加热过程中，熔盐中的氧化物与钢件表面接触，不断吸收零件表面中的铁和碳元素。另外工件和夹具表面的氧化皮以及熔盐与低碳钢电极、炉膛和耐火材料等作用产生氧化皮落于炉内，加上空气中的氧气和水蒸气不断地与熔盐接触发生缓慢的化学反应，在零件的表面生成金属氧化膜，它将导致钢中的铁和碳发生了氧化，出现氧化物和碳化物，如有条件，电极采用抗氧化性较高的25%～28%的铬钢制造，这样可避免其本身氧化脱碳，因此对盐浴成分的稳定、零件表面的质量状态等都会具有良好的作用。对于使用的工装夹具等要定期进行煮盐、喷丸净化或钝化处理，喷丸大多采用0.3～1.5mm的钢丸，压力为5～6kgf/cm²[注]时间为15～30min，而钝化则采用盐酸清洗。目的是将其表面上存在或黏附的氧化皮、盐渣等清除干净。需要特别注意的是淬火用盐本身常含有杂质（氯化盐本身含有的有害杂质如硫酸盐、碳酸盐和水分等），该杂质在高温作用下，分解成氧化物（其中硫酸盐还直接与钢作用，产生氧化脱碳以及腐蚀现象），该类氧化物将造成零件表面的氧化脱碳。因此在使用盐浴的过程中，要严格的控制盐浴内氧化物的含量，同时不断清除氧化性物质，防止或减少零件的氧化脱碳。可以了解到在零件的加热过程中内部的氧化物会对其表面产生作用，降低零件表面的碳含量和铁含量，对零件的表面质量和力学性能带来不利影响，也是热处理过程中不允许存在的。

零件在盐浴炉中持续加热时，由于空气与盐浴表面的接触，部分盐会被氧化而出现变质。盐浴的介质通常为NaCl、BaCl₂、KCl等，其常规反应为：

　　（2-23）

　　（2-24）

随着加热时间的延长，氧化物明显增加，将会引起零件的氧化和脱碳。30% BaCl₂+70% NaCl在800℃和100% BaCl₂盐浴在1250℃温度下，造成氧化物的含量增加和W18Cr4V长时间氧化，具体见图2-6、图2-7。盐浴炉中含有硫酸盐、氟化物、氯化物等杂质会引起零件和盐浴坩埚的严重腐蚀，增大了零件初期的氧化和脱碳，但长时间使用后，其氧化性逐渐减小。需要注意硫元素对钢有较大的危害作用，因此要控制其含量，避免造成零件表面的严重氧化和脱碳。

高温盐浴下零件的表面有时产生腐蚀和麻点，其原因是盐浴中有2%左右CaSO₄、Na₂SO₄、MgSO₄等杂质，它们与零件中的铁和碳化物等反应。

Fe（零件）+Na₂SO₄══FeO+Na₂SO₃　　（2-25）

2Fe₃C+Na₂SO₄══6Fe+Na₂S+2CO₂　　（2-26）

在更高的温度下（1200℃）盐浴中的Na₂SO₄将发生分解反应。

Na₂SO₄══Na₂O+SO₃　　（2-27）

2SO₃══2SO₂+O₂　　（2-28）

上述反应的产物使零件表面发生脱碳现象：

2Fe₃C（零件）+O₂══6Fe+2CO　　（2-29）

（2）通常采用的检验氧化物的方法　对盐浴炉而言，其检查的方法较多，但在实际热处理生产过程中，经常采用的方法是利用薄的碳素工具钢钢带在盐浴中加热一定时间，淬火后根据该钢带的强度情况来判断炉内的氧化脱碳情况。

通常选厚度为0.08mm，宽度为30mm，长度为120mm的T10无氧化皮的钢带，放入盐浴炉中正常加热（按要求的温度和时间进行），淬水冷却后检查该钢带表面和硬度的情况（以中温炉为例）。

①淬火后钢带是软的，则炉内盐浴存在一定氧化性物质，证明有脱碳现象，加热效果差；

②淬火后钢带是脆的、可折断，则炉内盐浴成分良好，可满足零件的热处理需要，完全可以进行批量作业，适合大批量作业；

③淬火后钢带淬硬适当、有弹性，则炉内基本有轻微脱碳现象，但可以进行生产作业，对产品的质量和使用性能基本无影响。

对于高温盐浴炉而言，也可使用剃刀片来检测炉内的脱碳情况，即按工件正常的加热温度和时间处理零件，水冷后进行弯曲检测，方法同上。

（3）控制盐浴中氧化物的措施和方法　利用加入的脱氧剂（简称校正剂），与盐浴中的碳化物发生作用，生成高熔点密度大的化合物，沉淀在盐炉的底部，以此去掉盐浴中的氧化脱碳物质。

脱氧剂的种类较多，在使用过程中要根据炉温的高低、材料的差异进行合理选择。脱氧时应首先关掉吸尘装置，确保脱氧的效果。脱氧有两种措施，一是还原作用法是指将足够还原能力的物质放入盐浴中，产生还原反应来清除盐浴中的氧化物，一般采用的物质为碳化硅、炭粉和木炭等；二是沉淀生成法，利用添加的物质与盐浴中氧化物反应后生成熔点较高的沉淀物，沉于炉底，可以及时清理出来，一般采用的脱氧物质有二氧化硅（硅胶）、硼砂、二氧化钛和硅钙铁等。

在实际生产过程中，各热处理厂家普遍采用沉淀生成法，该方法具有易于操作，脱氧效果好，时间短等优点，因此得到了广泛的应用。脱氧、捞渣的次数一般随着零件质量和季节的变化来确定，通常是每4～8h脱氧一次，8h捞渣一次。在脱氧过程中应陆续加入干燥的脱氧剂，保持10～15min即可。捞渣时必须切断电源，其程序为先清除盐液面以及电极上的污物后再进行捞渣，挖渣要彻底。要采用专用的挖渣勺，不要使盐炉底部盐渣堆积成坡形，缩小了炉膛的加热体积，以免影响对零件的加热效果。

①中温炉的脱氧。将炉温升到900℃以上，陆续加入脱氧剂后，用不锈钢棒加以搅拌，反应结束炉温降至850℃捞渣和化验，当成分中氧化钡的含量小于0.5%时，才能正常加热工件。脱氧剂的配比有两种：

a．硅钙铁：二氧化钛=3：1（质量比）；

b．硼砂：二氧化钛：硅钙铁=4：2：1（质量比）。

在300kg的中温盐浴中，也可采用加入二氧化钛0.4kg，硅胶0.2kg，硅钙铁0.2kg和无水氯化钡0.5kg进行脱氧处理。

②高温炉的脱氧。将炉温升至1300℃加入高温脱氧剂，当炉温降至1200℃左右即可挖渣。其脱氧剂的配比为：

a．二氧化钛：二氧化硅=2：1；

b．二氧化钛：硅钙铁：二氧化硅=4：2：1。

另外也可用硅砖进行脱氧，效果不错。

（4）减少盐浴中氧化物升高的措施

①加入的氯化盐应在炉台上烘干后使用，防止水分带入盐浴中；

②尽可能对零件和淬火夹具抛丸或喷砂处理，预防铁锈或氧化物质的带入；

③按时脱氧捞渣，一般盐浴每工作6～8h要添加脱氧剂，可确保其炉内氧化物的含量控制在要求的范围内；

④在正常工作时应禁止用风扇对着盐浴面吹风，以防炉内氧化物含量的升高。

2.1.2.4　燃料气体

除了采用盐浴等方法可进行钢铁零件的加热外，几千年来原始的燃料燃烧产生的热量也可完成对零件的加热，如火焰加热。例如煤、天然气、液化石油气、城市煤气、油等固体、液体或气体燃料，利用其燃烧时产生的热量，达到加热零件的目的。当火焰加热时，加热介质既是热源又是加热介质，它们与空气接触燃烧放出大量的热，其燃烧的产物中有CO₂、CO等气体，另外还有N₂。为了使燃料燃烧得更加充分，必须有过量的O₂存在。

从燃烧的产物和剩余的气体来分析，加热介质中的O₂、CO₂可使零件的表面发生氧化脱碳现象，H₂使零件表面脱碳。对于火焰炉，估计炉气中的含氧量在2%～4%范围内可以使用，如含氧量高，通过减小送风量等措施，可降低氧化性气体含量，达到减少氧化和脱碳的目的。

近年来国内外的热处理制造厂不断开发出新的热处理设备，但燃气炉、燃油炉仍不失为一类生产效率高、质量稳定、节约能源、燃烧充分的加热设备，尽管会出现零件表面的部分氧化或脱碳现象，但其采用电子点火装置，同时控温的精度和炉内温度的均匀性可与其他的热处理设备相媲美，加上进出料的机械化和自动化程度的提高，在热处理领域仍占有比较重要的位置。高温燃气炉与高温电阻炉用于奥氏体耐热钢气门的固溶处理、高速工具钢和高合金钢的淬火等，已经走向成熟，一般其装炉量为盐浴炉的10～20倍，同时考虑其成本，费用仅为盐浴炉的2/5。炉温的均匀性也符合热处理的工艺要求。

2.1.2.5　流动粒子

利用加热的流动粒子进行零件的热处理加热和冷却，这个过程是在流动粒子炉中实现的，其原理是在炉子的底部通入混合的可燃气体，气体燃烧吹拂炉膛内的加热介质（粒子），零件受到加热粒子的反复撞击，完成其加热或冷却过程。

通入气体除空气外，最为重要的是气体燃料，目前多采用城市煤气、液化石油气、天然气等，它们具有高的热值，通过调整炉内气氛的燃烧产物，即得到还原性气体，不仅可实现零件的渗碳或碳氮共渗等化学热处理，同时完全可以进行零件的无氧化脱碳的加热和冷却，起到作为保护气体的作用。

对流动粒子的选择有一定的要求，一般应具有以下几个特点：

①粒子有足够的强度，加热过程中不产生碎块或碎块比例很低，可确保加热的正常进行；

②粒子的来源广，成本低，易于制取；

③粒子与零件不会发生化学反应（进行化学热处理的工艺除外），确保零件热处理后表面质量的稳定；

④粒子的消耗量应尽可能小，同时重量轻。

目前国内外流动粒子炉采用的粒子多为硬度高的氧化铝圆球颗粒，也有采用石墨颗粒进行加热的，因此流动粒子炉能够实现零件的无氧化和脱碳加热。经流动粒子炉处理的零件的疲劳强度明显提高，其原因在于粒子对零件表面的冲击和碰撞，造成表面产生很高的压应力作用。

另外需要指出的是零件的感应加热，它是利用电磁感应的原理来实现对零件表面的加热，其加热温度一般在850～950℃，由于加热时间很短，在空气还未对加热的表面进行化学作用时，零件的表面已经冷却了，因此采用该类热处理工艺也可满足零件表面少或无氧化和脱碳的目的。目前高频淬火热处理工艺已经得到了极为广泛的应用，尤其如长轴、齿轮等直径和高度或厚度比值相差悬殊的零件。实践证明感应淬火是十分经济和节能的热处理工艺。而对于要求加热温度在1000～1300℃范围内的工艺，建议在100%的氯化钡盐浴中进行。

2.1.2.6　真空炉和加热介质

热处理炉为实现金属材料热处理的主要设备，随着工业技术的发展，对零件的表面和内在质量提出了新的要求，零件表面光亮、无氧化脱碳，提高零件的耐磨性、使用寿命和疲劳强度的技术要求推动了热处理技术的更新和发展。因此真空热处理代表了零件热处理的最高工艺水平。因此从某种意义上说，热处理技术高低直接代表了工艺水平。目前国内外热处理制造公司均致力于开发和研制先进热处理设备，技术含量和自动化程度高的设备相继推出，为零件工艺水平的提高奠定了良好的基础，其中真空炉是发展最快的热处理设备，它具有其他热处理设备无法比拟的优点。

（1）真空热处理的特点　真空热处理是指将零件在真空状态下，进行加热、保温和冷却的工艺方法，零件在负压下加热，炉内空气已稀薄到无法与零件进行化学反应。它是随着航天技术的发展而迅速开发出来的新技术，也是近几十年来热处理设备中具有前途的一种，它可替代盐浴炉、电阻炉和燃气炉。真空炉是依据电极的辐射作用实现对工件的加热。辐射加热速度比较慢，因此工件的内外加热较为均匀，工件的变形小。由于真空炉内气压很低，氧气的含量对工件的铁元素氧化不起作用，因此避免了工件在真空炉加热过程中出现氧化和脱碳现象，保持了工件表面的原始状态，工件清洁和光亮。图2-8为双室卧式真空炉。

由于航天、航空、轴承、工具等行业，对金属材料在热处理过程中的氧化、脱碳、腐蚀、表面粗糙度及尺寸精度的技术要求越来越高，用一般的热处理方法已不能满足这些要求，尤其是航空和航天零件的特殊性，从而促进了真空热处理技术的迅速发展。自1946年第一台真空炉在美国问世以来，各国均潜心研制各种类型的真空炉。我国在1975年生产了第一台油淬真空炉。国外高压真空气淬炉（5bar）于1977年在联邦德国的IDSEN公司诞生。真空气淬炉、油淬炉、水淬炉及多用途炉相继出现，各种类型归纳总结如下。

我国航天行业自20世纪70年代初，开始制造和使用真空炉，到90年代，全国各大热处理厂均拥有一台以上真空炉（包括淬火炉和回火炉等，但大多数选用的为油淬真空炉），使我国的工具和其他零件的热处理工艺水平有了较大的飞跃，缩短了与发达工业国家热处理技术的差距。我国的真空炉制造技术和水平与国外基本相当。

真空炉不仅用于普通工件的淬火、回火、退火和正火，而且可进行化学热处理如真空渗碳（包括真空碳氮共渗）、真空离子渗碳和辉光离子渗氮等，同时可完成金属的烧结、钎焊和真空镀膜等。真空渗碳具有渗层均匀和重现性好、表面清洁光亮和消耗的气体少等优点，节约了气源。

（2）真空炉种类、特点、应用及主要技术参数　几十年来，国内外真空炉制造厂家致力于真空炉的研制和开发，目前已制作了适合处理各种材料的系列真空炉，满足了工具、航空、航天等零件的需要。由于真空炉的在热处理设备中的特殊地位，因此研究其发展并依托处理零件的优势，已经成为我们充分认识和利用真空炉的首要任务。下面分别介绍真空炉的分类及设备的优点，以及真空炉的具体技术指标。

①真空炉的作用和分类。真空的定义是指抽真空后，炉内的压力小于1个正常大气压时，里面的空气十分稀薄的情况，此时在加热零件的过程中氧气的氧化作用已微乎其微，对零件的表面不会产生氧化效果，经真空炉热处理后的零件表面光亮，确保其表面的元素成分和状态不变。由于真空炉加热是依靠电极的辐射来完成，因此零件加热缓慢，故变形量小，尤其对变形要求十分严格的工具、模具等零件是热处理的首选设备。根据炉内真空度的高低不同，分为低真空、中真空和高真空三种。

真空炉按照冷却时使用的冷却介质分类，分为水冷真空炉、气淬-油冷真空炉、油冷真空炉以及气冷真空炉几种；按结构形式分为单室、双室、三室和连续作业炉等。

a．外热式真空炉。其结构简单，炉罐不进行水冷，故称为热壁真空炉或真空马弗炉。零件放在已抽成真空的炉罐中，从外部间接加热。图2-9为外热式油淬真空热处理炉。

该类真空炉的特点如下：

• 结构简单，操作维修方便，造价低；

• 炉罐内无电热元件和隔热材料等，易于清理，容易获得真空；

• 无气体放电和其他安全隐患，可靠性好。

b．内热式真空炉。真空炉靠电阻加热，加热元件、隔热屏、炉床和其他构件等均装在加热室内，依靠电极的热辐射实现对零件的加热。电热元件在炉膛的中部构成一个加热区，确保零件的均匀加热，在加热元件的外部装有金属辐射屏或非金属隔热屏，炉床在加热区的中央。内热式真空炉的种类和形式很多，占国内外的真空炉数量的80%以上，常用于退火、淬火、回火、烧结和钎焊等。同外热式的真空炉相比，其具有以下特点：

• 炉子的热惯性小，加热速度快和冷却速度快，热效率和生产效率较高；

• 无耐热炉罐，故可制作的炉膛不需受到限制，容量也不受限制，炉内可达到更高的温度；

• 炉温的均匀性好，可达±5℃，因此工件受热均匀，零件的变形小；

• 零件加热期间不需通入保护气体，提高了加热元件的使用寿命；

• 炉内结构复杂，加热区受到一定的限制；

• 炉体体积大，需要配备的真空系统容量要增大。

考虑到零件材质的差异，故其淬透性大不相同，选用的淬火介质的冷却性能区别较大。因此对高合金钢，其淬透性高，即使冷速低一样可获得要求的热处理技术要求，采用气淬真空炉；对于低合金钢或工具钢的真空处理采用油冷真空炉；对于碳钢等淬透性的零件，使用水冷真空炉。图2-10为内热式真空炉常见炉型。

目前国内双室油冷真空炉的型号有ZC系列、WZ系列、VCQ系列等；单室气淬炉有VFC系列、VVFC系列、HPV系列、高压气淬系列等。它们具有各自的加热和冷却特点，其技术已经成熟，得到使用厂家的认可和肯定，正发挥其十分重要的作用。

按工艺的种类真空炉可以实现真空淬火和回火、真空退火、真空固溶和时效、真空烧结、真空化学热处理以及真空镀膜等，因此真空炉可实现别的热处理设备无法处理的复杂工艺，随着社会的进步和科学技术的发展，必将发挥其巨大的作用。美国的海斯公司和德国的赢创工业公司已经开发了水淬真空炉和硝盐淬火真空炉，为淬透性差的碳素钢等实现了真空热处理，因此从某种意义上讲，真空炉为几乎所有的有色金属和黑色金属退火、淬火、回火、化学热处理等提供了保障。

②真空炉的热处理特点。与其他类型的热处理炉相比，其具有以下优点：

a．设备自动化程度高，完全实现机械化操作，本身设备有自锁功能，保护真空炉的安全使用；

b．炉膛洁净，工件热处理变形小，仅为盐浴变形量的1/4～1/10，减少了零件的磨削加工余量；

c．具有除气和脱脂作用，显著提高工件的力学性能、延长提高零件的使用寿命；

d．节省电力和能源，蓄热损失小，污染气氛低于其他任何的保护气氛，无公害，操作安全性可靠，工作环境好；

e．真空加热可避免了零件的氧化和烧损，工件无氧化、脱碳、表面光亮，确保零件表面的化学成分和表面状态保持不变，减少了热处理表面缺陷，生产成本低；

f．零件无氢脆的危险。

从上述几点来看，盐浴炉、空气电阻炉（井式电阻炉和箱式电阻炉）、燃气炉等热处理设备根本无法达到以上要求，因此真空炉在热处理领域具有广阔的市场前景，将为零件的热处理提供更佳的处理方法。真空炉的优点是由于下列原因决定的。

a．真空炉具有防止氧化的作用。金属和合金在真空中加热时，如果真空度低于相应的氧化物的分解压力，这种氧化物就会分解，形成的游离氧立即被排出真空炉，使零件的表面质量进一步改善，金属的氧化和氧化物的分解，具体见下式表示：，当真空炉中氧的分压大于氧化物的分解压时，金属被氧化。而MeO的分压大于真空中的氧分压，MeO会分解出金属来。金属氧化的分级压力如图2-11。一般而言，绝大多数钢铁零件在1.33～1.33×10^-3Pa范围内进行加热冷却后获得光亮的表面。

b．真空的脱气作用。金属脱气可提高金属的塑性和强度，真空度和温度越高，脱气时间越长，则越有利于金属的脱气效果，因此钢的抗拉强度提高，造成氢脆断裂所需的氢浓度越低，而真空热处理的脱气作用便可满足这一要求。

c．真空的脱脂作用。用于易损伤的金属箔、线材等金属零件的脱脂，油脂为碳、氢、氧的化合物，零件进行机械加工使用的切削液、润滑剂和防锈油等，在真空加热时油脂分解为氢、二氧化碳和水蒸气等，蒸气压较高，在真空中加热时被挥发分解，随后被真空泵抽走。油脂会影响真空炉内的清洁度，零件表面存在污物等，将对真空泵的性能产生重要影响，因此零件在入炉前要清洗干净。

d．真空下元素的蒸发。在常压下的金属热处理时，合金与金属元素的蒸发微乎其微，而在真空状态下，零件表面层中的常见合金元素如锌、镁、锰、铝、铬等在蒸气压较高时，极易挥发，因此造成表面合金元素的贫乏（减少），使表面的组织成分发生变化，零件的力学性能变差。尽管零件的表面不会产生氧化和脱碳现象，但需注意在真空加热的状态下，零件表面的合金元素和状态有明显的变化。为了避免这种情况的发生，为了保证零件表面的光亮度，减少合金元素的蒸发，先抽真空到较高的真空度后，随即充入高纯氮气，使真空炉内的压力维持在20.0～26.6Pa，即可防止金属元素的蒸发，加热效果十分明显。对于含有上述元素的钢在800℃以下可直接升温，在800℃以上加热时则通入一定量的中性气体等，有助于防止元素的蒸发。

真空炉存在的不足为：由于是靠辐射加热工件，因此加热速度慢，另外在真空状态下部分合金元素会出现蒸发现象，需要在高温状态下及时充入氮气，才能避免这种情况。

③真空炉的热处理应用。真空炉在我国的发展时间不长，由于生产成本高和一次性投资大，因此其应用的范围也受到一定的限制。在国外，工业发达国家真空炉的数量在23%以上，与可控气氛炉基本相当，其发展的进度很快，机械化程度和工艺水平更高，几乎可以实现金属材料的全部热处理工艺，如淬火、回火、退火、渗碳、氮化、渗金属等热处理工艺，完成气淬、油淬、硝盐淬和水淬等淬火处理。具体应用见表2-5。

对工、模具钢而言，在真空炉内加热时，减少了辐射换热，加热的速度缓慢，零件的各部分受热均匀，因此变形量很小。冷却后的零件表面处于压应力状态，故零件具有良好的综合作用，疲劳强度和抗拉强度明显提高，使用寿命是普通盐浴炉处理的零件的2～10倍。

耐热钢、不锈钢等零件经真空退火后，表面光洁，提高了零件表面的抗腐蚀性和抗晶间腐蚀能力。另外真空炉可实现真空堆焊、软化退火、真空镀膜等，其他热处理设备是无法比拟的。

机翼大梁、起落架、高强度螺栓等重要飞机零件的材料为30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A，经真空热处理后抗拉强度提高，而其塑性和韧性没有发生明显的变化，断裂韧性降低而低温的冲击韧性较高，疲劳强度提高了100倍以上，冲击磨损和低温拉伸寿命分别提高1.5～2.4倍和1.6～3.5倍，显示了真空热处理的优势^[29]。

④真空炉的主要技术参数。真空炉的各项技术指标与其他热处理设备有相似之处，但因其炉膛内必须能承受负压的作用，并能保持加热零件的无氧化脱碳。由于其特殊的结构和加热的特点，因此有些技术要求相对于比较严格，具体的主要技术参数归纳如下。

a．额定功率（kW）和电压（V）。

b．电极相数。

c．炉膛的有效加热区尺寸（mm）。

d．额定工作温度（℃）。

e．炉温的均匀性（℃）。

f．最大装炉量（kg）。

g．极限真空度（Pa）。

h．工作真空度（Pa）。

i．压升率（Pa/min或Pa/h）。

j．空炉抽空时间（min）。

k．空炉升温时间（min）。

l．工件转移时间（min）。

m．气体的消耗量（m³/炉）。

n．冷却水的消耗量（m³/h）。

o．外形结构尺寸（m）。

p．炉体总质量（kg）。

在上述技术参数中，最重要的有极限真空度、工作真空度和压升率，它们是整个真空炉的关键特性，是衡量设备技术水平的硬指标，如果达不到则根本无法实现真空热处理的目的。因此它们既是设计的要求，更是验收过程中必不可省的指标，而压升率是指真空炉达到极限真空度后关闭所有的阀，在单位时间内炉内压力的上升情况，这是检验真空炉气密性的数据。通常极限真空度小于1.33×10^-2Pa，而工作真空度在1.33～13.3Pa，压升率不大于0.67Pa/h。

（3）真空炉的结构和加热元件

①真空炉的结构。真空炉是由炉体、真空机组、液压系统、控制系统、冷却系统等几部分组成的，对于气冷真空炉要具备氮气储气罐，为防止停水或水压不足等，要备有高空水槽，防止因停水会烧坏或烧蚀密封件、电极等。

真空炉的炉体和炉门由高强度钢板焊接而成，为双层水套结构形式，炉门由齿轮、齿条传动开启和关闭，灵活方便。

加热室是圆形结构，石墨管状加热器和冷却气体喷嘴沿加热室的周围成360℃均匀分布，高级碳毡及柔性石墨纸作为保温材料，结构轻巧固定。

真空炉根据加热的形式可分为外热式和内热式两种，内热式是真空炉生产厂家的首选炉型，按结构的不同可分为单室、双室、三室以及连续式等真空炉，有气冷、油冷和油两用炉。真空气淬使用纯度在99.999%以上的氮气，可进行不锈钢、高合金模具钢、高速工具钢和铁镍基合金等淬火。真空油淬采用的是ZZ1、ZZ2两种真空淬火油，具有低的饱和蒸气压，用于合金钢的淬火。

②真空炉采用的加热材料。真空炉的加热元件有金属和非金属之分，分别叙述如下。

a．金属加热元件，通常分为两种，一种为贵重金属如钼、铂、钨、钽等；另一类为一般金属如镍铬耐热合金、铁铬铝合金、钼钨合金等。

b．非金属加热元件分为石墨和化合物两种。而化合物有碳化硅、硅化钼、二氧化钼等。其中碳化硅在高温下易黏结分解，而二氧化钼在1300℃时会软化，只有石墨具有加工性能好、耐高温、耐急冷急热性好、塑性好、辐射面积大、抗热冲击性能好等特点，适于制作加热元件。

目前真空炉的加热元件常选用石墨棒（或管）或加热管等，具有膨胀系数小，高的发热性，易于加工，价格适中，可作成棒状、板状、管状和带状等几项优点。它们在真空状态下，产生的热量通过辐射传递给工件，因此该类真空炉的加热速度慢，对于大型零件应充分地预热，必要时进行分段加热，既能克服内外加热后的温差，又能减小零件加热的变形，有利于零件的热处理质量得到保障。

③隔热屏（炉衬）是加热室内主要的组成部分，其作用为使加热元件与炉壳分开；确保加热室的尺寸和有效加热区范围；通过隔热屏的隔热和保温，减少热损失；使零件在加热过程中温度分布均匀。考虑选用的材料应具有耐火度、绝缘性、抗热冲击性和抗腐蚀性、良好的热透性等特点，一般有三种，即多层金属隔热屏、石墨毡隔热屏和夹层复合隔热屏。对于温度在1100℃以下的真空炉，使用不锈钢炉衬；而对于1100℃以上则采用钼等高温合金、石墨毡以及陶瓷等材料。石墨毡作为一种新型的隔热材料，具有密度小、热导率小、无吸热性、耐热冲击性好和易于加工等特点，

④真空炉的冷却系统。根据零件材质的淬透性，确定合理的冷却方法。同正常的热处理淬火一样，真空冷却有强制风（气）冷、油冷、气转油冷、硝盐或水冷等几种方法，一般来讲对具体的真空炉而言，其冷却方式是固定的。风冷系统由鼓风机、高效热交换器、导流管和喷嘴组成，采用炉内循环形式的结构，具有冷却速度快的特点。

根据高压气淬炉的工作特点，其冷却方式有四种：真空冷却、加压冷却（10～500kPa）、负压冷却（700Torr[注]风机启动）和自然冷却（700Torr风机不启动），依据零件的技术要求可选用不同的冷却方式，实现零件的淬火、回火、退火、烧结、钎焊、化学热处理、真空镀膜以及物理和化学沉积等。

需要说明的是为了防止高温下部分金属元素的蒸发，会降低零件的物理、化学性能，可采用分压保护，即向炉内充入高纯氮气，使炉内气体保持在一定的压力范围内，可抑制零件表面的合金元素的升华。

⑤真空系统。由机械泵、增压泵和扩散泵组成了真空系统，炉体上装有真空计等测量仪表，随时观察炉体内的真空度，确保零件在真空状态下实现无氧化热处理。机械泵、增压泵组成抽真空系统可获得中真空状态，机械泵、增压泵和扩散泵组成的真空系统能够完成高的真空度要求。

⑥炉内传动机构是零件推进和推出真空炉，必须具有的专门的装置，通常为链条传动、气动、液压传动等。对双室或三室真空炉来说，炉内传动机构既要能保证室与室之间零件的传送，又不能阻碍隔热挡板（门）的密封。

⑦电器控制系统由磁性调压器、可控硅半控整流桥自耦调压器、微机控温仪等组成，实现了设备的自动化和机械化。设备具有自锁功能，任何错误的操作和指令不会对真空炉造成危害，因此真空炉的安全性系数很高。

（4）真空炉技术的发展前景　目前发展起来的抽空炉是按真空炉设计的，指炉膛在粗抽空后（67Pa），然后充入保护气体（氮气）来加热处理零件，其特点为成本低、耗气量小，同时又具备真空炉和可控气氛炉的优点，因此发展前景十分广阔。

关于热处理炉的发展，一直向新型节能热处理炉迈进，在设计中设备的性能很大程度上取决于加热元件（包括电极辐射和燃气辐射的质量）、炉内耐热构件、传输运动部件、高温风扇及炉子的密封性等。设备节能和密封性好才能提高炉温的均匀性，大力推广采用可控气氛炉，减少零件的氧化和脱碳，不断改善工作条件和劳动条件，实现设备的机械化和现代化。其发展趋势见表2-6。

（5）钢铁材料的真空热处理工艺规范　从前面介绍的真空炉适合处理的材料来看，只有淬透性好的钢铁材料才能进行真空热处理，即冷却方法为气冷或油冷的工件。目前用于水冷和硝盐冷却的真空炉很少，本书不作介绍。表2-7列出了部分常见材料的真空炉的热处理工艺规范，供在实际的热处理生产中参考。

真空炉的热处理工艺参数是工件获得需要的力学性能和组织的保证，根据工件的材质、技术要求和装炉方式，结合真空炉的加热特点，经过具体的参数的调整和对比，对处理后工件要进行产品外观、硬度和金相晶粒度等几个方面的检查，才能确定合理的工艺参数。因此应当注意明确真空炉热处理过程中的工艺参数。任何设备都具有不足之处，因此真空热处理同其他热处理方法一样存在缺陷，真空热处理与保护气氛热处理常见的缺陷概括如表2-8。

通常真空炉的具体工艺参数为：真空度、升温速度、预热温度及预热次数、预热时间、淬火加热温度和淬火保温时间、冷却方法等，下面以高速工具钢为例加以介绍，所使用的为单室高压气淬真空炉（以HPV-200型为例）。

①工件预热及加热过程中的工艺参数的确定。

a．真空度。用机械泵、增压泵及扩散泵抽空。炉内真空度至10^-1Pa，可以送电加热。

b．升温速度。该炉空炉升温至1300℃需40min，在正常装炉量情况下。升温速度为350℃/h，加热过程中有三个升温区域。即炉内温度→850℃；850～1050℃；1050～1210℃（或1260℃），按此升温速度，不会出现仪表与炉温不同步的现象。

c．预热温度及时间。采取两次预热，第一次预热温度为830～850℃，第二次预热温度为1030～1050℃。传统的二次预热为：550～600℃，850～900℃。由于真空炉加热速度较慢，完全可以防止变形和开裂，因而没有必要采用较低的预热温度。

一次预热保温时间：t₁=30+30+1.5D（min）

二次预热保温时间：t₂=25+0.5D（min）

式中　t₁、t₂——一次、二次预热保温时间，min；

D——工件的有效厚度，mm。

炉温达到二次预热温度后，转动分压开关，这时压力范围已在FRV-2真空计设定为60～6000Pa。开始分压，此过程直到加热结束。采取这个措施，是为了防止工件的某些元素，如Gr、Mn、Al等部分合金元素在高温高真空状态下升华，从而降低工件的物理和化学性能。使用分压保护，向炉内充入氮气，使炉内的气氛维持在一定的压力范围内，能抑制表面元素的升华。

d．淬火加热温度及保温时间。当热处理温度相同时，真空淬火的晶粒度比普通盐浴炉加热的晶粒度大一级，这是由于真空的除气作用使钢材阻止晶粒长大的气体杂质和气体化合物得以去除，但对材料的冲击韧性没有影响。工艺试验表明，真空淬火温度比盐浴淬火温度应降低10℃左右，这样二者晶粒度基本一致。常见三种材料的真空淬火温度见表2-9。

保温时间：t=20+0.5D（min），但其最长保温时间不宜超过50min。

②工件冷却过程中的工艺参数的确定。工件经真空炉加热保温结束后，需要进行快速冷却，以获得要求的马氏体组织，这里有三个重要的工艺参数：冷却介质、冷却压力和冷却时间。在工艺试验中应根据工件选择气冷还是油冷，需要对冷却压力和时间进行了反复调整。一般高速钢分级冷却的温度为550～620℃，我们知道在马氏体转变温度范围以外，存在两个转变区域，上部转变温度为650～760℃，组织为粒状珠光体（P），下部转变为175～350℃，组织为贝氏体（B），350～650℃之间为过冷奥氏体（A）稳定区域。自淬火温度至700℃应快速冷却，是为了减少碳化物的析出。基于此点，将热电偶插入工件中，以机用丝锥为例，冷却介质为高纯氮气（纯度为99.999%）得出产品规格、冷却压力和冷却时间的关系见表2-10。

冷却前储气罐上压力应大于0.8MPa，实践证明采用上述压力，确保了工件快速冷至稳定区域，避免了碳化物的析出，金相组织正常，硬度65HRC，晶粒度10^⋕～9.5^⋕，表面光亮，变形量极小，不足盐浴处理变形量的1/4，因此降低了热处理后的磨削成本。

高速钢制造的机用丝锥的真空气体淬火热处理工艺规范曲线具体见图2-12。

③工件真空炉回火过程中的工艺参数的确定。真空炉回火过程中的工艺参数同前所述，真空度比预热时要高一些。由于回火炉温度较低，因此回火后的工件光亮度比淬火时稍差一点。另外，真空回火效果一般比盐浴回火差一些，这是由于工件在真空状态或氮气保护下，气体流动性差，而一般的加热传热方式为辐射，加热速度慢，受热条件差，故保温时间比盐浴炉长，一般为硝盐炉回火时间的4～6倍，但对使用性能没有影响。

（6）真空炉与盐浴炉处理高速钢圆板牙各项指标的对比

圆板牙是常用的螺纹刀具，由于是内螺纹，盐浴炉处理的高速钢圆板牙的螺纹中径难以保证，其关键在于热处理后的变形量超过了尺寸要求，解决该问题的措施是选择真空热处理。目前用盐浴炉处理圆板牙主要有以下几个问题：

①产品淬火后螺纹和外圆变形过大，从而导致产品精度超差；

②淬火后弯曲变形，从而导致螺纹牙型角的变化；

③淬火后牙型凹处有多余盐渍，直接影响牙型表面粗糙度，并给回火后加工带来不便；

④淬火后变形，导致四分之一螺距发生变化；

⑤淬火后去渣工艺过程中，螺纹有变化。

用HPV-200高压真空气淬炉处理的高速钢圆板牙，经工艺验证，完全满足工艺要求，主要检测项目见表2-11。

搓丝板经不同温度盐浴淬火与真空淬火使用寿命的情况比较如表2-12所示。可以看出真空热处理后搓丝板的寿命大幅度提高，显示出明显的优势，因此在工具制造业广泛采用真空淬火技术。

（7）真空炉处理工件的发展前景

经过反复试验证明上述工艺参数正确合理，完全能指导实际的热处理生产，没有出现金相及硬度不合格的问题，切削试验及寿命试验均表明各项技术指标优于盐浴处理的工件，其原因如下。

①在真空状态下加热，热量的传递方式为辐射，尤其是两次预热，升温速度比较慢，因此使工件的厚薄不均的部分、表面与心部的温差较小，工件的膨胀和收缩也就比较均匀。真空淬火变形量为盐浴炉的1/10～1/3。

②由于真空的脱气作用特别是去除了氢，没有氢脆，增强了晶界强度，提高了弯曲性能。

③盐浴处理的工件其表面受拉应力作用，经回火、喷砂后受压应力，在磨削后又呈拉应力。而真空炉处理的工件始终受压应力作用，压应力可显著提高工件的疲劳强度和断裂韧性，使用寿命提高了4～10倍，为降低生产制造成本、节约能源提供了依据。

总之，真空热处理后的工件获得良好的表面状态，具有脱气、蒸发、去除氧化膜及表面污物的效果，因此克服了盐浴炉处理过程中的氧化、脱碳、腐蚀等疵病而引起的淬火硬度不足、硬度不均匀、因淬火应力不均而出现的耐磨性下降，以及变形大、裂纹和冲击韧性下降等热处理缺陷，因此，真空炉取代盐浴炉等炉型势在必行。

2.1.3　其他影响零件氧化和脱碳的因素

零件在热处理加热和冷却过程中，除了因热处理炉的加热介质在零件表面产生质量缺陷外，其他的相关的热处理工艺参数也有不同的影响，例如零件的加热温度、加热时间、钢材自身的化学成分等。综合分析上述因素对于我们正确指导热处理的生产、降耗节能、制造出成本低廉的优质的产品是十分重要的。

（1）加热温度和炉内气氛　钢铁零件的热处理的目的和意义在于通过加热和冷却，获得要求的组织和性能。而组织是一切性能的基础，零件在加热时，采用高于相变点以上的温度（A_c1、A_c3或A_cm）进行充分加热，确保得到奥氏体化状态，为淬火做好组织上的准备。因此钢铁零件的加热温度是重要的工艺参数，应引起热处理操作者和工作者的高度重视，必须认识加热温度的影响和作用，才能对零件进行正确的热处理，生产出符合技术要求的产品。

零件加热过程中采用较高的温度时，增加了表面氧化和脱碳的概率，因此在保证零件达到充分加热、成分均匀化的前提下，选择加热规范应尽可能地采用较低的温度。为了确保产品质量，对于高合金钢或易变形的模具，采用一次预热或多次预热，同时确定合理的最终加热温度。

随着气氛中氧含量的升高以及加热温度的提高，零件表面的氧化加剧，氧化层加厚。氧化层达到一定的厚度则形成了氧化皮，将使零件的尺寸减小，由于氧化皮和钢本身的膨胀系数不同，故使氧化皮脱落，影响了零件的表面质量，加速了钢材的氧化进度，具体见图2-13，严重的影响淬火时的冷却速度，造成软点或硬度不足。在600℃以上时形成的氧化膜以FeO为主，它是不致密的，氧和铁原子容易通过这一氧化膜而渗入内部，使氧化层的厚度增加。而在600℃以下时，氧化膜是由比较致密的Fe₃O₄组成，氧化的速度比较缓慢。因此一般零件采用较低的加热温度，或缩短在高温下的停留时间，有助于减少氧化倾向。

钢件表面产生了氧化皮，将造成表面粗糙度的降低，因此在加热过程中一般是不允许出现的。事实证明氧化皮会造成零件出现淬火软点、表面开裂，使钢的表面质量状态下降，零件的强度降低和力学性能下降，因此其危害十分严重。钢的表面氧化一般同时伴随着表面脱碳。

脱碳的危害是明显降低了钢的淬火硬度、耐磨性以及疲劳强度，作为高速工具钢将降低其红硬性和耐磨性，失去作为刀具钢的意义。脱碳的实质是钢表面的碳原子在高温下，氧和氢、水蒸气和二氧化碳等与之反应生成CO或甲烷等物质。炉内成分中氧和氢、水蒸气、二氧化碳、硫酸根、碳酸根等氧化性物质愈多，则表面的氧化愈严重，其具体化学反应如下：

　　（2-30）

　　（2-31）

　　（2-32）

　　（2-33）

上述反应是可逆的，其中只有CO和CH₄可以进行钢铁零件表面的增碳。事实上氧化和脱碳是同时进行的。当钢表面的氧化速度小于碳从内层向外层扩散的速度时，将造成表面的脱碳，反之发生氧化现象。因此，一般而言，在氧化性相对较弱的氧化气氛中会产生较深的脱碳层。

即使在氮基气氛的加热介质，加热温度提高也将使氧化性增强，表面的氧化和脱碳更加明显，前面已经叙述，具体的加热脱碳情况见图2-4。

表面脱碳后，其碳含量降低，因此在金相组织中碳化物的含量明显减少，造成表面硬度的降低，影响了零件的表面组织和使用性能。脱碳造成零件表面金相组织的差异，通常按脱碳的严重程度，分为全脱碳和半脱碳两部分，具体见图2-14。

从图2-14中可以看出，全脱碳层为最外面一层，其显微组织为白色的铁素体，半脱碳层是从全脱碳层的内界到钢的含碳量为原始组织状态处的距离。

需要引起注意的是脱碳后钢的表面形成铁素体的晶粒，根据温度的高低分为柱状和粒状两种，如图2-15所示。通常在670℃以上才会有明显的脱碳现象。钢在A₁～A₃或A₁～A_Ccm温度加热，强化了脱碳的倾向，形成了柱状的脱碳，这同脱碳后的晶粒度的变化有很大的关系。而钢在A₁或A₃以上温度加热，如果为弱脱碳，则形成的表面为柱状晶粒。随着温度的提高，加热介质的氧化性增强，因此钢的氧化脱碳严重。

（2）加热或保温时间　零件的氧化和脱碳的过程既是化学作用的过程，又是原子的扩散过程，加热温度提高和保温时间延长都将加剧零件表面的氧化和脱碳过程，尤其是加热温度影响更为强烈。一般氧化速度随温度按抛物线规律增加。在600～700℃以上加热时，温度每增加或提高100℃，则氧化的趋势提高10倍。

零件在热处理炉内加热一定的时间，其目的是为了确保充分加热后得到奥氏体组织。在一定的加热温度下，奥氏体转变的充分程度与钢中的化学成分密切相关，待转变完成后即可进行冷却处理，从而完成组织转变，达到零件热处理所需的性能、硬度、金相组织的标准。零件热处理的主要技术要求多为提高其耐磨、耐蚀以及尺寸稳定性，因此在加热时只要时间合理即可满足要求，如果时间延长，则零件与加热介质的接触时间增加，势必提高零件在加热过程中的氧化和脱碳的概率，对零件的表面状态会产生不良的影响。

零件的加热或保温时间应根据热处理炉的特征、零件的材质、装炉方式、装炉量的大小、有效尺寸、截面的变化、零件的复杂程度、对变形和硬度的要求等，进行综合考虑，有时可根据经验而确定加热或保温时间，也可经过实践验证。采用正交法进行时间的确定，不失为一种良好的措施。

需要指出对截面尺寸大的碳素钢、合金钢、结构钢或高合金钢以及高速工具钢等，尤其是高合金钢以及高速工具钢由于其热导率低，零件的内外温差较大，如果直接在淬火温度下加热，将造成零件内外组织转变的不同时，热应力的增大超过材料的抗拉强度会引起零件的开裂。因此采取预热或分段加热的方法，既能确保零件内外温度的一致，又为其最终的热处理奠定了良好的基础，可有效避免零件的开裂。

（3）钢的化学成分　钢的化学成分对零件表面质量有一定的影响。一般而言，钢的抗氧化性、脱碳性很差，含碳量越高，钢铁零件脱碳倾向愈严重。尤其是钢中Si、Mo、Mn、Al等合金元素，当其合金元素的含量较高，则脱碳的概率增加。

2.1.4　钢铁零件的表面腐蚀

需要注意的是零件的表面腐蚀也是一种质量缺陷，这多半同零件表面不清洁，存在油污、盐迹和其他腐蚀性物质有关。作者处理的气门锻模材质为3Cr2W8V，是在盐浴炉中完成加热的，清洗干净后封箱在箱式炉中回火，有时在砂光后型腔内观察到腐蚀麻点，造成锻模无法使用。经过分析和试验发现，气门锻模在盐浴炉淬火后，型腔内黏附的氯化钡洗不干净，在570～620℃的回火的过程中，氯化钡将锻模的表面腐蚀，造成麻点的产生。针对出现的质量缺陷，我们要求操作者盐浴加热后，在60～80℃静止的机械油中冷却3～4min，立即擦拭干净型腔表面的残盐，随后进行时效处理。经过生产实践验证，效果十分明显，杜绝了腐蚀缺陷的出现，解决了锻模热处理的质量问题，同时也为表面要求严格的零件的热处理提供了参考依据。从这个问题来分析，零件热处理后的质量和表面状态同零件的整个热处理过程，以及相关的加热介质和冷却介质有直接的影响。因此当存在热处理质量缺陷或问题时，要学会从质量管理的角度来判断和处理，日本的大和雄重久在这方面作了大量的工作，从人、机、料、法、环和检等六方面分析，对热处理过程中出现的质量问题，进行了十分深入的探讨和研究，成为我们热处理工作的重要指南。

2.1.5　零件表面氧化和脱碳的后续处理

钢铁零件一旦在加热过程中出现了表面氧化和脱碳，其危害性很大，除了降低表面硬度、力学性能难以得到保证外，同时很容易造成磨削裂纹等，因此必须采取必要的措施，来消除其对零件的使用性能的影响。根据目前的加工手段和工艺方法，通常是分机械加工方法和化学加工方法两种，针对具体零件的形状、技术要求、复杂程度以及使用条件等，确定最佳的加工方法。

（1）机械加工方法　采用车削、磨削等去除掉零件表面的氧化皮和脱碳层，其前提是不会影响零件的使用尺寸和要求，对仅仅脱碳的零件也可重新进行渗碳处理，这样可挽救部分脱碳零件，避免造成零件的整体报废。

采用强力抛丸或喷砂同样可达到去除氧化皮和脱碳层的目的，该类措施既可解决表面质量缺陷，消除可能产生的负面作用，同时也使表面得到了加工强化，表面产生了压应力，因此能够提高零件的疲劳强度和使用寿命等。汽车弹簧钢板进行抛丸处理后疲劳强度提高了数倍甚至十几倍，由此可见该方法具有实际应用价值。

（2）化学加工方法　在机械加工行业中，考虑到零件的氧化皮和脱碳层与基体的结合强度明显降低，二者可采用表面腐蚀的工艺方法来加以消除，通常使用盐酸或其他酸性介质来清理零件的表面，应当注意酸洗或浸泡的时间。事实证明酸洗或浸泡如果超过了一定的时间，很容易在零件的表面产生“氢脆”，其原因在于酸中的氢渗入零件的表面，造成晶界的脆性增大，韧性明显降低，强度低于断裂应力。