真空热处理工艺

屠恒悦 目录

前言 .................................................................................................................................................. 1 一、真空热处理工艺原理和真空热处理和加热特点 .................................................................. 1

1、工艺原理 ............................................................................................................................ 1 2、真空热处理的加热特点： ................................................................................................ 3 二、真空热处理工艺参数的确定 .................................................................................................. 3

1、真空度： ............................................................................................................................ 3 2、加热和预热温度： ............................................................................................................ 4 3、真空淬火加热时间 ............................................................................................................ 4 三、真空热处理的冷却方法 .......................................................................................................... 5

1、气淬 .................................................................................................................................... 5 2、真空油淬 ............................................................................................................................ 7 3、为减小工件变形采用的分级冷却。 ................................................................................ 9 4、真空水淬。 ........................................................................................................................ 9 5、真空硝盐淬火。 ................................................................................................................ 9 6、炉冷或控速冷却。 ............................................................................................................ 9 四、真空退火、真空淬火、真空回火及常用金属材料的真空淬火、回火工艺规范 ............... 9

1、真空退火目的 .................................................................................................................... 9 2、真空淬火： ...................................................................................................................... 14 3、真空回火 .......................................................................................................................... 19 四、常用金属材料的真空淬火、回火工艺规范。 .................................................................... 20

（1）合金结构钢和超高强度钢 .......................................................................................... 20 （2）弹簧钢 .......................................................................................................................... 22 （3）轴承钢 .......................................................................................................................... 22 （4）合金工具钢 .................................................................................................................. 22 （5）高速钢 .......................................................................................................................... 23 （6）不锈耐热钢 .................................................................................................................. 24

A

前言

所谓真空热处理是工件在10-1~10-2Pa真空介质中进行加热到所需要的温度，然后在不同介质中以不同冷速进行冷却的热处理方法。

真空热处理被当代热处理界称为高效、节能和无污染的清洁热处理。真空热处理的零件具有无氧化，无脱碳、脱气、脱脂，表面质量好，变形小，综合力学性能高，可靠性好（重复性好，寿命稳定）等一系列优点。因此，真空热处理受到国内外广泛的重视和普遍的应用。并把真空热处理普及程度作为衡量一个国家热处理技术水平的重要标志。真空热处理技术是近四十年以来热处理工艺发展的热点，也是当今先进制造技术的重要领域。

一、真空热处理工艺原理和真空热处理和加热特点 1、工艺原理

（1）金属在真空状态下的相变特点。

在与大气压只差0.1MPa范围内的真空下，固态相变热力学、动力学不产生什么变化。在制订真空热处理工艺规程时，完全可以依据在常压下固态相变的原理。完全可以参考常压下各种类型组织转变的数据。

（2）真空脱气作用，提高金属材料的物理性能和力学性能。 （3）真空脱脂作用。

（4）金属的蒸发：在真空状态下加热，工件表面元素会发生蒸发现象。

表一 各种金属的蒸气压

金属 Cu Ag Be Mg Ca Ba Zn Cd Hg Ae Li Na K In C Si

达到下列蒸气压的平衡温度（℃） 10-2Pa 1035 848 1029 301 463 406 248 180 -5.5 808 377 195 123 746 2288 1116 10-1Pa 1141 936 1130 331 528 6 292 220 13 8 439 238 161 840 2471 1223 1Pa 1273 1047 1246 343 605 629 323 2 48 996 514 291 207 952 2681 1343 1

10Pa 1422 1184 1395 515 700 730 405 321 82 1123 607 356 265 1088 2926 1485 133Pa 1628 1353 1582 605 817 858 - - 126 1179 725 437 338 1260 3214 1670 熔点（℃） 1038 961 1284 651 851 717 419 321 -38.9 660 179 98 157 - 1410 Ti Zr Sn Pb V Nb Ta Bi Cr Mo Mn Fe W Ni Pt Au 1249 1660 922 8 1586 2355 2599 536 992 2095 791 1195 2767 1257 1744 1190 1384 1861 1042 625 1726 2539 2820 609 1090 2290 873 1330 3016 1371 1904 1316 16 2001 11 718 1888 - - 693 1205 2533 980 1447 3309 1510 2090 1465 1742 2212 1373 832 2079 - - 802 1342 - 1103 1602 - 1679 2313 16 - 29 1609 975 2207 - - 934 1504 - 1251 1783 - 1884 2582 1867 1721 1830 232 328 1697 2415 2996 271 10 2625 1244 1535 3410 1455 1774 1063 （5）表面净化作用，实现少无氧化和少无脱碳加热。

图一 各种金属氧化物的分解压力

金属的氧化反应是可逆的：Mo≒2M+2O 2O→O2↑ 取决于气氛中氧的分压和金属氧化物的分压的大小。

当氧分压大于金属氧化物的分压时，反应向左进行，金属表面产生氧化。反之，如氧化物的分解压大于氧的分压，反应向右进行，其结果是氧化物分解。

亚氧化物理论和真空炉中碳元素存在，使炉内氧的分压低于金属氧化物的分压，使金属不会氧化。

表二 真空度和相对杂质及相对露点关系

真空度 相对杂质含量 Pa 托 % PPM(百万分比) 1.33×104 100 13.2 1.33×103 10 1.32 +11 1.33×102 1 0.132 1320 -18 1.33×10 10-1 1.32×10-2 132 -40 1.33 10-2 1.32×10-3 13.2 -59 1.33×10-1 10-3 1.32×10-4 1.32 -74 1.33×10-2 10-4 1.32×10-5 0.132 -88 1.33×10-3 10-5 1.32×10-6 0.0132 -101 相对露点（℃） （6）金属实现无氧化加热所需的真空度。

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图二 为不同金属无氧化加热温度和真空度的关系曲线

2、真空热处理的加热特点：

两个显著特点：一是空载时炉子的升温速度快，二是工件的加热速度慢。

二、真空热处理工艺参数的确定 1、真空度：

表三 各种材料在真空热处理时的真空度

材 料 合金工具钢、结构钢、轴承钢（淬火温度在900℃以下） 含Cr、Mn、Si等合金钢（在1000℃以上加热） 不锈钢（析出硬化型合金）、Fe、Ni基合金，钴基合金 钛合金 高速钢 Cu及其合金 高合金钢回火 真空热处理时真空度Pa 1~10-1 10Pa（回填高纯氮） 10-1~10-2 10-2 1000℃以上充666~13.3Pa N2 133~13.3Pa 1.3~10-2 在考虑工作真空度时应注意几点： （1）在900℃以前，先抽0.1Pa以上高真空，以利脱气。

（2）10-1Pa进行加热，相当于1PPM以上纯度惰性气体，一般黑色金属就不会氧化。

（3）充入惰性气体时，如充133Pa，（50%N2+50%H2）的氮氢混合气体，其效果比10-2～10-3Pa真空还好。此时氧分压66.5Pa是安全的。

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（4）真空度与钢表面光亮度有对应关系。

（5）一般10-3~133Pa真空范围内，真空度温差为±5℃，如气压上升，温度均匀性下降，所以充气压力应尽量可能低些。

2、加热和预热温度：

表四 预热温度参考表

淬火加热温度（℃） 800~900 1000-1100 1200以上 预热温度（1）（℃） 550-600 550-600 550-600 预热温度（2）（℃） 800-850 800-850 预热温度（3）（℃） 1000-1050 3、真空淬火加热时间

图三 真空加热时的特性曲线

图四 炉温和被加热工件表面与中心温度

t总=t均+t保 t均=a`×h

t保为相变时间，t均为均热时间，a`为透热系数（分/mm），h为有效厚度（mm）。

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表五 a`透热系数的确定

加热温度（℃） 600 1.6~2.2 800 0.8~1.0 600℃预热 1000 0.3~0.5 600、800℃预热 1100~1200 0.2~0.4 600、800、1000℃预热 a`（分/mm） 预热情况 注：没有预热，直接加热，a`应增大10~20% 表六 t保时间确定

钢材 t保（分） 碳素工具钢 5~10 低合金钢 10~20 高合金钢 20~40 三、真空热处理的冷却方法 1、气淬

（1）各种冷却气体的性质

表七 各种冷却气体的性质（100℃时）

气体 N2 Ar He H2 密度 （Kg/m3） 0.887 1.305 0.172 0.0636 普朗特数 0.70 0.69 0.72 0.69 粘度系数 （Kg.s/m3） 2.5×10-6 2.7 2.31 1.048 热传导率 （kcal/m.h. ℃） 0.0269 0.0177 0.143 0.1 热传导率比 1 0.728 1.366 1.468

图五 氢、氦、氮、氩的相对冷却性能

为保证工件表面不氧化，具有高的光亮度，对冷却气体N2纯度有一定要求。

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表八 氮气纯度标准

处理材料 轴承钢、高速钢 高温耐热合金 高温活性金属 半导体材料 氮气纯度（%） 99.995~99.998 99.999 99.9999 99.99999

表九 热处理用氩气、氢气、氮气的行业标准

指标要求，%（V/V） 名称 高纯氩气 氩气 高纯氮 纯氮 Ⅰ类 工业用气态氮 Ⅱ类Ⅰ级 Ⅱ类Ⅱ级 氩含量 ≥99.999 ≥99.99 - - - - - 氮含量 ≤0.0005 ≤0.007 ≥99.999 ≥99.996 99.5 99.5 98.5 氢含量 ≤0.0001 ≤0.0005 ≤0.0001 ≤0.0005 - - - 氧含量 ≤0.0002 ≤0.001 ≤0.0003 ≤0.001 ≤0.5 ≤0.5 ≤1.5 总碳含量 （以甲烷计） ≤0.0002 ≤0.001 ≤0.0003 CO≤0.0005 CO2≤0.0005 CH4≤0.0005 - - - CO≤0.0005 氢气 - ≤0.006 ≥99.99 ≤0.0005 CO2≤0.0005 CH4≤0.001 ≤0.003 露点≤-43℃ 游离水≤100ml/瓶 游离水≤100ml/瓶 ≤0.0005 水含量 ≤0.004 ≤0.002 ≤0.0005 注：①水分压15℃，大于11.8MPa条件下测定。 ②高纯氮、纯氮不适合用于沉淀硬化不锈钢，马氏体时效钢，高温合金、钛合金等真空热处理回充和冷却气之用。

③氢气不适用于高强度钢、钛合金、黄铜的热处理保护。 ④液态氮不规定水的含量。 （2）提高气体冷却能力的方法

牛顿公式：Q=k（tw-tf）·F（kcal/h）

Q为传热量； tw为工件温度； tf为气体温度； F为工件表面积； k为对流传热系数。

K=（λ/d）·C（wdp/η）m

d为工件直径， C为因雷诺系数范围不同而异的常数， m为幂指数，一般0.62~0.805 w为流速，p为密度的函数（亦可视为气压），λ为气体导热系数，η为粘滞系数。

从公式中可见，提高冷却气体的密度（压力）和流速可以成比例地加大对流传热效率。

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①提高冷却气体压力。 ②提高气体的流速。

图六 气体压力和淬火速率间的关系曲线

表十 各种淬火介质对热传导系数的比较

介质和淬火参数 盐浴 550℃ 液态床 油 20~80℃ 不流动 油 20~80℃ 搅拌循环的 水 15~25℃ 空气、无强力循环 1000毫巴（1×10Pa）N2 循环的 6×10Pa N2 快速循环 10×10Pa N2 快速循环 6×10Pa He 快速循环 10×10Pa He 快速循环 20×10Pa He 快速循环 6×10Pa H2 快速循环 10×10Pa H2 快速循环 20×10Pa H2 快速循环 40×10Pa H2 快速循环 5555555555热导率（w/m.k） 350~450 400~500 1000~1500 1800~2200 3000~3500 50~80 100~150 300~400 400~500 400~500 550~650 900~1000 450~600 ~750 ~1300 ~2200 22、真空油淬

（1）真空淬火油的条件。 （2）真空淬火油的主要技术指标

表十一（a） 国产真空淬火油质量指标

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真空淬火代号 粘度（cst）50℃ 闪点（℃）不低于 凝点（℃）不高于 水份（%） 残碳（%）不大于 酸值（mgkoH/g） 饱和蒸气压20℃（133Pa） 热氧化安定性 冷却性能 特性温度（℃） 特性时间（s） 800℃冷至400℃时间（s） ZZ-1 20~25 170 -10 无 0.08 0.5 5×10 合格 600~620 3.0~3.5 5~5.5 -5ZZ-2 50~55 210 -10 无 0.1 0.7 5×10 合格 580~600 3.0~4.0 6~7.5 -5表十一（b） 上海惠丰石油化工有限公司真空淬火油质量指标 项目/型号 运动粘度（40℃），mm/s 闪点（开口），℃ 倾点，℃ 冷却特性 特性温度 800～400℃时间 2CZ1真空淬火油 32～42 180 -10 600 5.5 CZ2真空淬火油 80～90 220 -10 585 7.5 试验方法 GB/T265 GB/T3536 GB/T3535 SH/T0220 注：以上数据为代表性试样的测定结果，产品性能以实测为准。 性能：1、有较低的饱和蒸汽压，蒸发量较小，使溶入的气体迅速脱出； 2、较强的抗汽化能力和较快的冷却速度，不污染真空炉膛及真空操作效果； 3、冷却性能稳定，在真空条件下，能保证淬火后工件淬硬效果好； 4、良好的光亮性和光辉性，淬火后表面清洁光亮，不会变色、无氧化、无污染； 5、极佳的挥发安定性和氧化安定性，使用寿命长。 用途：1、适用于轴承钢、工模具、刀具及大中型航空结构钢及其它特种钢材； 2、HFV-CZ1真空淬火油用于中型材料在真空状态下的淬火，HFV-CZ2真空淬火油用于淬渗透性好的材料在真空状态下淬火。 表十二 美国C.I.Hayes公司真空淬火油质量指标 真空淬火油代号 比重（Ib/gal） 粘度指数 粘度（100℉）sus 着火点（℃） 热线试验 蒸汽压40℃（133Pa） 90℃（133Pa） 150℃（133Pa） GM淬火试验（s） 最高使用温度（℃）

H1 7.36 76 92~95 170 34.0 0.002 0.100 2.00 11 60 8

H2 7.2 95 110~121 190 31.0 0.0001 0.0103 0.45 17 80 真空油淬时注意的几个问题：

①真空油淬压力填充纯N2 40kPa~67kPa。

②淬火油量： 工件：油重量 1：10~15，油池比油与工件体积之和大15~20%。 ③油中不许有水分。当达0.03%时，工件变暗；0.3%时，冷速明显变化。 ④真空淬火油的调制。 ⑤工件入油前应充分脱气。 ⑥油温在40~80℃使用。

⑦油应有搅拌。静止油冷却强度为0.25~0.30；激烈搅拌油冷却强度为0.8~1.1。 ⑧真空油淬时的高温瞬时渗碳现象。

3、为减小工件变形采用的分级冷却。

①油冷却到MS点以上→风冷。

②延时油淬，先预冷30~70秒→（1090℃）入油。 ③风冷至550℃→在油中淬火。

④气体分级淬火，气冷到马氏体转变点以上→停风扇→表面温度均匀后再开风扇快冷。 ⑤工件在硝盐浴中等温淬火。

4、真空水淬。 5、真空硝盐淬火。 6、炉冷或控速冷却。

四、真空退火、真空淬火、真空回火及常用金属材料的真空淬火、回火工艺规范。

1、真空退火目的：

获得洁净光亮的表面，省去或减少加工工序；使金属材料软化，消除内应力和改变结构，提高材料性能。

（1）铜及其合金

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表十三 青铜真空热处理参数

材料号 QSn4-3 QSn4-4-2.5 QSn6.5-0.4 QSn4-0.3 QAl9-2 QAl9-4 QAl10-3-1.5 QAl10-4-4 QAl10-5 QAl10-7 13.3~1.33 13.3~1.33 600~650 600~750 700~750 650~750 650~750 600~700 650~750 炉冷 真空度（Pa） 退火温度（℃） 600 冷却方式 表十四 紫铜和黄铜真空热处理参数

材料牌号 紫铜 T1、T2 T3、T4 黄铜 H96 H90 H80 H70 H68 H62 H59-1 HSn70-1 HSn62-1 HAl77-2 HAl59-3-2 HMn58-2 HFe59-1-1 HPb74-3 HPb-3 HPb63-3 HPb60-1 200 260 260~270 260~270 270~300 300~350 350~370 300~350 350~400 消除应力退火温度（℃） 再结晶退火温度（℃） 600~700 600~700 0~600 650~720 600~700 520~650 520~650 600~700 600~670 560~580 550~650 600~650 600~650 600~650 600~650 600~650 620~670 620~650 600~650 133~13.3 13.3~1.33 13.3~1.33 炉冷或 惰性气体冷 13.3~1.33 133~13.3 真空度（Pa） 冷却方式

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表十五 铍青铜时效工艺参数

材料牌号 QBe2 QBe2.5 时效温度（℃） 300 285 320 真空度（Pa） 1~10 -2时间（小时） 3~5 3~4 2 （2）金属和合金的除气处理。 应用于加速器、宇宙模拟设备、电子管材料和高温活性金属。

表十六 金属及合金真空除气的温度及真空度

金属及合金 铜 镍 铁与铁合金，硅钢，不锈钢 钼 钨 钛 钽 除气温度（℃） 800 800~950 ＞900 ＞1450 ＞1400 810 900~950 真空度（Pa） 2.7×10 1.3×10 4×10 6.7×10 6.7×10 1.3×10 1.3×10 -3-3-3-3-2-3-3（3）软磁材料的真空退火 软磁材料与硬磁材料的区别是磁性不同。

矫顽力Hc＜10奥斯特为软磁，Hc=10-300奥斯特为半硬磁，Hc＞300奥斯特为硬磁。目前广泛应用于氢气退火和真空退火。

①电工纯铁的真空退火，见图七。

图七 电工钢真空退火工艺曲线

②硅钢片的真空退火见图八。

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图八 硅钢片真空退火工艺曲线

③Fe-Ni系合金真空退火。

表十七 常用Fe-Ni软磁材料的真空退火规范

合金牌号 1J46 1J50 随炉升温 1J79 1050~1150 1J51 1J 随炉升温 退火温度（℃） 保温时间（小时） 3~6 1~2 100℃/h冷至300℃移至冷却室，冷至100℃以下出炉 1~10 -1-3-1真空度（Pa） 冷却方式 10~10 -1-3100~200℃/h冷至300℃后快冷 ＜100℃出炉 1J80 1100~1150 1J85 随炉升温 8~6 100~200℃/h冷至400℃移至冷却室冷至100℃以下出炉 10~10 100~200℃/小时冷至480℃后快冷至100℃以下出炉 100~150℃/h冷至500℃后，以30~50℃/h冷至300℃，1~10 -11J77 1100~1200 1J76 随炉升温 1100~1150 1~2 3~5 8~6 2~4 1~2 1~10 -1-3-1再快冷到100℃出炉。 100℃/h冷至500℃后，以10~50℃/h冷至300℃，再快冷到＜100℃出炉。 100~200℃/h冷至600℃快冷至300℃，＜100℃出炉 100~200℃/h冷至600℃再稍快冷至100℃以下出炉 100℃/h冷至600℃后以30~100℃/h冷至300℃，＜100℃出炉 100℃/h冷至600℃稍快冷至300℃，100℃以下出炉 1J52 随炉升温 1J83 1050~1150 1J86 1J41 1J42 1J47 随炉升温 1100~1200 随炉升温 1100~1150 10~10 -1-310~10 150℃/h冷至300~400℃后快冷至＜100℃出炉 ④Fe-Al系合金真空退火 表十八 常用Fe-Al系软磁合金真空退火规范

合金牌号 1J16 1J13 1J12 1J6 1J8 退火温度（℃） 缓慢升温 950~1150 随炉升温 900~950 随炉升温 1050~1200 随炉升温 700℃以后 50~200℃/h 升至1200~1220

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保温时间（小时） 2 2 真空度（Pa） 冷却方式 200~150℃/h炉冷，100℃以下出炉 100℃/h冷至600℃，60℃/h冷至200℃，＜100℃出炉。 100~150℃/h冷至500℃快冷至200℃，＜100℃出炉 100~150℃/h冷至250℃，＜100℃出炉 10~10 2~3 -1-350~150℃/h冷至250℃以下，＜100℃出炉 软磁合金退火时注意：

a）在高温退火时必须防止工件叠片间和卡具粘合，可以在其间撒布工业氢氧化镁或滑石粉，或经高温下除过气的氧化铝粉撒布其间。

b）工件不能与石墨接触，最好不用石墨纤维的真空炉中处理。

（4）钢材料的真空退火； ①钢铁材料：

表十九 钢的真空退火工艺参数

材料 45 0.35~0.6卷钢丝 40Cr Cr12MO W18Cr4V 空冷低合金模具钢 高碳铬冷作模具钢 W9~18热模具钢 真空度（Pa） 1.3~1.3×10 1.3×10 1.3×10 1.3×10以上 1.3×10 1.3 1.3 1.3 -1-1 -1-1-1退火温度（℃） 850~870 750~800 0~910 850~870 870~0 780~870 870~900 815~900 冷却方式 炉冷或气冷，≈300℃出炉 炉冷或气冷，=200℃出炉 缓冷，≈300℃出炉 720~750℃，等温4~5小时炉冷 720~750℃，等温4~5小时炉冷 缓冷 缓冷 缓冷 ②不锈钢、耐热钢真空退火； 表二十 奥氏体不锈钢退火温度和真空度

热处理 热变形后去氧化皮代替酸洗退火 退火 电真空零件退火 带料在电子束设备中退火 温度（℃） 900~1050 1100 1050~1150 950~1000 1050~1150 真空度（Pa） 13.3~1.3 1.3×10~0.7×101.3~1.3×10 1.3~4×10 1.3×10~1.3×10 -2-3-3-1-1-2 表二十一 一些不锈钢的退火工艺参数 钢种类型 铁素体类 马氏体类 奥氏体类（未稳定化） 奥氏体类（稳定化） 主要化学成分（质量分数）分析结果（%） Cr12~14，CO.08（最多） Cr14，C0.4，Cr16~18，C0.9 Cr18，Ni8 Cr18，Ni8，N61或Ti 退火温度范围（℃） 630~830 830~900 1010~1120 950~1120 真空度（Pa） 1.3~1.3×10 1.3~1.3×10 1.3~1.3×10 1.3×10~1.3×10 -2-3-1-1-1

13

2、真空淬火：

图九 真空淬火循环

真空淬火操作过程见图八，先预抽真空到1~1×10-2Pa时开始加热，当保温结束，升压到0.8×105Pa，工件油淬或回填到5×105Pa进行高压气淬。

各种钢和合金加热时的真空度要求和淬火冷却方式见表二十二。

表二十二 各种钢和合金加热时的真空度要求和淬火冷却方式

材料 耐冲击钢 （美）S-1（SKS41） （美）S-2（SKS4） （美）S-3 （美）S-4 （美）S-5 油淬火钢 （美）0-1（MnCrWv） （美）0-2（9Mn2v） （美）0-6 （美）0-7（WCrv） （美）4140（40CrMnMo） （美）4340 （美）52100 空气淬火钢 （美)A-2 （美)A-6 （美)A-7 （美)D-1 （美)D-2 （美)D-4 （美)D-5 （美)D-7 （美)H-11

真空度 低 A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A 14

淬火方式 高 油 A A A A A A A A A A A A C C C C C C C C C 水 气 A A A A A A A A A 中 B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B （美)H-14 （美)H-21 （美)H-22 高速钢 W系 （美)T-1 （美)T-2 （美)T-3 （美)T-4 （美)T-5 （美)T-15 高速钢 Mo系 （美)M-1 （美)M-2 （美)M-6 （美)M-10 （美)M-30 （美)M-50 钛合金 Ti-2Al-4Mn Ti-6Al-4V Ti-679 Ti-6Al-4V（低O2） Ti-6Al-6VZ-5Sn-1（Fe，Cu） Ti-7Al-4Mo 不锈钢 400 410 416 420 440 沉淀硬化合金 Ni-spanc AM-350 AM-355 （美）17-7PH （美）17-4PH 铁镍基合金 901合金 A-286 Discaloy Unitemp 212

A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A 15

B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B D D D D D D A A A A A A A A A C C C A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A E E E E E E E E E E E A A A A A A A A A A A A A A A 钴基合金 Al-Risist 213 H-21 MAR-M509 W1-52，HS152 镍基合金 T18合金 Hastelloy X Inconelx750 M-252-J-1500 RA-333 Rene`41 Rene`62 Rene`63 TDNickel 棒 Waspaloy A Waspaloy B CTreek Ascaloy A A A A A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B B B B B B B B A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A 注：A-必要条件；B-需改善泵的停机时间；C-预冷至550℃施行油淬；D-用扩散泵排出；E-气冷至1090℃淬油；

真空度：低-机械泵；中-增压泵；高-扩散泵。 （1）真空淬火工艺操作实例： ① 汽车车灯反射镜凸模（图十） 材料：Cr12 MOV

技术要求：热处理HRc60~62变形愈小愈好。

图十 车灯反射镜凸模

该厂引进日本加工技术，与外商协作，共同制造汽车反射镜。凸面为抛物面，热处理后无法进行加工，故要求模具变形越小越好。原采用盐浴炉淬火，变形达±0.3mm，冲件不能达到聚焦反射作用。经真空热处理后变形控制在0.05mm以内，表面光亮，无氧化脱碳，硬度均匀，使用性能良好。其真空热处理工艺见图十。本凸模在ZC30型双室油淬负压真空炉内处理。

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图十一 车灯凸模真空热处理工艺曲线

凸模在高压气淬炉内处理，气淬压为3~4×105Pa，其效果更好。 ② 100目不锈钢网滚模模芯（图十二） 材料：Cr12 MOV

技术要求：热处理HRc58~62。

图十二 100目不锈钢网滚模模芯

此件加工六角形不锈钢网用，系出口任务，要求很高。在φ50mm处的六角形网眼要用放大镜才能看清楚。该厂原采用盐浴淬火，由于残盐嵌在六角形网眼中，需经放大后才能看见，再用人工方法将残盐从一个个微小的网眼内剔除，既费时有极易损坏模眼而导致报废。故用盐浴处理的模芯废品率很高。采用真空热处理后模芯表面光洁，合格率达100%，寿命也比原来提高，用户非常满意。其热处理工艺见图十三。本模芯在ZC-30型双室负压油淬炉内处理。若在加压气淬炉内处理，气淬压力2~3×105Pa，其淬火效果更佳。

图十三 不锈钢网滚模模芯

③ 压铸模 材料：H13

技术要求：大型复杂模具 HRc42-44 中小型优质模具 HRc44-46 小型模块 HRc48-50 设备：采用5bar以上高压气淬炉 工艺：采用分级气淬工艺 具体工艺曲线示意图见图十四。

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图十四 H13钢真空高压气淬加热冷却工艺示意图

其中Ts为表面热电偶温度，Tc为心部热电偶温度，冷炉升温速度220℃/小时，对流加热炉压2bar，预热二次，当Tc=Ts后再升温。

奥氏体化保温时间：快速升温至1030℃±5℃，当Ts-Tc＜14℃后，保温30分钟。 回充高纯氮分压>26.6Pa。

从1030℃到0℃淬火冷速至少28℃/分，在455-400℃间进行分级，当Ts冷至分级温度区后30分钟继续快冷到65℃出炉。在静止空气中冷到50℃-30℃进行二次以上回收。

回火至少二次，每次回火后模具冷到室温再进行第二次回火。回火时间按2.4分/mm计算，或心部到温度后在保温2小时。回火温度按不同硬度要求，一般580-600℃左右。 （2）真空淬火的质量效果

① 真空淬火对工件表面质量的影响 A）真空状态下加热氧化物的还原作用。 B）元素发挥的影响。 C）钢种的影响。 D）冷却方式的影响。 E）回火的影响。

F）真空泵、油增压泵、油扩散泵返油的影响。 G）真空淬火油脱气。 H）炉子泄漏率。 I）加热速度影响。 J）充气管道的漏气问题。

② 真空淬火工件的变形，减小真空淬火变形的具体措施 A）加热技术方面 a）多次预热。

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b）在800℃以下进行对流加热。 c）提高炉温均匀性，合理布置。

d）合理控制炉内压力，回填N2以13.3Pa为宜。 B）冷却技术减少工件变形 a）尽量采用高压气淬代油淬。

b）为减少组织压力，先油淬在Ms点以上出炉气冷。 c）气体分级淬火。 d）控制油搅拌开动时间。 e）减少工件在热态下振动。

f）料盘、工具的变形，会影响工件变形。 g）厚薄不均匀，锐角处包扎氧化铝棉。 h）合理装炉。

i）高压气淬时，冷却气体的喷射方式。 ③ 真空淬火后钢的机械性能

在真空淬火加热时，工件有脱气、不氧化、不脱碳，因而有较高的机械性能。 表二十三 Cr12MOV钢真空淬火、回火与盐浴淬火、回火后机械性能比较

淬火温度（℃） 950 980 1020 1080 1120 回火温度（℃） 180 180 240 240 520（冷） (硬度 HRc) 真空淬火 淬火态 60.8 .7 65.8 61.9 55.3 淬回火态 61 61.9 60.8 58.6 55.6 (硬度 HRc) 盐浴 淬火态 61.3 65.8 66.2 65.5 59.3 淬回火态 60.5 63 60.8 59.7 60.7 Rm（N/mm） 真空 4239 3756 3851 3584 2501 盐浴 3105 2814 3048 2139 2755 2F（mm） 真空 4.3 4 4.4 4.1 5.1 盐浴 2.87 2.4 2.36 1.76 3.5 ak（N.m/cm） 真空 12.7 21.6 21.6 25.1 27.5 盐浴 18.4 14.7 21.6 14.7 26.5 2注：真空淬火：800℃预热25分，淬火保温20分。 盐浴淬火：淬火温度为950~1020℃时，400℃预热一小时，淬火保温9分钟；

淬火温度为1080~1120℃时，850℃预热6分，淬火保温3分钟，600~650℃分级2~3分

钟后空冷。

④ 真空淬火产品的使用寿命

真空淬火模具寿命一般提高40~400%。

3、真空回火

（1）概述。

（2）真空回火的光亮度变成灰色或暗灰色的原因。

认为从10-2Pa到10-4Pa，水蒸气峰继续保持相当大的比例，O2的光谱已近消失。高于650℃水蒸气开始分解，出现链式反应，在低于650℃温度范围内，真空炉呈微氧化气氛（或微氧化状态），从而室温

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至600℃温度，正好是回火处理区域，也就可解释通常真空回火后表面光亮度灰暗或不稳定的原因。

提高真空回火的光亮度的方法：

① 提高工作真空度。从1~10Pa提高到1.3×10-2Pa，目的减少O2含量，消除O2对工件氧化的影响。 ② 充入N2中加入10%H2，使炉内氧化性气氛与H2中和，形成弱还原性气氛。

③ 减少真空炉隔热屏吸收和排放水气的影响，排除耐火纤维隔热屏吸水性大的弊端，采用全金属隔热屏设计。

④ 回火后快冷，使工件出炉温度低，提高回火光亮度。

⑤ 提高回火温度均匀性，有利于回火光亮度一致。用上述方法可使回火工件光亮度达到真空淬火的90%以上。

（3）真空回火脆性及其防止

第一类回火脆性（不可逆回火脆性）200~350℃。 第二类回火脆性（可逆回火脆性）450~650℃。

当钢中含Ni、Cr、Mn、Si等合金元素，才有第二类回火脆性，一般碳钢不存在第二类回火脆性。 防止方法：为防第二类回火脆性，要求回火后快冷。

四、常用金属材料的真空淬火、回火工艺规范。 （1）合金结构钢和超高强度钢

注意几点：

① 晶粒度，采用淬火温度比规定温度下限或低5~10℃为宜。 ② 元素挥发。回填N2到13.3Pa或以下。 ③ 超高强度钢可采用等温淬火。 ④ 有回火脆性要快冷。

表二十四 常用合金结构钢真空热处理工艺规范

淬火 钢材牌号 温度（℃） 真空度（Pa） 冷却 温度（℃） 真空度（Pa） 5.3×45Mn2 30SiMn2MoV 16SiMn2WV 20Mn2TiB 30Mn2MoTiB 40CrMn 840 870 860 860 870 840 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 1.3 油 550 650 200 200 200 520 104~7.3×104 1.3~0.13 空气炉 空气炉 空气炉 5.3×104~7.3×104N2 25CrMnSiA 880 1.3 450 5.3×104 N2 快冷 1078.7 882.6 10 5 392.2 快冷 980.6 833.5 9 6 441.3 回火 冷却 Rm Rp0.2机械性能（不小于） A（%） Z （%） ak（N-m/cm2） 441.3 490.3 441.3 441.3 392.2 （N/mm2） （N/mm2） 油空冷 N2快冷 空冷 空冷 空冷 882.6 882.6 1176.7 1127.7 1471 735.5 784.5 882.6 931.6 - 10 12 10 10 9 6 9 8 7 5

20

30CrMnSiA 50CrV 35CrMo 40CrMnMo 20CrMnMo 25Cr2MoV 25Cr2MoV 38CrMoAl 20Cr3MoWV 40Cr 40CrNi 12CrNi3 37CrNi3 40CrNiMo 30CrNi2MoV 45CrNiMoV 18CrNi4W 25CrNi4W 30CrNi3 880 860 850 850 850 1040 900 940 1050 850 820 860 820 850 860 850 950 850 820 1.3 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3 1.3 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3 1.3 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3-0.13 1.3 1.3-0.13 1.3-0.13 N2 N2油 N2油 N2油 油 油 N2油 520 500 550 600 200 700 620 0 720 500 500 200 500 600 650 460 200 550 500 空气炉 0.13 0.13 0.13 0.13 N2 5.3×104 N2 5.3×104 - 0.13，N2 5.3×104 N2 5.3×104 - N2 5.3×104 - 空冷 N2 强制 冷却 空冷 N2 强制 冷却 N2 Ar强制 冷却 空冷 快冷 10或5.3×10 4-11078.7 快冷 1074.8 980.6 980.6 1176.7 735.5 931.6 980.6 784.5 980.6 980.6 931.6 1127.7 980.6 882.6 1471 1176.7 1078.7 980.6 882.6 1127.7 833.5 784.5 882.6 588.36 784.5 833.5 637.4 784.5 784.5 686.4 980.6 833.5 784.5 1323.8 833.5 931.6 784.5 10 10 12 10 10 16 14 14 14 9 10 11 10 12 12 7 10 11 9 5 - 8 8 7 6 8 9 7 6 7 9 6 10 9 4 10 9 8 441.3 392.2 441.3 441.3 441.3 490.3 539.3 490.3 392.2 441.3 441.3 490.3 490.3 539.3 490.3 343.2 441.3 441.3 441.3 表二十五 超高强度钢真空热处理工艺规范

淬 火 钢材牌号 温度（℃） 真空度（Pa） 冷却 油或 30CrMnSiNi2A 900 1.3~0.13 260℃±20℃等温 油或 32SiMnMoV 920 1.3 280℃±20℃等温 油 40SiMnMoV（Re） 40SiMnMo CrMoVRe（406） 930 1.3 230℃等温 930 1.3 油 油 40SiMnCrNiMoV 900 1.3 310℃±10℃等温 40CrNiMo（4340） 6025 45CrNiMoV（D6Ac） 850 950 860 1.3~0.13 1.3 1.3 油 油 油 200 300~350 300 2 3 1 空冷 空冷或N2 空冷或N2 230~280 空冷或N2 280 2 空冷或N2 250 3 空冷 1961 1765.1 ~1912 回 火 温度（℃） 时间 （小时） 冷却 Rm 机械性能（不小于） Rp0.2akA（%） Z（%） （N-m/cm2） （N/mm2） （N/mm2） 250 1 空冷 ＞1569 - 9 40 88.3 49 320 2 空冷或N2 ≥1765.1 ≥1667 ≥1520 ≥1569 9~10 10~12 40~50 40~50 ~68.6 55.8 ~78.4 1471 ~1667 11.5 10~12 ＞8.5 48 40~50 ＞35 61.8 58.8 ~78.4 ≥1761.1 ≥1961 1569 ~1667 ≥1421.9 ≥49 ＞49 78.4 ~98 - - 1667 ~1765.1 ＞9 15 ＞35 45 1863.1 ~2059.3 10~12 10~12 10~12 40~50 40~50 34~50 39.2 ~58.8 1765.1 ~1863.1 1667 ~1765.1 49 ~68.6 1863.1 ~2059.3 1510.1 ~1725.8 39.2 ~49

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（2）弹簧钢

表二十六 常用弹簧钢真空热处理工艺规范

钢号 65Mn 60Si2MnA 60Si2CrVA 50CrVA 淬 火 温度（℃） 预热500~550 加热810~830 预热500~550 加热860~880 预热500~550 加热850~870 预热500~550 加热850~870 真空度（Pa） 1.3~0.13 13~1.3 1.3~0.13 13~1.3 0.13 1.3 0.13 1.3~0.13 回 火 温度（℃） 370~400 先抽真空至410~460 430~480 370~420 1.3Pa升至回火温度，回充N2至5×10~6×10Pa 45~50 44真空度（Pa） 硬度（HRc） 36~40 45~50 45~52 （3）轴承钢

表二十七 常用轴承钢的真空热处理工艺规范

预热 钢号 GCr15 加热温520~580 真空度10 1~10 1~10 1~10 -1-1-1-1淬火 加热温830~850 820~840 780~810 770~810 真空度1~10 1~10 1~10 10~1 -1回火 冷却 加热温油 油 油 油 真空度冷却 油 油 油 油 硬度（HRc） ≥60 ≥60 ≥62 ≥ 度（℃） （Pa） 度（℃） （Pa） 介质 度（℃） （Pa） 介质 150~160 空气炉 150~160 空气炉 150~170 空气炉 150~170 空气炉 GCr15SiNn 520~580 GSiMnV（Re） 500~550 GCrSiMnMoV（Re） 500~550 （4）合金工具钢

表二十八 常用合金工具钢真空热处理工艺规范

预热 钢号 一次预热温度℃ 9CrSi CrWMn CrMn 9Mn2V 5CrMnMo 5CrNiMo 500~600 500~600 500~600 500~600 500~600 500~600 淬火 真空度（Pa） 1~10 1~10 1~10 1~10 1~10 1~10 -1-1-1-1-1-1回火 冷却 介质 油 油 油 油 油或氮气 油或加热温度（℃） 真空度（Pa） 冷却 介质 61~63 62~63 60~63 58~62 38~44 39~44.5 二次预热温度℃ 加热温度（℃） 850~870 820~840 840~860 780~820 830~850 840~850 真空度（Pa） 1~10 1~10 1~10 1~10 1~10 1~10 22

-1-1-1-1-1-1硬度HRc 170~190 空气炉 空气 170~185 空气炉 空气 170~190 空气炉 空气 170~190 空气炉 空气 450~500 450~500 5~7×10 5~7×4氮气 氮气

氮气 Cr12MoV Cr6WV 3Cr2W8V 4Cr5W2SiV 4Cr5W2SiV 3Cr2W8V 500~550 500~550 480~520 480~520 480~520 480~520 800~850 750~820 800~850 800~850 800~850 800~850 10 170~250 空气炉 空气 170~250 空气炉 空气 560~580 600~650 600~620 600~0 5~6.7×10 5~6×10 5~6×10 5~6.7×10 5~6.7450~200 ×104 444441~10 1~10 1~10 1~10 1~10 1~10 -1-1-1-1-1-11020~1040 970~1000 1050~1100 1050~1100 1050~1100 1050~1100 1~10 10 1~10 1~10 1~10 1~10 -1油或氮气 油或氮气 油或氮气 油或氮气 油或氮气 油或氮气 油或氮气 油或氮气 油或氮气 58~62 58~62 氮气 42~47 氮气 38~44 氮气 40~44 氮气 39~44.5 7CrSiMnMoV 500~600 0.1 880~900 0.1 氮气 空气 52~ 60~62 空气炉 H13 Cr12 500~550 500~550 800~820 0.1 0.1 1020~1050 960~980 10~1 10~1 560~600 5~6.7×10 4氮气 45~50 180~240 空气炉 空气 60~ （5）高速钢

表二十九 高速钢真空热处理工艺规范

预热 一次预热温度℃ W18Cr4V 95W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 W6Mo5Cr4V2Al W6Mo5Cr4V3Al W12Cr4V4Mo W18Cr4V3SiAlNb W12Mo3Cr4V3CO5Si W7Mo4Cr4CO5 W2Mo9Cr4V2CO8 W9Mo4Cr4V3CO10 W6Mo5Cr4V5Si NbAl 600~ 650 850~900 淬火 回火 钢号 二次预热温度℃ 真空度（Pa） 加热温度（℃） 真空度（Pa） 冷却 介质 加热温度（℃） 真空度（Pa） 冷却 介质 硬度HRc 1260~1280 1240~1270 1200~1240 1200~1230 1210~1240 1220~1250 1~10 -1550~580 550~580 0~580 0~560 10~ （回填高纯氮气） 油或10Pa的氮气快冷 561~67 63~68 62~67 ~69 ~69 氮5~6.7×10 40~560 550~580 530~560 0~580 0~590 0~580 0~580 530~560 气快冷 266Pa 3~5×~68 66~70 65~70 65~70 65~70 65~70 ~68 1230~1250 1230~1250 1230~1250 1190~1200 1220~1240 1220~1240

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注意事项：

① 真空度10~266Pa下加热，防止Cr、Mn、Al合金元素挥发。 ② 导热性差，要多次预热。 ③ 淬火温度比常规低10~20℃为宜。 ④ 为防止油淬面亮层，用高压气淬。

⑤ 为防止工件相互粘连，不能将光洁度高的平面叠在一起。 ⑥ 在530~590℃回火2~3次，为保持光亮度90%N2+10%H2。

（6）不锈耐热钢

表三十 常用不锈耐热钢的真空热处理工艺规范

淬火 钢号 加热温度（℃） 真空度（Pa） 1 1 ＜1 1 1 1.3~0.13 1.3~0.13 冷却 介质 油或2~5×10Pa氮气 油或2~5×10Pa氮气 油 油 氮气或Ar气 N2或油 55回火 加热温度（℃） 230±30 250±30 500±20 250±30 200±30 250±30 500±20 - 660~710 0~600 660~680 550~600 0.1 - 0.13 1.3~0.13 1.3~0.13 1.3~0.13 或Ar 5~8×10Ar 4真空度（Pa） 空气炉 空气炉 5~8×10 空气炉 4冷却 介质 空气 氮气 空气 氮气 - N2 硬度（HRc） 40~45 36~40 32~36 40~50 50~60 45~50 45~50 - HB3.4~3.7 HB3.1~3.45 HB3.3~3.6 HB3.1~3.35 ＞40 ＞38 ＞35 ＞31 ≥HB363 2Cr13 3Cr13 4Cr13 9Cr18 Cr17Ni2 Cr17Ni2 1Cr18Ni9Ti 1Cr21Ni5Ti 1Cr11Ni12W2MoV 1040~1060 1050~1100 1010~1050 950~1040 950~1040 1100~1150 950~1050 1000~1020 1Cr14Ni13W2VB N2 惰性 气体 惰性 气体 1050±10 1.3~0.13 N2或油 时效 480 495 550 580 时效 565±10 0Cr17Ni4Cu4Nb OCr17Ni7Al （17-7PH） 0Cr15Ni7Mo2Al 1030~1050 固溶1050±10 + 调整760±10 固溶1050±10 + 调整950±10 + -73℃冰冷处理 1.3 1.3~0.13 1.3 Ar气或油 Ar气 Ar 高纯Ar5~8时效 ×10或0.1 4Ar气 ≥HB383 （15-7MoPH） - - 510±10 注意几点： ① 当淬火温度相同，真空淬火马氏体不锈钢晶粒度比普通电炉晶粒度大一级，对材料冲击韧性没影响。

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② 双相不锈钢（1Cr21Ni5Ti）冷速不能太慢，在700~800℃有脆性想折出，在500~650℃，有475℃脆性，因此冷速很重要。

③ 马氏体不锈钢可以油淬，也可以气淬。

④ 奥氏体镍铬钢用氩冷却和分压，防微N而使机械性能变坏。 ⑤ 对薄件，采用一段或二段预热。 （7）高温合金特点：

① Fe基Ni基高温合金含有Al、Mn、Ti元素以及高含量的Cr，一般先抽高真空10-2~10-3Pa，然后在高温加热时通入高纯氩，使真空度到1~0.1Pa，对已加工成品尺寸用10-2~10-3Pa高真空性时效处理。 ② 热处理时时间长。特别固溶时效合金，经16小时以上，其泄漏率要非常小，压升率最好在0.133Pa/h，否则时效时空气渗入零件会被氧化。

③ 高温合金固溶处理要求较快冷却速度，一般水淬炉。

表三十一 常用高温合金真空热处理工艺规范

合金 牌号 GH37 GH143 GH49 GH151 GH44 GH128 GH169 GH141 GH130 GH302 GH131 GH132 GH135 GH39 固溶温度（℃） 1180±10 1050±10 1150±10 1065±10 1200±10 1050±10 1250±10 1000±10 1120~1160 1215±10 1180±10 1180±10 1050±10 1180±10 1050±10 1130~1200 1160±10 980~1000 1080±10 1140 1050~1080 固溶时间(小时) 2 4 4 16 2 4 5 5 ~30` 冷却 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 真空度（Pa） 1~0.1 1~10 1~10 1~10 1~10 10 1~10 1~10 1~10 1~10 10 1~10 10~10 -1-2-1 -1-2 -1 -1 -1-2-1-1 -1 -1 时效温度（℃） 800±10 700±10 850±10 950±10 900±10 800±10 800±10 710±10 830±10 700±10 830±10 650±10 时效时间(小时) 16 16 8 10 1 4 16 16 12~16 8 16 8 10 冷却 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 气冷 真空度（Pa） 10~10 10~10 10~10 10~10 10~10 10~10 10~10 10~10 10~10 10~10 10~10 -2-3 -1-2 -2-3-1-2 -1-2 -1-2-2-3-1-2 -1-2 -1-2 -1-2 硬度 (HB) 3.3~3.7 3.1~3.5 3.2~3.5 3.1~3.4 3.3~3.7 3.3~3.7 3.4~3.8 3.45~ 3.65 3.4~3.8 20` 0.5 1.5~4 4 2 4 1.5~2 0.5~2 8 4 气冷 （8）钛合金真空淬火（固溶）和时效

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表三十二 钛合金淬火（固溶）时效工艺规范

合金牌号 TC3 TC4 TC6 TC8 TC9 TC10 TB1 TB2

真空度(Pa) 10~10 -2-3固溶温度（℃） 820~920 850~950 860~900 900~950 900~950 850~900 800 800 时间(小时) 0.5~2 时效温度（℃） 450~550 450~550 500~620 500~620 500~620 500~620 480~500 550~570 500 时间(小时) 2~12

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