不銹鋼在熱處理加熱過程中，表面可能會受到爐氣的影響而發(fā)生成分的改變，如果這種成分的改變狀況保留到零件工作狀態(tài)，將對零件的性能，尤其是耐腐蝕性能產(chǎn)生不良的作用。因此，在不銹鋼零件的熱處理過程中，應(yīng)注意防止不銹鋼零件表面的這種變化。

一、爐氣對工件表面的影響

  對十分重要的不銹鋼零件進(jìn)行熱處理，都要求加熱爐氣氛要純凈，目的就是防止加熱爐氣氛對工件表面產(chǎn)生不良影響。在重要產(chǎn)品中，尤其對奧氏體不銹鋼和奧氏體－鐵素體雙相不銹鋼有更嚴(yán)格的要求，如限定采用低硫燃油，在中性或弱氧化性氣氛中加熱，禁止使用燃煤爐或高碳火焰爐加熱，禁止與包括掛具、爐盤在內(nèi)的碳鋼或馬氏體不銹鋼接觸等。

  這些要求的目的就是防止不銹鋼，特別是奧氏體不銹鋼、奧氏體－鐵素體雙相不銹鋼表面成分的改變。

當(dāng)鋼在空氣中，或采用煤、燃料油、燃料氣體為加熱源時，爐氣中常含有O₂、CO、CO₂、H₂、N₂、SO₂、H₂S、水蒸氣等有氣體，這些氣體在高溫下與工件表面接觸、反應(yīng)，將對工件表面產(chǎn)生有害的作用。

1. 脫碳

 脫碳是指爐氣中的O₂、CO₂、H₂等與鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)

 2Fe(C)+O₂-2Fe+2CO↑

 Fe(C)+CO₂=Fe+2CO↑

 Fe(C) +2H₂=Fe+CH₄↑

反應(yīng)的結(jié)果使鋼表面中的碳缺失，鋼中碳的缺失、降低，對馬氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼的淬火硬化效果有明顯的影響，使工件表面硬度不足，強度、耐磨性、力學(xué)性能降低，嚴(yán)重影響其功能和壽命。

2. 氧化

氧化是指爐氣中的O₂、CO₂、H₂O與鋼中的鐵發(fā)生反應(yīng)。

2Fe+O₂=2FeO

Fe+CO₂=FeO+CO↑

Fe+H₂O=FeO+H₂↑

 反應(yīng)的結(jié)果使鋼表面形成氧化鐵，不僅使工件表面尺寸產(chǎn)生變化，對淬火鋼硬化效果產(chǎn)生不利的影響，還會使不銹鋼中的鉻、鎳、鉬缺失（因為在不銹鋼的氧化物中還含有鉻、鎳、鉬等合金元素），對不銹鋼的耐腐蝕性能產(chǎn)生不利的影響。

3. 增碳

 增碳是指爐氣中的碳與不銹鋼表面發(fā)生反應(yīng)，使鋼表面的碳分增高并形成碳化物的現(xiàn)象，在不銹鋼中的碳化物當(dāng)然還含有合金元素，結(jié)果會使馬氏體類不銹鋼表面產(chǎn)生脆層和淬火裂紋，降低了其耐腐蝕性能，特別是對奧氏體不銹鋼和奧氏體－鐵素體不銹鋼的耐腐蝕性、抗晶間腐蝕性、耐點腐蝕性、幅照脆化等會產(chǎn)生極大的有害作用。

4. 硫化

這里的硫化是指爐氣中的硫?qū)Σ讳P鋼表面的腐蝕，有研究表明，在含鉻小于20%的不銹鋼中主要形成含鐵的硫化物，在含鉻大于20%的不銹鋼中主要形成含鉻、鐵的硫化物，使不銹鋼表面的合金元素降低，增加了不銹鋼表面的脆性，使其耐腐蝕性能降低。

5. 氮化

爐氣中如果含有NH₃成分，在高溫下其會分解，產(chǎn)生原子狀態(tài)的氨，氨在鋼表面形成氮化物，也會使鋼表面形成脆層，對鋼的表面性能產(chǎn)生不利的影響。

6. 其他作用

 如果爐氣中含有氯化物等鹵族元素，在高溫條件下會在鋼的表面生成含有合金元素的氯化物，對不銹鋼的耐腐蝕性產(chǎn)生不利的影響。

 總之爐氣中存在的許多元素都可能對不銹鋼的表面產(chǎn)生不利的影響，這是不銹鋼加熱時應(yīng)給予注意的問題。

 為防止或減少不銹鋼熱處理加熱過程中爐氣對表面產(chǎn)生的有害作用，對不銹鋼成品件和高純不銹鋼件可采用涂料保護(hù)處理，但在高溫加熱的條件下，會存在涂料防護(hù)效果不明顯、不易清理，甚至也對表面產(chǎn)生輕微腐蝕等不利影響。所以，比較有效的方法是采用真空熱處理或保護(hù)氣氛熱處理。

二、不銹鋼的真空熱處理

真空熱處理是指將工件放在低于1個大氣壓的密閉容器（設(shè)備）中加熱和冷卻的熱處理。對于不銹鋼淬火或固溶化加熱（大于1000℃),可控制真空度在5~10Pa,回火或消除應(yīng)力處理加熱（小于700℃),可控制真空度在0.1~0.2Pa.在這種真空度條件下加熱，可有效地保護(hù)不銹鋼表面不產(chǎn)生前面述及的各類有害效果。

1. 真空加熱特點

  a. 加熱速度慢

 在真空條件下加熱時，工件的加熱過程只有熱輻射和工件本身的熱傳導(dǎo)，不存在在空氣介質(zhì)中加熱的對輸和介質(zhì)傳導(dǎo)作用，所以，在真空條件下的加熱速度要慢得多，件實際溫度也要比爐溫儀表指示的溫度滯后得多。有試驗研究詢，440mm的工件880℃加熱到1020℃時，工件到溫時間要比爐溫儀表指示到溫時間滯后15min.所以，真空加熱時的工件保溫時間要比在空氣中的加熱保溫時間長，在實際操作中，保溫時間可延長1倍，或采取幾個臺階的加熱方式。

  b. 可潔凈工件表面

 真空熱處理可使工件表面得到凈化，獲得光亮的表面，這種效果是因為在真空條件下，原先附著在工件表面上的油污、加工潤滑劑等可污染表面的脂肪類物質(zhì)可分解成氫、水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w，這些氣體可迅速被真空泵排出，不會對工件表面形成污染。

 c. 降低工件中的氣體含量

 氣體在金屬中的溶解度是隨溫度變化的，一般情況是在高溫時溶解度大，低溫時溶解度小，在有相變點的金屬中，在相變點附近的溫度區(qū)間氣體溶解度變化更大。因此，金屬從液態(tài)冷卻成固態(tài)時，因冷卻速度快，有一部分氣體來不及逸出而保留在鋼中。一般鋼中均含有氧、氫、氮等氣體，這些氣體的存在給鋼的性能帶來危害。在真空熱處理條件下，鋼中氣體將向表面擴散并從鋼表面逸出，隨之被真空泵抽出爐外。鋼中有害氣體減少的結(jié)果是提高了鋼的性能質(zhì)量。

d. 氧化物的分解

  鋼中的氧化物在大多數(shù)情況下對鋼的質(zhì)量和性能是有害的。鋼中氧化物在一定條件下是可以分解的。在真空條件下，真空度低于氧化物的分解壓力時，氧化物將會發(fā)生分解反應(yīng)

  2MO=2M+2O↑

  2O→O₂↑

 氧化物分解后形成的氧會逸出鋼基體，被真空泵排出爐外。可見，鋼中的氧化物分解和氧的逸出，改善了鋼的表面質(zhì)量。

 e. 合金元素的蒸發(fā)

  鋼中的各種合金元素在一定的溫度下有各自的蒸氣壓，一種合金元素在不同溫度下也有不同的蒸氣壓。當(dāng)周圍的氣壓低于合金元素的蒸氣壓力時，合金元素將會燕發(fā)。所以，在真空熱處理條件下，鋼中的合金元素會有不同程度的蒸發(fā)，結(jié)果是鋼中合金元素的含量會降低。鋼中合金元素的減少不僅使其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，還會影響鋼熱處理的效果和性能，特別是不銹鋼中鉻、鎳、鉬等元素的流失會降低鋼的耐腐曲性能。可見，真空熱處理的這一特點是有害的。所以，為防止易在真空熱處理時合金元素的流失，在真空加熱溫度高于800℃時，常向爐內(nèi)通以惰性氣體，調(diào)整爐內(nèi)壓力，使其接近或高于合金元素的分解壓力。

2. 不銹鋼真空熱處理生產(chǎn)操作

  不銹鋼真空熱處理可依據(jù)鋼種的不同，用于退火、固溶化、淬火、回火、去應(yīng)力等處理。

 a. 設(shè)備的選擇

  真空熱處理爐有不同的型式（立式、臥式、組合式等），不同的加熱熱源（電阻加熱、感應(yīng)加熱、電子束加熱、等離子加熱等），不同的加熱方式（外加熱、內(nèi)加熱等）。按使用溫度可分為低溫爐（≤700℃)、中溫爐（＞700~1000℃)、高溫爐（＞1000℃),按極限真空度可分為低真空（1.33×10³~13.3Pa)、中真空（13.3~1.33×10^-2Pa)、高真空（1.33×10^-2~1.33×10-4Pa)、超高真空（1.33×10^-4Pa以上）。

對于不銹鋼熱處理來說，主要考慮設(shè)備操作方便，系統(tǒng)安全可靠，極限真空度達(dá)到13.3~1.33×10^-2Pa即可滿足使用要求。更高的極限真空度要求會增大設(shè)備成本。壓升率不大于0.6Pa/h,溫度均勻性要高，溫差一般不大于±5℃,具有可滿足冷卻需要的氣冷或油冷裝置。

 b. 不銹鋼真空熱處理操作要點

  ①. 裝爐

   工件裝爐時要均勻分布，保留間隙，這是考慮以輻男加熱為主的加熱特點，以保證工件加熱均勻。

  ②. 預(yù)熱

   不銹鋼加熱溫度較高，當(dāng)工藝溫度在1000~0t時，用800℃溫度保溫預(yù)熱，工藝溫度大于1100℃時，可第月80℃溫度保溫預(yù)熱，然后再升至工藝要求的加熱溫度。

  ③. 加熱溫度

   不銹鋼熱處理的加熱溫度與在空氣爐中的加熱溫度相同，最好取下限溫度。

  ④. 保溫時間

  不銹鋼真空熱處理時，在高溫區(qū)的保溫時間要比在空氣爐中加熱適當(dāng)延長，延長時間為1倍左右，在回火的低溫區(qū)，比空氣爐中的回火保溫時間略長即可。

 ⑤. 工作時真空度的調(diào)整

   考慮鋼在真空加熱時合金元素蒸發(fā)的特點，在高溫時，可用充加惰性氣體的方法，如氮氣等，升高爐內(nèi)壓力，爐溫在900℃以下時可控制爐內(nèi)壓力在1.33×10-1Pa,在900~1100℃時可控制為13.3~1.33Pa,在＞1100℃時可控制為13.3~665Pa.

 ⑥. 冷卻

  應(yīng)根據(jù)熱處理的工藝要求，采用爐冷、氣冷或油冷。

三、不銹鋼保護(hù)氣氛熱處理

  保護(hù)氣氛熱處理是把工件放在密封的爐膛內(nèi)加熱，爐內(nèi)用不含氧和水分的惰性氣體及其他特制的氣體充入以換出空氣，使加熱過程中的鋼件不會氧化和脫碳。

  相對于真空熱處理，可控氣氛熱處理設(shè)備成本低，只要求設(shè)備有良好的密封性，能保證爐內(nèi)氣氛的成分和壓力，并保證爐內(nèi)氣氛能均勻流動。還應(yīng)配備有測溫和爐內(nèi)氣氛控制及測試裝置。不銹鋼熱處理的保護(hù)氣可用氮氣、氬氣或制備的可控氣氛。

 ①. 氮氣

  純度99%以上的氮氣可不用提純，直接使用，氮氣壓力保持0.3~0.5大氣壓。氮氣保護(hù)不銹鋼熱處理效果較好，質(zhì)量穩(wěn)定。

 ②. 惰性氣體

  氦氣、氬氣也可用于不銹鋼加熱保護(hù)氣。還可用于工件的冷卻。

 ③. 可控氣氛

  可控氣氛的制備可用氣體燃料或液體燃料。依據(jù)制備方法和特性的不同，又可分為吸熱式氣氛和放熱式氣氛。吸熱式氣氛是用氣體燃料與空氣混合，在有催化劑作用的條件下，借助外部加熱條件反應(yīng)后生成的。用于不銹鋼保護(hù)氣氛，應(yīng)采用經(jīng)過凈化處理工藝的凈化氣，以保證鋼中的諮不被氧化和保持表面更潔凈。放熱式氣氛是用可燃?xì)怏w或液體與空氣按一定比例混合后經(jīng)部分燃燒方式制成的。依據(jù)氣氛中氮氣的含量和其他氣體，如一氧化碳、氫氣含量的不同，又分濃型、淡型、凈化型。其中，淡型放熱式氣氛和凈化型放熱式氣氛適用不銹鋼熱處理保護(hù)。

④. 氨分解氣氛

 液態(tài)氨氣化后，在一定溫度下可發(fā)生分解反應(yīng)，分解氨的成分是75%左右的氫氣和25%左右的氮氣，在加熱時與鋼處于惰性狀態(tài)，對鋼表面產(chǎn)生保護(hù)作用，適于不銹鋼加熱用。

適用于不銹鋼加熱保護(hù)的氣氛及主要成分見表7-18.