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生不良的作用。因此，在不銹鋼零件的熱處理過程中，應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生不良影響。在重要產品中，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，將對工件表面產生有害的作用。

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

 2Fe(C)+O₂-2Fe+2CO↑

 Fe(C)+CO₂=Fe+2CO↑

 Fe(C) +2H₂=Fe+CH₄↑

反應的結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、力學性能降低，嚴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。

2Fe+O₂=2FeO

Fe+CO₂=FeO+CO↑

Fe+H₂O=FeO+H₂↑

 反應的結果使鋼表面形成氧化鐵，不僅使工件表面尺寸產生變化，對淬火鋼硬化效果產生不利的影響，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，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然還含有合金元素，結果會使馬氏體類不銹鋼表面產生脆層和淬火裂紋，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、幅照脆化等會產生極大的有害作用。

4. 硫化

這里的硫化是指爐氣中的硫對不銹鋼表面的腐蝕，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生不利的影響，這是不銹鋼加熱時應給予注意的問題。

 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處理，但在高溫加熱的條件下，會存在涂料防護效果不明顯、不易清理，甚至也對表面產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，可有效地保護不銹鋼表面不產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，不存在在空氣介質中加熱的對輸和介質傳導作用，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可分解成氫、水蒸氣和二氧化碳氣體，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果是提高了鋼的性能質量。

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

  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?？梢?，鋼中的氧化物分解和氧的逸出，改善了鋼的表面質量。

 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性質發(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?？梢?，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，常向爐內通以惰性氣體，調整爐內壓力，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操作

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

 a. 設備的選擇

  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、感應加熱、電子束加熱、等離子加熱等），不同的加熱方式（外加熱、內加熱等）。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，主要考慮設備操作方便，系統(tǒng)安全可靠，極限真空度達到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. 預熱

   不銹鋼加熱溫度較高，當工藝溫度在1000~0t時，用800℃溫度保溫預熱，工藝溫度大于1100℃時，可第月80℃溫度保溫預熱，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，升高爐內壓力，爐溫在900℃以下時可控制爐內壓力在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

  應根據熱處理的工藝要求，采用爐冷、氣冷或油冷。

三、不銹鋼保護氣氛熱處理

  保護氣氛熱處理是把工件放在密封的爐膛內加熱，爐內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，可控氣氛熱處理設備成本低，只要求設備有良好的密封性，能保證爐內氣氛的成分和壓力，并保證爐內氣氛能均勻流動。還應配備有測溫和爐內氣氛控制及測試裝置。不銹鋼熱處理的保護氣可用氮氣、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。氮氣保護不銹鋼熱處理效果較好，質量穩(wěn)定。

 ②. 惰性氣體

  氦氣、氬氣也可用于不銹鋼加熱保護氣。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后生成的。用于不銹鋼保護氣氛，應采用經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氣體或液體與空氣按一定比例混合后經部分燃燒方式制成的。依據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。

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，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)，對鋼表面產生保護作用，適于不銹鋼加熱用。

適用于不銹鋼加熱保護的氣氛及主要成分見表7-18.