不锈钢在热处理(lǐ)加热过程中，表面可(kě)能(néng)会受到炉气的影响而发生成分(fēn)的改变，如果这种成分(fēn)的改变状况保留到零件工作状态，将对零件的性能(néng)，尤其是耐腐蚀性能(néng)产生不良的作用(yòng)。因此，在不锈钢零件的热处理(lǐ)过程中，应注意防止不锈钢零件表面的这种变化。
一、炉气对工件表面的影响
对十分(fēn)重要的不锈钢零件进行热处理(lǐ)，都要求加热炉气氛要纯净，目的就是防止加热炉气氛对工件表面产生不良影响。在重要产品中，尤其对奥氏體(tǐ)不锈钢和奥氏體(tǐ)－铁素體(tǐ)双相不锈钢有(yǒu)更严格的要求，如限定采用(yòng)低硫燃油，在中性或弱氧化性气氛中加热，禁止使用(yòng)燃煤炉或高碳火焰炉加热，禁止与包括挂具、炉盘在内的碳钢或马氏體(tǐ)不锈钢接触等。
这些要求的目的就是防止不锈钢，特别是奥氏體(tǐ)不锈钢、奥氏體(tǐ)－铁素體(tǐ)双相不锈钢表面成分(fēn)的改变。
当钢在空气中，或采用(yòng)煤、燃料油、燃料气體(tǐ)為(wèi)加热源时，炉气中常含有(yǒu)O2、CO、CO2、H2、N2、SO2、H2S、水蒸气等有(yǒu)气體(tǐ)，这些气體(tǐ)在高温下与工件表面接触、反应，将对工件表面产生有(yǒu)害的作用(yòng)。
1. 脱碳
脱碳是指炉气中的O2、CO2、H2等与钢中的碳发生反应
2Fe(C)+O2-2Fe+2CO↑
Fe(C)+CO2=Fe+2CO↑
Fe(C) +2H2=Fe+CH4↑
反应的结果使钢表面中的碳缺失，钢中碳的缺失、降低，对马氏體(tǐ)不锈钢和沉淀硬化不锈钢的淬火硬化效果有(yǒu)明显的影响，使工件表面硬度不足，强度、耐磨性、力學(xué)性能(néng)降低，严重影响其功能(néng)和寿命。
2. 氧化
氧化是指炉气中的O2、CO2、H2O与钢中的铁发生反应。
2Fe+O2=2FeO
Fe+CO2=FeO+CO↑
Fe+H2O=FeO+H2↑
反应的结果使钢表面形成氧化铁，不仅使工件表面尺寸产生变化，对淬火钢硬化效果产生不利的影响，还会使不锈钢中的铬、镍、钼缺失（因為(wèi)在不锈钢的氧化物(wù)中还含有(yǒu)铬、镍、钼等合金元素），对不锈钢的耐腐蚀性能(néng)产生不利的影响。
3. 增碳
增碳是指炉气中的碳与不锈钢表面发生反应，使钢表面的碳分(fēn)增高并形成碳化物(wù)的现象，在不锈钢中的碳化物(wù)当然还含有(yǒu)合金元素，结果会使马氏體(tǐ)类不锈钢表面产生脆层和淬火裂纹，降低了其耐腐蚀性能(néng)，特别是对奥氏體(tǐ)不锈钢和奥氏體(tǐ)－铁素體(tǐ)不锈钢的耐腐蚀性、抗晶间腐蚀性、耐点腐蚀性、幅照脆化等会产生极大的有(yǒu)害作用(yòng)。
4. 硫化
这里的硫化是指炉气中的硫对不锈钢表面的腐蚀，有(yǒu)研究表明，在含铬小(xiǎo)于20%的不锈钢中主要形成含铁的硫化物(wù)，在含铬大于20%的不锈钢中主要形成含铬、铁的硫化物(wù)，使不锈钢表面的合金元素降低，增加了不锈钢表面的脆性，使其耐腐蚀性能(néng)降低。
5. 氮化
炉气中如果含有(yǒu)NH3成分(fēn)，在高温下其会分(fēn)解，产生原子状态的氨，氨在钢表面形成氮化物(wù)，也会使钢表面形成脆层，对钢的表面性能(néng)产生不利的影响。
6. 其他(tā)作用(yòng)
如果炉气中含有(yǒu)氯化物(wù)等卤族元素，在高温条件下会在钢的表面生成含有(yǒu)合金元素的氯化物(wù)，对不锈钢的耐腐蚀性产生不利的影响。
总之炉气中存在的许多(duō)元素都可(kě)能(néng)对不锈钢的表面产生不利的影响，这是不锈钢加热时应给予注意的问题。
為(wèi)防止或减少不锈钢热处理(lǐ)加热过程中炉气对表面产生的有(yǒu)害作用(yòng)，对不锈钢成品件和高纯不锈钢件可(kě)采用(yòng)涂料保护处理(lǐ)，但在高温加热的条件下，会存在涂料防护效果不明显、不易清理(lǐ)，甚至也对表面产生轻微腐蚀等不利影响。所以，比较有(yǒu)效的方法是采用(yòng)真空热处理(lǐ)或保护气氛热处理(lǐ)。
二、不锈钢的真空热处理(lǐ)
真空热处理(lǐ)是指将工件放在低于1个大气压的密闭容器（设备）中加热和冷却的热处理(lǐ)。对于不锈钢淬火或固溶化加热（大于1000℃),可(kě)控制真空度在5~10Pa,回火或消除应力处理(lǐ)加热（小(xiǎo)于700℃),可(kě)控制真空度在0.1~0.2Pa.在这种真空度条件下加热，可(kě)有(yǒu)效地保护不锈钢表面不产生前面述及的各类有(yǒu)害效果。
1. 真空加热特点
a. 加热速度慢
在真空条件下加热时，工件的加热过程只有(yǒu)热辐射和工件本身的热传导，不存在在空气介质中加热的对输和介质传导作用(yòng)，所以，在真空条件下的加热速度要慢得多(duō)，件实际温度也要比炉温仪表指示的温度滞后得多(duō)。有(yǒu)试验研究询，440mm的工件880℃加热到1020℃时，工件到温时间要比炉温仪表指示到温时间滞后15min.所以，真空加热时的工件保温时间要比在空气中的加热保温时间長(cháng)，在实际操作中，保温时间可(kě)延長(cháng)1倍，或采取几个台阶的加热方式。
b. 可(kě)洁净工件表面
真空热处理(lǐ)可(kě)使工件表面得到净化，获得光亮的表面，这种效果是因為(wèi)在真空条件下，原先附着在工件表面上的油污、加工润滑剂等可(kě)污染表面的脂肪类物(wù)质可(kě)分(fēn)解成氢、水蒸气和二氧化碳气體(tǐ)，这些气體(tǐ)可(kě)迅速被真空泵排出，不会对工件表面形成污染。
c. 降低工件中的气體(tǐ)含量
气體(tǐ)在金属中的溶解度是随温度变化的，一般情况是在高温时溶解度大，低温时溶解度小(xiǎo)，在有(yǒu)相变点的金属中，在相变点附近的温度區(qū)间气體(tǐ)溶解度变化更大。因此，金属从液态冷却成固态时，因冷却速度快，有(yǒu)一部分(fēn)气體(tǐ)来不及逸出而保留在钢中。一般钢中均含有(yǒu)氧、氢、氮等气體(tǐ)，这些气體(tǐ)的存在给钢的性能(néng)带来危害。在真空热处理(lǐ)条件下，钢中气體(tǐ)将向表面扩散并从钢表面逸出，随之被真空泵抽出炉外。钢中有(yǒu)害气體(tǐ)减少的结果是提高了钢的性能(néng)质量。
d. 氧化物(wù)的分(fēn)解
钢中的氧化物(wù)在大多(duō)数情况下对钢的质量和性能(néng)是有(yǒu)害的。钢中氧化物(wù)在一定条件下是可(kě)以分(fēn)解的。在真空条件下，真空度低于氧化物(wù)的分(fēn)解压力时，氧化物(wù)将会发生分(fēn)解反应
2MO=2M+2O↑
2O→O2↑
氧化物(wù)分(fēn)解后形成的氧会逸出钢基體(tǐ)，被真空泵排出炉外。可(kě)见，钢中的氧化物(wù)分(fēn)解和氧的逸出，改善了钢的表面质量。
e. 合金元素的蒸发
钢中的各种合金元素在一定的温度下有(yǒu)各自的蒸气压，一种合金元素在不同温度下也有(yǒu)不同的蒸气压。当周围的气压低于合金元素的蒸气压力时，合金元素将会燕发。所以，在真空热处理(lǐ)条件下，钢中的合金元素会有(yǒu)不同程度的蒸发，结果是钢中合金元素的含量会降低。钢中合金元素的减少不仅使其物(wù)理(lǐ)化學(xué)性质发生变化，还会影响钢热处理(lǐ)的效果和性能(néng)，特别是不锈钢中铬、镍、钼等元素的流失会降低钢的耐腐曲性能(néng)。可(kě)见，真空热处理(lǐ)的这一特点是有(yǒu)害的。所以，為(wèi)防止易在真空热处理(lǐ)时合金元素的流失，在真空加热温度高于800℃时，常向炉内通以惰性气體(tǐ)，调整炉内压力，使其接近或高于合金元素的分(fēn)解压力。
2. 不锈钢真空热处理(lǐ)生产操作
不锈钢真空热处理(lǐ)可(kě)依据钢种的不同，用(yòng)于退火、固溶化、淬火、回火、去应力等处理(lǐ)。
a. 设备的选择
真空热处理(lǐ)炉有(yǒu)不同的型式（立式、卧式、组合式等），不同的加热热源（電(diàn)阻加热、感应加热、電(diàn)子束加热、等离子加热等），不同的加热方式（外加热、内加热等）。按使用(yòng)温度可(kě)分(fēn)為(wèi)低温炉（≤700℃)、中温炉（＞700~1000℃)、高温炉（＞1000℃),按极限真空度可(kě)分(fēn)為(wèi)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）。
对于不锈钢热处理(lǐ)来说，主要考虑设备操作方便，系统安全可(kě)靠，极限真空度达到13.3~1.33×10-2Pa即可(kě)满足使用(yòng)要求。更高的极限真空度要求会增大设备成本。压升率不大于0.6Pa/h,温度均匀性要高，温差一般不大于±5℃,具有(yǒu)可(kě)满足冷却需要的气冷或油冷装置。
b. 不锈钢真空热处理(lǐ)操作要点
①. 装炉
工件装炉时要均匀分(fēn)布，保留间隙，这是考虑以辐男加热為(wèi)主的加热特点，以保证工件加热均匀。
②. 预热
不锈钢加热温度较高，当工艺温度在1000~0t时，用(yòng)800℃温度保温预热，工艺温度大于1100℃时，可(kě)第月80℃温度保温预热，然后再升至工艺要求的加热温度。
③. 加热温度
不锈钢热处理(lǐ)的加热温度与在空气炉中的加热温度相同，最好取下限温度。
④. 保温时间
不锈钢真空热处理(lǐ)时，在高温區(qū)的保温时间要比在空气炉中加热适当延長(cháng)，延長(cháng)时间為(wèi)1倍左右，在回火的低温區(qū)，比空气炉中的回火保温时间略長(cháng)即可(kě)。
⑤. 工作时真空度的调整
考虑钢在真空加热时合金元素蒸发的特点，在高温时，可(kě)用(yòng)充加惰性气體(tǐ)的方法，如氮气等，升高炉内压力，炉温在900℃以下时可(kě)控制炉内压力在1.33×10-1Pa,在900~1100℃时可(kě)控制為(wèi)13.3~1.33Pa,在＞1100℃时可(kě)控制為(wèi)13.3~665Pa.
⑥. 冷却
应根据热处理(lǐ)的工艺要求，采用(yòng)炉冷、气冷或油冷。
三、不锈钢保护气氛热处理(lǐ)
保护气氛热处理(lǐ)是把工件放在密封的炉膛内加热，炉内用(yòng)不含氧和水分(fēn)的惰性气體(tǐ)及其他(tā)特制的气體(tǐ)充入以换出空气，使加热过程中的钢件不会氧化和脱碳。
相对于真空热处理(lǐ)，可(kě)控气氛热处理(lǐ)设备成本低，只要求设备有(yǒu)良好的密封性，能(néng)保证炉内气氛的成分(fēn)和压力，并保证炉内气氛能(néng)均匀流动。还应配备有(yǒu)测温和炉内气氛控制及测试装置。不锈钢热处理(lǐ)的保护气可(kě)用(yòng)氮气、氩气或制备的可(kě)控气氛。
①. 氮气
纯度99%以上的氮气可(kě)不用(yòng)提纯，直接使用(yòng)，氮气压力保持0.3~0.5大气压。氮气保护不锈钢热处理(lǐ)效果较好，质量稳定。
②. 惰性气體(tǐ)
氦气、氩气也可(kě)用(yòng)于不锈钢加热保护气。还可(kě)用(yòng)于工件的冷却。
③. 可(kě)控气氛
可(kě)控气氛的制备可(kě)用(yòng)气體(tǐ)燃料或液體(tǐ)燃料。依据制备方法和特性的不同，又(yòu)可(kě)分(fēn)為(wèi)吸热式气氛和放热式气氛。吸热式气氛是用(yòng)气體(tǐ)燃料与空气混合，在有(yǒu)催化剂作用(yòng)的条件下，借助外部加热条件反应后生成的。用(yòng)于不锈钢保护气氛，应采用(yòng)经过净化处理(lǐ)工艺的净化气，以保证钢中的諮不被氧化和保持表面更洁净。放热式气氛是用(yòng)可(kě)燃气體(tǐ)或液體(tǐ)与空气按一定比例混合后经部分(fēn)燃烧方式制成的。依据气氛中氮气的含量和其他(tā)气體(tǐ)，如一氧化碳、氢气含量的不同，又(yòu)分(fēn)浓型、淡型、净化型。其中，淡型放热式气氛和净化型放热式气氛适用(yòng)不锈钢热处理(lǐ)保护。
④. 氨分(fēn)解气氛
液态氨气化后，在一定温度下可(kě)发生分(fēn)解反应，分(fēn)解氨的成分(fēn)是75%左右的氢气和25%左右的氮气，在加热时与钢处于惰性状态，对钢表面产生保护作用(yòng)，适于不锈钢加热用(yòng)。
适用(yòng)于不锈钢加热保护的气氛及主要成分(fēn)见表7-18.
