鋼材或工件在真空加熱后進行淬火的熱處理工藝，稱為真空淬火。真空淬火時真空度的選擇是工藝的重要參數之
一。一般中溫加熱的工件，真空度為0.1～1Pa即可達到真空淬火的目的。回執溫度較高時（高于1000℃），應向爐內通入適量的氮和氬氣，使真空度下降到1～10Pa以下，以防鋼中合金元素的蒸發。金屬在真空中加熱時，引起了表面的物理狀態以及化學成分的顯著變化，隨著真空度的提高，加熱室內氣體分子濃度可以由一個大氣壓下2.7×1019個分子/cm3降低到3×10-13個分子/cm3。與此同時，氧的分壓降到極低，因此，不僅使金屬不會在加熱過程中發生氧化、脫碳以及其他化學腐蝕，而且還具有表面凈化、脫脂、除氣等作用，可以得到潔凈光亮的表面。能夠進行真空淬火的材料很多，如空淬鋼、各種類型的高速鋼、油淬工具鋼、不銹鋼、鎳合金及鈦合金等，而真空淬火主要適用于要求較高的刃具，模具、軸承及精密零件等的熱處理。
由于氣冷式真空淬火爐、油冷式真空淬火爐、水冷式真空淬火爐等技術的開發，從而使工具鋼、高速鋼、不銹鋼和耐熱合金等各種材料都能進行真空淬火處理。同時在真空中的化學熱處理已日益成熟，真空滲碳、碳氮共滲、滲金屬等都顯示了滲速快、濃度分布易控制、公害少等顯著的優越性。
真空淬火后的高光亮度主要是由于工件表面無氧化膜，隨著在工件表面的油污和雜質被揮發而使工件充分呈現金屬光澤的緣故。除可提高產品質量外，還可以節約清洗工時，在這一方面氣淬的效果尤為顯著。真空淬火后的光亮度隨著真空爐內加熱時真空度的變化而有很大不同；真空淬火后的光亮度也冷卻介質的純凈程度和組成有密切關系。油淬后工件表面的光亮程度稍差，這是由于在油中殘存有少量碳、水、氧所造成，可由提高真空淬火油的質量來解決。
真空淬火后表面光潔、無氧化脫碳。高合金工具鋼由于淬火溫度高，在真空加熱后，高活性的表面在油淬時將發生瞬時滲碳作用，形成一層小于50μm的高碳淬火層。這些原因均使鋼在真空淬火后的硬度比普通淬火時要高而且均勻，不會出現淬火軟點。在真空加熱時的脫氣作用還可以提高材料的強度、耐磨性、抗咬合性及疲勞強度。所以真空淬火后的工件壽命普遍較高，據報導，模具經真空淬火后平均壽命可提高30%～400%。
在真空爐中工件的加熱是隨爐升溫，熱量的傳遞又是以輻射的方式進行，加熱緩慢而均勻。特別是用氣冷淬火時工件始終不移動，在原地冷卻，因此有助于減小淬火變形并使其變形有規律、易控制。測定Cr12MoV滾絲模經1050℃真空淬火后的變形量要比鹽浴加熱淬火小70%左右。
模具真空熱處理能提高模塊的整體性能，對于在使用中必須進行刃磨的沖裁模類模具，因為在工作中刃口部分周期性地承受極大的沖擊彎曲和擠壓負荷，刃口兩面都被沖壓材料擠壓，使模具受到強烈磨損。如果模具強度、韌性不足，組織不均勻，將出現早期崩刃和疲勞破損；硬度和耐磨性不足將出現早期磨損失效。采用真空熱處理可以使模具表面和內部性能一致，不會因為在刃磨后出現強化層磨損而性能下降的情況。
工模具零件真空熱處理的注意：
（1）模具材料含有較多的合金元素，蒸氣壓較高的元素（如Al、Mn、Cr、Si、Pb、Zn、Cu等）在真空中加熱時易發生蒸發現象，尤其是含Cr量高的鋼種。所以要適當控制淬火回執時的真空度，以防止合金元素的揮發。
（2）為減少加熱模具零件因內外溫差而產生的熱應力和組織應力，升溫速度也不能太快，對復雜的或大截面的模具零件要進行多次預熱。
（3）高速鋼、高Cr鋼和3Cr2W8V鋼等較大截面的模具零件，應盡量推薦在高壓氣淬爐內進行處理。如氣冷速度不夠要進行油淬時，必須采用氣冷油淬工藝，以防油淬后工件表面出現白亮層組織。
（4）真空淬火加熱溫度基本上可與鹽浴加熱和空氣加熱的溫度相同或略低一些。但應注意，真空加熱是以輻射為主，升溫時工件升溫速度遠比爐溫（指示溫度）慢，故均溫、保溫時間視裝爐情況，要適當延長。小零件需要用金屬網分隔，使加熱和冷卻均勻。
隨著真空滲碳設備的進一步推廣，催生了真空碳氮共滲新技術的出現。真空碳氮共滲出新技術即保留了氣體碳氮共滲的優點，又有自身新的特點。碳氮共滲時由于氮的滲入，鋼的相變點A1降低，因此可以采用比滲碳更低的淬火溫度淬火，從而減少淬火變形。由于氮的滲入使共滲層的淬透性提高，因此即使是碳素鋼也可以比較容易地淬火。又由于冷卻速度可以放慢，因此對減少淬火變形和防止青年有利。但在進行氣體碳氮共滲時因使用的介質是吸熱式氣氛和氨氣，所以易出現晶界氧化層。而真空爐中實施的碳氮共滲，是靠碳氫化合物在負壓下（低于一個大氣壓）的裂解、非平衡式的、高碳勢下的強滲，不是大氣壓下靠CO傳遞的平衡式滲碳，滲氮是靠氨氣在負壓下裂解后，在一定氮勢下，以平衡的方式滲入，共滲過程中的全部物理化學反應沒有含氧介質和活笥氧的介入，所用氨氣量和其水分含量也在控制范圍以下，因此共滲層沒有出現“黑斑、黑網、黑帶”等晶界氧化層，使疲勞強度更為高，耐磨性、耐蝕性更好；熱處理變形小，節約滲劑并大幅度減少廢氣排放；真空碳氮共滲后碳素鋼也能接受真空油淬熱處理。
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