真空热处理，顾名思义乃是在减压的环境下实施之热处理，其减压后之压力，从几百torr到10¯6torr左右（１ torr=1mmHg ），真空热处理炉的环境之气体，可为大气、氧化性气体、脱碳性气体或渗碳气体，其实施之热处理与一般传统之热处理相同，有淬火、退火、渗碳面热处理等。

在真空中，实施热处理和一般之热处理区别有二：

1.在真空中由于气体稀薄，因气体之化学性较低，在较高的真空度下其活性几乎“钝“掉，因此在同温度下，传统之固体一气体间的反应诸如氧化、还原、脱碳等，在真空中都会比在大气中慢得多。

2.在真空中，提供了去除材料中吸附气体的机会，或使处理件表面原已存在的氧化物或化合物分解及去除。

在不同的温度及真空压力下，各金属均有其各自之蒸汽压，具有相当大的差异，在钢中较易蒸发之元素有Mn、Cr等，其中Mn在900?C 10-3torr下就可能蒸发，所幸Mn在钢中含量均在1％以下，900?C至少要10-5torr以上之真空度才会使Mn由钢中蒸发，其次是Cr它在１atm之下，要2180?C 才会蒸发，然在10-3torr下，却只要1093?C便会蒸发，由于Cr在模具钢等含量相当高，所以在真空热处理中，温度上升到1000?C左右时，必需由炉外加入少许之保护气体，即N2，由由于N2是惰性气体，它防止Cr之蒸发，且又可去除材料中之吸附气体，所以热处理后之模具会显得很洁白，但在N2入炉中时，真空度会下降，所以真空必须控制在0.6torr左右之真空状态。

 

真空热处理技术在真空中实施之热处理，较常见的是淬火、退火、辉面热处理及渗碳等，但今只讨论一些真空淬火之要件。

 

 

真空淬火：

各种合金钢及非铁技术之真空淬火，其真空度主要在10-2到10-4 torr左右，而冷却方法，主要分为空冷及油冷两种，由于淬火主要是在冷却时需有足够的冷速，以避免沃斯田铁化在冷速途中产生变态，因此特把真空淬火分GAS  Quenching及 Oil Quenching两方面来加以说明。

一、真空炉中空冷（GAS Quenching)从1958年美国1psen公司开发成功以来，把风硬钢在真空淬火变为可能，然由于在真空中，处理件之冷却速度较一般大气中之冷却速度为慢，尤其是断面较大者，致影响产品之机械性质。因此在真空淬火之冷却速度，是诸科学家所研究之对象。兹将改良的方法叙述于后。　

 

（1）利用热传导性良好之不活性气体，例如N2、Ar、He、H2 等，由于不同的气体，也有不同的冷却速度，冷却时间比，H2为1时，He为1.2时，N2为1.5时，Ar为1.75时，也就是说，在真空淬火冷却效果以H2为佳，其次为He、N2，最差为Ar，但一般H2在高温时有爆炸的危险，因此一般H2均不使用，而He是稀有气体，价钱又昂贵，故不适用，而Ar之冷却特性又比N2差，因而工业上之使用均采用中性的N2气体。

（2）降低冷却气体之温度,以增加冷速，工业上的作法是在冷却气体之循环路内增加热交换器的设计，同时炉壁加以水冷等方法,以达到有效降低气体的温度。

（3）增加冷却气体的压力，以增加冷速，由下图中可知N2气体之加速冷却曲线，可见增加气体压力也是有效的增加冷却速度的方法，下表SKH-9（M-2）高速钢在不同之压力下冷却后之硬度，以及在550?C下回火之硬度值，1.54大气压下冷却之SKH-9其硬度已可与一般盐浴或油淬火者相比，且回火后之残留沃斯田铁量比传统方法者少。

二、在真空炉中油冷

真空炉中油淬火：一般分为二室，加热室及冷却室，二者中间有一密闭之中间门，其真空度可自行调整，其热处理顺序一般在加热室加热完了再移到淬火室冷却，此时再充入相当压力的不活性气体，一方面可以空冷处理件，以免过高温油淬火，产生龟裂现象。

真空热处理炉之利用真空热处理是利用辐射之原理，可使加热均温而复杂之加热与冷却及多目的之热处理，在真空炉之使用是一件极简单的操作方式。

 

1.模具材料之选择

（a）用者观点：耐磨性、韧性、耐热性、耐蚀性、离型性、镜面性。

（b）制造者观点：被削性、热处理特性、被研磨性、表面处理、焊接及放电加工。

由此可知，选择材料必须相当谨慎，当购入钢材时，必需向制造者或贩卖者索取相关之热处理特性等资料，提供给热处理者以利作业。

2.材料取材之方向

钢材取用方向不正确而易发生龟裂，因材料在制造过程中，塑性加工是有方向性，若取材不定，热处理变形也不一定，即有时大，有时小，有时膨胀，有时收缩。使用模具，受力方向应于材料的压延方向垂直。

3.调质处理可减少热处理时之尺寸变化。

下列二种试料是由真空淬火变形量之测定：

（a）试料A：素材    机械加工    细加工    热处理。

（b）试料B：素材    烧钝    机械加工    烧钝    细加工    热处理。

模具经烧钝后再热处理，其变形量很少，而尺寸之变化情形与钢材制造之压延方向有很大的关系（W为压延方向，L与H的尺寸则减少，而W为增功），故取材之方向要特别注意。

 

4.淬火温度之选择

一般认为较高温度淬火，则硬度较高，其实不然，以日本jis规格SKD-11为例，在1025?C淬火，得最高硬度HRC65，如果超过1050?C淬火，则硬度反而下降，即残留沃斯田铁太多，而且韧性减少，但高温淬火的模具，在其高温回火硬度高，适用于线切割之模具及热间使用之模具，而低温淬火之模具硬度较低，因而韧性较佳，适用于冷间模具和较大型之模具，一般社会常用工具钢SKD-11为1000~1020?C SKD-11为980?C~1020?C SKH-9为1150~1180?C淬火较适合。

5、淬火后回火常发生的问题

模具淬火后，其组织即硬又耐磨之麻田散铁为消除淬火脆性，提高韧性，增加尺寸之稳定，而未回火的模具在室温长期保存或使用，麻田散铁将进行缓慢的分解，其体积效应将导致零件尺寸之改变，这对精密零件是不允许的，只要经120 ?C—150 ?C的低温回火就可完全避免麻田散铁在室温下继续分解。淬火之模具必须冷到60 ?C左右才可进行回火，因此时钢铁尚未变态为麻田散铁，另要注意一点淬油或淬水之模具钢，必须马上进行回火，否则可能很快就产生龟裂。

6、设计不良所导致之淬火龟裂

淬火龟裂通常是发生在锐角或有孔部分，也是淬火变形的主要原因，设计应考虑图形及形状的均衡，较复杂的模具必须使用空冷之硬化钢，即实施真空淬火之钢种较不容易龟裂，因淬油之冷却速度很快，容易变形及龟裂。模具若有盲孔，最好填满耐火以防龟裂。

7、热处理后的加工问题

（a）研磨龟裂：?研磨不当：研磨量太多，冷却不足，温度超过变态点生成麻田散铁冷却即产生龟裂，若超过回火温度则软化，研磨后必须要再回火，但回火温度要比原来之回火温度低，硬度才不会下降，且时间要比原来多两倍。研磨方向必须沿着使用方向研磨。

热处理不当：沃斯田铁化温度太高，造成粗大组织和残留沃斯田铁太多，或回火时间太短及回火温度太低，都会造成研磨龟裂。

8、变形之校正方法

可以利用回火温度来修正模具之变形。

三、结论：真空热处理的技术已超于实用化，如真空硬焊及粉末冶金之真空热处理也被广泛的使用，且真空淬火具有下列之优点，减少变形、表面辉面、不脱碳、不腐蚀、品质相当稳定，因此随着真空炉之发展，模具之发展，品质亦大大的提高。但要制造一个高品质的模具必须要花相当大的精神与金钱，稍微有点差错，可能就会全功尽弃。