真空熱處理可用于退火、脫氣、固溶熱處理、淬火、回火和沉淀硬化等工藝。在通入適當介質后，也可用于化學熱處理。
真空中的退火、脫氣、固溶處理主要用于純凈程度或表面質量要求高的工件，如難熔金屬的軟化和去應力、不銹鋼和鎳基合金的固溶處理、鈦和鈦合金的脫氣處理、軟磁合金完善導磁率和矯頑力的退火，以及要求光亮的碳鋼、低合金鋼和銅等的光亮退火。真空中的淬火有氣淬和液淬兩種。氣淬將工件在真空加熱后向冷卻室中充以純度較高中性氣體（如氮）進行冷卻。適用于氣淬的有高速鋼和高碳高鉻鋼等馬氏體臨界冷卻速度較低的材料。液淬是將工件在加熱室中加熱后，移至冷卻室中充入高純氮氣并送入淬火油槽，然后冷卻。如果需要高的表面質量，工件真空淬火和固溶熱處理后的回火和沉淀硬化仍應在真空爐中進行。
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