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真空熱處理金屬材料的一些特點(diǎn)
標(biāo)簽: 真空熱處理
2022-08-25  閱讀

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  【康沃真空網(wǎng)】在高真空中具有以下特點(diǎn):

 ?、俑哒婵諝夥盏幕瘜W(xué)活性極低,在真空熱處理時(shí),氣相與固相界面上發(fā)生的反應(yīng),如氧化、還原、脫碳、增碳等,不會(huì)進(jìn)行到有影響的程度;

  ②高真空氣氛使氣體體積增大的變化非常迅速,可導(dǎo)致金屬或合金放出溶解的氣體或使金屬氧化物發(fā)生分解,正是由于高真空氣氛的特點(diǎn),在高真空氣氛中,因氧的分壓力很低,氧化作用被抑制,故為達(dá)到無(wú)氧化的目的,必須使氧的分壓力低于氧化物的分解壓力。

  光亮熱處理是一種可防止金屬工件在熱處理中發(fā)生氧化反應(yīng),仍然可獲得光亮金屬表面的熱處理方法,光亮熱處理也可在使用保護(hù)氣氛以及氬、氦和氮等惰性氣體中進(jìn)行,同樣可達(dá)到防止氧化的目的與要求。真空熱處理可實(shí)現(xiàn)所有金屬材料保持原有的表面光潔度、尺寸精度以及性能要求,對(duì)于需要再次磨削加工的工件,可大大減少其熱處理前的加工余量,同時(shí)取消了表面的清理工序(如酸洗、噴砂、拋丸等),故真空熱處理是最有發(fā)展前景的工藝方法,也是最為理想的熱處理“氣氛”,在熱處理設(shè)備中其占有率達(dá)到了20%以上,尤其是在航空、航天、電子元件、紡織領(lǐng)域、工模具等領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用。

  真空的除氣(脫氣)作用真空的脫氣作用如下。金屬脫氣可提高金屬的塑性和強(qiáng)度,在真空條件加熱下,金屬工件溶解的一定量的氣體(氫氣、氧氣與氮?dú)獾?,會(huì)從金屬表面溢出脫氣,有利于提高工件的塑性與強(qiáng)度,溫度越高則分子的運(yùn)動(dòng)越劇烈,更有利于促使溶解于金屬中的氣體擴(kuò)散到表面,使真空度提高,氣壓越低則有利于擴(kuò)散在金屬表面的氣體的溢出。

  金屬材料在冶煉過(guò)程中,液態(tài)金屬要吸收H2、O2、N2、CO等氣體,考慮到金屬對(duì)上述氣體的溶解度隨著溫度的升高而增大,當(dāng)液態(tài)金屬冷卻成鋼錠時(shí),氣體在金屬中的溶解度降低,但因冷卻速度過(guò)快,造成氣體無(wú)法全部溢出(釋放),而留在固體金屬內(nèi)部,生成氣孔以及白點(diǎn)(由H2形成)等冶金缺陷或以原子和離子狀態(tài)固溶于金屬內(nèi)部。

  另外在金屬的鍛造、熱處理、酸洗、釬焊等熱加工過(guò)程中,還會(huì)不可避免的再吸收氣體等,此時(shí)的金屬其電阻、熱傳導(dǎo)、磁化率、硬度、屈服點(diǎn)、強(qiáng)度極限、延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性、斷裂韌性等力學(xué)性能和物理性能等均受到影響,故控制原材料在冶金過(guò)程中氣體含量,同時(shí)也要設(shè)法消除在熱加工過(guò)程所吸收的氣體等,或通過(guò)改進(jìn)工藝流程以防止氣體的吸收。

  固相中氣體分子的擴(kuò)散速度往往是決定脫氣的速度,真空除氣之所以能夠除去金屬內(nèi)部的氣體,原因在于負(fù)壓條件下可去除金屬中的氣體,故爐內(nèi)真空度的狀態(tài)影響真空除氣的速度和效果。決定除氣效果的另一個(gè)因素為爐內(nèi)溫度,溫度越高則除氣效果越好。第三個(gè)因素為時(shí)間,除氣時(shí)間越長(zhǎng)則除氣效果越佳??紤]到晶粒粗大化以及金屬相變等因素的影響,溫度不能升的太高,對(duì)于鋼鐵一類有相變的金屬材料而言,在相變點(diǎn)附近的溫度進(jìn)行真空除氣的效果最好,其原因在于金屬材料在相變時(shí)對(duì)于氣體的溶解度減少或是在相變時(shí)由于晶格改變有利于氣體原子遷移的原因。

  經(jīng)過(guò)真空熱處理后的金屬材料工件,與常規(guī)熱處理比較,力學(xué)性能(特別為塑性和韌性)有了明顯的增加,其原因在于真空熱處理時(shí)具有良好的除氣效果所致。             表面凈化與脫脂作用在真空狀態(tài)下進(jìn)行工件的加熱,其表面的氧化膜、輕微的銹蝕、氮化物、氫化物等,被還原、分解或揮發(fā)而消失,使金屬獲得光潔的表面,這是真空熱處理的一個(gè)特點(diǎn)。

  金屬的氧化反應(yīng)是可逆反應(yīng),在金屬被加熱時(shí),是產(chǎn)生氧化反應(yīng)還是氧化物的分解反應(yīng),取決于加熱氣氛中氧的分壓與氧化物分解壓之間的關(guān)系。

  氧的分解壓是氧化物分解達(dá)到平衡后所產(chǎn)生的氧氣分壓,氧的分解壓大于氧的分壓,則氧化物分解,產(chǎn)生的氧氣被放出而留下來(lái)的則是金屬的清潔表面,達(dá)到金屬表面凈化的效果。在真空中的殘存氧很少,氧的分壓很低,真空度越高,氧的分壓越低,低于氧化物的分解壓,反應(yīng)向右進(jìn)行,故真空提供了金屬氧化物在加熱時(shí)的分解條件。


  另外爐內(nèi)的氧分壓很低的前提下,金屬氧化物可分解為亞氧化物,其在真空加熱中容易升華而揮發(fā)。工件表面粘附的物質(zhì)主要為油污等,其是碳、氫、氧化合物,蒸汽壓較高,在真空加熱過(guò)程中易揮發(fā)或分解,被真空抽走,起到凈化工件表面的效果。

  需要注意的是金屬表面的氧化物在真空中加熱時(shí),也可能與從金屬材料內(nèi)部向外擴(kuò)散至H2與C發(fā)生反應(yīng),而使金屬表面的氧化物還原。在氧化物的分解過(guò)程中,還伴隨著清除油脂類的有機(jī)物質(zhì)的作用,即不進(jìn)行清除表面有機(jī)物質(zhì)的專項(xiàng)清理,也能使工件表面具有光亮的表面,其原因在于這些油脂、潤(rùn)滑劑均屬于脂肪族,是碳、氫和氧的化合物,分解壓較高,故在真空加熱時(shí)很容易分解為氫、水蒸氣和二氧化碳等氣體,而隨后被真空泵抽走,不至于在高溫下與零件表面產(chǎn)生任何反應(yīng),仍可得到無(wú)氧化、無(wú)腐蝕的清潔表面真空的凈化作用使金屬表面活性增強(qiáng),有利于對(duì)C、N、Cr、Si等原子的吸收,使得滲碳、滲氮以及氮碳共滲等速度增快,而且滲層更加均勻。


  真空的蒸發(fā)作用工件在真空爐中進(jìn)行加熱時(shí),在低溫下爐內(nèi)的水分和空氣中的氮?dú)?、氧氣以及一氧化碳等?huì)被蒸發(fā)逸散,在800℃以上從工件的表面會(huì)放出氫和氮的以及氧化物的分解氣體,完成表面脫氣作用,而熱分解形成的蒸發(fā)逸散使金屬表面光亮,這是真空熱處理的特點(diǎn),真空鍍膜工藝就是利用了該原理,使鍍膜玻璃在20世紀(jì)90年代投入了商業(yè)應(yīng)用。

  真空熱處理的另外一個(gè)特點(diǎn)是金屬表面元素的蒸發(fā),這體現(xiàn)在處理高鉻冷作模具鋼或鉻不銹鋼的熱處理后零件與零件之間,或零件與料筐(工裝)之間相互黏結(jié),表面呈橘皮狀,十分粗糙,同時(shí)抗腐蝕性能明顯降低,這就是真空熱處理的缺點(diǎn)—金屬的蒸發(fā)作用關(guān)于金屬的蒸發(fā)作用,源于相平衡的理論而言,蒸汽作用于金屬表面的平衡壓力(蒸氣壓)是有差異的,溫度高其蒸氣壓就高,固態(tài)金屬的蒸發(fā)量就大;溫度低則蒸氣壓就低,如果溫度一定,則蒸氣壓就有一定的數(shù)值,當(dāng)外界的壓力小于該溫度下的蒸氣壓時(shí),金屬就會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)(升華)現(xiàn)象。外界的壓力越小,即真空度越高,就越容易蒸發(fā),同理其蒸氣壓越高的金屬則越容易蒸發(fā)。

  可見不同金屬的蒸氣壓是不同的,應(yīng)根據(jù)工件的材質(zhì),充分注意蒸發(fā)問(wèn)題,即根據(jù)被處理工件的合金元素在熱處理時(shí)的蒸氣壓和加熱溫度,來(lái)合理選擇適宜的真空度,以防止表面合金元素的蒸發(fā)。

  鋼鐵中的常用元素如Mn、Ni、Co和Cr等,以及作為有色金屬的主要成分的Zn、Pb和Cu等元素,其蒸氣壓較高,在真空加熱時(shí)很容易產(chǎn)生真空蒸發(fā)而造成工件(或與工裝)間相互粘連。事實(shí)上蒸氣壓與加熱溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,只要真空度選擇適宜,是可以防止合金元素的蒸發(fā)的。

  除此之外,在真空加熱時(shí),可考慮金屬材料的種類,采用一定溫度下通入高純度的惰性氣體(即反向充氣如高純氮?dú)?、高純氬氣?來(lái)調(diào)節(jié)爐內(nèi)的真空度,以低真空加熱的方法來(lái)防止工件表面合金元素的蒸發(fā),這個(gè)措施對(duì)高速工具鋼、高合金鋼等工件比較有效的。