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真空热处理工作原理
来源: | 作者:鼎言热处理 | 发布时间: 2019-11-09 | 813 次浏览 | 分享到:
        在高真空中具有以下特点:
      ①高真空气氛的化学活性极低,在真空热处理时,气相与固相界面上发生的反应,如氧化、还原、脱碳、增碳等,不会进行到有影响的程度;
      ②高真空气氛使气体体积增大的变化非常迅速,可导致金属或合金放出溶解的气体或使金属氧化物发生分解,正是由于高真空气氛的特点,在高真空气氛中,因氧的分压力很低,氧化作用被抑制,故为达到无氧化的目的,必须使氧的分压力低于氧化物的分解压力[1.7]
       
光亮热处理是一种可防止金属工件在热处理中发生氧化反应,仍然可获得光亮金属表面的热处理方法,光亮热处理也可在使用保护气氛以及氩、氦和氮等惰性气体中进行,同样可达到防止氧化的目的与要求。真空热处理可实现所有金属材料保持原有的表面光洁度、尺寸精度以及性能要求,对于需要再次磨削加工的工件,可大大减少其热处理前的加工余量,同时取消了表面的清理工序(如酸洗、喷砂、抛丸等),故真空热处理是最有发展前景的工艺方法,也是最为理想的热处理“气氛”,在热处理设备中其占有率达到了20%以上,尤其是在航空、航天、电子元件、纺织领域、工模具等领域获得了较为广泛的应用。
       ②真空的除气(脱气)作用真空的脱气作用如下。金属脱气可提高金属的塑性和强度,在真空条件加热下,金属工件溶解的一定量的气体(氢气、氧气与氮气等),会从金属表面溢出脱气,有利于提高工件的塑性与强度,温度越高则分子的运动越剧烈,更有利于促使溶解于金属中的气体扩散到表面,使真空度提高,气压越低则有利于扩散在金属表面的气体的溢出。

       金属材料在冶炼过程中,液态金属要吸收H2、O2、N2、CO等气体,考虑到金属对上述气体的溶解度随着温度的升高而增大,当液态金属冷却成钢锭时,气体在金属中的溶解度降低,但因冷却速度过快,造成气体无法全部溢出(释放),而留在固体金属内部,生成气孔以及白点(由H2形成)等冶金缺陷或以原子和离子状态固溶于金属内部。

       另外在金属的锻造、热处理、酸洗、钎焊等热加工过程中,还会不可避免的再吸收气体等,此时的金属其电阻、热传导、磁化率、硬度、屈服点、强度极限、延伸率、断面收缩率、冲击韧性、断裂韧性等力学性能和物理性能等均受到影响,故控制原材料在冶金过程中气体含量,同时也要设法消除在热加工过程所吸收的气体等,或通过改进工艺流程以防止气体的吸收。
      固相中气体分子的扩散速度往往是决定脱气的速度,真空除气之所以能够除去金属内部的气体,原因在于负压条件下可去除金属中的气体,故炉内真空度的状态影响真空除气的速度和效果。决定除气效果的另一个因素为炉内温度,温度越高则除气效果越好。第三个因素为时间,除气时间越长则除气效果越佳。考虑到晶粒粗大化以及金属相变等因素的影响,温度不能升的太高,对于钢铁一类有相变的金属材料而言,在相变点附近的温度进行真空除气的效果最好,其原因在于金属材料在相变时对于气体的溶解度减少或是在相变时由于晶格改变有利于气体原子迁移的原因[1]
       经过真空热处理后的金属材料工件,与常规热处理比较,力学性能(特别为塑性和韧性)有了明显的增加,其原因在于真空热处理时具有良好的除气效果所致        ③表面净化与脱脂作用在真空状态下进行工件的加热,其表面的氧化膜、轻微的锈蚀、氮化物、氢化物等,被还原、分解或挥发而消失,使金属获得光洁的表面,这是真空热处理的一个特点
        金属的氧化反应是可逆反应,在金属被加热时,是产生氧化反应还是氧化物的分解反应,取决于加热气氛中氧的分压与氧化物分解压之间的关系,其反应方程式为
        2MO=2M+20
       
氧的分解压是氧化物分解达到平衡后所产生的氧气分压,氧的分解压大于氧的分压,则氧化物分解,产生的氧气被放出而留下来的则是金属的清洁表面,达到金属表面净化的效果。在真空中的残存氧很少,氧的分压很低,真空度越高,氧的分压越低,低于氧化物的分解压,反应向右进行,故真空提供了金属氧化物在加热时的分解条件,图1-3为部分金属氧氧化物的分解压与温度的关系,从图1-3中可以看出压最低,同时随着温度的升高,氧化物的分解压也在增高化亚铜的分解压较高,氧化钍的分解
高频淬火
       
      另外炉内的氧分压很低的前提下,金属氧化物可分解为亚氧化物,其在真空加热中容易升华而挥发。工件表面粘附的物质主要为油污等,其是碳、氢、氧化合物,蒸汽压较高,在真空加热过程中易挥发或分解,被真空泵抽走,起到净化工件表面的效果。
       需要注意的是金属表面的氧化物在真空中加热时,也可能与从金属材料内部向外扩散至H2与C发生反应,而使金属表面的氧化物还原。在氧化物的分解过程中,还伴随着清除油脂类的有机物质的作用,即不进行清除表面有机物质的专项清理,也能使工件表面具有光亮的表面,其原因在于这些油脂、润滑剂均属于脂肪族,是碳、氢和氧的化合物,分解压较高,故在真空加热时很容易分解为氢、水蒸气和二氧化碳等气体,而随后被真空泵抽走,不至于在高温下与零件表面产生任何反应,仍可得到无氧化、无腐蚀的清洁表面真空的净化作用使金属表面活性增强,有利于对C、N、Cr、Si等原子的吸收,使得渗碳、渗氮以及氮碳共渗等速度增快,而且渗层更加均匀④真空的蒸发作用工件在真空炉中进行加热时,在低温下炉内的水分和空气中的氮气、氧气以及一氧化碳等会被蒸发逸散,在800℃以上从工件的表面会放出氢和氮的以及氧化物的分解气体,完成表面脱气作用,而热分解形成的蒸发逸散使金属表面光亮,这是真空热处理的特点,真空镀膜工艺就是利用了该原理,使镀膜玻璃在20世纪90年代投入了商业应用。

      真空热处理的另外一个特点是金属表面元素的蒸发,这体现在处理高铬冷作模具钢或铬不锈钢的热处理后零件与零件之间,或零件与料筐(工装)之间相互黏结,表面呈橘皮状,十分粗糙,同时抗腐蚀性能明显降低,这就是真空热处理的缺点—金属的蒸发作用关于金属的蒸发作用,源于相平衡的理论而言,蒸汽作用于金属表面的平衡压力(蒸气压)是有差异的,温度高其蒸气压就高,固态金属的蒸发量就大;温度低则蒸气压就低,如果温度一定,则蒸气压就有一定的数值,当外界的压力小于该温度下的蒸气压时,金属就会产生蒸发(升华)现象。外界的压力越小,即真空度越高,就越容易蒸发,同理其蒸气压越高的金属则越容易蒸发。
       可见不同金属的蒸气压是不同的,应根据工件的材质,充分注意蒸发问题,即根据被处理工件的合金元素在热处理时的蒸气压和加热温度,来合理选择适宜的真空度,以防止表面合金元素的蒸发
        可见不同金属的蒸气压是不同的,应根据工件的材质,充分注意蒸发问题,即根据被处理工件的合金元素在热处理时的蒸气压和加热温度,来合理选择适宜的真空度,以防止表面合金元素的蒸发。
钢铁中的常用元素如Mn、Ni、Co和Cr等,以及作为有色金属的主要成分的Zn、Pb和Cu等元素,其蒸气压较高,在真空加热时很容易产生真空蒸发而造成工件(或与工装)间相互粘连。事实上蒸气压与加热温度有一定的对应关系,只要真空度选择适宜,是可以防止合金元素的蒸发的
除此之外,在真空加热时,可考虑金属材料的种类,采用一定温度下通入高纯度的惰性气体(即反向充气如高纯氮气、高纯氩气等)来调节炉内的真空度,以低真空加热的方法来防止工件表面合金元素的蒸发,这个措施对高速工具钢、高合金钢等工件比较有效的。
金属加热工艺参数的确定

     ①金属在真空中的加热速度和加热时间的确定工件在真空炉中的加热速度受到诸多方面因素的影响,除了工件的材质、尺寸、形状以及表面光洁度外,还与加热温度、加热方式、装炉量、装炉方式以及料筐形状等有关。因此在制定工件的热处理工艺规范时,必须通盘考虑其加热速度,目的是实现加热速度的可控与满足工件的加热要求需要注意的是工件的加热时间,要包括真空加热滞后时间和组织均匀化的时间,要进行系列的工艺试验来确定正确的工艺时间。其常用的方法包括实测法、模拟法与经验法,其中经验法是比较切合实际的。
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