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好品質(zhì)·鼎言造
真空熱處理工作原理
來源:
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作者:鼎言熱處理
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發(fā)布時間: 2019-11-09
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在高真空中具有以下特點:
①高真空氣氛的化學(xué)活性極低,在真空熱處理時,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,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)到無氧化的目的,必須使氧的分壓力低于氧化物的分解壓力[1.7]
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。
②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、氧氣與氮氣等),會從金屬表面溢出脫氣,有利于提高工件的塑性與強度,溫度越高則分子的運動越劇烈,更有利于促使溶解于金屬中的氣體擴散到表面,使真空度提高,氣壓越低則有利于擴散在金屬表面的氣體的溢出。
金屬材料在冶煉過程中,液態(tài)金屬要吸收H2、O2、N2、CO等氣體,考慮到金屬對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,氣體在金屬中的溶解度降低,但因冷卻速度過快,造成氣體無法全部溢出(釋放),而留在固體金屬內(nèi)部,生成氣孔以及白點(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、釬焊等熱加工過程中,還會不可避免的再吸收氣體等,此時的金屬其電阻、熱傳導(dǎo)、磁化率、硬度、屈服點、強度極限、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程中氣體含量,同時也要設(shè)法消除在熱加工過程所吸收的氣體等,或通過改進(jìn)工藝流程以防止氣體的吸收。
固相中氣體分子的擴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因素為爐內(nèi)溫度,溫度越高則除氣效果越好。第三個因素為時間,除氣時間越長則除氣效果越佳?？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,對于鋼鐵一類有相變的金屬材料而言,在相變點附近的溫度進(jìn)行真空除氣的效果最好,其原因在于金屬材料在相變時對于氣體的溶解度減少或是在相變時由于晶格改變有利于氣體原子遷移的原因[1]。
經(jīng)過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具有良好的除氣效果所致 ③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特點
金屬的氧化反應(yīng)是可逆反應(yīng),在金屬被加熱時,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,其反應(yīng)方程式為
2MO=2M+20
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的分解條件,圖1-3為部分金屬氧氧化物的分解壓與溫度的關(guān)系,從圖1-3中可以看出壓最低,同時隨著溫度的升高,氧化物的分解壓也在增高化亞銅的分解壓較高,氧化釷的分解
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,在真空加熱過程中易揮發(fā)或分解,被真空泵抽走,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,也可能與從金屬材料內(nèi)部向外擴散至H2與C發(fā)生反應(yīng),而使金屬表面的氧化物還原。在氧化物的分解過程中,還伴隨著清除油脂類的有機物質(zhì)的作用,即不進(jìn)行清除表面有機物質(zhì)的專項清理,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),仍可得到無氧化、無腐蝕的清潔表面真空的凈化作用使金屬表面活性增強,有利于對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④真空的蒸發(fā)作用工件在真空爐中進(jìn)行加熱時,在低溫下爐內(nèi)的水分和空氣中的氮氣、氧氣以及一氧化碳等會被蒸發(fā)逸散,在800℃以上從工件的表面會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,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特點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,同時抗腐蝕性能明顯降低,這就是真空熱處理的缺點—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,金屬就會產(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)問題,即根據(jù)被處理工件的合金元素在熱處理時的蒸氣壓和加熱溫度,來合理選擇適宜的真空度,以防止表面合金元素的蒸發(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)問題,即根據(jù)被處理工件的合金元素在熱處理時的蒸氣壓和加熱溫度,來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。事實上蒸氣壓與加熱溫度有一定的對應(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,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氣、高純氬氣等)來調(diào)節(jié)爐內(nèi)的真空度,以低真空加熱的方法來防止工件表面合金元素的蒸發(fā),這個措施對高速工具鋼、高合金鋼等工件比較有效的。
金屬加熱工藝參數(shù)的確定
①金屬在真空中的加熱速度和加熱時間的確定工件在真空爐中的加熱速度受到諸多方面因素的影響,除了工件的材質(zhì)、尺寸、形狀以及表面光潔度外,還與加熱溫度、加熱方式、裝爐量、裝爐方式以及料筐形狀等有關(guān)。因此在制定工件的熱處理工藝規(guī)范時,必須通盤考慮其加熱速度,目的是實現(xiàn)加熱速度的可控與滿足工件的加熱要求需要注意的是工件的加熱時間,要包括真空加熱滯后時間和組織均勻化的時間,要進(jìn)行系列的工藝試驗來確定正確的工藝時間。其常用的方法包括實測法、模擬法與經(jīng)驗法,其中經(jīng)驗法是比較切合實際的。
①高真空氣氛的化學(xué)活性極低,在真空熱處理時,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,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)到無氧化的目的,必須使氧的分壓力低于氧化物的分解壓力[1.7]
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。
②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、氧氣與氮氣等),會從金屬表面溢出脫氣,有利于提高工件的塑性與強度,溫度越高則分子的運動越劇烈,更有利于促使溶解于金屬中的氣體擴散到表面,使真空度提高,氣壓越低則有利于擴散在金屬表面的氣體的溢出。
金屬材料在冶煉過程中,液態(tài)金屬要吸收H2、O2、N2、CO等氣體,考慮到金屬對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,氣體在金屬中的溶解度降低,但因冷卻速度過快,造成氣體無法全部溢出(釋放),而留在固體金屬內(nèi)部,生成氣孔以及白點(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、釬焊等熱加工過程中,還會不可避免的再吸收氣體等,此時的金屬其電阻、熱傳導(dǎo)、磁化率、硬度、屈服點、強度極限、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程中氣體含量,同時也要設(shè)法消除在熱加工過程所吸收的氣體等,或通過改進(jìn)工藝流程以防止氣體的吸收。
固相中氣體分子的擴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因素為爐內(nèi)溫度,溫度越高則除氣效果越好。第三個因素為時間,除氣時間越長則除氣效果越佳?？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,對于鋼鐵一類有相變的金屬材料而言,在相變點附近的溫度進(jìn)行真空除氣的效果最好,其原因在于金屬材料在相變時對于氣體的溶解度減少或是在相變時由于晶格改變有利于氣體原子遷移的原因[1]。
經(jīng)過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具有良好的除氣效果所致 ③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特點
金屬的氧化反應(yīng)是可逆反應(yīng),在金屬被加熱時,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,其反應(yīng)方程式為
2MO=2M+20
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的分解條件,圖1-3為部分金屬氧氧化物的分解壓與溫度的關(guān)系,從圖1-3中可以看出壓最低,同時隨著溫度的升高,氧化物的分解壓也在增高化亞銅的分解壓較高,氧化釷的分解
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,在真空加熱過程中易揮發(fā)或分解,被真空泵抽走,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,也可能與從金屬材料內(nèi)部向外擴散至H2與C發(fā)生反應(yīng),而使金屬表面的氧化物還原。在氧化物的分解過程中,還伴隨著清除油脂類的有機物質(zhì)的作用,即不進(jìn)行清除表面有機物質(zhì)的專項清理,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),仍可得到無氧化、無腐蝕的清潔表面真空的凈化作用使金屬表面活性增強,有利于對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④真空的蒸發(fā)作用工件在真空爐中進(jìn)行加熱時,在低溫下爐內(nèi)的水分和空氣中的氮氣、氧氣以及一氧化碳等會被蒸發(fā)逸散,在800℃以上從工件的表面會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,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特點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,同時抗腐蝕性能明顯降低,這就是真空熱處理的缺點—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,金屬就會產(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)問題,即根據(jù)被處理工件的合金元素在熱處理時的蒸氣壓和加熱溫度,來合理選擇適宜的真空度,以防止表面合金元素的蒸發(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)問題,即根據(jù)被處理工件的合金元素在熱處理時的蒸氣壓和加熱溫度,來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。事實上蒸氣壓與加熱溫度有一定的對應(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,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氣、高純氬氣等)來調(diào)節(jié)爐內(nèi)的真空度,以低真空加熱的方法來防止工件表面合金元素的蒸發(fā),這個措施對高速工具鋼、高合金鋼等工件比較有效的。
金屬加熱工藝參數(shù)的確定
①金屬在真空中的加熱速度和加熱時間的確定工件在真空爐中的加熱速度受到諸多方面因素的影響,除了工件的材質(zhì)、尺寸、形狀以及表面光潔度外,還與加熱溫度、加熱方式、裝爐量、裝爐方式以及料筐形狀等有關(guān)。因此在制定工件的熱處理工藝規(guī)范時,必須通盤考慮其加熱速度,目的是實現(xiàn)加熱速度的可控與滿足工件的加熱要求需要注意的是工件的加熱時間,要包括真空加熱滯后時間和組織均勻化的時間,要進(jìn)行系列的工藝試驗來確定正確的工藝時間。其常用的方法包括實測法、模擬法與經(jīng)驗法,其中經(jīng)驗法是比較切合實際的。
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