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真空熱處理爐的分壓應(yīng)用
作者:河南鴻爐 來源：原創(chuàng) 發(fā)表時間：2017-11-21 15:31:47
在真空條件下進(jìn)行的熱處理稱為真空熱處理。真空熱處理是一種理想的無氧化、無脫碳的光亮熱處理技術(shù)。但是，在真空熱處理過程中金屬元素的蒸發(fā)、零件表層合金元素的貧化、抗腐蝕性能的下降以及提高零件的表面光亮度等難題是不可避免要出現(xiàn)的，如何減少這些問題的出現(xiàn)是該論文要討論的話題。
一．真空熱處理下金屬元素的蒸發(fā)
純金屬及合金中的金屬元素在一定的溫度及真空度下會產(chǎn)生蒸發(fā)。它對零件的真空熱處理質(zhì)量、對真空熱處理爐的加熱室污染均有著不可忽視的有害影響。
根據(jù)相平衡理論，在不同溫度下，金屬蒸發(fā)作用于金屬表面上的平衡壓力（蒸氣壓）是不同的。隨著溫度的升高，蒸氣壓也升高。當(dāng)外界壓力小于該溫度下金屬元素的蒸氣壓時，金屬元素就會產(chǎn)生蒸發(fā)（升華）。外界壓力越小，即真空度越高，金屬元素就越容易蒸發(fā)。在相同的條件下蒸氣壓高的元素比蒸氣壓低的元素更容易蒸發(fā)。
表1列出各種金屬元素在不同的蒸氣壓下的平衡溫度。
| 金屬元素 | 達(dá)到下列蒸氣壓（Pa）的平衡溫度，℃ | 熔點(diǎn)℃ | ||||
| 133×10-4 | 133×10-3 | 133×10-2 | 133×10-1 | 133 | ||
| Cu | 1035 | 1141 | 1273 | 1422 | 1628 | 1038 |
| Ag | 848 | 936 | 1047 | 1184 | 1353 | 961 |
| Au | 1190 | 1316 | 1465 | 1646 | 1867 | 1063 |
| Mg | 301 | 331 | 343 | 515 | 605 | 651 |
| Ca | 463 | 528 | 605 | 700 | 817 | 851 |
| Zn | 248 | 292 | 323 | 405 | 419 | |
| Na | 195 | 238 | 291 | 356 | 437 | 98 |
| K | 123 | 161 | 207 | 265 | 338 | 64 |
| Ln | 746 | 840 | 952 | 1088 | 1260 | 157 |
| C | 2288 | 2471 | 2681 | 2926 | 3214 | |
| 1116 | 1223 | 1343 | 1485 | 1670 | 1410 | |
| Ti | 1249 | 1384 | 1546 | 1742 | 1721 | |
| Sn | 922 | 1042 | 1189 | 1373 | 1609 | 232 |
| Ta | 2599 | 2820 | 2996 | |||
| Cr | 992 | 1090 | 1205 | 1342 | 1504 | 1890 |
| Mo | 2095 | 2290 | 2533 | 2625 | ||
| W | 2767 | 3016 | 3309 | 3410 | ||
| Mn | 791 | 873 | 980 | 1103 | 1251 | 1244 |
| Fe | 1195 | 1330 | 1447 | 1602 | 1783 | 1535 |
| Ni | 1257 | 1371 | 1510 | 1679 | 1884 | 1455 |
| Pt | 1744 | 1904 | 2090 | 2313 | 2582 | 1774 |
蒸發(fā)嚴(yán)重時，引起零件表層合金元素貧化而影響性能，并且造成表面粗糙，影響零件的表面光亮度。
因此，在真空中加熱，真空熱處理爐的真空度選擇是一個相當(dāng)重要的問題，必須給予足夠的重視。
二．低壓氣體保護(hù)可減少金屬元素蒸發(fā)
為減少或避免合金元素的蒸發(fā)，可以采取向真空加熱室內(nèi)回充高純中性或惰性氣體（如氮?dú)?、氬氣、氦氣等）的方法來提高壓?qiáng)。將真空室內(nèi)的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)在0.1～650Pa的范圍內(nèi)。這種真空保護(hù)氣氛熱處理方法(又稱為低壓氣體保護(hù)法)，既可防止合金元素的蒸發(fā)，又可獲得光亮的表面。這種方法的另一個好處是增加了對流傳熱作用，更有利于零件的均勻加熱。
真空保護(hù)氣氛熱處理法所使用的氣體純度一般應(yīng)大于99.99%。若回充的中性或惰性氣體的純度不夠，不僅不會降低合金元素的蒸發(fā)速度，反而會使之增加，造成零件表層合金元素貧化，抗腐蝕能力下降。
不銹鋼含有大量的Cr、Ni、AL、Mn、Ti等合金元素，其蒸氣壓都比較高。真空固溶處理要求在較高的真空度（1.33×10-2～1.33×10-3Pa）下進(jìn)行；為防止合金元素的蒸發(fā)，應(yīng)采用真空分壓處理，即先將加熱室的真空抽至1.33×10-2～1.33×10-3Pa，然后回充高純中性或惰性氣體，使充氣壓強(qiáng)保持在133～13.3Pa或者更高。高純中性或惰性氣體要始終保持向加熱室內(nèi)回充，一是使氣體充分起到保護(hù)作用，提高壓強(qiáng)減少金屬元素蒸發(fā)；二是增加氣體對流傳熱作用，更有利于零件的均勻加熱。真空時效可采用較高的真空度（1.33×10-2～1.33×10-3Pa）。由于時效時間較長，所以，真空爐的壓升率最好小于或等于0.67Pa/h，否則，不易保證零件的表面光亮度。
三．回充氣體的選擇
真空保護(hù)氣氛熱處理方法回充氣體的選擇。真空熱處理采用分壓加熱時回充氣體應(yīng)選擇高純度的中性或惰性氣體，氫、氦、氮、氬等氣體常見氣體，其四種氣體的冷卻速度由快至慢依次為氫、氦、氮、氬。如以空氣的冷速為1，則氫、氦、氮、氬與空氣的冷速之比分別為7、6、0.99、0.7。
氫氣在任何壓強(qiáng)下都具有最大的熱傳導(dǎo)能力及最大的冷速，可以用于石墨作為加熱和隔熱元件的真空爐。但是，對含碳量高的鋼種，在冷卻的高溫階段（1050℃以上）有可能造成輕微脫碳；用于高強(qiáng)度鋼則有氫脆的危險。用氫作冷卻介質(zhì)的供氣系統(tǒng)應(yīng)密閉可靠，完成冷卻操作后，應(yīng)及時排出氫氣，并充入氮?dú)?，方可打開爐門，否則，有引起爆炸的危險。
氦氣的價格最高。由于它在低壓下也有一定的冷卻能力，所以，一般在1×104Pa以下的充氣壓強(qiáng)下使用。
氮?dú)馐亲畛Ｓ玫臍怏w，也最便宜。在略低于大氣壓壓強(qiáng)下進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)冷卻，冷卻烈度值可上升約20倍。在200～1200℃范圍內(nèi)，氮?dú)鈱σ话沅摮手行裕瑢︹伜辖?、不銹鋼、高溫合金等呈一定的活性，若在氮?dú)夥謮合逻M(jìn)行真空加熱和冷卻，零件表面有Cr2N形成，導(dǎo)致表面性能變壞，即抗拉強(qiáng)度增加，斷面收縮率下降，抗腐蝕性也會受到一定的影響。所以不宜用氮?dú)狻?span style="display:none">mGE高溫箱式電阻爐,管式爐,真空退火爐,真空燒結(jié)爐,管式高溫爐-鄭州科佳電爐有限公司
氬氣較為常見，價格比氦氣便宜，但比氮?dú)赓F，在不宜使用氮?dú)獾膱龊希绮讳P鋼，高溫合金與鈦合金的真空加熱和冷卻，都需要使用氬氣。
四．真空度的選擇
真空熱處理后零件的表面光亮度與加熱時的真空度、加熱溫度等因素密切相關(guān)。在一定的溫度下，真空熱處理后零件的表面光亮度，隨真空度的提高而提高，如圖1所示。但是，當(dāng)加熱溫度較高，引起蒸氣壓高的合金元素產(chǎn)生蒸發(fā)時，零件的表面光亮度就會下降。
真空熱處理爐的真空度選擇原則是：在一定溫度下，在保證得到無氧化、無脫碳的光亮表面的條件下，選擇較低的真空度或較高的真空充氣壓強(qiáng)。工作真空度與真空充氣壓強(qiáng)統(tǒng)稱為真空工作壓強(qiáng)。
航空結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼真空熱處理的真空工作壓強(qiáng)與氣氛要求推薦按表2進(jìn)行選擇。其它材料也可參考該表的原則確定真空工作壓強(qiáng)與氣氛要求。
表2 加熱室真空工作壓強(qiáng)與氣氛要求
| 加熱溫度（℃） | 真空工作壓強(qiáng)（Pa） | 氣氛要求 |
| ＜800 | 0．133～13.3 | 殘余氣氛或氮（氬）氣 |
| ＞13.3 | 氮（氬）氣 | |
| 800～950 | 1.33～13.3 | 殘余氣氛或氮（氬）氣 |
| ＞13.3 | 氮（氬）氣 | |
| 950～1050 | 6.7～13.3 | 殘余氣氛或氮（氬）氣 |
| ＞13.3 | 氮（氬）氣 | |
| ≥1050 | ＞100 | 氮（氬）氣 |
五．總結(jié)
在向真空熱處理爐加熱室回充高純中性或惰性氣體，從而提高加熱室內(nèi)真空工作壓強(qiáng)，減少金屬元素的蒸發(fā)，避免引起零件表面合金元素貧化而影響熱處理后零件的抗腐蝕性能。所以在真空熱處理中分壓壓強(qiáng)的選擇以及何時分壓必須選擇適當(dāng)，才能達(dá)到減少蒸發(fā)，又可獲得表面光亮的效果。
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