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真空熱處理爐的分壓應用

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	達到下列蒸氣壓（Pa）的平衡溫度，℃					熔點℃
金屬元素	133×10^-4	133×10^-3	133×10^-2	133×10^-1	133	熔點℃
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

合金中（包括零件材料、真空加熱室的結(jié)構(gòu)材料及工夾具材料）或者綁扎零件用的鐵絲的表面，如果含有蒸氣壓高的金屬元素（如Ag、Al、Mn、Cr、Si、Pb、Zn、Mg、Cu等），在真空中加熱時，當真空度高于金屬元素的蒸氣壓，則金屬元素將產(chǎn)生蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的金屬元素，呈氣體形態(tài)圍繞在固體金屬的周圍，粘附并污染金屬表面，冷卻時造成零件之間或零件與料筐之間的相互粘接，嚴重時會造成加熱元件與爐體間的短路。
蒸發(fā)嚴重時，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重要的問題，必須給予足夠的重視。
二．低壓氣體保護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（如氮氣、氬氣、氦氣等）的方法來提高壓強。將真空室內(nèi)的壓強調(diào)節(jié)在0.1～650Pa的范圍內(nèi)。這種真空保護氣氛熱處理方法(又稱為低壓氣體保護法)，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。
真空保護氣氛熱處理法所使用的氣體純度一般應大于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）下進行；為防止合金元素的蒸發(fā)，應采用真空分壓處理，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作用，提高壓強減少金屬元素蒸發(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。
氫氣在任何壓強下都具有最大的熱傳導能力及最大的冷速，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；用于高強度鋼則有氫脆的危險。用氫作冷卻介質(zhì)的供氣系統(tǒng)應密閉可靠，完成冷卻操作后，應及時排出氫氣，并充入氮氣，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以下的充氣壓強下使用。
氮氣是最常用的氣體，也最便宜。在略低于大氣壓壓強下進行強制循環(huán)冷卻，冷卻烈度值可上升約20倍。在200～1200℃范圍內(nèi)，氮氣對一般鋼呈中性，對鈦合金、不銹鋼、高溫合金等呈一定的活性，若在氮氣分壓下進行真空加熱和冷卻，零件表面有Cr₂N形成，導致表面性能變壞，即抗拉強度增加，斷面收縮率下降，抗腐蝕性也會受到一定的影響。所以不宜用氮氣。
氬氣較為常見，價格比氦氣便宜，但比氮氣貴，在不宜使用氮氣的場合，如不銹鋼，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。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。工作真空度與真空充氣壓強統(tǒng)稱為真空工作壓強。
航空結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼真空熱處理的真空工作壓強與氣氛要求推薦按表2進行選擇。其它材料也可參考該表的原則確定真空工作壓強與氣氛要求。
表2 加熱室真空工作壓強與氣氛要求

加熱溫度（℃）	真空工作壓強（Pa）	氣氛要求
＜800	0．133～13.3	殘余氣氛或氮（氬）氣
＜800	＞13.3	氮（氬）氣
800～950	1.33～13.3	殘余氣氛或氮（氬）氣
800～950	＞13.3	氮（氬）氣
950～1050	6.7～13.3	殘余氣氛或氮（氬）氣
950～1050	＞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，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的選擇以及何時分壓必須選擇適當，才能達到減少蒸發(fā)，又可獲得表面光亮的效果。