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真空热处理炉的分压应用

作者:科佳电炉来源：原创发表时间：2017-11-21 15:31:47

在真空条件下进行的热处理称为真空热处理。真空热处理是一种理想的无氧化、无脱碳的光亮热处理技术。但是，在真空热处理过程中金属元素的蒸发、零件表层合金元素的贫化、抗腐蚀性能的下降以及提高零件的表面光亮度等难题是不可避免要出现的，如何减少这些问题的出现是该论文要讨论的话题。
一．真空热处理下金属元素的蒸发
纯金属及合金中的金属元素在一定的温度及真空度下会产生蒸发。它对零件的真空热处理质量、对真空热处理炉的加热室污染均有着不可忽视的有害影响。
根据相平衡理论，在不同温度下，金属蒸发作用于金属表面上的平衡压力（蒸气压）是不同的。随着温度的升高，蒸气压也升高。当外界压力小于该温度下金属元素的蒸气压时，金属元素就会产生蒸发（升华）。外界压力越小，即真空度越高，金属元素就越容易蒸发。在相同的条件下蒸气压高的元素比蒸气压低的元素更容易蒸发。
表1列出各种金属元素在不同的蒸气压下的平衡温度。

金属元素	达到下列蒸气压（Pa）的平衡温度，℃					熔点℃
金属元素	133×10^-4	133×10^-3	133×10^-2	133×10^-1	133	熔点℃
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、真空加热室的结构材料及工夹具材料）或者绑扎零件用的铁丝的表面，如果含有蒸气压高的金属元素（如Ag、Al、Mn、Cr、Si、Pb、Zn、Mg、Cu等），在真空中加热时，当真空度高于金属元素的蒸气压，则金属元素将产生蒸发，蒸发出来的金属元素，呈气体形态围绕在固体金属的周围，粘附并污染金属表面，冷却时造成零件之间或零件与料筐之间的相互粘接，严重时会造成加热元件与炉体间的短路。
蒸发严重时，引起零件表层合金元素贫化而影响性能，并且造成表面粗糙，影响零件的表面光亮度。
因此，在真空中加热，真空热处理炉的真空度选择是一个相当重要的问题，必须给予足够的重视。
二．低压气体保护可减少金属元素蒸发
为减少或避免合金元素的蒸发，可以采取向真空加热室内回充高纯中性或惰性气体（如氮气、氩气、氦气等）的方法来提高压强。将真空室内的压强调节在0.1～650Pa的范围内。这种真空保护气氛热处理方法(又称为低压气体保护法)，既可防止合金元素的蒸发，又可获得光亮的表面。这种方法的另一个好处是增加了对流传热作用，更有利于零件的均匀加热。
真空保护气氛热处理法所使用的气体纯度一般应大于99.99%。若回充的中性或惰性气体的纯度不够，不仅不会降低合金元素的蒸发速度，反而会使之增加，造成零件表层合金元素贫化，抗腐蚀能力下降。
不锈钢含有大量的Cr、Ni、AL、Mn、Ti等合金元素，其蒸气压都比较高。真空固溶处理要求在较高的真空度（1.33×10^-2～1.33×10^-3Pa）下进行；为防止合金元素的蒸发，应采用真空分压处理，即先将加热室的真空抽至1.33×10^-2～1.33×10^-3Pa，然后回充高纯中性或惰性气体，使充气压强保持在133～13.3Pa或者更高。高纯中性或惰性气体要始终保持向加热室内回充，一是使气体充分起到保护作用，提高压强减少金属元素蒸发；二是增加气体对流传热作用，更有利于零件的均匀加热。真空时效可采用较高的真空度（1.33×10^-2～1.33×10^-3Pa）。由于时效时间较长，所以，真空炉的压升率最好小于或等于0.67Pa/h，否则，不易保证零件的表面光亮度。
三．回充气体的选择
真空保护气氛热处理方法回充气体的选择。真空热处理采用分压加热时回充气体应选择高纯度的中性或惰性气体，氢、氦、氮、氩等气体常见气体，其四种气体的冷却速度由快至慢依次为氢、氦、氮、氩。如以空气的冷速为1，则氢、氦、氮、氩与空气的冷速之比分别为7、6、0.99、0.7。
氢气在任何压强下都具有最大的热传导能力及最大的冷速，可以用于石墨作为加热和隔热元件的真空炉。但是，对含碳量高的钢种，在冷却的高温阶段（1050℃以上）有可能造成轻微脱碳；用于高强度钢则有氢脆的危险。用氢作冷却介质的供气系统应密闭可靠，完成冷却操作后，应及时排出氢气，并充入氮气，方可打开炉门，否则，有引起爆炸的危险。
氦气的价格最高。由于它在低压下也有一定的冷却能力，所以，一般在1×10⁴Pa以下的充气压强下使用。
氮气是最常用的气体，也最便宜。在略低于大气压压强下进行强制循环冷却，冷却烈度值可上升约20倍。在200～1200℃范围内，氮气对一般钢呈中性，对钛合金、不锈钢、高温合金等呈一定的活性，若在氮气分压下进行真空加热和冷却，零件表面有Cr₂N形成，导致表面性能变坏，即抗拉强度增加，断面收缩率下降，抗腐蚀性也会受到一定的影响。所以不宜用氮气。
氩气较为常见，价格比氦气便宜，但比氮气贵，在不宜使用氮气的场合，如不锈钢，高温合金与钛合金的真空加热和冷却，都需要使用氩气。
四．真空度的选择
真空热处理后零件的表面光亮度与加热时的真空度、加热温度等因素密切相关。在一定的温度下，真空热处理后零件的表面光亮度，随真空度的提高而提高，如图1所示。但是，当加热温度较高，引起蒸气压高的合金元素产生蒸发时，零件的表面光亮度就会下降。

真空热处理炉的真空度选择原则是：在一定温度下，在保证得到无氧化、无脱碳的光亮表面的条件下，选择较低的真空度或较高的真空充气压强。工作真空度与真空充气压强统称为真空工作压强。
航空结构钢、不锈钢真空热处理的真空工作压强与气氛要求推荐按表2进行选择。其它材料也可参考该表的原则确定真空工作压强与气氛要求。
表2 加热室真空工作压强与气氛要求

加热温度（℃）	真空工作压强（Pa）	气氛要求
＜800	0．133～13.3	残余气氛或氮（氩）气
＜800	＞13.3	氮（氩）气
800～950	1.33～13.3	残余气氛或氮（氩）气
800～950	＞13.3	氮（氩）气
950～1050	6.7～13.3	残余气氛或氮（氩）气
950～1050	＞13.3	氮（氩）气
≥1050	＞100	氮（氩）气