Разница между вакуумной защитой и вакуумной дегазацией

Вакуумная защита

Как правило, металлические материалы нагреваются на воздухе, и из-за присутствия в воздухе окисляющих газов, таких как кислород, водяной пар и углекислый газ, эти газы окисляются металлами. Формула реакции выглядит следующим образом:

2M+O₂→2MO

M+H₂O⇋MO+H₂

M+CO₂⇋MO+CO

В результате на нагретой поверхности металла образуется оксидная пленка или оксидная окалина, и первоначальный металлический блеск полностью теряется. В то же время эти газы также реагируют с углеродом в металле, обезуглероживая поверхность. Если в печи содержится угарный газ или газ метан, это также приведет к науглероживанию поверхности металла. Для химически активных Ti, Zr и тугоплавких металлов W, Mo, Nb, Ta и др. нагревание в воздушной печи не только приводит к образованию оксидов, гидридов и нитридов, но также поглощает эти газы и диффундирует в металл. , что серьезно ухудшает эксплуатационные характеристики металлических материалов. Эти недостатки, такие как окисление, обезуглероживание, увеличение содержания углерода, вдыхание и даже коррозия, иногда неизбежны при нагревании в печи с контролируемой атмосферой или печи с соляной ванной. Чтобы решить эту проблему, обычной практикой является оставление припуска на механическую обработку перед термической обработкой заготовки, а затем ее обработка для удаления слоев окисления и обезуглероживания после термической обработки.

  С развитием науки и техники требования к качеству поверхности и точности размеров металлических материалов становятся все выше и выше, поэтому были разработаны термообработка в контролируемой атмосфере, термообработка в инертном газе и вакуумная термообработка. При термообработке в контролируемой атмосфере необходимо использовать датчики точки росы, инфракрасные или кислородные датчики для контроля состава атмосферы в соответствии с содержанием углерода в обрабатываемой стали, чтобы удовлетворить требования к термообработке обычной углеродистой стали, легированной инструментальной стали и легированная конструкционная сталь. Однако эта атмосфера не подходит для аустенитных сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, не говоря уже о термической обработке титановых сплавов. Инертные газы гелий и аргон подходят для термической обработки всех металлических материалов. Однако цена гелия дорогая, и использовать его в качестве защитной атмосферы для термообработки нереально, да и цена аргона дороже и меньше используется. Азот прост в производстве, имеет низкую стоимость и подходит для большинства сталей, за исключением того, что его нельзя использовать в качестве защитного газа для титана, циркония и ванадия.

  Вакуумная термообработка – это, по сути, термообработка, проводимая в чрезвычайно разреженной атмосфере. Согласно газовому анализу, газ, остающийся в вакуумной печи, представляет собой H2O, O2, CO2 и органические пары, такие как жир. Поскольку содержание этих газов очень мало, их недостаточно для окисления, обезуглероживания и науглероживания обрабатываемого металлического материала, поэтому химический состав и первоначальная яркость поверхности металла могут оставаться неизменными.

  Очень сложно и неэкономично снижать содержание примесей в инертном газе до 1 части на миллион. Однако для снижения относительного содержания примесей в вакуумной «атмосфере» до одной миллионной, то есть для достижения степени вакуума 10-3 Торр, ее достаточно оснастить обычным механическим насосом и бустерным насосом. Вакуумная термическая обработка позволяет почти всем промышленным металлическим материалам сохранять первоначальную чистоту поверхности, точность размеров и требования к производительности, а также может сократить объем обработки после термической обработки и процесс очистки пескоструйной обработкой перед гальванопокрытием.

Вакуумная дегазация

Когда металлический материал плавится, жидкий металл должен поглощать H2, O2, N2, CO и другие газы. Растворимость металлов в газах увеличивается с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры. Поэтому, когда жидкий металл охлаждается до слитка, растворимость газа в металле уменьшается. Поскольку скорость охлаждения слишком высока, газ не может быть полностью выпущен и остается внутри твердого металла, что приводит к металлургическим образованиям, таким как поры и белые пятна (образованные H2). Дефекты или твердый раствор в металле в атомарном и ионном состоянии. Даже если применяется вакуумная плавка, часть газа все равно остается внутри металла. Кроме того, эти металлические материалы неизбежно будут поглощать некоторое количество газа во время последующей обработки, такой как ковка, термообработка, травление и пайка.

Поглощенный газ находится в металле в виде:

1 Газ существует в металлах в виде атомов или ионов. Обычно они существуют в виде межузельных атомов (таких как водород) и замещающих атомов (таких как азот);

2 Газ существует в виде молекул в порах, белых пятнах и микротрещинах;

3 Газы и металлы образуют отдельные фазы на поверхности и внутри в виде соединений, таких как оксиды и нитриды в стали;

4 Химическая и физическая адсорбция газов на металлических поверхностях и внутренних поверхностях пор.

  Электрическое сопротивление, теплопроводность, магнитная восприимчивость, твердость, предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, усадка сечения, ударная вязкость, вязкость разрушения и другие механические и физические свойства металлических материалов, поглощающих газ, изменяются. Следовательно, мы должны не только контролировать содержание газа в сырье в металлургическом процессе, но также удалять газ, поглощаемый в процессе горячей обработки, или улучшать процесс, чтобы предотвратить поглощение газа.

Согласно закону Сиверса, растворимость таких газов, как H2, O2 и N2, в металлах пропорциональна квадратному корню из их парциального давления, а именно:

S - растворимость газа в металле; P - парциальное давление газа, растворенного в металле, в атмосфере; K - постоянная Сиверса, связанная с температурой.

  Приведенная выше формула показывает, что по мере уменьшения парциального давления газа в окружающей атмосфере уменьшается и растворимость газа в металле, т. е. уменьшается до равновесной растворимости, соответствующей парциальному давлению газа. Если количество газа, содержащегося в металле, превышает равновесную растворимость, избыток газа будет выделяться. Следовательно, снижение давления и повышение вакуума могут достичь цели уменьшения количества газа, растворенного в металле.

  Вакуумную дегазацию обычно делят на два типа: один называется дегазацией типа А, то есть в условиях вакуума газ, находящийся в металле, выделяется с поверхности металла в молекулярной форме или молекулярном состоянии, а затем откачивается вакуумный насос. ; Другой называется дегазацией типа B, и газ в процессе дегазации удаляется путем улетучивания паров металлического соединения с поверхности металла. Например, кислород в Nb или Ta испаряется с поверхности металла в виде паровой фазы NbO2, NbO, TaO и паров TaO2 при вакуумной дегазации.

  При дегазации типа А молекулы газа, такие как пар H2O, N2, CO2 и другие молекулы газа, адсорбируются на поверхности металла в форме физической или химической адсорбции. Когда степень вакуума будет накачана до 100 Торр, эти газы будут десорбироваться и будут десорбироваться. отвлечь. Нагрев может ускорить процесс десорбции газа.

  Газ существует в решетке металла в виде атомов или ионов или в порах и трещинах внутри металла в виде молекул. Процесс дегазации выглядит следующим образом:

1. Растворенные в твердом металле газовые атомы или ионы, находящиеся между металлическими решетками по мере того, как межузельные атомы начинают проходить через зазоры при вакуумной дегазации, и дефекты решетки, такие как дислокации, и малоугловые кристаллы по границам зерен или граням Граница распространяется на поверхность;

2. Атомы или ионы газа диффундируют изнутри металла к поверхности металла и адсорбируются на поверхности при отделении их от решетки металла;

3. Атомы того же газа, адсорбированные на поверхности металла, рекомбинируют в молекулы газа;

[H] _adsorption + [H] _adsorption → H₂

Различные атомы газа, адсорбированные на поверхности металла, объединяются в новые молекулы газа.

[C] _adsorption + [O] _adsorption → [CO]

or [C]_adsorption+2[O]_adsorption→[CO₂]

Атомы газа, адсорбированные на поверхности металла, соединяются с атомами основной решетки металла, образуя соединения.

[Ta]+[O]_adsorption→[TaO]

4. Рекомбинированные молекулы газа отделяются от поверхности твердого металла в камеру вакуумной печи и откачиваются вакуумным насосом, чтобы достичь цели дегазации газа изнутри металла. Среди них такие соединения, как [TaO], сублимируются в газообразный TaO и удаляются или конденсируются на поверхности внутренней стенки вакуумной печи.

  Если газ существует в порах или трещинах внутри металла в молекулярном состоянии, вакуумная дегазация сначала разлагает молекулы газа на атомы или ионы газа и растворяет их в металле. Этапы дегазации следующие:

1) Молекулы газа находятся в состоянии физической адсорбции в порах или трещинах;

2) перейти от физической адсорбции к химической адсорбции и разложиться на атомы или ионы газа;

3) атомы или ионы разложившегося газа растворяются в решетке металла;

4) Атомы газа адсорбируются на поверхности металла путем диффузии и миграции. После этого газ удаляют с поверхности металла в соответствии с описанным выше процессом дегазации.

  Дегазация типа B также представляет собой процесс очистки, при котором оксиды металлов восстанавливаются или улетучиваются во время вакуумного нагрева. Этот эффект очистки будет описан ниже.

Основная причина, по которой вакуумная дегазация может удалить газ внутри металла, заключается в условиях отрицательного давления, поэтому степень используемого вакуума напрямую влияет на скорость и эффект вакуумной дегазации. Процесс вакуумной дегазации представляет собой процесс диффузии газа изнутри металла наружу, причем константа диффузии увеличивается с повышением температуры, а именно:

D=D0exp(-E/RT)

Поэтому вторым фактором, определяющим эффект вакуумной дегазации, является температура. При заданных условиях вакуума, чем выше температура, тем лучше эффект дегазации. Когда температура и степень вакуума вакуумной дегазации определены, чем дольше время вакуумной дегазации, тем лучше эффект. Поскольку процесс диффузии требует определенного времени, время вакуумной дегазации является третьим фактором, влияющим на эффект дегазации. По данным зарубежной литературы, для металлических материалов с фазовыми переходами, таких как сталь, эффект вакуумной дегазации наилучший при температуре вблизи точки фазового перехода. Причина в том, что изменение решетки способствует миграции атомов при фазовом переходе.

По сравнению с обычной термообработкой механические свойства металлического материала после вакуумной термообработки, особенно пластичность и ударная вязкость, значительно повышаются. Важной причиной является эффект дегазации при вакуумной термообработке.

Вакуумная защита и вакуумная дегазация являются двумя основными физическими явлениями, происходящими при нагреве заготовки в вакуумной печи, которые косвенно улучшают качество, присущее заготовке.