真空熱處理工藝原理

1真空熱處理工藝原理金屬在真空狀態(tài)下的相變特點及其表面狀態(tài)氣體與金屬及其表面的作用真空狀態(tài)下金屬表面的氧化真空下金屬的脫碳金屬的蒸發(fā)第1頁/共45頁第一頁，共46頁。2金屬在真空狀態(tài)下的相變特點對金屬晶格施加外壓強(qiáng)p，體積V產(chǎn)生ΔV變化有：p=-G(ΔV/V)；(G：體積彈性模量）pΔV＝－ΔU，

ΔU為金屬總結(jié)合能U的變化量；外壓強(qiáng)所引起的晶體體積和結(jié)合能的變化將對伴隨有體積（比容）及原子間距離、晶格常數(shù)變化的相變具有促進(jìn)或抑制作用。外壓強(qiáng)造成的彈性應(yīng)力將促進(jìn)或抑制溶質(zhì)原子的擴(kuò)散。第2頁/共45頁第二頁，共46頁。3壓力對相變的影響鐵碳合金的溫度－成分－壓力相圖第3頁/共45頁第三頁，共46頁。4壓力對相變的影響0.44%C鋼在1atm及24kbar壓力下的等溫的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖第4頁/共45頁第四頁，共46頁。5壓力對相變的影響在1atm及30kbar壓力下，柱狀組織與馬氏體轉(zhuǎn)變的含碳量－溫度關(guān)系曲線第5頁/共45頁第五頁，共46頁。6金屬在真空狀態(tài)下的表面狀態(tài)表面指固體金屬最外層的1－10個單原子層，其厚度約為幾－幾十埃。金屬的表面結(jié)構(gòu)金屬表面由于中斷了晶體內(nèi)原子排列的三維周期及破壞了表面電子特性等原因，從而導(dǎo)致了表面原子位置的變動以使表面原子的位能（表面能）降低。表面吸附0.2?2.86?2.81?第6頁/共45頁第六頁，共46頁。7ByJLiang表面能表面能的產(chǎn)生面心立方晶體（100）為表面第7頁/共45頁第七頁，共46頁。8ByJLiang清潔表面的結(jié)構(gòu)和特點第8頁/共45頁第八頁，共46頁。9氣體與金屬及其表面的作用吸附:氣體分子與金屬表面相互作用并附著于金屬表面的現(xiàn)象;吸收:氣體與金屬表面相互作用并進(jìn)入到金屬內(nèi)部的現(xiàn)象;退吸:吸附的逆過程；金屬對氣體的收附：吸附與吸收同時存在的現(xiàn)象；氣體分子在金屬中的擴(kuò)散金屬的除氣：將吸收的氣體原子或分子自金屬內(nèi)部排走并呈氣體從金屬表面析出的過程。第9頁/共45頁第九頁，共46頁。10氣體在金屬表面的吸附物理吸附范德華力、無選擇性、速度較快、可多分子層、易解吸，可逆?；瘜W(xué)吸附結(jié)合力與化合物中原子間化學(xué)鍵的力相似、特定的固－氣體系間、速度較慢、單分子層、難吸解、不可逆。吸附過程是金屬對氣體收附現(xiàn)象的基礎(chǔ)。第10頁/共45頁第十頁，共46頁。11退吸退吸過程受對吸附過程有影響的各因素的影響，包括：壓力、溫度、零件的形狀及其表面狀況等。一定溫度，壓力降低可產(chǎn)生退吸；退吸是吸熱過程，提高溫度可以加速退吸；利用退吸降低爐內(nèi)壓力并提高溫度將各種氣體分子（對金屬產(chǎn)生不利反應(yīng)的氣體分子，氧、二氧化碳）從金屬零件表面退吸掉或部分退吸掉。第11頁/共45頁第十一頁，共46頁。12金屬對氣體的收附作用多種金屬及合金（液態(tài)或固態(tài)）對多種氣體均有收附作用液態(tài)金屬對氣體的收附能力遠(yuǎn)大于固態(tài)金屬。在不同溫度下金屬對氫的溶解度溶解度s的單位為每100g金屬對標(biāo)準(zhǔn)態(tài)氣體容積單位為cm3的溶解量鐵

溫度℃15001535（熔點）15501650溶解度s12.75

27.7530.97鎳溫度℃14001452（熔點）15001600溶解度s16.52

41.643.1銅溫度℃10001083（熔點）11001200溶解度s1.582.10（固態(tài)）6.38.1

6.10（液態(tài)）

第12頁/共45頁第十二頁，共46頁。13氣體原子在金屬中的擴(kuò)散由吸附變?yōu)槭崭绞呛徒饘俦砻嬖优c吸附氣體分子（原子）之間的表面反應(yīng)及氣體原子（或質(zhì)子）在金屬中的擴(kuò)散兩個基本過程有關(guān)。氣體原子在金屬中的擴(kuò)散服從費(fèi)克第一定律，即在穩(wěn)定態(tài)（金屬試樣中的氣體原子濃度不隨時間而變）時，有下式：q＝－D（dC/dx）

q－單位時間（s）內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位面積（cm2）的擴(kuò)散物質(zhì)量，D－擴(kuò)散系數(shù)，dC/dx－x方向上的濃度（C）梯度，擴(kuò)散由濃度高到低進(jìn)行。

第13頁/共45頁第十三頁，共46頁。14氣體原子在金屬中的擴(kuò)散氣體原子在金屬中是通過晶格而主要不是晶界進(jìn)行擴(kuò)散的；任意時刻，擴(kuò)散只在金屬表面的氣體吸附層處進(jìn)行；不同的表面處理可引起不同的擴(kuò)散效果。材料表面處理方式溫度℃壓力pmmHg擴(kuò)散速度q（atm·cm3/(cm2·s)）（×10-6）鎳拋光氧化和還原拋光氧化和還原7507507507500.0420.0420.0910.091

1.392.702.914.23鐵拋光酸蝕拋光600℃氧化和還原800℃氧化和還原4004005905905900.770.770.0730.0730.073

0.47×10-7

4.41.280.761.54第14頁/共45頁第十四頁，共46頁。15金屬中的氣體元素氣體元素在金屬中以幾種形態(tài)存在：分解并以原子或離子形態(tài)固溶于金屬中；由于位錯的應(yīng)力場作用，氣體原子可集聚與位錯處形成柯氏氣團(tuán)；金屬與氣體元素形成化合物存在于金屬表面或呈夾雜存在于金屬內(nèi)部。以分子形式存在于氣孔、白點和顯微裂紋中；氣體在金屬表面和內(nèi)部氣孔表面化學(xué)及物理吸附；第15頁/共45頁第十五頁，共46頁。16金屬中含有氣體時的性能特點溶解氣體的含量對再結(jié)晶之后的高熔點金屬的硬度和電阻的影響（1）顯微硬度（2）比電阻溶解氣體的含量對淬火狀態(tài)金屬的機(jī)械性能的影響（1）沖擊韌性（2）斷面收縮率第16頁/共45頁第十六頁，共46頁。17氫脆氫脆柯垂耳斷裂核心形成機(jī)制斷裂核心的形成是由于晶體中產(chǎn)生了局部的塑性變形，a/2<111>型位錯能在滑移面上移動是由于屈服應(yīng)力的作用。在αFe{100}斷裂平面上斷裂核心的形成過程a/2[111]+a/2[111]a[001]--第17頁/共45頁第十七頁，共46頁。18氫脆斷裂核心的形成是晶體中產(chǎn)生局部塑性變形，a/2<111>型位錯在滑移面上移動是由于屈服應(yīng)力的作用。屈服應(yīng)力對溫度敏感斷裂強(qiáng)度對溫度敏感對含氫的鋼：變形速度越小、溫度越高，脆斷成分高；對不含氫的鋼：變形速度越大，溫度越低，脆斷成分大。室溫下，應(yīng)變速度對溶有氫（曲線1）及未溶有氫（曲線2）鋼的韌性的影響A0：試棒原始斷面積，A：試棒斷裂處的斷面積第18頁/共45頁第十八頁，共46頁。19西佛斯定律氣體如氫氣、氧氣、氮?dú)庠诮饘僦械娜芙舛扔谄浞謮旱钠椒礁烧萐=KP?

S氣體在金屬中的溶解度，P氣氛中被溶解于金屬中的氣體分壓，K西佛斯常數(shù)，與溫度有關(guān)第19頁/共45頁第十九頁，共46頁。20兩種類型的除氣過程A型除氣：真空條件下，金屬中的氣體是以分子形式或以分子狀態(tài)從金屬表面釋放出來，并隨機(jī)被真空泵抽走；B型除氣：以與金屬生成的化合物蒸氣自金屬表面揮發(fā)而將其除去。第20頁/共45頁第二十頁，共46頁。21表面反應(yīng)在除氣過程中的作用N金屬中

N吸附(過程1)N吸附N2吸附(過程2)N吸附+H吸附

NH吸附

NH吸附+

H吸附

NH2吸附

NH2吸附+

H吸附

NH3吸附

NH3吸附NH3氣體按體積比在氮（或氬）氣中混以氫氣對0.7mm純鐵絲脫氮的影響600°C/0.5h充氣總壓750TorrC0試樣原始含氮量：0.025-0.027wt%Ct在各種實驗條件下獲得的含氮量wt%第21頁/共45頁第二十一頁，共46頁。22除氣過程氣體以原子或離子形式存在金屬點陣，其除氣過程為：溶解于固體金屬內(nèi)，位于金屬點陣間作為間隙原子的氣體原子或離子，在真空除氣開始通過空隙,沿晶界或小平面形狀的點陣缺陷如位錯、低角晶界向表面擴(kuò)散；被吸附在金屬表面的相同氣體的原子重新結(jié)合為氣體分子；[H]吸附+[H]吸附

H2第22頁/共45頁第二十二頁，共46頁。23除氣過程被吸附在金屬表面的不同氣體的原子化合為新的氣體分子；[C]吸附+[O]吸附[

CO][C]吸附+2[O]吸附[

CO2]被吸附在金屬表面的氣體原子與金屬基本點陣的原子結(jié)合而生成化合物[Ta]吸附+[O]吸附[

TaO]重新結(jié)合的氣體分子脫離固體金屬表面進(jìn)入真空室并被真空泵抽走，金屬內(nèi)部除氣。第23頁/共45頁第二十三頁，共46頁。24除氣過程氣體以分子形式存在與金屬內(nèi)部的氣孔、裂紋中，其除氣過程為：氣體分子在氣孔或裂縫處成物理吸附狀態(tài)；由物理吸附變?yōu)榛瘜W(xué)吸附并分解為氣體原子或離子；分解的氣體原子或離子溶解于金屬點陣中；通過擴(kuò)散遷移而使氣體原子在金屬表面呈被吸附狀態(tài)；按前述除氣過程使氣體從金屬表面除去。第24頁/共45頁第二十四頁，共46頁。25真空加熱技術(shù)特點優(yōu)點：防止氧化作用、無氫脆真空脫氣、脫脂作用淬火變形小、節(jié)約能源工藝穩(wěn)定、重復(fù)性好生產(chǎn)成本低、耗電少操作安全、自動化程度高。缺點:真空中蒸發(fā)較大的元素設(shè)備一次性投資較大第25頁/共45頁第二十五頁，共46頁。26真空狀態(tài)下金屬表面的氧化及分解MO=M+1/2O2ΔG＝ΔG0＋RTlnpO21/2ΔG吉布斯函數(shù)的改變ΔG0標(biāo)準(zhǔn)吉布斯函數(shù)的改變R為氣體常數(shù)T溫度；常壓下ΔG0>0,

ΔG>0,金屬氧化物一般不分解；高溫下僅有少數(shù)HgO，Ca2O，Ag2O等氧化物分解；真空狀態(tài)下高溫ΔG<0則氧化物分解。第26頁/共45頁第二十六頁，共46頁。27防止氧化作用金屬的氧化與氧化物的分解：2M+O2=2MO氧化反應(yīng)的速度由離子在氧化膜晶格中的擴(kuò)散過程決定瓦格納電化學(xué)模型：dn/dt=(px1/n(s)-px1/n(m))n為t秒中氧化膜增加的重量；px(s)為氧分壓；px(m)為氧化物分解壓；真空中氧的分壓大于氧化物的分解壓PO2時，金屬氧化；反之，當(dāng)MO的分解壓力大于真空中氧的分壓時，MO會分解出金屬來。金屬氧化物分解壓力第27頁/共45頁第二十七頁，共46頁。28防止氧化作用與不同的金屬氧化物呈平衡態(tài)的分壓比pH2O/pH2金屬氧化物與金屬基體中的C作用并形成COMO+CM=CO殘余氣體中的CO2與鋼表面反應(yīng)C+CO22CO殘余氣體中仍有CO2，則Fe+CO2FeO+CO3FeO+CO2Fe3O4+CO第28頁/共45頁第二十八頁，共46頁。29真空下脫碳脫碳的危害水蒸氣加強(qiáng)脫碳C＋4H＝CH4氫氣產(chǎn)生脫碳C＋2H2CH4在不同溫度下分壓比pCH4/p2H2與不同含碳量的鋼的平衡曲線第29頁/共45頁第二十九頁，共46頁。30真空中元素的蒸發(fā)金屬及合金在一定溫度及真空度下具有蒸發(fā)現(xiàn)象，對真空熱處理有不可忽視的影響。蒸汽壓表達(dá)式

logp＝A-B/T(μmHg)真空度的適當(dāng)選擇。金屬蒸氣壓與溫度關(guān)系（圖中圓點表示熔點）第30頁/共45頁第三十頁，共46頁。31真空中元素的蒸發(fā)及防止1Cr18Ni9鋼脫鉻和表面粗糙度不同Ar壓力下，Nb的相對蒸發(fā)速度第31頁/共45頁第三十一頁，共46頁。32金屬元素的蒸發(fā)的防止不同純度的Ar氣體Mo蒸發(fā)速度的影響，各曲線的實驗條件為：a－真空容器抽氣至2.5Х10-4Pa,充入氬氣純度99.999％，（內(nèi)有Ti絲加熱吸收微量的氧氣和水蒸汽等）b－4Х10-3Pa,氬氣純度同a，有Ti絲加熱；c－4Х10-3Pa,氬氣純度同a；d－4Х10-3Pa,氬氣純度99.9％。1100°C、10-2Pa條件下進(jìn)行真空退火，高速鋼（M41）表面的元素含量隨加熱時間的變化。第32頁/共45頁第三十二頁，共46頁。33真空脫脂作用金屬表面油脂的產(chǎn)生熱處理前機(jī)械加工、沖壓成型的冷卻劑、潤滑劑搬運(yùn)過程的污染常規(guī)的脫脂方法真空脫脂第33頁/共45頁第三十三頁，共46頁。34真空無氧化加熱的基本原理金屬實現(xiàn)無氧化加熱的基本條件降低真空中氧分壓的主要途徑氧分壓與真空度的近似關(guān)系金屬實現(xiàn)物氧化加熱所需的真空度原理的實際應(yīng)用

控制真空爐漏、放氣的重要性及真空度、脫氧劑的選擇第34頁/共45頁第三十四頁，共46頁。35真空實現(xiàn)無氧化加熱的基本條件氣氛中氧的分壓低于金屬氧化物的平衡分解壓MO2=M+O2pO2=Kp(金屬氧化物的平衡分解壓pO2就是上述化學(xué)反應(yīng)式中的化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)Kp）Kp=-ΔFT/RT

ΔFT－自由能變化值（J/mol)金屬氧化物的平衡分解壓隨溫度升高而加大。鋼中常見元素氧化物的平衡分解壓隨溫度變化曲線第35頁/共45頁第三十五頁，共46頁。36降低真空爐中氧分壓的主要途徑碳與氧和水化合成一氧化碳和氫氣碳在高溫與氧和水化合生成CO、CO2、H2，可以顯著降低氣氛中的氧分壓；加熱后真空爐中的反應(yīng)主要是碳和水，生成碳的氧化物及氫氣；pCO2/pCO2=Kp2CO=2C+O2CO2=C+O2CO+H2=C+H2OCO2+2H2=C+2H2O2CO=CO2+C第36頁/共45頁第三十六頁，共46頁。37氧分壓與工作真空度的近似關(guān)系不同溫度下，氧分壓與一氧化碳分壓的關(guān)系2CO=2C+O2pO2=Kp·pco2當(dāng)溫度恒定時，一氧化碳分壓每降低一個數(shù)量級，氧分壓降低兩個數(shù)量級。一氧化碳分壓恒定時，所對應(yīng)的氧的分壓隨溫度升高而增大。Pco為恒壓時與po2隨溫度變化曲線第37頁/共45頁第三十七頁，共46頁。38真空實現(xiàn)無氧化加熱的真空度金屬氧化物平衡分解壓對應(yīng)于一氧化碳分壓的平衡曲線金屬氧化物平衡分解壓對應(yīng)的一氧化碳分壓金屬氧化物平衡分解壓與一氧化碳恒壓時的平衡分解壓的對應(yīng)曲線第38頁/共45頁第三十八頁，共46頁。39影響真空熱處理質(zhì)量的因素工件裝爐方式對加熱速度的影響1－爐溫；2－工件整齊排放3－工件堆積放置各種金屬氧化物的分解壓力真空爐質(zhì)量工件前處理裝爐方式真空度加熱溫度及時間冷卻方式及介質(zhì)第39頁/共45頁第三十九頁，共46頁。40金屬蒸發(fā)對工件質(zhì)量的影響金屬在不同溫度下的蒸氣壓W（Mn）＝14％鋼在真空中加熱時錳的蒸發(fā)量鉻在真空中不同溫度下的蒸發(fā)第40頁/共45頁第四十頁，共46頁。41加熱溫度、時間對工件質(zhì)量的影響Cr12MoV鋼棒（φ125×300mm）在鹽浴和真空中加熱的比較1－在鹽浴中的加熱曲線；2－爐溫3