真空热处理工艺原理

1真空热处理工艺原理金属在真空状态下的相变特点及其表面状态气体与金属及其表面的作用真空状态下金属表面的氧化真空下金属的脱碳金属的蒸发第1页/共45页第一页，共46页。2金属在真空状态下的相变特点对金属晶格施加外压强p，体积V产生ΔV变化有：p=-G(ΔV/V)；(G：体积弹性模量）pΔV＝－ΔU，

ΔU为金属总结合能U的变化量；外压强所引起的晶体体积和结合能的变化将对伴随有体积（比容）及原子间距离、晶格常数变化的相变具有促进或抑制作用。外压强造成的弹性应力将促进或抑制溶质原子的扩散。第2页/共45页第二页，共46页。3压力对相变的影响铁碳合金的温度－成分－压力相图第3页/共45页第三页，共46页。4压力对相变的影响0.44%C钢在1atm及24kbar压力下的等温的等温转变曲线图第4页/共45页第四页，共46页。5压力对相变的影响在1atm及30kbar压力下，柱状组织与马氏体转变的含碳量－温度关系曲线第5页/共45页第五页，共46页。6金属在真空状态下的表面状态表面指固体金属最外层的1－10个单原子层，其厚度约为几－几十埃。金属的表面结构金属表面由于中断了晶体内原子排列的三维周期及破坏了表面电子特性等原因，从而导致了表面原子位置的变动以使表面原子的位能（表面能）降低。表面吸附0.2Å2.86Å2.81Å第6页/共45页第六页，共46页。7ByJLiang表面能表面能的产生面心立方晶体（100）为表面第7页/共45页第七页，共46页。8ByJLiang清洁表面的结构和特点第8页/共45页第八页，共46页。9气体与金属及其表面的作用吸附:气体分子与金属表面相互作用并附着于金属表面的现象;吸收:气体与金属表面相互作用并进入到金属内部的现象;退吸:吸附的逆过程；金属对气体的收附：吸附与吸收同时存在的现象；气体分子在金属中的扩散金属的除气：将吸收的气体原子或分子自金属内部排走并呈气体从金属表面析出的过程。第9页/共45页第九页，共46页。10气体在金属表面的吸附物理吸附范德华力、无选择性、速度较快、可多分子层、易解吸，可逆。化学吸附结合力与化合物中原子间化学键的力相似、特定的固－气体系间、速度较慢、单分子层、难吸解、不可逆。吸附过程是金属对气体收附现象的基础。第10页/共45页第十页，共46页。11退吸退吸过程受对吸附过程有影响的各因素的影响，包括：压力、温度、零件的形状及其表面状况等。一定温度，压力降低可产生退吸；退吸是吸热过程，提高温度可以加速退吸；利用退吸降低炉内压力并提高温度将各种气体分子（对金属产生不利反应的气体分子，氧、二氧化碳）从金属零件表面退吸掉或部分退吸掉。第11页/共45页第十一页，共46页。12金属对气体的收附作用多种金属及合金（液态或固态）对多种气体均有收附作用液态金属对气体的收附能力远大于固态金属。在不同温度下金属对氢的溶解度溶解度s的单位为每100g金属对标准态气体容积单位为cm3的溶解量铁

温度℃15001535（熔点）15501650溶解度s12.75

27.7530.97镍温度℃14001452（熔点）15001600溶解度s16.52

41.643.1铜温度℃10001083（熔点）11001200溶解度s1.582.10（固态）6.38.1

6.10（液态）

第12页/共45页第十二页，共46页。13气体原子在金属中的扩散由吸附变为收附是和金属表面原子与吸附气体分子（原子）之间的表面反应及气体原子（或质子）在金属中的扩散两个基本过程有关。气体原子在金属中的扩散服从费克第一定律，即在稳定态（金属试样中的气体原子浓度不随时间而变）时，有下式：q＝－D（dC/dx）

q－单位时间（s）内通过垂直于扩散方向的单位面积（cm2）的扩散物质量，D－扩散系数，dC/dx－x方向上的浓度（C）梯度，扩散由浓度高到低进行。

第13页/共45页第十三页，共46页。14气体原子在金属中的扩散气体原子在金属中是通过晶格而主要不是晶界进行扩散的；任意时刻，扩散只在金属表面的气体吸附层处进行；不同的表面处理可引起不同的扩散效果。材料表面处理方式温度℃压力pmmHg扩散速度q（atm·cm3/(cm2·s)）（×10-6）镍抛光氧化和还原抛光氧化和还原7507507507500.0420.0420.0910.091

1.392.702.914.23铁抛光酸蚀抛光600℃氧化和还原800℃氧化和还原4004005905905900.770.770.0730.0730.073

0.47×10-7

4.41.280.761.54第14页/共45页第十四页，共46页。15金属中的气体元素气体元素在金属中以几种形态存在：分解并以原子或离子形态固溶于金属中；由于位错的应力场作用，气体原子可集聚与位错处形成柯氏气团；金属与气体元素形成化合物存在于金属表面或呈夹杂存在于金属内部。以分子形式存在于气孔、白点和显微裂纹中；气体在金属表面和内部气孔表面化学及物理吸附；第15页/共45页第十五页，共46页。16金属中含有气体时的性能特点溶解气体的含量对再结晶之后的高熔点金属的硬度和电阻的影响（1）显微硬度（2）比电阻溶解气体的含量对淬火状态金属的机械性能的影响（1）冲击韧性（2）断面收缩率第16页/共45页第十六页，共46页。17氢脆氢脆柯垂耳断裂核心形成机制断裂核心的形成是由于晶体中产生了局部的塑性变形，a/2<111>型位错能在滑移面上移动是由于屈服应力的作用。在αFe{100}断裂平面上断裂核心的形成过程a/2[111]+a/2[111]a[001]--第17页/共45页第十七页，共46页。18氢脆断裂核心的形成是晶体中产生局部塑性变形，a/2<111>型位错在滑移面上移动是由于屈服应力的作用。屈服应力对温度敏感断裂强度对温度敏感对含氢的钢：变形速度越小、温度越高，脆断成分高；对不含氢的钢：变形速度越大，温度越低，脆断成分大。室温下，应变速度对溶有氢（曲线1）及未溶有氢（曲线2）钢的韧性的影响A0：试棒原始断面积，A：试棒断裂处的断面积第18页/共45页第十八页，共46页。19西佛斯定律气体如氢气、氧气、氮气在金属中的溶解度于其分压的平方根成正比S=KP½

S气体在金属中的溶解度，P气氛中被溶解于金属中的气体分压，K西佛斯常数，与温度有关第19页/共45页第十九页，共46页。20两种类型的除气过程A型除气：真空条件下，金属中的气体是以分子形式或以分子状态从金属表面释放出来，并随机被真空泵抽走；B型除气：以与金属生成的化合物蒸气自金属表面挥发而将其除去。第20页/共45页第二十页，共46页。21表面反应在除气过程中的作用N金属中

N吸附(过程1)N吸附N2吸附(过程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气体按体积比在氮（或氩）气中混以氢气对0.7mm纯铁丝脱氮的影响600°C/0.5h充气总压750TorrC0试样原始含氮量：0.025-0.027wt%Ct在各种实验条件下获得的含氮量wt%第21页/共45页第二十一页，共46页。22除气过程气体以原子或离子形式存在金属点阵，其除气过程为：溶解于固体金属内，位于金属点阵间作为间隙原子的气体原子或离子，在真空除气开始通过空隙,沿晶界或小平面形状的点阵缺陷如位错、低角晶界向表面扩散；被吸附在金属表面的相同气体的原子重新结合为气体分子；[H]吸附+[H]吸附

H2第22页/共45页第二十二页，共46页。23除气过程被吸附在金属表面的不同气体的原子化合为新的气体分子；[C]吸附+[O]吸附[

CO][C]吸附+2[O]吸附[

CO2]被吸附在金属表面的气体原子与金属基本点阵的原子结合而生成化合物[Ta]吸附+[O]吸附[

TaO]重新结合的气体分子脱离固体金属表面进入真空室并被真空泵抽走，金属内部除气。第23页/共45页第二十三页，共46页。24除气过程气体以分子形式存在与金属内部的气孔、裂纹中，其除气过程为：气体分子在气孔或裂缝处成物理吸附状态；由物理吸附变为化学吸附并分解为气体原子或离子；分解的气体原子或离子溶解于金属点阵中；通过扩散迁移而使气体原子在金属表面呈被吸附状态；按前述除气过程使气体从金属表面除去。第24页/共45页第二十四页，共46页。25真空加热技术特点优点：防止氧化作用、无氢脆真空脱气、脱脂作用淬火变形小、节约能源工艺稳定、重复性好生产成本低、耗电少操作安全、自动化程度高。缺点:真空中蒸发较大的元素设备一次性投资较大第25页/共45页第二十五页，共46页。26真空状态下金属表面的氧化及分解MO=M+1/2O2ΔG＝ΔG0＋RTlnpO21/2ΔG吉布斯函数的改变ΔG0标准吉布斯函数的改变R为气体常数T温度；常压下ΔG0>0,

ΔG>0,金属氧化物一般不分解；高温下仅有少数HgO，Ca2O，Ag2O等氧化物分解；真空状态下高温ΔG<0则氧化物分解。第26页/共45页第二十六页，共46页。27防止氧化作用金属的氧化与氧化物的分解：2M+O2=2MO氧化反应的速度由离子在氧化膜晶格中的扩散过程决定瓦格纳电化学模型：dn/dt=(px1/n(s)-px1/n(m))n为t秒中氧化膜增加的重量；px(s)为氧分压；px(m)为氧化物分解压；真空中氧的分压大于氧化物的分解压PO2时，金属氧化；反之，当MO的分解压力大于真空中氧的分压时，MO会分解出金属来。金属氧化物分解压力第27页/共45页第二十七页，共46页。28防止氧化作用与不同的金属氧化物呈平衡态的分压比pH2O/pH2金属氧化物与金属基体中的C作用并形成COMO+CM=CO残余气体中的CO2与钢表面反应C+CO22CO残余气体中仍有CO2，则Fe+CO2FeO+CO3FeO+CO2Fe3O4+CO第28页/共45页第二十八页，共46页。29真空下脱碳脱碳的危害水蒸气加强脱碳C＋4H＝CH4氢气产生脱碳C＋2H2CH4在不同温度下分压比pCH4/p2H2与不同含碳量的钢的平衡曲线第29页/共45页第二十九页，共46页。30真空中元素的蒸发金属及合金在一定温度及真空度下具有蒸发现象，对真空热处理有不可忽视的影响。蒸汽压表达式

logp＝A-B/T(μmHg)真空度的适当选择。金属蒸气压与温度关系（图中圆点表示熔点）第30页/共45页第三十页，共46页。31真空中元素的蒸发及防止1Cr18Ni9钢脱铬和表面粗糙度不同Ar压力下，Nb的相对蒸发速度第31页/共45页第三十一页，共46页。32金属元素的蒸发的防止不同纯度的Ar气体Mo蒸发速度的影响，各曲线的实验条件为：a－真空容器抽气至2.5Х10-4Pa,充入氩气纯度99.999％，（内有Ti丝加热吸收微量的氧气和水蒸汽等）b－4Х10-3Pa,氩气纯度同a，有Ti丝加热；c－4Х10-3Pa,氩气纯度同a；d－4Х10-3Pa,氩气纯度99.9％。1100°C、10-2Pa条件下进行真空退火，高速钢（M41）表面的元素含量随加热时间的变化。第32页/共45页第三十二页，共46页。33真空脱脂作用金属表面油脂的产生热处理前机械加工、冲压成型的冷却剂、润滑剂搬运过程的污染常规的脱脂方法真空脱脂第33页/共45页第三十三页，共46页。34真空无氧化加热的基本原理金属实现无氧化加热的基本条件降低真空中氧分压的主要途径氧分压与真空度的近似关系金属实现物氧化加热所需的真空度原理的实际应用

控制真空炉漏、放气的重要性及真空度、脱氧剂的选择第34页/共45页第三十四页，共46页。35真空实现无氧化加热的基本条件气氛中氧的分压低于金属氧化物的平衡分解压MO2=M+O2pO2=Kp(金属氧化物的平衡分解压pO2就是上述化学反应式中的化学反应平衡常数Kp）Kp=-ΔFT/RT

ΔFT－自由能变化值（J/mol)金属氧化物的平衡分解压随温度升高而加大。钢中常见元素氧化物的平衡分解压随温度变化曲线第35页/共45页第三十五页，共46页。36降低真空炉中氧分压的主要途径碳与氧和水化合成一氧化碳和氢气碳在高温与氧和水化合生成CO、CO2、H2，可以显著降低气氛中的氧分压；加热后真空炉中的反应主要是碳和水，生成碳的氧化物及氢气；pCO2/pCO2=Kp2CO=2C+O2CO2=C+O2CO+H2=C+H2OCO2+2H2=C+2H2O2CO=CO2+C第36页/共45页第三十六页，共46页。37氧分压与工作真空度的近似关系不同温度下，氧分压与一氧化碳分压的关系2CO=2C+O2pO2=Kp·pco2当温度恒定时，一氧化碳分压每降低一个数量级，氧分压降低两个数量级。一氧化碳分压恒定时，所对应的氧的分压随温度升高而增大。Pco为恒压时与po2随温度变化曲线第37页/共45页第三十七页，共46页。38真空实现无氧化加热的真空度金属氧化物平衡分解压对应于一氧化碳分压的平衡曲线金属氧化物平衡分解压对应的一氧化碳分压金属氧化物平衡分解压与一氧化碳恒压时的平衡分解压的对应曲线第38页/共45页第三十八页，共46页。39影响真空热处理质量的因素工件装炉方式对加热速度的影响1－炉温；2－工件整齐排放3－工件堆积放置各种金属氧化物的分解压力真空炉质量工件前处理装炉方式真空度加热温度及时间冷却方式及介质第39页/共45页第三十九页，共46页。40金属蒸发对工件质量的影响金属在不同温度下的蒸气压W（Mn）＝14％钢在真空中加热时锰的蒸发量铬在真空中不同温度下的蒸发第40页/共45页第四十页，共46页。41加热温度、时间对工件质量的影响Cr12MoV钢棒（φ125×300mm）在盐浴和真空中加热的比较1－在盐浴中的加热曲线；2－炉温3