真空中的蒸發作用

2022/05/08

真空中加熱金屬時，在低溫下，爐內的水分和空氣中的氮、氧以及一氧化碳，尤其是在工件上涂覆的油脂和其他雜質等會蒸發逸散。當溫度上升到800℃以上時，從工件的表面會放出氫和氮及氧化物的分解氣體，完成脫氣的作用。由于這種熱分解而形成的蒸發逸散現象排除了工件表面上所存在的有害氣體，逸散了氧化物，使金屬重現光亮，這是真空熱處理優點的又一個方面，特別是有害氣體的排除和光亮熱處理等，有利于提高工件的質量，這是其他的熱處理方法所不能兼備的。

另外，金屬在真空中的這種蒸發逸散，作為真空蒸鍍工藝的理論依據，得到了很好的應用。但是，在進行真空熱處理時，常常會發現零件與零件之間，或零件與料框之間相互黏接。在處理高鉻冷作模具鋼或鉻不銹鋼時，表面呈橘皮狀，很粗糙，而且抗腐蝕性能明顯降低。這些是真空熱處理的缺點所在——金屬的蒸發特性。

根據相平衡理論，在不同的溫度下，蒸氣作用于金屬表面的平衡壓力(蒸氣壓)是不同的。溫度高蒸氣壓就高，固態金屬的蒸發量就大；溫度低蒸氣壓就低，如果溫度一定，則蒸氣壓也就有一定的值。當外界的壓力小于該溫度下的蒸氣壓時，金屬就會產生蒸發(升華〉現象。猶如樟腦在空氣中因升華作用而從固體變成氣體揮發掉一樣。外界的壓力越小，即真空度越高，就越容易蒸發。同理，蒸氣壓越高的金屬也越容易蒸發。

因此，在真空熱處理時，對蒸發問題應予以應有的重視，那種認為只要提高真空度，就能夠取得良好效果的看法是不全面的。必須根據工件的種類，充分注意蒸發的問題。即根據被處理金屬材料中合金元素在熱處理時的蒸氣壓和加熱溫度，來選擇合適的真空度，以防止合金元素蒸發逸出。

如鋼鐵中的常用合金元素Mn、Ni、Co和Cr等，以及作為有色金屬主要成分的Zn、Pb和Cu等元素，在真空中加熱很容易產生真空蒸鍍，使工件之間相互粘連，以及從料框內取出時造成障礙。另外，用Cu和Ag-Mn合金(作為釬料)對不銹鋼進行真空釬焊，在0.0133Pa以下進行加熱時，Mn被蒸發，其成分顯著變化，導致釬焊部位的強度大大地下降。在70~30黃銅的場合進行真空退火時，Zn被顯著蒸發，產生脫鋅現象，因此，要獲得光亮的表面是非常困難的。

但是，如果選擇得當，許多缺陷是可以避免的。如Cr12MoV冷沖模具鋼，在真空度為1.33Pa，溫度為1050℃下保溫90min后，用X射線顯微分析儀測定了鉻元素在距離表面150μm范圍內的分布，結果沒有發現脫鉻現象。這是因為，在1.33Pa下，鉻的理論蒸發溫度為1205℃，當在1050℃時，相應的蒸氣壓就低，約為0.0133Pa，即蒸氣壓低于外界壓力，所以，沒有產生蒸發。該例說明，只要真空度選擇適宜，是可以防止合金元素蒸發的。

應該指出，合金中一些蒸氣壓較高的元素，如Mn、Cu、Al等，通常是以溶解于固溶體中或以各種化合物的形式存在的，在真空中加熱時揮發的方式不盡相同，但其揮發的傾向是相同的，而一般說來，其蒸氣壓要低于純金屬的蒸氣壓。

另外，在真空中加熱時，還可以考慮根據金屬材料的種類，通入高純度的惰性氣體(即反向充氣)來調節爐內的真空度，以低真空加熱的方法來防止合金元素的蒸發。特別是在1200℃

以上的溫度加熱時，Cr、Mn等均有較高的蒸氣壓，容易蒸發，更需要低真空加熱。通入高純度惰性氣體不僅可以調節真空度，而且由于惰性氣體的存在，形成對流循環，更有利于金屬材料的均勻加熱。

所以說，真空熱處理時，金屬的蒸氣壓是個不容忽視的問題。對于一般的合金鋼來說，其一，熱處理加熱溫度達到1200℃的時候比較少，其二，一般情況下，熱處理后工件的切削余量大于元素蒸發層的厚度，所以，對工件的質量影響不大。但重要且特殊的鋼種，一定要重視蒸氣壓的問題。