真空热处理工艺原理

1、真空热处理工艺原理真空热处理工艺原理2真空热处理工艺原理真空热处理工艺原理v金属在真空状态下的相变特点及其表面状态金属在真空状态下的相变特点及其表面状态v气体与金属及其表面的作用气体与金属及其表面的作用v真空状态下金属表面的氧化真空状态下金属表面的氧化v真空下金属的脱碳真空下金属的脱碳v金属的蒸发金属的蒸发3金属在真空状态下的相变特点金属在真空状态下的相变特点v对金属晶格施加外压强对金属晶格施加外压强p，体积，体积V产生产生V变化有：变化有： p=-G(V/V)；(G：体积弹性模量）：体积弹性模量）vp V U， U 为金属总结合能为金属总结合能U的变化量；的变化量；v外压强所引起的晶体体积和

2、结合能的变化将对伴随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。变具有促进或抑制作用。v外压强造成的弹性应力将促进或抑制溶质原子的扩外压强造成的弹性应力将促进或抑制溶质原子的扩散。散。4压力对相变的影响压力对相变的影响铁碳合金的温度成分压力相图5压力对相变的影响压力对相变的影响0.44%C钢在钢在1atm及及24kbar压力下的等温的等温转变曲线图压力下的等温的等温转变曲线图6压力对相变的影响压力对相变的影响在在1atm及及30kbar压力下，柱状组织与压力下，柱状组织与马氏体转变的含

3、碳量温度关系曲线马氏体转变的含碳量温度关系曲线7金属在真空状态下的表面状态金属在真空状态下的表面状态v表面指固体金属最外层的表面指固体金属最外层的110个单原子层，其厚个单原子层，其厚度约为几几十埃。度约为几几十埃。v金属的表面结构金属的表面结构 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。位置的变动以使表面原子的位能（表面能）降低。v表面吸附表面吸附0.22.862.818 By J Liang表面能表面能表面能的产生

4、表面能的产生面心立方晶体（面心立方晶体（100）为表面）为表面9 By J Liang清清洁洁表表面面的的结结构构和和特特点点10气体与金属及其表面的作用气体与金属及其表面的作用v吸附吸附: 气体分子与金属表面相互作用并附着于金属气体分子与金属表面相互作用并附着于金属表面的现象表面的现象;v吸收吸收: 气体与金属表面相互作用并进入到金属内部气体与金属表面相互作用并进入到金属内部的现象的现象;v退吸退吸:吸附的逆过程；吸附的逆过程；v金属对气体的收附：吸附与吸收同时存在的现象；金属对气体的收附：吸附与吸收同时存在的现象；v气体分子在金属中的扩散气体分子在金属中的扩散v金属的除气：将吸收的气体原子

5、或分子自金属内部金属的除气：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。排走并呈气体从金属表面析出的过程。11气体在金属表面的吸附气体在金属表面的吸附v物理吸附物理吸附v 范德华力、无选择性、速度较快、可多分子层、易解吸，可范德华力、无选择性、速度较快、可多分子层、易解吸，可逆。逆。v化学吸附化学吸附v 结合力与化合物中原子间化学键的力相似、特定的固气体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。系间、速度较慢、单分子层、难吸解、不可逆。v吸附过程是金属对气体收附现象的基础。吸附过程是金属对气体收附现象的基础。12退吸退吸v

6、退吸过程受对吸附过程有影响的各因素的影响，包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。括：压力、温度、零件的形状及其表面状况等。v一定温度，压力降低可产生退吸；退吸是吸热过程，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；提高温度可以加速退吸；v利用退吸降低炉内压力并提高温度将各种气体分子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）（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。从金属零件表面退吸掉或部分退吸掉。13金属对气体的收附作用金属对气体的收附

7、作用v多种金属及合金（液态或固态）对多种气体多种金属及合金（液态或固态）对多种气体均有收附作用均有收附作用v液态金属对气体的收附能力远大于固态金属。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在不同温度下金属对氢的溶解度溶解度溶解度s的单位为每的单位为每100g金属对标准态气体容积单位为金属对标准态气体容积单位为cm3的溶解量的溶解量铁铁 温度温度15001535（熔点）（熔点）15501650溶解度溶解度s12.75 27.7530.97镍镍温度温度14001452（熔点）（熔点）15001600溶解度溶解度s16.52 41.643.1铜铜温度温度10001083（

8、熔点）（熔点）11001200溶解度溶解度s1.582.10（固态）（固态）6.38.1 6.10（液态）（液态） 14气体原子在金属中的扩散气体原子在金属中的扩散v由吸附变为收附是和金属表面原子与吸附气体分子由吸附变为收附是和金属表面原子与吸附气体分子（原子）（原子） 之间的表面反应及气体原子（或质子）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。在金属中的扩散两个基本过程有关。v气体原子在金属中的扩散服从费克第一定律，即在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）稳定态（金属试样中的气体原子浓度不随时间而变）时，时， 有

9、下式：有下式：qD（dC/dx） q单位时间（单位时间（s）内通过垂直于扩散方向的单位面积（）内通过垂直于扩散方向的单位面积（cm2）的扩散物）的扩散物质量，质量，D扩散系数，扩散系数，dC/dxx方向上的浓度（方向上的浓度（C）梯度，扩散由浓度）梯度，扩散由浓度高到低进行。高到低进行。 15气体原子在金属中的扩散气体原子在金属中的扩散v气体原子在金属中是通过晶格而主要不是晶界进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；行扩散的；v任意时刻，扩散只在金属表面的气体吸附层处进任意时刻，扩散只在金属表面的气体吸附层处进行；行；v不同的表面处理可引起不同的扩散效果。不同的表面处理可引起不同

10、的扩散效果。材料材料表面处理方式表面处理方式温度温度压力压力p mmHg扩散速度扩散速度q（atmcm3/(cm2s)）（10-6）镍镍抛光抛光氧化和还原氧化和还原抛光抛光氧化和还原氧化和还原7507507507500.0420.0420.0910.091 1.392.702.914.23铁铁抛光抛光酸蚀酸蚀抛光抛光600氧化和还原氧化和还原800氧化和还原氧化和还原4004005905905900.770.770.0730.0730.073 0.4710-7 4.41.280.761.5416金属中的气体元素金属中的气体元素v气体元素在金属中以几种形态存在：气体元素在金属中以几种形态存在：分

11、解并以原子或离子形态固溶于金属中；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；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。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；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；气体在金属表面和内部气孔表面化学及物理吸附；17金属中含有气体时的性能特点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

12、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18氢脆氢脆v氢脆氢脆v柯垂耳断裂核心形柯垂耳断裂核心形成机制成机制v断裂核心的形成断裂核心的形成 是由于晶体中产生是由于晶体中产生了局部的塑性变形，了局部的塑性变形，a/2型位错能型位错能在滑移面上移动是在滑移面上移动是由于屈服应力的作由于屈服应力的作用。用。在Fe 100 断裂平面上断裂核心的形成过程a/2111+a/2111a001- -19氢脆氢脆v断裂核心的形成是晶体中产断裂核心的形成是晶体中产生局部塑性变形，生局部塑性变形，a/2型位错在滑移面上移动是由型位错在滑移面上移动是由于屈服应力的作用

13、。于屈服应力的作用。v屈服应力对温度敏感屈服应力对温度敏感断裂断裂强度对温度敏感强度对温度敏感v对含氢的钢：变形速度越小、对含氢的钢：变形速度越小、温度越高，脆断成分高；温度越高，脆断成分高；v对不含氢的钢：变形速度越对不含氢的钢：变形速度越大，温度越低，脆断成分大。大，温度越低，脆断成分大。室温下，应变速度对溶有氢（曲线室温下，应变速度对溶有氢（曲线1）及未溶有氢（曲线及未溶有氢（曲线2）钢的韧性的影响）钢的韧性的影响A0：试棒原始断面积，：试棒原始断面积，A：试棒断裂处的断面积：试棒断裂处的断面积20西佛斯定律西佛斯定律v气体如氢气、氧气、氮气在金属中的溶解度气体如氢气、氧气、氮气在金属中

14、的溶解度于其分压的平方根成正比于其分压的平方根成正比vS=KP S气体在金属中的溶解度，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，气氛中被溶解于金属中的气体分压，K西佛西佛斯常数，与温度有关斯常数，与温度有关21两种类型的除气过程两种类型的除气过程vA型除气：真空条件下，金属中的气体是型除气：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；出来，并随机被真空泵抽走；vB型除气：以与金属生成的化合物蒸气自型除气：以与金属生成的化合物蒸气自金属表面挥发而将其除去。金属表面挥发而将其除去。22表面反应在除气过程

15、中的作用表面反应在除气过程中的作用vN金属中金属中 N吸附吸附(过程过程1) N吸附吸附N 2吸附吸附(过程过程2)vN吸附吸附 +H吸附吸附 NH吸附吸附 NH吸附吸附+ H吸附吸附 NH2吸附吸附 NH2吸附吸附+ H吸附吸附 NH3吸附吸附 NH3吸附吸附NH3气体气体按体积比在氮（或氩）气中混以氢气按体积比在氮（或氩）气中混以氢气对对0.7mm纯铁丝脱氮的影响纯铁丝脱氮的影响600C/0.5h 充气总压充气总压750TorrC0 试样原始含氮量：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在各种实验条件下获得的含氮量wt%23除气过程除气过程v气体以原子

16、或离子形式存在金属点阵，其除气体以原子或离子形式存在金属点阵，其除气过程为：气过程为：v溶解于固体金属内，溶解于固体金属内， 位于金属点阵间作为间位于金属点阵间作为间隙原子的气体原子或离子，隙原子的气体原子或离子， 在真空除气开始在真空除气开始通过空通过空 隙隙,沿晶界或小平面形状的点阵缺陷如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；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；体分子；H吸附吸附 +H吸附吸附 H224除气过程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被吸附在金属表面的不同气体

17、的原子化合为新的气体分子；体分子；C吸附吸附 +O吸附吸附 COC吸附吸附 +2O吸附吸附 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子结合而生成化合物 Ta吸附吸附 +O吸附吸附 TaOv重新结合的气体分子脱离固体金属表面进入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。真空室并被真空泵抽走，金属内部除气。25除气过程除气过程v气体以分子形式存在与金属内部的气孔、裂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：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；气体分子在气孔或

18、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；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；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通过扩散迁移而使气体原子在金属表面呈被吸附状态；态；按前述除气过程使气体从金属表面除去。按前述除气过程使气体从金属表面除去。26真空加热技术特点真空加热技术特点v优点：优点：v防止氧化作用、无氢脆防止氧化作用、无氢脆v真空脱气、脱脂作用真空脱气、脱脂作用v淬火变形小、节约能源淬火变形小、节约能源v工艺稳定、重复性好工艺稳定、重复性好v生产成本低、耗电少生产成本低、

19、耗电少1.操作安全、自动化程度高。操作安全、自动化程度高。v缺点缺点:v真空中蒸发较大的元素真空中蒸发较大的元素1.设备一次性投资较大设备一次性投资较大27真空状态下金属表面的氧化及分解真空状态下金属表面的氧化及分解vMO = M+1/2O2vGG0RTlnpO21/2 G 吉布斯函数的改变吉布斯函数的改变G0标准吉布斯函数的改变标准吉布斯函数的改变R为气体常数为气体常数T温度；温度；v常压下常压下G00, G0,金属氧化物一般不分解；高金属氧化物一般不分解；高温下仅有少数温下仅有少数HgO，Ca2O，Ag2O等氧化物分解；等氧化物分解；v真空状态下高温真空状态下高温G0则氧化物分解。则氧化物

20、分解。28防止氧化作用防止氧化作用v 金属的氧化与氧化物的分解：金属的氧化与氧化物的分解：2M+O2=2MOv 氧化反应的速度由离子在氧化膜晶格中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：的扩散过程决定瓦格纳电化学模型：dn/dt=(px1/n(s)- px1/n(m) n为为t秒中氧化膜增加的重量；秒中氧化膜增加的重量；px(s) 为氧分压；为氧分压；px(m)为为氧化物分解压；氧化物分解压；v 真空中氧的分压大于氧化物的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，当时，金属氧化；反之，当MO的分解的分解压力大于真空中氧的分压时，压力大于真空中氧的

21、分压时，MO会分会分解出金属来。解出金属来。金属氧化物分解压力29防止氧化作用防止氧化作用与不同的金属氧化物呈平衡态的分压比pH2O/pH2v 金属氧化物与金属基体中的金属氧化物与金属基体中的C作用并形成作用并形成COMO+CM=COv 残余气体中的残余气体中的CO2与钢表面与钢表面反应反应C+CO22COv 残余气体中仍有残余气体中仍有CO2，则则Fe+CO2FeO+CO3FeO+CO2Fe3O4+CO30真空下脱碳真空下脱碳v脱碳的危害脱碳的危害v水蒸气加强脱碳水蒸气加强脱碳C4HCH4v氢气产生脱碳氢气产生脱碳C2H2CH4在不同温度下分压比pCH4/p2H2与不同含碳量的钢的平衡曲线3

22、1真空中元素的蒸发真空中元素的蒸发v金属及合金在一定温度金属及合金在一定温度及真空度下具有蒸发现及真空度下具有蒸发现象，对真空热处理有不象，对真空热处理有不可忽视的影响。可忽视的影响。v蒸汽压表达式蒸汽压表达式 logpA-B/T (mHg)v真空度的适当选择。真空度的适当选择。金属蒸气压与温度关系金属蒸气压与温度关系（图中圆点表示熔点）（图中圆点表示熔点）32真空中元素的蒸发及防止真空中元素的蒸发及防止1Cr18Ni9钢脱铬和表面粗糙度钢脱铬和表面粗糙度不同不同Ar压力下，压力下，Nb的相对蒸发速度的相对蒸发速度33金属元素的蒸发的防止金属元素的蒸发的防止不同纯度的不同纯度的Ar气体气体Mo

23、蒸发速度的影响，各曲蒸发速度的影响，各曲线的实验条件为：线的实验条件为：a真空容器抽气至真空容器抽气至2.510-4 Pa,充入充入氩气纯度氩气纯度99.999，（内有，（内有Ti丝加热吸收微量的氧气和水蒸汽丝加热吸收微量的氧气和水蒸汽等）等）b410-3 Pa,氩气纯度同氩气纯度同a，有，有Ti丝加热；丝加热；c410-3 Pa,氩气纯度同氩气纯度同a；d410-3 Pa,氩气纯度氩气纯度99.9。1100C、10-2Pa条件下进行真空退火，高速钢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。）表面的元素含量随加热时间的变化。34真空脱脂作用真空脱脂作用v金属表面油脂的

24、产生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搬运过程的污染v常规的脱脂方法常规的脱脂方法v真空脱脂真空脱脂35真空无氧化加热的基本原理真空无氧化加热的基本原理v金属实现无氧化加热的基本条件金属实现无氧化加热的基本条件v降低真空中氧分压的主要途径降低真空中氧分压的主要途径v氧分压与真空度的近似关系氧分压与真空度的近似关系v金属实现物氧化加热所需的真空度金属实现物氧化加热所需的真空度v原理的实际应用原理的实际应用 控制真空炉漏、放气的重要性及真空度、脱氧剂的选择控制真空炉漏、放气的重要性及真空度、脱氧剂的选择36真空实现无

25、氧化加热的基本条件真空实现无氧化加热的基本条件v 气氛中氧的分压低于金属氧化物气氛中氧的分压低于金属氧化物的平衡分解压的平衡分解压v MO2=M+O2v pO2=Kp(金属氧化物的平衡分解金属氧化物的平衡分解压压pO2就是上述化学反应式中的就是上述化学反应式中的化学反应平衡常数化学反应平衡常数Kp）v Kp=-FT/RT FT自由能变化值（自由能变化值（J/mol)v 金属氧化物的平衡分解压随温度金属氧化物的平衡分解压随温度升高而加大。升高而加大。钢中常见元素氧化物的平衡分解钢中常见元素氧化物的平衡分解压随温度变化曲线压随温度变化曲线37降低真空炉中氧分压的主要途径降低真空炉中氧分压的主要途径

26、v 碳与氧和水化合成一氧化碳与氧和水化合成一氧化碳和氢气碳和氢气v 碳在高温与氧和水化合生碳在高温与氧和水化合生成成CO、CO2、H2，可以显，可以显著降低气氛中的氧分压；著降低气氛中的氧分压；v 加热后真空炉中的反应主加热后真空炉中的反应主要是碳和水，生成碳的氧要是碳和水，生成碳的氧化物及氢气；化物及氢气；v pCO2 / pCO2=Kpv2CO=2C+O2vCO2=C+O2vCO+ H2 =C+ H2 OvCO2 +2H2 =C+2H2Ov2CO= CO2 +C38氧分压与工作真空度的近似关系氧分压与工作真空度的近似关系v 不同温度下，氧分压与一氧化碳不同温度下，氧分压与一氧化碳分压的关系

27、分压的关系 2CO=2C+O2v pO2=Kppco2v 当温度恒定时，一氧化碳分压每当温度恒定时，一氧化碳分压每降低一个数量级，氧分压降低两降低一个数量级，氧分压降低两个数量级。个数量级。v 一氧化碳分压恒定时，所对应的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。氧的分压随温度升高而增大。Pco 为恒压时与为恒压时与po2 随温度随温度变化曲线变化曲线39真空实现无氧化加热的真空度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金属氧化物平衡分解压对应于一氧化碳分压的平衡曲线氧化碳分压的平衡曲线v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压时的平衡分解压的对应曲线40影响真空热处理质量的因素影响真空热处理质量的因素工件装炉方式对加热速度工件装炉方式对加热速度的影响的影响1炉温；炉温；2工件整齐排放工件整齐排放3工件堆积放置工