真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法:表面燒氫凈化

2019-12-20 admin 未知

  采用燒(shao)氫處(chu)理工(gong)藝可以還(huan)原去(qu)除大多數的(de)金屬(shu)(shu)氧(yang)(yang)化物(wu)(Mg、Al、Si等的(de)氧(yang)(yang)化物(wu)除外)。一般(ban),燒(shao)濕(shi)氫(露(lu)點>-10℃)有(you)助(zhu)于金屬(shu)(shu)脫碳和去(qu)除表面有(you)機物(wu)。在濕(shi)氫的(de)氧(yang)(yang)化氣(qi)氛中,碳雜(za)質以CO、CO2的(de)形(xing)式(shi)被除掉。

  下圖6給出(chu)了(le)相同尺寸的可(ke)伐合(he)金、Ni與(yu)(yu)不(bu)銹鋼試樣的CO出(chu)氣(qi)率與(yu)(yu)燒濕(shi)氫(qing)時間的關系。燒濕(shi)氫(qing)半(ban)小時后,可(ke)伐的CO出(chu)氣(qi)率降(jiang)(jiang)低45%以上,Ni降(jiang)(jiang)低約32%。只有不(bu)銹鋼例外,盡管它含碳量(liang)較(jiao)高,但燒濕(shi)氫(qing)并(bing)不(bu)能減小不(bu)銹鋼的CO出(chu)氣(qi)率,這說明不(bu)銹鋼的出(chu)氣(qi)機(ji)制與(yu)(yu)其他(ta)材(cai)料不(bu)同。

表面燒氫凈化

圖6 可(ke)伐(fa)、Ni與不銹鋼在真空中800℃時CO出(chu)氣率與燒濕氫時間(jian)的(de)關系

  燒(shao)濕(shi)氫(qing)(qing)會大(da)大(da)增加被處(chu)理(li)材料的(de)(de)(de)含(han)氣量,尤其(qi)是氧(yang)。因(yin)此,含(han)碳量少的(de)(de)(de)材料應(ying)當(dang)燒(shao)干(gan)氫(qing)(qing)(露(lu)點(dian)低于-50℃)。燒(shao)干(gan)氫(qing)(qing)有(you)利于氧(yang)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)還原,露(lu)點(dian)越(yue)(yue)低、含(han)氧(yang)量越(yue)(yue)少,效(xiao)果越(yue)(yue)好。例如,蒙乃爾合金燒(shao)干(gan)氫(qing)(qing)(露(lu)點(dian)-65℃)后(hou),在真空中(zhong)的(de)(de)(de)出(chu)氣量顯著降低,若(ruo)在露(lu)點(dian)-35℃氫(qing)(qing)中(zhong)處(chu)理(li),在真空中(zhong)將放出(chu)大(da)量CO與(yu)CO2。這是因(yin)為金屬(shu)表面被水汽(qi)氧(yang)化(hua)所致(zhi)。在很多(duo)情況下,燒(shao)干(gan)氫(qing)(qing)的(de)(de)(de)效(xiao)果與(yu)真空除氣相當(dang),但燒(shao)氫(qing)(qing)的(de)(de)(de)成(cheng)本低并(bing)且(qie)生產效(xiao)率要(yao)高得多(duo)。關(guan)鍵在于要(yao)保(bao)證燒(shao)氫(qing)(qing)爐(lu)內氫(qing)(qing)氣的(de)(de)(de)純凈。

  在(zai)燒(shao)氫工(gong)藝(yi)操作中,應采取(qu)以下措施來防止外界氣(qi)氛及燒(shao)氫爐內(nei)脫附水(shui)氣(qi)對(dui)爐內(nei)氣(qi)氛的污染:

  (1)盡量減少盛(sheng)放工(gong)(gong)件的托盤的面積(例如(ru)做成網籃狀),工(gong)(gong)件最(zui)好采用(yong)分開(kai)懸掛方式,這樣便于(yu)氫氣流沖洗(xi),工(gong)(gong)件周圍的水汽(qi)濃(nong)度也不會突然(ran)增大(da)。

  (2)對(dui)處理的(de)工件(jian)采取分步加熱法。先將(jiang)盛(sheng)工件(jian)的(de)托盤在燒氫(qing)爐的(de)低溫(wen)區(300℃左右(you))維持一(yi)(yi)定時間(jian),這(zhe)時零件(jian)吸(xi)附的(de)水(shui)汽等很容易(yi)被(bei)H2“洗凈”,而且又不會氧化。Ni、Cu、可伐等材料用此法燒氫(qing)后的(de)放氣量要比通常的(de)一(yi)(yi)步加熱法(從冷區直接推入熱區)幾乎(hu)減少4/5。

  工(gong)件(jian)燒氫(qing)后(hou)(hou)的(de)(de)(de)冷(leng)(leng)卻(que)速度(du)關系到燒氫(qing)處理后(hou)(hou)工(gong)件(jian)的(de)(de)(de)含(han)氫(qing)量。氫(qing)溶解(jie)度(du)隨溫(wen)度(du)升高而增大(da)的(de)(de)(de)金屬,如(ru) Ni、Fe、Cu等(在(zai) 800℃、1個大(da)氣壓的(de)(de)(de)H2中,100克Ni可溶解(jie)7.75cm3的(de)(de)(de)H2),燒氫(qing)后(hou)(hou)若(ruo)冷(leng)(leng)卻(que)過快,將有大(da)量的(de)(de)(de)H2被(bei)“凍結”在(zai)工(gong)件(jian)體內。例(li)如(ru),1100℃時H2在(zai)Fe中的(de)(de)(de)溶解(jie)度(du)是20℃時的(de)(de)(de)一萬(wan)倍,若(ruo)冷(leng)(leng)卻(que)過快,H2來不及放(fang)出,Fe中H2的(de)(de)(de)濃(nong)度(du)將遠大(da)于正常平(ping)衡(heng)濃(nong)度(du)。

  金屬(shu)材料燒氫時,應注意以(yi)下(xia)問題:

  (1)Ta、Ti、Zr、V等金(jin)屬高溫時能與H2形成脆性化(hua)合(he)物(wu),故不能燒(shao)氫(qing)。含Mg、Al、Cr、Ti等活性雜質的金(jin)屬,只(zhi)能燒(shao)干氫(qing)(露點小(xiao)于-60℃,氧(yang)含量(liang)(體積)小(xiao)于0.005%),否(fou)則表面會生成這些雜質的穩定氧(yang)化(hua)物(wu),以(yi)后在真空中受電(dian)子(zi)轟擊時會分解并(bing)放出H2。

  (2)溶于金屬中的(de)H2并(bing)不能(neng)(neng)置換出金屬內(nei)部的(de)任何(he)氣(qi)體(ti)。卻可(ke)能(neng)(neng)使(shi)金屬產(chan)生(sheng)很大的(de)內(nei)應力(li)。這(zhe)是因為溶解(jie)氫在金屬體(ti)內(nei)的(de)分布不均勻(yun),主要集中于由晶格(ge)的(de)各種(zhong)缺陷引(yin)(yin)起(qi)(qi)的(de)內(nei)應力(li)較大的(de)區(qu)域,從(cong)而導致(zhi)應力(li)進一(yi)步增大。H2又能(neng)(neng)與(yu)金屬中的(de)氧化(hua)物、碳和碳化(hua)物作(zuo)用,生(sheng)成體(ti)積(ji)大的(de)水(shui)和甲(jia)烷分子,使(shi)晶格(ge)發生(sheng)畸變。當這(zhe)種(zhong)內(nei)應力(li)超過晶格(ge)強度時(shi),可(ke)能(neng)(neng)產(chan)生(sheng)變形(xing)或微小裂痕,裂痕匯(hui)集成連續裂紋后會引(yin)(yin)起(qi)(qi)慢漏。這(zhe)種(zhong)應力(li)對管殼及焊接部位產(chan)生(sheng)的(de)危(wei)害最大。

  (3)氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)還原作用。H2特別(bie)是原子氫(qing)(qing)(qing)的(de)(de)(de)還原作用很強,在(zai)較低溫度下(xia)便能還原許多金(jin)(jin)屬氧(yang)化物。因此,當不同金(jin)(jin)屬同時(shi)在(zai)H2中(zhong)加熱時(shi),H2就(jiu)會從與它(ta)親和力(li)小(xiao)的(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬跑向(xiang)與它(ta)親合力(li)大的(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬,例如Cu和Mo在(zai)一起燒(shao)氫(qing)(qing)(qing)時(shi),Cu的(de)(de)(de)氧(yang)化物容易還原,導(dao)致燒(shao)氫(qing)(qing)(qing)爐(lu)內水汽增加使Mo氧(yang)化。而(er)氧(yang)的(de)(de)(de)遷(qian)移速率(lv)在(zai)H2中(zhong)最(zui)高,在(zai)惰性氣(qi)體(ti)中(zhong)最(zui)低。氫(qing)(qing)(qing)也能使碳(tan)(tan)從碳(tan)(tan)濃(nong)度高的(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬(碳(tan)(tan)鋼、碳(tan)(tan)化的(de)(de)(de)零件等(deng))遷(qian)往碳(tan)(tan)濃(nong)度低的(de)(de)(de)金(jin)(jin)屬(Mo、W等(deng)),造成零件發脆(cui)或表面性質改變(bian)。

  (4)陰(yin)極(ji)(ji)(ji)部件燒氫(qing)有助于減輕活(huo)性氣體(ti)對陰(yin)極(ji)(ji)(ji)的危(wei)害(hai)甚至起(qi)激活(huo)作用(yong)。但是這(zhe)只對普通(tong)氧化物(wu)陰(yin)極(ji)(ji)(ji)及(ji)LaB6陰(yin)極(ji)(ji)(ji)有效,對其它陰(yin)極(ji)(ji)(ji)并無明顯作用(yong)甚至有害(hai)(例如Th-W陰(yin)極(ji)(ji)(ji)等)。

  一般情況下,工件燒氫(qing)的(de)(de)溫度(du)采用材料的(de)(de)退(tui)火溫度(du),這(zhe)樣可以在(zai)保證工件具有(you)良(liang)好真空(kong)表(biao)面性能的(de)(de)同時,消(xiao)除掉(diao)加(jia)工過程中(zhong)造成的(de)(de)內應力。

  常用(yong)材料的(de)(de)燒氫和真空退(tui)火規(gui)范見表(biao)(biao)2。表(biao)(biao)中所列的(de)(de)干氫,是指露點低于(yu)-50℃,水汽分壓力小于(yu)10-1Pa的(de)(de)氫氣,適用(yong)于(yu)含碳量少,需要去除表(biao)(biao)面氧(yang)化物而不增加含氧(yang)量的(de)(de)材料。對(dui)于(yu)支架和彈簧等(deng)預應(ying)力零件,其烘(hong)烤(kao)溫度(du)(du)應(ying)低于(yu)退(tui)火溫度(du)(du)。鋁零件因熔點較(jiao)低,其烘(hong)烤(kao)溫度(du)(du)一般不超過(guo)500℃。對(dui)于(yu)厚壁或(huo)直徑大的(de)(de)工(gong)件,則(ze)應(ying)適當延長(chang)退(tui)火時間(jian)。

表2 常(chang)用材(cai)料的(de)燒氫及退火規(gui)范

表面燒氫凈化