真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法:表面燒氫凈化

真空基礎 admin 未知

  采用燒氫處理工藝可以還原去除大多數的金屬氧化物(Mg、Al、Si等的氧化物除外)。一般,燒濕氫(露點>-10℃)有助于金屬脫碳和去除表面有機物。在濕氫的氧化氣氛中,碳雜質以CO、CO2的形式被除掉。

  下圖6給出了相同尺寸的可伐合金、Ni與不銹鋼試樣的CO出氣率與燒濕氫時間的關系。燒濕氫半小時后,可伐的CO出氣率降低45%以上,Ni降低約32%。只有不銹鋼例外,盡管它含碳量較高,但燒濕氫并不能減小不銹鋼的CO出氣率,這說明不銹鋼的出氣機制與其他材料不同。

表面燒氫凈化

圖6 可伐、Ni與不銹鋼在真空中800℃時CO出氣率與燒濕氫時間的關系

  燒濕氫會大大增加被處理材料的含氣量,尤其是氧。因此,含碳量少的材料應當燒干氫(露點低于-50℃)。燒干氫有利于氧化物的還原,露點越低、含氧量越少,效果越好。例如,蒙乃爾合金燒干氫(露點-65℃)后,在真空中的出氣量顯著降低,若在露點-35℃氫中處理,在真空中將放出大量CO與CO2。這是因為金屬表面被水汽氧化所致。在很多情況下,燒干氫的效果與真空除氣相當,但燒氫的成本低并且生產效率要高得多。關鍵在于要保證燒氫爐內氫氣的純凈。

  在燒氫工藝操作中,應采取以下措施來防止外界氣氛及燒氫爐內脫附水氣對爐內氣氛的污染:

  (1)盡量減少盛放工件的托盤的面積(例如做成網籃狀),工件最好采用分開懸掛方式,這樣便于氫氣流沖洗,工件周圍的水汽濃度也不會突然增大。

  (2)對處理的工件采取分步加熱法。先將盛工件的托盤在燒氫爐的低溫區(300℃左右)維持一定時間,這時零件吸附的水汽等很容易被H2“洗凈”,而且又不會氧化。Ni、Cu、可伐等材料用此法燒氫后的放氣量要比通常的一步加熱法(從冷區直接推入熱區)幾乎減少4/5。

  工件燒氫后的冷卻速度關系到燒氫處理后工件的含氫量。氫溶解度隨溫度升高而增大的金屬,如 Ni、Fe、Cu等(在 800℃、1個大氣壓的H2中,100克Ni可溶解7.75cm3的H2),燒氫后若冷卻過快,將有大量的H2被“凍結”在工件體內。例如,1100℃時H2在Fe中的溶解度是20℃時的一萬倍,若冷卻過快,H2來不及放出,Fe中H2的濃度將遠大于正常平衡濃度。

  金屬材料燒氫時,應注意以下問題:

  (1)Ta、Ti、Zr、V等金屬高溫時能與H2形成脆性化合物,故不能燒氫。含Mg、Al、Cr、Ti等活性雜質的金屬,只能燒干氫(露點小于-60℃,氧含量(體積)小于0.005%),否則表面會生成這些雜質的穩定氧化物,以后在真空中受電子轟擊時會分解并放出H2。

  (2)溶于金屬中的H2并不能置換出金屬內部的任何氣體。卻可能使金屬產生很大的內應力。這是因為溶解氫在金屬體內的分布不均勻,主要集中于由晶格的各種缺陷引起的內應力較大的區域,從而導致應力進一步增大。H2又能與金屬中的氧化物、碳和碳化物作用,生成體積大的水和甲烷分子,使晶格發生畸變。當這種內應力超過晶格強度時,可能產生變形或微小裂痕,裂痕匯集成連續裂紋后會引起慢漏。這種應力對管殼及焊接部位產生的危害最大。

  (3)氫的還原作用。H2特別是原子氫的還原作用很強,在較低溫度下便能還原許多金屬氧化物。因此,當不同金屬同時在H2中加熱時,H2就會從與它親和力小的金屬跑向與它親合力大的金屬,例如Cu和Mo在一起燒氫時,Cu的氧化物容易還原,導致燒氫爐內水汽增加使Mo氧化。而氧的遷移速率在H2中最高,在惰性氣體中最低。氫也能使碳從碳濃度高的金屬(碳鋼、碳化的零件等)遷往碳濃度低的金屬(Mo、W等),造成零件發脆或表面性質改變。

  (4)陰極部件燒氫有助于減輕活性氣體對陰極的危害甚至起激活作用。但是這只對普通氧化物陰極及LaB6陰極有效,對其它陰極并無明顯作用甚至有害(例如Th-W陰極等)。

  一般情況下,工件燒氫的溫度采用材料的退火溫度,這樣可以在保證工件具有良好真空表面性能的同時,消除掉加工過程中造成的內應力。

  常用材料的燒氫和真空退火規范見表2。表中所列的干氫,是指露點低于-50℃,水汽分壓力小于10-1Pa的氫氣,適用于含碳量少,需要去除表面氧化物而不增加含氧量的材料。對于支架和彈簧等預應力零件,其烘烤溫度應低于退火溫度。鋁零件因熔點較低,其烘烤溫度一般不超過500℃。對于厚壁或直徑大的工件,則應適當延長退火時間。

表2 常用材料的燒氫及退火規范

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