金属加工中的真空环境与提纯作用

1.真空的保护作用

真空环境中加工金属可以更好地使金属与大气隔绝，完全排除了气体对金属的有害作用。不同真空度环境中的残余气体含量见表6-15，与表6-16中高纯度惰性气体中的杂质含量相比，纯氩的纯度相当于1Pa真空度，极纯氩相当于1×10-1Pa真空度，1×10-2Pa的真空度比最纯惰性气体的杂质含量低得多，因此，真空的保护作用明显优于惰性气体。

表6-15　不同压力下的气体含量

表6-16　瓶装惰性气体的杂质含量

2.真空的除气与脱氧

真空环境中加热不仅可以避免液态金属吸收各种气体杂质，还有非常好的净化作用。主要表现如下：

（1）根据双原子气体溶解的平方根定律，气体在液体金属中的溶解量与其分压的平方根成正比。在真空环境中各种气体的分压都近似于零，金属不仅不会吸气，而且还能使其中原有的溶解气体往外析出。因此，在冶炼中经常采用真空除气的办法来对金属进行提纯，降低其中气体杂质的含量。例如，真空感应炉炼钢时，当真空度达到0.133Pa时，钢液中氢的含量可降低到1×10-6（质量分数）以下。(www.xing528.com)

（2）根据氧化物分解压可以说明真空环境对金属氧化物的还原作用，因为只要气氛中的氧分压p'O2低于金属氧化物的分解压pO2（即p'O2<pO2），氧化物就会自动分解，并使金属还原。由于氧化物的分解是吸热反应，因此氧化物的分解压随温度的升高而增加（见表6-15）。因此，在真空中加热时，随着温度的升高金属氧化物的分解压在提高。同时，随着真空度的提高气氛中的氧分压急剧下降，当氧化物的分解压高于真空中的氧分压时，氧化物就开始分解还原。这就是真空的一种提纯作用。例如，根据实际生产中的一些资料，在1 150℃加热时，FeO分解所要求的真空度为10-1Pa，而Cr2O3和TiO2分解所需的真空度为10-2Pa。

（3）根据氧化物的蒸汽压，有些金属氧化物在高真空条件下加热时会引起蒸发而使金属净化。例如，在10-4Pa的真空条件下加热时，MoO3在600℃，W2O在800℃，NiO在1 070℃，V2O5和MoO2在1 000～1 200℃蒸发。

3.真空环境加工金属的局限性

真空中加工金属是一种很理想的环境，不仅能起到很好的保护作用，而且还有很好的净化作用。但还是存在如下局限性。

（1）真空获得比较困难，且真空室大小与形状受到限制，导致加工用的设备和加工所需的费用都非常昂贵。目前主要用于一些活泼金属的加工及一些纯度要求非常高的材料的加工（如真空熔炼、真空浇铸、真空钎焊与扩散焊等），且产品的尺寸因真空室的尺寸局限性也受限制。

（2）不适合加工蒸汽压较高的金属。在真空中能发生大量蒸发的金属及其合金不适合在真空环境中进行热加工，因为真空加热将引起这类金属成分和性能的变化。一些元素在真空中发生显著蒸发的温度和真空度列于表6-17中。因此，在真空中尤其是高真空中加工的金属，必须避免含有大量高蒸汽压的元素，如Cd，Zn，Mg，Li，Mn等。在真空感应炉中炼钢时，Mn由于蒸发引起的损耗是非常显著的。另外，像一些含Zn量高的黄铜及含Mg量高的铝合金都无法采用真空电子束焊接。

表6-17　一些元素在真空中发生显著蒸发的温度和真空度