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真空熔煉使在常壓下進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)條件有了改變,這主要體現(xiàn)在氣相壓力的降低上。只要冶金反應(yīng)中有氣相參加,而且反應(yīng)生成物中的氣體摩爾數(shù)大于反應(yīng)物中的氣體摩爾數(shù)的數(shù)值時(shí),若減小系統(tǒng)的壓力,則可以使平衡反應(yīng)向著增加氣態(tài)物質(zhì)的方向移動(dòng),這就是真空熔煉中物理化學(xué)反應(yīng)的最根本的特點(diǎn)。
一、真空熔煉中對(duì)活潑元素的控制
大氣熔煉和澆注的主要缺點(diǎn)之一是合金成分(主要是一些比較活潑的元素)由于燒損不易準(zhǔn)確控制,而真空熔煉不受周圍氣氛污染,金屬液與大氣中的氧和氮脫離接觸,所以真空熔煉能嚴(yán)格控制合金中活潑元素,如鋁、鈦等的含量,將合金成分控制在很窄的范圍內(nèi),因而能保證合金的性能、質(zhì)量及其穩(wěn)定性。
二、真空下的碳脫氧反應(yīng)
大氣熔煉碳氧反應(yīng)對(duì)金屬液起著除氣作用和機(jī)械攪拌作用,但由于碳的脫氧能力不強(qiáng),不能單獨(dú)用作脫氧劑,往往要用硅、鋁等金屬脫氧劑進(jìn)行沉淀脫氧。在真空熔煉中,由于氣相壓力低,且碳氧反應(yīng)生成的CO氣泡能夠不斷的被抽走,而使平衡向生成CO的方向移動(dòng),即[C]+[O]={CO}反應(yīng)不斷向右方進(jìn)行,從而提高了碳的脫氧能力。大量實(shí)踐數(shù)據(jù)表明:真空熔煉與大氣熔煉相比較,碳的脫氧能力約提高100倍。真空熔煉鎳基合金時(shí),將合金的氧含量降低到20×10以下是不難做到的。真空下用碳脫氧,不僅具有高的脫氧能力,而且其脫氧產(chǎn)物是氣體,易于排除,而不沾污金屬熔池,這比用硅、鋁等生成固態(tài)脫氧產(chǎn)物的脫氧劑要優(yōu)越得多,因此在真空熔煉中,碳是理想的脫氧劑。
三、真空下的脫氣
金屬中的氣體雜質(zhì)主要是指存在于其中的氫和氮。氣體對(duì)合金質(zhì)量有很大影響,不但降低合金的力學(xué)性能,而且是產(chǎn)生發(fā)紋、白點(diǎn)、脆化及皮下氣泡等缺陷的主要原因。氫和氮在金屬中的溶解度服從于平方根定律,即氫和氮在金屬中的溶解度與其在氣相中分壓力的平方根成正比。在一定溫度下,當(dāng)金屬液上方氣相分壓力降低時(shí),則金屬液中氣體的溶解度也隨之降低,這充分說(shuō)明真空熔煉對(duì)于去氣有著極大的優(yōu)越性。真空熔煉可以很容易地將鋼和合金中的氫脫到很低程度,而氮與氫有所不同,除可溶于金屬液外,且擴(kuò)散系數(shù)小,還可與鈦、釩、鋁、鋯等生成化合物,以穩(wěn)定的氮化物夾雜形式存在于鋼和合金中,因此去氮要比去氫困難得多。
四、真空熔煉過(guò)程中金屬雜質(zhì)及合金元素的揮發(fā)
同一溫度下,不同元素的蒸氣壓不同。在真空條件下,金屬液中某些蒸氣壓較高的元素,當(dāng)真空室內(nèi)壓力降低到低于其蒸氣壓力時(shí),這些元素就有可能從金屬液中揮發(fā)。真空熔煉的重要優(yōu)點(diǎn)之一是可揮發(fā)去除一些有害金屬雜質(zhì),如Pb、Cu、Sb等。這些元素能顯著降低合金質(zhì)量,而在一般大氣熔煉中又不能去除,采用真空熔煉是減少這些元素在合金中含量的惟一有效方法。但伴隨著有害雜質(zhì)的去除,合金中一些有益元素也要揮發(fā),造成合金元素的損失,并給準(zhǔn)確控制合金成分帶來(lái)困難。揮發(fā)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程,揮發(fā)的量和速度取決于很多因素,主要有合金成分(元素本質(zhì)及其在金屬液中的活度),熔煉溫度,熔煉保持時(shí)間,爐內(nèi)真空度,熔池?cái)嚢枨闆r及表面積大小等。應(yīng)當(dāng)了解真空熔煉條件下的元素?fù)]發(fā)規(guī)律,采取正確熔煉制度,以保證有害雜質(zhì)有效去除,而有益元素?fù)p失最少,將合金成分準(zhǔn)確的控制在要求范圍內(nèi)。