真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

1、真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用摘要:真空冶金技術(shù)指的是在比大氣壓還小的氣壓之下展開(kāi)的冶金作業(yè)，該項(xiàng)技術(shù)是在真空技術(shù)的技術(shù)上得以廣泛應(yīng)用的。在目前，真空冶金技術(shù)包含著多種熔煉方法。為了對(duì)真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)歷史及應(yīng)用有進(jìn)一步了解，本文重點(diǎn)就真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)及其的應(yīng)用領(lǐng)域等問(wèn)題展開(kāi)分析探討，并指出該技術(shù)在今后的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:真空冶金技術(shù)種類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域人類(lèi)冶金早已有幾個(gè)世紀(jì)的歷史。目前，隨著冶金技術(shù)的高速發(fā)展，其經(jīng)歷了電冶金、火法冶金以及濕法冶金等冶金工藝技術(shù)的發(fā)展。在近50多年以來(lái)，隨著全球科技的進(jìn)步，部分精細(xì)化的冶金技術(shù)逐漸嶄露頭角，例如等離子冶金、真空冶金以及生物冶金等等。在20世紀(jì)80年代初，美

2、國(guó)的應(yīng)用真空技術(shù)對(duì)鋼水鑄件進(jìn)行處理成品舞氣孔舞裂紋，在很大程度上提高鋼水的質(zhì)量及成品率，而且還獲得專(zhuān)利，這也標(biāo)志著真空技術(shù)真正用到冶金工業(yè)上。時(shí)至今日，真空冶金技術(shù)已經(jīng)從應(yīng)用鋼鐵處理到有色金屬處理，從粗金屬到高純度金屬等。與此同時(shí)，真空冶金技術(shù)還發(fā)展到真空熔煉、真空燒結(jié)、真空鍍膜以及真空提取、真空熱處理等等。1真空冶金技術(shù)的特點(diǎn)真空冶金技術(shù)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：首先是對(duì)任何增容反應(yīng)均有有利的影響。由于在真空下的氣體壓力很低，對(duì)任何增容反應(yīng)均有有利影響。如:還原劑將氧化物M0還原成M0凝聚態(tài)+FHRO氣態(tài)f+M凝聚態(tài)，其中的金屬氧化物會(huì)被還原為固態(tài)金屬或者是液態(tài)金屬。（2）能將氣體G溶解成金屬,進(jìn)而

3、放出氣體G金屬-Gf。（3）M0凝聚態(tài)+LM氣態(tài)+R0氣態(tài)f有關(guān)金屬的氧化物被還原為氣態(tài)的金屬。等等。真空對(duì)此類(lèi)過(guò)程均是有利的，不單加快金屬反應(yīng)的速度，同時(shí)也降低反應(yīng)的溫度。其次是有少氣體參與反應(yīng)。真空中由于氣體比較稀薄，少有氣體參與反應(yīng)。在真空內(nèi)熔化金屬時(shí)，可以是氣體不會(huì)溶解；在真空內(nèi),金屬被加熱到高溫時(shí)不易被氧化。不管是固體金屬或者液體金屬，均不會(huì)被氧化。第三，沒(méi)有污染。如果在冶煉過(guò)程中，需要高溫，也就是大于真空室壁的材料實(shí)際的軟化溫度，那么加熱系統(tǒng)需用電在爐內(nèi)做好加熱，所以真空系統(tǒng)無(wú)燃料燃燒導(dǎo)致的污染問(wèn)題。例如收塵以及對(duì)環(huán)境的污染等。第四，氣體的分子小。氧化物或者金屬在真空中容易形成氣體

4、后，往往氣體分子小且分散。在真空之中，多原子類(lèi)分子容易分解為少原子的分子，所以所生成的氣體分子十分小，粒徑為10m10m。2真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程探討真空冶金技術(shù)是在低于O.IMPa的真空,或者是超過(guò)真空（10-5Pa1.3Pa）之下展開(kāi)的金屬冶煉、提取以及精煉、加工等處理的一種冶金方法，其包括了條件下進(jìn)行屬的冶煉、提純、精煉和加工處理等的冶金方法，包括真空熔煉、真空燒結(jié)、真空鍍膜以及真空提取、真空熱處理等等。真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)，主要是建立于真空技術(shù)的基礎(chǔ)之上，真空冶金技術(shù)的開(kāi)發(fā)來(lái)源于公元前的386年至324年。在1654年，德國(guó)的馬德堡市，著名工程師O.V.Guerikel制成了第一臺(tái)真空泵

5、，且用其做成了聞名于世的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”從此開(kāi)啟了真空冶金技術(shù)的應(yīng)用時(shí)代。在1643年,E.Torricelli采用封閉的一端玻璃管，測(cè)出了大氣壓760mm的汞柱高。在1865年,Besseme通過(guò)設(shè)想，把已煉好的鋼放于真空中進(jìn)行澆注，以消除裂紋以及氣泡，可是由于技術(shù)及設(shè)備仍存在一定缺陷，導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足要求。在1874年,H.Mcleode制造出壓縮真空計(jì)。在20世紀(jì)初，真空技術(shù)仍在萌芽的階段。隨著科技技術(shù)的高速發(fā)展，真空技術(shù)也得到不斷的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，特別是在部分工業(yè)生產(chǎn)中，真空技術(shù)已不斷得到進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，逐漸擴(kuò)張到冶金中，并且產(chǎn)生了真空冶金技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)得到開(kāi)發(fā)是在真空的條件之下應(yīng)用的，利于金

6、屬氣化等，且氧氣量少，在高溫之下金屬很少發(fā)生氧化；大氣和真空環(huán)境隔開(kāi),能夠有效控制相互物質(zhì)之間的交流，對(duì)環(huán)境的污染比較少。此類(lèi)特點(diǎn)能夠彌補(bǔ)常壓冶金存在的各種不足之處，提高了真空冶金技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，而且得到快速發(fā)展。在1945年后，因宇航、自動(dòng)化以及原子等各種尖端科技的快速發(fā)展，對(duì)新工藝及新材料提出了更高的要求，使得真空焊接、真空冶煉、真空熱處理以及真空脫氣等技術(shù)也得到快速發(fā)展。于此同時(shí)出現(xiàn)了多種真空冶金方法以及設(shè)備，使得真空冶金發(fā)展成制備金屬材料的主要手段。在1960年之后，真空冶金技術(shù)得到飛速發(fā)展,各種真空冶金設(shè)備不斷革新，并拓寬了其的應(yīng)用領(lǐng)域。3真空冶金技術(shù)的應(yīng)用3.1真空熔煉法通常真空熔煉

7、是基于真空下的進(jìn)行高溫熔煉之后的提純金屬。真空熔煉的方法具體有：(1)真空感應(yīng)熔煉，也就是應(yīng)用在真空中的中、高頻感應(yīng)爐來(lái)熔煉金屬。多是用于熔煉高強(qiáng)度鋼、超級(jí)高強(qiáng)度鋼以及高溫合金。真空電弧熔煉，也就是在真空下經(jīng)強(qiáng)電流和低電壓來(lái)對(duì)熔化金屬加熱。電極一般是自損耗的，主要是用于鉬、鎢、鈦以及鉭等的熔煉。(3)電渣熔煉，也就是用于金屬的重熔提純以及熔鑄異形的鑄件。(4)電子束熔煉，也稱(chēng)為電子轟擊熔煉，也就是在高真空之下運(yùn)用一個(gè)或者以上陰極電子槍通過(guò)發(fā)射高能的電子束，將熔物料轟擊，以使電子動(dòng)能快速轉(zhuǎn)為熱能，進(jìn)而熔化爐料，且滴入冷水銅中，從而凝固成錠。電子書(shū)熔煉技術(shù)通常適用于熔煉的難度高而且要求要有超高純度

8、合金或者金屬來(lái)完成，其是一種發(fā)展前景大的熔煉方法。3.2真空蒸餾及真空精煉真空蒸餾及真空精煉，主要以真空蒸發(fā)技術(shù)將雜質(zhì)去除，從中提純材料。具體方法有兩種：(1)真空下蒸餾分離，在真空之下,以金屬間的蒸汽壓差別為依據(jù)，經(jīng)揮發(fā)以及冷凝來(lái)分離或者提純金屬。在工業(yè)上，一半是運(yùn)用電阻爐或者是感應(yīng)爐展開(kāi)蒸餾。(2)化學(xué)遷移的反應(yīng)法，通過(guò)利用氣體和金屬間的物質(zhì)反應(yīng)來(lái)形成化合物，進(jìn)而遷移到其它部位。在發(fā)生逆反應(yīng)，從而生成純金屬和氣體產(chǎn)物。3.3真空熱處理技術(shù)真空熱處理技術(shù)主要是在真空條件下，對(duì)金屬進(jìn)行加熱處理的一種方法，可以使金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而改善其的物理性能以及化學(xué)性能。通常真空熱處理有真空淬火、

9、真空化學(xué)處理以及真空退火幾類(lèi)。其中真空淬火是基于真空之下進(jìn)行加熱，進(jìn)而在多種冷卻介質(zhì)之中進(jìn)行冷卻。二真空退火多用于難熔的金屬及合金等。真空化學(xué)熱處理通常是用于真空滲碳、真空滲鉻、真空離子滲碳等。3.4真空鍍膜技術(shù)真空鍍膜是基于真空之下，通過(guò)以金屬蒸氣或者是濺射，讓金屬離子或者金屬原子凝結(jié)到其他的材料上，形成所需的覆蓋層以及金屬膜。通常冶金工業(yè)是用于真空鍍鋁或或者是真空鍍錫、真空鍍鎘、不銹鋼等?？偟膩?lái)說(shuō)，真空冶金技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣，最主要的是在工業(yè)領(lǐng)域,主要是因大多數(shù)的工業(yè)以及高新技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)各種材料及工藝提出很高的要求。而要生產(chǎn)高質(zhì)量的材料及工藝，必須是要借助真空的。把真空技術(shù)運(yùn)用到冶

10、金工藝上，可以拓寬真空冶金技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。在1950年后，真空技術(shù)有了質(zhì)的發(fā)展，在I960年以后,真空冶金技術(shù)更是有了跨時(shí)代的發(fā)展，除了上述提及的幾種真空冶金技術(shù)，還有其它的冶金技術(shù)工藝，例如真空脫氣、真空燒結(jié)以及真空還原等等。如下是真空冶金技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域詳表（如表1）。4真空冶金的發(fā)展趨向4.1真空冶金與特種熔煉技術(shù)的發(fā)展趨向?qū)τ趥鹘y(tǒng)冶金，若其的某些過(guò)程適合采用真空冶金技術(shù)，可利用真空冶金技術(shù)進(jìn)行代替。其次，研制新型的真空冶金設(shè)備裝置。第三，對(duì)于部分物料，研究新型的真空冶金設(shè)備、方法以及流程等。第四，在新型的材料中，利用真空冶金加以研制。第五，在存有熔渣的條件下，積極開(kāi)發(fā)真空熔煉技術(shù)。第

11、六，不斷拓寬新型特種熔煉技術(shù)的發(fā)展領(lǐng)域，或者不斷擴(kuò)大相同特種熔煉技術(shù)的使用范圍。第七，利用數(shù)值模擬以及計(jì)算機(jī)，以加強(qiáng)控制特種冶煉的過(guò)程及質(zhì)量。第八，生產(chǎn)純高溫的特種鋼或者合金。4.2各種新型的真空冶金技術(shù)冷坩堝的熔煉方法。冷坩堝的熔煉，亦稱(chēng)感應(yīng)殼的熔煉，是由感應(yīng)渣的熔煉與懸浮的熔煉演變而成。研究這一方法的目的，是為了在無(wú)污染的條件下進(jìn)行活潑金屬與難熔金屬的熔煉。具有冷坩堝真空感應(yīng)的熔煉爐，主要由真空的熔煉爐、電磁感應(yīng)、加熱電源以及電控系統(tǒng)等組成。不論是高頻電源，還是中頻電源，均可根據(jù)爐料的重量，合理確定其的頻率。爐料的重量與其的頻率存在直接關(guān)系，爐料的重量越少,頻率就越高。而熔煉爐的坩堝，通常

12、采用紫銅等金屬材料制造而成。對(duì)于規(guī)模較大的熔煉爐，其的殼體通常采用金屬材料加以研制，而小型的熔煉爐，則使用非金屬的殼體。熔煉爐的金屬殼體具有底注式與翻轉(zhuǎn)澆注式等兩種結(jié)構(gòu)。由于冷坩堝的熔煉特點(diǎn)具有一定的特殊性，能有效防止耐火材料的損壞及污染。在大功率熔煉的攪拌下，能有效促進(jìn)成分的均勻，尤其是促進(jìn)密度差大成分的均勻。利用這種技術(shù)進(jìn)行重熔，不僅能有效控制整個(gè)熔體的溫度，而且不會(huì)出現(xiàn)局部的過(guò)熱現(xiàn)象。在當(dāng)代生產(chǎn)工藝中，唯有在水冷結(jié)晶的容器中進(jìn)行重熔，才能具有高純度及良好凝固組織的雙重功效。目前，這種技術(shù)多用于金屬與鈦和金化合物的熔煉。真空電弧的雙電極重熔，作為一種軸細(xì)晶錠的方法，產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代的

13、后期，是相對(duì)于真空熔煉工藝的一種新方法。另外,可用其進(jìn)行替換VAR或者加工難度大的高溫合金等冶金工藝，但這種方法存在嚴(yán)重的微觀及宏觀偏析等缺點(diǎn)，對(duì)此，在真空電弧的雙電極重熔過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)研究元素與凝固特點(diǎn)的偏析行為。在當(dāng)代電子束的連續(xù)熔煉中，將熔化及精煉和后尾的凝固分離不僅有效避免熔融金屬中不溶組分流的入鑄，而且有充足的時(shí)間進(jìn)行揮發(fā)反應(yīng)，并將剩余的殘存物及雜質(zhì)元素完全蒸發(fā)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，合金中氮與氧的含量明顯減少。非金屬的夾雜物，能在水冷分液器的作用下去除,或者在電子束的激烈熱量下進(jìn)行分解，因此,相對(duì)于其它方法熔煉而成的合金而言，其材料的純凈度較好。電子束的渣膜熔煉，是在冷床金屬液面上產(chǎn)生相

14、應(yīng)比例的渣膜。其中，渣膜部分，有助于降低其的揮發(fā)損失，能徹底清除雜質(zhì)。而非渣膜的部分，則有助于金屬液的脫氣。噴霧成型法具有晶粒細(xì)、偏析少的特點(diǎn)，不僅能直接合成不同種形狀的材料，而且能制備一定的復(fù)合材料。高壓條件下的電渣重熔方法主要有：鋼包電渣的精煉、電渣熱的封頂、電渣的澆注、電渣的堆焊、連續(xù)電渣的渣洗、電渣表面的鍍膜以及電渣熔鑄的新突破等。總而言之，在上述新熔煉的工藝中，電子束冷室的精煉方法，是最有發(fā)展?jié)摿Φ木珶捁に?，而電子束的重熔是相?duì)于真空自耗重熔的較好重熔工藝。5結(jié)語(yǔ)近年來(lái)，隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，不僅要求材料具有更高的性能而且也要求更高的冶煉水平，對(duì)此，各種新型的真空冶金方法不斷涌現(xiàn)。從液態(tài)金屬的純度提高以及鑄錠結(jié)晶的改善等兩方面著手，合理選擇真空冶金的工藝設(shè)備，依據(jù)所生產(chǎn)合金的化學(xué)成分、產(chǎn)品種類(lèi)及用途等，選取最優(yōu)的冶煉工藝方案。要想獲取高純度的金屬材料，必須在使用以往真空冶金方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用以上提到的輔助工藝對(duì)策。唯有如此,才能加以運(yùn)用真空冶金技術(shù)，以提供令人滿(mǎn)意的服務(wù)。參考文獻(xiàn)1李秋霞，夏利梅，李琮，等真空法由磷礦