自1960年后，真空冶金技術(shù)的成長(zhǎng)、發(fā)展均較為迅速。因真空冶金技術(shù)的不斷進(jìn)步，相應(yīng)的冶金設(shè)備質(zhì)量也隨之持續(xù)提升，發(fā)展趨勢(shì)越發(fā)多樣化、自動(dòng)化及大型化。此外，高真空技術(shù)、超高真空技術(shù)也在金屬冶金領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。目前，真空冶金涂層技術(shù)也隨之發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)除可改變材料表面性能外，也逐漸成為新型材料的制作途徑。



1 真空冶金技術(shù)特點(diǎn)

首先，金屬反應(yīng)受氣體影響較小。因真空環(huán)境下氣體稀薄，所以真空環(huán)境下的冶金操作受氣體影響較小。金屬于真空環(huán)境下熔化時(shí)，并不會(huì)溶解氣體。當(dāng)金屬材料于真空環(huán)境下加熱至一定溫度時(shí)，無(wú)論是液態(tài)金屬、固體金屬均極少產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，真空環(huán)境下的氣體充分遵守理想氣體方程。其次，真空系統(tǒng)可有效把控系統(tǒng)內(nèi)、外物質(zhì)流動(dòng)。真空系統(tǒng)密度程度較高，同大氣具有明顯分隔。真空系統(tǒng)中，通過泵、管道將真空體系中的剩余氣體送至大氣中，大氣卻無(wú)法通過泵、管道進(jìn)入真空體系，所以，真空環(huán)境下，可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)、外部物質(zhì)的流動(dòng)進(jìn)行完全控制。再次，生產(chǎn)過程污染度較低。金融材料操作環(huán)境需達(dá)到較高溫度，此溫度同真空室壁材料所需的軟化溫度相比較高，因此，金屬材料加熱系統(tǒng)需在爐內(nèi)進(jìn)行加熱操作。所以，真空體系中并不存在因燃燒燃料所造成的環(huán)境污染問題。此外，氧化物、金屬材料于真空體系中形成氣體后，氣體中分子高度分散或分子通常較小。真空環(huán)境中，多原子分子通常傾向于原子數(shù)量較少或原子較為分散的分子。一般情況下，氣體分子粒徑為10-10米。



2 真空冶金技術(shù)的開發(fā)技術(shù)

2.1 真空還原

于真空環(huán)境下，借助鋁、硅及碳等還原劑，將金屬氧化物、金屬化合物進(jìn)行還原，制取金屬。真空環(huán)境下，還可對(duì)金屬還原溫度予以大幅度降低，以此完成部分于常壓環(huán)境下難以完成的金屬冶金作業(yè)。如以五氧化二鈮的碳還原為例，常壓環(huán)境下，碳無(wú)法完全還原鈮，通常會(huì)反應(yīng)生成多種碳化鈮，還原高溫度為2834卡。而當(dāng)真空環(huán)境為10-2帕?xí)r，還原溫度為1956卡，真空環(huán)境為10-4



帕?xí)r還原溫度降至1694卡。其他金屬元素如鈦、釩、鋯、鉭、鉬及鎢的還原情況也同上述情況類似。真空環(huán)境下，還可借助碳、碳化物對(duì)堿金屬、堿土金屬進(jìn)行還原。



2.2 真空蒸餾

真空蒸餾、精煉是借助真空蒸發(fā)工藝將有色金屬中的雜質(zhì)清理，提取金屬中純材料的一項(xiàng)技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)主要分為化學(xué)遷移反應(yīng)法、真空蒸餾分離法兩種工藝方式。化學(xué)遷移反應(yīng)法即借助氣體物質(zhì)、金屬兩者反應(yīng)所生成的化合物，將生成化合物轉(zhuǎn)移至另一位置后，使化合物產(chǎn)生逆反應(yīng)，反應(yīng)生成純金屬、氣體產(chǎn)物。真空蒸餾分離法為于真空環(huán)境下，依據(jù)不同金屬間各蒸汽壓的差別，借助揮發(fā)過程、冷凝過程對(duì)金屬進(jìn)行分離、提純操作。工業(yè)領(lǐng)域中，多使用感應(yīng)爐、電阻爐對(duì)有色金屬執(zhí)行蒸餾操作。



2.3 真空脫氣

真空脫氣即于真空環(huán)境下將有害氣體如（氮、氧、氫等）從合金中、液態(tài)金屬中脫去的工藝方式。此類有色金屬通過脫氣處理后，于金屬熔鑄時(shí)不會(huì)因金屬自身所存氣體而對(duì)金屬結(jié)構(gòu)造成影響。與此同時(shí)，因經(jīng)脫氣處理后的有色金屬中晶粒邊界所含雜質(zhì)大幅度減少，有效提升金屬?gòu)?qiáng)度，增強(qiáng)有色金屬的物理性能。所以，真空脫氣處理工藝為提升金屬質(zhì)量，改善金屬物理性能、機(jī)械性能的重要方式。真空脫氣處理工藝也成為有色金屬真空冶金中應(yīng)用范圍廣，使用規(guī)模較大的金屬工藝處理方式。



2.4 真空燒結(jié)

真空燒結(jié)為真空環(huán)境下，即真空度處于10~10-3帕間，可將合金、金屬化合物、金屬粉末于適當(dāng)?shù)牡蜏丨h(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)操作，由此形成金屬坯、金屬制品。于真空環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，既不受金屬與氣體間二者反應(yīng)的影響，也不存在吸附氣體對(duì)此操作的影響。此操作環(huán)境所形成的金屬坯、金屬制品不僅具有良好的密化效果，同時(shí)也可起到還原、凈化作用。此外，也可將燒結(jié)溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档?，如可將燒結(jié)溫度降低100℃-150℃左右，降低后的燒結(jié)環(huán)境同常溫?zé)Y(jié)環(huán)境相比，更加節(jié)能環(huán)保，同時(shí)也可有效延長(zhǎng)真空燒結(jié)設(shè)備使用年限，也可對(duì)所得金屬產(chǎn)品質(zhì)量具有一定提升。





3 真空冶金的應(yīng)用

真空冶金的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檎婵杖蹮挕㈣T造領(lǐng)域中的冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐應(yīng)用；真空熱處理領(lǐng)域中的新型電子束熔煉；真空鑄造領(lǐng)域中的倒包大氣注錠應(yīng)用；真空熱處理領(lǐng)域中的電阻加熱；表面處理領(lǐng)域中的活性氣體腐蝕、超高真空加熱等，下文主要針對(duì)冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐、新型電子束熔煉進(jìn)行詳細(xì)分析，如下。



3.1 冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐

冷坩堝真空感應(yīng)熔煉爐主要是由真空熔煉爐、電磁感應(yīng)加熱電源、電控系統(tǒng)及真空一隋性氣體系統(tǒng)四部分構(gòu)成。其中，電源可為中頻或高頻，電源頻率依爐料重量大小而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，爐料越多則電源頻率越低。此類熔煉爐一般使用導(dǎo)熱性能較高的金屬材料（如紫銅）制成，坩堝壁沿坩堝軸瓣間多數(shù)使用耐絕緣材料進(jìn)行填充，也可選擇不填充，填充與否依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改動(dòng)。部分規(guī)模龐大的熔煉爐一般使用金屬材料進(jìn)行殼體制作；小型熔煉爐則大多使用非金屬材料（如石英）進(jìn)行殼體制作。底注式、翻轉(zhuǎn)澆注式為金屬殼體熔煉爐的兩種主要結(jié)構(gòu)。冷坩堝熔煉具有污染較小，所制作產(chǎn)品成分均勻等特點(diǎn)。除此之外，冷坩堝溶體溫度均勻且易于控制，不會(huì)產(chǎn)生溶體局部過熱現(xiàn)象。現(xiàn)階段此技術(shù)被廣泛應(yīng)用于金屬間化合物熔煉中。



3.2 新型電子束熔煉

電子束非間斷性熔煉中允許將精煉、熔化、凝固分離。此種熔煉方式除可有效防止所熔鑄金屬中大部分非熔成分進(jìn)行熔鑄過程外，也可為熔化反應(yīng)提供充足的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也可對(duì)金屬中的雜質(zhì)元素、殘存物進(jìn)行完全清理。但此熔煉過程中所存在問題為必須于爐料中補(bǔ)足Cr。據(jù)相關(guān)報(bào)道顯示，此種熔煉方式中氧含量、氮含量明顯降低，非金屬類雜物也可借助水冷分液器被予以機(jī)械清理，或可通過電子束所具有的強(qiáng)烈熱量將非金屬類雜物進(jìn)行分解，提升所制作材料的純凈度，同其他熔煉方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。電子束渣膜熔煉為金屬液面于冷床中形成的渣膜，且此渣膜具有相應(yīng)比例，同時(shí)渣膜未覆蓋區(qū)域可有助于金屬液進(jìn)行脫氣，而渣膜覆蓋區(qū)域可有效降低因揮發(fā)所造成的損失，完成雜質(zhì)清理操作。



4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)階段有色金屬冶金技術(shù)的不斷提升，對(duì)相關(guān)冶金設(shè)備也具有較高標(biāo)準(zhǔn)，多種新型冶金技術(shù)也隨之產(chǎn)生。于真空環(huán)境下進(jìn)行冶金操作，既可有效清理金屬材料中的雜質(zhì)，提升所制備材料的純凈度，又可提升所制備材料的物理性能、使用性能。真空還原技術(shù)、真空蒸餾技術(shù)、真空脫氣技術(shù)及真空燒結(jié)技術(shù)均為目前我國(guó)冶金技術(shù)中所開發(fā)的新型技術(shù)，上述技術(shù)于提升材料制作質(zhì)量的同時(shí)，也可節(jié)約能耗，同我國(guó)所制定的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相符合。與此同時(shí)，我國(guó)冶金技術(shù)的發(fā)展也可在一定程度上推動(dòng)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)步。
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