人类冶金早已有几个世纪的历史。目前, 随着冶金技术的高速发展, 其经历了电冶金、火法冶金以及湿法冶金等冶金工艺技术的发展。在近50多年以来, 随着全球科技的进步, 部分精细化的冶金技术逐渐崭露头角, 例如等离子冶金、真空冶金以及生物冶金等等。在20世纪80年代初, 美国的Roman.H.Gordm应用真空技术对钢水铸件进行处理, 成品舞气孔舞裂纹, 在很大程度上提高钢水的质量及成品率, 而且还获得专利, 这也标志着真空技术真正用到冶金工业上。时至今日, 真空冶金技术已经从应用钢铁处理到有色金属处理, 从粗金属到高纯度金属等。与此同时, 真空冶金技术还发展到真空熔炼、真空烧结、真空镀膜以及真空提取、真空热处理等等。
真空冶金技术具有如下几个特点:首先是对任何增容反应均有有利的影响。由于在真空下的气体压力很低, 对任何增容反应均有有利影响。如: (1) 还原剂将氧化物MO还原成MO凝聚态+R→RO气态↑+M凝聚态, 其中的金属氧化物会被还原为固态金属或者是液态金属。 (2) 能将气体G溶解成金属, 进而放出气体G金属→G↑。 (3) MO凝聚态+R→M气态+RO气态↑, 有关金属的氧化物被还原为气态的金属。等等。真空对此类过程均是有利的, 不单加快金属反应的速度, 同时也降低反应的温度。其次是有少气体参与反应。真空中由于气体比较稀薄, 少有气体参与反应。在真空内熔化金属时, 可以是气体不会溶解;在真空内, 金属被加热到高温时不易被氧化。不管是固体金属或者液体金属, 均不会被氧化。第三, 没有污染。如果在冶炼过程中, 需要高温, 也就是大于真空室壁的材料实际的软化温度, 那么加热系统需用电在炉内做好加热, 所以真空系统无燃料燃烧导致的污染问题。例如收尘以及对环境的污染等。第四, 气体的分子小。氧化物或者金属在真空中容易形成气体后, 往往气体分子小且分散。在真空之中, 多原子类分子容易分解为少原子的分子, 所以所生成的气体分子十分小, 粒径为10m~10m。
真空冶金技术是在低于0.1MPa的真空, 或者是超过真空 (10-5Pa~1.3Pa) 之下展开的金属冶炼、提取以及精炼、加工等处理的一种冶金方法, 其包括了条件下进行属的冶炼、提纯、精炼和加工处理等的冶金方法, 包括真空熔炼、真空烧结、真空镀膜以及真空提取、真空热处理等等。真空冶金技术的开发, 主要是建立于真空技术的基础之上, 真空冶金技术的开发来源于公元前的386年至324年。在1654年, 德国的马德堡市, 著名工程师O.V.Guerike1制成了第一台真空泵, 且用其做成了闻名于世的“马德堡半球实验”, 从此开启了真空冶金技术的应用时代。在1643年, E.Torricelli采用封闭的一端玻璃管, 测出了大气压760mm的汞柱高。在1865年, Bessemer通过设想, 把已炼好的钢放于真空中进行浇注, 以消除裂纹以及气泡, 可是由于技术及设备仍存在一定缺陷, 导致无法满足要求。在1 8 7 4年, H.Mcleode制造出压缩真空计。在20世纪初, 真空技术仍在萌芽的阶段。随着科技技术的高速发展, 真空技术也得到不断的开发应用, 特别是在部分工业生产中, 真空技术已不断得到进一步的开发应用, 逐渐扩张到冶金中, 并且产生了真空冶金技术, 这项技术得到开发是在真空的条件之下应用的, 利于金属气化等, 且氧气量少, 在高温之下金属很少发生氧化;大气和真空环境隔开, 能够有效控制相互物质之间的交流, 对环境的污染比较少。此类特点能够弥补常压冶金存在的各种不足之处, 提高了真空冶金技术的竞争力, 而且得到快速发展。在1945年后, 因宇航、自动化以及原子等各种尖端科技的快速发展, 对新工艺及新材料提出了更高的要求, 使得真空焊接、真空冶炼、真空热处理以及真空脱气等技术也得到快速发展。于此同时出现了多种真空冶金方法以及设备, 使得真空冶金发展成制备金属材料的主要手段。在1960年之后, 真空冶金技术得到飞速发展, 各种真空冶金设备不断革新, 并拓宽了其的应用领域。
通常真空熔炼是基于真空下的进行高温熔炼之后的提纯金属。真空熔炼的方法具体有: (1) 真空感应熔炼, 也就是应用在真空中的中、高频感应炉来熔炼金属。多是用于熔炼高强度钢、超级高强度钢以及高温合金。 (2) 真空电弧熔炼, 也就是在真空下经强电流和低电压来对熔化金属加热。电极一般是自损耗的, 主要是用于钼、钨、钛以及钽等的熔炼。 (3) 电渣熔炼, 也就是用于金属的重熔提纯以及熔铸异形的铸件。 (4) 电子束熔炼, 也称为电子轰击熔炼, 也就是在高真空之下运用一个或者以上阴极电子枪通过发射高能的电子束, 将熔物料轰击, 以使电子动能快速转为热能, 进而熔化炉料, 且滴入冷水铜中, 从而凝固成锭。电子书熔炼技术通常适用于熔炼的难度高而且要求要有超高纯度合金或者金属来完成, 其是一种发展前景大的熔炼方法。
真空蒸馏及真空精炼, 主要以真空蒸发技术将杂质去除, 从中提纯材料。具体方法有两种: (1) 真空下蒸馏分离, 在真空之下, 以金属间的蒸汽压差别为依据, 经挥发以及冷凝来分离或者提纯金属。在工业上, 一半是运用电阻炉或者是感应炉展开蒸馏。 (2) 化学迁移的反应法, 通过利用气体和金属间的物质反应来形成化合物, 进而迁移到其它部位。在发生逆反应, 从而生成纯金属和气体产物。
真空热处理技术主要是在真空条件下, 对金属进行加热处理的一种方法, 可以使金属的组织结构发生转变, 进而改善其的物理性能以及化学性能。通常真空热处理有真空淬火、真空化学处理以及真空退火几类。其中真空淬火是基于真空之下进行加热, 进而在多种冷却介质之中进行冷却。二真空退火多用于难熔的金属及合金等。真空化学热处理通常是用于真空渗碳、真空渗铬、真空离子渗碳等。
真空镀膜是基于真空之下, 通过以金属蒸气或者是溅射, 让金属离子或者金属原子凝结到其他的材料上, 形成所需的覆盖层以及金属膜。通常冶金工业是用于真空镀铝或或者是真空镀锡、真空镀镉、不锈钢等。
总的来说, 真空冶金技术的应用领域十分广, 最主要的是在工业领域, 主要是因大多数的工业以及高新技术的快速发展, 对各种材料及工艺提出很高的要求。而要生产高质量的材料及工艺, 必须是要借助真空的。把真空技术运用到冶金工艺上, 可以拓宽真空冶金技术的应用领域。在1950年后, 真空技术有了质的发展, 在1960年以后, 真空冶金技术更是有了跨时代的发展, 除了上述提及的几种真空冶金技术, 还有其它的冶金技术工艺, 例如真空脱气、真空烧结以及真空还原等等。如下是真空冶金技术的主要应用领域详表 (如表1) 。
对于传统冶金, 若其的某些过程适合采用真空冶金技术, 可利用真空冶金技术进行代替。其次, 研制新型的真空冶金设备装置。第三, 对于部分物料, 研究新型的真空冶金设备、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, 在存有熔渣的条件下, 积极开发真空熔炼技术。第六, 不断拓宽新型特种熔炼技术的发展领域, 或者不断扩大相同特种熔炼技术的使用范围。第七, 利用数值模拟以及计算机, 以加强控制特种冶炼的过程及质量。第八, 生产纯高温的特种钢或者合金。
(1) 冷坩埚的熔炼方法。冷坩埚的熔炼, 亦称感应壳的熔炼, 是由感应渣的熔炼与悬浮的熔炼演变而成。研究这一方法的目的, 是为了在无污染的条件下进行活泼金属与难熔金属的熔炼。具有冷坩埚真空感应的熔炼炉, 主要由真空的熔炼炉、电磁感应、加热电源以及电控系统等组成。不论是高频电源, 还是中频电源, 均可根据炉料的重量, 合理确定其的频率。炉料的重量与其的频率存在直接关系, 炉料的重量越少, 频率就越高。而熔炼炉的坩埚, 通常采用紫铜等金属材料制造而成。对于规模较大的熔炼炉, 其的壳体通常采用金属材料加以研制, 而小型的熔炼炉, 则使用非金属的壳体。熔炼炉的金属壳体具有底注式与翻转浇注式等两种结构。由于冷坩埚的熔炼特点具有一定的特殊性, 能有效防止耐火材料的损坏及污染。在大功率熔炼的搅拌下, 能有效促进成分的均匀, 尤其是促进密度差大成分的均匀。利用这种技术进行重熔, 不仅能有效控制整个熔体的温度, 而且不会出现局部的过热现象。在当代生产工艺中, 唯有在水冷结晶的容器中进行重熔, 才能具有高纯度及良好凝固组织的双重功效。目前, 这种技术多用于金属与钛和金化合物的熔炼。
(2) 真空电弧的双电极重熔, 作为一种轴细晶锭的方法, 产生于20世纪70年代的后期, 是相对于真空熔炼工艺的一种新方法。另外, 可用其进行替换VAR或者加工难度大的高温合金等冶金工艺, 但这种方法存在严重的微观及宏观偏析等缺点, 对此, 在真空电弧的双电极重熔过程中, 应加强研究元素与凝固特点的偏析行为。
(3) 在当代电子束的连续熔炼中, 将熔化及精炼和后尾的凝固分离, 不仅有效避免熔融金属中不溶组分流的入铸, 而且有充足的时间进行挥发反应, 并将剩余的残存物及杂质元素完全蒸发。据相关文献报道, 合金中氮与氧的含量明显减少。非金属的夹杂物, 能在水冷分液器的作用下去除, 或者在电子束的激烈热量下进行分解, 因此, 相对于其它方法熔炼而成的合金而言, 其材料的纯净度较好。电子束的渣膜熔炼, 是在冷床金属液面上产生相应比例的渣膜。其中, 渣膜部分, 有助于降低其的挥发损失, 能彻底清除杂质。而非渣膜的部分, 则有助于金属液的脱气。
(4) 喷雾成型法具有晶粒细、偏析少的特点, 不仅能直接合成不同种形状的材料, 而且能制备一定的复合材料。
(5) 高压条件下的电渣重熔方法主要有:钢包电渣的精炼、电渣热的封顶、电渣的浇注、电渣的堆焊、连续电渣的渣洗、电渣表面的镀膜以及电渣熔铸的新突破等。总而言之, 在上述新熔炼的工艺中, 电子束冷室的精炼方法, 是最有发展潜力的精炼工艺, 而电子束的重熔是相对于真空自耗重熔的较好重熔工艺。
近年来, 随着科技技术的不断进步, 不仅要求材料具有更高的性能, 而且也要求更高的冶炼水平, 对此, 各种新型的真空冶金方法不断涌现。从液态金属的纯度提高以及铸锭结晶的改善等两方面着手, 合理选择真空冶金的工艺设备, 依据所生产合金的化学成分、产品种类及用途等, 选取最优的冶炼工艺方案。要想获取高纯度的金属材料, 必须在使用以往真空冶金方法的基础上, 运用以上提到的辅助工艺对策。唯有如此, 才能加以运用真空冶金技术, 以提供令人满意的服务。
摘要：真空冶金技术指的是在比大气压还小的气压之下展开的冶金作业, 该项技术是在真空技术的技术上得以广泛应用的。在目前, 真空冶金技术包含着多种熔炼方法。为了对真空冶金技术的开发历史及应用有进一步了解, 本文重点就真空冶金技术的开发及其的应用领域等问题展开分析探讨, 并指出该技术在今后的发展前景。
关键词：真空冶金技术,种类,应用领域
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