有色金屬真空冶金技術的開發和應用

張雪冰

摘 要：文章對有色金屬真空冶金技術特點如金屬反應受氣體影響較小、把控系統內外物質流動及生產過程污染度較低等進行分析，并對真空冶金的幾種開發技術如真空還原、真空蒸餾、真空脫氣及真空燒結等進行闡述，真空冶金技術的應用，是將真空技術的廣泛應用及技術進步作為基礎。因此，文章以真空熔煉、鑄造領域中的冷坩堝真空感應熔煉爐應用及真空熱處理領域中的新型電子束熔煉為例進行具體分析，望以此推動我國冶金技術進一步發展。

關鍵詞：有色金屬；真空冶金技術；真空蒸餾；真空燒結；真空脫氣

中圖分類號：TF13 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0159-02

Abstract： The technical characteristics of vacuum metallurgy of nonferrous metals， such as less influence of gas on metal reaction， material flow inside and outside the control system， and low contamination in production process， are analyzed in this paper. Several development technologies of vacuum metallurgy such as vacuum reduction， vacuum distillation， vacuum degassing and vacuum sintering are expounded. The application of vacuum metallurgy technology is based on the extensive application and technical progress of vacuum technology. Therefore， the application of cold crucible vacuum induction melting furnace in the field of vacuum melting and casting and the new type electron beam melting in the field of vacuum heat treatment are analyzed in detail in order to promote the further development of metallurgical technology in our country.

Keywords： nonferrous metals； vacuum metallurgy technology； vacuum distillation； vacuum sintering； vacuum degassing

自1960年后，真空冶金技術的成長、發展均較為迅速。因真空冶金技術的不斷進步，相應的冶金設備質量也隨之持續提升，發展趨勢越發多樣化、自動化及大型化。此外，高真空技術、超高真空技術也在金屬冶金領域被廣泛應用。目前，真空冶金涂層技術也隨之發展，此項技術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 真空冶金技術特點

首先，金屬反應受氣體影響較小。因真空環境下氣體稀薄，所以真空環境下的冶金操作受氣體影響較小。金屬于真空環境下熔化時，并不會溶解氣體。當金屬材料于真空環境下加熱至一定溫度時，無論是液態金屬、固體金屬均極少產生氧化現象，真空環境下的氣體充分遵守理想氣體方程。其次，真空系統可有效把控系統內、外物質流動。真空系統密度程度較高，同大氣具有明顯分隔。真空系統中，僅通過泵、管道將真空體系中的剩余氣體送至大氣中，大氣卻無法通過泵、管道進入真空體系，所以，真空環境下，可對系統內部物質、外部物質的流動進行完全控制。再次，生產過程污染度較低。金融材料操作環境需達到較高溫度，此溫度同真空室壁材料所需的軟化溫度相比較高，因此，金屬材料加熱系統需在爐內進行加熱操作。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。真空環境中，多原子分子通常傾向于原子數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 真空冶金技術的開發技術

2.1 真空還原

于真空環境下，借助鋁、硅及碳等還原劑，將金屬氧化物、金屬化合物進行還原，制取金屬。真空環境下，還可對金屬還原溫度予以大幅度降低，以此完成部分于常壓環境下難以完成的金屬冶金作業。如以五氧化二鈮的碳還原為例，常壓環境下，碳無法完全還原鈮，通常會反應生成多種碳化鈮，還原最高溫度為2834卡。而當真空環境為10-2帕時，還原溫度為1956卡，真空環境為10-4帕時還原溫度降至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。真空環境下，還可借助碳、碳化物對堿金屬、堿土金屬進行還原。

2.2 真空蒸餾

真空蒸餾、精煉是借助真空蒸發工藝將有色金屬中的雜質清除，提取金屬中純材料的一項技術。此項技術主要分為化學遷移反應法、真空蒸餾分離法兩種工藝方式。化學遷移反應法即借助氣體物質、金屬兩者反應所生成的化合物，將生成化合物轉移至另一位置后，使化合物產生逆反應，反應生成純金屬、氣體產物。真空蒸餾分離法為于真空環境下，依據不同金屬間各蒸汽壓的差別，借助揮發過程、冷凝過程對金屬進行分離、提純操作。工業領域中，多使用感應爐、電阻爐對有色金屬執行蒸餾操作。

2.3 真空脫氣

真空脫氣即于真空環境下將有害氣體如（氮、氧、氫等）從合金中、液態金屬中脫去的工藝方式。此類有色金屬通過脫氣處理后，于金屬熔鑄時不會因金屬自身所存氣體而對金屬結構造成影響。與此同時，因經脫氣處理后的有色金屬中晶粒邊界所含雜質大幅度減少，有效提升金屬強度，增強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量，改善金屬物理性能、機械性能的重要方式。真空脫氣處理工藝也成為有色金屬真空冶金中應用范圍最廣，使用規模最大的金屬工藝處理方式。

2.4 真空燒結

真空燒結為真空環境下，即真空度處于10～10-3帕間，可將合金、金屬化合物、金屬粉末于適當的低溫環境下進行燒結操作，由此形成金屬坯、金屬制品。于真空環境下進行燒結，既不受金屬與氣體間二者反應的影響，也不存在吸附氣體對此操作的影響。此操作環境所形成的金屬坯、金屬制品不僅具有良好的密化效果，同時也可起到還原、凈化作用。此外，也可將燒結溫度進行適當的降低，如可將燒結溫度降低100℃-150℃左右，降低后的燒結環境同常溫燒結環境相比，更加節能環保，同時也可有效延長真空燒結設備使用年限，也可對所得金屬產品質量具有一定提升。

3 真空冶金的應用

真空冶金的主要應用領域為真空熔煉、鑄造領域中的冷坩堝真空感應熔煉爐應用；真空熱處理領域中的新型電子束熔煉；真空鑄造領域中的倒包大氣注錠應用；真空熱處理領域中的電阻加熱；表面處理領域中的活性氣體腐蝕、超高真空加熱等，下文主要針對冷坩堝真空感應熔煉爐、新型電子束熔煉進行詳細分析，如下。

3.1 冷坩堝真空感應熔煉爐

冷坩堝真空感應熔煉爐主要是由真空熔煉爐、電磁感應加熱電源、電控系統及真空一隋性氣體系統四部分構成。其中，電源可為中頻或高頻，電源頻率依爐料重量大小而進行相應調整，爐料越多則電源頻率越低。此類熔煉爐一般使用導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使用耐絕緣材料進行填充，也可選擇不填充，填充與否依據實際情況進行改動。部分規模龐大的熔煉爐一般使用金屬材料進行殼體制作；小型熔煉爐則大多使用非金屬材料（如石英）進行殼體制作。底注式、翻轉澆注式為金屬殼體熔煉爐的兩種主要結構。冷坩堝熔煉具有污染較小，所制作產品成分均勻等特點。除此之外，冷坩堝溶體溫度均勻且易于控制，不會產生溶體局部過熱現象。現階段此技術被廣泛應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行熔鑄過程外，也可為熔化反應提供充足的反應時間，同時也可對金屬中的雜質元素、殘存物進行完全清除。但此熔煉過程中所存在問題為必須于爐料中補足Cr。據相關報道顯示，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械清除，或可通過電子束所具有的強烈熱量將非金屬類雜物進行分解，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勢。電子束渣膜熔煉為金屬液面于冷床中形成的渣膜，且此渣膜具有相應比例，同時渣膜未覆蓋區域可有助于金屬液進行脫氣，而渣膜覆蓋區域可有效降低因揮發所造成的損失，完成雜質清除操作。

4 結束語

我國現階段有色金屬冶金技術的不斷提升，對相關冶金設備也具有較高標準，多種新型冶金技術也隨之產生。于真空環境下進行冶金操作，既可有效清除金屬材料中的雜質，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、真空蒸餾技術、真空脫氣技術及真空燒結技術均為目前我國冶金技術中所開發的新型技術，上述技術于提升材料制作質量的同時，也可節約能耗，同我國所制定的可持續發展戰略相符合。與此同時，我國冶金技術的發展也可在一定程度上推動我國工業領域的進步。

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