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的冶金作業(yè)，該項技術(shù)是在真空技術(shù)的技術(shù)上得以廣泛應用的。在目前，真空冶金技術(shù)包含著多種熔煉方法。為了對真空冶金技術(shù)的開發(fā)歷史及應用有進一步了解，本文重點就真空冶金技術(shù)的開發(fā)及其的應用領域等問題展開分析探討，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)種類應用領域

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2012)03(a)-0000-00

1緒論

人類冶金早已有幾個世紀的歷史。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，隨著全球科技的進步，部分精細化的冶金技術(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19世紀80年初，美國的Roman. H. Gordm應用真空技術(shù)對鋼水鑄件進行處理，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，而且還獲得專利，這也標志著真空技術(shù)真正用到冶金工業(yè)上。時至今日，真空冶金技術(shù)已經(jīng)從應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，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。

2真空冶金技術(shù)的特點

真空冶金技術(shù)具有如下幾個特點，首先是對任何增容反應均有有利的影響。由于在真空下的氣體壓力很低，對任何增容反應均有有利影響。如：（1）還原劑將氧化物MO還原成MO凝聚態(tài)+R→RO氣態(tài)↑+M凝聚態(tài)，其中的金屬氧化物會被還原為固態(tài)金屬或者是液態(tài)金屬。（2）能將氣體G溶解成金屬，進而放出氣體G金屬→G↑（3）MO凝聚態(tài)+R→M氣態(tài)+RO氣態(tài)↑，有關(guān)金屬的氧化物被還原為氣態(tài)的金屬。等等。真空對此類過程均是有利的，不單加快金屬反應的速度，同時也降低反應的溫度。其次是有少氣體參與反應。真空中由于氣體比較稀薄,少有氣體參與反應。在真空內(nèi)熔化金屬時，可以是氣體不會溶解,在真空內(nèi)，金屬被加熱到高溫時不易被氧化。不管是固體金屬或者液體金屬，均不會被氧化。第三，沒有污染。如果在冶煉過程中，需要高溫，也就是大于真空室壁的材料實際的軟化溫度,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)無燃料燃燒導致的污染問題。例如收塵以及對環(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后，往往氣體分子小且分散。在真空之中，多原子類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10-10米。

3真空冶金技術(shù)的開發(fā)進程探討



真空冶金技術(shù)是在低于0.1MPa的真空，或者是超過真空（10-5～ 1.3帕）之下展開的金屬冶煉、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)的開發(fā)，主要是建立于真空技術(shù)的基礎之上，真空冶金技術(shù)的開發(fā)來源于公元前的386 ～ 324年。在1654年，德國的馬德堡市，著名工程師O．.Guerike1制成了第一臺真空泵，且用其做成了聞名于世的“馬德堡半球?qū)嶒?，從此開啟了真空冶金技術(shù)的應用時代。在1643年，E.Torricelli采用封閉的一端玻璃管，測出了大氣壓760 mm 的汞柱高。在1865年，Bessemer通過設想，把已煉好的鋼放于真空中進行澆注，以消除裂紋以及氣泡，可是由于技術(shù)及設備仍存在一定缺陷，導致無法滿足要求。在1874年，H.Mcleode 制造出壓縮真空計。在20世紀初，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)也得到不斷的開發(fā)應用，特別是在部分工業(yè)生產(chǎn)中，真空技術(shù)已不斷得到進一步的開發(fā)應用，逐漸擴張到冶金中，并且產(chǎn)生了真空冶金技術(shù)，這項技術(shù)得到開發(fā)是在真空的條件之下應用的，利于金屬氣化等，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，能夠有效控制相互物質(zhì)之間的交流，對環(huán)境的污染比較少。此類特點能夠彌補常壓冶金存在的各種不足之處，提高了真空冶金技術(shù)的競爭力，而且得到快速發(fā)展。在1945 年后，因宇航、自動化以及原子等各種尖端科技的快速發(fā)展，對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。于此同時出現(xiàn)了多種真空冶金方法以及設備，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，各種真空冶金設備不斷革新，并拓寬了其的應用領域。

4.真空冶金技術(shù)的應用

4.1真空熔煉法

通常真空熔煉是基于真空下的進行高溫熔煉之后的提純金屬。真空熔煉的方法具體有：（1）真空感應熔煉，也就是應用在真空中的中、高頻感應爐來熔煉金屬。多是用于熔煉高強度鋼、超級高強度鋼以及高溫合金。(2)真空電弧熔煉，也就是在真空下經(jīng)強電流和低電壓來對熔化金屬加熱。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, 也稱為電子轟擊熔煉，也就是在高真空之下運用一個或者以上陰極電子槍通過發(fā)射高能的電子束，將熔物料轟擊，以使電子動能快速轉(zhuǎn)為熱能，進而熔化爐料，且滴入冷水銅中q6skLBuths9BG5WDZKK0oi9ueoMcYOUbhI8XNM6dk=，從而凝固成錠。電子書熔煉技術(shù)通常適用于熔煉的難度高而且要求要有超高純度合金或者金屬來完成，其是一種發(fā)展前景大的熔煉方法。

4.2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)以及冷凝來分離或者提純金屬。在工業(yè)上，一半是運用電阻爐或者是感應爐展開蒸餾。（2）化學遷移的反應法，通過利用氣體和金屬間的物質(zhì)反應來形成化合物，進而遷移到其它部位。在發(fā)生逆反應，從而生成純金屬和氣體產(chǎn)物。

4.3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，對金屬進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，進而改善其的物理性能以及化學性能。通常真空熱處理有真空淬火、真空化學處理以及真空退火幾類。其中真空淬火是基于真空之下進行加熱，進而在多種冷卻介質(zhì)之中進行冷卻。二真空退火多用于難熔的金屬及合金等。真空化學熱處理通常是用于真空滲碳、真空滲鉻、真空離子滲碳等。

4.4真空鍍膜技術(shù)

真空鍍膜是基于真空之下，通過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。

總的來說，真空冶金技術(shù)的應用領域十分廣，最主要的是在工業(yè)領域，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)運用到冶金工藝上，可以拓寬真空冶金技術(shù)的應用領域。在1950年后，真空技術(shù)有了質(zhì)的發(fā)展，在1960年以后，真空冶金技術(shù)更是有了跨時代的發(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)的主要應用領域詳表。

5.真空冶金的發(fā)展趨向

5.1真空冶金與特種熔煉技術(shù)的發(fā)展趨向

對于傳統(tǒng)冶金，若其的某些過程適合采用真空冶金技術(shù)，可利用真空冶金技術(shù)進行代替。其次，研制新型的真空冶金設備裝置。第三，對于部分物料，研究新型的真空冶金設備、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，積極開發(fā)真空熔煉技術(shù)。第六，不斷拓寬新型特種熔煉技術(shù)的發(fā)展領域，或者不斷擴大相同特種熔煉技術(shù)的使用范圍。第七，利用數(shù)值模擬以及計算機，以加強控制特種冶煉的過程及質(zhì)量。第八，生產(chǎn)純高溫的特種鋼或者合金。

5.2各種新型的真空冶金技術(shù)

（1）冷坩堝的熔煉方法。冷坩堝的熔煉，亦稱感應殼的熔煉，是由感應渣的熔煉與懸浮的熔煉演變而成。研究這一方法的目的，是為了在無污染的條件下進行活潑金屬與難熔金屬的熔煉。具有冷坩堝真空感應的熔煉爐，主要由真空的熔煉爐、電磁感應、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，通常采用紫銅等金屬材料制造而成。對于規(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，能有效促進成分的均勻，尤其是促進密度差大成分的均勻。利用這種技術(shù)進行重熔，不僅能有效控制整個熔體的溫度，而且不會出現(xiàn)局部的過熱現(xiàn)象。在當代生產(chǎn)工藝中，唯有在水冷結(jié)晶的容器中進行重熔，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。

（2）真空電弧的雙電極重熔，作為一種軸細晶錠的方法，產(chǎn)生于20世紀70年代的后期，是相對于真空熔煉工藝的一種新方法。另外，可用其進行替換AR或者加工難度大的高溫合金等冶金工藝，但這種方法存在嚴重的微觀及宏觀偏析等缺點，對此，在真空電弧的雙電極重熔過程中，應加強研究元素與凝固特點的偏析行為。

（3）在當代電子束的連續(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，而且有充足的時間進行揮發(fā)反應，并將剩余的殘存物及雜質(zhì)元素完全蒸發(fā)。據(jù)相關(guān)文獻報道，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行分解，因此，相對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)生相應比例的渣膜。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，

（4）噴霧成型法具有晶粒細、偏析少的特點,不僅能直接合成不同種形狀的材料,而且能制備一定的復合材料。

（5）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?？偠灾?，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對于真空自耗重熔的較好重熔工藝。

6.結(jié)束語

近年來，隨著科技技術(shù)的不斷進步，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備，依據(jù)所生產(chǎn)合金的化學成分、產(chǎn)品種類及用途等，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上，運用以上提到的輔助工藝對策。唯有如此，才能加以運用真空冶金技術(shù)，以提供令人滿意的服務。

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