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2023年08月06日

真空工艺 | 表面净化处理之烧氢净化

除了镁、铝、硅等氧化剂之外,大部分的氧化剂都可以通过烧氢气来还原脱除。通常,在高温下,氢气的浸润(露点>-10℃)对材料的脱炭及表面的有机物质起到一定的促进作用。在含水氢气的氧化性环境下,除去了其中的CO和CO2。

可伐合金、镍和不锈钢样品在同样大小下的CO排出速率与氢化湿润的时间之间的关系。将氢气水烧至湿润状态后,一氧化碳下降了45%,镍下降了32%。然而,在高温下,CO排放速率却没有明显降低,表明该合金排放CO的排放机理与其它合金相比有明显的差异。

将氢气烧成湿润状态可使待处理物料中空气含量显著提高,特别是氧气含量。所以,低碳物质应该将氢气(露点在-50℃以下)烧干。燃烧后的氢气对氧化反应具有较大的促进作用,且含氧量较低,反应较好。比如,蒙乃尔(-65°C)的氢气干燥后,其在真空下的产气能力明显下降,而如果在-35°C的露点下进行加工,则会释放出许多CO和CO2。这是由于水蒸气对金属的表面造成的。在许多场合,燃烧氢气的作用和抽真空一样,但是燃烧氢气的作用更大,其核心问题是如何确保烧氢燃烧过程中的氢气纯度。

在燃烧过程中,为了避免外部环境和燃烧过程中发生的解吸水蒸汽对炉膛环境造成的影响,需要采用下列几种方法: (1)将装有工件盘的区域减小到最小(如将其制成网筐形状),并将工件盘分别吊挂,以利于氢气流的清洗,同时也不会使工件周的水分密度陡然增加。 (2)对于加工过的零件,采用分段式的加热方法。首先,将容器放在低温区(300℃),让容器内的水分被氢气“洗净”,避免了氧化。采用这种方法,如镍、铜等,其放出气体,与一般一次加热法(由冷区直压到热区)相比,可降低近4/5。 氢气燃烧后的冷却速率与氢气燃烧后的产品中的氢气含量有关。如果在高温下,如镍、铁、铜等氢气中,100g镍可以使7.75cm3的氢气溶出,如果在高温下加热到一定程度,则会使氢气在高温下“冻结”。举例来说,在1100℃时,氢气在铁中的溶解度比20℃时高1万倍,如果降温太快,氢气没有及时释放出来,铁中氢气的含量就会大大超过通常的平衡含量。

在使用氢气燃烧的过程中,需要特别关注的问题有: (1)钽,钛,锆,钒等金属在较高温度下会和氢气发生脆化反应,所以不能进行氢气的燃烧。含有Mg、Al、Cr、Ti等反应性杂质的金属,只有将氢气(露点低于-60℃,氧气的浓度(容积)低于0.005%)才能将其燃烧,不然就会在其表面形成一种稳定的氧化物,然后在真空环境中受到电子轰击而分解释放出H2。 (2)H2溶解在该金属中,不会将该金属中的任何一种气体排出,反而会给金属带来巨大的内部压力。这是由于氢气在合金中的不均衡分配,特别是在晶格中不同类型的缺陷所产生的高内应力区,使合金内部的应力更高。氢气还可以与氧化物,碳,碳化物等物质反应,产生大量的水份和沼气,从而改变晶体结构。如果这些内应力超出了点阵的承受能力,就会出现形变或细小的裂缝,裂缝聚集成为一系列裂缝,从而导致缓慢渗漏,该应力主要集中在管壳和焊缝上。 (3)氢气的还原性。氢气的还原性非常高,可以在低温下进行大量的还原。所以,如果将不同的金属同时在H2中加热,H2就会从与它亲和力小的金属跑到与它亲合力大的金属,比如Cu和Mo在一起烧氢时,Cu的氧化物容易还原,从而造成烧氢炉内水蒸气增加,从而使Mo氧化。但在氢气中,氧气的运移率最大,而惰性气体则最小。氢气还会导致高含碳材料(碳钢、碳化部件等)向含碳材料(钼、钨等)迁移,导致部件脆化或表面性能发生变化(4)在阴极组分中,氢气的燃烧帮助缓解了对阴极的反应性气体的破坏,或产生了活化效果。然而,该方法仅适用于常见的氧化物和LaB6,对于其他类型的阴极(如Th-W等)效果不佳,甚至可能造成危害。

通常,将试件的氢烧化温度定为试件的加热温度,此方法既可使试件获得较好的真空度,又可使试件不产生内应力。


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