» » Плавка металлов в вакууме
22.04.2015

Вакуумом обычно называют состояние газа при низком давлении и характеризуют величиной этого давления. Его иногда называют остаточным давлением, подчеркивая этим, что оно достигнуто как предельно малое при использованной системе вакуумных насосов. Неправильно говорить «вакуум или разрежение составляет менее 0,13 Па», надо говорить «остаточное давление составляет не более 0,13 Па». Состояние вакуума по сущности происходящих физических процессов связано со средней длиной свободного пробега частиц в газе. Эта величина показывает расстояние, на которое переместится газовая частица между двумя последующими столкновениями со своими соседями. Длина свободного пробега является среднестатистической величиной. Она зависит от температуры, давления и вида газа.
Поведение газа качественно не меняется до тех пор, пока средняя длина свободного пробега частиц мала и существенно меньше размеров сосуда, в котором находится газ. Изменение наступает, когда средняя длина свободного пробега сравнивается с линейными размерами сосуда. В этих условиях движение частиц газа совершается уже не путем мелких беспорядочных бросков внутри сосуда вследствие столкновений с соседями, а путем перескоков от стенки к стенке сосуда.
Как уже указывалось в описании физических свойств металлов, испарение веществ, в том числе и металлов, качественно различно в обычной газовой среде и в вакууме, В первом случае испарение можно описать эмпирическим законом Дальтона, во втором — оно подчиняется закону Ленгмюра, выведенному из молекулярнокинетической теории газов.
Уровень остаточного давления при вакуумной плавке выбирают с учетом термодинамических свойств возможных соединений металл—газ или растворов газов в металле. Для исключения образования свободного соединения металл—газ необходимо, чтобы остаточное давление данного газа над расплавом было меньше, чем равновесное давление диссоциации рассматриваемого соединения при заданной температуре. Может происходить не диссоциация соединения металл—газ, а его испарение. В этом случае остаточное давление над расплавом следует держать меньшим, чем равновесное давление пара данного соединения. Если же газ способен образовывать раствор в металлическом расплаве, то остаточное давление данного газа над расплавом необходимо поддерживать меньшим, чем равновесное давление газа над раствором предельно допустимой концентрации.
Плавка в вакууме сопряжена с заметными потерями металлов вследствие испарения. Особенно много осложнений вносит неодинаковое испарение компонентов сплава, приводящее к изменению его состава. В первом приближении для оценки возможных потерь на испарение и возможного изменения состава сплава можно воспользоваться уравнением Ленгмюра. Расчетные данные необходимо уточнить опытным путем.
Вакуумная плавка обычно производится при работающей вакуумной системе, так что пары металлов никогда не могут насытить газовое пространство над расплавом. Поэтому испарение происходит непрерывно. Этому также способствует наличие холодных стенок в вакуумных плавильных установках, на которых происходит осаждение паров металлов. В вакууме из-за большой длины свободного пробега атомы металла летят практически по прямым траекториям. По этой причине вакуумные налеты металла в плавильных камерах образуются в основном в зонах прямой видимости зеркала расплава, откуда идет испарение.
Иногда в лабораторных условиях плавку ведут в ампулах, обычно кварцевых. Эти ампулы предварительно откачивают до заданного остаточного давления, а затем герметично запаивают. Плавка в таких ампулах осуществляется таким образом, что они полностью находятся в зоне нагрева, так что температура во всех точках одинакова. В этих условиях внутри ампулы устанавливается давление, равное сумме парциальных давлений компонентов сплава, после чего испарение прекращается. Если же ампула находится в неизотермических условиях, когда один ее конец имеет более низкую температуру, то происходит непрерывный перенос металла из горячей зоны в холодную.
При работе вакуумных установок важно не только удалить свободные газы из вакуумируемого пространства, но и освободиться от адсорбированных газов, находящихся на холодных частях внутри камеры. Особенно много газов адсорбируется огнеупорной футеровкой. При плавке, когда происходит прогрев стенок камеры и других частей, адсорбированные газы начинают выделяться и могут загрязнить расплав. Для получения особо низкого остаточного давления необходим специальный предварительный прогрев всей внутренней поверхности вакуумной камеры.