» » Термическая обработка в вакууме
20.01.2015

В последнее время все более широко применяют термическую обработку в вакуумных печах и установках. Наиболее распространен вакуумный отжиг, но уже созданы вакуумные установки для закалки и старения сплавов. Вакуум в термических печах и установках создастся главным образом в двух целях: а) для уменьшения содержания водорода в металле до безопасного уровня, гарантирующего отсутствие водородной хрупкости в процессе изготовления и эксплуатации конструкции или детали; в этом случае глубина вакуума является активным фактором, определяющим эффективность термической обработки; б) для предотвращения взаимодействия металлов с газами, составляющими атмосферу обычной печи; в этом случае вакуум служит защитной средой. Принципы выбора режимов термической обработки, в частности глубины вакуума, в этих двух случаях существенно различны.
Уменьшение содержания водорода в металле при вакуумном отжиге основано на обратимости взаимодействия металлов и сплавов с водородом. Над металлом устанавливается вполне определенное равновесное давление водорода, которое зависит от температуры и концентрации водорода в металле. Изменение температуры или давления в системе приводит к изменению концентрации водорода в металле до значений, соответствующих новым условиям равновесия. Как уже отмечалось выше, равновесное давление водорода в газовой среде и концентрация С водорода в металле связаны уравнением Ворелиуса (14). Эту взаимосвязь представляют в виде изотерм, изобар или изоконцентрат.
Рассмотрим в качестве примера систему титан-водород. Допустим, что титан, содержащий 1 % (ат.) или 0,02 % (по массе) H2, нагрет до 700°С. Kак следует из системы изоконцентрат, приведенном на рис. 24, равновесное давление водорода над титаном c l % (ат.) Н2 при этой температуре составляет 13,3 Па. Если в системе поддерживается давление водорода, равное 0,133 Па, то водород будет удаляться из титана до тех пор пока в металле не установится концентрация, соответствующая этому давлению, т. е. 0,1 % (ат.) или 0,002 % (по массе) Таким образом, водород удаляется из металла при при вакуумном отжиге в том случае, если парциальное давление водорода в атмосфере печи меньше его равновесного давления, соответствующего содержанию водорода в металле. К такому же выводу можно прийти и из анализа диаграмм состояния водорода с экзотермически поглощающими его металлами.
Термическая обработка в вакууме

При различных сочетаниях параметров (толщины отжигаемой детали, температуры вакуумного отжига, мощности откачных систем) скорость обезводороживания контролируется различными процессами. В реальных условиях осуществления вакуумного отжига однородного материала (при достаточно высоких температурах и малых натеканиях) можно учитывать лишь диффузию водорода из объема металла к его поверхности. В этом предельном случае продолжительность вакуумного отжига для снижения содержания водорода от исходного содержания С0 до Ск в средние изделия можно оценить по уравнениям:
Термическая обработка в вакууме

где r — радиус iара или цилиндра; h — толщина плиты (листа); D — коэффициент диффузии водорода в металле; Cp — равновесная концентрация водорода в соответствии с уравнением Борелиуса.
Для расчета режимов вакуумного отжига детали сложной формы необходимо найти ее наиболее толстый участок и время обезводороживания принять таким же, как для плиты, толщина которой равна толщине наиболее толстого участка. Если форма этого участка значительно отличается от плоской (крайний случай шар), то расчетная продолжительность отжига получается несколько завышенной, так как плита обезводороживается медленнее всех остальных форм. Время обезводороживания деталей с внутренними полостями можно, в первом приближении, рассчитывать как для плиты, толщина которой равна удвоенной толщине в наиболее толстом сплошном сечении детали с внутренней полостью.
Для расчета параметров вакуумного отжига по приведенным выше уравнениям необходимо прежде всего оценить максимально допустимую концентрацию водорода Cд в конструкции, при которой будет исключена опасность развития водородной хрупкости во все время эксплуатации детали. Для этого необходимо знать количественную взаимосвязь между содержанием водорода в сплаве и его служебными характеристиками, подобную приведенной на рис. 22.
Далее следует оценить равновесную концентрацию водорода Cр, достижимую при бесконечно большой продолжительности вакуумного отжига. Из уравнений (28) следует, что равновесном концентрации водорода можно достигнуть лишь через бесконечно большое время, так как при Ск→Ср t→∞. Поэтому при вакуумном отжиге нужно стремиться не к минимально возможному равновесному содержанию водорода Ср, соответствующему уравнению Борелиуса при заданной температуре вакуумного отжига, а к некоторому заданному значению, которое достигается за приемлемое время. На рис. 25 приведена на примере сплава ОТ4 взаимосвязь между длительностью вакуумного отжига при разных температурах и заданной конечной концентрацией водорода при допущении, что С0=8Ск. Параметры коэффициента диффузии в металле D0=2,7*10в-2 см2/с, Q=57800 Дж/моль. Из этих данных следует, что равновесную концентрацию Cр целесообразно задавать в 2—3 раза меньше конечной концентрации.
Термическая обработка в вакууме

После оценки Cр следует определить возможную температуру вакуумного отжига. Давление в пространстве печи при вакуумном отжиге создается в основном водородом. Так, в частности, при вакуумном отжиге титана и его сплавов 94—96% общего давления в печи приходится на парциальное давление молекулярного водорода; остальная часть давления складывается из парциальных давлений кислорода, азота, паров воды и вакуумного масла. Таким образом, разрежение, обеспечиваемое вакуумной системой печи, можно принять за равновесное давление водорода в уравнении Борелиуса (14). Константы ψ и Q, входящие в это уравнение, должны быть известны заранее из экспериментальных данных. Такие данные имеются в специальной литературе; некоторые из них будут приведены ниже при обсуждении вакуумного отжига конкретных металлов и сплавов на их основе.
По известным значениям ψ, Q и заданным значениям давления водорода р, его равновесной Ср и конечной Ск концентрации в металле температуру вакуумного отжига можно вычислить из уравнения Борелиуса для данного сплава. Если известны изотермы, изобары или изоконцентраты для данной системы металл (сплав) - водород, то температуру вакуумного отжига можно оценить и графически. Так, в частности, из рис. 24 иллюстрирующего изоконцентраты равновесного давления водорода для титана, следует, что при давлении в вакуумной печи 0,013 Па для обеспечения содержания в металле менее 0,001 % (по массе) или ~ 0,05% (ат.) H2 необходимо выбрать температуру вакуумного отжига выше 620° С Удаление водорода из металла — процесс диффузионный, в связи с чем нижний интервал температур вакуумного отжига может лимитироваться продолжительностью процесса дегазации, так как с понижением температуры коэффициент диффузии водорода в металлах и сплавах резко уменьшается по экспоненте.
При выборе оптимальной температуры дегазирующего вакуумного отжига следует иметь в виду, что во время этой технологической операции, помимо удаления водорода из металла, могут проходить побочные процессы. Так, в частности, если вакуумному отжигу подвергают предварительно нагартованный металл, то в металле могут развиваться процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации. Если необходимо сохранить, хотя бы частично, наклеп, созданный предварительной обработкой давлением, то температура вакуумного отжига должна быть ниже температур эффективного разупрочнения металла в результате возврата, полигонизации или рекристаллизации, Однако не всегда такой выбор режимов отжига возможен. В некоторых случаях разупрочнение, развивающееся в процессе вакуумного отжига, желательно, и тогда температуру вакуумного отжига необходимо выбирать выше температур начала возврата, полигонизации или рекристаллизации.
При вакуумном отжиге могут сниматься нежелательные внутренние напряжения, а также поверхностные сжимающие полезные остаточные напряжения. В ряде случаев снятие при вакуумном отжиге поверхностных сжимающих напряжении приводит к снижению циклической прочности и повторно-статических характеристик. При вакуумном отжиге термически упрочняемых сплавов могут развиваться процессы распада пересыщенных растворов, коагуляции упрочняющих фаз, их растворение. При выборе оптимальных режимов отжига необходимо учитывать все побочные процессы, которые могут протекать при вакуумном отжиге. Следует иметь в виду, что при оценке температуры отжига по уравнению Борелиуса получают возможную температуру для экзотермических и верхнюю для эндотермических окклюдеров. Поэтому есть довольно широкие возможности варьирования этой температуры.
После выбора возможной температуры вакуумного отжига вычисляют коэффициент диффузии водорода в данном сплаве при выбранной температуре. Для этого заранее должка быть известна температурная зависимость коэффициента диффузии водорода в данном металле или сплаве D = D0 ехр(-Q/RT). Далее по уравнениям (28) находят продолжительность вакуумного отжига t.
На продолжительность вакуумного отжига существенно влияет толщина h отжигаемых деталей и изделий, причем ввиду параболического характера зависимости (28) продолжительность отжига возрастает пропорционально квадрату толщины. Для выбранных выше параметров D0, Q, характерных для титановых сплавов, при толщине листа 10 мм продолжительность вакуумного отжига при температуре 700° С должна составлять примерно 170 мин, чтобы снизить содержание водорода в 8 раз, в то время как при толщине 3 мм достаточно было 15 мин отжига (рис. 26). Продолжительность вакуумного отжига можно уменьшить, повышая его температуру в разумных пределах. Для металлов, экзотермически абсорбирующих водород, повышение температуры приводит к увеличению равновесного давления водорода над металлом при заданной концентрации, так что повышение температуры вакуумного отжига будет только облегчать условия удаления водорода из металла.
Термическая обработка в вакууме

Температура вакуумного отжига должна быть достаточно высокой для удаления водорода из металла. В то же время она не должна быть слишком высокой, поскольку при некоторых температурах начинается интенсивное испарение легирующих элементов из поверхностного слоя металла, вакуумное растравливание поверхности, происходят необратимые и недопустимые изменения свойств. Нижняя предельная температура вакуумного отжига может быть ограничена не только диффузионной подвижностью водорода, по и затормаживающим действием естественной окисной пленки.
Некоторые цветные металлы титан, цирконии, ниобий, тантал и ряд других являются эффективными геттерами В этих случаях следует предусмотреть напуск воздуха на стадии охлаждения при температурах, которые обеспечивают создание надежной защитной пленки, но уже не приводят к недопустимому газонасыщению поверхностных слоев металла.
На основе описанных выше данных можно сформулировать общие принципы выбора режимов вакуумного отжига металлов и сплавов: а) оценка максимально допустимой концентрации Cn водорода в данном конкретном применении; конечную концентрацию водорода Cк выбирают равной Cд; б) определение необходимой для расчетов равновесной концентрации водорода Cр, теоретически достижимой при бесконечно большой продолжительности вакуумного отжига; она должна быть в 2—3 раза меньше Ск; в) расчет по формулам (14) температуры вакуумного отжига, которая обеспечивает равновесную концентрацию водорода Cp при достигаемом давлении в вакуумной печи; г) уточнение оптимальной температуры вакуумного отжига с учетом условии дегазации и влияния режимов вакуумного отжига на механические и служебные свойства металлов и сплавов; д) вычисление продолжительности вакуумного отжига по формуле (28); при этом по известным литературным данным определяют коэффициент диффузии водорода в отжигаемом сплаве при выбранной температуре, а также Учитывают заданные значения Cк и Cр и исходное содержание водорода C0. Если продолжительность вакуумного отжига при выбранной температуре оказывается слишком большой, то температуру вакуумного отжига можно повысить в разумных пределах; е) оценка необходимости напуска воздуха в процессе охлаждения отожженной конструкции с целью создания защитной окисной пленки на заключительной стадии вакуумного отжига.
Eсли вакуум служит способом защиты металла от взаимодействия стазами, составляющими атмосферу, то режимы термической обработки определяются в основном природой металла (сплава) и назначением применяемого вида термической обработки. В отличие от термической обработки в естественной среде выбор режимов термической обработки в вакууме характеризуется следующими особенностями:
а) теплопередача в вакууме осуществляется в основном излучением, в связи с чем продолжительность нагрева и охлаждения при обработке в вакууме больше, чем в естественной среде (скорость охлаждения после термической обработки можно искусственно ускорить, например, вводя в печь холодный гелий);
б) при термической обработке в вакууме, помимо основных процессов, могут проходить побочные (дегазация металла, вакуумное растравливание поверхности; испарение летучих компонентов из поверхностного слоя и т. п.).
Основная задача, которая возникает при термической обработке в вакууме состоит в оценке необходимой глубины вакуума и допустимого натекания. При выборе глубины вакуума оценивают возможное взаимодействие данного сплава с кислородом, поскольку металлы более активно взаимодействуют с кислородом, чем с азотом. Кроме того, окислы и растворы кислорода в металле возникают при взаимодействии не только с молекулярным кислородом, но и с парами воды.
В том случае, когда кислород растворяется в металле в заметных, недопустимых количествах, его парциальное давление в вакуумном пространстве должно быть меньше равновесного давления кислорода, отвечающего уравнению Борелиуса (14).
Если кислород образует с металлом окислы, нерастворимые в заметных количествах в металлах, то парциальное давление кислорода в вакуумном пространстве должно быть меньше упругости диссоциации окислов при температуре термической обработки.
Натекание газа в вакуумное пространство следует сводить к минимуму, особенно при термической обработке таких активных металлов, как титан, цирконии, ниобий, тантал. Эти металлы обладают высокими геттерными свойствами и столь интенсивно поглощают газы, что даже при сильном натекании в системе будет достаточно высокий вакуум. Поэтому высокий вакуум в системе при термической обработке этих металлов не всегда свидетельствует о надежной их защите от газонасыщения.
При выборе режимов вакуумного отжига таких активных металлов, как титан, ниобий, молибден и др., нельзя полностью исключить окисление металлов, так как для этого необходим чрезвычайно высокий вакуум. Так, например, чтобы исключить образована окислов ниобия при температуре 1200° С, парциальное давление кислорода должно быть ниже 10в-21 МПа, а при 1600° С — ниже 10в-15 MПa (см. рис. 14,6) Достаточную глубину вакуума следует оценивать по экспериментальному определению кинетики роста газонасыщенного слоя при различном остаточном давлении в вакуумной печи.
Чистота вакуумного пространства имеет большее качение для химически активных металлов. В промышленных вакуумных печах вакуум создается пароструйными масляными насосами. Пары масла диффундируют в откачиваемый объем, при высоких температурах разлагаются, и продукты их крекинга (CO, H2, CH4 и др.) взаимодействуют с активными металлами, насыщая их углеродом. В результате взаимодействия металла с продуктами крекинга образуется тонкий хрупкий поверхностный газонасыщенный слой. Водород, образующийся при крекинге, металлы не поглощают, так как концентрации водорода в металле больше равновесной, соответствующей уравнению Сивертса при тех давлениях водорода, которые характерны для вакуумных печей.