摘要：在航空航天、半導(dǎo)體材料及電子材料領(lǐng)域，有色金屬（如銅、金、銀、特定高溫合金）的熔煉往往伴隨著對除氣、除雜和防氧化的要求。箱式真空氣氛爐通過構(gòu)建可精密控制的高溫、負(fù)壓或惰性氣氛環(huán)境，為有色金屬的熔煉提供了一種小批量、高質(zhì)量的解決方案，尤其適用于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)及精密鑄造母合金的制備。

一、 為什么有色金屬熔煉需要“真空"與“氣氛"？

傳統(tǒng)的有色金屬熔煉在大氣環(huán)境下進(jìn)行，容易帶來兩個(gè)致命問題：

氧化夾雜：金屬液在高溫下極易與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成氧化物（如氧化銅、氧化鋁），這些脆性雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響合金的韌性和導(dǎo)電性。

吸氣與氣孔：有色金屬（特別是鋁、銅）在液態(tài)下極易吸附氫氣。冷卻時(shí)，氫氣在固相中溶解度下降，析出形成氣孔，導(dǎo)致材料致密度下降。

箱式真空氣氛爐的作用：

真空除氣：在負(fù)壓下，溶解在金屬液中的氫氣等氣體分壓升高，極易從液面逸出，實(shí)現(xiàn)深度除氣。

惰性氣氛保護(hù)：充入高純氬氣或氮?dú)猓艚^氧氣，防止氧化燒損（特別是易揮發(fā)的合金元素如鎂、鋅）。

二、 適用場景與材料

箱式真空氣氛爐并非用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，而是專注于高附加值、小批量、高要求的場景：

貴金屬熔煉（金、銀、鉑）：

需求：確保金屬純度，減少氧化損耗（損耗即為金錢），去除揮發(fā)性雜質(zhì)。

工藝：在真空狀態(tài)下熔化，觀察液面氣泡溢出（除氣），然后充入氬氣保護(hù)澆鑄。

高純銅與銅合金（無氧銅）：

需求：制備導(dǎo)電率的無氧銅，必須去除氧和氫。

工藝：利用碳脫氧或真空脫氧工藝，熔煉出氧含量<5ppm的高純銅。

活性金屬與合金（鈦、鋯、鈷基高溫合金）：

需求：這些元素在高溫下化學(xué)性質(zhì)極活潑，極易吸氣（N?, H?, O?）。真空熔煉是必須的。

工藝：箱式爐可用于小型的鈦廢料回收、鈷鉻鉬合金（醫(yī)用植入物）的母合金制備。

實(shí)驗(yàn)室研究與新材料開發(fā)：

用于研究不同合金成分在特定氣氛下的熔煉行為，或制備少量的功能合金樣品。

三、 核心工藝流程

利用箱式真空氣氛爐進(jìn)行熔煉，通常遵循以下步驟：

裝爐與坩堝選擇：

坩堝是關(guān)鍵：必須選擇在高溫下不與有色金屬發(fā)生反應(yīng)的坩堝。

石墨坩堝：適合銅、鎳基合金，但不適合鈦（會(huì)生成碳化物）或鋁（會(huì)侵蝕石墨）。

氧化鋁/氧化鋯坩堝：通用性強(qiáng)，耐腐蝕，但熱導(dǎo)率低。

剛玉坩堝：適合熔點(diǎn)較低的金屬（如鋁、鋅、錫）。

將金屬原料放入坩堝，置于爐膛均溫區(qū)。

抽真空與熔化：

關(guān)閉爐門，開啟真空泵，抽限真空度（通常需達(dá)到 10?2 Pa 或 10?3 Pa 級別）。

開始升溫。隨著溫度升高，金屬原料逐漸熔化。真空環(huán)境使得金屬中的氣體（H?）順利排出，液面可見氣泡翻騰。

精煉與除渣：

在真空或特定氣氛下保持一段時(shí)間（精煉期），利用浮選原理使雜質(zhì)上浮。

*注意：箱式爐難以進(jìn)行人工扒渣操作，因此更依賴于原料的潔凈度或添加自動(dòng)精煉劑。*

充氣與澆鑄：

熔煉完成后，為了防止?jié)茶T時(shí)金屬液氧化或飛濺（真空下易發(fā)生噴涌），通常需要反充氬氣，使?fàn)t內(nèi)壓力恢復(fù)至略高于大氣壓或維持微正壓。

冷卻：箱式爐通常隨爐冷卻，這能減少鑄造熱應(yīng)力，獲得晶粒更細(xì)小的組織。

四、 設(shè)備選型與技術(shù)挑戰(zhàn)

使用箱式真空氣氛爐熔煉有色金屬，比普通熱處理難度大得多，選型時(shí)需注意：

溫度：

鋁、鎂、鋅合金：溫度 600℃ - 800℃ 即可。

銅、金、銀：溫度需 1200℃ - 1300℃。

鎳、鈷、鈦合金：溫度需 1600℃ 以上（通常需選用真空碳管爐或真空感應(yīng)爐）。

真空度指標(biāo)：

普通有色金屬（如鋁）：10?1 Pa (機(jī)械泵+羅茨泵)。

活性金屬（如鈦、高溫合金）：必須達(dá)到 10?3 Pa (需配備油擴(kuò)散泵或分子泵)，否則除氣不，且吸氣嚴(yán)重。

五、 總結(jié)

箱式真空氣氛爐雖然不是傳統(tǒng)意義上的“鑄造車間設(shè)備"，但在材料科學(xué)的熔煉中扮演著重要角色。它將真空冶金的物理除氣優(yōu)勢與氣氛保護(hù)的防氧化優(yōu)勢結(jié)合，特別適合制備高性能、高純度的有色金屬及合金。對于新材料研發(fā)和小批量精密制件，它是保障材料物理性能和化學(xué)成分達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備。