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工業氣體在熱處理中的應用

發布時間：

2021-09-15

　　在機械加工過程中，對機械零件進行熱處理，必須將其放入各式加熱爐中加熱，達到預定溫度后，保溫一段時間后出爐，再進行冷卻，來完成一個熱處理工序。在機械制造業中，處理的零件大部分是鋼鐵材料，鋼鐵零件在爐中加熱，500℃時表面產生氧化，即發生脫碳現象。如果是對毛坯件的處理，隨后還有加工余量，可保證將氧化脫碳層去除。如果是最后熱處理過程，零件僅留少量的磨加工量。如果氧化脫碳層深，最后加工不能去除，將大大降低零件熱處理后的性能。
　　鋼鐵零件在加熱時的脫碳現象，是因為加熱介質中存在氧氣，只要隔絕氧氣加熱，就可避免氧化脫碳現象，這就要求不要在空氣爐中加熱，通常是在鹽浴爐中加熱。用鹽浴來隔絕氧氣，必須對鹽浴進行脫氧處理。處理的鹽渣及蒸汽對環境也有污染。也有用真空爐進行處理的，但密封技術要求較高，且爐膛不能做的太大，限制了它的應用。
　　在工業中大量采用的是氣體保護爐。在熱處理過程中，采用的氣體是多種多樣的，有用氬氣保護的，有用氮基保護的，大量采用氮基保護氣氛。
　　用氮基保護可以不使鋼鐵零件產生氧化脫碳，大大提高熱處理零件的表面質量，特別是處理一些形狀復雜的工具模具，它們經過淬火后，型腔不再進行加工，如果有氧化脫碳現象將大大降低表層的硬度，也就是降低其耐磨性和使用壽命。而采用氮基保護氣氛中性加熱，工作表面不再產生任何氧化脫碳現象，也就提高了工件表層熱處理質量，延長了工件的使用壽命。
　　熱處理設備中，為了使用不同的氣體進行保護，有一種多用爐或流態化爐，可以使用氮氣與各類載體按不同的比例配合，可以進行氮化、氮一碳共滲（軟氮化）、滲碳等多種化學熱處理。
　　基于工業氣體對加熱處理過程提供保護，并且能配制以上各種不同載氣進行各種不同的化學熱處理，不僅方便了材料的熱處理工藝，極大地提高了熱處理效率。
　　氮基保護氣氛是以純氮（99.99%）或工業氮為原料氣體，加入適當碳氫化合物（例如天然氣、丙烷等），必要時還加入某些參加反應的氣體，例如氫氣、氨氣、二氧化碳、空氣等，從而制成以氨氣為主要成分的混合氣。這類氣體不含或含有一定的還原性氣體，可廣泛應用于各種加熱過程，如光亮熱處理、化學熱處理、釬焊以及粉末冶金燒結等工藝過程。
　　用于熱處理的氮氣大體可以分為以下幾種：
　　一、純氧氣一般指含氮氣99.99%以上的保護氣。
　　二、氨基中性保護氣是指對鋼鐵不氧化、不脫碳、不滲碳的保護氣。這種保護氣還具有一定還原性。由于其對各種含碳量的鋼都有保護性，只要加熱周期相同，不同含碳量的鋼都可以在同一爐中處理，可用于淬火、退火、回火等高、中、低溫各種熱處理工序，達到光亮的效果。常用的中性氣體有以下幾種：
　　1.氮氣+氫氣：該保護氣具有一定的還原性和微弱的脫碳性。氣體中的含氫量一般控制在0.5%~3%不等。
　　2.氮氣+一氧化碳+氫氣：該保護氣可用于鋼結構、工具鋼、軸承鋼的無氧化、無脫碳、無滲碳熱處理，例如在一氧化碳含量0.5%~1%、氫氣1%~2%的保護氣中對工模具鋼、高速鋼、軸承鋼進行退火、淬火處理。在一氧化碳+氫氣含量達到2%的氮基氣氛中，將含碳量為1%的高速鋼加熱至1200℃，40分鐘后基本無脫碳現象。這種保護器的制備可用工業氮氣經甲醇凈化獲得。
　　3.氮基碳勢氣氛：這是一種活性成分含量較高的氮基氣氛。通常可在氮氣中加入適量添加劑（碳氫化合物或烴的含氧衍生物）可獲得碳勢氣氛，供滲碳處理。
　　4.氮-甲醇保護氣：這是目前國外廣泛采用的一種氮基氣氛。控制氮與甲醇的比例，使氣氛中一氧化碳：氫氣：氮氣=1：2：2。
　　采用氮基氣氛熱處理的優點：一是節約能源。與吸熱式氣氛相比，使用氮基氣氛可節約燃料消耗25%~85%。二是氣源豐富。氮基氣氛中氮源的制備因主要來自空氣，氣源十分豐富。三是可提高產品質量。氮基氣氛含一氧化碳和氫氣含量少，大大減少氫脆和內氧化。通常吸熱式氣氛由于一氧化碳和氫氣含量高，對鋼鐵而言是一種還原氣體。但一氧化碳對鉻、錳、鍶、鉬、鈦等元素都是一種氧化劑。所以吸熱式氣氛對碳鋼是光亮加熱氣氛，而對合金鋼加熱表面形成黑色氧化物。例如不銹鋼、軸承鋼鉻含量較高，由于鉻和氧的親和力很強，所以鉻在一氧化碳和二氧化碳氣氛中要氧化。在吸熱式氣氛中一氧化碳含量達到25%左右，所以對大多數不銹鋼、軸承鋼、高鉻鋼在吸熱式氣氛中熱處理結果不理想。在鋼的表面會產生一層氧化層。同樣鉻在水氣氛中也會氧化。因此對高鉻合金鋼來說，采用吸熱式氣氛從理論上分析是不適合的。而采用氮基氣氛就可減輕合金元素的氧化程度，提高熱處理質量。四是適應性廣。氮基氣氛適用于各類碳鋼、合金鋼和不銹鋼以及銅、鋁等有色金屬的熱處理。五是安全性好。氮氣是中性氣體，無毒、不污染環境、無爆炸危險，便于運輸、管理和使用。
　　綜合氮基氣氛熱處理有明顯的優勢，因此我國的重點企業和項目已經采用了國外的先進氣源裝置和氮基氣氛進行各種熱處理。但是面對量大面廣的國內市場，只有大力推廣國產化熱處理設備，才能提高我國的無氧化加熱水平。