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1、热处理炉气氛及控制 “ ) 黄国靖 山东工 业大学(济南 , 2500 14) 【摘婆】本文从气氛薇机合物的角度齐绍气氛的选择和控制 的一些间题 。 关挂词热处理炉 控制气氛选择 控制 实现无氧化无脱碳加热是提高我国热处理 理 , 除必须有相应的热处理炉外 , 选择合理 的 水平的战略任务 , 实现此任务的主要措施是真 可控气氛及其控制是极其董要的 。 微机的应 空热处理和可控气氛热处理 , 后者是现阶段应用 , 使气氛控制更上一层楼 , 使沪子温度 和工 用面最广的最主要的措施 。 实现可控气氛热处件的碳浓度的控制精度达到更高的水平 , 使热 2 2 2召七 七1 00 2 00 300 4
2、00 5。 ! “。” 7”。 8 00 公00 1100 1200 1 1 1 . 000 0 01 . 0 11 1 11 . 02 5 5 51 . 03 7 7 71 . 048 8 81 . 05 5 5 51 . 055 5 51 . 0压6 6 61 . 习60 0 01 . 064 4 41 . 070 0 0 0 01 . 079 9 9 2 . 8 合金的密度 经 测定 , N A12 3 合金的密度为 8 . 09/ c血 3。 2 . 9 温度对机械性 能 和金相组织的影晌 测定 了不同温度下N A 123合金 的 抗 拉强 度和延伸 率 , 并观察其金相组织 , 尤其
3、是品粒 度的变化情况 , 其函数变化曲线如 图 2 所示 。 在900 1 0 5 0 围 范内机械 性能变化不大 , 超过 1100 以后 , 抗拉强度下降 , 延伸率增 加 。 观察金相组织的晶粒度在 9叨 1 08 0时变化 不大 , 超过1 1 5。以后 , 晶粒才 明显 长大 。 这 说明 金相组织的晶粒度对 N A12 3 合金的机械 性能 有着明显影响 。 3乡吉 语 图2 机械性能与退火眼度关系及相应很度下的 金相组织照片(x 100) 工业加热199 3年第 1 . NA12 3 合金具有良好 的抗渗氮能力 , 它不但能做 为抗渗氮电热合金之用 , 而且也适 用于高温热处理网
4、带 炉 的网带之用 , 尤其是在 渗氮或碳氮共渗 的气氛下使用 更具有寿命长耐 气氛腐浊的特性 。 2 . N A1 23合金不但 能完全代 替 Ni 80 Ci . Zo合金使用 , 而 且由于N i含量低于价8 Q C r 2 0 、 性能高于N i8 0C r 2 0 , 因此 具有价格低 寿命长 的特点 。 3 . NA1 2 3合金由于 具有较高 的电阻率 , 选用 后与N isoC r2 0 比较 , 能够达到节约材料 降低成本的效果 , 特别适用 于做微细丝 。 (收稿日期 : 19 93一06 一 19) 4 期 (总第114期) 处理 生产 进入一个新的时代 。 本文从气氛微
5、机 控制的角度来介绍气氛 的选择 和控制的一 些间 题 。 1 热 处理 气氛的选择 热处理 气氛很多 , 而且已有很长的历史 了 , 但仍在不断地发展和完善 , 其发展和合理 选择的方向归纳如下 : 1 . 选 择资源 丰富 和对环境污染 小的 气 氛 , 这就是氮气 。 分离空气获取氮气的近代技 术主要有 : 深冷法 , 它依据氮气和氧气液化 温度的不同而将其分离 , 其产品可以是液氮或 工业气态氮气;分子筛吸附法 , 它依据碳分 子筛(或沸石 分 子筛)优先吸附O : (或N , )能力 的差异 而将空气分离之 , 薄膜法 , 它依据O : 可通过某种纤维薄膜 , 而N : 则不能的 特
6、性 而 将空气分离之 , 此技术是最新发展; 是燃烧 法 , 引入空气将燃料燃烧 , 再将燃烧 产物中的 H : O和CO : 除去 , 获得氮气为 主体的气 氛 。 此法 消耗燃料 , 不是发展方向 。 纯 氮是惰性气体 , 主要应用于 十分严密的 炉 子 , 如真空炉或应用 于低温保护或工件允许 形成很薄的氧化膜 , 且此膜能起保护自身的作 用的工 艺 。 如铝 的退火 , 氮气常应用 于使炉 子维 持正压 , 以抵制炉外空气侵入 。 获取高纯 氮是较困难和价格较高的 , 工业 氮气(称粗氮气)含有0 . 5 5 %O : , 会使被 加热件氧化 , 故一般不能单独用于热处理深 护 。 此
7、外它对从炉缝等处侵入的空气无反 应消 徐的能力 。 因此 必须根据处理件的要求 , 添加 某些还原性的或渗碳性的气体或有机液剂 , 组 成氮基气氛 , 最常用的组成有 : N : 十 H :; N : + CH 4; N : + C : H 。; N : + C H 。O H ; N : + NH 等等 。 2 . 选 择加速化学热处理 过程的气氛 。 在 渗碳过 程中 。 碳 的传递系数随C O% 火H : % 的 含量而增大 , 因 此近代设计的渗碳气氛要求含 有足够数量的C O和H : 。 满足 此要求的渗碳气 氛常用 的有 : 吸热型气氛 、 甲醇裂解气 、 煤油 和空气等气氛 。 3
8、 . 选用抗氧化能力强 、 脱碳能力弱的气 体作保护气氛 。 H : 是优选的气体 , 因为 在通 常的热处理温度下 , H : 与O : 反应很 快 , H Z 虽是脱碳气氛 , 但其脱碳的反应速度比H : O 慢近子倍 , 比CO : 慢近百倍 。 液氮裂 化气 , 形 成H : 和N : , 属这类气体 , 现在仍有广泛的用 途 , 它是光亮退火的良好气氛 , 还常作拔丝中 间退火保护 , 铜焊和钎焊保护气 , 高温炉相 丝 保护气等用途 , 液氨还具有易运输 、 储存 、 使 用较安全等优点 。 4 . 为节约能源 和简化结构 , 发展直 生式 可控气氛 , 为此炉子 必须提供反应 的
9、温度 、 时 间和空间 。 目前的结构形式是采用 原料液剂喷 雾供入 , 风扇搅拌和循环 , 使其形成均匀相的 气氛 。 另一 种结构是将裂化罐安设在炉内 , 该 装置 具有结构简单 、 紧凑 , 安装使用方便 , 产 气快 和节能等优点 。 炉内设置式发生装置 , 其 核心是 新型触媒 。 工 业加热1993年第 2 气氛的搭配与控制 实现 气氛 控制的要则是气氛的可控性 , 也 就是 说 , 可 随 气氛中某气体的增 加或减少而 明 显地改变气氛的碳势 。 实现气氛可控的基本原 则是把气 氛分为载体气和富化气 。 载体气的任务是维持气氛 的基本碳势 , 保 持炉内处于正压状态 , 维持炉内
10、气体正常运 动 , 保持气体 的稳定性 。 富化 气的任务是提供气氛的碳份 , 调节 气 氛的碳势 , 富化气少量的变化应 能 引起气讯碳 势 较明显 的改变 。 载体气的特性之一 : 具有一定的叮用碳 量 , 保持气氛一定的碳势 , 使富化气能起碳势 调 节的作用毛 载体气的特性之二 : 具有较大的碳传递系 数 , 由于该传递系数与CO% x H : %的乘 积成 正比例 , 因此 , 载体气宜含有较大 量 的 C O和 H Z 。 载体气的特性之三 : 成分稳 定 , 容 易裂 解 , 使气氛碳势保持稳定 性 。 载体气的特性之四 : 载体气是渗碳气氛的 4期 ( J偿、第1 14期) 基
11、础 气 , 用 量大 , 因此应 该选择资源丰富 、 价 格便宜的气体作载体气源 。 常用 的载体气有吸热 型气氛 、 氮基气氛 、 甲醇裂化气等 。 富化气的特性之一 : 有较高的可用碳 , 用 自动控制的语言来说 , 要有较大的放大增益 , 富化气的少量加入或减少 , 将引起气氛系统的 碳势有明显增加或减少 , 使气氛碳势响电曲线 能尽快地达 到平衡点 。 富化气可用 碳量过低 , 会延长达到平衡的时间 , 需加入或减 少较多的 数量 ; 但富化剂可用碳过高 , 容易引起超调或 振荡 。 在加入的数量上也需加以限制 。 富化 气 的特性之二 : 对载体气成分的比例 影响小 。 也就是说 ,
12、 气氛碳势的增加 只 随富 化气加入而变化 , 其变化曲线相当于直线 关 系 。 富 化气 的特 性之三 : 富化气成分要稳定 , 以保证放大增益稳定 , 维持渗碳气成分 的稳定 。 常用的富化气有丙烷 、 甲烷 、 丙 酮 、 醋酸 乙脂 、 煤油 等 。 吸热型气氛 十 丙 烷是国际 上最常用 的搭配 气氛 。 吸热型气氛含有2 0%一2 5%CO , 和3 0% 一4 1 %H :, 保持中等碳势 , 由于 含有较大量 的 co和H : , 碳传递系 数较高 , 有加快渗碳的效 果 。 丙烷(C : H 。) 有很高的可用碳 , 碳势 的 增益较大 , 少量 的加入 , 则可引起气氛碳势
13、显 著的变化 , 但易出现碳黑 、 这是不利的一 面 , 故其加入量要严格控制 。 富化 气也 有用 甲 烷 (CH 4 ) 的 , 天然 气主要成 分是甲 烷 , 因此 有天然 气的地方 , 常用 甲烷 。 甲烷也具有较高 的可用碳 , 但比C 3 H 。、 C : H 。低 得 多 , 它对 气氛碳势的影响比C 3 H 3 平缓得多 。 氮基气氛是近 十几年来的新发展 , N : 是 惰性气体 , 无碳成分 , 因此严格说N : 自身不 是渗碳载气 。 N : + CH 3 O H可以形成一个具有 一定碳势的载气 , 可在此基础上再加入富化 气 。 现在国际上出现多 种配比关 系 , 如N
14、 2 8 1% + CH 19 % ; 又如N : 85%+C 3 H 。 3 % + 1 2% 空 气 , 而在C 3 H : 3 % 十1 2 %空气中 , C 。H。: 空气 二1:4 , 而产生吸热型 气体比例为 C 3 H 。: 空 气 二 1: 7 . 1 4 。 所以此搭配实际上 是 N : + 吸热型气体 +1 . 3 2%C 3 H 。, 还是由载体气 + C : H 。富化气的组 合格式 。 利用有机液作渗剂 , 在我国应用很广 , 载 体气与富化气的最佳搭配莫过于 甲醇与醋酸乙 脂的搭配了 。 甲醉的裂化气为 CH 3 O H,CO + Z H : 醋酸乙脂的裂化气为 C
15、H 。C OO C : H 。, ZCO + 4H : +2C 它们 的裂化气中C O与H : 的比例是 一样的 , 因 此气氛碳势的变化 , 仅决定于醋酸乙脂裂 解的 C了 。 由于醋酸乙脂价格较高 , 因此也常用 其他 有 机液剂代替 , 用 的较 多 的是丙 酮 、 苯和煤 油 。 煤油属 一 于链烃类C 一H 化合物 , 其分子式为 C , H Z , , : , n 二1 11 7 , n 值很不稳定 , 随各煤 油厂而变化 , 它在 85 0 以上兹本上可按下式 分解 : C o H : 。十2 , n C+ (n + 1) H : 由此 可见 , 它是 一个可用碳量很高 , 成分
16、 不稳定 , 不含C O的气体 。 若单独以煤油作渗 剂 , 其气氛一 直处于高碳浓度 , . 是一个不 可控 制的气氛 , 为改善气 氛使其具有可控性 , 常采 取的措施是 : 1 煤油 + 甲醇 C oH Z。, : +m C H : OH, n C+ 功CO + (Zm + n+ 1) H 。 C O/H : 二m / (2 阴 + n+ 1) 若要使C O/H : = 1 / 3 . 1的比例, 则煤油与甲 醇旬体积比约为 1 :2 . 4 0 2 )煤油 + 空气(或水) 这种作法的目的是使部分煤油与空 气发生 不完全燃烧 , 降低气氛的碳势 , 增加C O含 量 , 还从空气中带入N :, 起稀释的作用 , 在这 种气 氛中 , 调节煤油或空气量 , 均可控制 气氛碳 势 , 有试验用H : O代替空气 , 必须 注 意 加入 H : O是 吸热反应 , 而加入空气是放热反应 , 对 炉子温度有影响 。 一待续一 (收稿日期 : 199 2一1 1一
