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        零件熱處理中保護氣氛介質的作用和防止氧化與脫碳的措施

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        人氣:-發表時間:2017-10-17 08:37【

        鋼的熱處理應當在還原性氣氛中進行,在加熱過程中能保護工件,免于氧化、脫碳的爐氣即為保護氣氛,作為淬火加熱工序應確保零件的表面狀態沒有發生改變,下面為熱鍛模具、結構鋼零件保護加熱時,通常的保護氣氛的成分下表。

        零件在加熱過程中,為保護零件免于氧化和脫碳,在具有還原性的氣氛中完成熱處理,可以獲得無氧化、不脫碳的光亮表面,提高了表面質量,同時也省去了酸洗、拋丸或噴砂工序,提高作業效率、明顯降低了生產成本。

            保護氣氛的種類很多,為了便于了解其特性,下面分別加以介紹,供零件在加熱過程中正確選用。同時應特別注意在氣氛的選擇上,要考慮到產品的批量、材料的類型、熱處理設備的現狀、工藝水平的高低、熱處理產品質量的技術要求等,在經過工藝驗證后才能確定采用何種保護氣氛,這對于保護零件的表面質量至關重要。

            (1)可控氣氛

            可控氣氛爐內的氣氛可以進行有效控制,確保其在一個合理的范圍內,實現零件熱處理無氧化和脫碳現象的發生。

            ①可控氣氛的原理其原理在前面已經講解,根據化學反應的平衡原理,增加正方向反應產物COH2的含量將導致正反應過程的停止或減弱,假如COH2的含量升高到一定程度,反應將朝逆方向進行,即得到還原性氣氛??刂坪脿t氣中CO2/COH2O/H2的比值,就能完全控制整個化學反應的趨勢和方向,也就能控制鋼鐵零件表面的氧化和脫碳的過程。

            鋼鐵零件在不同溫度下,CO2/COH2O/H2的比值與鐵的氧化還原反應的平衡關系,兩條曲線分別為BOCAOD,從圖中可以看出兩條曲線的變化規律不同,但其共同點為在兩條線的左側均為還原區域,而右側是氧化區域,另外在BOD區間內,CO2/CO的氧化區與H2O/H2的還原區重疊。我們重點分析以下鋼鐵在爐內氣氛中,溫度和CO2/COH2O/H2比值的關系對表面質量狀態的影響。查找AD線在950℃時,當氣氛中的CO2/CO=0.4,則爐內氧化和還原的速度相等,整個反應處于平衡狀態。此時鋼表面無氧化和脫碳現象發生,即可實現無氧化脫碳的加熱過程。相反如果CO2/CO比值>0.4,將發生Fe+CO2FeO+CO氧化反應,鋼中鐵原子被氧化成氧化鐵,而CO2/CO比值小于0.4,將發生FeO+COFe+CO2的還原反應,氧化鐵被還原為鐵原子。隨著溫度的改變,CO2/CO的平衡值也會發生變動,即溫度越高則平衡值越小,因此為了確保鋼鐵零件在保護氣氛中不被氧化,要求加熱溫度提高時,CO2/CO的平衡值應愈小愈好。

            需要注意的是熱處理爐內的爐氣會同時包含有CO2、CO、H2OH2,因此在某一溫度下進行爐內成分的分析時,要綜合考慮氣氛的作用。在熱處理常用加熱溫度范圍內(700950)要避免鋼的氧化,應使爐內氣氛CO2/CO的值相應控制在0.40.7,而H2O/H2比值應為0.40.5。

            在不同的加熱溫度下,鋼中的含碳量與CO2/COH2O/H2的比值具有一定的平衡關系,從圖中可知,要防止鋼發生脫碳,只有將CO2/COH2O/H2的比值控制在更小的范圍內,這一點需引起我們的高度重視,例如在850℃加熱含碳量小于0.5%的碳鋼,應將CO2/COH2O/H2的比值均降到0.04以下,才能防止鋼的脫碳??傊?,綜合爐內零件的化學成分、爐內氣氛、裝爐方式和熱處理設備的類型等幾個方面進行考慮,將爐內的氣氛只要控制在一定的溫度范圍內,即可確保鋼加熱時免于氧化和脫碳。

            需要注意的是為確保零件在可控氣氛中實現無氧化、脫碳加熱,要求爐內的保護氣氛穩定;爐膛密封性要好,避免空氣的混入;爐內氣體呈現正壓。因此在實際的熱處理過程中,嚴格執行工藝要求是確保零件表面質量的前提,同時應當切實做好保護氣氛不間斷的相關準備工作。

            ②幾種常見的可控氣氛  關于可控氣氛的選用原則為:鋼鐵零件的化學成分、熱處理的技術要求,原料的來源和成本價格等。在實際熱處理過程中采用多種氣氛,確保零件在加熱過程中無氧化、脫碳現象,實現零件的表面狀態的清潔和成分的穩定。

            我國目前的網帶式加熱爐多采用可控氣氛保護加熱,用于處理氣門、軸承、標準件、彈簧、螺紋刀具等小型大批量零件,均取得了良好的經濟效益和社會效益,同時也借鑒和吸收了國外許多成熟的經驗和熱處理技術,使我國的采用可控氣氛熱處理設備的制造水平得到很大的提高,既可處理中溫的零件,也生產了在1050℃溫度以上工作的可控氣氛熱處理設備。我國目前常用的可控氣氛有三種:放熱式氣氛、吸熱式氣氛和滴注式氣氛。它們的作用和特點歸類如下。

            a.放熱式可控氣氛  它是液化石油氣(主要成分為丙烷和丁烷)、城市煤氣或天然氣(主要成分為甲烷)等原料氣與空氣按一定比例混合后,完全靠自身的燃燒反應(放熱反應)而制備而成,燃燒產生的氣氛中CO2H2O較多,無法防止脫碳,一般常作為低碳鋼和中碳鋼零件的無氧化加熱。只有經過凈化處理的放熱氣氛才能防止零件表面的脫碳,同時有可能適于滲碳等化學熱處理的載體氣(稀釋氣)。目前國內生產的流動粒子爐采用氣體燃燒的熱量來加熱顆粒,完成對工件的加熱,其爐內氣氛即為放熱式氣氛,通常的熱處理氣氛可以滿足零件的熱處理技術要求。

            b.吸熱式可控氣氛  它是將原料氣(如液化石油氣、城市煤氣或天然氣)與空氣按一定比例混合后進行吸熱反應(外部加熱)制備而成。從反應的性質來看,吸熱式氣氛比放熱式可控氣氛中COH2的含量高,CO2H2O的含量明顯降低。該氣氛可用于防止零件的氧化和脫碳,用于碳氮共滲或滲碳等,其應用十分廣泛。吸熱式氣氛的成分控制通常用露點儀或紅外線分析儀來測定,用電子裝置進行自動控制,精度和靈敏性好,這是重要的工藝監控手段和措施。

            需要指出氣氛中含有較多的H2,應注意防止出現爆炸現象,要采取必要的防范措施。另外考慮到由于氣氛與鋼中的鉻元素發生化學反應,將會造成鋼表面鉻的減少,因此不適于鉻合金鋼零件的保護加熱。

            c.滴注式可控氣氛  將甲醇(CH3OH)、煤油和苯等碳氫化合物直接滴人高溫加熱的爐膛內,通過這些有機物的高溫裂解或裂化,產生含有CO、H2CH4等還原性的混合氣體,實現了零件在熱處理過程中的無氧化脫碳加熱。在生產中常將甲醇作為滴入劑,完成保護性加熱,考慮到其裂解產物碳勢較低,還需補充爐氣的碳勢,即通常要另外滴入乙醇(C2H5OH)、異丙醇(C3H7OH)和丙酮(CH3COCH3)等第二種液體。其滴入量和滴入劑的成分應根據零件的材質、裝爐量、爐膛、技術要求、密封程度、零件的裝爐方式以及保溫結束后的冷卻介質等綜合考慮后來確定。

            通常滴注式可控氣氛具有成分制備簡單,原料來源廣,操作方面和易行,生產效率高,效果穩定等優點,因此目前國內外熱處理企業普遍使用該類氣氛進行零件的保護性加熱或化學熱處理,為保持爐內成分的均勻和穩定,在井式爐和箱式爐的上方應添加攪拌風機。

            青島豐東熱處理小編接觸了大量的國內外熱處理設備,采用單一的介質提供需要的成分十分困難,一般采用幾種液體或氣體同時滴入或通入爐膛,這樣才能滿足零件表面無氧化、脫碳的需要。在網帶式滲氮和碳氮共滲爐內,為確保零件的光亮淬火或退火,一般是甲醇和氮氣同時供應。

            (2)氨分解氣

            除了上述三種保護氣氛外,在實際熱處理過程中還可采用另外的保護措施。氨分解氣是指將氨加熱后分解為氮氣和氫氣,二者與加熱的零件不產生化學反應,常用于鉻合金鋼(如不銹鋼、耐熱鋼等)的退火、釬焊、固溶以及光亮淬火等,這樣可節約大量的較高價格的純氫。當然向爐內通入氫氣、氮氣(中性氣體)和氦氣(惰性氣體),同樣起到保護氣體的作用。

        隨著科學技術的進步和對零件熱處理表面質量要求的提高,真空爐已經得到一定程度的普及和推廣,爐膛內抽成真空狀態,使內部的氧化性物質(主要指氧)的含量微乎其微,確保了零件加熱或冷卻中無氧化、脫碳現象。也可向內充入一定量的高純氮氣作為加熱介質,提高加熱的效率。

        青島豐東熱處理專業提供熱處理服務,可為客戶提供化學熱處理(滲碳、滲氮、碳氮共滲)、真空熱處理、等離子熱處理(離子滲氮)、常規熱處理(含深冷處理)等四大領域的熱處理加工服務。歡迎新老客戶來電咨詢,電話:4006577217。

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        此文關鍵字:零件熱處理防氧化

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