热处理设备5（PPT34页)

热处理原理、工艺及设备PRINCIPLES,TECHNOLOGYANDEQUIPMENTSFORHEATTREATMENT第三部分热处理设备（5）EquipmentsforHeatTreatment§15可控气氛热处理可控气氛热处理的作用：防止工件在加热过程中氧化和脱碳对工件进行化学热处理炉内气氛控制是热处理生产的重要技术问题§15.1可控气氛的种类可控气氛：成分和性质可适当控制的气体，有反应生成气氛、分解气氛和单元素气氛等。常用气氛吸热式气氛放热式气氛氨分解气氛氮基气氛滴注式气氛§15.1可控气氛的种类一、吸热式气氛吸热式气氛的基本概念属于反应生成气氛，由原料气（如天然气、丙烷、液化石油气、城市煤气）与空气过剩系数α≤0.5的空气不完全燃烧的产物。§15.1可控气氛的种类在理想的混合状态下，燃料燃烧时，理论量的空气即可保证完全燃烧。但在实际的燃烧装置中，为使燃料完全燃烧必须供给过量的空气。空气过剩系数：一般把超过理论空气量多供给的空气量称为过剩空气量，并把实际空气量的体积与理论空气量的体积之比定义为空气过剩系数α。§15.1可控气氛的种类当空气量较低时，因燃烧反应产生的热量不能维持燃烧继续进行，需由外部供热，所以称为吸热式气氛。主要成分：H2、CO、N2、CO2及H2O用途对低碳钢是还原性和渗碳性的，可用作渗碳时的载气中、高碳钢加热时的保护气体不宜做高铬钢和高强度钢保护气氛，以免与钢中的铬形成碳化物而使钢贫铬，或使高强度钢产生氢脆§15.1可控气氛的种类二、放热式气氛放热式气氛的基本概念也属于反应生成气氛，由原料气和较多的空气（空气过剩系数α=0.5~0.95）不完全燃烧的产物，所产生的热量足以维持反应进行。放热式气氛对原料气要求不高，可采用液化石油气、煤气、轻柴油、煤油等。§15.1可控气氛的种类主要成分：H2、CO、N2、CO2及H2O特点：由于空气过剩系数较大，CO2及H2O的含量较多，氧化性和脱碳性较强。为提高其还原性，常进行净化处理，去除CO2及H2O。用途铸、锻件的退火、正火低、中碳钢光亮退火、淬火钢件回火的加热保护铜及铜合金的光亮热处理可锻铸铁的退火加热保护高碳钢保护气和化学热处理介质§15.1可控气氛的种类三、氨分解气氛1、氨分解气氛的基本概念将无水氨加热到800~900℃，在铁镍触媒作用下经完全分解而得。无水氨是干燥的，分解出的气氛也是干燥的，在20℃，101325Pa的条件下，1kg液态氨可气化为1.39m3的气态氨，分解后可得2.78m3的H2+N2的混合气体。§15.1可控气氛的种类氨分解的反应式如下：2NH3→3H2+N2-QN2是中性气氛，因此氨分解气氛的性质与H2基本相同，为还原性和脱碳性，但比使用纯氢经济方便。用途分解气氛中不含氧和碳，不会和钢中的铬形成氧化物或碳化物而形成贫铬区，因此常用作不锈钢、高铬钢和高铬耐热钢的光亮退火、光亮淬火加热保护。§15.1可控气氛的种类2、氨燃烧气氛将氨气和空气混合后进行燃烧而制成的一种以氮为基本成分的保护气氛。制备方法氨先分解后再燃烧：先将氨气在分解炉内分解成氨分解气，再和不同数量的空气混合，在燃烧装置中催化燃烧以制取所需含氢量的保护气体。氨气直接燃烧法：将氨气与空气混合直接通入氨燃烧炉中催化燃烧以制取氮氢混合气。（省去氨分解工序能耗大为降低）§15.1可控气氛的种类分类完全燃烧：主要成分为N2，且纯度达到液氮及碳分子筛制氮机的水平（99.9995%）。不完全燃烧：可通过控制空气量将氢的体积分分数控制在0.5%~30%。用途完全燃烧气氛：生产成本低于液氮、瓶氮，设备成本低于碳分子筛制氮机，不需液氮储存容器，是经济、简便、安全、实用的保护气氛。不完全燃烧：纯铜退火（氢的体积分数3%~5%），黄铜退火（氢的体积分数25%）。§15.1可控气氛的种类四、氮基气氛氮基气氛的基本概念以氮气为基本成分并加入少量的还原性或渗碳性气体制备而成的一种可控热处理气氛。在氮基气氛中，氮气占炉内气氛的体积分数为40%~97.8%。还原或渗碳性气体（如CO、H2等）可消除工业氮中微量氧的不良影响，防止工件氧化。§15.1可控气氛的种类特点节省能源、气源丰富、安全经济、适应性广。用途稳定用于退火、淬火、渗碳、渗氮等多种热处理工序。§15.1可控气氛的种类氮基气氛的主要类型及应用氮基气氛类型应用范围N2钢、磁性钢板、镀锌钢板、铸件、有色金属退火、时效、淬火加热、真空气淬、稀释炉气氛、清洗气体N2+H2钢、不锈钢、镀锌钢板、有色金属退火、时效、淬火加热、真空气淬、烧结及钎焊保护N2+H2+CmHn钢退火、淬火加热、烧结保护N2+CmHn钢退火、铸件退火、淬火加热、碳氮共渗N2+CH3OH钢退火、有色金属退火、淬火加热、烧结保护N2+CH3OH+CmHn渗碳N2+CH3OH+CmHn+NH3碳氮共渗N2+CH3OH+NH3碳氮共渗N2+CO2有色金属退火N2+CO2+NH3碳氮共渗§15.1可控气氛的种类五、滴注式气氛1、滴注式气氛的基本概念把有机液体定量地直接滴入加热到一定温度且密封性良好的炉内，在炉内裂解形成的可控气氛，所用有机液体称为滴注剂。主要成分：H2、CO及少量CO2、H2O和CH4§15.1可控气氛的种类气氛的性质——取决于有机液体分子式中的C/O摩尔比。C/O摩尔比＞1，裂解后气氛为还原性和渗碳性（如乙醇C2H5OH）C/O摩尔比＜1，裂解后气氛为氧化性和脱碳性（如甲酸HCOOH）§15.1可控气氛的种类2、滴注剂种类及特性（1）C-H系有机化合物：只含有C、H两种原子，根据分子的结合状态不同，可分为烷烃（CnH2n+2）、烯烃（CnH2n）、炔烃（CnH2n-2）和芳香烃（分子结构均含环状）等。相同碳原子数目的各类烃比较，碳链断裂难易程度依次为苯环、炔烃、烯烃、烷烃。煤油为常用滴注剂，主要由C11~C16烃类组成煤油作为渗碳剂，控制滴注量，可制备不同碳势的可控气氛。§15.1可控气氛的种类（2）C-H-O系有机化合物：烃分子中某些氢原子被氧原子所取代而成，称为烃的含氧衍生物。常用的滴注剂：甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、醋酸乙酯、醋酸甲酯和甲酸等。（3）C-H-O-N系有机化合物：在气体碳氮共渗工艺中，除采用氨气作为活性氮的原料外，还可以用该系有机化合物作为碳氮共渗的原料。常用的滴注剂：三乙醇胺和甲酰胺。§15.1可控气氛的种类3、有机化合物热分解率和渗碳能力（1）有机化合物热分解率：把分解生成的气氛作为100%，减去残留的碳氢化合物的含量。影响热分解率的因素：热分解温度越高、滴注量越低，热分解率越高。在相同条件下，多碳原子的化合物不易完全分解触媒有助于提高热分解率§15.1可控气氛的种类（2）有机化合物的渗碳能力碳单量：有机液裂解出1mol原子碳所需要该物质的重量。碳单量越大，说明该物质的渗碳能力越弱；碳单量越小，该物质的渗碳能力越强。碳单量与C/O摩尔比正好相反，碳单量越小，C/O摩尔比就越大。§15.2几种常用的可控气氛热处理炉1、密封箱式可控气氛炉（多用炉）用途：机械零件的渗碳、碳氮共渗、光亮淬火、光亮正火、光亮退火、中性淬火等。热处理过程中，工件不会与空气接触，可获得高的热处理质量及表面质量。结构加热室、前室、淬火槽、缓冷室、传动机构、温度及气氛控制仪表此外还有零件清洗机、气源与产气装置、回火炉等附属设备。主要结构介绍加热室：密封箱式可控气氛炉的关键部位，热处理时零件的加热部位。无炉罐的加热室子在使用过程中要防止炉中可控气氛发生爆照。前室：与加热室相连，完成工件装出炉、淬火、淋油、缓冷工序，与加热室之间设有内炉门。缓冷室：有些完成渗碳或碳氮共渗的零件由于后续工序要求，需进行缓慢冷却，且须在可控气氛保护下均匀冷却。§15.2几种常用的可控气氛热处理炉推拉料机构：单推料机结构简单紧凑，在常温工作，便于维修，但会导致前室密封性差，影响加热室气氛的稳定双推料机，即增加一台后推料机，将加热室的料盘推入前室升降台，或将料盘从升降台拉入加热室，便于与前、中门开启配合，炉内气氛稳定，但易出故障，难维修§15.2几种常用的可控气氛热处理炉§15.2几种常用的可控气氛热处理炉分类推拉料机的数量：单推拉料机、双推拉料机出料方式：前室门出料、油下出料前室有无缓冷室及其设置位置：可进行淬火作业的、可进行淬火和缓冷作业的（上缓冷室、侧缓冷室）§15.2几种常用的可控气氛热处理炉§15.2几种常用的可控气氛热处理炉单推拉的工作过程：推拉料头将置于装卸料台上的工件经前室推入炉膛内加热→推拉料机再进入炉内将工件拉至前室升降台→工件淬火或缓冷→推拉料机从前室将处理好的工件拉到装卸料台双推拉与单推拉的不同：设置了后推拉料机，将前室未加热的工件拉入炉内加热，或将炉内工件推至前室升降台上§15.2几种常用的可控气氛热处理炉2、推杆式可控气氛连续热处理炉借助于推料机构，将装有工件的料盘或料框间接地从炉子一端推入炉内，根据不同工艺要求完成热处理后，依次从另一端将工件推出的一种连续作业炉。用途适用于大批量工件生产，可进行光亮淬火、光亮回火、气体渗碳和碳氮共渗等工艺。§15.2几种常用的可控气氛热处理炉§15.2几种常用的可控气氛热处理炉炉子的工作过程放在前室外运输导轨上的工件→推至前室、换气→前推料液压缸将工件推至炉内加热→后拉料机构进入炉内将工件拉至升降台→升降台下降、工件淬火→油下平推液压缸将淬火工件推至另一升降台、工件升出油面→运输机构将工件送入清洗机→工件清洗完、拉向运输导轨→完成光亮淬火工艺§15.2几种常用的可控气氛热处理炉一、可控气氛热处理炉的使用1、保持炉内为正压：为保持炉内气氛成分不受外界干扰、保证热处理质量，炉内需维持正压，一般比车间大气压高几十帕到几百帕，井式炉不低于200Pa，箱式炉和推杆炉不低于20Pa。2、合理分配富化气和载气：连续炉中进行渗碳时，整个炉子分几个位置进气，即加热区的中间位置、渗碳区的中间和末端位置，扩散区的末端位置、预冷区的末端位置。出载气在各进气口平均分配，富化气仅在渗碳区的中间和末端位置进气口供给。§15.3可控气氛热处理炉的使用和安全操作3、炉膛时效处理：新炉膛或烧炭黑后的炉膛必须进行时效处理，以便将炉内空气排出干净，并使砖内的氧化铁还原，为正常生产做准备。4、定期清除炉内炭黑：渗碳炉长时间使用后，炉内产生积碳，会使辐射管和电阻板早期损坏，降低碳势控制仪寿命，需定期予以清除。§15.3可控气氛热处理炉的使用和安全操作二、可控气氛热处理炉的安全操作1、防止爆炸2、工艺温度低于760℃的炉子，采用特殊开炉措施，如开炉时通入氮气或在炉膛内进气口处使用移动电火炬3、通入至少4~5倍炉膛容积的氮气，驱赶净炉内空气，适用于开炉和停炉操作，及排除炉子故障的操作。4、防止窒息和中毒§15.3可控气氛热处理炉的使用和安全操作