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第六章可控气氛热处理设备第一节概述可控气氛：可实现金属的无氧化、无脱碳、无增碳加热，实现化学热处理控制（如碳势控制、氮势控制），完成诸如硅钢片的脱碳退火、钢铁工件脱碳后的复碳、低碳钢冲压件的穿透渗碳等的特殊热处理工艺。◆将采用可控气氛的热处理炉称为可控气氛热处理炉。◆采用可控气氛热处理，可改善工件表面的组织结构，提高机器零件的使用性能；◆减少工件的加工余量或加工工序，以节约金属材料消耗；◆可控气氛热处理炉的机械化自动程度较高，可明显提高劳动生产率和改善劳动条件。※可控气氛热处理的工业应用，最初是由空气通过灼热的木炭而制取的主要含N2和CO气的木炭发生气。※20世纪40年代，以天然气、液化石油气制备放热式气氛和吸热式气氛的技术就已发展成熟。※50年代，可控气氛热处理已成为美国的热处理方式。※我国的可控气氛处理，开始于60年代。70年代发展较快，主要发展了吸热式气氛。最近几年，随着氮基气氛、滴注式气氛的发展，我国可控气氛的应用又出现了好势头。※70年代中东石油危机，促进了氮基气氛的开发。气密空气循环箱式炉－保护气氛用于保护气氛下的金属热处理，可用于光亮退火、回火、钎焊以及金属粉末（PM）的排胶和烧结等热处理工艺。■最高温度可达900℃（1100℃，可选购）另有更多装置：■在门上安装空气循环风扇，增加了马弗腔中的空气循环根据德国标准DIN17052-1,温度均匀性最佳可达±7℃带密封罐的空气循环立式炉-保护气氛带密封罐的空气循环井式炉用于金属热处理，如保护性气氛下的光亮退火和回火、金属粉末（PM）的钎焊和烧结。■有更多装置：■根据德国标准DIN17052-1,温度均匀性最佳可达±3℃■可用氮气、氩气、氢气和混合气的自动通气装置■密封罐的内部温度控制■带‘O’形密封圈的水冷门带密封罐及中央控制的立式空气循环炉用于反应气氛下的粉末硼化处理第二节可控气氛类型1、固体原料——木炭﹡木炭气氛主要成分：N2和CO，还有少量H2、CO2。﹡制备装置:结构简单，制取简易；﹡缺点：木炭消耗量较大，劳动条件差；木炭气氛很不稳定，只适用于要求不严格的工件的保护加热。一、制备可控气氛的原料2、液体原料——有机液﹡常用的有机液：甲醇、乙醇等。﹡一般做为滴注式可控气氛，即把有机液体直接滴入炉内，经高温反应生成可控气氛。3、气体原料﹡常用的有：工业煤气、天然气、液化石油气等。二、放热式气氛放热式气氛的制取容易，产气量大，装置简单，成本低廉，广泛用作毛坯料和一般工件的保护加热气氛。1、定义放热式气氛就是将原料气和空气按一定比例混合，空气过剩系数0.5~0.9，经燃烧反应制备成的气氛。由于反应温度是靠自身燃烧发热来维持的，无需外部供热，所以称为放热式气氛。◆在α为0.9~0.98下燃烧所得气氛称为淡型放热式气氛，空气较多，所得气氛中CO2含量就较高。在燃烧空气系数α小于1的条件下，原料气与空气进行不完全燃烧，其燃烧产物经冷却除水便制得放热式气氛。习惯上，在α为0.5~0.8下燃烧所得的气氛称为浓型放热式气氛，空气较少，所得气氛中还原性组分CO、H2含量较高，而CO2较少。浓型放热式气氛淡型放热式气氛分为2、放热式气氛的制备流程原料气与空气按一定比例混合——燃烧室进行不完全燃烧——燃烧产物迅速冷却除水——经气水分离器进一步除水——制得放热式气氛3、放热式气氛的特性及应用※浓型主要用于毛坯料和不重要零件的保护加热；低碳钢的光洁退火以及中碳钢短时加热淬火。※淡型放热式气氛，主要用于铜及铜合金（不含锌）的光亮热处理、可锻铸铁退火和粉末冶金烧结。4、放热式气氛的净化净化处理目的是去除或进一步降低放热式气氛中H2O和CO2的含量。※常用的方法：1）化学法—它通过10%NaOH水溶液或乙醇胺吸收气氛中的CO2；用化学干燥剂与水结合生成水合物而排除水分；干燥剂有：KOH、CaO等。2）冷冻法除水—使气氛露点达到2~4℃，水分含量为0.7%~0.8%，再用气体干燥剂（硅胶或铝胶（活性氧化铝））进一步除水，使气氛的露点下降到-40℃。露点：就是指气氛中水蒸气开始凝结成雾的温度，即在一定压力下气氛中水蒸气达到饱和状态时的温度。气氛中含水蒸气愈多，其露点就愈高，而碳势就愈低。3）吸附剂吸附除水※沸石分子筛、硅胶、铝胶（活性氧化铝）是最常用的气体干燥剂。通常，硅胶、铝胶只是在高湿度下吸附容量才很大，所以在气体含水很多时，一般先用硅胶吸附，其后才用沸石分子筛吸附，即所谓串联吸附。使气氛的露点下降到-40~-60℃。分子筛晶体内的微孔直径大小均一，能吸附比微孔小的流体分子，而不能吸附比微孔大的分子。因此，它具有“筛子”作用，故名为分子筛。H2O、CO2、SO2等分子直径均小于4埃,均能被分子筛吸附。※吸附剂经一段时间使用后，吸附能力下降。为了恢复吸附剂的吸附能力，需要将吸附质从吸附剂内排出，这一过程称为吸附剂的解吸或再生。再生方法有：加热再生、抽真空（减压）再生。吸附是放热过程，因此提高吸附剂温度可使吸附质排出。最常用的是热空气加热，分子筛和铝胶的再生温度为300~500℃，硅胶为180~250℃。由于吸附剂不易传热，升温速度应缓慢，每分钟应不超过10℃。再生完毕后，吸附剂应冷却，以恢复吸附能力。抽真空（减压）再生。气体加压可使吸附容量增加，相反，减压则可脱出吸附质。解吸压力愈低愈好，但真空度一般为20KPa左右。为使效果好，真空泵的抽速要大，抽真空并同时用净化气体吹洗分子筛，则再生就较为彻底。三、吸热式气氛◆将原料气与少量空气混合，空气过剩系数0.25~0.27，在高温与催化剂作用下在反应罐内产生不完全燃烧生成的气氛。由于这种不完全燃烧反应是吸热反应，所以称这种气氛为吸热式气氛。1、定义：吸热式气氛的应用最为广泛，与它较易制取，成本较低，产气组分稳定，且易于实现碳势的自动控制等因素有关。进入装有镍质催化剂的反应罐——热裂反应（外部供热，炉温950~1050℃）——高温气体急冷至300℃以下（以防止气氛中CO在480~700℃析出炭黑，降低气氛的碳势，堵塞管道）。原料气自动流入发生装置管路中空气被吸入管路中原料气与空气混合——2、吸热式气氛的制备流程※吸热式气氛的成分：CO：20~24%，H2：30~41%，N2：38~45%，以及少量的CO2、H2O和CH4等。※其碳势在0.4%~0.6%C，改变混合比容易调节碳势。3、吸热式气氛的特性与应用※主要用于气体渗碳、碳氮共渗、气体软氮化，也可用于一些钢种的保护加热。※但由于其含H2高，为避免氢脆现象，一般不易作高碳钢淬火加热的保护气氛。在回火温度范围内，由于CO会析出炭黑，因此，吸热式气氛一般不作为回火气氛。1、定义滴注式可控气氛就是将具有渗碳性的有机液体或其混合物直接滴入密封的炉膛（或炉罐）中，在高温和隔绝空气条件下进行裂解所产生的气氛。四、滴注式可控气氛特点：滴控热处理具有设备简单、操作方便、节能等特点，但所用的有机液体原料价格较高。※过去，采用煤油或苯的一种滴注液进行气体渗碳，由于滴注液在炉内裂解生成CH4较多，形成的炭黑量较大，难于进行碳势控制。※1962年，瑞士马格齿轮公司的U.WYSS，发明了用两种有机液滴入炉内渗碳，成功地进行了碳势控制。※近20年来，国内外，滴注式可控气氛获得了很大发展和广泛应用。发展：2、滴控气氛的液体原料有两大类：一类是含碳原子较多的重烃类；如：苯、甲苯、煤油等。（裂解后产生大量的甲烷、氢及活性碳原子，造成很高的碳势且不易控制，容易产生大量碳黑和焦油，附着在工件表面阻碍渗碳顺利进行。）另一类是烃的衍生物；如：甲醇、乙醇等。（高温下易裂解生成H2、CO及少量CO2等，生成的过剩碳较少，不易产生碳黑和焦油，其气氛的碳势较低，且可以控制碳势。）3、滴控气氛的制备原理有两种基本方式：A、直接将滴注液滴入炉内，进行反应生成滴控气氛。B、当热处理炉的炉温较低或其他原因不能使滴注液完全裂解时，应将滴注液滴入裂解炉内，在催化剂作用下进行完全裂解，然后再将裂解气通入热处理炉内。4、滴控气氛的应用用有机液体制取可控气氛，成本较高，但制取设备简单，使用方便、灵活，很适合于中、小型炉使用。◆滴控气氛作保护气氛时：多采用甲醇滴注液，为了提高气氛碳势可再滴入少量增碳有机液体，如：乙醇或丙酮。◆滴控气氛作渗碳气氛时：以甲醇为载体，滴入C/O＞1的有机液体为渗碳剂，以提高炉气的碳势。例如：醋酸乙酯：炉气组分稳定，但炉气中CO2和CH4较多，易析出碳黑造成炉气失控。丙酮：最常用，随滴入量增加，CO2降低，碳势增高，操作易掌握。实际生产中几种热处理工艺所采用的两种滴注液的混合比。五、氨分解气氛与氨燃烧气氛※将氨气通入装有催化剂的反应罐内，在一定温度下分解，便制得氨分解气。将氨气与空气混合燃烧，经冷却干燥除水，便制得氨燃烧气氛。※这两种气氛主要是N2和H2，都不含碳，不会渗碳，因此特别适合低碳不锈钢、镍铬合金，硅钢片等的光亮热处理。※1、氨分解气氛氨气加热到300℃以上就开始分解，随温度的升高，分解加快，为了使氨完全分解，一般选用700~850℃。温度太高，会使反应罐寿命缩短，催化剂失效。※氨分解气氛特性及应用：氨分解气氛的组成75%H2+25%N2，无渗碳和析出碳黑倾向，制备流程与装置简单，易得到纯净而稳定的气氛，可用于各种金属的光亮加热。缺点：耗氨多、产气量少、生产成本高，有易爆危险、残余氨未除净对钢件有轻微渗氮作用。※2、氨燃烧气氛用氨气直接燃烧制气，可省去氨分解装置，使设备简化，节省电能。※氨燃烧气氛含H2较少，可避免加热高强钢出现氢脆现象。※当含H2低于5%时无爆炸危险，又由于它不含碳低温时不析出碳黑，故适合于高温回火的保护气氛。第三节可控气氛的碳势控制※要使钢件不脱碳或表面增碳到一定的浓度，就要对炉气成分做更为严格的控制，也就是要控制炉气的碳势。一、定义※碳势：是指在一定温度下气氛与钢（奥氏体）中含碳量达到平衡时，钢的含碳量。（也可以是表征含碳气氛在一定温度下改变钢件表面含碳量的能力的参数。）※工件在渗碳或加热过程中，对其表面含碳量控制，称为碳势控制。其实质就是控制炉气组分。※碳势控制，50年代，采用露点仪；60年代，采用红外线CO2仪；70年代，出现了氧探头；80年代，实现了微机多参数碳势控制。这些都是间接控制炉气碳势。近几年发展的电阻探头控制碳势，是目前唯一直接控制碳势的方法。二、碳势的测量※1、热丝电阻法：是目前唯一能够直接测量和控制炉气碳势的方法。※用到电阻探头，其中有纯铁丝，直径0.1~0.2mm，焊上引线，接到电阻测定仪上。※铁丝在奥氏体状态下，其阻值与炉温和含碳量有关。温度升高，含碳量增加，铁丝阻值增加。当渗碳温度一定时，铁丝阻值与含碳量存在单值函数关系。将电阻探头放入一定温度的炉膛内，通过测量电阻值，便可知道铁丝的含碳量，即达到测量气氛碳势的目的。※电阻探头的测量精度高，重复性好，投资少，多用于小型炉。※2、露点法：露点：指气氛中水蒸气开始凝结成雾的温度，即在一定压力下气氛中水蒸气达到饱和状态时的温度。气氛中含水蒸气愈多，其露点就愈高，而碳势就愈低。※测量仪器：氯化锂露点仪；※利用露点与碳势的关系间接测出气氛的碳势。第四节可控气氛热处理炉1、炉膛的密封性※密封的目的：防止空气侵入炉内，保证炉气成分稳定；防止炉气外溢，减少可控气氛的消耗量。一、可控气氛热处理炉的结构特点※常采用的密封方法：A、炉壳焊接采用连续焊缝，并经过气密封性检查；B、炉体上的孔洞，如热电偶孔、加热元件等均应设可靠的密封装置；C、炉门严密不漏气，炉门与门框之间要尽量贴合和压紧，减少间隙；D、设置前室和后室。2、炉衬的化学稳定性可控气氛炉必须采用含氧化铁少于1.0%~1.3%的耐火砖（称抗渗碳砖）。对砌砖灰浆也要求同样的材料，这样才能保持砌体的强度和寿命。A、采用电热辐射管，使电热元件不与可控气氛接触；B、采用截面较厚的Fe-Cr-Al合金电阻板（带），采用低压大电流供电，防止因碳黑沉积而造成相间短路，也可以在电阻板表面涂釉以增加寿命。为了增加电热元件的寿命，一般采取两种方法：3、加热元件的耐久性※采用燃料加热的可控气氛炉，可使用煤气辐射管