保护气氛.ppt

可控气氛热处理 一 可控气氛热处理简史 二 可控气氛炉加热的基本原理 三 可控气氛的种类 制备流程 特性 四 可控气氛热处理炉的特性与发展 1850年 英国出现气体保护无氧化加热技术 1850 1880年又出现一系列利用气体 氢 木炭气 一氧化碳 保护的铜材装箱退火法 1880年英国人W 休伊特提出氢保护的钢材装箱退火法 以免去酸洗除氧化皮工序 1890年英国人H H 莱克获得木炭气体发生炉的专利 1925年 美国在转筒式炉中进行了气体渗碳 在升降底式炉中实行铜的蒸汽保护光亮退火 至此 可控气氛才开始在工业上得到应用 与此同时 对金属表面在加热状态下的氧化 还原反应的物理化学过程的深入研究 奠定了应用可控气氛的理论基础 但是 由于缺乏适用的工业加热设备 并且考虑到经济性等因素 可控气氛在很长时期内发展很慢 30年代以后 随着无罐渗碳炉的出现和碳势露点控制的成功应用 以及60年代红外线二氧化碳测定仪的问世和滴注式可控渗碳的发明 才使可控气氛在热处理中的应用获得迅速发展 可控气氛的广泛应用 使工件从长期以来的带黑皮的加热变为光亮加热 使金属和合金的表面化学成分能够稳定 合理地调整到预定要求 这实际上是工业加热和热处理技术的一次重要变革 可控气氛热处理简史 我们知道 在一般空气介质电阻炉中加热钢件时 容易发生氧化和脱碳 要使钢件加热时不产生氧化和脱碳 可以采用两种方法 一种是向炉膛内送入保护气体 使钢件在保护气氛下加热 为了使工件表面不发生氧化 脱碳 烧损现象或对工件进行化学热处理 向炉内通以可进行控制成分的气氛 称可控气氛 另一种方法是把炉膛内空气抽除 使钢件在真空状态下加热 脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象 脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳 这些反应是可逆的 即氢 氧和二氧化碳使钢脱碳 而甲烷和一氧化碳则使钢增碳 钢件在保护气氛下加热不仅可实现无氧化无脱碳热处理 提高热处理质量 还可以进行渗碳 脱碳等特殊热处理 并且可实现机械化和自动化控制 使生产率得到提高 劳动条件得到改善 但其设备复杂 投资较大 操作技术要求较高 保护气氛可以是中性气体 N2 或惰性气体 Ar 有时也可以是还原性气体 H2 大多数保护气氛是由多种气体 例如CO CO2 H2 CH4 H2O N2等 混合组成的 基本原理概述 可控气氛的种类与制备 用于热处理的可控气氛种类很多 按照制备可控气氛的原料气 液 不同 可控气氛分为四类 以原料气制备的 以有机液体制备的 分离空气制备的 瓶装高纯气体 目前常见的可控气氛有 以原料气制取可控气氛分 放热式气氛 吸热式气氛 滴注式气氛 氨分解气氛 氨燃烧气氛 氮基气氛等 吸热式气氛 在发生器中 把天然气 液化石油气等气体与一定比例的空气混合 当空气量较少时 混合气体先部分燃烧 再通过加热到高温 1000 以上 的催化剂 使混合气体的未燃部分热裂解 吸热反应 而制得 吸热式气是一种应用最广的可控气氛 把它作为运载气体 将适量的富化气 甲烷或丙烷 带入加热炉内 就可以使低碳钢件表面渗碳 使碳含量达到规定的要求 控制富化气的添加量 便能控制炉气的碳势 炉气的碳势是指某一温度下炉气与钢表面奥氏体中的碳量相平衡时的碳量 简单地可理解为炉气的渗碳能力 吸热式气氛在渗碳 碳氮共渗和气体氮碳共渗等化学热处理工艺中应用极广 也可用于中碳钢 高碳钢 合金工具钢 轴承钢和高速钢的光亮淬火 吸热式气氛制备流程图 原料气经减压阀 流量计和压力调节阀进入混合器与空气混合 空气经过滤器 流量计进入混合器 原料气与空气的混合气由泵鼓入反应罐 在管路中设有安全装置 如火焰逆止阀等 混合气在l000 1050 的反应罐内借助镍基催化剂的作用进行化学反应 生成吸热式气氛 为防止在400 700 之间生成碳黑 经水冷却器冷却到300 以下 通入炉内使用 优点 含CO和H2较多且含量比较稳定 其碳势在0 4 0 6 改变混合比容易调节碳势 对碳钢来说 它是还原性气氛可用于中 高碳钢光亮热处理 并可做渗碳或碳氮共渗的渗碳剂和载体气 在吸热式气氛中加入少量丙烷气可做渗碳可控气氛 缺点 吸热式气氛中的CO容易引起钢中的Cr氧化 故大多数不锈钢都不用它做保护气氛 吸热式气氛中的H2含量高 为了避免氢脆 一般也不用它做高强钢的保护气氛 吸热式气氛的特性 放热式气氛 在发生器中 把天然气液化石油气等气体燃料或酒精 柴油等液体燃料与较多的空气混合 使它接近于完全燃烧 放热反应 再对燃烧产物进行初步净化 除水 或高度净化 除水 二氧化碳和一氧化碳 而制得的气体 放热式气可用于低碳钢的光亮退火 硅钢片的脱碳退火 中碳钢 高碳钢的光亮淬火 粉末冶金的烧结和气体氮碳共渗等 净化放热式气氛还可用于不锈钢的退火和钎焊保护 或作为渗碳时的运载气体等 放热式气氛制备流程图 原料气与空气按一定比例混合 用罗茨泵送到烧嘴 在燃烧室内进行燃烧及裂解 未燃烧的部分原料气通过催化剂完全反应 反应产物主要含有CO H2 N2 CO2 H2O和少量CH4 反应产物应通入冷凝器中 使其中的水气冷凝成水而排除 必要时再净化处理 这样就获得可供应用的放热式气氛 气氛发生装置的管路系统主要由四部分组成 1 混合系统 原料气和空气混合后用罗茨泵送至烧嘴 2 燃烧系统 混合气由烧嘴喷入燃烧室 用点火器点燃并在其中燃烧 3 净化系统 燃烧气经冷凝器和各种净化器等除去其中的水分及CO2等 4 安全系统 由单向阀 灭火器 防爆器和放散阀等部件组成 此外 还有各种控制阀 压力 流量等测量仪表 放热式气氛的特性 优点 放热式气氛发生装置结构简单 不用外部能源 制备方便 产气量大 原料气消耗量少 所以它的生产成本较低 缺点 从气体成分来看 放热式气氛含有较多的CO2 它是一种脱碳性较强的气氛 所以只能用做少或无氧化加热的气氛 其中浓型气氛可用于低碳钢光洁退火以及中碳钢短时加热淬火 淡型气氛可用于铜合金光亮退火 可锻铸铁退火和粉末冶金烧结 使钢表面的碳浓度可以控制的滴注式渗碳所产生的分解气也属于可控气氛 这就是60年代初期提出的卡博马格法 其原理是 往炉中滴入两种有机液体 在炉中发生热裂解 以一种液体 如甲醇 的热裂解气作为运载气体 以另一种 如醋酸乙酯 的热裂解气作为富化气体来实现钢的渗碳 并靠调节第二种液体的滴入量来达到控制炉气碳势的目的 这种方法的优点是不用气体发生炉 设备结构简单 适于批量生产 滴注分解气氛 滴注式气氛制备流程图 滴注式可控气氛炉是一种将有机溶剂 甲醇 乙醇和丙酮等 直接滴入密封箱式或井式炉 使之在高温下分解 并通过调节溶剂的流量来调节和控制气体的成分 从而进行可控气氛保护加热或渗碳 碳氮共渗的设备 这种设备的优点是造价低廉 结构简单 操作方便 使用广泛 滴注式气氛的特性 滴注式气氛多用甲醇滴注液 为了调整高碳势气氛 通常以甲醇为载体 滴入C O 1的有机液为增碳剂 以提高炉内气氛的碳势 图为不同渗碳剂与甲醇混合物对炉内气氛中CO含量的影响 从图中可以看出醋酸乙脂作渗碳剂最好 这样的炉气稳定 不致因渗碳剂滴入量的改变而影响炉气的组分 使操作过程中的调节控制简单易行 其他气氛简介 氮基气氛常用的是将制氧过程中产生的工业氮经净化 除氧或空气 后得到的高纯氮气 也可以是将液氮蒸发得到的气体 氮基气氛可用于加热保护 也可以加入甲醇等使其成分接近吸热式气氛 作为渗碳时的运载气体 再加入富化气 如丙烷等 即可渗碳 它的优点是可以节约天然气 液化石油气等 碳势也可控制 氨分解气氛与氨燃烧气氛氨在一定温度和催化剂作用下可完全分解为3个体积的氢和1个体积的氮 形成氨分解气 也可以把氨和空气混合进行部分燃烧 然后除水净化得到氨燃烧气 主要成分是氮 这两种气氛都含氢 属于氢 水类型的混合气体 多用于不锈钢高速钢的热处理和粉末冶金的烧结 因氨较贵 故制备成本较高 氢氢是还原性气体 绝对干燥的氢是难以制备的 因此使用的氢实际上是微量水和氢的混合气体 金属在氢中加热时是氧化或是还原取决于水与氢的比值 但用氢保护加热不能绝对防止钢的脱碳 不锈钢和硅钢片的退火 粉末冶金的烧结铁粉还原 都可以在氢气中进行 可控气氛热处理炉的特性与发展 可控气氛热处理炉的特点是在某一既定温度下 向炉内通人一定成分的人工制备气氛 以达到某种热处理目的 如气体渗碳 碳氮共渗及光亮淬火 遇火 正火等 通过调节通入气氛的成分 实现对炉内气体的碳势控制 与一般热处理炉相比 可控气氛热处理炉有以下几方面特点 1 炉子的密封性良好2 炉内气氛均匀3 炉内构件抗气氛侵蚀4 装设安全装置5 机械化 自动化程度高 可控气氛热处理炉的优越性如下 1 实现无氧化无脱碳与增碳热处理 因而提高钢件的表面质量及机械性能 减少零件的加工余量和钢材的烧损量 因此能节省工时及能耗 节约金属