液氮在材料熱處理中的應(yīng)用

液氮在材料熱處理中的應(yīng)用一、液體狀態(tài)的氮液氮即液體狀態(tài)的氮。液氮可以通過專門的設(shè)備制取，也可以在制取液氧的過程中作為副產(chǎn)品而得到。液氮具有很低的溫度，其沸點(diǎn)為-195.8C，可以用作深冷劑。液氮還可以從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，成為氮?dú)?，可以作為保護(hù)氣體通入熱處理爐內(nèi)。在空氣中，氮?dú)馑嫉谋壤畲?。液氮也不像液氧那樣易燃、易爆，所以，液氮具有資源豐富、安全性較好等優(yōu)點(diǎn)，存材料熱處理方面有著以下主要用途。二、液氮在真空熱處理中的應(yīng)用真空熱處理是國(guó)內(nèi)外正在采用的比較先進(jìn)的熱處理方法，在真空熱處理中，往往離不開使用氮?dú)?。例如，?dāng)鋼鐵件在真空爐中加熱時(shí)，若真空程度過高，則為防止工件材料中的合金元素?fù)]發(fā)，需對(duì)爐中回充適量的氮?dú)?，以提離爐內(nèi)微量氣體的壓力。又如，在真空加熱油淬的真空淬火過程中，有時(shí)為了保證或提高淬火油的冷卻能力，需在工件冷卻之前，向真空爐中回充足夠的氮?dú)?。在高壓氣淬時(shí)，需要快速向真空爐中充入高于一個(gè)大氣壓的氮?dú)?。在鋼件真空回火時(shí)，在抽真空后需回充氮?dú)庖詫?shí)現(xiàn)爐內(nèi)保護(hù)氣體循環(huán)均勻加熱，以及實(shí)現(xiàn)回火后的快速冷卻。真空熱處理所需的氮?dú)猓懈鞣N不同的來源。由于液氮的密度遠(yuǎn)比氮?dú)獯?，體積遠(yuǎn)比氮?dú)庑。阌谶\(yùn)輸和貯藏，而且在大量供應(yīng)時(shí)價(jià)格也較便宜。所以，液氮是真空熱處理所用氮?dú)獾闹匾獊碓粗?。在?guó)外和我國(guó)上海等地，有不少?gòu)S家就使用較大的專用儲(chǔ)存罐，存放由液氮供應(yīng)廠商專車運(yùn)送來的液氮，并將由液氮逐漸汽化而成的氮?dú)庥糜谡婵諢崽幚怼Ｋ麄冋J(rèn)為，使用液氮比使用瓶裝氮?dú)饣虿捎弥频獧C(jī)制氮經(jīng)濟(jì)合算。當(dāng)然，是用液氮合算，還是用瓶裝氮?dú)饣蛑频獧C(jī)供氮合算，這與當(dāng)?shù)氐臍庠礂l件、以及熱處理生產(chǎn)廠用氮?dú)饬康拇笮〉染唧w情況有關(guān)。液氮的價(jià)格不僅與其純度的高低有關(guān)，與一次購(gòu)入量的多少也有關(guān)。例如在2003年春季和夏季，湘潭有一家制氧廠生產(chǎn)銷售的液氮，一次購(gòu)1000L以上時(shí)，售價(jià)為每升1元；若零售，則每升4元。三、液氮在材料深冷處理中的應(yīng)用精密量具和一些精密器件，要求其組織穩(wěn)定，在使用和儲(chǔ)存中不變形。而其中有些鋼鐵制造的精密量具和器件，在淬火后存在殘留奧氏體。若不消除殘留奧氏體，則這些量具和器件就難以保證不變形。消除這此殘余奧氏體的一個(gè)有效方法就對(duì)其進(jìn)行冷處理，讓殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，并通過回火使其變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織。有些鋁合金件，在切削加工或長(zhǎng)儲(chǔ)、使用中存在容易發(fā)生變形的問題。若不解決變形問題，容易造成或者加工制造的廢品率高、或者售出的產(chǎn)品質(zhì)量不好。這些變形問題，往往與其原材料或切削加工產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。解決這些變形問題，有時(shí)需要采取高低溫循環(huán)熱處理的方法消除殘余應(yīng)力，其中包含了冷處理或-130°C以下低溫的深冷處理。為了消除鋁合金件淬火后的殘余應(yīng)力，有時(shí)也需要進(jìn)行反淬火，即把淬火后的工件進(jìn)行深冷，然后再用較快的升溫速度讓工件溫度提高，使其產(chǎn)生與淬火時(shí)相反的熱應(yīng)力。還有一些特殊用途的材料或產(chǎn)品，為了使其滿足在低溫環(huán)境下使用的尺寸穩(wěn)定性和安全性要求，也需要經(jīng)過冷處理或深冷處理。由于液態(tài)氮的溫度為-196°C，化學(xué)穩(wěn)定性也較好，所以可以直接或間接地用于上述冷處理。有些形狀較簡(jiǎn)單，不用擔(dān)心深冷開裂、不用擔(dān)心力學(xué)性能變化的鋁合金件或鋼件，可以直接浸放入液氮中深冷處理。當(dāng)不能直接浸泡時(shí)，可以采用液氮的揮發(fā)氣作為冷卻介質(zhì)。還可以將液氮作為制冷劑，使擺放工件的容器（低溫箱）降溫到所需的冷處理溫度。四、鋁合金件深冷處理后的力學(xué)性能變化我們公司在對(duì)經(jīng)過深冷處理的鋁合金件切削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，其材料比未經(jīng)冷處理的同一種零件的材料硬一些后來發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)于一種零件、一種材料，而帶有普遍性。于是，我們?nèi)∑渲幸环N2A12牌號(hào)T4狀態(tài)的鋁合金件作了硬度對(duì)比。其結(jié)果見表1。從表1可見，2A12-T4鋁合金件經(jīng)過深冷處理后，硬度確實(shí)有提高。2145144144CI'L14GJlecliNet.co試件狀況稀障處理備fit（慢速冋升）試件編兮a1 2A12鋁合金經(jīng)液氮深冷處理件2145144144CI'L14GJlecliNet.co試件狀況稀障處理備fit（慢速冋升）試件編兮a1 2A12鋁合金經(jīng)液氮深冷處理件與未經(jīng)處理件的室溫硬度球比佻應(yīng)狀態(tài)fT4瀕態(tài)）探冷處理（快速阿升）IIIIS(5/75/30)HBS<.5/75/3A)表2是根據(jù)資料整理的數(shù)據(jù)。從表2可見，7A04鋁合金經(jīng)-196C深冷處理后，其強(qiáng)度會(huì)有明顯的提高。表訂7A04IS合金經(jīng)-196P深冷處理后的室潟力學(xué)性能變化lll'+f1狀況巧/弼Va療(%)備淫550432''14性狀態(tài)板衲6285109性能變化+2』.1喘斗詣.1%-35.7%件未繰搏588539*Wifc^73662?件能變化+25.2%十L6M皤寡lF^--8S&hNet.Goul,cri3由此可見，采用液氮對(duì)鋁合金件進(jìn)行-196°C的深冷處理，是進(jìn)一步提高其材料強(qiáng)度的有效途徑之一。五、液氮在材料熱處理中的其他應(yīng)用液氮還可以用作超低溫淬火的淬火介質(zhì)。由于液氮的冷卻速度比水大5倍，液氮的汽化潛熱為水的1/11，所以工件淬入后立即被氣體包圍，淬火變形及淬裂的可能性較小。鋼在液氮中淬火后，殘余奧氏體量極少，可使其獲得更高的硬度和尺寸穩(wěn)定性。但由于液氮容易揮發(fā)，消耗量較大，生產(chǎn)成本較高，所以目前應(yīng)用得較少。此外，電子顯微鏡是觀測(cè)和研究材料、分析熱處理質(zhì)量問題的大型儀器。而液氮?jiǎng)t是電子顯微鏡所需要的一種輔助材料。六、液氮使用的安全性雖然液氮為非易燃物，但在使用、運(yùn)輸和貯藏液氮的時(shí)候，也必須注意安全。例如，不要用手直接接觸液氮，并且注意防止液氮濺到身上，以防凍傷；應(yīng)在通風(fēng)的場(chǎng)所使用液氮，以防氮?dú)馐谷酥舷?；裝運(yùn)液氮時(shí)，不要將液氮封裝過嚴(yán)，以防發(fā)生物理爆炸等等。七、結(jié)語液氮是真空熱處理所需的氮?dú)鈦碓粗唬质菍?duì)材料作深冷處