《热处理设备》第五章 可控气氛炉

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其反应方程式如(10-1)，反应方向由平衡常数来判断.
在一定温度下，反应达平衡时，气氛中各种气体浓度 不再改变，其平衡常数为
K P1
式中：
PCO [CO] (CO) PCO2 [CO2 ] (CO2 )
(10 2)
PCO、PCO2—CO和CO2气体的分压; [CO]、[CO2]— CO和CO2气体的浓度； （CO）,（CO2）混合气体中CO和CO2的体积百分含量 12 .
反之，当（CO）/（CO2）>2.486时，反应向左进行，发 生还原作用，钢件不氧化。因此，钢在CO2—CO气氛中 是否发生氧化，取决于（CO）/（CO2）的比值，即
（CO）和CO2的相对量，并不是绝对含量。
2、钢在H2—H2O气氛中的反应
在热处理温度条件下，钢在H2—H2O气氛中的反应
式为
其平衡常数为
§10—2
可控气氛加热的基本原理
在这一节里，我们通过钢在可控气氛中加
热所发生的化学反应，来了解可控气氛中各种
组分的性质与作用以及对钢在加热过程中发生
氧化还原、脱碳增碳反应的影响，进而确定可
控气氛中的控制对象。
常用的可控气氛主要由CO、H2和少量的
CO2、H2O和CH4、CnHm等气体组成。在热处
理温度条件下，气体与钢进行化学反应。
定状态。
氧势是指在一定温度下，金属的氧化和氧化物的分解
处于平衡状态时气氛中氧的分压或氧化物的分解压。（点）
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4.钢在CO、CO2、H2、H2O混合气体中的氧化还 原反应
当炉内气氛同时存在CO、CO2 、H2 、H2O 时，必
须综合考虑式(10—1)和(10—3)，
这时要达到无氧化加热需满足如下条件，即
速度相等，这样就能实现无氧化与无脱碳加热。 无氧化加热一般可分为光亮加热和光洁加热，前 者表面未形成氧化膜，仍保持金属光泽；后者有 氧化膜生成，失去金属光泽。 可控气氛热处理炉的优越性如下：
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(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，节约金属材料。 (2)实现可控渗碳，可以精确地控制零件表面的含碳量、 碳浓度梯度和渗碳层厚度，因而提高了渗碳零件的机械性 能，稳定渗碳工艺的质量。 (3)实现特殊的热处理工艺，如硅钢片的脱碳退火，轧 制钢材的复碳退火等。 (4)实现机械化与自动化，提高劳动生产率，改善劳动 条件。 总之，可控气氛热处理炉目前已成为一种先进的加热 设备。尤其是在可控气氛的应用方面可作为衡量一个国家 9 热处理技术发展水平的重要标志。
其反应常数为： K1 P 2 CO （ / PCO 2 aC） （ 10 9） 或 aC K1 P 2 CO / PCO2 （ 10 10）
式中： [C ] — 钢中所含碳。
ac— 碳在奥氏体(γ一Fe)中的有效浓度，又称奥氏体中碳 19 的活度.（ac是在一定温度下钢的含碳量与γ一Fe中的饱和含碳量的比值 ）
此外，虚线AK表示氧化 一还原平衡曲线。在AK线 下方Fe将发生氧化反应;在 AK线上方的气氛是还原性 的，能防止氧化，但不能 防止脱碳。这是因为在 700℃以上脱碳反应的平衡 条件所需要CO%含量远比氧化反应为高。也就是说，不
脱碳的条件比不氧化的条件要严格得多。因此，如果进行 既不氧化又不脱碳的光亮热处理时，则应使气氛中CO含 量保持在相应含碳量的钢的平衡曲线以上，亦即将气氛的 21 碳势维持在钢的相应含碳量以上。
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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 ，各种气体与钢进行的化学反应列于表10-1中。
接下来首先了解制备可控气氛的各种常用原料，
为我们了解各种气氛的制备方法、特性与应用做铺垫。
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一、制备可控气氛的原料 1．固体原料 主要是木炭。将空气通入炽热的木炭层时产生木炭气
氛，其主要成分是N2和CO，还有少量H2和CO2。
木炭气氛发生装置结构简单，制取简易，但木炭消耗 量较大、劳动条件差。木炭气氛的成分很不稳定，只适用 于要求不严格的工件的保护加热，如铸锻件的退火保护。 2．液体原料 液体原料主要是有机液体，如甲醇（CH3OH）、乙 醇（C2H5OH）、丙醇（C3H7OH）、苯（C6H6），甲苯 （C7H8）、丙酮（CH3COCH3）等。一般做为滴注式可 控气氛。
主讲教师：范涛
北华航天工业学院 金属材料工程教研室
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课十二
第五章
可控气氛热处理炉
本章我们主要了解以下四个方面的内容：
一、可控气氛炉加热的基本原理；
二、可控气氛的种类、制备流程、特性与应
用； 三、可控气氛的碳势测量及氧势控制。 四、可控气氛热处理炉的类型、安全操作与 发展。
本次课我们先来了解前两个方面的内容。
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• 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。其化学方程式如下； • 2Fe3C+O2＝6Fe+2CO • Fe3C+2H2＝3Fe+CH4 • Fe3C+H2O＝3Fe+CO+H2 • Fe3C+CO2＝3Fe+2CO • 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。
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一、钢在炉气中的氧化还原反应 1、钢在CO2-CO气氛中的反应 钢在空气中加热将与氧发生氧化反应，在 560℃以下生成Fe3O4，在560℃以上形成三种 氧化物，内层为FeO，中层为Fe3O4，外层为 Fe2O3，通常认为氧气对钢的氧化过程是不可 逆的，无法控制。 钢在CO2-CO气氛中的氧化还原反应则有 所不同，是可逆的，其反应速度和反应方向决 定于CO/CO2比值和温度。
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§5.1
发生氧化和脱碳。
概述
我们知道，在一般空气介质电阻炉中加热钢件时,容易 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
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表10-1各种气体与铁及其碳化物的化学反应
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各种气体与钢的化学反应和各种气体之间的化
学反应是比较复杂的，但是可以调节保护气氛中
氧化性气体与还原性气体的比例、脱碳性气体与
渗碳性气体的比例，即CO2/CO、H2O/H2、
CH4/H2的相对含量，使反应处于平衡状态，钢的
氧化速度与还原速度相等，钢的脱碳速度与渗碳
在一定温度状态下，平衡常数KP总保持为定值。某 一温度下的kP值，可由实验测定，也可由热力学反应自由 能计算求得。如表10-2所示
表10-2
温度 （℃）
K P1 PCO PCO2
CO和CO2对铁的氧化还原反应的平衡常数
300 0.752 400 0.815 500 0.960 600 1.116 700 1.45 800 1.795 900 2.142 1000 2.486
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含硫量很低（＜0.01%)，很适于制备吸热式气氛。二者
在常温下加压即可液化，因而可充入容器中运输和贮存。
制备吸热式气氛的原料气要求含烯烃等杂质在5%以下，
纯度低易在制备气氛过程中产生碳黑，影响气氛质量。
甲烷（CH4）是一种较好的原料气，占天然气达90% 以上，纯度很高，但其是一种干性气体，很难液化，不便 于贮运。 氨气是呈液态瓶装，贮运方便，要求含水分杂质要 少。氮气有工业氮，它是制氧的副产品，含氧较多，另外 也可用空气分离法制造粗氮和纯氮、气氮和液氮。
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即把有机液体直接滴入炉内，经高温反应生成可控气氛。
也可将有机液体滴入裂解装置中生成可控气氛，再将其通 入热处理炉中。 3.气体原料 气体原料主要有工业煤气，天然气、液化石油气、 氨气、氮气等，它们各自适于制备不同类型的可控气氛。 各种工业煤气由于生产过程的影响，成分不稳定，因 而制备的可控气氛也不稳定，含硫也较高。 一般液化石油气多为丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10） 的混合物，有两种来源：一、是开采石油得到的石油气， 二、炼制石油时分离出来的气体。这两种石油气特点
体积百分含量。
H 2 和H 2 O对Fe的氧化还原反应平衡常数
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如表10 3所示。
由此可见，在1000℃，使Fe不氧化
=1.5即可.
3.气氛中的氧势 金属在气氛中能否被氧化或其氧化物能否自发分解，
一方面取决于金属氧化物的稳定性，可用金属的分解压力
来表示;另一方面是气氛中氧的分压大小。
金属在含氧气氛中加热会产生如下反应
K P2
PH 2 [H 2 ] (H 2 ) PH 2O [ H 2 O] ( H 2 O)
(10 4 ) 14
式中： PH 2 、PH 2O H 2 和H 2 O的分压； [ H 2 ]、 [ H 2 O] H 2 和H 2 O气体的浓度。
（H 2）、（H 2 O） 混合气体中H 2 和H 2O的
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二、制备气氛的种类 1、吸热式气氛
1）制备原理
吸热式气氛是原料气与≤理论空气需要量一半的空气
(n≤0.5)在高温及催化剂的作用下，不完全燃烧生成的气氛
。原料气有天然气、丙烷、液化石油气(主要是丙烷、丁 烷)、城市煤气。原料气与空气的混合气体在反应罐内进 行化学反应，以丙烷为例，其反应式为 2C3 H8+3O2+11 .28N2 → 6CO+8H2+11.28N2 - Q (10-13) 由上式可知，空气与丙烷的混合比为(3+11.28):2，当
3.钢在H2—CH4气氛中的脱碳增碳反应
在CO—CH4气氛中，碳势较低，生产上往往借助
CO—CO2为载体，来添加适量增碳剂CH4来增加碳势， 或者气氛中原来就有H2—CH4气氛存在。钢在H2—CH4气 氛中将发生如下脱碳增碳反应
CH4与CO的渗碳能力有所不同,CH4的渗碳能力强得多，是一种 22 强渗碳剂,而H2有脱碳能力。
例如，含碳0.8%的钢在1100℃时，由于分子间作用力的
影响，只起到 ac 为0.45%的作用，故称此值为有效浓度。
2、气氛中的碳势
碳势是指一定成分的气氛，在一定温度下，气氛与钢 的脱碳增碳反应达到平衡时，钢的含碳量。 图10-1是钢在CO-CO2气氛中化学反应的平衡曲线， 条件是PCO + PCO2=98.066kPa（1大气压）。曲线上每个
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当Me和MexO2皆为化学纯的凝聚相，则反应平衡常数为
KP=1/PO2
(10一6)
式中，PO2为化学平衡系中氧的分压，即金属氧化物的分
解压。当气氛中的氧分压大于PO2时，反应向右进行，金 属被氧化成氧化物；当气氛中的氧分压小于PO2时，反应 向左进行，金属氧化物分解。各种氧化物的分解压是不 相同的，并随温度的升高而急剧增大，氧化物处于不稳
200 0.616
应用平衡常数KP即可判断反应进行的方向。如在 1000℃时，KP =2.486，即当(CO)/(CO2 )=2.486时，氧化 还原处于平衡状态，当实际炉气(CO/CO2)<2.486时，为趋 于平衡（10—1）式反应向右进行， CO2使Fe氧化生成 13 FeO, CO2浓度降低，同时CO浓度增加，钢件氧化。（点）
§10—3
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。
2 PH
式中：
2O PH
PCO K P1 K P 2 （ 10 7） 2 PCO
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2 、PH 2O、PCO 、PCO 2—表示混合炉气中各组分的分压。 PH
二、钢在炉气中的脱碳增碳反应
1、钢在CO—CO2气氛中的脱碳增碳反应 钢在CO—CO2气氛中的反应式如下：
点代表一个平衡状态。例如，在0.1% C的曲线上，当温
度为900℃时，相应的CO为80%，表示在80% CO的气氛
中，含碳0.1%的钢达到平衡状态，既不脱碳也不增碳、
那么900℃下含80% CO气氛的碳势即为0.1%C。
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图中SE线为饱和奥氏体的平衡曲线，位于其下面的是钢的不同含碳量的平衡曲线。