热处理可控气氛

8.3.2.4 炉气的相互作用 炉气除与钢铁发生反应外，炉气之间又有很 多化学反应，其中最重要的是水煤气反应： CO2+H2 CO+H2O 水煤气反应在高温下很快达到平衡，它对炉 气的性质和炉气检测均有实际意义： ⑴欲防止氧化和脱碳要减少炉气中CO2和H2O 含量，二者必须同时进行。如果单除去H2O，由 于CO2的存在，它与H2发生水煤气反应会重新生 成H2O，使炉气不能起到防氧化作用。 ⑵水煤气反应使CO2和H2O在数量上有对应关 系，故在炉气检测时可以只检测H2O含量或CO2 含量之一即可确定炉气性质。
8.3.4 可控气氛的检测
生产上采用的可控气氛检测法有：气体分析法， 露点测定法和直接定碳势法。 ⑴.气体分析法： 用奥氏分析仪和气相色谱仪可以确定可控气氛 的组成。 ⑵.露点测定法 ⑶.直接定碳势法： 钢箔试验法，电阻法
8.3.5可控气氛炉构造特点
①必须保证炉子密封性：炉壳采用连续焊缝， 炉门和门框接触面进行机加工，所有空洞都有密 封装置，设有前室和后室，火帘和防爆装置。 ②炉内气氛要均匀分布：装设循环风扇。 ③炉衬：要求炉衬材料具有抗还原，抗渗碳能 力，采用含Fe2O3低的抗渗碳砖。炉衬厚度要比 一般电阻炉为厚，原因是可控气氛炉炉气导热率 比空气大。 ④.在还原性气氛中NiCr-NiAl热电偶要受到污 染，为此可控气氛炉内需采用大直径的耐热刚套 管保护热电偶。 ⑤.可控气氛炉机械化，自动化程度高。
Ⅵ.氢气：
可用蒸馏水电解制取，氢气是强还原，弱脱碳性气氛， 主要用于低碳钢，不锈钢等的光亮热处理，硅钢片在氢气 中退火可以脱碳，提高磁性。
Ⅶ.氩气和氦气：
氩气是惰性气体，在空气中的体积含量为0.93%，是 由空气经压缩，液化和精馏制得。 氦气也是一种惰性气体，空气中仅含有0.0005%，在 某些天然气中含氦能达到1-2%，是由天然气液化制取的。 由于它们制备成本高，价格昂贵，钢铁材料中只用于 某些高强度不锈钢的热处理，主要用于一些易和气体起反 应的合金热处理。
可控气氛分类： 按照所起作用：保护气，化学活性气氛两大类。 ①保护气：保护工作表面成分不发生变化的气氛， 在保护气中加热可使工件 不氧化不脱碳，一般加热后表面保持金属光泽， 故也称为光亮热处理； ②化学活性气氛：在加热过程对工件表面进行渗 碳或渗氮等化学热处理。 之所以称为可控气氛时由于这些气氛都是由 人工制备的，由成分可以控制的 气体所组成。
Kp值随温度而变，某温度下的Kp值，可由实验测定，或通过计算反应自由能变 化而求得。一些重要的化学反应已有符合实际的平衡常数随温度变化关系式，称等压 方程式。 例如对于反应 Fe+CO2 FeO+CO 有lgKp=-949/T+1.14 在常用的热处理温度700～950℃内，用等压方程式算出Kp值如下表： 表8-7 不同温度下的Kp(CO/CO2)值 温度 ℃ 700 1.46 750 1.63 800 1.80 850 1.97 900 2.14 950 2.31
8.3.6 可控气氛炉的使用
选定可控气氛种类后，可控气氛炉即可使用，使 用时还要注意以下问题： ⑴.可控气氛的消耗量 为了保持炉内气氛成分不受外界干扰，可控 气氛炉需要维持正压，一般炉气压力比车间大气 压力高几十个Pa到几百个Pa. ⑵.安全操作： 可控气氛中有可燃气体，要特别注意防止爆 炸和中毒事故发生。在每次停炉以后恢复生产时 需先用N2气将炉膛内空气驱尽，氮气用量约相当 于4～5倍炉膛体积，氮气放散以后才往炉膛中通 入可控气氛。
8.3.2.3 钢在CH4-H2中的渗碳-脱碳反应 甲烷在高温下反应式为：CH4 [C]+2H2 以上化学反应式中[C]为原子状态的碳，它析 出于钢表面使钢发生渗碳。甲烷式强渗碳剂炉气 中含少量甲烷碳势即明显提高。 因此，在生产上常将甲烷用作提高炉气碳势 的富化气，只要加入少量，炉气碳势马上明显提 高，当然CH4用量要严格控制，太多会生成炭黑。
8.3.3 常用可控气氛的制备原理
Ⅰ.吸热式气氛：
以可燃气体（天然气，液化石油气，城市煤气）为原 料气，将原料气与空气按一定比例混合，送入装有催化剂 的，由外部供热的反应罐内进行反应，然后将反应产物迅 速冷却，即制得吸热式气氛。吸热式气氛制备时需从外部 供给热量，它适用于碳素钢，低合金结构钢光亮淬火和气 体渗碳。
Ⅱ.放热式气氛：
将原料气与空气按一定比例混合，送入燃烧室进行不 完全燃烧，并使燃烧产物迅速冷却除水后得到的一种气氛。 浓型放热式气氛适用于中低碳钢光亮加热，淡型放热式气 氛，主要用于铜，黄铜和同镍合金等的光亮热处理。
Ⅲ.氮基保护气：（广泛应用）
主要成分是N2，根据用途不同，往N2气中加入少量 CO,H2气制成氮基保护气氛。此气具有弱还原性，广泛应 用于碳钢，合金钢，不锈钢等光亮热处理。
8.3 热处理用可控气氛
8.3.1 概述 钢材在空气中或炉气中加热时，在高温下，铁及 钢中的碳会与气氛起化学反应作用，发生氧化-还原， 脱碳-渗碳等反应。对一般钢材或零件，氧化脱碳增 加金属消耗量，如汽车和拖拉机行业制造过程中多 次加热造成的金属损失约占零件重量7%。对表面要 求严格的钢材或零件，氧化脱碳将造成严重缺陷， 如冷轧或冷拔钢材由于氧化失去准确的尺寸，齿轮， 轴类由于表面脱碳降低了强度和耐磨性，缩短使用 寿命。为了除去氧化膜和脱碳层，增加繁多的工序 和大量费用。为此在一些对表面质量要求高的热处 理炉内采用了可控气氛。
源自文库
8.3.2 钢铁与炉气间的化学反应
表8-6 炉气与钢铁的化学反应
炉
被加热材料
气 CO
渗碳
O2
铁 Fe 碳化铁 Fe3C
氧化
CO2
氧化
H2
CH4
渗碳
H2O
氧化
N2
无反应
氧化和脱碳
氧化和脱碳
脱碳
氧化和脱碳
无反应
8.3.2.1 钢的不氧化加热原理 铁与氧的反应 氧气和铁化合可生成三种氧化物：FeO,Fe2O3和Fe3O4, 高温下FeO最稳定，下面均以FeO代表铁的氧化物。 2Fe+O2→2FeO (>570℃) 上述反应时单向反应，不能控制，故可控气氛中原则上不允许有氧气存在。 铁在CO2-CO气氛中的氧化-还原反应 Fe+CO2 FeO+CO 此反应是可逆反应，在一定温度下，当CO及CO2浓度比达到某一数值时，正逆 反应处于平衡状态，用平衡常数Kp表示 Kp=Pco/Pco2 其中Pco, Pco2----气氛中CO, CO2的浓度或分压。
Ⅳ.氨分解气：
将氨气通入装有催化剂的反应罐内，在700～980℃温 度下分解制成。主要用来进行不锈钢，硅钢片，低碳高合 金钢的光亮热处理。
Ⅴ.滴注式气氛：
用有机液体直接滴入热处理炉，经裂解而形成的一种 气氛，其性质与吸热式气氛相近，可用于碳钢光亮淬火和 渗碳等热处理工艺。适用在中小型炉子上应用，但成本高， 气氛成分不易控制，限制了推广。
Kp=CO/CO2
用表中数据作图，表示在不同温度下 氧化-还原反应平衡时，气氛中CO2与CO的比 值。曲线右方为氧化区，曲线左方为还原区。 为了防止铁被氧化，就应在还原区的气氛中进 行加热。具体地说: 950℃时，气氛中CO/CO2应大于2.31 700℃时，气氛中CO/CO2应大于1.46
8.3.2.2 钢的不脱碳加热原理 钢铁在CO2-CO中的脱碳-渗碳反应 C(g-Fe)+CO2 2CO 式中C(g-Fe)表示奥氏体中的碳，在一般热处 理温度下，钢铁中的碳大部分溶解在奥氏体中。反 应向右进行，表示钢中的碳与CO2化合成CO，钢 被脱碳。 在一定温度下，具有某种成分Pco2/Pco的气 氛，对钢是否脱碳与钢中含碳量有关。温度，炉气 成分，钢的含碳量三个参数共同决定钢是渗碳还是 脱碳。 碳势：在一定温度下，反应平衡时，气氛成 分所对应钢中的含碳量。
8.3.2.5 炉气中N2,NH3,S对钢铁的作用
⑴氮气：分子氮是惰性气体，对钢铁和其他气体不
发生反应。
⑵氨气：NH3高温下分解在短时间内有原子氮存在，
可与铁化合成氮化铁FeN，即使钢渗碳。
⑶硫：大部分以H2S形式存在，含硫炉气会加速钢
的氧化，腐蚀含镍电热元件，并不污染环境，因 此热处理炉燃料的含硫量需严格控制。