基本介紹
- 中文名：可控氣氛熱處理
- 外文名：controlled atmosphere heat treatment
- 用處：滲碳
- 類型：化學處理
- 意義：先進熱處理技術的主要組成部分
製備氣氛氣源,熱處理套用,可控氣氛,分類,發展歷程,
製備氣氛氣源
中國在掌握和推廣可控氣氛過程中，在解決氣氛問題上走過了漫長的道路。最早的吸熱式氣氛發生爐主要用液化氣，即純度較高的丙烷或丁烷。近年已證實，我國的天然氣資源豐富，為用甲烷製備吸熱式氣氛創造了良好的條件。
設備
能密封的爐型；自動化程度高，生產柔性大，適用性強的多用爐生產線等；因而發展前途廣，市場需求大。
熱處理套用
滲碳：高溫滲碳是滲碳技術發展趨勢之一。提高滲碳溫度可以顯著提高生產率和節省能耗。為此研究開發可用於1000℃以上的電輻射管材料是當務之急，低壓滲碳技術的開發和完善為實現高溫滲碳（1040℃）創造了條件。鋼件的滲碳層深度要求一般都較保守，有時也很盲目。看來有必要研究決定滲碳層深度的力學因素，探討減少滲層規定的可能性。
碳氮共滲：碳氮共滲溫度比滲碳低，工件畸變小。在滲層深度為0.6mm以下時的滲速接近於930℃滲碳。鋼碳氮共滲時容易出現反常組織，淬火後表面硬度有下降現象，滲層中有較多的殘留奧氏體。如何合理選擇工藝，充分發揮碳氮共滲潛力仍是值得探討的問題。過去曾有人提倡過高濃度碳氮共滲，也曾有過鋼件碳氮共滲時表面含碳量在0.6%，具有最好綜合力學性能的報導，為此眾說紛紜。看來有必要掌握這些規律，對生產工藝的優選有所幫助。目前絕大部份汽車、機車的重要件都採用碳氮共滲來提高其使用壽命；有報到GCr15鋼製的球和滾柱則由過去的淬火、回火改為碳氮共滲、淬火、回火、軸承的使用壽命提高了2.42倍。所以，碳氮共滲是值得認真研究和提倡的一種好方法。
光亮淬火：最適合在連續式作業爐（如：振底式爐、連（網）帶爐、推桿爐等）、多用爐等。廣泛用於碳素結構鋼、中碳合金結構鋼等。
光亮退火：能密封的爐型都可以進行光亮退火。適合碳素結構鋼、中碳合金結構鋼、低碳鋼的完全退火、不完合退火、再結晶退火等。
可控氣氛
可控氣氛，加熱金屬時為了保護金屬表面和調節金屬表面化學成分而使用的成分可以控制的氣體。金屬（主要是鋼）在可控氣氛中加熱時，可以避免表面氧化或脫碳，也可按照要求使表面增碳。可控氣氛一般由兩種以上的氣體混合而成，當僅僅為了避免表面氧化時，也可採用單一的氣體作為保護氣體，例如氫、氬或氮氣等。可控氣氛主要用於金屬熱處理，也用於鍛坯的少、無氧化加熱（見鍛坯加熱）。
分類
可控氣氛主要有吸熱式氣、放熱式氣、氮基氣氛、氨分解氣、滴注分解氣、氫和木炭氣。
吸熱式氣
在發生器中，把天然氣、液化石油氣等氣體與一定比例的空氣混合（當空氣量較少時，混合氣體先部分燃燒），再通過加熱到高溫（1000℃以上）的催化劑，使混合氣體的未燃部分熱裂解（吸熱反應）而製得。吸熱式氣是一種套用最廣的可控氣氛。把它作為運載氣體，將適量的富化氣（甲烷或丙烷）帶入加熱爐內，就可以使低碳鋼件表面滲碳，使碳含量達到規定的要求。控制富化氣的添加量，便能控制爐氣的碳勢。爐氣的碳勢是指某一溫度下爐氣與鋼表面奧氏體中的碳量相平衡時的碳量，簡單地可理解為爐氣的滲碳能力。吸熱式氣氛在滲碳、碳氮共滲和氣體氮碳共滲等化學熱處理工藝中套用極廣，也可用於中碳鋼、高碳鋼、合金工具鋼、軸承鋼和高速鋼的光亮淬火。
放熱式氣
在發生器中,把天然氣液化石油氣等氣體燃料或酒精、柴油等液體燃料與較多的空氣混合，使它接近於完全燃燒(放熱反應)，再對燃燒產物進行初步淨化(除水)或高度淨化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而製得的氣體。放熱式氣可用於低碳鋼的光亮退火、矽鋼片的脫碳退火、中碳鋼、高碳鋼的光亮淬火、粉末冶金的燒結和氣體氮碳共滲等。淨化放熱式氣氛還可用於不鏽鋼的退火和釺焊保護，或作為滲碳時的運載氣體等。
氮基氣氛
常用的是將制氧過程中產生的工業氮經淨化（除氧或空氣）後得到的高純氮氣，也可以是將液氮蒸發得到的氣體。氮基氣氛可用於加熱保護，也可以加入甲醇等使其成分接近吸熱式氣氛，作為滲碳時的運載氣體，再加入富化氣（如丙烷等）即可滲碳。它的優點是可以節約天然氣、液化石油氣等，碳勢也可控制。
氨分解氣
氨在一定溫度和催化劑作用下可完全分解為 3個體積的氫和 1個體積的氮，形成氨分解氣。也可以把氨和空氣混合進行部分燃燒，然後除水淨化得到氨燃燒氣（主要成分是氮）。這兩種氣氛都含氫，屬於氫-水類型的混合氣體。多用於不鏽鋼高速鋼的熱處理和粉末冶金的燒結。因氨較貴，故製備成本較高。
滴注分解氣
使鋼表面的碳濃度可以控制的滴注式滲碳所產生的分解氣也屬於可控氣氛。這就是60年代初期提出的卡博馬格法。其原理是：往爐中滴入兩種有機液體，在爐中發生熱裂解，以一種液體（如甲醇）的熱裂解氣作為運載氣體，以另一種（如醋酸乙酯）的熱裂解氣作為富化氣體來實現鋼的滲碳，並靠調節第二種液體的滴入量來達到控制爐氣碳勢的目的。這種方法的優點是不用氣體發生爐，設備結構簡單，適於批量生產。
氫
氫是還原性氣體。絕對乾燥的氫是難以製備的，因此使用的氫實際上是微量水和氫的混合氣體。金屬在氫中加熱時是氧化或是還原取決於水與氫的比值。但用氫保護加熱不能絕對防止鋼的脫碳。不鏽鋼和矽鋼片的退火、粉末冶金的燒結鐵粉還原,都可以在氫氣中進行。
木炭氣
用鼓風機把空氣吹入發生爐中，空氣與熾熱的木炭反應所產生的煤氣即木炭氣。其主要成分是一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳是還原性氣體，二氧化碳是氧化性氣體。鋼在這種混合氣中加熱時，氣氛的氧化和還原能力取決於CO2/CO比值。調節這個比值就可以使鋼達到無氧化無脫碳效果。木炭氣可用於鋼的保護加熱。
發展歷程
1850年，英國出現氣體保護無氧化加熱技術。1850～1880年又出現一系列利用氣體（氫、木炭氣、一氧化碳）保護的銅材裝箱退火法。1880年英國人W.休伊特提出氫保護的鋼材裝箱退火法，以免去酸洗除氧化皮工序。1890年英國人H.H.萊克獲得木炭氣體發生爐的專利。1925年,美國在轉筒式爐中進行了氣體滲碳,在升降底式爐中實行銅的蒸汽保護光亮退火。至此，可控氣氛才開始在工業上得到套用。與此同時，對金屬表面在加熱狀態下的氧化、還原反應的物理化學過程的深入研究，奠定了套用可控氣氛的理論基礎。但是，由於缺乏適用的工業加熱設備，並且考慮到經濟性等因素，可控氣氛在很長時期內發展很慢。30年代以後，隨著無罐滲碳爐的出現和碳勢露點控制的成功套用，以及60年代紅外線二氧化碳測定儀的問世和滴注式可控滲碳的發明，才使可控氣氛在熱處理中的套用獲得迅速發展。可控氣氛的廣泛套用，使工件從長期以來的帶黑皮的加熱變為光亮加熱，使金屬和合金的表面化學成分能夠穩定、合理地調整到預定要求，這實際上是工業加熱和熱處理技術的一次重要變革。
