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液氮在材料热处理的应用

发布时间:2014-06-06 08:30
作者:盛杰低温
来源:www.sjcryo.com

一、液体状态的氮

液氮即液体状态的氮。液氮可以通过专门的设备制取,也可以在制取液氧的过程中作为副产品而得到。液氮具有很低的温度,其沸点为-195.8℃,可以用作深冷剂。液氮还可以从液态变为气态,成为氮气,可以作为保护气体通入热处理炉内。在空气中,氮气所占的比例最大。液氮也不像液氧那样易燃、易爆,所以,液氮具有资源丰富、安全性较好等优点,在材料热处理方面有着主要用途。

 

二、液氮在真空热处理中的应用

真空热处理是国内外正在采用的比较先进的热处理方法,在真空热处理中,往往离不开使用氮气。例如,当钢铁件在真空炉中加热时,若真空程度过高,则为防止工件材料中的合金元素挥发,需对炉中回充适量的氮气,以提离炉内微量气体的压力。又如,在真空加热油淬的真空淬火过程中,有时为了保证或提高淬火油的冷却能力,需在工件冷却之前,向真空炉中回充足够的氮气。在高压气淬时,需要快速向真空炉中充入高于一个大气压的氮气。在钢件真空回火时,在抽真空后需回充氮气以实现炉内保护气体循环均匀加热,以及实现回火后的快速冷却。

真空热处理所需的氮气,有各种不同的来源。由于液氮的密度远比氮气大,体积远比氮气小,便于运输和贮藏,而且在大量供应时价格也较便宜。所以,液氮是真空热处理所用氮气的重要来源之一。

在国外和我国上海等地,有不少厂家就使用较大的专用储存罐,存放由液氮供应厂商专车运送来的液氮,并将由液氮逐渐汽化而成的氮气用于真空热处理。他们认为,使用液氮比使用瓶装氮气或采用制氮机制氮经济合算。

当然,是用液氮合算,还是用瓶装氮气或制氮机供氮合算,这与当地的气源条件、以及热处理生产厂用氮气量的大小等具体情况有关。液氮的价格不仅与其纯度的高低有关,与一次购入量的多少也有关。例如在2003年春季和夏季,湘潭有一家制氧厂生产销售的液氮,一次购1000L以上时,售价为每升1元;若零售,则每升4元。

 

三、液氮在材料深冷处理中的应用

精密量具和一些精密器件,要求其组织稳定,在使用和储存中不变形。而其中有些钢铁制造的精密量具和器件,在淬火后存在残留奥氏体。若不消除残留奥氏体,则这些量具和器件就难以保证不变形。消除这此残余奥氏体的一个有效方法就对其进行冷处理,让残余奥氏体转变成马氏体,并通过回火使其变为稳定的回火组织。有些铝合金件,在切削加工或长储、使用中存在容易发生变形的问题。若不解决变形问题,容易造成或者加工制造的废品率高、或者售出的产品质量不好。这些变形问题,往往与其原材料或切削加工产生的残余内应力有关。解决这些变形问题,有时需要采取高低温循环热处理的方法消除残余应力,其中包含了冷处理或-130℃以下低温的深冷处理。为了消除铝合金件淬火后的残余应力,有时也需要进行反淬火,即把淬火后的工件进行深冷,然后再用较快的升温速度让工件温度提高,使其产生与淬火时相反的热应力。

还有一些特殊用途的材料或产品,为了使其满足在低温环境下使用的尺寸稳定性和安全性要求,也需要经过冷处理或深冷处理。由于液态氮的温度为-196℃,化学稳定性也较好,所以可以直接或间接地用于上述冷处理。有些形状较简单,不用担心深冷开裂、不用担心力学性能变化的铝合金件或钢件,可以直接浸放入液氮中深冷处理。当不能直接浸泡时,可以采用液氮的挥发气作为冷却介质。还可以将液氮作为制冷剂,使摆放工件的容器(低温箱)降温到所需的冷处理温度。

 

四、铝合金件深冷处理后的力学性能变化

我们公司在对经过深冷处理的铝合金件切削加工时发现,其材料比未经冷处理的同一种零件的材料硬一些。后来发现这种现象不仅仅出现于一种零件、一种材料,而带有普遍性。于是,我们取其中一种2A12牌号T4状态的铝合金件作了硬度对比。其结果见表1。从表1可见,2A12-T4铝合金件经过深冷处理后,硬度确实有提高。7A04铝合金经-196℃深冷处理后,其强度会有明显的提高。由此可见,采用液氮对铝合金件进行-196℃的深冷处理,是进一步提高其材料强度的有效途径之一。

 

五、液氮在材料热处理中的其他应用

液氮还可以用作超低温淬火的淬火介质。由于液氮的冷却速度比水大5倍,液氮的汽化潜热为水的1/11,所以工件淬入后立即被气体包围,淬火变形及淬裂的可能性较小。钢在液氮中淬火后,残余奥氏体量极少,可使其获得更高的硬度和尺寸稳定性。但由于液氮容易挥发,消耗量较大,生产成本较高,所以目前应用得较少。此外,电子显微镜是观测和研究材料、分析热处理质量问题的大型仪器。而液氮则是电子显微镜所需要的一种辅助材料。

 

六、液氮使用的安全性

虽然液氮为非易燃物,但在使用、运输和贮藏液氮的时候,也必须注意安全。例如,不要用手直接接触液氮,并且注意防止液氮溅到身上,以防冻伤;应在通风的场所使用液氮,以防氮气使人窒息;装运液氮时,不要将液氮封装过严,以防发生物理爆炸等等。

 

七、结语

液氮是真空热处理所需的氮气来源之一,又是对材料作深冷处理的一种较为安全和经济的制冷剂。真空热处理有着广阔的发展前景;而材料的深冷处理,无论是在稳定材料组织、防止产品变形方面,还是在探讨进一步提高材料性能方面,都更值得人们去研究和应用。因此,液氮在材料和热处理方面的应用也有着广阔的前景。

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