第十章可控气氛热处理炉
发布时间：2024-05-28 作者: 产品中心
为了使工件表面不发生氧化脱碳现象或对工件进行化学热处理，向炉内通以可来控制成分的气氛。可实现无氧化无脱碳热处理，提高热处理质量，可进行渗碳、脱碳等特殊热处理工艺操作。吸热式气氛（空气量小于0.5）、放热式气氛（空气量0.5～0.95）、氨分解气氛、滴注式气氛、氮基气氛和氢气氛等。主要由CO、H等气体组成。1、钢在空气中的氧化与还原反应560以下生成Fe在560以上形成三种氧化物，内层为FeO，中层为Fe通常认为氧气对钢的氧化过程是不可逆的，无法控制。2、钢在CO－CO气氛中的氧化—还原反应1）反应方程式：2）平衡常数P1与温度4）反应方向判断例如：在1000时，＝2.486，即(CO)／(CO2.486，即(CO)／(CO)＜2.486；为趋于平衡，反应向右进行，CO2.486，即(CO)／(COO气氛中的氧化—还原反应1）反应方程式2）平衡常数P2与温度1000下，使Fe不氧化的PH2O＝1.5即可。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。1）反应方程式2）平衡常数O2为化学平衡系中氧的分压，即金属氧化物的分解压。各种氧化物的分解压是不相同的，随温度的升高而急剧增大，氧化物处于不稳定状态。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。4、钢在CO、COO混合气体中的氧化还原反应要达到无氧化加热需满足如下条件，即——碳在奥氏体中的有效浓度，又称奥氏体中碳的活度。例如：含碳0.8％的钢在1000时，由于分子间作用力的影响，只起到为0.45％的作用，故称此值为有效浓度。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，钢的表面含碳量。右图条件：CO2＝1大气压。曲线上每个点代表一个平衡状态。例如：在0.1％C的曲线.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。CO－CO气氛中的脱碳增碳反应在CO—CO为载体，添加适量的增碳剂CH气氛中将发生如下脱碳增碳反应4、碳势控制原理在应用可控气氛的热处理炉内进行钢件的热处理时，要达到无脱碳淬火、正火、退火以及渗碳、碳氮共渗等预期目的，需要精确控制炉气碳势，实际上就是在工艺技术要求温度下把炉气成分调到与某种钢的碳含量相平衡，或工件表面含碳量达到工艺技术要求。可控气氛主要由CO、H等气体组成。其中，CO、H属中性气体。体系中氧化性气体与还原性气体、增碳性气体与脱碳性气体组分间的数量关系，即CO/CO0等，决定了体系中反应进行的方向。碳势控制，也就是控制这些炉气组分间的相对量。一、气氛的选择与搭配实现可控气氛热处理，除必要的热处理炉外，选择合理的可控气氛及其控制是十分重要的。针对具体工艺科学地设计和选用适当的炉用气氛通常的出发加速工艺过程提升产品质量1、气氛的选择热处理气氛已有很多，选择时应考虑：1）选择能加速化学热处理过程的气氛渗碳过程中，碳的传递系数随CO％H％的含量而增大，因此，适宜的渗碳气氛要求含有足够数量的CO和H，能满足该要求的渗碳气氛常用的有吸热式气氛、甲醇裂化气、煤油和空注意，纯氮是惰性气体，主要使用在于密封性很好的炉子或应用于低温保护或工件允许形成很薄的氧化膜，而该膜能起保护自身作用的工艺，如铝的退火。氮气常应用于使炉子维持正压，以防炉外空气侵入。，，会使加热工件氧化，所以一般不能单独用于热处理保护，而且，对从炉缝等处侵入的空气没有反应消除的能力，因此，通常的做法是：根据处理工件的要求和工艺参数，在炉气中添加某些还原性气体组成氮基气氛。3）选用抗氧化能力强、脱碳能力弱的气体作保护气氛是光亮退火的良好气氛，可用于拔丝中间退火、保护焊和钎焊保护气．高温炉钼丝保护气等。4）节约能源，简化结构发展直生式可控气氛是个方向，即将甲烷、或丙烷、或丁烷等气体与空气或CO问题是丙烷、丁烷裂化温度在950～1050，温度低，反应不完全，有可能会出现碳黑和未完全裂解的碳氢化合物。把吸热型发生装置直接安放在热处理炉内，炉罐内放置触媒，可减少炉外设置发生装置带来的能源和原料损失，也可免去把热气氛冷却的热损各种可控气氛按成本（由低到高）排序：直生式气氛直接碳势控制内置发生法炉外裂解法氮气与甲醇炉内发生法氮气、甲醇炉外发生法滴注法。2、气氛的搭配实现气氛控制的主要原则：气氛本身要有很高的可控性。即可随气氛中某一气体的增加或减少而明显地改变气氛的碳势、氧势或其他势。以渗碳为例分析这两种气氛的特性及搭配。1）载体气作用：维持气氛的基本碳势，保持炉内处于正压状态，维持炉内气体的稳定与正常运动；特性：可用碳量一定，使气氛保持一定的碳势，使富化气能起碳势调节的作成份稳定，容易裂解，使气氛碳势保持稳定性；资源丰富，价格实惠公道。常用载体气：吸热式气氛、甲醇裂解气、氮基气氛等；作用：提供气氛的碳分，调节气氛的碳势；富化气的少量变化能使碳势有明显改变。特性：较高的可用碳量，富化气有少量增减，即可使气氛系统的碳势有明显变化；对载体气成分的比例影响小，即气氛碳势的变化只随富化气量的变化而变化；成分稳定，以保证放大增益稳定，渗碳气氛稳定。常用富化气：丙烷、甲烷、丙酮、醋酸乙酯、煤油等。3）气氛搭配吸热式气氛＋丙烷：优点：载体气有较大量的CO和H，保持中等碳势；有较高的碳传递系数，有加快渗碳的效果；丙烷的可用碳量很高，碳势的增益较大；缺点：丙烷少量增碱，碳势变比就很大，但易出现碳黑，需严控其加入量。＋吸热型气氛＋丙烷采用有机液作渗剂：载体气与富化气的最佳搭配是甲醇与醋酸乙酯；它们的裂解气分别为：两种裂解气中CO与H的比例是相同的。因此，气氛碳势的变化只取决于醋酸乙酯裂解的[C]。为减少相关成本，也常用煤油．丙酮和苯来代替醋酸乙酯，煤油可用碳量很高，但成份不稳定。1、炉内气氛测量炉内气氛测量方法：主要有间接和直接测量法两类。以碳势控制为例，间接测量：露点仪（50年代）；红外线年代出现）；微机多参数碳势控制（80年代实现）直接测量：电阻探头控制碳势。常用气氛传感器：1）氧化锆氧传感器基础原理：根据固体电解质氧浓度差电池的原理制造。氧化锆在高温下具有传导氧离子的特性，能够在氧化锆管两侧产生氧浓度差电势，若温度在某一定值时，根据测得的电势可求得被测气体的氧分压。组成：由探头、电源控制器、气泵、二次仪表及变送器等组成。探头：核心部件，由炭化硅过滤器、氧化锆元件、恒温室、气体导管等组成。过滤器按在头部过虑灰尘、防止气体冲击；氧化锆元件置于恒温室中，以保证在恒定温度下测量。电源控制器：一方面控制恒温室温度，由热电偶、电热元件、晶闸管组件、和恒温控制板组成控温系统；另一方面将氧化锆元件的电压信号转换成电动控制仪表所需的标准信号（0～10mA或4～20mA） 2）红外线气体分析仪 基础原理：利用被测组分气体吸收红外线中对应于该组分的特 征吸收波段的辐射能的原理测量气体组分含量。 3）电阻探头 基础原理：在奥氏体状态的渗碳温度下，一根细铁丝会很快 被渗碳，其电阻值与含碳量之间有单值函数关系。测量 被渗碳的铁丝的电阻值，便能感知炉气碳势。 2、气氛碳势控制 在一般渗碳气氛中含有CO、CO 这些成分发生众多的化学反应，但基本反应只有四种。根据热力学定律计算，在平衡态渗碳，渗碳气氛只有三个自 由度。即体系中当有三个成分的分压一经确定，体系的状态 及其他各种气体的分压也随之确定 多参数控制：控制渗碳气氛的碳势，就必须控制这三个成 分，这是所谓的三参数控制。该控制方式可放宽原料气成 分及配比的要求，有利于高精度控制，但需要多种传感器， 系统复杂，维护不便。 单参数控制：如果使气氛中有两个成分保持稳定，那么只 需要控制一个成分，就能控制碳势，这就是单参数控制。 该控制方式需要稳定原料气的成分与配比来限定CO／H 于常数，但控制管理系统结构相对比较简单，便于推广。三、渗碳过程控制 渗碳过程的数学模型 渗碳过程描述：渗剂输入炉内，在高温下裂解反应，产 生渗碳气体；渗碳气体在气固界面上发生碳的传递，在传递 过程中发生工件对渗碳气氛的吸附和界面反应，产生活性碳 原子；碳原子由工件表面向深度迁移扩散。 1、碳传递 2、渗碳数学模型的建立 渗碳过程：碳原子由气相向固相传递和在固相中的 扩散过程。 目标函数： 即:距表面x处，在t时刻的碳势浓度C＝？ 理论分析： Fick第二定律：当渗碳层厚度远小于零件的曲率半 其描述了碳原子在固相进行扩散时，渗碳工件 任何时刻，任何位置碳 浓度的变化规律。 无关） ：扩散系数（与碳浓度 边界条件a）外部边界条件 碳原子由气相进入固相的通量应等于固相中碳原子由表面向 内部扩散的通量。 b）内部边界条件：设x＝p处时，碳浓度变化为：固溶度。 ：固相表面碳原子最大 传递系数；碳原子在气固界面上的 在某一时刻3、碳浓度分布数学模型的建立 联立渗碳过程的碳传递、扩散方程和初始条件及 边界条件，可获得渗碳层浓度分布方程。 对该模型求解，可得：（可用Crank－ Nicision有限差分格式 求解。 １０—4可控气氛热处理炉的结构及发展 一、可控气氛热处理炉的分类及特点 1．可控气氛热处理炉的分类 可控气氛热处理炉种类很多，有周期式和连续式之分。 周期炉：有井式炉和密封箱式炉(又称多用炉)， 适用于多品种小批量生产，可用于光亮淬火、光亮退火、 渗碳、碳氮共渗等热处理。 连续炉：有推杆式、转底式及各种各样的形式的连续式可控气氛渗碳生产等，