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液氮（N2）在材料熱處理中的應(yīng)用
2008-8-5 20:57:00
一、液體狀態(tài)的氮
液氮即液體狀態(tài)的氮。液氮可以通過專門的設(shè)備制取，也可以在制取液氧的過程中作為副產(chǎn)品而得到。
液氮具有很低的溫度，其沸點(diǎn)為-195.8℃，可以用作深冷劑。液氮還可以從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，成為氮?dú)猓梢宰鳛楸Ｗo(hù)氣體通人熱處理爐內(nèi)。在空氣中，氮?dú)馑嫉谋壤畲蟆Ｒ旱膊幌褚貉跄菢右兹肌⒁妆裕旱哂匈Y源豐富、安全性較好等優(yōu)點(diǎn)，存材料熱處理方面有著以下主要用途。
二、液氮在真空熱處理中的應(yīng)用
真空熱處理是國內(nèi)外正在采用的比較先進(jìn)的熱處理方法，在真空熱處理中，往往離不開使用氮?dú)狻＠纾?dāng)鋼鐵件在真空爐中加熱時(shí)，若真空程度過高，則為防止工件材料中的合金元素?fù)]發(fā)，需對(duì)爐中回充適量的氮?dú)猓蕴犭x爐內(nèi)微量氣體的壓力。又如，在真空加熱油淬的真空淬火過程中，有時(shí)為了保證或提高淬火油的冷卻能力，需在工件冷卻之前，向真空爐中回充足夠的氮?dú)狻Ｔ诟邏簹獯銜r(shí)，需要快速向真空爐中充入高于一個(gè)大氣壓的氮?dú)狻Ｔ阡摷婵栈鼗饡r(shí)，在抽真空后需回充氮?dú)庖詫?shí)現(xiàn)爐內(nèi)保護(hù)氣體循環(huán)均勻加熱，以及實(shí)現(xiàn)回火后的快速冷卻。
真空熱處理所需的氮?dú)猓懈鞣N不同的來源。由于液氮的密度遠(yuǎn)比氮?dú)獯螅w積遠(yuǎn)比氮?dú)庑。阌谶\(yùn)輸和貯藏，而且在大量供應(yīng)時(shí)價(jià)格也較便宜。所以，液氮是真空熱處理所用氮?dú)獾闹匾獊碓粗弧?
在國外和我國上海等地，有不少廠家就使用較大的專用儲(chǔ)存罐，存放由液氮供應(yīng)廠商專車運(yùn)送來的液氮，并將由液氮逐漸汽化而成的氮?dú)庥糜谡婵諢崽幚怼Ｋ麄冋J(rèn)為，使用液氮比使用瓶裝氮?dú)饣虿捎弥频獧C(jī)制氮經(jīng)濟(jì)合算。
當(dāng)然，是用液氮合算，還是用瓶裝氮?dú)饣蛑频獧C(jī)供氮合算，這與當(dāng)?shù)氐臍庠礂l件、以及熱處理生產(chǎn)廠用氮?dú)饬康拇笮〉染唧w情況有關(guān)。液氮的價(jià)格不僅與其純度的高低有關(guān)，與一次購入量的多少也有關(guān)。例如在2003年春季和夏季，湘潭有一家制氧廠生產(chǎn)銷售的液氮，一次購1000L以上時(shí)，售價(jià)為每升1元；若零售，則每升4元。
三、液氮在材料深冷處理中的應(yīng)用
精密量具和一些精密器件，要求其組織穩(wěn)定，在使用和儲(chǔ)存中不變形。而其中有些鋼鐵制造的精密量具和器件，在淬火后存在殘留奧氏體。若不消除殘留奧氏體，則這些量具和器件就難以保證不變形。消除這此殘余奧氏體的一個(gè)有效方法就對(duì)其進(jìn)行冷處理，讓殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，并通過回火使其變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織。
有些鋁合金件，在切削加工或長儲(chǔ)、使用中存在容易發(fā)生變形的問題。若不解決變形問題，容易造成或者加工制造的廢品率高、或者售出的產(chǎn)品質(zhì)量不好。這些變形問題，往往與其原材料或切削加工產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。解決這些變形問題，有時(shí)需要采取高低溫循環(huán)熱處理的方法消除殘余應(yīng)力，其巾包含了冷處理或-130℃以下低溫的深冷處理。
為了消除鋁合金件淬火后的殘余應(yīng)力，有時(shí)也需要進(jìn)行反淬火，即把淬火后的工件進(jìn)行深冷，然后再用較快的升溫速度讓工件溫度提高，使其產(chǎn)生與淬火時(shí)相反的熱應(yīng)力。
還有一些特殊用途的材料或產(chǎn)品，為了使其滿足在低溫環(huán)境下使用的尺寸穩(wěn)定性和安全性要求，也需要經(jīng)過冷處理或深冷處理。
由于液態(tài)氮的溫度為-196℃，化學(xué)穩(wěn)定性也較好，所以可以直接或間接地用于上述冷處理。有些形狀較簡(jiǎn)單，不用擔(dān)心深冷開裂、不用擔(dān)心力學(xué)性能變化的鋁合金件或鋼件，可以直接浸放入液氮中深冷處理。當(dāng)不能直接浸泡時(shí)，可以采用液氮的揮發(fā)氣作為冷卻介質(zhì)。還可以將液氮作為制冷劑，使擺放工件的容器(低溫箱)降溫到所需的冷處理溫度。
四、鋁合金件深冷處理后的力學(xué)性能變化
我們公司在對(duì)經(jīng)過深冷處理的鋁合金件切削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，其材料比未經(jīng)冷處理的同一種零件的材料硬一些。后來發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)于一種零件、一種材料，而帶有普遍性。于是，我們?nèi)∑渲幸环N2A12牌號(hào)T4狀態(tài)的鋁合金件作了硬度對(duì)比。其結(jié)果見表1。從表1可見，2A12-T4鋁合金件經(jīng)過深冷處理后，硬度確實(shí)有提高
液氮即液體狀態(tài)的氮。液氮可以通過專門的設(shè)備制取，也可以在制取液氧的過程中作為副產(chǎn)品而得到。
液氮具有很低的溫度，其沸點(diǎn)為-195.8℃，可以用作深冷劑。液氮還可以從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，成為氮?dú)猓梢宰鳛楸Ｗo(hù)氣體通人熱處理爐內(nèi)。在空氣中，氮?dú)馑嫉谋壤畲蟆Ｒ旱膊幌褚貉跄菢右兹肌⒁妆裕旱哂匈Y源豐富、安全性較好等優(yōu)點(diǎn)，存材料熱處理方面有著以下主要用途。
二、液氮在真空熱處理中的應(yīng)用
真空熱處理是國內(nèi)外正在采用的比較先進(jìn)的熱處理方法，在真空熱處理中，往往離不開使用氮?dú)狻＠纾?dāng)鋼鐵件在真空爐中加熱時(shí)，若真空程度過高，則為防止工件材料中的合金元素?fù)]發(fā)，需對(duì)爐中回充適量的氮?dú)猓蕴犭x爐內(nèi)微量氣體的壓力。又如，在真空加熱油淬的真空淬火過程中，有時(shí)為了保證或提高淬火油的冷卻能力，需在工件冷卻之前，向真空爐中回充足夠的氮?dú)狻Ｔ诟邏簹獯銜r(shí)，需要快速向真空爐中充入高于一個(gè)大氣壓的氮?dú)狻Ｔ阡摷婵栈鼗饡r(shí)，在抽真空后需回充氮?dú)庖詫?shí)現(xiàn)爐內(nèi)保護(hù)氣體循環(huán)均勻加熱，以及實(shí)現(xiàn)回火后的快速冷卻。
真空熱處理所需的氮?dú)猓懈鞣N不同的來源。由于液氮的密度遠(yuǎn)比氮?dú)獯螅w積遠(yuǎn)比氮?dú)庑。阌谶\(yùn)輸和貯藏，而且在大量供應(yīng)時(shí)價(jià)格也較便宜。所以，液氮是真空熱處理所用氮?dú)獾闹匾獊碓粗弧?
在國外和我國上海等地，有不少廠家就使用較大的專用儲(chǔ)存罐，存放由液氮供應(yīng)廠商專車運(yùn)送來的液氮，并將由液氮逐漸汽化而成的氮?dú)庥糜谡婵諢崽幚怼Ｋ麄冋J(rèn)為，使用液氮比使用瓶裝氮?dú)饣虿捎弥频獧C(jī)制氮經(jīng)濟(jì)合算。
當(dāng)然，是用液氮合算，還是用瓶裝氮?dú)饣蛑频獧C(jī)供氮合算，這與當(dāng)?shù)氐臍庠礂l件、以及熱處理生產(chǎn)廠用氮?dú)饬康拇笮〉染唧w情況有關(guān)。液氮的價(jià)格不僅與其純度的高低有關(guān)，與一次購入量的多少也有關(guān)。例如在2003年春季和夏季，湘潭有一家制氧廠生產(chǎn)銷售的液氮，一次購1000L以上時(shí)，售價(jià)為每升1元；若零售，則每升4元。
三、液氮在材料深冷處理中的應(yīng)用
精密量具和一些精密器件，要求其組織穩(wěn)定，在使用和儲(chǔ)存中不變形。而其中有些鋼鐵制造的精密量具和器件，在淬火后存在殘留奧氏體。若不消除殘留奧氏體，則這些量具和器件就難以保證不變形。消除這此殘余奧氏體的一個(gè)有效方法就對(duì)其進(jìn)行冷處理，讓殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，并通過回火使其變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織。
有些鋁合金件，在切削加工或長儲(chǔ)、使用中存在容易發(fā)生變形的問題。若不解決變形問題，容易造成或者加工制造的廢品率高、或者售出的產(chǎn)品質(zhì)量不好。這些變形問題，往往與其原材料或切削加工產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。解決這些變形問題，有時(shí)需要采取高低溫循環(huán)熱處理的方法消除殘余應(yīng)力，其巾包含了冷處理或-130℃以下低溫的深冷處理。
為了消除鋁合金件淬火后的殘余應(yīng)力，有時(shí)也需要進(jìn)行反淬火，即把淬火后的工件進(jìn)行深冷，然后再用較快的升溫速度讓工件溫度提高，使其產(chǎn)生與淬火時(shí)相反的熱應(yīng)力。
還有一些特殊用途的材料或產(chǎn)品，為了使其滿足在低溫環(huán)境下使用的尺寸穩(wěn)定性和安全性要求，也需要經(jīng)過冷處理或深冷處理。
由于液態(tài)氮的溫度為-196℃，化學(xué)穩(wěn)定性也較好，所以可以直接或間接地用于上述冷處理。有些形狀較簡(jiǎn)單，不用擔(dān)心深冷開裂、不用擔(dān)心力學(xué)性能變化的鋁合金件或鋼件，可以直接浸放入液氮中深冷處理。當(dāng)不能直接浸泡時(shí)，可以采用液氮的揮發(fā)氣作為冷卻介質(zhì)。還可以將液氮作為制冷劑，使擺放工件的容器(低溫箱)降溫到所需的冷處理溫度。
四、鋁合金件深冷處理后的力學(xué)性能變化
我們公司在對(duì)經(jīng)過深冷處理的鋁合金件切削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，其材料比未經(jīng)冷處理的同一種零件的材料硬一些。后來發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)于一種零件、一種材料，而帶有普遍性。于是，我們?nèi)∑渲幸环N2A12牌號(hào)T4狀態(tài)的鋁合金件作了硬度對(duì)比。其結(jié)果見表1。從表1可見，2A12-T4鋁合金件經(jīng)過深冷處理后，硬度確實(shí)有提高
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