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液氮（N2）在材料熱處理中的應用
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)，成為氮氣，可以作為保護氣體通人熱處理爐內(nèi)。在空氣中，氮氣所占的比例最大。液氮也不像液氧那樣易燃、易爆，所以，液氮具有資源豐富、安全性較好等優(yōu)點，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用
真空熱處理是國內(nèi)外正在采用的比較先進的熱處理方法，在真空熱處理中，往往離不開使用氮氣。例如，當鋼鐵件在真空爐中加熱時，若真空程度過高，則為防止工件材料中的合金元素揮發(fā)，需對爐中回充適量的氮氣，以提離爐內(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氣。在高壓氣淬時，需要快速向真空爐中充入高于一個大氣壓的氮氣。在鋼件真空回火時，在抽真空后需回充氮氣以實現(xiàn)爐內(nèi)保護氣體循環(huán)均勻加熱，以及實現(xiàn)回火后的快速冷卻。
真空熱處理所需的氮氣，有各種不同的來源。由于液氮的密度遠比氮氣大，體積遠比氮氣小，便于運輸和貯藏，而且在大量供應時價格也較便宜。所以，液氮是真空熱處理所用氮氣的重要來源之一。
在國外和我國上海等地，有不少廠家就使用較大的專用儲存罐，存放由液氮供應廠商專車運送來的液氮，并將由液氮逐漸汽化而成的氮氣用于真空熱處理。他們認為，使用液氮比使用瓶裝氮氣或采用制氮機制氮經(jīng)濟合算。
當然，是用液氮合算，還是用瓶裝氮氣或制氮機供氮合算，這與當?shù)氐臍庠礂l件、以及熱處理生產(chǎn)廠用氮氣量的大小等具體情況有關(guān)。液氮的價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，售價為每升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有效方法就對其進行冷處理，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、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)應力有關(guān)。解決這些變形問題，有時需要采取高低溫循環(huán)熱處理的方法消除殘余應力，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力，有時也需要進行反淬火，即把淬火后的工件進行深冷，然后再用較快的升溫速度讓工件溫度提高，使其產(chǎn)生與淬火時相反的熱應力。
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。有些形狀較簡單，不用擔心深冷開裂、不用擔心力學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。當不能直接浸泡時，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性能變化
我們公司在對經(jīng)過深冷處理的鋁合金件切削加工時發(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T4狀態(tài)的鋁合金件作了硬度對比。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，硬度確實有提高
液氮即液體狀態(tài)的氮。液氮可以通過專門的設備制取，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)，成為氮氣，可以作為保護氣體通人熱處理爐內(nèi)。在空氣中，氮氣所占的比例最大。液氮也不像液氧那樣易燃、易爆，所以，液氮具有資源豐富、安全性較好等優(yōu)點，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用
真空熱處理是國內(nèi)外正在采用的比較先進的熱處理方法，在真空熱處理中，往往離不開使用氮氣。例如，當鋼鐵件在真空爐中加熱時，若真空程度過高，則為防止工件材料中的合金元素揮發(fā)，需對爐中回充適量的氮氣，以提離爐內(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氣。在高壓氣淬時，需要快速向真空爐中充入高于一個大氣壓的氮氣。在鋼件真空回火時，在抽真空后需回充氮氣以實現(xiàn)爐內(nèi)保護氣體循環(huán)均勻加熱，以及實現(xiàn)回火后的快速冷卻。
真空熱處理所需的氮氣，有各種不同的來源。由于液氮的密度遠比氮氣大，體積遠比氮氣小，便于運輸和貯藏，而且在大量供應時價格也較便宜。所以，液氮是真空熱處理所用氮氣的重要來源之一。
在國外和我國上海等地，有不少廠家就使用較大的專用儲存罐，存放由液氮供應廠商專車運送來的液氮，并將由液氮逐漸汽化而成的氮氣用于真空熱處理。他們認為，使用液氮比使用瓶裝氮氣或采用制氮機制氮經(jīng)濟合算。
當然，是用液氮合算，還是用瓶裝氮氣或制氮機供氮合算，這與當?shù)氐臍庠礂l件、以及熱處理生產(chǎn)廠用氮氣量的大小等具體情況有關(guān)。液氮的價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，售價為每升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有效方法就對其進行冷處理，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、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)應力有關(guān)。解決這些變形問題，有時需要采取高低溫循環(huán)熱處理的方法消除殘余應力，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力，有時也需要進行反淬火，即把淬火后的工件進行深冷，然后再用較快的升溫速度讓工件溫度提高，使其產(chǎn)生與淬火時相反的熱應力。
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。有些形狀較簡單，不用擔心深冷開裂、不用擔心力學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。當不能直接浸泡時，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性能變化
我們公司在對經(jīng)過深冷處理的鋁合金件切削加工時發(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T4狀態(tài)的鋁合金件作了硬度對比。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，硬度確實有提高
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