第十章可控气氛热处理炉教案分析.ppt

第十章 可控气氛热处理炉 可控气氛：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，向炉内通以可进行控制成分的气氛。 作用：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。 §１０－1 可控气氛加热的基本原理 炉内常用气氛： 　　　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。 气氛组成：主要由CO、H2、N2和少量的CO2，H20和CH4、CnHm等气体组成。 一、钢在炉内气氛中的氧化与还原 1、钢在空气中的氧化与还原反应 560℃以下生成Fe3O4； 在560℃以上形成三种氧化物， 　　　　内层为FeO， 　　　　中层为Fe3O4， 　　　　外层为Fe2O3； 　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CO2－CO气氛中的氧化—还原反应 1）反应方程式： 4）反应方向判断 例如：在1000℃时， KP＝2.486，即 (CO)／(CO2)＝2.486；氧化还原处于平衡状态； KP2.486，即 (CO)／(CO2)＜2.486； 为趋于平衡，反应向右进行，CO2使Fe氧化生成FeO，CO2浓度降低，同时CO浓度增加，钢件氧化。 KP2.486，即 (CO)／(CO2)2.486；反应向左进行，发生还原作用，钢件不氧化。 结论：钢在CO2－CO气氛中是否发生氧化，取决于(CO)／(CO2) 的比值，即CO和CO2的相对量，并不是绝对含量。 3、钢在H2－H2O气氛中的氧化—还原反应 1）反应方程式 4、气氛中的氧势 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 4、钢在CO、CO2、H2、H2O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 二、钢在炉气中的脱碳增碳反应 1、钢在CO－CO2气氛中的脱碳增碳反应 2、气氛中的碳势 碳势：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。 3、钢在H2—CH4气氛中的脱碳增碳反应 在CO—CO2气氛中，碳势较低，生产上往往借助CO—CO2为载体，添加适量的增碳剂CH4来增加碳势，或者气氛中原来就有H2—CH4气氛存在。 钢在H2—CH4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要求。 可控气氛主要由CO、H2、N2和少量的CO2，H20和CH4、CnHm等气体组成。其中， CO、H2、 CH4、CnHm属还原形气体；CO2，H20属氧化性气体，会引起钢的脱碳；N2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/ CO2、 H2/ H20、CH4/ H2、（CO）×（H2）/ H20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。 §１０－2 可控气氛的控制方法 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点： 加速工艺过程 提高产品质量 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％×H2％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H2，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、煤油和空气等。 2）选择资源丰富和少无公害的气氛 能满足这一要求的最佳气氛就是氮气。 注意，纯氮是惰性气体，主要应用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。 事实上，高纯氮难以获取，成本很高，工业用氮又含有0.5～5％O2，，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 最佳气体是氢气。 通常热处理温度下，H2与O2的反应很快，而脱碳的反应速度比H2O慢近干倍，比CO2慢近百