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零件热处理中保护气氛介质的作用和防止氧化与脱碳的措施

2017年10月17日08:37 

钢的热处理应当在还原性气氛中进行,在加热过程中能保护工件,免于氧化、脱碳的炉气即为保护气氛,作为淬火加热工序应确保零件的表面状态没有发生改变,下面为热锻模具、结构钢零件保护加热时,通常的保护气氛的成分下表。

零件在加热过程中,为保护零件免于氧化和脱碳,在具有还原性的气氛中完成热处理,可以获得无氧化、不脱碳的光亮表面,提高了表面质量,同时也省去了酸洗、抛丸或喷砂工序,提高作业效率、明显降低了生产成本。

保护气氛的种类很多,为了便于了解其特性,下面分别加以介绍,供零件在加热过程中正确选用。同时应特别注意在气氛的选择上,要考虑到产品的批量、材料的类型、热处理设备的现状、工艺水平的高低、热处理产品质量的技术要求等,在经过工艺验证后才能确定采用何种保护气氛,这对于保护零件的表面质量至关重要。

(1)可控气氛

可控气氛炉内的气氛可以进行有效控制,确保其在一个合理的范围内,实现零件热处理无氧化和脱碳现象的发生。

①可控气氛的原理其原理在前面已经讲解,根据化学反应的平衡原理,增加正方向反应产物COH2的含量将导致正反应过程的停止或减弱,假如COH2的含量升高到一定程度,反应将朝逆方向进行,即得到还原性气氛。控制好炉气中CO2/COH2O/H2的比值,就能完全控制整个化学反应的趋势和方向,也就能控制钢铁零件表面的氧化和脱碳的过程。

钢铁零件在不同温度下,CO2/COH2O/H2的比值与铁的氧化还原反应的平衡关系,两条曲线分别为BOCAOD,从图中可以看出两条曲线的变化规律不同,但其共同点为在两条线的左侧均为还原区域,而右侧是氧化区域,另外在BOD区间内,CO2/CO的氧化区与H2O/H2的还原区重叠。我们重点分析以下钢铁在炉内气氛中,温度和CO2/COH2O/H2比值的关系对表面质量状态的影响。查找AD线在950℃时,当气氛中的CO2/CO=0.4,则炉内氧化和还原的速度相等,整个反应处于平衡状态。此时钢表面无氧化和脱碳现象发生,即可实现无氧化脱碳的加热过程。相反如果CO2/CO比值>0.4,将发生Fe+CO2FeO+CO氧化反应,钢中铁原子被氧化成氧化铁,而CO2/CO比值小于0.4,将发生FeO+COFe+CO2的还原反应,氧化铁被还原为铁原子。随着温度的改变,CO2/CO的平衡值也会发生变动,即温度越高则平衡值越小,因此为了确保钢铁零件在保护气氛中不被氧化,要求加热温度提高时,CO2/CO的平衡值应愈小愈好。

需要注意的是热处理炉内的炉气会同时包含有CO2COH2OH2,因此在某一温度下进行炉内成分的分析时,要综合考虑气氛的作用。在热处理常用加热温度范围内(700950)要避免钢的氧化,应使炉内气氛CO2/CO的值相应控制在0.40.7,而H2O/H2比值应为0.40.5

在不同的加热温度下,钢中的含碳量与CO2/COH2O/H2的比值具有一定的平衡关系,从图中可知,要防止钢发生脱碳,只有将CO2/COH2O/H2的比值控制在更小的范围内,这一点需引起我们的高度重视,例如在850℃加热含碳量小于0.5%的碳钢,应将CO2/COH2O/H2的比值均降到0.04以下,才能防止钢的脱碳。总之,综合炉内零件的化学成分、炉内气氛、装炉方式和热处理设备的类型等几个方面进行考虑,将炉内的气氛只要控制在一定的温度范围内,即可确保钢加热时免于氧化和脱碳。

需要注意的是为确保零件在可控气氛中实现无氧化、脱碳加热,要求炉内的保护气氛稳定;炉膛密封性要好,避免空气的混入;炉内气体呈现正压。因此在实际的热处理过程中,严格执行工艺要求是确保零件表面质量的前提,同时应当切实做好保护气氛不间断的相关准备工作。

②几种常见的可控气氛 关于可控气氛的选用原则为:钢铁零件的化学成分、热处理的技术要求,原料的来源和成本价格等。在实际热处理过程中采用多种气氛,确保零件在加热过程中无氧化、脱碳现象,实现零件的表面状态的清洁和成分的稳定。

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