氧化与脱碳控制的优化策略

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：值得注意的是，防氧化剂主要是尽量减少零件的氧化、脱碳，不能完全消除零件的氧化、脱碳。

钢铁等金属材料在热处理加热时的氧化脱碳使金属烧损、性能降低，造成浪费。因此，如何实现少无氧化加热，进行光亮热处理，即工件热处理后，不因氧化等原因而使工作表面颜色变暗、表面粗糙度升高，而仍保持热处理前原来工件表面光亮状态，是热处理工作者关注的重点。显然，要在热处理加热时不发生氧化、脱碳现象，基本原则就是避免工件表面与加热介质发生化学作用。据前所述，应降低氧化性气体在炉气中的分压，使反应朝还原方向进行。

1.真空加热

所谓真空加热，即在低于一个大气压(一般为1.33～1.33×10-2Pa)的稀薄空气中加热，因此其基本反应为式(1-16)和式(1-19)，能否发生氧化反应取决于该加热温度下该氧化物的分解压和炉气氧的分压，如前所述。但由图1-5看出，一般金属氧化物的分解压很小。例如，铁在727℃时氧化铁的分解压为pO2＝10-21大气压。空气中氧占21%，当空气为一个大气压时，氧的分压为0.21大气压。故727℃时氧化铁的分解压相当于真空度1.33×10-9Pa时稀薄空气中氧的分压。这比一般真空加热时所采用的真空度要高得多。显然，从分解压的角度考虑，真空加热只能减轻氧化现象，但不能避免氧化。但这仅是从热力学角度得出的结论，若从动力学角度考虑，在该条件下，氧化反应进行得很慢，几乎很难觉察。因此，真空加热可避免氧化、脱碳，达到光亮热处理的目的。

在真空中加热时，工件表面不仅防止了表面氧化，而且可以使表面净化、脱脂、除气。

除了在真空炉中进行真空加热外，还可以将工件放在密封的不锈钢箱内抽气，实现真空加热，又称包装加热。

2.可控气氛中无氧化加热

可控气氛中实现无氧化加热，是通过控制炉气成分使之不氧化、脱碳，又不发生增碳反应。

在一定温度下，钢材表面奥氏体中碳浓度与炉气之间达到不脱碳、不增碳的化学平衡状态时，该钢材表面的碳含量称为该种气氛的碳势。常压下当温度一定且炉气成分一定时，碳势也会是固定的。因此，碳势代表了在中性气氛中一定温度下的炉气成分。控制碳势就是控制炉气气氛中CO/CO2、CH4/H2的含量比例。因此，通过控制碳势使平衡碳势等于钢材的碳含量即可实现无氧化脱碳加热。

碳势可以采用红外仪、氧探头或露点仪测定炉气中CO2、O2或H2O含量来确定。应当注意的是，各种手册及资料介绍用不同原料气作为可控气氛时，碳势与露点及炉气成分、反应温度之间的平衡曲线与实际生产中测定的平衡曲线是有差别的。首先，在生产中炉气是处于不断进入与排出的状态，并有空气的进入及炉气的外泄等因素，炉气的化学平衡很难严格保持；另外，加热材料的变化、炉温的波动、炉温的均匀性也都会影响平衡的露点值，因此，在实际工作中必须针对具体炉型及生产条件进行实测和调节。

3.敞焰少无氧化加热

在利用煤气作为燃料时，如果使工件在气体燃料不完全燃烧的情况下加热，则可以实现少无氧化加热，这种方法称为敞焰少无氧化加热。为了补偿由于不完全燃烧所造成的发热量不足及损耗问题，应当尽量将不完全燃烧产物燃烧后的热量回收到炉膛内。为此，需要采用换热器预热空气或煤气，采用带有附加电热元件的新型炉型结构或将炉膛分成无氧化加热区与燃尽区两部分来提高燃料的利用系数。另外，将敞焰无氧化预热(600～800℃)与感应加热相结合，也可保持最小的氧化而使生产率提高，这种无氧化加热在大型铸锻件的预备热处理中很有发展前途。

4.熔融浴炉中无氧化加热

液体熔融浴炉中无氧化加热，主要是正确控制浴槽的成分，并在生产中坚持严格的制度，使浴炉保持中性或还原性。常用的液体加热介质有盐浴、金属浴、玻璃浴等。近年来，在固体粉末流态床中实行无氧化加热也有很大的发展。

5.少氧化炉加热

少氧化炉加热是通过控制滴注剂(可以是一种滴注剂，如煤油；也可以是两种滴注剂一起滴注，如甲醇加丙酮)滴量的方法来调整炉内的碳势。少氧化炉加热时需要提前根据零件材料的碳含量来设定炉内的碳势控制值。

对于一些尺寸长、不能采用盐炉加热的长轴件还可以考虑采用井式气体渗碳炉悬挂垂直加热，直径大的长轴件可以不采用悬挂垂直加热，只需要放在坩埚底板上稍加固定垂直加热即可。零件进炉后，炉温达到800℃左右就要往炉内滴煤油对零件进行防氧化和脱碳保护。

6.其他简易防氧化脱碳的方法

1)防氧化涂层

防氧化涂层就是在金属表面涂覆防氧化涂料，这种方法具有简便易行、不受工件尺寸限制等优点。我国已有防氧化涂料的商品供应，可用于各种金属合金工件的局部表面防护。如目前有用于钢铁加热防氧化剂的水基工艺材料，无毒、无味，对环境不造成污染。该防氧化剂形成的防护膜极薄，在工件淬火冷却，退火、正火出炉过程中会自行脱落，不会影响工件的冷却，也不会对淬火介质产生损害，非常适合于箱式电阻炉的钢件防氧化、脱碳。这种防氧化剂适用于普通碳素钢、合金结构钢、合金工具钢、渗碳钢、模具钢等的防氧化、脱碳。

使用这种防氧化剂可以减少工件表面的氧化皮，并能提高工件硬度的均匀性。值得注意的是，防氧化剂主要是尽量减少零件的氧化、脱碳，不能完全消除零件的氧化、脱碳。如果是零件或模具表面质量要求高，且零件或模具保留的加工余量非常小就不能采用防氧化剂保护的方法，如硬度要求达到60HRC以上的Cr12MoV材料的模具和CrWMn、GCr15材料的零件。

2)不锈钢钢箔包裹

采用厚度为0.03～0.10mm超薄不锈钢钢箔对工件进行包裹加热。因为不锈钢钢箔很薄，能像纸一样折叠包裹模具，密封性能好、耐高温，因此能防工件加热时的氧化、脱碳。这种方法的缺点是包裹工件的操作比较麻烦，且包裹的质量直接影响着加热后工件表面的氧化、脱碳程度。

不锈钢钢箔包裹的保护方法一般采取热炉进炉的方式，其目的是缩短在电炉内的加热时间，尽量减少零件表面的氧化、脱碳。另外，长时间加热之后，不锈钢包膜纸的保护作用会变差，甚至会破裂。为了方便零件进出炉，可以制作专用的铁盒，将模具放在铁盒里。

另外，还可以采用高温玻璃通过热塑包裹工件的方式防氧化，热处理后敲碎玻璃包套即可。

氧化与脱碳控制的优化策略

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