可控气氛热处理设备培训课件.pptx
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第十章 可控气氛热处理炉分解
2、钢在CO2－CO气氛中的氧化—还原反应 1）反应方程式： 2）平衡常数
3）KP1与温度
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； KP<2.486，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。 KP>2.486，即 (CO)／(CO2)>2.486；反应向左进行，发生还原作用，钢件衡曲线
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。
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
aC ——碳在奥氏体中的有效浓度，又称奥氏体中碳的活度。
例如：含碳0.8％的钢在1000℃时，由于分子间作用力的影响， 只起到为0.45％的作用，故称此值为有效浓度。
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
1）反应方程式
2）平衡常数
PO2为化学平衡系中氧的分压，即金属氧化物的分解压。各 种氧化物的分解压是不相同的，随温度的升高而急剧增大，氧 化物处于不稳定状态。
3）氧势
特殊热处理——可控气氛
4~8
4~15
0.5
30~60
0.1
1~5
0
75
N2 余量 余量
余量 25
露点
-10/+20 -15/+5
-30 -30
.
7
主要保护气的来源及应用
气氛的类型 放热型气体DX
吸热型气体RX
基本燃料 丙烷，丁烷，油，天
然气
丙烷，丁烷，天然气
使用范围
铁基金属光亮退火，浓 有色金属，淡 电机和变压器硅钢片的脱碳 硬钎焊烧结 渗碳 退火，淬火，普通烧结，无脱碳的硬
.
3
基本原理
分解：渗剂中生成能渗入工件表面的活性原 子的反应。
吸附：活性的原子（或离子）于表面金属的 原子产生键合而浸入其表层。
扩散：工件表面吸附活性原子（或离子）后 ，其表面浓度与内部形成浓度梯度，满足扩 散条件，渗入的元素相内部迁移形成一定厚 度的扩散层。
.Hale Waihona Puke 4可控气氛热处理目的
.
5
主要的可控气氛
材料烧结
净化的氨基气体 单组分气体NX
丙烷，丁烷，天然气 黑心可锻铸铁的退火，
油
无脱碳退火，低温退火，
炉子净化
氨基气体AX
氨（利用分解过程） 合金钢的退火和硬钎焊（存在Cr，
.
Al， Si）
8
工业使用率的统计
放热气氛25%
吸热气氛25%
净化的氮基或单组分气体气氛30%
分解氨气氛12%
其他气氛8%
氨分解气氛：
❖ H2 75%,N2 25%.
❖ 不锈钢、硅钢的退火等
.
14
特殊气氛
有机液体的滴注式气氛：
可控气氛热处理炉设备概述
可控气氛热处理炉设备概述可控气氛热处理炉是一种专门用于金属热处理加工的设备，可以通过控制内部气氛和温度来实现对金属材料的加热、保温、淬火等工艺过程的控制和调节。
该设备广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工、电子设备等领域，是实现金属材料热处理工艺的重要设备之一。
可控气氛热处理炉通常由加热炉体、保温隔热层、控制系统、气体调节系统等部分组成。
加热炉体采用耐高温材料制成，能够承受高温条件下的工作环境。
保温隔热层则能有效减少能量的损失，提高能源利用率。
控制系统可以精确控制炉内的温度、气氛成分等参数，实现对热处理过程的精确控制。
气体调节系统则用于控制炉内的气氛成分和压力，保证热处理过程中的气氛质量和稳定性。
可控气氛热处理炉设备具有温度均匀、加热速度快、气氛调节精确、操作简便等特点。
通过调节气氛成分和温度，可以实现对金属材料的不同热处理工艺，如退火、正火、淬火等。
同时，该设备还能够提高金属材料的硬度、耐磨性、抗腐蚀性和强度等性能，提高材料的使用寿命和性能。
总之，可控气氛热处理炉设备是一种非常重要的金属加工设备，能够实现对金属材料的精确热处理，提高材料的性能和使用寿命，为各行业的生产制造提供了重要的支持。
随着科技的不断发展，该设备的技术和性能也在不断提升，将为金属材料的热处理加工提供更加高效、精确和可靠的解决方案。
可控气氛热处理炉设备在金属加工行业具有着不可替代的重要作用。
在航空航天、汽车制造、机械加工、电子设备等领域，需要对金属材料进行热处理，以提高其机械性能、耐磨性、耐腐蚀性等特性，从而满足不同工业领域对材料性能的要求。
可控气氛热处理炉设备能够通过精确控制炉内的气氛和温度，实现对金属材料的各种热处理工艺，如退火、正火、淬火等，为工业生产提供了重要的支持。
首先，可控气氛热处理炉设备的温度均匀性是其优势之一。
通过合理设计和控制加热元件布局以及加热工艺参数，可控气氛热处理炉能够实现炉膛内温度的均匀分布，保证金属材料在整个热处理过程中受热均匀，避免因温度不均匀而导致的变形、龟裂等缺陷。
特殊热处理——可控气氛
乙烯：C2H4=C+CH4 乙炔：C2H2=2C+H2
18
深层渗氮
32Cr3MoVE钢深层渗氮(三段式气体渗氮）
深层渗氮工艺
19
深层渗氮层的硬度及残余应力
渗氮－渗碳层硬度梯度
渗层残余应力分布（磨削后）
20
离子渗氮
优点：
无须预除钝化膜即可对不锈钢进行气体渗氮； 渗氮层组织和相组成可以控制,；
渗层脆性小、质量好,可显著提高渗氮速度,其处理周
其他气氛8%
9
吸热式气氛
气氛组成：CO、CO2、N2、H2O、H2 碳氢气和空气的比例应使有足够的氧形成一氧化碳 和氢而不足以形成二氧化碳及水蒸气。 氧化反应本质是吸热的，燃烧过程只能借助于外部 加热来维持，氧化过程释放的热不足以维持反应。
10
吸热式气氛
采用天然气及丙烷制备：
A:提高丙烷气体流速和产生脉动的丙烷气压有
所改善， 采用乙炔能获得较高碳势，渗碳层均匀，适宜 复杂形状零件，消除炭黑及焦油的产生。
41
真空低压乙炔渗碳
900~1000℃，P≤2×103Pa条件下，分解： 甲烷： CH4=CH4
丙烷：
C3H8=C+2CH4 C3H8=C2H4+CH4 C3H8=C2H2+H2+CH4=2C+CH4+2H2
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放热式气氛
典型成分（体积%）为：
淡型:
CO 1.5%, CO2 10.5~12.8%, H2 0.8~1.2%， CH40%，N2 其余; 浓型: CO 10.2~11.1%,CO2 5.0~7.3%， H2 6.7~12.5%，CH40.5%，N2 其余。
热处理可控气氛
8.3.2.4 炉气的相互作用 炉气除与钢铁发生反应外，炉气之间又有很 多化学反应，其中最重要的是水煤气反应： CO2+H2 CO+H2O 水煤气反应在高温下很快达到平衡，它对炉 气的性质和炉气检测均有实际意义： ⑴欲防止氧化和脱碳要减少炉气中CO2和H2O 含量，二者必须同时进行。如果单除去H2O，由 于CO2的存在，它与H2发生水煤气反应会重新生 成H2O，使炉气不能起到防氧化作用。 ⑵水煤气反应使CO2和H2O在数量上有对应关 系，故在炉气检测时可以只检测H2O含量或CO2 含量之一即可确定炉气性质。
Kp=CO/CO2
用表中数据作图，表示在不同温度下 氧化-还原反应平衡时，气氛中CO2与CO的比 值。曲线右方为氧化区，曲线左方为还原区。 为了防止铁被氧化，就应在还原区的气氛中进 行加热。具体地说: 950℃时，气氛中CO/CO2应大于2.31 700℃时，气氛中CO/CO2应大于1.46
8.3.2.2 钢的不脱碳加热原理 钢铁在CO2-CO中的脱碳-渗碳反应 C(g-Fe)+CO2 2CO 式中C(g-Fe)表示奥氏体中的碳，在一般热处 理温度下，钢铁中的碳大部分溶解在奥氏体中。反 应向右进行，表示钢中的碳与CO2化合成CO，钢 被脱碳。 在一定温度下，具有某种成分Pco2/Pco的气 氛，对钢是否脱碳与钢中含碳量有关。温度，炉气 成分，钢的含碳量三个参数共同决定钢是渗碳还是 脱碳。 碳势：在一定温度下，反应平衡时，气氛成 分所对应钢中的含碳量。
8.3 热处理用可控气氛
8.3.1 概述 钢材在空气中或炉气中加热时，在高温下，铁及 钢中的碳会与气氛起化学反应作用，发生氧化-还原， 脱碳-渗碳等反应。对一般钢材或零件，氧化脱碳增 加金属消耗量，如汽车和拖拉机行业制造过程中多 次加热造成的金属损失约占零件重量7%。对表面要 求严格的钢材或零件，氧化脱碳将造成严重缺陷， 如冷轧或冷拔钢材由于氧化失去准确的尺寸，齿轮， 轴类由于表面脱碳降低了强度和耐磨性，缩短使用 寿命。为了除去氧化膜和脱碳层，增加繁多的工序 和大量费用。为此在一些对表面质量要求高的热处 理炉内采用了可控气氛。
热处理基本知识培训(ppt32张)
冷却转变曲线 800 A S T A Ms Mf M+A 102 103 B
热处理原理
700
600
P
温 500 度
℃ 300 200 -100 0
10
104 105 时间, S
热处理方法及应用 热处理类别 退 火 完全退火 不完全退火 等温退火 去应力退火 正火 特 点 保温后缓冷 （炉冷） 应 用
常用于中碳钢和中碳合金钢
表面高耐磨和心部强韧 1. 常用于低碳钢和低碳合金钢 性 2. 得到表面高硬度 3. 适于形状复杂的零件表面硬化， 硬化层比较均匀 如齿轮等 处理温度低，变形小， 高的硬度，高的耐蚀性 1. 常用于中碳合金钢 2. 得到表面高硬度 3. 精密齿轮、曲轴等
氮化 软氮化 碳氮共渗
1. 降低脆性，消除内应力。 2. 调整硬度、塑性和韧性。 3. 获得稳定组织。 •同 上
回火
时效处理
热处理方法及应用 热处理类别 特 点 应
表面热处理
用
火焰淬火 回火
感应淬火 回火 渗 碳
设备、方法简单，淬火 效果不稳定
表面硬度比普通淬火高 2~3HRC 变形小、生产效率高
1. 常用于中碳钢 2. 批量小的大型零件局部硬化
SC540W
850-900
850～870 ≤241
40CrMn
850～880 ---
SCSiMn1 850-900 H SCSiMn2 850-900 H SCSiMn3 850-900 4H
149197 ≥163
≥170
≥201
3.钢的淬火
•
•
淬火—— 加热、保温、快冷，提高硬度 和耐磨性 目的：得到马氏体组织（贝氏体），提 高硬度和耐磨性
气氛控制、热处理原理ppt课件
1.2344
计算数字
0 生铁,铸铁 1 钢, 铸钢 2 重金属 3 轻金属 4…8 非金属
01-07 碳钢 (低碳钢) 11-13 碳钢 (例：1043) 15-18 低合金工基钢 (W112) 20-28 工具和模具钢 (例 H13) 32-33 高速钢 (例 M2) 40-49 不锈钢 (410)
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为什么是铁?
• 纯铁的一些参数 – 不平衡性（电子旋转在同一方位） • 换句话说, 钢有能力与许多其它元素结合并且 这些元素改变成钢的性能（产物） – 增加锰，和其它碳钢 »钢比铁不仅强, 热处理对钢的性能有显 著的改变，因此在我们每天生产中，可 以提高材料的使用性
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我们为什么要用热处理?
• 在生产过程中增加热处理过程，通过热处理以适 当增加材料性能（如硬度或者反阻抗）
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为什么是铁?
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为什么是铁?
• 纯铁的一些参数 – 原子系数 = 26 (26 质子, 26 电子) – 熔点 = 1537C (2800 F) – 密度 = 7.87 g/cc (20C)
• 粉未冶金学家曾经说过，此类烧结材料为95%的密集， 95%等等．
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特殊热处理——可控气氛PPT课件
精选
3
基本原理
分解：渗剂中生成能渗入工件表面的活性原 子的反应。
吸附：活性的原子（或离子）于表面金属的 原子产生键合而浸入其表层。
扩散：工件表面吸附活性原子（或离子）后 ，其表面浓度与内部形成浓度梯度，满足扩 散条件，渗入的元素相内部迁移形成一定厚 度的扩散层。
精选
4
可控气氛热处理目的
精选
温度场均匀性和检测温度的可靠性较差；
工件要有一定批量。
精选
21
离子渗氮改进
当前采用外热式加热,首先将炉内温度加热达 到400 ℃左右,再由离子轰击达到最终工艺温度 ,可较为有效地改善炉温均匀性。
先离子渗氮、后气体渗氮,充分利用离子渗氮 的优势,在渗氮前期更快地使氮原子渗入工件 中,后期则采用气体渗氮,调整渗层组织,实现渗 层优化。
浓型: CO 10.2~11.1%,CO2 5.0~7.3%， H2 6.7~12.5%，CH40.5%，N2 其余。
用于低碳钢退火、正火、淬火、回火；铜的退火、 钎焊及烧结保护等；
液化石油气制备。
精选
12
净化放热式气氛
典型成分（体积%）为：
淡型: CO 1.7~1.8%, H2 0.9~1.4%，N2 其余; 浓型: CO 10.5~11.2%,H2 8.3~13.4%,N2 其余
可控气氛热处理
化学热处理的工艺方法
精选
2
可控气氛热处理概述
为防止氧化、脱碳等缺陷，将热处理炉中充入中 性气氛或还原气氛等，对工件进行保护加热处理 ，或同时进行渗碳、渗氮、碳氮共渗等化学热处 理，称为可控气氛热处理。
将工件放在含有渗入元素的活性气体介质中， 加 热到一定的温度后进行保温，利用固态扩散使渗 入元素被吸附并扩散到表面层，改变表面层的化 学成分，从而使工件表面层的组织结构和性能发 生变化。
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2、液体原料——有机液 ﹡常用的有机液：甲醇、乙醇等。 ﹡一般做为滴注式可控气氛，即把有机液体直接滴入 炉内，经高温反应生成可控气氛。 3、气体原料 ﹡常用的有：工业煤气、天然气、液化石油气等。
二、放热式气氛 放热式气氛的制取容易，产气量大，装置简单，
成本低廉，广泛用作毛坯料和一般工件的保护加热 气氛。 1、定义
2）冷冻法除水—使气氛露点达到2~4℃，水分含 量为0.7%~0.8%，再用气体干燥剂（硅胶或铝胶 （活性氧化铝） ）进一步除水，使气氛的露点下降 到-40 ℃ 。
露点：就是指气氛中水蒸气开始凝结成雾的 温度，即在一定压力下气氛中水蒸气达到饱 和状态时的温度。气氛中含水蒸气愈多，其 露点就愈高，而碳势就愈低。
※吸附剂经一段时间使用后，吸附能力下降。为了
恢复吸附剂的吸附能力，需要将吸附质从吸附剂内
排出，这一过程称为吸附剂的解吸或再生。
再生方法有：加热再生、抽真空（减压）再生。
吸附是放热过程，因此提高吸附剂温度可使吸附质 排出。最常用的是热空气加热，分子筛和铝胶的再 生温度为300~500℃，硅胶为180~250 ℃ 。由 于吸附剂不易传热，升温速度应缓慢，每分钟应不 超过10 ℃。再生完毕后，吸附剂应冷却，以恢复 吸附能力。
带密封罐及中央控制的立式空气循环炉用于反应气氛下的粉末 硼化处理
第二节 可控气氛类型 一、制备可控气氛的原料
1、固体原料——木炭 ﹡木炭气氛主要成分：N2和CO，还有少量H2 、CO2。 ﹡制备装置:结构简单，制取简易； ﹡缺点：木炭消耗量较大，劳动条件差；
木炭气氛很不稳定，只适用于要求不严格的 工件的保护加热。
3）吸附剂吸附除水 ※沸石分子筛、硅胶、铝胶（活性氧化铝）是最常 用的气体干燥剂。
通常，硅胶、铝胶只是在高湿度下吸附容量才很 大，所以在气体含水很多时，一般先用硅胶吸附， 其后才用沸石分子筛吸附，即所谓串联吸附。使气 氛的露点下降到-40~-60 ℃ 。
分子筛晶体内的微孔直径大小均一，能吸附比微孔小的流体分 子，而不能吸附比微孔大的分子。因此，它具有“筛子”作用， 故名为分子筛。H2O、CO2、SO2等分子直径均小于4埃,均能 被分子筛吸附。
带密封罐的空气循环立式炉 - 保护 气氛
带密封罐的空气循环井式炉用于金属热处理， 如保护性气氛下的光亮退火和回火、金属粉 末（PM）的钎焊和烧结。 ■有更多装置： ■根据德国标准DIN17052-1, 温度均匀性 最佳可达±3℃ ■可用氮气、氩气、氢气和混合气的自动通 气装置 ■密封罐的内部温度控制 ■带‘O’形密封圈的水冷门
◆减少工件的加工余量或加工工序，以节约金属 材料消耗；
◆可控气氛热处理炉的机械化自动程度较高，可 明显提高劳动生产业应用，最初是由空气通 过灼热的木炭而制取的主要含N2和CO气的木炭 发生气。
※ 20世纪40年代，以天然气、液化石油气制备 放热式气氛和吸热式气氛的技术就已发展成熟。
抽真空（减压）再生。
气体加压可使吸附容量增加，相反，减压则可脱出吸 附质。解吸压力愈低愈好，但真空度一般为20KPa左 右。为使效果好，真空泵的抽速要大，抽真空并同时 用净化气体吹洗分子筛，则再生就较为彻底。
三、吸热式气氛 吸热式气氛的应用最为广泛，与它较易制取，
成本较低 ，产气组分稳定，且易于实现碳势的 自动控制等因素有关。 1、定义： ◆将原料气与少量空气混合，空气过剩系数
0.25~0.27，在高温与催化剂作用下在反应罐内产
生不完全燃烧生成的气氛。由于这种不完全燃烧反
※淡型放热式气氛，主要用于铜及铜合金（不含锌） 的光亮热处理、可锻铸铁退火和粉末冶金烧结。
4、放热式气氛的净化
净化处理目的是去除或进一步降低放热式气氛中H2O 和CO2的含量。
※常用的方法： 1）化学法—它通过10%NaOH水溶液或乙醇胺吸 收气氛中的CO2； 用化学干燥剂与水结合生成水合物而排除水分； 干燥剂有：KOH、CaO等。
※ 50年代，可控气氛热处理已成为美国的热处 理方式。
※ 70年代中东石油危机，促进了氮基气氛的开发。
※我国的可控气氛处理，开始于60年代。70年代 发展较快，主要发展了吸热式气氛。最近几年，随 着氮基气氛、滴注式气氛的发展，我国可控气氛的 应用又出现了好势头。
气密空气循环箱式炉 － 保护气氛 用于保护气氛下的金属热处理，可用于光亮退火、回火、钎焊以及金属粉 末（PM）的排胶和烧结等热处理工艺。 ■最高温度可达900℃（1100℃，可选购） 另有更多装置： ■在门上安装空气循环风扇，增加了马弗腔中的空气循环 根据德国标准DIN17052-1, 温度均匀性最佳可达±7℃
放热式气氛就是将原料气和空气按一定比例混合， 空气过剩系数0.5~0.9，经燃烧反应制备成的气氛。 由于反应温度是靠自身燃烧发热来维持的，无需外 部供热，所以称为放热式气氛。
浓型放热式气氛 分为
淡型放热式气氛 在燃烧空气系数α小于1的条件下，原料气与空气进 行不完全燃烧，其燃烧产物经冷却除水便制得放热 式气氛。习惯上，在α为0.5~0.8下燃烧所得的气 氛称为浓型放热式气氛，空气较少，所得气氛中还 原性组分CO、H2含量较高，而CO2较少。
◆在α为0.9~0.98下燃烧所得气氛称为淡型放热式 气氛，空气较多，所得气氛中CO2含量就较高。
2、放热式气氛的制备流程
原料气与空气按一定比例混合——燃烧室进行不完 全燃烧——燃烧产物迅速冷却除水——经气水分离 器进一步除水——制得放热式气氛
3、放热式气氛的特性及应用
※浓型主要用于毛坯料和不重要零件的保护加热； 低碳钢的光洁退火以及中碳钢短时加热淬火。
第六章 可控气氛热处理设备
第一节 概述
◆将采用可控气氛的热处理炉称为可控气氛热处 理炉。 可控气氛：可实现金属的无氧化、无脱碳、无增 碳加热，实现化学热处理控制（如碳势控制、氮 势控制），完成诸如硅钢片的脱碳退火、钢铁工 件脱碳后的复碳、低碳钢冲压件的穿透渗碳等的 特殊热处理工艺。
◆采用可控气氛热处理，可改善工件表面的组织 结构，提高机器零件的使用性能；