一種熱處理無氫完全保護(hù)氣氛的制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及熱處理氣體制備裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以使鋼制零件在熱處理的加熱及保溫過程中處于無氫環(huán)境，且完全無脫碳現(xiàn)象的保護(hù)氣氛的制備裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在對(duì)鋼制零件熱處理過程中，為了防止工件在高溫下脫碳和氧化，一般都采用真空熱處理或者使用保護(hù)氣氛在密封的氣氛爐中處理。常用的保護(hù)氣氛有惰性氣氛(如氮?dú)?、氬氣?、氮-甲醇?xì)夥?、甲醇裂解氣、RX氣、氮基氣氛等。
[0003]惰性氣體在高溫下與工件材料不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是通常惰性氣體中難免含有其他雜質(zhì)氣體，如02、C02、H20等。在實(shí)踐中，即使惰性氣體達(dá)到非常高的純度(雜質(zhì)氣體在5ppm以下)，應(yīng)用這樣的惰性氣體，在高溫下對(duì)鋼制工件的保護(hù)也是很有限的。比如30CrMnSi材料的工件在900°C保溫1小時(shí)，用99.9997%的高純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，工件表面的氧化層大于0.1mm，脫碳層更是超過0.5mm。因此高溫下單純使用惰性氣體的保護(hù)效果不佳。
[0004]氮-甲醇?xì)夥蘸蚏X氣通常是作為滲碳?xì)夥盏幕A(chǔ)氣氛，其組分大概為C0:20-25% ；H2:35-45%,少量H20和C02 (2%以下)，其余為N2。這種保護(hù)氣氛通常還加入丙酮、丙烷、甲烷等作為富化氣來提高碳勢(shì)，必要時(shí)也加入空氣來降低碳勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)工藝所需要的碳勢(shì)。這兩種保護(hù)氣氛可以作為優(yōu)良的滲碳?xì)夥?，?dāng)然也可以作為鋼的保護(hù)氣氛。因?yàn)檫@種碳勢(shì)控制技術(shù)非常成熟和可靠，所以工件在此保護(hù)氣氛下可以實(shí)現(xiàn)完全無脫碳和氧化的保護(hù)，即完全的保護(hù)。其他的滲碳?xì)夥找捕季邆渫瑯拥男再|(zhì)。但是因?yàn)闈B碳?xì)夥盏脑O(shè)備成本和運(yùn)行成本稍高，通常都是用于滲碳工藝，應(yīng)用在保護(hù)氣氛工藝的不多。
[0005]氣基氣氛是以尚純的隊(duì)為基礎(chǔ)的一種保護(hù)氣氛。為了提尚N2的保護(hù)能力，在1^2中加入少量的還原性氣體，如丙烷、甲烷、C0等。丙烷、甲烷或甲醇進(jìn)入爐內(nèi)在高溫下分解，產(chǎn)生強(qiáng)還原性氣體&和C0。氮基氣氛中還原氣體的體積比一般在5%以下，最大也不會(huì)超過8%ο在高溫下工件在此這氣氛中可以防止氧化，但是有一定程度的脫碳。30CrMnSi材料的工件在900°C保溫1小時(shí)，用99.9997%的高純氮?dú)馀c5%的C0混合氣作為保護(hù)氣，工件表面基本無氧化，但是有0.2?0.3mm脫碳層。若對(duì)工件表面的脫碳層要求不高，氮基氣氛的確是很理想的保護(hù)氣氛。另外氮基氣氛比較滲碳?xì)夥盏脑O(shè)備成本和運(yùn)行成本都要低一些，氣氛中含的還原氣體也少一些，安全性更高，氣氛控制簡單，所以在鋼制工件的氣氛保護(hù)工藝中，氮基氣氛應(yīng)用更為廣泛。
[0006]航空和航天領(lǐng)域常用的高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，如30CrMnSiA、40CrNiMo、30CrMnSiNi2A等，由于對(duì)氫脆敏感，所以要求保護(hù)氣氛中不能含有氫氣。這樣，氮-甲醇?xì)夥?、RX氣以及其他的滲碳?xì)夥眨家驗(yàn)槠渲泻写罅康臍錃舛荒苁褂?。為了避免氫脆和脫碳，目前，?duì)于尺寸不太大的高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)度鋼制成的零件，一般都采用真空熱處理，要求脫碳層不大于0.075mm。當(dāng)然脫碳層越小越好。但是，在航空航天領(lǐng)域，有的工件尺寸超出了常用的真空爐的使用范圍。而真空爐隨著尺寸的增大，不僅因容積的增大承受的總壓力越來越大，要求更厚更強(qiáng)的爐壁，而且獲得所需的真空度越來困難，所以真空爐隨著尺寸的增大不僅設(shè)備成本越來越高，呈指數(shù)增長，也難于達(dá)到所需的真空度。所以，航天領(lǐng)域的超大型零件(如火箭殼體)，一般沒有保護(hù)措施，即只能在空氣爐中熱處理，任其脫碳。在熱處理后，采用吹砂去除氧化脫碳層。對(duì)于超大尺寸的航空航天零件，吹砂去除脫碳層不僅很困難，去除脫碳層的深淺難于控制。脫碳層可能造成工件表面拉應(yīng)力，而且脫碳層硬度低，材料強(qiáng)度顯著下降，零件的強(qiáng)度及尺寸精度都會(huì)受到明顯影響，使得零件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)增加。
[0007]近年來，有廠家嘗試使用含有5%的C0的氮基氣氛作為保護(hù)氣氛，來處理航空和航天領(lǐng)域的大尺寸零件。這種氣氛內(nèi)不含氫氣，C0的通入量為恒量，它對(duì)此類零件的保護(hù)也有一定作用，但是，其對(duì)工件的保護(hù)效果正如上面所述，其對(duì)氧化的防護(hù)還好，但是脫碳的防護(hù)不是很理想，一般脫碳層深度都在0.2?0.3mm，而且脫碳層內(nèi)的碳元素?fù)p失嚴(yán)重，硬度和強(qiáng)度下降顯著，我們最熟悉的滲碳?xì)夥罩校际潜M量使C0含量為常量，通過加入富化氣來調(diào)節(jié)C02的含量來控制碳勢(shì)，由于C02含量一般都在0.1-1%之間，其含量少，所以其碳勢(shì)調(diào)節(jié)速度快，碳勢(shì)易波動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種熱處理無氫完全保護(hù)氣氛的制備裝置，在爐內(nèi)建立無氫氣氛，通過調(diào)節(jié)通入爐內(nèi)的隊(duì)和C0與C02混合氣的流量和比例，使氣氛的碳勢(shì)與爐內(nèi)工件的碳含量始終保持相等，性能穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)工件長時(shí)間在高溫下停留而不會(huì)脫碳或增碳，解決航空航天領(lǐng)域由高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)度鋼制成的大型和超大型工件的熱處理時(shí)的脫碳問題，實(shí)現(xiàn)無氫環(huán)境的鋼的完全保護(hù)。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0010]一種熱處理無氫完全保護(hù)氣氛的制備裝置，包括氮?dú)獯尜A裝置、0)2存貯裝置，氮?dú)獯尜A裝置、氮?dú)鈮毫ψ儞Q器出口端分兩支路，一支路由手閥A、大量程氮?dú)饬髁坑?jì)、手閥B、大流量氮?dú)怆姶砰y依次連接后與密封氣氛爐連接，另一支路由手閥C、小量程氮?dú)饬髁坑?jì)、手閥D、小流量電磁閥依次連接后與密封氣氛爐連接；C02存貯裝置通過C02壓力變換器連接氣體發(fā)生爐，氣體發(fā)生爐連接C0壓力變換器，C0壓力變換器出口端分兩支路，一支路由手閥E、大量程C0流量計(jì)、手閥F、大流量電磁閥依次連接后與密封氣氛爐連接，另一支路由手閥J、小量程C0流量計(jì)、手閥H、C0小流量電磁閥依次連接后與密封氣氛爐連接。
[0011]所述的氮?dú)鈮毫ψ儞Q器出口端所分兩個(gè)支路流量比為10:1?2:1之間，最有選為4:1。
[0012]所述的C0壓力變換器出口端所分兩個(gè)支路流量比為10:1到2:1之間，最有選為4:1。
[0013]所述的氣體發(fā)生爐設(shè)有熱電偶，爐內(nèi)填充活性炭。
[0014]所述的密封的氣氛爐設(shè)有熱電偶、氧探頭、氣體分析儀、L-探頭，內(nèi)部放置待熱處理的工件。
[0015]所述L-探頭采用Measa公司的朗姆達(dá)探頭。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0017]1)本實(shí)用新型的氣氛的控制，是以碳勢(shì)作為控制變量，以改變C0含量作為調(diào)節(jié)手段；
[0018]2)氣氛中重要的組分CO的制備是采用C02通入850-1000°C活性炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后獲得，最佳值反應(yīng)溫度為工件的熱處理溫度+30°C。
[0019]3)氣氛碳勢(shì)控制的設(shè)定值為工件的材料的名義含碳量。采用此規(guī)則處理的工件，其表面含碳量會(huì)逐漸向氣氛碳勢(shì)接近，也就是說無論工件材料的實(shí)際含碳量是多少，經(jīng)過此工藝過程后，工件表面的含碳量會(huì)趨近與該材料國標(biāo)規(guī)定的名義含碳量。例如工件材料為30CrMnSiA，氣氛碳勢(shì)的設(shè)定點(diǎn)為0.30%，處理的工件的表面含碳量也將是0.30% ;
[0020]4)本方案的保護(hù)氣氛組分中不含氫氣，避免了氫脆的發(fā)生，適合高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)度鋼的熱處理氣氛保護(hù)的最基本要求。
[0021]5)本方案的氮?dú)饧癈0的控制均采用大流量和小流量雙支路的控制方案。偏差較大時(shí)，用大流量控制；偏差較小時(shí)，用小流量控制。使得氣氛控制不僅反應(yīng)速度快(大流量控制)，而且控制平穩(wěn)不過沖(小流量控制)。所以本方案的保護(hù)氣氛碳勢(shì)比較滲碳?xì)夥崭臃€(wěn)定。
[0022]6)本方案的保護(hù)氣氛非常適合用于高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)度鋼的熱處理防脫碳和氧化工藝，當(dāng)然也可以用于其他鋼制零件的熱處理防氧化脫碳保護(hù)，為鋼的熱處理防護(hù)提供了一種新方法。
[0023]7)本方案的采用了密封的氣氛爐作為處理工件的設(shè)備，氣氛爐基本不受尺寸限制，可以按照工件的尺寸訂做，所以對(duì)大型和超大型的航空航天零件均可以處理，徹底解決了目前這類零件無法防護(hù)任其脫碳氧化的現(xiàn)狀，對(duì)于航空航天零件的減重和提高安全系數(shù)有重大意義。
[0024]8)本方案的使用的設(shè)備成本投資低，經(jīng)濟(jì)效益可觀，由于等容積的真空爐的價(jià)格往往是密封的氣氛爐的數(shù)倍，所以采用本實(shí)用新型，設(shè)備投資成本顯著下降。
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