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《热处理设备》第五章 可控气氛炉.ppt

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《热处理设备》第五章 可控气氛炉.ppt
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1,北华航天工业学院金属材料工程教研室,2,课十二 第五章 可控气氛热处理炉,本章我们主要了解以下四个方面的内容:一、可控气氛炉加热的基本原理;二、可控气氛的种类、制备流程、特性与应用;三、可控气氛的碳势测量及氧势控制。四、可控气氛热处理炉的类型、安全操作与发展。本次课我们先来了解前两个方面的内容。,3,我们知道,在一般空气介质电阻炉中加热钢件时,容易发生氧化和脱碳。 要使钢件加热时不产生氧化和脱碳,可以采用两种方法: 一种是向炉膛内送入保护气体,使钢件在保护气氛下加热;为了使工件表面不发生氧化、脱碳、烧损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,称可控气氛。 另一种方法是把炉膛内空气抽除,使钢件在真空状态下加热,§5.1 概 述,,4,5,脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。其化学方程式如下; 2Fe3C+O2=6Fe+2COFe3C+2H2=3Fe+CH4 Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2 Fe3C+CO2=3Fe+2CO这些反应是可逆的,即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳,而甲烷和一氧化碳则使钢增碳。,,6,,钢件在保护气氛下加热不仅可实现无氧化无脱碳热处理,提高热处理质量,还可以进行渗碳、脱碳等特殊热处理。并且可实现机械化和自动化控制,使生产率得到提高、劳动条件得到改善。但其设备复杂、投资较大,操作技术要求较高。保护气氛可以是中性气体(N2)或惰性气体(Ar),有时也可以是还原性气体(H2)。大多数保护气氛是由多种气体(例如CO, CO2, H2, CH4, H2O, N2等)混合组成的,各种气体与钢进行的化学反应列于表10-1中。,7,表10-1各种气体与铁及其碳化物的化学反应,8,各种气体与钢的化学反应和各种气体之间的化学反应是比较复杂的,但是可以调节保护气氛中氧化性气体与还原性气体的比例、脱碳性气体与渗碳性气体的比例,即CO2/CO、H2O/H2、CH4/H2的相对含量,使反应处于平衡状态,钢的氧化速度与还原速度相等,钢的脱碳速度与渗碳速度相等,这样就能实现无氧化与无脱碳加热。 无氧化加热一般可分为光亮加热和光洁加热,前者表面未形成氧化膜,仍保持金属光泽;后者有氧化膜生成,失去金属光泽。可控气氛热处理炉的优越性如下:,9,(1)实现无氧化无脱碳与增碳热处理,因而提高钢件的表面质量及机械性能,减少零件的加工余量和钢材的烧损量,因此能节省工时及能耗,节约金属材料。(2)实现可控渗碳,可以精确地控制零件表面的含碳量、碳浓度梯度和渗碳层厚度,因而提高了渗碳零件的机械性能,稳定渗碳工艺的质量。(3)实现特殊的热处理工艺,如硅钢片的脱碳退火,轧制钢材的复碳退火等。(4)实现机械化与自动化,提高劳动生产率,改善劳动条件。总之,可控气氛热处理炉目前已成为一种先进的加热设备。尤其是在可控气氛的应用方面可作为衡量一个国家热处理技术发展水平的重要标志。,10,§10—2 可控气氛加热的基本原理,在这一节里,我们通过钢在可控气氛中加热所发生的化学反应,来了解可控气氛中各种组分的性质与作用以及对钢在加热过程中发生氧化还原、脱碳增碳反应的影响,进而确定可控气氛中的控制对象。常用的可控气氛主要由CO、H2和少量的CO2、H2O和CH4、CnHm等气体组成。在热处理温度条件下,气体与钢进行化学反应。,11,一、钢在炉气中的氧化还原反应 1、钢在CO2-CO气氛中的反应钢在空气中加热将与氧发生氧化反应,在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。钢在CO2-CO气氛中的氧化还原反应则有所不同,是可逆的,其反应速度和反应方向决定于CO/CO2比值和温度。,12,在一定温度下,反应达平衡时,气氛中各种气体浓度不再改变,其平衡常数为,式中:PCO、PCO2—CO和CO2气体的分压;[CO]、[CO2]— CO和CO2气体的浓度; (CO),(CO2)混合气体中CO和CO2的体积百分含量.,其反应方程式如(10-1),反应方向由平衡常数来判断.,,13,,在一定温度状态下,平衡常数KP总保持为定值。某一温度下的kP值,可由实验测定,也可由热力学反应自由能计算求得。如表10-2所示,应用平衡常数KP即可判断反应进行的方向。如在1000℃时,KP =2.486,即当(CO)/(CO2 )=2.486时,氧化还原处于平衡状态,当实际炉气(CO/CO2)2.486时,为趋于平衡(10—1)式反应向右进行, CO2使Fe氧化生成FeO, CO2浓度降低,同时CO浓度增加,钢件氧化。(点),,14,反之,当(CO)/(CO2)2.486时,反应向左进行
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