液氮在材料熱處理的應(yīng)用

一、液體狀態(tài)的氮

液氮即液體狀態(tài)的氮。液氮可以通過專門的設(shè)備制取，也可以在制取液氧的過程中作為副產(chǎn)品而得到。液氮具有很低的溫度，其沸點(diǎn)為-195.8℃，可以用作深冷劑。液氮還可以從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，成為氮?dú)�，可以作為保護(hù)氣體通入熱處理爐內(nèi)。在空氣中，氮?dú)馑�占的比例最大。液氮也不像液氧那樣易燃、易爆，所以，液氮具有資源豐富、安全性較好等優(yōu)點(diǎn)，在材料熱處理方面有著主要用途。

二、液氮在真空熱處理中的應(yīng)用

真空熱處理是國內(nèi)外正在采用的比較先進(jìn)的熱處理方法，在真空熱處理中，往往離不開使用氮?dú)�。例如，�?dāng)鋼鐵件在真空爐中加熱時(shí)，若真空程度過高，則為防止工件材料中的合金元素?fù)]發(fā)，需對爐中回充適量的氮?dú)�，以提離爐內(nèi)微量氣體的壓力。又如，在真空加熱油淬的真空淬火過程中，有時(shí)為了保證或提高淬火油的冷卻能力，需在工件冷卻之前，向真空爐中回充足夠的氮?dú)�。在高壓氣淬時(shí)，需要快速向真空爐中充入高于一個大氣壓的氮?dú)�。在鋼件真空回火時(shí)，在抽真空后需回充氮?dú)庖詫?shí)現(xiàn)爐內(nèi)保護(hù)氣體循環(huán)均勻加熱，以及實(shí)現(xiàn)回火后的快速冷卻。

真空熱處理所需的氮?dú)�，有各種不同的來源。由于液氮的密度遠(yuǎn)比氮?dú)獯�，體積遠(yuǎn)比氮?dú)庑�，便于運(yùn)輸和貯藏，而且在大量供應(yīng)時(shí)價(jià)格也較便宜。所以，液氮是真空熱處理所用氮?dú)獾闹匾獊碓粗�一�?/P>

在國外和我國上海等地，有不少廠家就使用較大的專用儲存罐，存放由液氮供應(yīng)廠商專車運(yùn)送來的液氮，并將由液氮逐漸汽化而成的氮?dú)庥糜谡婵諢崽幚怼Ｋ麄冋J(rèn)為，使用液氮比使用瓶裝氮?dú)饣虿捎弥频獧C(jī)制氮經(jīng)濟(jì)合算。

當(dāng)然，是用液氮合算，還是用瓶裝氮?dú)饣蛑频獧C(jī)供氮合算，這與當(dāng)?shù)氐臍庠礂l件、以及熱處理生產(chǎn)廠用氮?dú)饬康拇笮〉染唧w情況有關(guān)。液氮的價(jià)格不僅與其純度的高低有關(guān)，與一次購入量的多少也有關(guān)。例如在2003年春季和夏季，湘潭有一家制氧廠生產(chǎn)銷售的液氮，一次購1000L以上時(shí)，售價(jià)為每升1元；若零售，則每升4元。

三、液氮在材料深冷處理中的應(yīng)用

精密量具和一些精密器件，要求其組織穩(wěn)定，在使用和儲存中不變形。而其中有些鋼鐵制造的精密量具和器件，在淬火后存在殘留奧氏體。若不消除殘留奧氏體，則這些量具和器件就難以保證不變形。消除這此殘余奧氏體的一個有效方法就對其進(jìn)行冷處理，讓殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，并通過回火使其變?yōu)榉�(wěn)定的回火組織。有些鋁合金件，在切削加工或長儲、使用中存在容易發(fā)生變形的問題。若不解決變形問題，容易造成或者加工制造的廢品率高、或者售出的產(chǎn)品質(zhì)量不好。這些變形問題，往往與其原材料或切削加工產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。解決這些變形問題，有時(shí)需要采取高低溫循環(huán)熱處理的方法消除殘余應(yīng)力，其中包含了冷處理或-130℃以下低溫的深冷處理。為了消除鋁合金件淬火后的殘余應(yīng)力，有時(shí)也需要進(jìn)行反淬火，即把淬火后的工件進(jìn)行深冷，然后再用較快的升溫速度讓工件溫度提高，使其產(chǎn)生與淬火時(shí)相反的熱應(yīng)力。

還有一些特殊用途的材料或產(chǎn)品，為了使其滿足在低溫環(huán)境下使用的尺寸穩(wěn)定性和安全性要求，也需要經(jīng)過冷處理或深冷處理。由于液態(tài)氮的溫度為-196℃，化學(xué)穩(wěn)定性也較好，所以可以直接或間接地用于上述冷處理。有些形狀較簡單，不用擔(dān)心深冷開裂、不用擔(dān)心力學(xué)性能變化的鋁合金件或鋼件，可以直接浸放入液氮中深冷處理。當(dāng)不能直接浸泡時(shí)，可以采用液氮的揮發(fā)氣作為冷卻介質(zhì)。還可以將液氮作為制冷劑，使擺放工件的容器(低溫箱)降溫到所需的冷處理溫度。

四、鋁合金件深冷處理后的力學(xué)性能變化

我們公司在對經(jīng)過深冷處理的鋁合金件切削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，其材料比未經(jīng)冷處理的同一種零件的材料硬一些。后來發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)于一種零件、一種材料，而帶有普遍性。于是，我們?nèi)∑渲幸环N2A12牌號T4狀態(tài)的鋁合金件作了硬度對比。其結(jié)果見表1。從表1可見，2A12-T4鋁合金件經(jīng)過深冷處理后，硬度確實(shí)有提高。7A04鋁合金經(jīng)-196℃深冷處理后，其強(qiáng)度會有明顯的提高。由此可見，采用液氮對鋁合金件進(jìn)行-196℃的深冷處理，是進(jìn)一步提高其材料強(qiáng)度的有效途徑之一。

五、液氮在材料熱處理中的其他應(yīng)用

液氮還可以用作超低溫淬火的淬火介質(zhì)。由于液氮的冷卻速度比水大5倍，液氮的汽化潛熱為水的1/11，所以工件淬入后立即被氣體包圍，淬火變形及淬裂的可能性較小。鋼在液氮中淬火后，殘余奧氏體量極少，可使其獲得更高的硬度和尺寸穩(wěn)定性。但由于液氮容易揮發(fā)，消耗量較大，生產(chǎn)成本較高，所以目前應(yīng)用得較少。此外，電子顯微鏡是觀測和研究材料、分析熱處理質(zhì)量問題的大型儀器。而液氮則是電子顯微鏡所需要的一種輔助材料。

六、液氮使用的安全性

雖然液氮為非易燃物，但在使用、運(yùn)輸和貯藏液氮的時(shí)候，也必須注意安全。例如，不要用手直接接觸液氮，并且注意防止液氮濺到身上，以防凍傷；應(yīng)在通風(fēng)的場所使用液氮，以防氮?dú)馐谷酥舷�；裝運(yùn)液氮時(shí)，不要將液氮封裝過嚴(yán)，以防發(fā)生物理爆炸等等。

七、結(jié)語

液氮是真空熱處理所需的氮?dú)鈦碓粗�一，又是對材料作深冷處理的一種較為安全和經(jīng)濟(jì)的制冷劑。真空熱處理有著廣闊的發(fā)展前景；而材料的深冷處理，無論是在穩(wěn)定材料組織、防止產(chǎn)品變形方面，還是在探討進(jìn)一步提高材料性能方面，都更值得人們?nèi)パ芯亢蛻?yīng)用。因此，液氮在材料和熱處理方面的應(yīng)用也有著廣闊的前景。