液氮在材料熱處理中的應(yīng)用

　　一、液態(tài)氮

　　液氮是液態(tài)氮。液氮可以通過特殊設(shè)備制備，也可以作為制備液氧的副產(chǎn)物獲得。液氮溫度很低，沸點(diǎn)為-195.8℃，可作為深冷劑使用。液氮也可以從液體變成氣體，變成N2，可以作為保護(hù)氣體進(jìn)入熱處理爐。N2在空氣中所占的比例最大。液氮不像液氧那樣易燃易爆。因此，液氮具有資源豐富、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，主要用于材料熱處理。

　　二、液氮在真空熱處理中的應(yīng)用

　　真空熱處理是國內(nèi)外比較先進(jìn)的熱處理工藝，在真空熱處理中，通常與N2的使用是分不開的。例如，當(dāng)鋼零件在真空爐中加熱時(shí)，如果真空水平過高，為了避免工件材料中合金元素的揮發(fā)，需要在爐中回收適量的N2，以提高爐內(nèi)少量氣體的壓力。另一個(gè)例子是，在真空加熱油淬的真空淬火過程中，有時(shí)為了確?；蛱岣叽慊鹩偷睦鋮s能力，需要在工件冷卻前將足夠的N2回到真空爐中。在高壓氣淬中，需要快速將高于大氣壓的N2填充到真空爐中。鋼件真空淬火時(shí)，抽真空后需要回收氮?dú)?，以保護(hù)爐內(nèi)氣體循環(huán)勻稱加熱，實(shí)現(xiàn)淬火后的快速冷卻。

　　真空熱處理所需的N2有不同的來源。由于液氮的密度遠(yuǎn)大于N2，體積遠(yuǎn)小于N2，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，而且在大量供應(yīng)中更便宜。因此，液氮是真空熱處理的重要來源之一。

　　在國外和中國上海，許多制造商使用大型專用儲(chǔ)罐來儲(chǔ)存液氮供應(yīng)商運(yùn)輸?shù)囊旱?，液氮逐漸氣化的N2用于真空熱處理。他們認(rèn)為，使用液氮比使用罐N2或制氮機(jī)制更經(jīng)濟(jì)。

　　當(dāng)然，使用液氮或罐裝N2或制氮機(jī)是否具有成本效益，這與當(dāng)?shù)貧庠礂l件和熱處理廠使用的N2量有關(guān)。液氮的價(jià)格不僅與其純度有關(guān)，而且與一次購買的數(shù)量有關(guān)。例如，2003年春夏，湘潭有一家氧氣廠生產(chǎn)銷售液氮，每升1元，零售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，要求其組織平穩(wěn)，在使用和儲(chǔ)存過程中不變形。部分鋼制精密量具和裝置淬火后殘留奧氏體。如果不清除殘留的奧氏體，這些量具和器件很難保證不變形。清除殘留奧氏體的有效方法是冷暴力，將殘留奧氏體轉(zhuǎn)化為奧氏體，并通過淬火將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的淬火組織。有些鋁合金零件在切割、加工或長期儲(chǔ)存、使用中容易變形。不處理變形問題，容易造成或加工制造廢品率高，或銷售產(chǎn)品質(zhì)量差。這些變形問題通常與原料或切割產(chǎn)生的殘留內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。為了解決這些變形問題，有時(shí)需要采用高低溫循環(huán)熱處理來消除殘余應(yīng)力，包括冷暴力或-130℃以下的深冷處理。為了消除淬火后鋁合金零件的殘余應(yīng)力，有時(shí)需要反淬火，即深冷淬火后的工件，然后以快速加熱速度提高工件溫度，產(chǎn)生與淬火相反的熱應(yīng)力。

　　還有一些特殊用途的材料和商品，為了滿足低溫環(huán)境下使用的尺寸穩(wěn)定性和安全要求，還需要冷暴力或深冷處理。由于液氮溫度為-196℃，耐化學(xué)性好，可直接或間接用于上述冷暴力。有些形狀簡單，不用擔(dān)心深冷開裂或機(jī)械性能變化的鋁合金或鋼件，可以直接浸入液氮中進(jìn)行深冷處理。當(dāng)不能直接浸泡時(shí)，可以使用液氮揮發(fā)氣作為冷卻介質(zhì)。液氮也可以作為制冷劑，將放置工件的容器(低溫箱)冷卻到所需的冷暴力溫度。

　　四、鋁合金件深冷處理后的機(jī)械性能變化

　　在深冷處理鋁合金零件的切割過程中，我公司發(fā)現(xiàn)其材料比未經(jīng)冷暴力的同一零件更硬。后來發(fā)現(xiàn)，這種情況不僅出現(xiàn)在一種零件和一種材料上，而且具有普遍性。因此，我們比較了其中一種2A12型號(hào)T4狀態(tài)的鋁合金零件的硬度。結(jié)果見表1。從表1可以看出，2A12-T4鋁合金經(jīng)過深冷處理后，硬度確實(shí)有所提高。7A04鋁合金在-196℃深冷處理后，其強(qiáng)度將大大提高。因此，選擇液氮對鋁合金零件進(jìn)行-196℃深冷處理是進(jìn)一步提高其材料強(qiáng)度的有效途徑之一。自增壓液氮罐

　　5、液氮在材料熱處理中的其他應(yīng)用

　　液氮也可用作低溫淬火的淬火介質(zhì)。由于液氮的冷卻速度是水的5倍，液氮的汽化潛熱是水的1/11，工件淬火后立即被氣體包圍，淬火變形和淬火的概率較小。鋼在液氮中淬火后，殘留的奧氏體量很小，可以獲得更多的硬度和尺寸穩(wěn)定性。但由于液氮揮發(fā)性強(qiáng)，消耗量大，生產(chǎn)成本高，現(xiàn)在應(yīng)用較少。此外，電子顯微鏡是一種觀察和研究材料、分析熱處理質(zhì)量問題的大型儀器。液氮是電子顯微鏡所需的輔助材料。

　　六、液氮使用安全

　　液氮雖然不易燃，但在使用、運(yùn)輸和儲(chǔ)存液氮時(shí)也必須安全。例如，不要用手接觸液氮，注意避免液氮濺到身上，防止凍結(jié);通風(fēng)場所使用液氮，防止N2窒息;運(yùn)輸液氮時(shí)，不要密封液氮，防止物理爆炸等。

　　七、結(jié)語

　　液氮是真空熱處理所需的N2來源之一，也是一種更安全、更經(jīng)濟(jì)的制冷劑。真空熱處理具有廣闊的發(fā)展前景，無論是穩(wěn)定材料組織，避免商品變形，還是討論進(jìn)一步提高材料性能，都值得探索和應(yīng)用。因此，液氮在材料和熱處理中的應(yīng)用也具有廣闊的前景。