山东热处理过程中氧化脱碳问题的控制与防护技术
热处理过程中氧化脱碳问题的控制与防护技术
氧化脱碳问题概述
在热处理过程中，工件置于加热介质中，与空气中的氧气发生化学反应，表面形成氧化皮；同时，碳元素也会与氧气等反应而减少，导致脱碳现象。氧化脱碳会降低工件的硬度、耐磨性、疲劳强度等性能，影响其尺寸精度和表面质量，因此需要采取有效的控制与防护技术。
控制与防护技术
控制加热介质
采用保护气氛
原理：保护气氛是一种在热处理过程中能隔绝空气与工件接触，防止氧化和脱碳的气体环境。它可以为工件提供还原性或中性气氛，避免工件表面与氧气发生反应。
常用保护气氛类型
吸热式气氛：由烃类气体（如天然气、丙烷等）与空气按一定比例混合后，在吸热式气氛发生炉中反应制得。其主要成分是一氧化碳、氢气和氮气，具有良好的还原性，能有效防止工件氧化脱碳。一般控制碳势在一定范围内，可根据工件材质和热处理要求进行调整。
滴注式气氛：将有机液体（如甲醇、乙醇、丙酮等）滴入高温环境中分解产生保护气氛。这种方法成本较低，操作相对简单。通过控制滴注量和气体成分，可以调节气氛的碳势和还原性，满足不同工件的热处理需求。
氮基气氛：以纯氮气或氨分解气（主要成分是氮气和氢气）为基础，通过添加适量的碳氢化合物或其他添加剂来调节气氛性质。氮基气氛具有安全性高、成本适中的优点，广泛应用于各种金属材料的保护热处理。
使用真空介质
原理：在真空环境下进行热处理，将工件周围的空气抽出，使工件不与氧气等氧化性物质接触，从根本上避免氧化脱碳的发生。
应用情况：真空热处理适用于对表面质量和性能要求较高的工件，如高速钢刀具、精密模具等。真空度越高，保护效果越好，但设备投资和运行成本也相对较高。一般根据工件的材质和尺寸要求，选择合适的真空度和热处理工艺参数。
改进加热方式
快速加热
原理：缩短工件在高温区的停留时间，减少工件与氧化性介质的接触时间，从而降低氧化脱碳的程度。快速加热可以通过提高加热速度、优化加热工艺等方式实现。
具体措施：采用感应加热、激光加热等快速加热技术，这些技术具有加热速度快、热效率高的特点。例如，感应加热可以在短时间内将工件表面迅速加热到所需温度，而工件心部温度上升相对较慢，从而减少了表面在高温下的暴露时间。此外，合理控制加热速度和保温时间，根据工件的材质、尺寸和形状，制定科学的加热工艺曲线，避免长时间在高温下保温。
分段加热
原理：将加热过程分为多个阶段，每个阶段采用不同的加热速度和温度，以减少工件的热应力和氧化脱碳。分段加热可以使工件内部组织均匀变化，同时降低表面氧化的可能性。
具体措施：例如，在淬火加热时，先以较低的加热速度将工件加热到低于临界温度的某一温度，保温一定时间后，再快速升温到淬火温度。这样可以使工件内部组织逐渐适应温度变化，减少因快速加热产生的热应力和氧化现象。
工件表面处理
涂层防护
原理：在工件表面涂覆一层防护涂层，阻止氧气和其他腐蚀性介质与工件表面接触，从而起到防止氧化脱碳的作用。防护涂层应具有良好的耐高温、抗氧化和抗腐蚀性能。
常用涂层类型
金属涂层：如铝涂层、锌涂层等。铝涂层在高温下能形成一层致密的氧化铝膜，具有良好的抗氧化性能；锌涂层则通过牺牲阳极的方式保护工件基体，同时也能在一定程度上防止氧化脱碳。
陶瓷涂层：如氧化铝涂层、碳化硅涂层等。陶瓷涂层具有优异的耐高温和抗氧化性能，能有效隔离工件与外界环境的接触。这些涂层可以通过热喷涂、物理气相沉积等工艺制备。
渗金属处理
原理：将某些具有抗氧化性能的金属元素（如铬、硅等）渗入工件表面，形成一层富含这些元素的渗层，提高工件表面的抗氧化能力。渗金属处理可以改变工件表面的化学成分和组织结构，增强其抗腐蚀和抗氧化性能。
常用渗金属方法：如液体渗铬、气体渗硅等。以液体渗铬为例，将工件放入含有铬盐的渗铬剂中，在一定温度下保温一定时间，使铬元素渗入工件表面形成渗铬层。渗铬层具有高硬度、高耐磨性和良好的抗氧化性能，能有效防止工件在热处理过程中的氧化脱碳。
工艺操作与设备维护
规范操作流程
在热处理前，对工件进行彻底的清理，去除表面的油污、铁锈等杂质，避免这些杂质在加热过程中分解产生氧化性气体。同时，合理摆放工件，保证工件之间有足够的间隙，使加热介质能够均匀流通，避免局部过热和氧化。
在热处理过程中，严格控制工艺参数，如加热温度、保温时间、冷却速度等，确保工艺的稳定性和一致性。定期对工艺参数进行检查和调整，及时发现和解决潜在的问题。
设备维护与保养
定期检查和维护热处理设备，确保设备的密封性良好，防止空气泄漏进入加热炉内。对于采用保护气氛的设备，要定期检查气氛发生装置和气体输送管道，保证气氛的纯度和稳定性。
对加热元件、控温仪表等关键部件进行定期校准和更换，确保设备的加热精度和温度控制精度。同时，保持设备的清洁卫生，及时清理加热炉内的氧化皮和杂质，防止其污染工件和影响加热效果。
