液氮在材料热处理中的应用

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　　一、液体状态的氮

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　　液氮即液体状态的氮。液氮可以通过专门的设备制取，也可以在制取液氧的过程中作为副产品而得到。

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　　液氮具有很低的温度，其沸点为-195.8℃，可以用作深冷剂。液氮还可以从液态变为气态，成为氮气，可以作为保护气体通人热处理炉内。在空气中，氮气所占的比例最大。液氮也不像液氧那样易燃、易爆，所以，液氮具有资源丰富、安全性较好等优点，存材料热处理方面有着以下主要用途。

　　二、液氮在真空热处理中的应用

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　　真空热处理是国内外正在采用的比较先进的热处理方法，在真空热处理中，往往离不开使用氮气。例如，当钢铁件在真空炉中加热时，若真空程度过高，则为防止工件材料中的合金元素挥发，需对炉中回充适量的氮气，以提离炉内微量气体的压力。又如，在真空加热油淬的真空淬火过程中，有时为了保证或提高淬火油的冷却能力，需在工件冷却之前，向真空炉中回充足够的氮气。在高压气淬时，需要快速向真空炉中充入高于一个大气压的氮气。在钢件真空回火时，在抽真空后需回充氮气以实现炉内保护气体循环均匀加热，以及实现回火后的快速冷却。

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　　真空热处理所需的氮气，有各种不同的来源。由于液氮的密度远比氮气大，体积远比氮气小，便于运输和贮藏，而且在大量供应时价格也较便宜。所以，液氮是真空热处理所用氮气的重要来源之一。

　　在国外和我国上海等地，有不少厂家就使用较大的专用储存罐，存放由液氮供应厂商专车运送来的液氮，并将由液氮逐渐汽化而成的氮气用于真空热处理。他们认为，使用液氮比使用瓶装氮气或采用制氮机制氮经济合算。

　　当然，是用液氮合算，还是用瓶装氮气或制氮机供氮合算，这与当地的气源条件、以及热处理生产厂用氮气量的大小等具体情况有关。液氮的价格不仅与其纯度的高低有关，与一次购入量的多少也有关。例如在2003年春季和夏季，湘潭有一家制氧厂生产销售的液氮，一次购1000L以上时，售价为每升1元；若零售，则每升4元。

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　　三、液氮在材料深冷处理中的应用

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　　精密量具和一些精密器件，要求其组织稳定，在使用和储存中不变形。而其中有些钢铁制造的精密量具和器件，在淬火后存在残留奥氏体。若不消除残留奥氏体，则这些量具和器件就难以保证不变形。消除这此残余奥氏体的一个有效方法就对其进行冷处理，让残余奥氏体转变成马氏体，并通过回火使其变为稳定的回火组织。

　　有些铝合金件，在切削加工或长储、使用中存在容易发生变形的问题。若不解决变形问题，容易造成或者加工制造的废品率高、或者售出的产品质量不好。这些变形问题，往往与其原材料或切削加工产生的残余内应力有关。解决这些变形问题，有时需要采取高低温循环热处理的方法消除残余应力，其巾包含了冷处理或-130℃以下低温的深冷处理。

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　　为了消除铝合金件淬火后的残余应力，有时也需要进行反淬火，即把淬火后的工件进行深冷，然后再用较快的升温速度让工件温度提高，使其产生与淬火时相反的热应力。

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　　还有一些特殊用途的材料或产品，为了使其满足在低温环境下使用的尺寸稳定性和安全性要求，也需要经过冷处理或深冷处理。

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　　由于液态氮的温度为-196℃，化学稳定性也较好，所以可以直接或间接地用于上述冷处理。有些形状较简单，不用担心深冷开裂、不用担心力学性能变化的铝合金件或钢件，可以直接浸放入液氮中深冷处理。当不能直接浸泡时，可以采用液氮的挥发气作为冷却介质。还可以将液氮作为制冷剂，使摆放工件的容器(低温箱)降温到所需的冷处理温度。

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　　四、铝合金件深冷处理后的力学性能变化

　　我们公司在对经过深冷处理的铝合金件切削加工时发现，其材料比未经冷处理的同一种零件的材料硬一些。后来发现这种现象不仅仅出现于一种零件、一种材料，而带有普遍性。于是，我们取其中一种2A12牌号T4状态的铝合金件作了硬度对比。其结果见表1。从表1可见，2A12-T4铝合金件经过深冷处理后，硬度确实有提高。