液氮在材料熱處理中的應用分析

王鑫，徐洪兵，孟曉磊

（渤海石油裝備制造有限公司遼河熱采機械制造分公司，遼寧 盤錦 124010）

液氮具有溫度極低的特點，其沸點是零下195.8℃，所以在深冷劑中被廣泛地應用。液氮在一定的條件下可以變成氣體，也就是常說的氮氣，被作為保護性的氣體輸入熱處理的鍋爐內。在我們呼吸的空氣中，氮氣的占比是非常大的，但是，液氮并非極其易燃易爆品，安全性及穩(wěn)定性高，并且資源十分豐富，這也是材料熱處理中液氮被廣泛應用的重要原因。

1 材料深冷處理中液氮的應用

有很多精密性的器件對制作工藝要求是非常嚴格的，不僅要求組織結構的精密性，存儲也是一項非常復雜的工作。比如，在很多鋼鐵行業(yè)中，有一些精密性的零件或者器具，在進行淬火后會存在殘留的奧氏體。所以要將這些殘留物體消除出去，這樣零件的穩(wěn)定性才能夠保證，才可以確保零件不會出現(xiàn)變形的現(xiàn)象。所以為了對這一現(xiàn)象進行規(guī)避，最好的方式就是采取深冷處理，而液氮是深冷處理中非常常見的方法，這樣可以將奧氏體轉換為馬氏體，然后，利用回火的方式使其變得更加的穩(wěn)定。

在工業(yè)生產中，鋁合金件，由于切削或者長期存儲的原因，發(fā)生變形等問題是非常常見的。如果不及時對變形問題進行解決，金屬部件受損傷的情況嚴重，加工制作的產出結果不高，廢品制作率高，直接影響企業(yè)的生產成本。而變形問題的出現(xiàn)主要是因為原材料在切削或者生產過程中存在的殘余的內里有直接的關系，所以，要想解決好變形的問題，高低溫循環(huán)熱處理是最好的方式，可以對其中的殘余應力進行有效處理，比如，冷處理以及超低溫的深冷處理等。

在鋁合金零件殘余應力的消除過程中，也會應用到反淬火的方式，也就是對需要淬火的工件進行深冷處理，之后采取能夠快速升溫的方式確保溫度可以提升上來，這樣所產生的應力與淬火時間是相反的，以達到材料處理的目的。另外，有一些特殊性的物品，會有特殊的用途，所以，為了確保其穩(wěn)定性及安全性，就需要再進行深冷處理，這樣才能夠保證材料的使用性能。而液氮是一種低溫性質的材料，具有非常穩(wěn)定的化學性能，所以在處理過程中可以采取直接或者間接的冷處理方式。在具體的處理過程中，對于形狀比較簡單的材料，形變因素不用考慮，化學性質也不用考慮，直接侵入液氮中進行深冷處理即可，操作比較簡單，充分發(fā)揮液氮冷卻介質的作用。在這個過程中，也可以將液氮作為制冷劑，然后，對擺放工件的容器進行低溫處理，使其降溫到加工處理所需要的溫度。通過對經(jīng)過深冷處理后的鋁合金件切削進行加工處理后，我們可以很明顯地發(fā)現(xiàn)，與深冷處理之前的零件材料相比，硬度有所提升，在后期的研究中，發(fā)現(xiàn)這種特性在很多材料中都有所體現(xiàn)。所以，對鋁合金件或者對強度和剛度要求較高的器件進行處理時，液氮的深冷處理效果是很好的，能夠保證材料的強度與剛度。另外，在液氮低溫處理過程中，可以應用液氮低溫處理系統(tǒng)。這是一套定制的可用于低溫處理工件及低溫淬火及所有需要超低溫處理樣品的液氮系統(tǒng)。液氮低溫處理系統(tǒng)可以根據(jù)客戶需求配置相關功能，為客戶應用不同的用途場所，可配置自動開關蓋、液位監(jiān)控、溫度監(jiān)控、液氮溫度調節(jié)、液氮自動補液、工件支架定制等各種功能，并使用自增壓液氮罐做低溫處理槽體的補液罐體，有大容積需要的客戶還可以配備液氮回收罐體做液氮回收。該系統(tǒng)可以定制液氮調節(jié)寬范圍，也主要用于需要液氮程序控溫需求的客戶及相關工程?？梢姡迷撎幚硐到y(tǒng)液氮低溫處理效果會大大地提升，給用戶提供差異性的服務體驗，提升了液氮應用經(jīng)濟性。

2 材料真空熱處理中液氮的應用

真空熱處理是材料熱處理中一種非常常見的方式，在主要實施過程中，氮氣發(fā)揮了非常重要的作用。當鋼鐵等零部件通過真空熱處理的方式進行處理時，當真空的程度過高時，為了能夠規(guī)避工件中合金元素過快地發(fā)揮，要對真空率內的氮氣進行回充，使爐內微量氣體的含量不斷地提升。例如，在對真空加熱油焠進行淬火處理時，需要在工件完全冷卻下來前就要在爐內重新地填滿氮氣。而在高壓氣淬時，則需要以最快的速度在真空爐中充大氣壓更高的氮氣。在對鋼件進行真空回火處理的過程中，在將真空空氣抽完后，需要保證爐內的氣體可以實現(xiàn)循環(huán)性的加熱，這樣回火后就可以快速地冷卻。

在真空熱處理工藝的實施過程中，氮氣的來源是不同的，而液氮與氮氣相比密度更大，體積更小，存儲與運輸都是非常方便的，并且需求量大，成本也很低，所以在材料真空熱處理中，液氮的應用更加廣泛。在我國經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)，有專門對液氮進行存儲的儲罐，并由專門的廠商運輸車對液氮進行運輸，然后，對液氮液化而來的氮氣應用到真空熱處理中。采取這樣的方式，相比氮氣成本更低。但是，在具體的應用過程中，液氮和瓶裝氮氣何種更為劃算，還應該與當?shù)氐淖匀粭l件結合起來，對當?shù)氐臍庠催M行分析，然后，對具體的氮氣使用量進行計算。市場中的液氮其價格與純度與需求量具有直接的關系。所以，在液氮在真空熱處理中的使用，還需要因地制宜。

3 液氮在其他材料熱處理中的應用

液氮在其他材料熱處理中的應用也十分普遍的，比如，超低溫的淬火中可以作為介質進行應用。這主要是由于液氮自身的冷卻速度是很快的，超過水冷卻的五倍甚至以上，而且液氮氣化潛熱好于水，在對工件進行淬火時，氣體能夠快速地將工件包圍起立，能夠避免由于淬火而出現(xiàn)變形的現(xiàn)象。再如，鋼等物質在液氮淬火處理后，殘留下的奧氏體量是非常少的，所以處理后其穩(wěn)定性和硬度都會有所提升。但是，液氮會發(fā)生揮發(fā)，使用成本較高，所以在鋼部件的使用中較少。另外，液氮在電子顯微鏡等大型材料中也是有所應用的。

4 液氮使用過程中的要求

液氮作為材料熱處理中常用的一種方式，屬性雖然不是易燃或者易爆物，但在存儲、運輸與使用過程中，還是要注意安全性。比如，常見的注意事項是不能直接解決液氮，避免液氮淋到身上，避免凍傷。在液氮的使用過程中，要保持良好的通風，避免使用人員發(fā)生窒息的危險。在對液氮進行裝車與運輸時，不宜將液氮進行過度的密封，避免出現(xiàn)物理爆炸現(xiàn)象。如果需要接觸被液氮冷卻的物體，要戴上手套，并要保證手套是松動的。存儲液氮的容器需要經(jīng)過相關機構批準，不可以隨意倒入其他的容器中，這樣有爆炸的風險。在液氮的使用中，不能將空管侵入其中，否則，可能會發(fā)生液體噴發(fā)的危險。液氮不可長期地存儲在沒有蓋子的容器中，但也不能完全進行密封處理。這主要是因為氮氣的沸點小于氧氣，氮氣在空氣中會冷凝成為液氮。

5 結語

綜上所述，液氮在材料處理中的應用，可以在深冷處理及真空熱處理中進行應用，是一種相對常見且安全性、積極性較高的制冷產品。

在具體的應用過程中，真空熱處理未來的應用市場是非?？捎^的，應用效果也十分穩(wěn)定。但是，深冷處理中對于材料變形以及組織結構的穩(wěn)定性能方面還需要進行相應的研究，在性能提升上還應該加大研究的力度。但從整體上來看，液氮在材料處理中的應用前景非常廣闊。