液氮在材料热处理中的应用

　　一、液态氮

　　液氮是液态氮。液氮可以通过特殊设备制备，也可以作为制备液氧的副产物获得。液氮温度很低，沸点为-195.8℃，可作为深冷剂使用。液氮也可以从液体变成气体，变成N2，可以作为保护气体进入热处理炉。N2在空气中所占的比例最大。液氮不像液氧那样易燃易爆。因此，液氮具有资源丰富、安全性好的优点，主要用于材料热处理。

　　二、液氮在真空热处理中的应用

　　真空热处理是国内外比较先进的热处理工艺，在真空热处理中，通常与N2的使用是分不开的。例如，当钢零件在真空炉中加热时，如果真空水平过高，为了避免工件材料中合金元素的挥发，需要在炉中回收适量的N2，以提高炉内少量气体的压力。另一个例子是，在真空加热油淬的真空淬火过程中，有时为了确保或提高淬火油的冷却能力，需要在工件冷却前将足够的N2回到真空炉中。在高压气淬中，需要快速将高于大气压的N2填充到真空炉中。钢件真空淬火时，抽真空后需要回收氮气，以保护炉内气体循环匀称加热，实现淬火后的快速冷却。

　　真空热处理所需的N2有不同的来源。由于液氮的密度远大于N2，体积远小于N2，便于运输和储存，而且在大量供应中更便宜。因此，液氮是真空热处理的重要来源之一。

　　在国外和中国上海，许多制造商使用大型专用储罐来储存液氮供应商运输的液氮，液氮逐渐气化的N2用于真空热处理。他们认为，使用液氮比使用罐N2或制氮机制更经济。

　　当然，使用液氮或罐装N2或制氮机是否具有成本效益，这与当地气源条件和热处理厂使用的N2量有关。液氮的价格不仅与其纯度有关，而且与一次购买的数量有关。例如，2003年春夏，湘潭有一家氧气厂生产销售液氮，每升1元，零售4元。

　　三、液氮在材料深冷处理中的应用

　　精密量具和一些精密器件，要求其组织平稳，在使用和储存过程中不变形。部分钢制精密量具和装置淬火后残留奥氏体。如果不清除残留的奥氏体，这些量具和器件很难保证不变形。清除残留奥氏体的有效方法是冷暴力，将残留奥氏体转化为奥氏体，并通过淬火将其转化为稳定的淬火组织。有些铝合金零件在切割、加工或长期储存、使用中容易变形。不处理变形问题，容易造成或加工制造废品率高，或销售产品质量差。这些变形问题通常与原料或切割产生的残留内应力有关。为了解决这些变形问题，有时需要采用高低温循环热处理来消除残余应力，包括冷暴力或-130℃以下的深冷处理。为了消除淬火后铝合金零件的残余应力，有时需要反淬火，即深冷淬火后的工件，然后以快速加热速度提高工件温度，产生与淬火相反的热应力。

　　还有一些特殊用途的材料和商品，为了满足低温环境下使用的尺寸稳定性和安全要求，还需要冷暴力或深冷处理。由于液氮温度为-196℃，耐化学性好，可直接或间接用于上述冷暴力。有些形状简单，不用担心深冷开裂或机械性能变化的铝合金或钢件，可以直接浸入液氮中进行深冷处理。当不能直接浸泡时，可以使用液氮挥发气作为冷却介质。液氮也可以作为制冷剂，将放置工件的容器(低温箱)冷却到所需的冷暴力温度。

　　四、铝合金件深冷处理后的机械性能变化

　　在深冷处理铝合金零件的切割过程中，我公司发现其材料比未经冷暴力的同一零件更硬。后来发现，这种情况不仅出现在一种零件和一种材料上，而且具有普遍性。因此，我们比较了其中一种2A12型号T4状态的铝合金零件的硬度。结果见表1。从表1可以看出，2A12-T4铝合金经过深冷处理后，硬度确实有所提高。7A04铝合金在-196℃深冷处理后，其强度将大大提高。因此，选择液氮对铝合金零件进行-196℃深冷处理是进一步提高其材料强度的有效途径之一。自增压液氮罐

　　5、液氮在材料热处理中的其他应用

　　液氮也可用作低温淬火的淬火介质。由于液氮的冷却速度是水的5倍，液氮的汽化潜热是水的1/11，工件淬火后立即被气体包围，淬火变形和淬火的概率较小。钢在液氮中淬火后，残留的奥氏体量很小，可以获得更多的硬度和尺寸稳定性。但由于液氮挥发性强，消耗量大，生产成本高，现在应用较少。此外，电子显微镜是一种观察和研究材料、分析热处理质量问题的大型仪器。液氮是电子显微镜所需的辅助材料。

　　六、液氮使用安全

　　液氮虽然不易燃，但在使用、运输和储存液氮时也必须安全。例如，不要用手接触液氮，注意避免液氮溅到身上，防止冻结;通风场所使用液氮，防止N2窒息;运输液氮时，不要密封液氮，防止物理爆炸等。

　　七、结语

　　液氮是真空热处理所需的N2来源之一，也是一种更安全、更经济的制冷剂。真空热处理具有广阔的发展前景，无论是稳定材料组织，避免商品变形，还是讨论进一步提高材料性能，都值得探索和应用。因此，液氮在材料和热处理中的应用也具有广阔的前景。