液氮在材料熱處理中的應用

　　一、液態氮

　　液氮是液態氮。液氮可以通過特殊設備制備，也可以作為制備液氧的副產物獲得。液氮溫度很低，沸點為-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，可以作為保護氣體進入熱處理爐。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、安全性好的優點，主要用于材料熱處理。

　　二、液氮在真空熱處理中的應用

　　真空熱處理是國內外比較先進的熱處理工藝，在真空熱處理中，通常與N2的使用是分不開的。例如，當鋼零件在真空爐中加熱時，如果真空水平過高，為了避免工件材料中合金元素的揮發，需要在爐中回收適量的N2，以提高爐內少量氣體的壓力。另一個例子是，在真空加熱油淬的真空淬火過程中，有時為了確保或提高淬火油的冷卻能力，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，抽真空后需要回收氮氣，以保護爐內氣體循環勻稱加熱，實現淬火后的快速冷卻。

　　真空熱處理所需的N2有不同的來源。由于液氮的密度遠大于N2，體積遠小于N2，便于運輸和儲存，而且在大量供應中更便宜。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罐來儲存液氮供應商運輸的液氮，液氮逐漸氣化的N2用于真空熱處理。他們認為，使用液氮比使用罐N2或制氮機制更經濟。

　　當然，使用液氮或罐裝N2或制氮機是否具有成本效益，這與當地氣源條件和熱處理廠使用的N2量有關。液氮的價格不僅與其純度有關，而且與一次購買的數量有關。例如，2003年春夏，湘潭有一家氧氣廠生產銷售液氮，每升1元，零售4元。

　　三、液氮在材料深冷處理中的應用

　　精密量具和一些精密器件，要求其組織平穩，在使用和儲存過程中不變形。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，將殘留奧氏體轉化為奧氏體，并通過淬火將其轉化為穩定的淬火組織。有些鋁合金零件在切割、加工或長期儲存、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，或銷售產品質量差。這些變形問題通常與原料或切割產生的殘留內應力有關。為了解決這些變形問題，有時需要采用高低溫循環熱處理來消除殘余應力，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力，有時需要反淬火，即深冷淬火后的工件，然后以快速加熱速度提高工件溫度，產生與淬火相反的熱應力。

　　還有一些特殊用途的材料和商品，為了滿足低溫環境下使用的尺寸穩定性和安全要求，還需要冷暴力或深冷處理。由于液氮溫度為-196℃，耐化學性好，可直接或間接用于上述冷暴力。有些形狀簡單，不用擔心深冷開裂或機械性能變化的鋁合金或鋼件，可以直接浸入液氮中進行深冷處理。當不能直接浸泡時，可以使用液氮揮發氣作為冷卻介質。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，我公司發現其材料比未經冷暴力的同一零件更硬。后來發現，這種情況不僅出現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T4狀態的鋁合金零件的硬度。結果見表1。從表1可以看出，2A12-T4鋁合金經過深冷處理后，硬度確實有所提高。7A04鋁合金在-196℃深冷處理后，其強度將大大提高。因此，選擇液氮對鋁合金零件進行-196℃深冷處理是進一步提高其材料強度的有效途徑之一。自增壓液氮罐

　　5、液氮在材料熱處理中的其他應用

　　液氮也可用作低溫淬火的淬火介質。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定性。但由于液氮揮發性強，消耗量大，生產成本高，現在應用較少。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、運輸和儲存液氮時也必須安全。例如，不要用手接觸液氮，注意避免液氮濺到身上，防止凍結;通風場所使用液氮，防止N2窒息;運輸液氮時，不要密封液氮，防止物理爆炸等。

　　七、結語

　　液氮是真空熱處理所需的N2來源之一，也是一種更安全、更經濟的制冷劑。真空熱處理具有廣闊的發展前景，無論是穩定材料組織，避免商品變形，還是討論進一步提高材料性能，都值得探索和應用。因此，液氮在材料和熱處理中的應用也具有廣闊的前景。