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    钢的化学热处理

    2018-11-05   来源:   点击数:7次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港商业讯息平台:钢的化学热处理就是将工件置于一定温度的活性介质中加热、保温,使一种或几种元素渗入其表层,利用化学反应、有时兼用物理方法改变钢件表层化学成分及组织结构,以便得到比均质材料更好的金属热处理工艺。
      
      现代离子渗氮
      
      由于机械零件的失效和破坏大多数都萌发在表面层,特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件,表面层的性能尤为重要。
      
      经化学热处理后的钢件,实质上可以认为是一种特殊复合材料。心部为原始成分的钢,表层则是渗入了合金元素的材料。心部与表层之间是紧密的晶体型结合,它比电镀等表面复护技术所获得的心、表部的结合要强得多。
      
      离子渗氮炉
      
      钢的化学热处理的方法繁多,多以渗入元素或形成的化合物来命名,例如渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗,及碳(氮)化钛覆盖等。
      
      古代化学热处理
      
      中国钢管信息港商业讯息平台:我国古代钢的化学热处理包括表面渗碳和渗碳增氮和表面渗氮三个方面,主要用以改变器件表面或局部的化学成分和机械性能。
      
      表面渗碳
      
      表面渗碳技术,至少可上推到汉魏时期,西汉中期的刘胜佩剑和错金书刀内层含碳量最低处为0.05%,最高不超过0.150.4%,而表面含碳量却达0.6%以上,渑池汉魏时代的一把铁镰,刃口中心珠光体量为30%,而边缘却达70%。显然,这种碳分布是由于表面渗碳造成的。
      
      错金书刀上的高碳和低碳分层组织,夹杂物在高碳层
      
      在分析刘胜错金书刀时,人们还发现,在材料加工叠层界面上的夹杂物中,含有较多的钙、磷、铝。据认为,这很可能是使用了骨粉催渗剂的缘故。如果确实是这样的话,便说明我国的渗碳技术在汉魏时代就达到了用催渗剂以提高渗碳效率的较高水平。
      
      据《吴越春秋?阖闾内传》所载,铸剑师干将制剑时,遇到“金铁之精不销沦流”,乃“断发剪爪,投入炉中,使童女童男三百人鼓橐(tuó)装炭,金铁乃濡(rú)。遂以成剑,阳曰干将,阴曰莫耶,阳作龟文,阴作漫理。”杨宽认为这是一种以海绵铁为原料的固体渗碳制钢之术。
      
      中国钢管信息港商业讯息平台:根据描述的“三百人鼓橐装炭”的情况看,更像是液体渗碳,可以认为干将在制剑时,将块炼铁的剑坯埋入以铁碎末和含碳物质为主的渗剂中加热,渗剂中的铁达到一定含碳量后,“金铁乃濡”,这时铁碎末和铁坯表面与含碳物质反应而熔化,“濡”指的是铁坯未完全熔化。
      
      受当时的加热温度所限,通过三百人鼓橐装炭,有可能使炼炉的炉内温度达到铁碳合金熔点的下限1148℃,从而使块炼铁的剑坯获得渗碳效果。
      
      从此看来,《吴越春秋》描绘的事件极有可能是液体渗碳的开端。液体渗碳显然是在当时的金属加工工艺方面取得的一项突破性的进展,无怪乎先人的着作对此重笔称赞。而此前,工匠运用的技术是未出现熔化的渗碳剂的固体渗碳方法。根据文献分析,干将制剑事件大约是出现在公元前6世纪。
      
      明代宋应星在《天工开物》卷十中谈到过一种制针的渗碳工艺是:先用冷拔、剪切等方式把“熟铁”制成针的雏形,然后把针坯“入釜慢火炒熬,炒后以土末入松木、火矢、豆豉三物罨(yǎn)盖,下用火蒸,留针二三口,插于其外,以试火候。其外针入手捻成粉碎,则卜针火候皆足,然后开封入水健之”。
      
      此“慢火炒熬”的目的主要是为了消除针坯成形过程中的内应力。固体渗碳剂中,松木火矢是一种木炭,同书有说明火矢是木材经“不闭穴火”所获产物,是主要的渗入剂;豆豉也是含碳物质是辅助渗入剂,土末是分散剂,对防止含碳物质的相互黏结和炭黑的析出有一定的作用。
      
      明 宋应星 天工开物中的抽线琢针图
      
      “松木”、“火矢”、“豆豉”为渗碳剂。“下用火蒸”,就是渗碳过程。这里谈了一整套渗碳工艺的操作:渗碳在釜中进行,有消除应力过程,有良好的渗碳剂,有指示针。可见是相当成熟的工艺。类似的工艺形式我国民间俗称“焖钢”,直到近代还在河南等地流行。
      
      中国钢管信息港商业讯息平台:应星谈到的渗碳剂是固体,我国在明清时代还使用过一种膏状渗碳刘。它的工艺是,先把这种渗碳剂涂在需要处理的部位,然后“入火”,加热,使碳渗入。
      
      明,《便民图篆》卷十五制造类。“点铁为钢”条说:“羊角、乱发俱煅灰、细研、水调涂刀口,烧红、磨之”。此“羊角灰”,“乱发灰”都含有碳酸钙,作为渗碳剂,细研后用水调和成膏状、涂于刀口便可“入火”加热渗碳。
      
      清,陈克恕《篆刻碱度》卷七”炼刀法”条说:“用酒蟹钳嘴烧灰存性。仍用蟹酒调涂刀口,入火烧红。复入蟹酒淬之。更涂钳灰于上,如前烧红淬酒。愈炼愈坚。依法炼毕,仍用火烧红寸许,取悬火上,加昂出火外。渐渐退出,相其口上变色转白未可亦淬,淬之则脆。既而转黄转青,淬之适中可用。太迟则火候过矣”。此“酒蟹嘴”为渗碳剂,“蟹酒”为催渗剂和淬火剂。整个工艺过程分为两步:第一步是用反复加热渗碳淬火来提高刃口硬度;第二步是回火处理,并根据回火色看回火的“适中”火候。
      
      渗碳增氮
      
      上面谈的工艺中,渗剂基本上是一些含碳物质,主要是对工件进行渗碳;此外,明清时期人们还使用过一种含氮渗剂,通常也做成膏状,在渗碳的同时可能还有一些氮渗入,即现在所说的碳氮共渗。
      
      《篆刻碱度》卷七“炼刀法条说:“用菊花钢锻而为刀,刀成乃砺,砺好乃炼。用箬(ruò)皮灰、牛角灰、青盐、卤砂、各五六分为末,将醋调涂刀口。向灯火上烧红为度。入清水(原注:一法用甘草水,一法用醋)淬之。复炼如前。药尽为止。炼而再磨”。此“炼”即加热进行碳、氮共渗。“菊花钢”为一种花纹钢。
      
      在此工艺配方中,箬皮是一种禾本科竹的皮,箬皮和牛角烧成的灰含有一定的碳成分,当然都含有一定的氮。而青盐主要成分是氯化钠,是渗碳处理的常用促进剂,添加青盐主要是使其成为熔融状态,因此,这可能属于一种固液化学热处理方法。
      
      锅炉压力容器压力管道运行面临复杂的内外部环境,这些裂纹是混合存在的。通常情况下,按照裂纹产生与发展的原因进行分类,并且裂纹的形成与锅炉的用途、结构、材料、部位等有关,不同部位、不同材料、不同用途的锅炉压力容器压力管道形成的裂纹不同。
      
      一、锅炉压力容器压力管道检验中常见的裂纹问题有以下几种
      
      (一)应力腐蚀裂纹
      
      应力腐蚀裂纹的出现是应力和腐蚀介质共同作用的结果,腐蚀介质是浓度较大的碱水。这种裂纹主要产生于锅炉的汽水管道和集装箱管座上。这些构件接触碱水后,碱水的腐蚀性使得金属的微观世界发生化学变化,即金属晶体与边界间形成电位差,促使二者之间出现微弱的电流,这些电流导致金属内部产生裂纹。通过显微镜观察裂纹,我们发现这种裂纹有主裂纹、二次裂纹,而且主裂纹的发展趋势是穿过晶体内部,次裂纹的发展趋势是沿着晶体边界,呈放射状。最易出现这种裂纹的材料是奥氏体不锈钢,在水汽情况下受到应力作用即可形成,裂纹呈树枝状。
      
      (二)疲劳裂纹
      
      疲劳裂纹是锅炉压力容器压力管道检验中经常遇到的裂纹问题之一,经常出现在应力较为集中的设备上,这种裂纹刚开始比较细小,中后期会不断扩展延伸。疲劳裂纹一般有三种类型:机械疲劳裂纹、热疲劳裂纹、腐蚀疲劳裂纹。
      
      出现机械疲劳裂纹的常见区域是叶轮、叶片、辅助转动设备等零件上,而且裂纹多是源于设备表面,呈直线状,刚开始比较短,逐渐向内扩展,直至连成一条长的裂纹,稳定扩展。这种裂纹的源头一般是材料缺陷区域、加工产生的刀痕处、接头处、尖角处、有小孔的位置。
      
      热疲劳裂纹的产生是因为在低于拉伸强度的情况下应力反复作用于金属材料而慢慢形成的裂纹。腐蚀疲劳裂纹是在已形成的疲劳裂纹的基础上形成的,与应力腐蚀裂纹的性质相同,也是应力和腐蚀介质共同作用的结果。这种裂纹一般是穿晶裂纹,随着时间的推移,裂纹逐渐变宽,压力容器压力管道内壁会出现腐蚀坑。而且大多形成在汽包管座、集箱管座上,这些设备能接触到腐蚀介质,长期受到振动产生的应力作用,满足腐蚀疲劳裂纹形成的条件。
      
      (三)过热过冷裂纹
      
      锅炉压力容器压力管道的制作材料是金属板,金属板在制作过程中会经过焊接、轧制、冷却等工艺程序,每道程序的温度会发生变化,温度过冷过热都会使金属材料产生裂纹。加热温度较高使得晶体氧化或融化产生过烧裂纹,加热温度超过金属的临界温度会产生过热裂纹,焊接后长时间冷却会产生冷裂纹。形成时间较长的冷裂纹具有隐蔽性,不易被检验出来,而热裂纹会氧化或融化晶体边界,过烧的金属不能承受变形,这些裂纹给锅炉承压设备造成巨大隐患。
      
      (四)蠕变裂纹
      
      因长期过热导致管道发生蠕变变形及胀裂.jpg
      
      因长期过热导致管道发生蠕变变形及胀裂
      
      蠕变裂纹的形成是由于温度的变化和应力的作用,随着使用时间的增加,锅炉压力容器压力管道会由于损伤出现蠕变裂纹。这种裂纹主要形成区域是管道和集箱应力集中的位置以及过热发胀的管道表面等,同时设备会出现变形、材料组织受损、互相分离。蠕变裂纹会发展成为一个裂纹带,其中主裂纹居中,两侧平行分布着大量裂纹。具有蠕动裂纹的设备受损区内会有数量不等的孔洞,这些孔洞没有规则的连接着,而且形状多为米粒状或椭圆状。蠕动裂纹的扩展方向是沿着晶体边界的。
      
      二、解决方法
      
      对锅炉压力容器压力管道检验中出现的裂纹问题要提前预防、及时处理,提高锅炉使用的安全系数,降低安全事故发生的可能性,及时排除隐患裂纹问题,减少公民生命和财产损失。相关部门可以从以下几方面着手:
      
      (一)对锅炉压力容器压力管道制作的各个环节严加管理
      
      首先,要对生成锅炉及其附属设备的原材料质量进行控制。应该对生成锅炉的材料不断进行改进,提升制造技术,制定生产标准,明确生产要求,保障生产流程规范运行,有效控制各个生产环节,严格检验每道工艺程序,将材料造成裂纹的机率减至最低。其次,仔细审查锅炉压力容器压力管道生产制造的每个环节,确保工作人员按照生产标准进行操作,防止在生产过程中出现失误。最后,要对锅炉的安装和使用过程进行监督管理,此过程最重要的是提高人为操作水平。
      
      (二)加强对锅炉压力容器压力管道的检验力度
      
      锅炉设备建成后要按照标准进行验收,在投入使用之前要再次检查设备,日常生活和工作中要做详细记录,了解锅炉压力容器压力管道的变化,从源头避免裂纹问题造成的安全隐患。而且,决不放松对老化锅炉设备的检验工作,增加检验频率,扩大检验范围。此外,要建立健全相关检验制度,对检验工作者的行为进行约束。
      
      中国钢管信息港商业讯息平台:锅炉压力容器压力管道作为一种高温设备,在设备运行过程中如果出现意外故障,将会可能引发爆炸事件,由此对人们的生命和财产都会造成一定程度的伤害,甚至引发不可挽救的经济损害。因此,在锅炉压力容器压力管理检验工作中必须做好对设备中出现的裂纹问题加以重视和管理,在锅炉压力容器压力管道的裂纹问题的检验中,应从裂纹的形态分析中判断出裂纹的性质、类别和影响因素,相关技术人员应根据裂纹特征,及时采取科学而合理的有效应对措施,解决好裂纹问题,为设备的安全运行提供保障。
      
      在此工艺中,卤砂为氯化铵天然产物,含氮,其目的主要在于供氮。“复炼如前”主要是循环渗入,根据“烧红为度”,可以判断其温度约为650℃,因此,这种工艺极有可能是一种氮碳共渗。
      
      适用于蒸汽、水、油类及各种工业气体、药品等介质输送。对管道系统的运动,金属软管具有良好的可挠性及耐温、耐压、耐腐蚀性能。热膨胀吸收、振动吸收起着重要的作用。
      
      由于其性能优越,型号长度及连接方式根据用户要求。金属软管广泛应用于航空、航天、石油管道等装置中。使得其应用范围迅速扩大。导弹转运车是导弹整个发射准备阶段一个重要的保证装备,性能好坏直接关系到导弹转运车的机动能力,对整个导弹发射阵地的展开提供了坚强的保证。金属软管是导弹转运车中一个重要组成部分,主要应用在发动机与排气系统的连接处,主要起到降低噪音、吸收振动、柔性连接等作用。
      
      其中不锈钢丝编织软管、流体输送金属波纹管、不锈钢泵连减振软管、不锈钢消防软管、不锈钢波纹弥补器、燃气机械不锈钢波纹管完全符合国内工业标准。金属软管特点是耐腐蚀、耐高温、耐低温(-196℃~+420℃)重量轻、体积小、柔软性好。广泛用于航空、航天、石油、化工、冶金、电力、造纸、木材、纺织、建筑、医药、食品、烟草、交通等行业。不锈钢金属软管(金属波纹管)事业部生产的不锈钢金属软管、不锈钢波纹管、不锈钢金属软接头等。
      
      在古代文献的分析中,我们还注意到古人有仅采用含氮物质的处理方法。《篆刻碱度》对此有详细记述:“尝见炼新刀者,用猪牙、头发及硝,各烧灰等分,酽醋调画刀口,如锯齿状,号为马牙钢。”其中硝是硝酸钾,属供氮原料。
      
      明,方以智《物理小识》卷八“器用类?淬刀法”条说:“以酱同硝涂錾口,锻赤淬火。”中国钢管信息港商业讯息平台
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