液氮在材料熱處理的應用

一、液體狀態的氮

液氮即液體狀態的氮。液氮可以通過專門的設備制取，也可以在制取液氧的過程中作為副產品而得到。液氮具有很低的溫度，其沸點為-195.8℃，可以用作深冷劑。液氮還可以從液態變為氣態，成為氮氣，可以作為保護氣體通入熱處理爐內。在空氣中，氮氣所占的比例最大。液氮也不像液氧那樣易燃、易爆，所以，液氮具有資源豐富、安全性較好等優點，在材料熱處理方面有著主要用途。

二、液氮在真空熱處理中的應用

真空熱處理是國內外正在采用的比較先進的熱處理方法，在真空熱處理中，往往離不開使用氮氣。例如，當鋼鐵件在真空爐中加熱時，若真空程度過高，則為防止工件材料中的合金元素揮發，需對爐中回充適量的氮氣，以提離爐內微量氣體的壓力。又如，在真空加熱油淬的真空淬火過程中，有時為了保證或提高淬火油的冷卻能力，需在工件冷卻之前，向真空爐中回充足夠的氮氣。在高壓氣淬時，需要快速向真空爐中充入高于一個大氣壓的氮氣。在鋼件真空回火時，在抽真空后需回充氮氣以實現爐內保護氣體循環均勻加熱，以及實現回火后的快速冷卻。

真空熱處理所需的氮氣，有各種不同的來源。由于液氮的密度遠比氮氣大，體積遠比氮氣小，便于運輸和貯藏，而且在大量供應時價格也較便宜。所以，液氮是真空熱處理所用氮氣的重要來源之一。

在國外和我國上海等地，有不少廠家就使用較大的專用儲存罐，存放由液氮供應廠商專車運送來的液氮，并將由液氮逐漸汽化而成的氮氣用于真空熱處理。他們認為，使用液氮比使用瓶裝氮氣或采用制氮機制氮經濟合算。

當然，是用液氮合算，還是用瓶裝氮氣或制氮機供氮合算，這與當地的氣源條件、以及熱處理生產廠用氮氣量的大小等具體情況有關。液氮的價格不僅與其純度的高低有關，與一次購入量的多少也有關。例如在2003年春季和夏季，湘潭有一家制氧廠生產銷售的液氮，一次購1000L以上時，售價為每升1元；若零售，則每升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，要求其組織穩定，在使用和儲存中不變形。而其中有些鋼鐵制造的精密量具和器件，在淬火后存在殘留奧氏體。若不消除殘留奧氏體，則這些量具和器件就難以保證不變形。消除這此殘余奧氏體的一個有效方法就對其進行冷處理，讓殘余奧氏體轉變成馬氏體，并通過回火使其變為穩定的回火組織。有些鋁合金件，在切削加工或長儲、使用中存在容易發生變形的問題。若不解決變形問題，容易造成或者加工制造的廢品率高、或者售出的產品質量不好。這些變形問題，往往與其原材料或切削加工產生的殘余內應力有關。解決這些變形問題，有時需要采取高低溫循環熱處理的方法消除殘余應力，其中包含了冷處理或-130℃以下低溫的深冷處理。為了消除鋁合金件淬火后的殘余應力，有時也需要進行反淬火，即把淬火后的工件進行深冷，然后再用較快的升溫速度讓工件溫度提高，使其產生與淬火時相反的熱應力。

還有一些特殊用途的材料或產品，為了使其滿足在低溫環境下使用的尺寸穩定性和安全性要求，也需要經過冷處理或深冷處理。由于液態氮的溫度為-196℃，化學穩定性也較好，所以可以直接或間接地用于上述冷處理。有些形狀較簡單，不用擔心深冷開裂、不用擔心力學性能變化的鋁合金件或鋼件，可以直接浸放入液氮中深冷處理。當不能直接浸泡時，可以采用液氮的揮發氣作為冷卻介質。還可以將液氮作為制冷劑，使擺放工件的容器(低溫箱)降溫到所需的冷處理溫度。

四、鋁合金件深冷處理后的力學性能變化

我們公司在對經過深冷處理的鋁合金件切削加工時發現，其材料比未經冷處理的同一種零件的材料硬一些。后來發現這種現象不僅僅出現于一種零件、一種材料，而帶有普遍性。于是，我們取其中一種2A12牌號T4狀態的鋁合金件作了硬度對比。其結果見表1。從表1可見，2A12-T4鋁合金件經過深冷處理后，硬度確實有提高。7A04鋁合金經-196℃深冷處理后，其強度會有明顯的提高。由此可見，采用液氮對鋁合金件進行-196℃的深冷處理，是進一步提高其材料強度的有效途徑之一。

五、液氮在材料熱處理中的其他應用

液氮還可以用作超低溫淬火的淬火介質。由于液氮的冷卻速度比水大5倍，液氮的汽化潛熱為水的1/11，所以工件淬入后立即被氣體包圍，淬火變形及淬裂的可能性較小。鋼在液氮中淬火后，殘余奧氏體量極少，可使其獲得更高的硬度和尺寸穩定性。但由于液氮容易揮發，消耗量較大，生產成本較高，所以目前應用得較少。此外，電子顯微鏡是觀測和研究材料、分析熱處理質量問題的大型儀器。而液氮則是電子顯微鏡所需要的一種輔助材料。

六、液氮使用的安全性

雖然液氮為非易燃物，但在使用、運輸和貯藏液氮的時候，也必須注意安全。例如，不要用手直接接觸液氮，并且注意防止液氮濺到身上，以防凍傷；應在通風的場所使用液氮，以防氮氣使人窒息；裝運液氮時，不要將液氮封裝過嚴，以防發生物理爆炸等等。

七、結語

液氮是真空熱處理所需的氮氣來源之一，又是對材料作深冷處理的一種較為安全和經濟的制冷劑。真空熱處理有著廣闊的發展前景；而材料的深冷處理，無論是在穩定材料組織、防止產品變形方面，還是在探討進一步提高材料性能方面，都更值得人們去研究和應用。因此，液氮在材料和熱處理方面的應用也有著廣闊的前景。