Контролируемые атмосферы для термической обработки: виды, свойства и применение

Введение в контролируемые атмосферы. Контролируемые атмосферы представляют собой специальные газовые среды, используемые в промышленных печах для нагрева металлических изделий. Их основное назначение — предотвращение нежелательных процессов, таких как окисление (образование окалины) и обезуглероживание поверхностного слоя стали. Кроме того, эти атмосферы создают необходимые условия для проведения различных видов химико-термической обработки, изменяя состав и свойства поверхности деталей. Использование контролируемых атмосфер позволяет значительно снизить потери металла, исключить трудоемкую операцию очистки от окалины и повысить долговечность готовых машинных компонентов.

Способы получения защитных атмосфер. Для создания контролируемых атмосфер применяют несколько видов газовых смесей. К ним относятся продукты диссоциации аммиака, а также газы, полученные в результате его частичного сжигания. Широко используется генераторный газ, который предварительно очищают от двуокиси углерода (CO₂) и тщательно просушивают для предотвращения обезуглероживания. Еще одним распространенным источником являются смеси, образующиеся при частичном сжигании углеводородных газов, таких как природный, светильный, коксовый и другие.

Эндотермическая атмосфера (Эндогаз). Эндотермическая атмосфера, или эндогаз, образуется в результате неполного сжигания углеводородных газов при низком коэффициенте расхода воздуха (α = 0,2–0,30). Данный тип атмосферы является универсальным и подходит для большинства термических и химико-термических процессов. Состав эндогаза можно точно регулировать по важному технологическому параметру — точке росы, под которой понимают температуру начала конденсации водяных паров из газовой смеси. К ключевым достоинствам эндотермической атмосферы относят простоту получения и широкую универсальность применения, а основным недостатком является ее взрывоопасность, особенно в области низких температур.

Экзотермическая атмосфера (Экзогаз) и ее разновидности. Экзотермическая атмосфера (экзогаз) производится из природного, коксового, нефтяного газов, а также сжиженных пропано-бутановых смесей, предварительно очищенных от сернистых соединений. В зависимости от состава, экзогаз подразделяется на два основных типа: богатый и бедный. Богатый экзогаз характеризуется высоким содержанием окиси углерода (CO) и водорода (H₂), что придает ему восстановительные свойства по отношению к окислам железа, меди и других металлов при высоких температурах. Для обеспечения светлой поверхности изделий после длительных процессов, таких как отжиг с медленным охлаждением, этот газ подвергают глубокой осушке.

Применение и модификация экзогаза. При термической обработке средне- и высокоуглеродистых сталей, склонных к обезуглероживанию даже в богатом эндогазе, из атмосферы целенаправленно удаляют водяные пары и двуокись углерода (CO₂). Бедный экзогаз, напротив, содержит низкую концентрацию окиси углерода и водорода, что делает его практически инертным по отношению к окислам металлов. Эта характеристика определяет его применение в процессах, где необходимо минимизировать химическое взаимодействие газовой среды с поверхностью обрабатываемой детали.

Атмосфера на основе диссоциированного аммиака. Для таких ответственных операций, как светлый отжиг и закалка коррозионно-стойких сталей, а также для отжига малоуглеродистой, трансформаторной сталей и медно-никелевых сплавов применяют атмосферу на основе диссоциированного аммиака. Данный газ получают путем термического разложения жидкого безводного аммиака на составляющие — азот и водород. Для повышения качества атмосферы процесс часто дополняют дожиганием водорода и последующей глубокой сушкой полученной газовой смеси, что позволяет достичь высоких защитных свойств.

Дополнительные аспекты применения контролируемых атмосфер. Выбор конкретного типа контролируемой атмосферы является сложной инженерной задачей, зависящей от марки обрабатываемого сплава, технологии нагрева и требуемых свойств готового изделия. Современные системы подачи газов оснащены точной аппаратурой для контроля и регулирования таких параметров, как точка росы и химический состав. Это обеспечивает стабильность технологического процесса и высокое качество продукции. Правильно подобранная газовая среда не только защищает металл, но и активно участвует в формировании его микроструктуры и служебных характеристик.

Заключение. Таким образом, контролируемые атмосферы являются незаменимым инструментом в современном металлургическом и машиностроительном производстве. От простой защиты от окалины до управления глубиной науглероживания при цементации — их функции многогранны. Понимание свойств и областей применения эндогаза, экзогаза и атмосфер на основе диссоциированного аммиака позволяет технологиям оптимизировать процессы термической обработки. Это, в конечном счете, приводит к созданию более надежных и долговечных деталей для различных отраслей промышленности.