在工业炉中，气氛是通过使用特定的气体组合进行精确控制的，目的是管理材料表面在高温下的化学反应。最常见的气体是氮气、氢气、氩气、一氧化碳和二氧化碳，以及源自氨气或甲烷等碳氢化合物的混合物。气体的选择取决于所需的结果，无论是保护材料免受化学变化，还是有意改变其表面性能。
炉气氛的核心功能不仅仅是填充空间，而是充当活性或保护性化学剂。选择正确的气体对于控制工件的最终性能（如硬度、耐腐蚀性和表面光洁度）至关重要。
受控气氛的目的
在热处理炉的高温下，大多数金属与周围的空气反应性很强。无控制地暴露于氧气、水分和二氧化碳会导致不良结果。
防止不需要的反应
许多炉气氛的主要目标是保护。这涉及排出正常的周围空气，以防止两个关键问题：
- 氧化：在表面形成氧化皮（金属氧化物），这会破坏零件的表面光洁度和尺寸。
- 脱碳：钢表面碳的损失，这会降低其硬度和耐磨性。
诱导特定的表面变化
相反，一些工艺使用反应性气氛来有意改变材料表面的化学性质。这是为了增强工件的特定性能。常见例子包括渗碳（添加碳）或氮化（添加氮）以硬化钢零件的表面。
常见炉气的分类
从高温下的化学行为来理解炉气是最好的。它们通常分为两类：惰性（保护性）或反应性（活性）。
惰性（保护性）气氛
这些气体用于排出空气并防止化学反应。
- 氮气 (N₂)：保护气氛的“主力军”。它相对便宜，在大多数铁金属应用中是惰性的，能有效防止氧化和脱碳。
- 惰性气体（氩气、氦气）：这些气体在所有条件下都是真正的惰性气体。氩气比空气重，非常适合吹扫。虽然提供最纯净的保护，但其高成本限制了它们在涉及高反应性金属（如钛）的应用中，或在绝对需要纯度时使用。
反应性（活性）气氛
选择这些气体是专门为了与工件反应。
- 氢气 (H₂)：一种强大的还原剂。其主要功能是与氧气反应并将其去除。它能非常有效地还原表面氧化物，从而形成明亮、洁净的表面光洁度，这个过程通常称为“光亮退火”。
- 氧气 (O₂) 和空气：一种氧化剂。虽然通常被视为污染物，但有时会故意引入受控量的氧气或空气，以在材料表面形成特定的氧化层。
- 一氧化碳 (CO)：渗碳气氛中的关键组成部分。它作为碳源，碳会扩散到钢的表面以增加其硬度。
- 二氧化碳 (CO₂)：取决于其与一氧化碳的平衡，它可以是渗碳性的或脱碳性的。在许多情况下，它被认为是一种会从钢中去除碳的氧化剂。
- 水蒸气 (H₂O)：一种常见的杂质，具有很强的反应性，通常充当氧化剂，尤其是在较低温度下。水蒸气的量通过“露点”来衡量，必须仔细控制。
气体来源和混合物
通常，使用的是特定的混合物而不是纯气体。
- 碳氢化合物（甲烷、丙烷、丁烷）：这些气体通常不直接使用，而是与发生器中的空气反应，以产生“吸热”或“放热”气氛——氮气、氢气、一氧化碳和二氧化碳的精确混合物。
- 氨气 (NH₃)：用作氮气和氢气的来源。加热时，“分解氨”会分解成 75% 氢气和 25% 氮气的混合物，形成高度还原的气氛。
理解权衡和风险
选择气氛需要在有效性、成本和安全性之间取得平衡。没有单一的“最佳”气体，只有最适合特定应用和预算的气体。
纯度与成本
完全惰性的氩气气氛提供卓越的保护，但成本高昂。对于许多钢铁处理应用，现场产生的氮气气氛在经济上要有效得多，并能提供足够的保护。
安全与操作
反应性气体带来了重大的安全挑战。氢气易燃易爆，而一氧化碳剧毒。使用这些气体的设施需要专业的处理设备、强大的安全规程和持续监测。
设备与气氛控制
维持纯净气氛的能力取决于炉子的设计。基本的“吹扫和密封”炉具有经济性，但在实现敏感材料所需的非常低的露点（低湿度）方面可能会遇到困难。“马弗管”炉（将工件隔离在密封合金容器中）提供卓越的气氛纯度，但初始成本和维护成本较高。
为您的工艺选择合适的气氛
您选择的炉气氛应直接由您的冶金目标驱动。
- 如果您的首要重点是防止普通钢材氧化（光亮退火）：基于氮气的大气，通常含有少量氢气，在性能和成本之间提供了最佳平衡。
- 如果您的首要重点是提高表面硬度（渗碳）：您需要富含碳的气氛，通常是源自碳氢化合物产生的吸热气体，以产生高浓度的一氧化碳。
- 如果您的首要重点是清洁敏感材料的表面氧化物：纯净、干燥的氢气或分解氨气氛是最有效的选择。
- 如果您的首要重点是处理高反应性金属（例如钛）：纯惰性气体（如氩气）是必不可少的，以防止灾难性污染。
最终，炉气氛是一个关键的过程变量，直接控制着您最终产品的化学性质、质量和性能。
总结表：
| 气体类型 | 常见示例 | 主要功能 | 关键应用 |
|---|---|---|---|
| 惰性（保护性） | 氮气、氩气 | 防止氧化和脱碳 | 钢的光亮退火、高反应性金属的保护 |
| 反应性（活性） | 氢气、一氧化碳 | 诱导表面变化，如渗碳或氧化物还原 | 渗碳以增加硬度、光亮退火以获得洁净表面 |
| 气体混合物 | 源自碳氢化合物的吸热/放热气体、分解氨气 | 为特定反应提供精确的气氛 | 经济高效的处理、还原气氛 |
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