从本质上讲，熔炉气氛是在热处理过程中设计用于与金属表面相互作用的经过仔细控制的化学环境。最常用的气体是氮气、氢气、一氧化碳、二氧化碳、氧气以及氩气等惰性气体，通常以混合物的形式存在。它们的作用是保护材料免受不必要的改变，或故意改变其表面化学性质和性能。
关键在于停止将熔炉气氛视为真空空间。相反，应将其视为冶金过程中的活性成分，它能够保护、清洁、添加或去除工件表面的元素。
为什么熔炉气氛至关重要
在热处理过程中，高温会极大地加速化学反应。在室温空气中稳定的材料，在相同空气中加热时会迅速氧化或“结垢”。
控制熔炉气氛可以决定允许发生哪些化学反应，从而让您精确控制最终产品的表面完整性、硬度和外观。
基础：保护性气氛
受控气氛最基本的功能是防止不必要的反应，主要是氧化和脱碳。
氮气 (N2) 氮气是保护性气氛中的主力军，因为它相对惰性且成本效益高。它能置换氧气，防止零件表面形成氧化皮。
它广泛用于中性淬火和退火等工艺，在这些工艺中，目标是在不改变零件表面化学性质的情况下对其进行加热和冷却。
惰性气体（氩气、氦气） 像氩气 (Ar) 这样的气体是真正的惰性气体，意味着它们即使在非常高的温度下也不会与金属反应。
虽然能提供终极保护，但它们比氮气昂贵得多。它们的使用通常仅限于钛等高反应性金属，或用于对氮气的轻微反应性都不可接受的关键应用。
工程化表面：反应性气氛
除了简单的保护之外，反应性气体还用于有意地改变钢的表面。这是您可以添加或去除特定元素的地方。
氧化剂和脱碳剂
这些气体通常被视为必须最小化的污染物，但在某些工艺中可以故意使用它们。
氧气 (O2) 氧气是一种强效氧化剂。即使少量存在，它也会与铁反应生成氧化铁或铁皮。在高质量的热处理中，它的存在几乎总是不希望看到的。
水蒸气 (H2O) 经常被忽视的水蒸气在热处理温度下也是一种强氧化剂。它也是氢气的来源，氢气会导致脱碳——从钢表面去除碳，从而形成柔软的外层。
还原剂和渗碳剂
这些气体用于清洁表面或向其添加碳。
氢气 (H2) 氢气是一种强效还原剂，意味着它能积极地逆转氧化过程。它会与表面上的氧化铁反应并将其去除，这个过程被称为“光亮化”。
然而，在存在任何水分的情况下，氢气也是一种强效脱碳剂，并且可能导致某些高强度钢产生氢脆。
一氧化碳 (CO) 一氧化碳是用于渗碳的主要气体。它在钢表面分解，引入碳原子扩散到材料中，形成坚硬、耐磨的表层。
理解权衡
选择熔炉气氛需要在化学有效性、安全性和成本之间取得平衡。
安全与处理
氢气 (H2) 极易燃，如果未遵循严格的安全规程进行处理，会带来爆炸风险。一氧化碳 (CO) 剧毒，需要进行气氛监测和强大的通风系统。
不良副作用
“湿”氢气（含有水蒸气）会严重脱碳钢，这通常与期望的结果相反。需要“干”氢气才能仅作为还原剂发挥作用。
虽然氮气大多是惰性的，但它可能会在某些合金钢表面形成氮化物，这可能是不希望的。
成本与纯度
最便宜的保护性气氛是由燃烧的天然气产生的，但它包含需要仔细平衡的 N2、CO、CO2 和 H2O 混合物。最昂贵且最纯净的是氩气。氮气为大多数应用提供了成本和保护质量的极佳平衡。
为您的目标做出正确的选择
理想的气氛完全取决于您热处理工艺所需的预期结果。
- 如果您的主要重点是表面保护（中性淬火、退火）： 使用基于氮气的气氛来置换氧气并防止结垢。
- 如果您的主要重点是添加碳（渗碳）： 使用富含一氧化碳 (CO) 的非均相气氛，以促进碳转移到钢中。
- 如果您的主要重点是表面清洁（不锈钢的光亮退火）： 使用纯净、干燥的氢气气氛来还原任何现有的表面氧化物，以获得光亮的表面。
- 如果您的主要重点是处理反应性金属（钛、特种合金）： 使用纯惰性气体（如氩气）或在高真空下进行处理，以防止任何气-金属反应。
掌握热处理始于了解和控制熔炉内部发生的看不见的化学反应。
摘要表：
| 气体/蒸汽 | 主要作用 | 常见用途 |
|---|---|---|
| 氮气 (N2) | 保护性，惰性 | 中性淬火，退火 |
| 氢气 (H2) | 还原剂，脱碳剂 | 光亮退火，表面清洁 |
| 一氧化碳 (CO) | 渗碳剂 | 渗碳，碳添加 |
| 氩气 (Ar) | 惰性保护 | 反应性金属，关键应用 |
| 氧气 (O2) | 氧化剂 | 有意结垢（很少见） |
| 水蒸气 (H2O) | 氧化性，脱碳性 | 受控气氛（需最小化） |
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