从根本上讲，炉内气氛在热处理过程中起到两种关键作用之一。它要么充当保护性屏障，防止氧化等不良化学反应，要么充当化学活性剂，有意地改变材料的表面性能，例如提高其硬度。
炉内气氛的选择不是事后才考虑的问题；它是基本的工艺变量。它决定了您是在简单地保护工件，还是在积极地改变其表面以满足特定的工程要求。
保护作用：屏蔽材料
炉内气氛最常见的功能是创造一个受控的环境，将加热的工件与空气隔离。在高温下，材料极易与氧气和水分发生反应。
防止氧化和结垢
当在有氧气存在的情况下加热时，大多数金属会在其表面形成一层氧化物或氧化皮（scale）。这会损害表面光洁度、影响尺寸精度，并可能需要昂贵的二次清洁操作。
一种保护性气氛，通常由惰性气体组成，可以驱逐氧气并防止这种反应的发生，从而使零件离开炉子时表面干净、光亮。
避免脱碳
对于钢材来说，另一个主要风险是脱碳——碳从零件表面流失。这通常是由高温下与氧气或水蒸气 (H₂O) 发生的反应引起的。
脱碳会使表面软化，降低材料的疲劳寿命和耐磨性。适当控制的保护性气氛可以防止这种碳损失，从而保持合金设计的完整性。
常见的保护性气体
最常见的保护性气体是氮气和氩气。氮气在许多应用中具有成本效益，而氩气则用于高度活泼的金属。氢气也被使用，因为它能主动清除氧气，形成强力的还原环境。
活性作用：表面工程
与惰性气氛相反，活性气氛是特意设计用于与材料表面发生反应的气氛。它利用载气引入特定元素并使其扩散到零件内部。
渗碳以提高硬度
渗碳是活性工艺的一个典型例子。使用富含碳的气氛（通常由甲烷或丙烷等气体产生），将碳扩散到低碳钢的表面。
这会在工件表面形成一层坚硬、耐磨的“硬壳”，而工件的核心仍然保持韧性和延展性。
氮化以提高耐磨性
同样，氮化使用含有活性氮的气氛，通常来源于氨气 (NH₃)。氮气扩散到钢表面形成极硬的氮化物。这种工艺提供了优异的耐磨性和抗咬合性能，而且通常在低于渗碳的温度下进行，从而减少了零件变形。
理解权衡和关键变量
实现所需气氛是精确控制和理解设备限制的问题。任何热处理循环的成功都取决于对这些变量的管理。
炉体设计：密封式与马弗式
标准的净化和密封炉具有经济性，但依赖于易磨损的密封件，因此更难维持具有低露点（水分含量）的非常纯净的气氛。
马弗炉（retort furnace）将零件包裹在一个外部加热的合金容器中，可以提供更清洁、控制更严格的气氛。这种改进的控制是以更高的设备和维护成本为代价的。
露点的关键作用
露点是炉内气氛中水蒸气浓度的量度。即使在看似纯净的氮气或氩气气氛中，高水分含量也可能引入足够的氧气，从而导致不希望发生的氧化或脱碳。
因此，精确控制露点对于敏感材料和工艺至关重要，因为它是气氛纯度的主要指标。
气体纯度和流速
源气体的纯度和用于净化和维持炉内环境的流速是基本参数。流速不足可能无法驱逐所有污染物，而不纯净的气体则会直接将其引入工艺中。
根据目标做出正确选择
最佳的炉内气氛完全取决于您的工艺目标和所处理的材料。
- 如果您的主要重点是保持现有的材料性能： 目标是使用保护性惰性气氛（氮气或氩气），以防止在退火、烧结或去应力过程中发生氧化和脱碳。
- 如果您的主要重点是提高表面硬度和耐磨性： 必须使用用于渗碳（富碳）或氮化（富氮）的活性气氛来对材料表面进行工程处理。
- 如果您的主要重点是处理高价值或高度敏感的材料： 投资于具有卓越控制能力的系统（如马弗炉或真空炉）至关重要，以确保最高的气氛纯度并防止昂贵的零件失效。
归根结底，掌握炉内气氛就是要从简单地加热零件，转变为精确控制其化学环境，以实现可预测和可重复的结果。
总结表：
| 功能 | 目的 | 常见气体/工艺 | 主要益处 |
|---|---|---|---|
| 保护性 | 保护材料免受氧化和脱碳 | 氮气、氩气、氢气 | 保持表面光洁度、保持尺寸精度、防止碳损失 |
| 活性 | 改变表面性能以提高硬度和耐磨性 | 甲烷/丙烷（渗碳）、氨气（氮化） | 提高表面硬度、提高耐磨性、减少零件变形 |
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