从本质上讲，氮基炉气氛的主要类型是根据与氮混合以实现特定结果的物质来分类的。这些分为三个主要组：用于惰性保护的纯氮气，用于产生还原气氛的氮-氢混合物，以及用于主动改变材料表面化学性质的氮-碳氢化合物混合物。
选择氮基气氛是在被动保护和主动处理之间做出决定。虽然纯氮气只是简单地防止不希望的反应，但添加氢气或碳氢化合物等气体可以主动清洁材料表面或从根本上改变其性能。
为什么氮气是基础
惰性基础气体的作用
炉气氛用于控制热处理过程中的环境，主要是为了防止不希望的化学反应，例如氧化（生锈）和脱碳（钢材的碳损失）。
氮气（N₂）是这些气氛最常见的基础，因为它相对惰性。它能有效地置换氧气，而氧气是高温下氧化作用的主要原因。
成本和可用性
氮气也被使用，因为它储量丰富，约占我们呼吸空气的78%。这使得它与氩气等更昂贵的惰性气体相比，成为工业过程中一种成本效益高且易于获得的选择。
氮气氛的功能分类
虽然氮气提供了保护性基础，但定义气氛功能的是与它混合的气体。
1. 惰性（保护性）气氛
这是最简单的形式，由高纯度氮气组成。其唯一目的是创造一个非反应性环境。
通过置换氧气，它可以防止表面氧化皮和其他氧化反应。它是一种中性气氛，这意味着它不与金属表面发生反应。
2. 还原气氛（氮-氢）
这些气氛是氮气和氢气（H₂）的混合物。氢气的添加使气氛从单纯的保护性变为主动还原性。
还原气氛可以化学“还原”或清洁零件表面可能已经存在的轻微氧化物。这对于需要获得光亮、洁净表面的工艺至关重要，例如钢和不锈钢的光亮退火。
这种混合物的一个常见来源是分解氨。当氨气（NH₃）加热时，它会分解（离解）成75%氢气和25%氮气的预混合气氛。
3. 反应性（碳控）气氛
这些是最复杂的氮基气氛。它们涉及向氮气基质中添加反应性气体，通常是甲烷（CH₄）或丙烷等碳氢化合物。
目标是故意改变材料的表面化学性质。这用于以下过程：
- 渗碳：向低碳钢表面添加碳以使其硬化。
- 碳氮共渗：同时添加碳和氮。
- 碳恢复：将碳恢复到先前脱碳的表面。
对这些气氛的控制至关重要，因为不正确的混合物可能会导致烟灰或零件中碳含量不当。
了解权衡
选择气氛需要平衡工艺目标与成本和安全考虑。
安全性和复杂性
纯氮气安全且易于管理。然而，添加其他气体带来了风险。
氢气高度易燃，如果不严格遵守安全协议，存在爆炸风险。碳氢化合物气体也易燃，需要精确的控制系统以防止烟灰产生并确保正确的化学反应发生。
成本与所需表面效果
纯氮气氛是最经济的选择。对于许多通用热处理，例如不以获得光亮表面为主要目标的应力消除或回火，它是足够的。
使用氮-氢混合物获得光亮、无氧化物的表面需要更高的成本，因为氢气的价格和所需的配套安全基础设施。
过程控制
用于渗碳的反应性气氛最复杂，需要先进的气氛控制系统。这些系统持续监测气体成分，以维持所需的碳势，确保结果的一致性和可重复性。
为您的工艺做出正确选择
您的选择完全取决于您材料的预期结果。
- 如果您的主要重点是简单的防氧化：使用纯氮气氛，因为它安全且成本低。
- 如果您的主要重点是获得光亮、洁净、无氧化物的表面：使用氮-氢混合物，它能主动还原表面氧化物。
- 如果您的主要重点是增加表面硬度或改变表面化学性质：您必须使用含有碳氢化合物气体的反应性碳控气氛。
最终，了解您材料的最终用途要求是选择正确且最具成本效益的炉气氛的关键。
总结表：
| 类型 | 组成 | 主要功能 | 常见应用 |
|---|---|---|---|
| 惰性（保护性） | 纯氮气 | 防止氧化和脱碳 | 应力消除、回火 |
| 还原性 | 氮-氢混合物 | 清洁表面氧化物，获得光亮表面 | 钢和不锈钢的光亮退火 |
| 反应性（碳控） | 氮-碳氢化合物混合物 | 改变表面化学性质以硬化 | 渗碳、碳氮共渗、碳恢复 |
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