从本质上讲，熔炉气氛服务于两个截然不同且相互对立的功能。在高温过程中，它们经过精心设计，目的在于保护材料表面免受任何化学反应，使其保持原始状态，或者有意地促进特定的、受控的反应，以所需方式改变表面。在保护性环境和活性环境之间做出选择，对于实现部件的最终性能至关重要。
熔炉气氛的目的不仅仅是填充空间；它是一种关键的工程工具。使用保护性（惰性）或反应性（活性）气氛的决定直接决定了部件离开熔炉时是保持不变，还是具有硬度或耐腐蚀性等特意增强的表面性能。
保护作用：屏蔽材料
控制气氛最常见目的是充当屏蔽层。在热处理使用的高温下，大多数材料——尤其是金属——与环境空气中存在的氧气和水分的反应性都很强。
防止氧化和污染
如果没有控制气氛，加热钢制部件将导致形成一层厚厚的氧化皮。这种氧化皮会损害表面光洁度、改变部件的尺寸，并可能破坏其机械性能。
保护性气氛会驱逐空气，形成一种化学上惰性的环境。这确保了部件的表面在整个加热和冷却循环中保持光亮洁净，没有发生不希望的反应、氧化和污染。
常见的保护性气氛
最广泛使用的保护性气氛由惰性气体组成，这些气体不易与其他元素反应。
常见的选择包括：
- 氮气 (N₂)：成本效益高且易于获得，适用于各种应用。
- 氩气 (Ar)：比氮气贵，用于对温度极其敏感的材料，这些材料在极端温度下可能甚至与氮气发生反应，例如钛或某些不锈钢。
活性作用：表面工程
与保护作用相反，活性气氛旨在故意在材料表面引起化学变化。这是一种表面炼金术，其中气体成分经过精确调整以添加或去除元素。
实现可控的化学反应
通过引入特定的气体，工程师可以促使反应改善材料的性能。这使得能够制造出表面坚韧、耐磨损，同时核心保持更具延展性和减震性的部件。
此过程对于制造齿轮、轴承和其他高磨损部件等应用至关重要。
活性气氛的例子
活性气氛是为特定结果而配制的混合物。一个著名的例子是富燃气氛（Exothermic Gas），它是通过燃烧燃料产生的，可以根据不同需求进行调整。
- 富燃气氛：富含一氧化碳 (CO) 和氢气 (H₂) 的混合物。它用于渗碳等工艺，其中气氛中的碳原子扩散到钢材表面以增加其硬度。
- 贫燃气氛：活性成分含量较低的混合物。它可用于控制的轻微氧化，例如在退火铜以达到特定的表面光洁度时。
理解权衡
实施熔炉气氛并非没有挑战。气体和熔炉类型的选择涉及成本、复杂性和所需纯度水平之间的平衡。
熔炉设计与气氛纯度
维持纯净气氛的能力在很大程度上取决于熔炉的结构。
- 马弗炉（Retort Furnaces）：这些使用一个密封的合金容器来容纳零件，然后对外部进行加热。这种设计提供了最干净、最高纯度的气氛，但设备成本和维护成本较高。
- 吹扫和密封熔炉（Purge and Seal Furnaces）：这些依靠紧密的密封和持续的气体流动来吹走任何泄漏进来的空气。它们更经济，但在气氛纯度（特别是露点（水分含量的量度））方面控制精度较低。
隐藏的好处：效率和成本
除了表面处理之外，控制气氛还带来了显著的操作优势。保护性气氛中使用的惰性气体可以改善熔炉内的热量分布和保持。
与传统加热方法相比，这种优化可以节省高达 30% 的能源，从而降低运营成本和环境影响。
为您的目标做出正确的选择
熔炉气氛的选择必须以部件的最终目标为驱动。
- 如果您的主要重点是保持材料的完整性：使用氮气或氩气等保护性、惰性气氛，以防止在钎焊、烧结或退火敏感金属等过程中发生氧化。
- 如果您的主要重点是改变表面性能：选择化学活性的气氛，例如富含碳的气体用于表面硬化钢或贫燃气氛用于控制铜退火。
- 如果您的主要重点是过程效率：要考虑到惰性气体气氛提供的节能效果，这可以随着时间的推移抵消气体和设备的成本。
最终，掌握熔炉气氛意味着将其视为一种精确而强大的工程工具，而不是一种背景条件。
总结表：
| 目的 | 描述 | 常见气氛 | 主要应用 |
|---|---|---|---|
| 保护性 | 使用惰性气体保护材料免受氧化和污染 | 氮气 (N₂)，氩气 (Ar) | 钎焊、烧结、敏感金属退火 |
| 活性 | 促进受控的化学反应以改变表面性能 | 富燃气氛（例如，用于渗碳），贫燃气氛（例如，用于铜退火） | 表面硬化、齿轮和轴承的表面工程 |
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