从根本上说，箱式退火气氛炉使用特定气体的受控混合物来保护被处理的材料。引入的最常见气体是氮气 (N₂)、氢气 (H₂)、氩气 (Ar)，有时还包括氨分解气体，后者是氮气和氢气的混合物。
关键要点是，这些气体并非用于加热。它们的目的是创造一个精确控制的化学环境——一种保护性或反应性气氛——以防止发生不需要的反应（如氧化），并确保最终材料达到特定的冶金性能。
受控气氛的目的
当金属被加热到高温时，它们会与周围的空气（尤其是氧气）发生高度反应。气氛炉通过用特定的气体或气体混合物替代周围的空气来控制这种环境。
防止氧化和氧化皮
气氛的首要目标是防止氧气与热金属表面反应。这种反应称为氧化，会形成一层氧化皮或氧化膜，从而破坏表面光洁度并改变零件的尺寸。
受控气氛会置换氧气，使工件处于非反应性或主动还原的环境中。
确保材料完整性
除了表面之外，不受控制的气氛可能导致像钢材中脱碳这样的问题，即碳从表面层被剥离，使其变软。适当的气氛可以保持材料的预期成分和性能。
常见气体及其作用
气体的选择完全取决于所处理的材料和退火过程所需的最终结果。每种气体都有其独特的功能。
氮气 (N₂)：惰性主力
氮气是最常见且最具成本效益的气氛气体。它在很大程度上是惰性的，意味着它不会轻易与大多数金属反应，使其成为防止氧化的极好的通用保护气体。
氢气 (H₂)：活性还原剂
氢气是一种反应性气体。它不仅能置换氧气，还能主动清除并与任何存在的氧气反应。它是一种强大的还原剂，意味着它可以去除金属表面现有氧化物上的氧气，从而获得极其干净和光亮的表面。
氩气 (Ar)：高纯度保护剂
氩气是惰性气体，比氮气更具惰性。它用于对温度极其敏感或在高温下可能与氮气反应的材料，例如钛和某些不锈钢。其高纯度伴随着更高的成本。
氨分解气体 (N₂ + H₂)
这不是一种主要气体，而是在现场通过裂解无水氨 (NH₃) 产生的一份氮气和三份氢气的混合物。它提供了富氢气氛（光亮表面）的好处，通常比使用纯瓶装氢气更经济。
气氛的管理方式
创造和维持这种精确的环境需要一个集成系统。
气氛控制系统
该系统是炉子功能的核心。它由气体来源（储罐或发生器）、流量计和调节阀组成。这些组件协同工作，精确控制进入炉膛的气体流速和混合比例。
炉体密封和完整性
如果泄漏或空气渗入，完美的气氛也无济于事。炉子采用紧密密封的门和坚固的外壳制造，通常由高温合金钢制成，以防止气氛泄漏和污染。这确保了内部的气体成分在整个过程中保持稳定。
理解权衡
选择气体是工艺要求、材料兼容性和成本之间的平衡。
成本与纯度
对于普通碳钢和合金钢的通用退火，氮气因其成本低廉和有效性而成为首选。氩气则留给特殊应用，在这些应用中，其极高的惰性使得更高的费用物有所值。
惰性与还原性（保护性与光亮度）
像氮气这样的惰性气体仅能防止进一步氧化。像氢气这样的还原性气体更进一步，可以清除氧化物，但它也易燃，需要更严格的安全系统和操作程序。
为您的工艺选择合适的气氛
您选择的气体直接影响退火操作的质量、光洁度和成本。
- 如果您的主要重点是碳钢和合金钢的通用退火： 氮气气氛可在经济的价格点提供出色的防氧化保护。
- 如果您的主要重点是获得最光亮、最干净的表面光洁度： 氢气或氮氢混合物是实现其活性还原性能的最佳选择。
- 如果您的主要重点是退火高反应性材料，如钛或某些不锈钢： 氩气是保证真正惰性环境而不发生不需要反应的唯一选择。
最终，掌握这些气体的用法是实现一致和高质量热处理结果的基础。
总结表：
| 气体类型 | 炉内作用 | 常见用途 |
|---|---|---|
| 氮气 (N₂) | 惰性保护气体 | 钢材的通用退火 |
| 氢气 (H₂) | 用于光亮表面的还原剂 | 清除氧化物，获得高表面质量 |
| 氩气 (Ar) | 高纯度惰性气体 | 钛等反应性材料的退火 |
| 氨分解气体 (N₂ + H₂) | 经济高效的还原混合物 | 具有经济效益的光亮退火 |
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