在热处理中，炉“气氛”是指在加热和冷却循环期间围绕金属部件的特定、受控的气体混合物。这样做是为了防止与空气发生有害反应，主要是氧化（生锈），在许多情况下，也是为了有意改变金属的表面化学性质，以实现所需的硬度等性能。
热处理炉中的气氛不仅仅是一个保护罩；它是一个主动且关键的过程变量。选择正确的气氛对于防止缺陷和实现特定的表面性能至关重要，直接影响金属部件的最终性能和完整性。
为什么受控气氛是不可或缺的
在环境空气中将金属加热到高温几乎总是有害的。受控气氛解决了将热金属暴露于空气中的氧气和其他元素时出现的几个基本问题。
空气的问题
当您加热金属时，其反应性会急剧增加。空气中的氧气会迅速与金属表面结合，形成氧化皮层。
这种氧化皮层是不受欢迎的，因为它会损害表面光洁度、改变部件的最终尺寸，并且必须通过喷砂或酸洗等昂贵的二次操作去除。
防止表面缺陷
炉气氛的主要功能是置换氧气。通过用非氧化性气体混合物填充炉膛，可以防止形成氧化皮。这还可以防止脱碳，脱碳是钢材中的一个关键问题，碳可能会从表面析出，导致其变软而无法正确硬化。
实现表面改性
除了简单的保护之外，活性气氛还用于有意地将元素扩散到部件的表面。
这是渗碳（添加碳）和氮化（添加氮）等表面硬化工艺的基础，这些工艺会在保持较软、较韧芯部的同时，在表面形成坚硬、耐磨的外层。
常见的炉气氛类型
炉气氛通常根据它们在高温下的化学行为进行分类。
惰性气氛
这些气氛在化学上是中性的，仅用于保护金属免于反应。当目标是加热和冷却部件而其表面化学性质完全不发生变化时，就会使用它们。
常见示例包括纯氮气 (N2) 和氩气 (Ar)。氩气更具完全惰性，但价格明显更高，因此它被保留用于钛等高反应性金属。
还原性气氛
还原性气氛会主动去除氧气。它们会从部件表面存在的任何氧化物中剥离氧原子，从而形成清洁、光亮的表面。
氢气 (H2) 是一种强还原剂。富含氢气的气氛用于不锈钢的光亮退火等工艺。常见的混合物是氮气和氢气，由分解氨气产生。
活性（反应性）气氛
这些气氛旨在向钢表面提供元素。
保护性气体（内吸式气体）是渗碳的经典示例。它是通过使天然气和空气反应生成的，产生氮气、氢气以及——最重要的是——一氧化碳 (CO) 的混合物，一氧化碳为钢的硬化提供了碳。
理解权衡和风险
选择气氛需要平衡成本、安全性和工艺要求。没有一种“最佳”气氛适用于所有应用。
成本与纯度
高纯度气体如氩气提供最佳保护，但价格昂贵。氮气是许多应用中具有成本效益的主力，但在非常高的温度下它可能与某些金属发生反应。
安全与操作
氢气是一种出色的还原性气体，但它也是高度易燃的，并带来爆炸风险。它的使用需要专门的炉设计和广泛的安全规程。用于氮化的氨气具有毒性和腐蚀性。
工艺控制的复杂性
用于渗碳等工艺的活性气氛需要对气体成分、温度和时间进行极其精确的控制。如果气体的“碳势”过高，可能会导致部件表面产生积碳。如果碳势过低，可能会导致您试图防止的脱碳。
根据您的目标做出正确的选择
理想的气氛完全取决于您正在处理的材料和您期望的结果。
- 如果您的主要重点是简单的保护和成本效益： 氮气基气氛是防止一般退火或应力消除中氧化的标准选择。
- 如果您的主要重点是获得光亮、无氧化物的表面： 需要含有氢气的还原性气氛来进行铜或不锈钢的光亮退火等工艺。
- 如果您的主要重点是提高表面硬度和耐磨性： 需要活性渗碳或氮化气氛，以便将碳或氮扩散到钢表面。
- 如果您的主要重点是处理钛等高反应性金属： 只有使用氩气等惰性气体或完全真空才能防止污染。
最终，掌握炉气氛将热处理从简单的加热转变为精确的工程过程。
总结表：
| 气氛类型 | 主要功能 | 常见应用 |
|---|---|---|
| 惰性（例如 N₂, Ar） | 防止表面反应 | 退火，处理反应性金属 |
| 还原性（例如 H₂ 混合物） | 去除氧化物，产生光亮表面 | 不锈钢光亮退火 |
| 活性（例如保护性气体） | 添加碳/氮以进行硬化 | 用于耐磨性的渗碳、氮化 |
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