对于高温冶金过程，最常用于提供惰性气氛的气体是氩气 (Ar)。其主要目的是将氧气和其他反应性气体从环境中置换出去，从而防止金属表面形成不需要的氧化物。在某些情况下，也使用含有氢气的混合物来创造还原性气氛。
高温冶金中的核心挑战不在于热量本身，而在于热量引起的加速化学反应，主要是与空气中的氧气的反应。解决方案是创造一个非反应性（惰性）的保护性气体屏蔽层，以防止氧化等代价高昂的缺陷，并确保最终产品的完整性。
高温下的根本问题：氧化
金属为何会氧化
在室温下，大多数金属相对稳定。当在焊接、铸造或热处理等过程中温度急剧升高时，金属原子会变得高度活跃。这种能量极大地加速了它们与环境空气中氧气反应的速率。
这种化学反应导致工件表面形成金属氧化物。
氧化的后果
氧化层通常是脆性、易剥落的，并且机械性能较差。它们的存在可能导致一系列问题：
- 结构弱化：在焊接中，氧化物可能会被困在焊池中，形成夹杂物，从而损害接头的强度。
- 表面光洁度差：氧化会留下变色和粗糙的表面，通常需要昂贵且耗时的二次清洁过程。
- 材料性能改变：氧化层的形成会消耗母材，并可能改变部件表面的化学和物理性能。
创造保护性屏蔽层：惰性气氛与还原性气氛
为了防止氧化，必须将反应性气体——主要是氧气和水蒸气——从热金属的直接周围清除。这是通过向该区域充入保护气体来实现的。
惰性气氛的作用
惰性气氛的作用原理是置换。像氩气这样的气体比空气重，并且在化学上是非反应性的。当被泵入加工区域时，它们会物理上将较轻的富氧空气从金属表面推开。
由于惰性气体即使在极端温度下也不会与金属发生化学键合，因此它形成了一个完美、非反应性的屏蔽层。
氩气：工业主力
氩气是大多数惰化应用的首选，原因有二：
- 真正的惰性：作为一种惰性气体，氩气极不活泼，在几乎任何冶金条件下都不会与其他元素形成化合物。
- 成本效益：虽然比氮气贵，但氩气比氦气等其他惰性气体更丰富、更便宜，因此在性能和成本之间取得了理想的平衡。
替代方案：还原性气氛
有时，纯粹的惰性气氛会辅以或取代还原性气氛，后者通常涉及氢气 (H₂)，通常以小百分比与氩气混合。
与被动的氩气不同，氢气在化学上是活泼的。它会与气氛中存在的任何氧气发生剧烈反应，形成水 (H₂O)，然后以蒸汽形式被带走。这个过程会主动“清除”或还原氧气的量，为防止氧化提供额外的保护层。
了解权衡
选择正确的气体是基于特定金属、工艺温度和预算的关键决策。
成本与纯度
主要的权衡往往是成本。氮气是最便宜的保护气体，但如下所述，它并不总是合适的。氩气在价格上更进一步，为更广泛的应用提供了真正的惰性。气体所需的纯度也会显著影响成本；更高的纯度意味着更好的保护，但价格更高。
氮气的考虑因素
氮气 (N₂) 因其低成本和相对缺乏反应性而常被考虑用于惰化。然而，它不是真正的惰性气体。
在许多冶金过程中出现的高温下，氮气会与某些金属——特别是钛、铝和一些不锈钢——反应，形成称为氮化物的坚硬、易碎的化合物。这可能与氧化一样有害，使得氮气不适用于许多关键应用。
安全与操作
虽然氩气和氮气易于操作（尽管在密闭空间内它们是窒息剂），但含有氢气的气氛引入了新的风险：易燃性。氢气极易燃，需要专门的设备、泄漏检测系统和严格的安全规程来管理爆炸风险。
为您的工艺选择正确的气体
您选择的保护性气体气氛必须直接符合您的材料、预算和质量要求。
- 如果您的主要重点是最大的惰性和多功能性：使用高纯度氩气，因为它在任何温度下几乎与所有金属都不反应。
- 如果您的主要重点是对非反应性金属的成本效益：氮气对于碳钢等材料可能是可行的选择，但您必须验证其兼容性以避免形成氮化物。
- 如果您的主要重点是对高度敏感工艺的主动脱氧：氩气和氢气的混合物非常有效，但需要仔细管理相关的易燃性风险。
最终，选择正确的保护气氛是控制最终冶金产品质量和完整性的基础步骤。
摘要表：
| 气体类型 | 主要用途 | 关键特性 | 最适合 |
|---|---|---|---|
| 氩气 (Ar) | 惰性气氛 | 非反应性，置换氧气，多功能 | 大多数金属，最大惰性 |
| 氮气 (N₂) | 低成本惰化 | 具有成本效益，但可能形成氮化物 | 碳钢（非反应性金属） |
| 氢气 (H₂) 混合物 | 还原性气氛 | 主动去除氧气，易燃 | 需要脱氧的高度敏感工艺 |
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