在气氛炉中，气体是一种关键的加工工具，而不仅仅是被动的环境。 最常见的气体是氮气和氩气，它们作为惰性保护层以防止氧化；氢气作为还原剂，主动清除表面氧化物；以及甲烷或丙烷等碳氢化合物，它们用于在称为渗碳的过程中向材料表面添加碳。精确选择特定的气体或混合气体，以在待热处理的材料上实现所需的化学反应（或避免反应）。
选择炉气氛的关键不在于气体本身，而在于预期的冶金结果。您必须决定您的目标是简单地保护表面、主动清洁表面，还是有意改变其化学成分。
炉气氛的三大主要功能
要选择正确的气体，必须了解气氛在热处理过程中可以扮演的三种不同角色。这些功能本质上是不同的，不可互换。
1. 惰性气氛：保护屏障
惰性气氛的唯一作用是排出氧气和水分，防止在高温下发生不需要的化学反应，例如氧化（结垢或生锈）。
氮气（N₂）是最广泛使用的惰性气体。它具有成本效益，并为大多数常见的钢和合金提供出色的保护，因为它不易与它们发生反应。
氩气（Ar）是一种比氮气更纯粹的惰性气体。它用于可能在非常高的温度下与氮气反应的材料（如钛）或需要绝对纯度时。其较高的密度也有助于其更有效地置换环境空气。
2. 还原气氛：主动清洁
还原气氛超越了简单的保护。它会主动清除材料表面上已有的氧化物，从而获得更清洁、更光亮的表面。
氢气（H₂）是最强大和最常见的还原性气体。它会与金属氧化物（如氧化铁）发生化学反应，将其还原回基础金属，并产生水蒸气作为副产品。
这种清洁作用对于钎焊和烧结等工艺至关重要，因为这些工艺需要清洁、无氧化物的表面才能实现适当的结合。
3. 反应性气氛：表面改性剂
反应性气氛用于有意改变材料表面的化学成分，通常是为了增强其机械性能。
甲烷（CH₄）和丙烷（C₃H₈）是用于渗碳的主要气体。在高温下，这些碳氢化合物气体分解并释放出碳原子，然后这些碳原子扩散到钢部件的表面，显著提高其表面硬度和耐磨性。
混合气体的力量：定制环境
在实践中，纯气体的使用频率通常不如精确控制的混合气体。混合气体可以在性能、成本和安全性之间取得平衡。
一个非常常见的例子是保护气，它是氮气和氢气的混合物（例如 95% N₂，5% H₂）。这种混合物结合了基于氮气的惰性气氛的成本效益和氢气的主动除氧化能力，同时在低氢气浓度下保持不易燃。
了解权衡和安全隐患
您对气氛的选择涉及平衡性能、成本和操作安全。没有单一的“最佳”气体，只有最适合特定应用的那个。
成本与纯度
氮气的成本明显低于氩气。对于大多数涉及钢的应用，氮气能提供足够的保护，使其成为经济的选择。氩气则保留用于涉及高活性金属或对纯度有绝对要求的特殊工艺。
安全和易燃性
氢气非常有效，但也极易燃。使用高浓度氢气的系统需要强大的安全联锁、通风和防火协议。用于渗碳的碳氢化合物气体也是如此。
发生意外反应的可能性
尽管氮气被认为是钢的“惰性”气体，但它在高温下可能会与某些金属发生反应。例如，它可能在钛或某些不锈钢表面形成氮化物，这可能是我们不希望发生的。这是使用氩气处理此类敏感材料的一个主要原因。
根据目标选择合适的气氛
您的决定应基于您需要实现的最终材料性能。
- 如果您的主要重点是防止标准钢材发生基本氧化： 从氮气开始，因为它能以最低的成本提供出色的保护。
- 如果您的主要重点是形成明亮的、无氧化物的表面或为钎焊准备表面： 需要使用氮气-氢气混合物（保护气）或纯氢气来实现主动除氧化。
- 如果您的主要重点是硬化低碳钢部件的表面： 需要使用含有甲烷或丙烷等碳氢化合物的反应性气氛进行渗碳。
- 如果您的主要重点是加工钛或某些耐火金属等高活性金属： 高纯度氩气是防止意外表面反应最安全、最有效的选择。
通过理解这些原理，您可以将炉气氛从一个简单的变量转变为工程化所需材料结果的精确工具。
总结表：
| 气体类型 | 主要用途 | 常见用途 |
|---|---|---|
| 氮气 (N₂) | 防止氧化的惰性保护层 | 钢和合金的经济型保护 |
| 氩气 (Ar) | 用于活性材料的高纯度惰性保护层 | 钛和高纯度应用的处理 |
| 氢气 (H₂) | 用于去除氧化物的还原剂 | 用于清洁表面的钎焊、烧结 |
| 碳氢化合物 (例如 CH₄, C₃H₈) | 用于渗碳的反应剂 | 钢部件的表面硬化 |
| 混合气体 (例如 保护气) | 平衡的保护和还原作用 | 在不易燃的混合物中进行经济的除氧化 |
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