气氛炉中主要使用的气体有氮气、氩气、氢气以及甲烷或丙烷等碳基气体。这些气体并非可以互换；它们的选择是为了在高温下创造特定的化学环境。气体的选择决定了炉内气氛是惰性（保护性）、还原性（清洁性）还是渗碳性（表面改性），直接控制了被处理材料的最终性能。
选择气氛气体不仅仅是一种保护措施；它是一个基本的工艺变量，直接控制材料表面是保持不变、氧化物被清除，还是通过化学改性以增强其性能。
受控气氛的目的
为何不直接使用空气？
在室温下，空气中的氧气相对无害。然而，在热处理所需的高温下，氧气会变得高度活泼。
将热金属暴露在环境空气中会导致快速氧化（氧化皮形成）、脱碳（钢中碳和硬度的损失）以及其他有害的化学反应，从而降低材料的表面和结构完整性。
目标：工艺完整性
受控炉气氛用特定气体或混合气体取代环境空气。这确保材料仅暴露于已知的、无害的环境中。
目标是在退火、钎焊、烧结和硬化等过程中保护零件，确保其以设计所需的精确表面光洁度和机械性能呈现。
按功能分类炉气氛
理解炉气最有效的方式是根据它们所执行的功能。气氛可以分为三种主要类型。
惰性气氛：无反应保护
惰性气氛旨在不发生反应，作为保护层，防止材料与其周围环境发生相互作用。
主要使用的气体是氮气 (N₂) 和氩气 (Ar)。它们通过物理方式置换氧气来发挥作用。
这是最常见的气氛类型，用于通用热处理、退火和钎焊，主要目标只是防止氧化皮形成和氧化。
还原气氛：清洁和保护
还原气氛比惰性气氛更进一步。它不仅能防止新的氧化，还能主动清除材料表面现有的氧化物。
这种关键气体是氢气 (H₂)。在高温下，氢气与金属氧化物（如氧化铁或铁锈）反应生成水蒸气，然后水蒸气从炉中排出，留下洁净、光亮的金属表面。
这些气氛，通常是氮气和氢气的混合物，称为“成形气”，对于不锈钢的光亮退火和高纯度铜钎焊等应用至关重要，在这些应用中，纯净的表面是关键。
渗碳气氛：主动表面改性
这种气氛是有意设计成反应性的。其目的是化学改变材料表面，特别是通过向其添加碳。
使用的气体富含碳，例如甲烷 (CH₄)、丙烷 (C₃H₈)，或一种称为吸热气（CO、H₂、N₂）的生成混合物。
这种称为渗碳或表层硬化的过程用于低碳钢，以形成非常坚硬、耐磨的表面层，同时保持较软、较韧的芯部。它对于齿轮和轴承等零件的制造至关重要。
理解权衡和考虑因素
选择合适的气体涉及平衡性能、成本和安全性。
成本：氮气与氩气
氮气是惰性气氛的主力，因为它储量丰富且生产成本相对较低。
氩气的成本显著更高。其用途仅限于在高温下可能与氮气发生反应的材料，例如钛、某些不锈钢或难熔金属。
安全：氢气因素
氢气作为还原剂极其有效，但它也高度易燃，在与空气的某些浓度下可能具有爆炸性。
运行氢气气氛的炉子需要专门的安全系统，包括坚固的密封件、泄漏检测传感器和受控的吹扫程序，这增加了操作的复杂性和成本。
纯度和露点
即使在所谓的纯净气氛中，微量污染物如氧气或水蒸气也可能导致不必要的氧化。
气体的露点是其水蒸气含量的一种量度。对于敏感材料，非常低的露点（非常干燥的气体）对于获得完美、无氧化物的表面至关重要。
为您的工艺选择合适的气氛
您选择的气氛气体直接取决于您的材料和您想要的结果。
- 如果您的主要关注点是防止大多数钢和有色金属的氧化：使用经济高效的氮基惰性气氛。
- 如果您的主要关注点是为钎焊或光亮退火创造异常清洁、无氧化物的表面：使用氢基还原气氛，并考虑到必要的安全要求。
- 如果您的主要关注点是提高低碳钢的表面硬度：使用富碳的渗碳气氛，例如甲烷或吸热气。
- 如果您的主要关注点是处理钛等高活性金属：使用高纯氩气气氛，以避免氮化反应等不必要的化学反应。
通过理解这些原则，您可以选择精确的气氛，使其从简单的保护层转变为材料工程的主动工具。
总结表：
| 气体类型 | 主要气体 | 功能 | 常见应用 |
|---|---|---|---|
| 惰性 | 氮气 (N₂)、氩气 (Ar) | 防止氧化和氧化皮形成 | 退火、通用热处理 |
| 还原 | 氢气 (H₂)、氮-氢混合气 | 去除氧化物以获得洁净表面 | 光亮退火、钎焊 |
| 渗碳 | 甲烷 (CH₄)、丙烷 (C₃H₈)、吸热气 | 添加碳以硬化表面 | 钢材、齿轮、轴承的表面硬化 |
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