任何需要精确控制金属表面性能的热处理工艺几乎都依赖于受控气氛。这包括渗碳、氮化和碳氮共渗等常见工艺，它们会在表面添加元素；也包括光亮退火、中性淬火和钎焊等必须防止氧化等表面反应的工艺。
受控气氛不仅仅是一个被动的保护屏障。它通常是热处理工艺中一个主动且关键的组成部分，用于防止不需要的化学反应或有意地引发材料表面化学性质的特定变化。
受控气氛的两个主要功能
决定使用受控气氛炉源于以下两种基本需求之一：保护现有表面或形成新表面。
保护材料表面
使用受控气氛最常见的原因是防止金属热表面与周围空气发生反应。在高温下，钢很容易与氧气反应（氧化）并可能从其表面损失碳（脱碳）。
保护性或“惰性”气氛会形成一个屏障，使工件免受这些不需要的反应。这确保了部件的表面化学性质和尺寸在整个热循环过程中保持不变。
化学改变材料表面
第二个主要功能是故意改变工件的表面以增强其性能。这被称为表面淬火或渗层淬火。
在这些工艺中，气氛被精确配制，用作载体，将碳或氮等特定元素扩散到钢的表面。这会在表面形成坚硬、耐磨的外“心层”，同时使内部“芯部”保持韧性和延展性。
关键工艺及其气氛需求
了解工艺的目标即可揭示其气氛如此关键的原因。
表面改性（渗层淬火）
- 渗碳 (Carburizing): 此过程将碳引入低碳钢表面以增加其硬度。气氛必须具有特定的、严格控制的碳势才能达到所需的渗层深度和硬度。
- 氮化 (Nitriding): 此过程将氮扩散到钢表面，形成极硬的氮化物。它通常使用氨基气氛，氨在高温下分解以提供所需的氮。
- 碳氮共渗 (Carbonitriding): 顾名思义，此过程向表面同时添加碳和氮，结合了这两种工艺的优点，通常在比渗碳更低的温度下进行。
表面保护和专业工艺
- 中性淬火 (Neutral Hardening): 目标是通过加热和淬火来淬火钢，同时不改变其表面化学性质。气氛必须对钢的含碳量完全中性，防止渗碳和脱碳。
- 退火 (Annealing): 此过程使金属软化以提高其延展性。当需要清洁、无氧化皮的表面时，通常在受控气氛中进行，并常被称为光亮退火。
- 钎焊 (Brazing): 这种连接工艺熔化填充金属以粘合两个部件。受控气氛对于防止在母材上形成氧化物至关重要，氧化物会阻碍填充金属正确润湿和粘合表面。
- 烧结 (Sintering): 用于粉末冶金，此过程加热压实的金属粉末以将它们粘结成固体物体。气氛可防止氧化，并有助于烧掉压制阶段使用的润滑剂。
理解权衡和风险
尽管至关重要，但受控气氛引入了复杂性和潜在的故障点。
精度的成本
实施和维护受控气氛是一笔可观的运营成本。它涉及工业气体（氮气、氢气、氩气）的费用、监测气体成分的复杂传感器以及高完整性以防止泄漏的炉子。
不正确气氛的风险
控制不当的气氛可能比完全没有控制更具破坏性。例如，如果碳势漂移，原本打算中性的气氛可能会变成渗碳性或脱碳性，从而毁坏工件。
安全和操作
许多气氛气体具有危险性。保护性气氛和氮甲醇气氛含有易燃的氢气和有毒的一氧化碳。用于氮化的氨也有毒且具有腐蚀性。安全的储存、操作和通风是不可妥协的要求。
根据您的目标做出正确的选择
选择特定的热处理工艺及其气氛是基于部件所需最终性能的。
- 如果您的主要重点是最大的表面硬度和耐磨性： 渗氮或渗碳等渗层淬火工艺是必经之路。
- 如果您的主要重点是在不改变表面化学性质的情况下淬火部件： 在精确平衡的保护气氛中进行中性淬火是正确的选择。
- 如果您的主要重点是在软化或连接后产生清洁、无氧化物的表面： 需要在惰性或还原气氛中进行光亮退火或钎焊。
归根结底，掌握热处理就是掌握金属与其周围气氛在高温下的化学相互作用。
摘要表：
| 工艺类型 | 关键工艺 | 气氛功能 |
|---|---|---|
| 表面改性 | 渗碳、氮化、碳氮共渗 | 添加元素（例如，碳、氮）以改变表面性能 |
| 表面保护 | 中性淬火、光亮退火、钎焊、烧结 | 防止氧化和脱碳，以获得清洁、未改变的表面 |
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