简而言之，炉气氛经过精确定制，以控制高温下材料表面的化学反应。没有这种控制，诸如硬化、连接或精加工等工艺将因氧化或材料表面关键合金元素流失等不良影响而失败。气氛并非被动环境；它是热处理过程中的活性成分。
简单的烤箱只提供热量。工业炉提供热量和化学控制环境的组合。这种区别是气氛定制的核心原因：它们是用于保护材料或有意改变其表面特性的关键工具。
基本目标：控制表面反应
在工业炉的高温下，材料变得高度反应。我们呼吸的空气，由大约 78% 的氮气和 21% 的氧气组成，对热金属具有极强的腐蚀性。受控气氛的目的是用特定的气体混合物替代空气，以决定零件表面发生什么。
防止不良反应（保护性气氛）
对于许多工艺，目标只是加热和冷却零件而不改变它。这里的首要敌人是氧化和脱碳。
氧化是金属表面形成氧化皮或锈蚀，这会破坏表面光洁度和尺寸精度。惰性气氛可置换氧气以防止这种情况。
脱碳是钢材表面碳的流失。由于碳是赋予钢材硬度的主要元素，其流失会导致表面层软而弱，从而影响零件的性能。
诸如中性淬火和光亮退火等工艺依赖于氮气或氩气等保护性气氛来防止这两种反应，确保零件离开炉子时其表面化学成分与进入时相同。
诱导有利反应（活性气氛）
在其他情况下，目标是故意改变表面化学成分以增强材料的性能。在这里，气氛成为活性参与者，向零件表面提供元素。
渗碳和碳氮共渗使用富含碳和氮的气氛。这些元素扩散到钢制零件的表面，在较软、较韧的核心上形成非常坚硬、耐磨的“渗层”。
氮化使用富氮气氛（通常来自氨）来形成极其坚硬的表面，同时还具有出色的耐腐蚀性。
常见炉气氛实用指南
不同的目标需要不同的气体混合物。选择完全取决于所需的气体与材料之间的相互作用——或缺乏相互作用。
惰性气氛：“无为而治”的方法
惰性气氛的目标是完全不反应。它充当简单的保护性覆盖层。
- 常见气体：氮气 (N₂)、氩气 (Ar)
- 主要用途：防止氧化和脱碳。
- 典型工艺：光亮退火、工具钢的中性淬火。
还原性气氛：“清洁工”
还原性气氛不仅可以防止氧化，还可以主动去除现有的轻微表面氧化物。
- 常见气体：氢气 (H₂)、分解氨 (H₂ + N₂)
- 主要用途：清洁表面并促进钎料的流动。
- 典型工艺：金属粉末烧结、不锈钢钎焊。
活性气氛：“表面改性剂”
这些气氛旨在向材料表面添加特定元素以增强其性能。
- 常见气体：吸热气体（用于渗碳）、氨气（用于氮化）。
- 主要用途：对钢材进行渗层硬化，以提高耐磨性和抗疲劳性。
- 典型工艺：碳氮共渗、气体氮化。
真空：终极保护环境
真空不是气体，但它通过去除几乎所有可能与零件反应的分子，充当终极惰性气氛。
- 主要用途：处理高度敏感或反应性材料，即使是痕量杂质也无法接受。
- 典型工艺：高纯度钎焊、钛或高温合金的热处理。
理解权衡
选择气氛不仅仅是化学问题；它涉及平衡成本、安全和工艺要求。
成本与纯度
氮气是最常见的惰性气体，因为它相对便宜。氩气为高活性金属提供卓越的保护，但成本却高得多。
安全与处理
氢气是一种优良的还原剂，但它易燃，需要专门的安全系统。用于氮化的氨气有毒。这些因素增加了设备和设施设计的复杂性和成本。
工艺敏感性
诸如渗碳等活性气氛需要极其精确的控制。气体成分、温度或时间的微小变化会极大地改变最终的表面硬度和渗层深度，可能导致整批零件报废。
为您的目标做出正确选择
您选择的气氛直接取决于您在高温下需要完成什么。
- 如果您的主要重点是防止氧化皮的简单保护：惰性氮气气氛是最常见且最具成本效益的选择。
- 如果您的主要重点是制造坚硬、耐磨的表面：需要使用活性气氛进行渗碳或氮化。
- 如果您的主要重点是制造清洁、牢固的钎焊接头：需要还原性氢气气氛或真空以确保钎料正常流动。
- 如果您的主要重点是处理高活性或特种金属：高纯度氩气气氛或深真空对于防止污染至关重要。
最终，定制炉气氛是实现现代冶金领域一致且可预测结果的基本要求。
总结表：
| 气氛类型 | 主要目标 | 常见气体 | 典型工艺 |
|---|---|---|---|
| 惰性 | 防止反应（保护） | 氮气 (N₂)、氩气 (Ar) | 光亮退火、中性淬火 |
| 还原性 | 清洁和防止氧化 | 氢气 (H₂)、分解氨 | 烧结、钎焊 |
| 活性 | 改性表面化学成分 | 吸热气体、氨气 (NH₃) | 渗碳、氮化 |
| 真空 | 终极纯度和保护 | （几乎完全去除气体） | 高纯度钎焊、钛合金 |
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