在热处理中， 当目标不仅是改变材料的内部结构，而是要有意地改变其表面化学性质时，就需要反应性气氛。这个过程被称为渗碳或表面改性，它赋予部件本身主体材料所不具备的特性，例如极高的表面硬度。
虽然大多数热处理使用温度来改变材料现有的性能，但反应性气氛会主动向材料表面添加新元素。这有效地创建了一个复合部件，具有坚硬、耐磨的外表和坚韧、有韧性的内部。
目标：创建性能梯度
标准的后热处理，如淬火和回火，会改变合金的晶体结构（相），以在整个部件中实现所需的硬度和韧性平衡。反应性气氛处理在根本上是不同的。
什么是反应性气氛？
反应性气氛是一种经过精确控制的气体环境，旨在在高温下向金属部件表面提供元素。该过程依赖于化学势和扩散原理。
气氛中特定元素（如碳或氮）的浓度高于钢材。在高温下，钢的晶格更开放，原子活动性更强，使得这些元素可以从气体扩散到部件表面。
为什么不直接使用更硬的钢？
使用反应性工艺可以实现“两全其美”。您可以从一种成本较低、韧性更好、更易于加工的低碳钢开始作为部件的主体（“芯部”），然后在需要的地方——即表面——添加坚硬、耐磨的“表层”。
一个完全淬硬的高碳钢部件在冲击下会变脆且更容易断裂，而渗碳淬火的部件则保持了其芯部的韧性来吸收冲击。
常见的反应过程及其结果
使用不同的反应性气体可以实现不同的表面性能。对于钢材，最常见的两种工艺是渗碳和氮化。
渗碳：添加碳
渗碳涉及将低碳钢置于富含碳的气氛中加热，通常来自一氧化碳（CO）或分解的碳氢化合物。
扩散的碳会提高表层中的碳含量，使其在淬火时能够形成非常坚硬的马氏体结构。这会在保持低碳芯部坚韧和有延展性的同时，形成出色的耐磨表层。
氮化：添加氮
氮化涉及在含有解离氮的气氛中加热钢材，氮通常来自氨气（NH₃）。氮原子扩散到表面并形成极其坚硬的氮化铁化合物。
氮化在低于渗碳的温度下进行，这大大减少了部件的变形。它产生了可实现的最高硬度表面之一，提供卓越的耐磨损和抗疲劳性。
碳氮共渗：混合方法
此过程同时向钢材表面引入碳和氮。它结合了这两种工艺的一些优点，通常在较低的温度下提供比渗碳更硬的表层。
理解权衡
选择反应性气氛是一个深思熟虑的工程决策，涉及重要的工艺控制和复杂性。它不是一个简单或廉价的操作。
精确控制的必要性
扩散元素的深度和浓度必须得到细致的控制。碳或氮太少会导致表层效果不佳。太多则可能导致脆性化合物、残余奥氏体或积碳的形成，从而损害部件的完整性。
设备和安全
产生和监测反应性气氛需要带有密封容器和复杂气体控制系统的专用炉。使用的一氧化碳和氨气等气体具有毒性和易燃性，需要严格的安全规程。
与保护性气氛的对比
区分反应性气氛和保护性气氛至关重要。保护性气氛（使用氮气、氩气或真空等惰性气体）旨在做完全相反的事情：防止与部件表面发生任何化学反应，主要是氧化（氧化皮）和脱碳（碳损失）。
根据目标做出正确选择
炉内气氛的选择完全取决于部件最终的性能要求。
- 如果您的首要任务是在坚韧、低成本的钢材上形成坚硬、耐磨的表面： 反应性渗碳或氮化工艺是正确的方法。
- 如果您的首要任务是在不改变其表面化学性质的情况下对高碳钢进行硬化处理： 需要保护性气氛（惰性气体或真空）以防止有害的氧化或脱碳。
- 如果您的首要任务是简单地退火或消除应力，而表面光洁度不重要： 简单的空气气氛可能就足够了，但您必须接受会发生一些表面氧化皮。
归根结底，炉内气氛不是一个背景条件；它是一个关键的工程工具，用于定义部件的最终性能。
总结表：
| 工艺 | 添加的关键元素 | 主要结果 |
|---|---|---|
| 渗碳 | 碳 | 在低碳钢上形成坚硬、耐磨的表面 |
| 氮化 | 氮 | 以最小的变形产生极硬的表面 |
| 碳氮共渗 | 碳和氮 | 在较低温度下结合优点以增强硬度 |
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