在热处理中，惰性气氛对于保护材料在高温下的完整性至关重要。它充当保护罩，取代空气中会化学侵蚀金属高温表面的活性气体（主要是氧气），否则这些气体会导致缺陷和部件失效。
热处理的核心挑战在于，虽然高温对于改变材料内部结构是必需的，但它也会急剧加速与周围空气发生的破坏性表面反应。惰性气氛通过用惰性气体取代空气来解决这个问题，确保热处理过程只改变预期的性能而不会造成表面损伤。
基本问题：热量、金属与空气
在室温下，大多数金属在空气中相对稳定。然而，引入退火、钎焊或烧结等工艺所需的高温，从根本上改变了这种关系。
为什么热量是损害的催化剂
热量充当化学反应的加速剂。温度每增加一个增量，金属原子与大气气体发生反应的速率就会呈指数级增长。这使得炉内受控环境成为最关键的因素。
主要罪魁祸首：氧化
最常见和最具破坏性的反应是氧化，即金属表面与空气中的氧气发生反应。这种化学变化通常是不可逆的，会损害部件。
严重氧化的可见结果是结垢，即材料表面形成一层易碎的氧化物薄层。这种氧化皮通常需要通过成本高昂且耗时的二次工艺（如喷砂或酸洗）来去除。
对性能和质量的影响
表面氧化不仅仅是一个表面问题。它会导致尺寸精度下降、疲劳强度降低和导电性变差。对于高精度部件，即使是微观的氧化层也可能使部件报废，从而导致高报废率。
炉内气氛作为工艺工具
炉内的气体不仅仅是一个背景条件；它是一个决定热处理结果的活性工具。气氛根据其功能大致分为两类。
保护罩：惰性气氛
惰性气氛由与被处理材料化学性质不活泼的气体组成。最常见的惰性气体是氮气 (N₂) 和氩气 (Ar)。
惰性气氛的唯一目的是防止不需要的反应。通过对炉子进行吹扫并取代所有空气，它会创建一个中性环境。这确保了部件的表面化学性质在整个加热和冷却周期中完全保持不变。
活性剂：活性气氛
相比之下，活性气氛被设计用来在材料表面引起特定的、期望的化学反应。它们不是惰性的；它们是积极的参与者。
例如，还原性气氛（通常含有氢气，H₂）用于清除部件表面现有氧化物中的氧。其他被称为载气的活性气氛用于将元素输送到表面，例如在渗碳中，碳被添加到钢中以硬化钢。
理解关键的权衡
选择合适的气氛需要在工艺目标与实际限制之间取得平衡。简单地向炉内灌满惰性气体并不总是最好或最有效的方法。
纯度与成本
高纯度氩气能提供最好的惰性保护，但比氮气贵得多。氮气通常就足够了，但在非常高的温度下，它可能会与某些金属（如钛）反应生成氮化物。
吹扫不完全的风险
惰性气氛的有效性完全取决于成功去除空气。如果炉子没有正确吹扫，残留的氧气仍然会导致氧化，从而使工艺目的落空并浪费昂贵的煤气。
选择错误的气氛类型
在需要惰性气氛时使用活性气氛是一个关键错误。例如，在某些高碳钢上使用富氢气氛可能会无意中导致脱碳（去除碳），从而使表面软化，而此时的目标仅仅是进行退火而不发生氧化。
根据您的目标做出正确的选择
理想的炉内气氛与您材料的期望结果直接相关。您的选择应该是深思熟虑的，并基于您需要实现或保持的具体表面性能。
- 如果您的主要重点是保持精确的表面光洁度和化学性质：使用氩气或高纯度氮气等真正的惰性气氛来创建保护罩。
- 如果您的主要重点是通过去除现有氧化物来清洁表面：使用含有氢气的还原性气氛来化学清除部件上的氧气。
- 如果您的主要重点是硬化钢制部件的表面：使用渗碳气氛将碳主动扩散到材料中。
- 如果您的主要重点是经济高效地防止严重氧化：使用商业级氮气，确保炉子已正确吹扫掉空气。
最终，控制炉内气氛是您获得对热处理部件最终性能和质量精确控制的方式。
总结表：
| 方面 | 描述 |
|---|---|
| 目的 | 在高温热处理过程中保护材料免受氧化和其他表面反应的侵害。 |
| 常见气体 | 氮气 (N₂)，氩气 (Ar) |
| 益处 | 防止结垢，保持尺寸精度，提高疲劳强度，并避免昂贵的二次加工。 |
| 关键考虑因素 | 权衡纯度与成本（例如，氩气与氮气），确保正确吹扫以去除空气，并根据具体目标选择合适的气氛类型。 |
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