在热处理中，主要使用的惰性气体是氮气和氩气。选择这些气体是因为它们即使在高温下也不容易与被处理的金属部件发生反应。它们被引入炉中以取代氧气等活性气体，氧气会引起氧化和脱碳等不良影响，从而降低部件的最终质量。
惰性气体在热处理炉中的核心功能不仅仅是存在，而是积极地创造一个保护性的、非反应性的环境。这种受控气氛对于防止工件损坏和确保炉子的安全运行至关重要。
热处理中“惰性”的含义
在这种特定情况下，“惰性”一词超越了其基本的化学定义。它指的是在炉内高温高压的特定条件下，不会与金属工件发生化学反应的气体。
问题：反应性气氛
如果炉子充满环境空气，其中存在的氧气和水蒸气会与炽热的金属表面剧烈反应。
这种反应会导致两个主要问题：氧化（结垢或生锈）和脱碳（钢表面碳的流失），两者都会严重损害材料的强度和完整性。
解决方案：保护性屏障
引入惰性气体可以净化炉子，将这些有害的反应性气体排出。
这个过程，称为惰化，将工件包裹在稳定、保护性的气氛中，确保热处理过程按预期改变金属的性能，而不会造成表面损伤。
主要的惰性气体及其作用
虽然炉内气氛中使用了多种气体，但只有少数是真正的惰性气体。它们之间的选择通常取决于所处理的特定金属和气体的成本。
氮气 (N₂): 工业主力
氮气是热处理中最常用且最具成本效益的惰性气体。
它在置换氧气和防止多种常见材料（如碳钢）氧化方面非常有效。它还广泛用于在启动和关闭期间对易燃气氛进行安全吹扫。
氩气 (Ar): 高纯度专家
氩气是一种惰性气体，比氮气更具化学惰性。
当处理高活性金属（如钛、某些不锈钢或难熔金属）时，它是首选。在这些情况下，即使是氮气也可能在高温下反应，在金属表面形成不希望的氮化物，而氩气完全避免了这个问题。
氦气 (He): 小众角色
氦气是另一种完全惰性的惰性气体。
然而，其高成本限制了其用途，仅限于需要其独特性能（如高导热性以实现快速冷却）的非常特定的应用。
理解权衡
选择合适的惰性气体需要在工艺要求、材料兼容性和预算之间取得平衡。
成本与纯度
氮气比氩气便宜得多，使其成为大多数应用的默认选择。
只有当被处理的材料足够敏感以至于会与氮气反应时，氩气的额外成本才是合理的。
氮化物形成的风险
关键的权衡是氮气潜在的反应性。虽然对大多数钢是惰性的，但它可以在钛或某些高铬钢等金属表面形成氮化物。
这会使表面变脆，通常是不希望的。如果氮化物形成是您的特定合金的风险，那么氩气是唯一的安全选择。
安全与吹扫
氮气和氩气都对安全至关重要。它们用于在开门前吹扫炉中的易燃工艺气体（如氢气或甲烷），防止炽热气氛与空气混合时发生爆炸。
为您的工艺做出正确选择
您的决定应以您正在处理的材料和您的操作目标为指导。
- 如果您的主要关注点是碳钢和合金钢的通用处理： 氮气是防止氧化的最实用且最具成本效益的选择。
- 如果您的主要关注点是处理钛或某些不锈钢等活性金属： 需要氩气来防止在材料表面形成不希望的氮化物。
- 如果您的主要关注点是操作安全： 在处理周期之前和之后，应使用氮气或氩气吹扫炉中的易燃或反应性气体。
最终，通过选择正确的惰性气体来掌握您的炉内气氛，是热处理中实现一致、高质量结果的基础。
总结表：
| 惰性气体 | 主要用途 | 主要特点 |
|---|---|---|
| 氮气 (N₂) | 碳钢/合金钢的通用处理 | 成本效益高，防氧化效果极佳 |
| 氩气 (Ar) | 活性金属（例如钛、不锈钢） | 高度惰性，防止氮化物形成 |
| 氦气 (He) | 需要快速冷却的特殊应用 | 导热性高，成本高 |
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