热处理的保护气氛有哪些？防止氧化和结垢的指南

从根本上说，热处理的保护气氛是一种在炉内围绕金属零件的特定控制气体环境。其目的是保护零件免受不需要的化学反应——如氧化和结垢——这些反应在敞开的空气中加热时会发生。这些气氛的范围很广，从简单的惰性气体如氮气，到复杂的活性混合物，含有用于主动管理金属表面化学的的一氧化碳和氢气。

关键要点是，保护气氛不仅仅是一个被动的屏蔽；它是一种主动的工程工具。选择正确的气氛对于控制热处理部件的最终表面性能、微观结构和性能，防止缺陷并确保工艺可重复性至关重要。

核心问题：为什么需要保护气氛

当您在有氧气存在的情况下将钢或其他合金加热到高温时，会发生破坏性的化学反应。这个过程被称为氧化，会在表面形成一层氧化皮（水垢）。

这种结垢会破坏零件的表面光洁度和尺寸精度。此外，氧气会与钢表面内的碳发生反应，这个过程称为脱碳，它会使材料软化，损害其强度和耐磨性。

未能使用适当的保护气氛将直接导致产品失效。后果包括零件报废、材料浪费和生产时间损失。

对于航空航天、汽车或医疗等行业中的关键任务部件，由不当气氛引起的表面缺陷可能带来灾难性的安全后果。

保护气氛可根据它们与工件的相互作用方式大致分为两大类。

惰性气氛旨在与金属完全不发生反应。它们唯一的目的是取代周围的空气，主要是氧气，以防止任何表面反应。

纯氮气 (N2) 和氩气 (Ar) 等气体是最常见的选择。它们用于光亮退火和烧结等工艺，目标是在不对零件表面产生任何改变的情况下对其进行加热和冷却。

活性气氛是经过工程设计的，旨在与金属表面实现特定的、受控的化学相互作用。它们不仅仅是屏蔽；它们是处理本身的一部分。

这些气体混合物可以通过维持与钢的碳含量平衡的特定碳势来防止脱碳。它们还可以用于有意添加元素，例如在渗碳（添加碳）或氮化（添加氮）中。

虽然会使用纯瓶装气体，但许多工业炉会为了成本效益而在现场生成自己的气氛。

通常称为“深冷气”，这是一种常见的活性气氛，由碳氢燃料气的部分燃烧产生。它富含一氧化碳 (CO) 和氢气 (H2)。

深冷气用途广泛，是中性淬火、渗碳和碳氮共渗的标准选择，因为其碳势可以精确控制。

“燃气”是通过碳氢化合物更完全燃烧产生的。它主要由氮气 (N2)、二氧化碳 (CO2) 和水蒸气组成，并含有少量的一氧化碳和氢气。

它的生产成本低于深冷气，但反应性也较低。其主要用途是退火低碳钢和有色金属，这些材料不需要高纯度环境。

分解的氨气产生高度还原性的75% 氢气和 25% 氮气气氛。这种清洁、干燥的混合物非常适合不锈钢的光亮退火。

氨也是氮化和碳氮共渗过程中氮气的来源，在这些过程中，氮气被有意地扩散到零件表面以形成硬化层。

像深冷气和燃气这样的现场生成气氛，对于大批量生产来说通常更具成本效益。

然而，由纯瓶装气体（氮气、氢气、氩气）合成的气氛提供了卓越的纯度和更精确的控制，这对于航空航天、医疗和电子应用至关重要。

含有高浓度氢气和一氧化碳的活性气氛是易燃、易爆和有毒的。它们需要复杂的安全联锁、通风和监测系统。

控制活性气氛也很复杂。它需要持续监测露点和气体成分等变量，以防止出现不希望的结果，如结焦或意外脱碳。惰性气氛的管理要简单和安全得多。

选择正确的气氛是一个关键决定，完全取决于材料所需的最终效果。

最终，如果不掌握保护气氛的选择和控制，就不可能精通热处理。