商用氮基气氛依赖精确的气体混合物来控制金属表面化学。对于硬化应用，典型成分是 97% 氮气 (N2)、1% 氢气 (H2)、1% 一氧化碳 (CO) 和 1% 甲烷 (CH4)。主要用于脱碳的工艺通常使用 40% N2、40% H2 和 20% CO，而渗碳应用通常使用 90% N2 和 10% H2 的混合物。
具体的气体成分取决于所需表面的反应：“贫”混合物充当防止氧化的保护屏障，而“富”或碳控制的混合物则积极改变表面硬度和化学结构。
按功能对气氛进行分类
要选择正确的成分，您必须首先了解这些气氛在热处理中扮演的三种不同角色。
保护性气氛
这些混合物在化学上相对于金属是中性的。它们的主要功能是在加热过程中防止氧化或脱碳。
它们最常用于黑色金属的退火，在不改变其化学成分的情况下保持表面光洁度。
反应性气氛
反应性气氛有意含有更高浓度的活性气体。它们被设计用于还原金属氧化物或促进碳向黑色金属的转移。
碳控制气氛
这是反应性气氛的一个特定子集。它们促进与钢的反应，根据工艺要求向表面添加碳（渗碳）或去除碳（脱碳）。
按应用划分的具体成分
氮气与活性气体（H2、CO、CH4）的精确比例根据热处理工艺的不同而有很大差异。
硬化处理
硬化需要一个稳定的环境，该环境可以维持碳含量同时允许热量传递。
- 成分：97% N2、1% H2、1% CO、1% CH4。
表面碳改性
这些工艺会极大地改变金属的表面化学性质。
- 脱碳：使用高活性气体水平去除碳。
- 成分：40% N2、40% H2、20% CO。
- 渗碳：使用特定的载体混合物促进碳的添加。
- 成分：90% N2、10% H2。
退火（贫气氛）
大规模连续退火处理通常使用“贫”氮基气氛。这些主要是氮气，但含有痕量活性气体以清除残留的氧气。
- 成分：97.1% N2、1.7% CO、1.2% H2。
烧结（富气氛）
例如铁粉烧结等工艺需要“富”气氛，其中含有更高浓度的还原性气体，以确保适当的结合。
- 成分：75.3% N2、11% CO、13.2% H2、0.5% CH4。
理解权衡
虽然氮基气氛提供了多功能性，但要实现正确的平衡需要仔细管理气体比例。
平衡反应性与安全性
高浓度的氢气 (H2) 和一氧化碳 (CO)，例如在脱碳中使用的浓度（总计 60%），会显著增加工艺的易燃性和毒性风险。
工艺敏感性
在“贫”气氛中，容错空间很小。只有约 3% 的活性气体（CO 和 H2），轻微的泄漏或污染会迅速压倒气氛防止氧化的能力，导致零件染色或损坏。
为您的目标做出正确选择
选择合适的气氛就是将气体势与您的冶金目标相匹配。
- 如果您的主要重点是硬化：使用 97% N2 为基础，并添加痕量 H2、CO 和 CH4，以在不进行剧烈改变的情况下保持表面完整性。
- 如果您的主要重点是碳控制：使用高氢混合物（10% 至 40% H2）来积极驱动渗碳或脱碳反应。
- 如果您的主要重点是退火：选择“贫”混合物（约 97% N2）以经济高效地保护金属免受氧化。
- 如果您的主要重点是烧结：选择“富”气氛，提高 CO 和 H2 水平，以确保粉末金属的有效还原和结合。
成功取决于精确控制这些比例，以确保气氛完全按照冶金要求运行。
摘要表：
| 应用 | 氮气 (N2) | 氢气 (H2) | 一氧化碳 (CO) | 其他 (CH4) | 功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| 硬化 | 97% | 1% | 1% | 1% | 保护/表面稳定性 |
| 渗碳 | 90% | 10% | - | - | 碳添加 |
| 脱碳 | 40% | 40% | 20% | - | 碳去除 |
| 退火 (贫) | 97.1% | 1.2% | 1.7% | - | 防止氧化 |
| 烧结 (富) | 75.3% | 13.2% | 11% | 0.5% | 还原与结合 |
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