热处理中的氧化是由什么引起的？控制您的炉内气氛以防止结垢和脱碳

热处理中的氧化是金属部件热表面与氧化剂（最常见的是氧气）之间发生的化学反应。随着金属温度的升高，其原子变得更具反应性，从而急剧加速它们与周围气氛中氧气结合形成金属氧化物层（也称为氧化皮）的速率。

氧气的存在，在高温度下被放大，是氧化的直接原因。因此，成功进行热处理不仅仅是控制温度；它从根本上是控制炉内气氛，以消除或置换损害工件的氧气。

氧化的基本化学原理

要防止氧化，您必须首先了解引起氧化的要素。这个过程是一个简单但具有破坏性的三角关系：一种反应性金属、足够的热量和一个氧化剂。

热量是氧化的强大催化剂。在室温下，大多数工程金属如钢相对稳定。然而，当您施加热量时，您提供了引发与氧气反应所需的能量来打破化学键。

氧化的速率并非随温度线性增加；而是呈指数级增加。这就是为什么在低温回火过程中，零件可能只有轻微的变色，而相同的零件在高温淬火或退火循环后可能会覆盖着厚厚的、易剥落的氧化皮。

氧气是热处理中最常见和最具侵蚀性的氧化剂。它很容易与钢中的铁（形成氧化铁，即铁锈和氧化皮）以及铝、钛和铜等其他金属发生反应。

即使炉内气氛中只有很小百分比的氧气也会造成严重的表面损伤。我们呼吸的空气，其中约含21%的氧气，在典型热处理温度下具有很强的氧化性。

虽然大气中的氧气是主要“罪魁祸首”，但它并非唯一来源。水蒸气（H₂O）和二氧化碳（CO₂）在高温下也是强效的氧化剂。

加热时，H₂O和CO₂会分解并释放出它们的氧原子，然后与金属表面反应。这就是为什么使用看似“惰性”但水分含量高的气体仍可能导致意外氧化的原因。

氧化不仅仅是一个美观问题。它会从根本上损害部件的机械完整性和尺寸精度。

氧化最明显的后果是氧化皮（scale），即在部件表面形成的脆性金属氧化物层。这种氧化皮通常是片状且附着力差。

当氧化皮通过喷砂或酸洗等清洁过程去除时，会损失少量的基体金属。这会导致尺寸精度下降，这对高精度零件来说是至关重要的。表面光洁度也会下降，变得粗糙和有麻点。

对于碳钢而言，与氧化同时发生的是一个更隐蔽的问题：脱碳（decarburization）。在高温下，氧原子不仅与铁反应，还会与钢表层内的碳原子反应。

这种反应会将碳从钢中拉出，留下一个柔软的、低碳的铁层。脱碳的表面硬度和耐磨性会显著降低，疲劳强度会急剧下降，可能导致部件在实际使用中过早失效。

防止氧化涉及创造一个不含氧气和其他氧化剂的炉内气氛。您选择的方法需要在保护水平与过程的成本和复杂性之间进行直接的权衡。

在常压炉中加热零件是最简单、最便宜的方法。然而，它对氧化没有提供任何保护。这种方法只适用于非关键部件或处理后整个表面层将被机加工去除的零件。

一种常见的解决方案是用惰性气体（如氮气或氩气）填充炉膛。这些气体取代了氧气，在零件周围形成一个保护性的“毯子”。

此方法在防止一般氧化和结垢方面非常有效。然而，它需要一个密封良好的炉子以防止漏气，并需要持续的气体供应，这会增加运行成本。气体纯度也至关重要，因为供应中的水分或氧气污染物仍可能引起问题。

真空炉通过物理上清除加热室中的气氛——即氧气——提供最高级别的保护。通过在近乎完美的真空中操作，几乎没有分子可以与热金属表面发生反应。

这是处理高度敏感材料（如钛或耐火金属）、易发生脱碳的高碳钢以及任何需要完美光亮、清洁表面光洁度的应用的首选方法。权衡是设备成本显著增加和循环时间延长。

选择正确的气氛控制策略是基于您的材料、预算和零件最终要求做出的关键决定。

归根结底，掌握热处理需要像对待温度和时间一样精确地对待炉内气氛。