为了控制工艺结果，退火在保护性气氛中进行，使用特定的气体，如氢气、氮气、氩气或它们的混合物。这些气体的首要目的是置换氧气，防止金属表面在高温下氧化，确保材料达到所需的机械性能和表面光洁度。
核心原则不在于哪种气体是普遍“最好”的，而在于选择合适的气氛——无论是还原性还是惰性——以防止在退火温度下与特定处理金属发生不需要的化学反应，例如氧化。
保护性气氛的目的
在退火所需的高温下，大多数金属会很容易与空气中的氧气发生反应。这种反应称为氧化，会在金属表面形成一层氧化皮。
这种氧化层可能是有害的，会改变材料的尺寸、表面光洁度和机械性能。保护性气氛是在炉内创造的受控、工程化的环境，用于置换周围的空气（特别是氧气和水蒸气），以防止这些反应发生。
这是诸如光亮退火等工艺背后的基本概念，其目标是生产出清洁、镜面般、无任何氧化物的零件。
常见的退火气体及其功能
气体的选择取决于所退火的金属类型、所需的表面光洁度和操作成本。
氢气 (H₂)：活性还原剂
氢气是一种还原性气体。这意味着它会与任何存在的氧气发生反应，生成水蒸气 (H₂O)，然后将水蒸气从炉中排出。
这种主动清除氧气的能力使氢气在不锈钢等金属上实现光亮、清洁的表面时非常有效。
氮气 (N₂)：经济实用的主力
氮气是用于创造保护性气氛最常见且成本最低的气体。它在很大程度上是惰性的，意味着它会置换氧气，但通常不会与基体金属发生反应。
然而，对于某些材料，如高铬不锈钢，氮气在高温下可能会反应，在表面形成氮化物，这可能是不可取的。
氩气 (Ar)：真正的惰性保护层
氩气是一种惰性气体，在所有退火条件下都完全惰性。无论金属的反应性如何或温度多高，它都不会与任何金属发生反应。
这使得氩气成为退火高敏感和高反应性金属（如钛）的理想选择，或者在对氮气气氛产生的任何轻微氮化物形成都不可接受时使用。
气体混合物：平衡成本与性能
通常使用混合物来优化成本和性能。
一种流行的混合物是保护气（Forming Gas），它是氮气和氢气的混合物（通常为 5-10% 的 H₂）。这在氮气的基础上提供了成本效益，并具有氢气主动清除氧气的好处。
理解权衡
选择合适的气氛需要在三个关键因素之间取得平衡：材料兼容性、所需结果以及操作安全性和成本。
材料反应性
最重要的因素是气体与金属的相互作用方式。在钛合金上使用氮气是个错误，但对简单的碳钢使用昂贵的氩气通常是不必要的。
成本与纯度
气体纯度与成本之间存在直接关系。氮气的价格远低于氩气。决定通常取决于应用质量要求是否证明了使用完全惰性气体的更高成本是合理的。
安全与设备
氢气非常有效，但易燃。使用氢气需要具有增强安全功能和严格操作规程的炉子，这增加了工艺的总体成本和复杂性。
为您的目标做出正确的选择
您选择的退火气体直接影响您的热处理工艺的质量、成本和安全性。
- 如果您的主要重点是在不锈钢上获得光亮、无氧化物的表面： 含有高浓度氢气的还原性气氛是最有效的方法。
- 如果您的主要重点是对碳钢或低合金钢进行通用退火： 氮基气氛，可能含有少量氢气，在成本和保护之间提供了极好的平衡。
- 如果您的主要重点是退火高反应性金属或对氮化敏感的材料： 纯惰性气体，几乎总是氩气，是保证气氛不发生反应的唯一选择。
最终，在寻求从退火工艺中获得精确和可重复的结果时，工程化炉气氛与控制温度同样关键。
总结表：
| 气体类型 | 主要功能 | 最适合 | 关键考虑因素 |
|---|---|---|---|
| 氢气 (H₂) | 还原剂；清除氧气 | 不锈钢的光亮退火 | 易燃；需要安全规程 |
| 氮气 (N₂) | 惰性覆盖层；置换氧气 | 碳钢/低合金钢的经济退火 | 可能在某些不锈钢上形成氮化物 |
| 氩气 (Ar) | 真正的惰性；无反应 | 高反应性金属，如钛 | 比氮气成本高 |
| 气体混合物 (例如 N₂ + H₂) | 平衡成本与性能 | 通用光亮退火 | 可根据特定需求定制比例 |
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