在炉子运行中，空气最好被理解为不是单一的气氛，而是两种不同气体：氮气和氧气的原材料来源。其成分大约为 79% 的氮气和 21% 的氧气。因此，空气的作用完全取决于热处理工艺需要哪种成分，以及哪种成分被视为需要去除的污染物。
空气在受控炉中的基本作用取决于工艺要求。它可以是有意用作氧化气氛的氧气来源，也可以是必须清除并用惰性气体替换的杂质，以防止发生氧化皮、脱碳等不良反应。
空气成分的双重性质
要了解如何使用空气，您必须首先了解其两种主要成分在高温下的截然不同的性质。
氮气 (N₂)：惰性基础
在大多数热处理条件下，氮气在很大程度上是不可反应的。由于其惰性，它通常被用作安全且经济高效的载气。
其主要功能是在一个循环开始前清除炉腔内不需要的气体（如氧气），并提供正压以防止外部空气渗入。
氧气 (O₂)：反应性物质
氧气具有极强的反应性，尤其是在炉内的高温下。它的存在是决定工艺是氧化性还是非氧化性的最关键因素。
即使是微量的氧气也会导致许多金属表面产生不良的氧化皮、脱碳和变色。在其他工艺中，例如烧制某些陶瓷时，控制氧气供应对于实现所需的材料性能至关重要。
如何利用空气制造气氛
受控气氛中的“受控”来自于对炉内气体成分和流动的管理。空气是几种不同方法的起点。
制造氧化气氛
对于需要氧化层的工艺，例如特定的陶瓷烧结或金属钝化，空气会被有意地引入炉中。
关键在于控制。仅仅将炉子敞开暴露在房间里是不够的。受控的空气流动可确保每个部件都暴露在均匀浓度的氧气中，从而获得一致的产品质量。
制造惰性气氛
对于大多数金属热处理，包括退火、淬火和钎焊，氧气都是一种污染物。主要目标是清除炉腔内的所有空气。
这通常通过两种方式实现：通过抽真空物理去除空气分子，或通过通入高纯度惰性气体（如氮气）来置换空气。
气体流动的关键作用
控制气体成分只是成功的一半。控制其流动对于保持零件质量和保护炉子部件同样至关重要。
稳定、规律的气体流动可确保均匀传热，并防止不需要的残留气体形成停滞区域。根据炉子设计，这种流动可以设计成水平、自上而下或自下而上，以优化特定零件几何形状的结果。
理解权衡和风险
使用空气或其成分需要平衡成本、复杂性和材料所需的特定化学反应。
失控空气的高昂代价
许多炉子运行中最主要的风险是失控的空气泄漏。密封件中的裂缝或连接不良的故障会向本应是惰性气氛的环境中引入氧气。
这种不必要的氧气会导致工件发生灾难性的氧化，从而导致报废零件和浪费生产时间。这是一种常见且成本高昂的故障模式。
空气作为原材料的好处
空气的主要优势在于它是免费且丰富的。对于能够承受或需要氧气的工艺，使用过滤后的压缩空气是经济高效的气氛选择。
相反，对于高纯度应用，成本会转移。成本不再是气体本身，而是去除空气所需的设备——真空泵和用于吹扫的高纯度惰性气体。
将气氛与您的工艺相匹配
您的工艺目标决定了您的气氛策略。没有单一的“最佳”气氛，只有适合预期结果的正确气氛。
- 如果您的主要重点是制造氧化层（例如，陶瓷烧制）：使用受控且稳定的空气流来提供化学反应所需的氧气。
- 如果您的主要重点是防止氧化（例如，钢的光亮退火）：您必须仔细清除炉子中的空气，通常通过使用真空或通入纯氮气等惰性气体来实现。
- 如果您的主要重点是工艺一致性：密切关注气体流动模式，因为这可以确保负载中每个零件的均匀温度和气氛暴露。
最终，掌握您的炉子环境意味着理解控制气氛是控制您材料最终性能的方式。
总结表：
| 空气成分 | 在炉气氛中的主要作用 | 常见工艺应用 |
|---|---|---|
| 氮气 (N₂) | 用于吹扫和压力控制的惰性载气 | 退火、钎焊、淬火（非氧化性） |
| 氧气 (O₂) | 用于制造氧化层的反应性物质 | 陶瓷烧结、金属钝化（氧化性） |
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