在热处理中，污染是指金属零件表面与其周围环境（主要是炉内气氛）之间发生的任何不必要的化学反应。这些反应会改变零件的表面化学成分和微观结构，通常会降低其预期的机械性能，如硬度、疲劳寿命和耐腐蚀性。现代热处理的目标不仅是控制温度，更是控制这些表面反应。
热处理的核心挑战不仅仅是加热和冷却金属；它关乎管理零件表面发生的无形化学战。未能控制炉内气氛意味着您无法控制组件的最终性能。
为什么污染是一个关键问题
污染不仅仅是美观问题；它直接损害了热处理过程本身的宗旨。它引起的改变可能导致组件过早失效。
对表面硬度的影响
许多热处理，如钢的淬火，依赖于表面精确的碳含量。污染直接攻击这一点。
脱碳是表面碳的流失，形成一个柔软、脆弱的层，无法正确硬化。意外渗碳则相反，吸收过多的碳，可能使表面变得过于脆。
疲劳寿命缩短
氧化等污染会在表面形成粗糙、脆性的氧化皮层。这种氧化皮可能会剥落，留下微小的凹坑和裂纹。
这些表面缺陷充当应力集中器，为疲劳裂纹在循环载荷下形成和扩展提供了起始点，从而显著缩短了组件的使用寿命。
影响精加工和腐蚀
受污染的表面与基体金属的化学性质不同。这可能会导致后续制造步骤出现问题。
氧化层会阻止油漆或电镀等涂层的正确附着。它们还可能形成加速局部腐蚀的电偶。
大气污染的主要类型
在高温下，金属表面具有高度反应性。炉内的气体是污染的主要介质。
氧化：最常见的威胁
氧化是金属表面与氧气、水蒸气 (H₂O) 或二氧化碳 (CO₂) 的反应。这是最常见的污染形式。
它形成一层金属氧化物，通常称为轧制氧化皮。这种氧化皮通常必须通过昂贵的二次操作（如喷砂或酸洗）去除。
脱碳：碳的流失
对于钢材而言，脱碳是一个主要问题。当大气中的气体与钢材表层发生反应并去除碳时，就会发生脱碳。
结果是在零件上形成一层柔软的“表皮”，无法进行硬化。这对于依赖高表面硬度来抵抗磨损的部件（例如齿轮和轴承）尤其有害。
意外渗碳或渗氮
相反的问题也可能发生。如果炉内气氛中一氧化碳或含氮气体（如氨）浓度过高，金属表面可能会吸收这些元素。
虽然有时是故意进行的（在称为渗碳或渗氮的过程中），但这种意外吸收会形成一层薄而极脆的表面层，容易剥落或开裂。
污染控制策略
防止污染需要将热金属零件与反应性气氛隔离。所选择的方法取决于材料、工艺和最终零件所需的质量。
真空炉：终极保护
防止大气污染最有效的方法是完全去除大气。
在真空炉中，在加热开始前将空气抽出。这会使表面缺乏氧气等反应性气体，确保零件清洁明亮地出炉，其原始表面化学成分完好无损。
控制气氛：精确平衡
对于许多应用，创建精确设计的气氛是一种更具成本效益的解决方案。
这些气氛使用特定气体混合物（如氮气、氢气和一氧化碳）来创造一个对零件表面化学中性甚至有益的环境。气体的“碳势”受到仔细监测和控制，以防止脱碳或意外渗碳。
适当的零件准备
污染不仅来自炉内气氛。它也可能来自零件本身。
切削液、防锈剂甚至指纹的残留物在高温下会蒸发，并引起不必要的表面反应。热处理前对零件进行彻底清洁和脱脂是关键的第一步。
为您的应用做出正确选择
选择正确的大气控制水平是冶金要求、最终零件质量和成本之间的平衡。
- 如果您的主要关注点是关键性能和表面光洁度（航空航天、医疗）：真空炉是必不可少的。它提供最高水平的纯度，并确保表面性能不受损害。
- 如果您的主要关注点是稳定、大批量硬化（汽车齿轮、工具）：控制气氛炉在性能和成本之间提供了最佳平衡，可以精确控制表面碳。
- 如果您的主要关注点是表面光洁度不关键的批量处理（退火原材料）：大气控制较少的简单炉可能可以接受，但您必须考虑后续处理步骤，例如喷丸以去除氧化皮。
最终，控制无形的炉内气氛是您的热处理组件获得可见、可靠和一致结果的关键。
总结表：
| 污染类型 | 主要原因 | 主要负面影响 |
|---|---|---|
| 氧化 | 与O₂、H₂O或CO₂反应 | 形成脆性氧化皮，降低疲劳寿命 |
| 脱碳 | 钢表面碳的流失 | 形成软层，阻碍正常硬化 |
| 意外渗碳/渗氮 | 吸收过量的碳/氮 | 形成脆性表面，易剥落 |
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