在退火过程中，氮气的主要作用是创造一个受控的保护性气氛，以置换氧气，从而防止金属表面发生氧化、结垢和变色。它充当基础的“保护层”气体，还可以作为其他用于更专业热处理的活性气体的载体。
氮气最好被理解为气氛控制的基本起点，而不是一个完美的惰性屏蔽。因为它无法化学去除残留的氧气，所以它几乎总是与少量活性气体（通常是氢气）混合，以实现真正具有保护性且无氧化的环境。
氮气的基础作用
在许多热处理操作中，氮气是创造基础气氛的“主力”气体。它的功能可以分解为三个不同但相关的作用。
保护性“毯子”
将氮气引入退火炉最基本目的是置换含有约 21% 氧气的环境空气。
通过创造富氮环境，可以使热金属部件表面缺氧，从而防止氧化物（氧化皮或污点）的形成。
有效的吹扫气体
在加热循环开始之前，必须将炉膛内残留的空气吹扫干净。氮气非常适合这项任务。
其高流速可以快速且经济高效地冲走氧气和湿气，为所需的处理气氛做好炉膛准备。
活性气体的载体
在更复杂的过程（如碳氮共渗或某些类型的钎焊）中，氮气充当稳定、中性的载气。
特定量的活性气体（如碳氢化合物（甲烷、丙烷）或氨气）被混合到基础氮气流中。氮气在此处的角色是以高度受控和稀释的方式将这些反应物输送到金属表面。
为什么纯氮气通常不够用
尽管氮气在置换氧气方面非常出色，但它有一个关键限制，这使得它不能以纯态用于高质量的退火。
“惰性”的误解
尽管氮气通常被称为惰性气体，但尤其在高温退火时，它并非真正惰性。更重要的是，它不是还原剂。
这意味着它可以置换氧气，但它没有能力化学反应并去除任何残留或通过微小泄漏进入炉内的氧气。
残留氧气的问题
没有炉子是完全密封的，吹扫也永远不可能 100% 有效。痕量的氧气和湿气将始终存在。
当金属被加热时，这种残留的氧气足以引起表面氧化，从而破坏了对需要光亮、清洁表面应用中的保护性气氛的目的。
解决方案：活性气体混合
为了抵消残留氧气，氮气几乎总是与一小部分还原性气体混合，最常见的是氢气（H₂）。
氢气通过与游离氧（O₂）反应生成水蒸气（H₂O）来主动“清除”任何游离氧，然后水蒸气从炉中被冲走。这种化学清洁作用确保了真正光亮、无氧化的表面。
理解权衡和细微差别
有效使用氮气需要理解不同过程之间的区别以及精确控制的重要性。
氮气退火与氮化
这些术语经常被混淆，但描述的是根本不同的过程。
氮气退火使用基于氮气的大气来保护金属免受氧化等化学变化。目标是获得清洁的表面。
相反，氮化是一种表面硬化过程，使用氮气（通常来自分解的氨气）与钢反应，在表面形成坚硬的氮化物化合物。
氢气混合物的作用
氮氢（N₂-H₂）混合物很常见，但氢气的百分比很重要。典型的混合物可能是 90-95% 的氮气和 5-10% 的氢气，以实现强大的还原能力。
然而，出于安全原因，一些指南现在将含有超过 3-5% 氢气的混合物归类为易燃。低于此阈值的混合物可被视为不易燃，为实现氧气清除提供更安全的方法。
控制至关重要
任何退火过程的成功都取决于严格的气氛控制。流速和气体混合比例由特定于材料、零件几何形状和预期结果的预定义“配方”决定。
如果没有适当的控制，气氛可能无法提供保护，或者在活性气体混合物的情况下，可能会无意中改变零件的表面化学性质。
为您的目标做出正确的选择
要选择正确的气氛，您必须首先定义热处理过程的主要目标。
- 如果您的主要重点是防止非关键部件的基本氧化： 高纯度氮气吹扫可能就足够了，但这存在一些表面变色的风险。
- 如果您的主要重点是实现光亮、无氧化表面（光亮退火）： 氮氢（N₂-H₂）混合物对于主动清除任何残留氧气并确保清洁表面至关重要。
- 如果您的主要重点是改变表面化学性质（例如硬化）： 您需要一种特殊的大气，其中氮气是活性气体的载体，如在氮化或碳氮共渗过程中所见。
归根结底，将氮气理解为可控的基础而不是完美的屏蔽，是实现一致和高质量结果的关键。
总结表：
| 氮气的作用 | 关键功能 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 保护性“毯子” | 置换氧气以防止表面氧化 | 一般退火过程 |
| 吹扫气体 | 将空气和湿气从炉中冲走 | 预处理室准备 |
| 活性气体的载体 | 输送氢气或碳氢化合物等反应物 | 特殊过程（例如碳氮共渗） |
| 混合气氛的基础 | 与氢气混合以清除残留氧气 | 用于无氧化表面的光亮退火 |
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