受控气氛的核心是利用特定的、经过设计的气体环境，在热处理过程中实现预期结果。最常用的气体是氮气、氩气、氢气，有时还有氧气，它们单独使用或混合使用，以取代环境空气并控制材料在高温下表面发生的化学反应。
选择气体的基本问题很简单：您是想阻止化学反应，还是想引发特定的化学反应？选择气体时，要么是化学惰性以保护材料，要么是策略性反应以改性材料。
受控气氛的目的
控制炉内气氛的主要目标是管理化学反应，最显著的是氧化。当在空气中加热时，大多数金属会很容易与氧气反应，在其表面形成氧化物。
防止不必要的反应
这种氧化通常表现为不希望出现的结垢、变色或材料表面性能的变化。
通过用受控气体取代空气（空气中大约78%是氮气，21%是氧气），您可以防止这些反应，确保材料出炉时保持清洁、光亮和未改变的状态。
促进所需的反应
相反，有些工艺需要特定的反应。可以引入反应性气体来清洁材料表面，将特定元素键合到其上，或形成受控的保护性氧化层。
常用气体及其功能
气体的选择完全取决于其化学性质以及与待加工材料的相互作用。
惰性气体（保护剂）
惰性气体是非反应性的，可作为稳定的“毯子”来保护材料免受氧气和其他污染物的侵害。
氮气 (N₂) 氮气因其相对惰性和低成本而成为最广泛使用的载气。它能有效取代氧气，非常适合许多常见金属的通用热处理。
氩气 (Ar) 氩气是一种真正的惰性气体，这意味着它比氮气更惰性。它用于对氮气在高温下敏感或可能发生反应的材料，例如钛和某些不锈钢。
反应性气体（改性剂）
选择反应性气体是为了有意地在材料表面引起化学变化。
氢气 (H₂) 氢气是一种强大的还原剂。这意味着它能主动从可能已存在于材料表面的金属氧化物中剥离氧气。通常将少量氢气与氮气混合，以产生清洁、光亮的表面。
氧气 (O₂) 氧气用于需要受控氧化的情况。这可能是为了在材料上形成特定的保护性氧化层以进行钝化，或实现特定的美学效果。
了解权衡
选择气氛是工艺要求、材料兼容性、成本和安全之间的平衡。
纯度与成本
氮气比氩气便宜得多。对于涉及钢和铜合金的大多数应用，氮气提供了足够的保护气氛。只有在加工会被氮气损害的材料时，氩气更高的成本才是合理的。
反应性与安全性
氢气在清洁和增亮方面非常有效，但它也是易燃的。使用氢气，即使是与氮气混合的少量氢气，也需要严格的安全协议、专业设备和适当的通风，以降低爆炸风险。
材料兼容性
气体必须与工件兼容。例如，使用基于氮气的气氛处理钛会导致氮气与金属键合，形成氮化钛并使表面变脆。在这种情况下，支付氩气的溢价是必不可少的。
为您的工艺选择合适的气氛
您选择的气体应直接反映您对材料的最终目标。
- 如果您的主要重点是为常见金属提供经济高效的防氧化：纯氮气气氛几乎总是正确的选择。
- 如果您的主要重点是在钢或铜等金属上获得光亮、清洁的表面：氮-氢混合物提供了成本和性能的最佳平衡。
- 如果您的主要重点是加工高活性或特殊材料（如钛或难熔金属）：需要纯氩气或氩-氢气氛以防止不必要的反应。
最终，掌握受控气氛就是精确地引导炉内的化学反应，以实现您所需的材料性能。
总结表：
| 气体 | 类型 | 主要功能 | 常见用途 |
|---|---|---|---|
| 氮气 (N₂) | 惰性 | 经济高效的防氧化 | 钢和铜合金的通用热处理 |
| 氩气 (Ar) | 惰性（稀有气体） | 为敏感材料提供最大保护 | 钛和某些不锈钢的加工 |
| 氢气 (H₂) | 反应性 | 还原剂，用于获得光亮、清洁的表面 | 与氮气混合用于表面清洁 |
| 氧气 (O₂) | 反应性 | 受控氧化，用于特定表面层 | 钝化和美学修饰 |
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