为什么在热处理中使用氩气？对活性金属和关键工艺的基本保护

在热处理中，使用氩气是为了在炉内创造一个完全惰性和保护性的气氛。在退火或钎焊等工艺所需的高温下，金属会与空气中的氧气和湿气发生强烈的反应。氩气是一种惰性气体，可以作为完美的屏蔽层，防止氧化和结垢等不需要的化学反应，否则这些反应会损害部件表面并影响其结构完整性。

选择氩气而非更常见的保护气体（如氮气）的核心原因在于其绝对的化学惰性。虽然氮气对许多应用来说已经足够，但对于高度敏感或活泼的材料，即使是轻微的表面反应（如氮化物形成）也是不可接受的，此时氩气是必不可少的。

基本问题：为什么气氛至关重要

热处理依赖于精确的温度控制来改变金属的内部晶体结构，从而改变其硬度或延展性等物理性能。

然而，同样的热量会极大地加速金属表面与任何存在的活性气体之间的化学反应。

标准空气中约含 21% 的氧气，并含有可变量的水蒸气。在热处理温度下，这两者都是强氧化剂。

与空气接触会导致金属部件表面形成一层氧化皮。这会损害表面光洁度、改变尺寸，并可能对材料的疲劳寿命和耐腐蚀性产生负面影响。

保护气氛的目标是让热循环发生，而不会改变部件的表面化学性质。部件应以进入炉时的清洁、光亮表面离开炉子。

氩气的主要优点是它是一种惰性气体。其外层电子壳是满的，使其在炉内条件下与所有其他元素在化学上不发生反应。它提供了一个真正惰性的环境。

这是与氮气的一个关键区别，氮气虽然在很大程度上不活泼，但可能与某些元素（如钛、铝和某些不锈钢中含有的铬）形成氮化物。这种氮化物的形成可能会以不利的方式改变材料的性能。

工业级氩气以极高的纯度供应。常见的规格是氧含量低于百万分之 20 (ppm)，露点低于 -75°F (-59°C)。

这意味着气体中不含两种主要“罪魁祸首”——氧气和水蒸气。这种高纯度确保了不会发生氧化，这对于钎焊等敏感工艺至关重要，在这些工艺中，任何氧化层都可能阻止填充金属正确润湿和粘合到基材上。

氩气密度比空气重约 40%，比氮气重约 43%。这一特性可用于有效地将炉膛中的大气空气清除出去。

当较重的氩气从炉腔底部引入时，它会取代较轻的空气，并通过顶部通风口将其排出。这种方法确保在加热循环开始前彻底有效地去除氧气。

氩气最主要的缺点是成本。它通过液态空气的精馏过程生产，这使得它比氮气（大气中最丰富的气体）贵得多。

由于这种成本差异，氩气仅在技术上必需时才使用。

对于大量的热处理应用，特别是对于常见的碳钢和低合金钢，氮气提供了一种完全合适的保护气氛。它能有效防止氧化，并且是最经济的选择。

在这些情况下，被处理的金属不易形成氮化物，因此不需要氩气提供的额外保护（和成本）。

对于特定的材料和工艺，当氮气存在风险时，氩气成为必需的选择。

这包括处理活性金属（如钛、锆和铌）的热处理。它对于某些不锈钢和镍合金也至关重要，因为铬氮化物的形成会使表面的铬耗尽，从而降低其耐腐蚀性。最后，对于关键的钎焊和烧结操作，通常会指定高纯度氩气，因为完美清洁的表面对于成功至关重要。

选择正确的保护气氛是在工艺要求和成本之间取得平衡。您的决定必须基于被处理的材料以及对任何表面反应的容忍度。

最终，选择正确的气体是一个关键的工程决策，它直接保护您成品部件的完整性和价值。