简而言之，在工业熔炉中使用氢气是为了创造一种高反应性、受控的气氛，在高温处理过程中主动保护和精炼材料。其主要功能是通过去除氧气来防止氧化，并利用其高导热性来提高加热和冷却的速度和均匀性。
核心要点是，在这种情况下，氢气不是用作燃料。相反，它充当熔炉内的一种强效化学剂，形成一种“还原性气氛”，以净化金属表面并防止腐蚀，从而实现光亮退火和高纯度烧结等工艺。
为什么氢气气氛至关重要
在许多高温应用中，简单地在空气中加热金属是有害的。空气中的氧气会迅速与热金属表面反应，形成氧化物（氧化皮或锈）。受控气氛用特定的气体混合物替代空气，以决定发生的化学反应。
防止氧化
氢气气氛最基本的作用是消除氧气。氢气是一种极好的脱氧剂。
它会主动寻找并与熔炉内残留的任何痕量氧气反应，形成水蒸气（2H₂ + O₂ → 2H₂O），然后可以安全地将其排出。这可以防止金属部件氧化，从而形成干净、无氧化皮且通常有光泽的表面，即光亮光洁度。
去除表面杂质
除了防止形成新的氧化物外，氢气还可以逆转现有的氧化。
在高温下，它会与材料表面的氧化物和其他杂质（如二氧化硅）反应并将其剥离。这一净化步骤在烧结等工艺中至关重要，因为清洁的颗粒表面是实现牢固冶金结合所必需的。
增强热传递
氢气的热导率远高于空气或氮气。
这种物理特性使其能够更快、更均匀地向部件传递热量和从部件吸收热量。结果是加热和冷却周期更快，可以提高产量并对材料的最终性能提供更精确的控制。
关键工业应用
某些制造过程在没有氢气气氛的情况下是不可能实现或效率低下的。
光亮退火
退火是通过加热和缓慢冷却来软化金属和消除内应力的过程。在氢气气氛中进行时，它可以防止任何表面变色或氧化皮的形成，从而保持金属光亮、干净的表面。
烧结
烧结涉及将压实的金属粉末加热到略低于其熔点的温度，使其熔合形成固体部件。氢气气氛对于还原粉末颗粒表面的氧化物至关重要，从而实现更好的结合，并产生具有卓越机械性能的部件。
气氛钎焊
钎焊是使用填充金属连接两个金属部件。使用带有氢气气氛的连续网带炉可以实现高产量、高成本效益的工艺，确保接头牢固、清洁且无氧化物。
了解权衡和风险
尽管氢气功能强大，但使用它并非没有重大的挑战，需要仔细的工程设计和控制。
爆炸危险
氢气易燃，与空气混合时可能爆炸。使用氢气的熔炉必须配备强大的防爆安全措施、泄漏检测系统和严格的操作规程，以确保安全。
材料降解（氢脆）
氢气会扩散到某些金属（特别是高碳钢）的结构中，使其在应力下变脆并失效。这种现象被称为氢脆，在选择加工材料时必须仔细考虑。
熔炉部件损坏
氢气在高温下的高反应性可能会损坏熔炉本身。常见的加热元件，如碳化硅（SiC）和二硅化钼（MoSi2），可能会受到化学侵蚀。为防止这种情况，熔炉通常使用一个保护性内室，即罩（retort），以容纳氢气气氛并将其与加热元件隔离。
为您的工艺做出正确的选择
决定是否使用氢气气氛完全取决于所加工的材料和期望的结果。
- 如果您的主要重点是无瑕、光亮的表面光洁度和最大的纯度： 对于光亮退火不锈钢或烧结先进金属部件等应用，纯净、干燥的氢气气氛是必不可少的。
- 如果您的主要重点是常规热处理而没有严格的表面要求： 惰性氮气或浓度较低的氢气/氮气混合物（“保护性气体”）等其他受控气氛可能更安全、更具成本效益。
- 如果您的主要重点是加工高碳钢或敏感合金： 您必须考虑氢脆问题，并且可能需要带有罩体的专用熔炉设计，以防止损坏。
最终，氢气是一种精密工具，用于实现在标准气氛中无法实现的冶金效果。
摘要表：
| 功能 | 益处 | 关键应用 |
|---|---|---|
| 防止氧化 | 形成无氧化皮的光亮表面 | 光亮退火 |
| 去除杂质 | 净化表面以实现更牢固的结合 | 烧结 |
| 增强热传递 | 更快、更均匀的加热/冷却 | 钎焊 |
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