从根本上说，氮气在热处理中的作用在于控制。 它用于两个截然不同且几乎相反的目的。首先，作为惰性气体，它在高热下形成保护性气氛，使金属免受氧气和其他活性元素的影响，从而防止出现氧化皮和脱碳等不良影响。其次，作为活性化学物质，它用于氮化等工艺中，以故意扩散到金属表面，形成坚硬的耐磨损表层。
在炉内的高温环境中，金属极易受到不需要的化学反应的影响。氮气提供了一种具有成本效益且用途广泛的解决方案，使操作人员可以完全阻止这些反应，或者促成特定的、有益的表面硬化反应。
热处理中氮气的双重特性
要理解为什么氮气被广泛使用，您必须首先认识到它的两个主要功能。根据工艺参数，它可以是无源保护罩，也可以是活性成分。
作用 1：惰性保护罩
在热处理所需的高温下，钢和其他金属很容易与空气中的氧气发生反应。这个过程称为氧化，会在表面形成一层脆性的氧化皮。
这种氧化会破坏零件的表面光洁度，改变其精确尺寸，并损害其冶金性能。
通过向炉内充入氮气，可以取代氧气。由于在许多热处理条件下，氮气（N₂）相对惰性（不活泼），因此它会在工件周围形成一层保护性覆盖层，防止发生这些不需要的反应。
作用 2：活性表面改性剂
在完全不同的应用中，氮气在称为氮化的工艺中用作表层硬化的活性剂。
在此过程中，条件被故意设定，使得氮原子脱离并直接扩散到钢的表面。
这些氮原子与铁和其他合金元素结合，形成极硬的氮化物化合物。这会在部件表面形成一层坚硬、耐磨损的“表层”，而芯部则保持坚韧和延展性。
常见应用和工艺
氮气的双重特性使其对各种热处理应用都至关重要。
中性淬火和退火
在中性淬火、退火或应力消除等工艺中，目标是在不改变金属表面化学成分的情况下改变其整体性能。
氮气气氛非常适合此目的。它可以防止氧化（增加氧气）和脱碳（损失碳），确保零件表面保持清洁且成分不变。
钎焊和烧结
对于钎焊（使用填充材料连接金属）和烧结（熔合金属粉末），氮气通常用作载气。
它提供基础保护气氛，同时携带少量活性气体，如氢气，有助于清洁金属表面并促进适当的结合。
氮化和铁素体碳氮共渗
这些是氮气用作活性元素的主要工艺。通过精确控制温度和气氛成分，制造商可以获得具有出色耐磨损和耐腐蚀性的非常坚硬的表面。
这对于齿轮、曲轴和工具等会承受显著摩擦和磨损的部件来说是非常理想的。
理解取舍
尽管氮气是一种多功能的“主力军”，但它并非万能的解决方案。了解其局限性是有效使用它的关键。
氮气与其他气氛的比较
与简单地使用空气相比，氮气气氛会增加成本，但能提供关键的抗氧化保护。
与真空相比，氮气通常更便宜，并允许更快的处理周期。然而，真空提供最高级别的保护，对于钛或铌等高度活泼的金属是必需的。
与氩气等其他惰性气体相比，氮气要经济得多。只有在存在氮气即使在保护作用下也可能与所处理的特定金属发生反应的风险时，才会使用氩气。
不希望发生氮化的风险
即使用作“保护性”气氛，氮气在非常高的温度下有时也会变得具有反应性，特别是与某些高铬不锈钢一起使用时。
这可能导致意外的氮化，从而可能引起表面脆化或其他负面影响。这就是为什么在现代炉中，精确的微处理器控制温度和气体流量对于确保氮气按预期表现至关重要。
为您的应用做出正确的选择
您决定使用氮气以及如何使用它，完全取决于您是需要保护表面还是从根本上改变表面。
- 如果您的主要重点是表面保护和清洁度： 在退火、中性淬火或钎焊等过程中，使用高纯度氮气气氛来置换氧气。
- 如果您的主要重点是制造坚硬、耐磨损的表面： 使用氮化工艺，其中富氮气氛经过专门设计，可与钢材表面发生反应。
- 如果您的主要重点是通用保护的成本效益： 相比于完全真空或更昂贵的惰性气体（如氩气），氮气几乎始终是最经济有效的选择。
通过了解氮气的双重能力，您可以将其用作精确的工具，在您的热处理操作中实现一致、高质量的结果。
总结表：
| 氮气的作用 | 主要功能 | 关键工艺 |
|---|---|---|
| 惰性屏障 | 防止氧化和脱碳 | 中性淬火、退火、钎焊 |
| 活性剂 | 形成坚硬、耐磨损的表面 | 氮化、铁素体碳氮共渗 |
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