简而言之，炉中使用氮气是为了创造一个保护性的、非反应性的气氛。通过将氮气泵入炉腔，它会取代环境空气——特别是氧气——否则氧气会导致被加热材料发生破坏性的氧化、结垢和其他不必要的化学反应。
使用氮气的核心目的是风险和成本管理。它是创建稳定、惰性高温环境最经济有效的方法，可防止材料降解并确保最终产品的质量和完整性。
根本问题：热量和反应性
在室温下，我们周围的空气相对温和。然而，引入炉子的强烈热量从根本上改变了其化学行为，将看似无害的气氛变成了高度侵蚀性的气氛。
氧气的主要威胁
最重要的问题是氧化。空气中约有21%的氧气，这是一种高活性元素，尤其是在高温下，会积极地与其他材料结合。
对于钢等金属，这种反应会导致形成氧化层，通常称为氧化皮。这种氧化皮会导致材料损失，导致表面光洁度差，并可能损害零件的尺寸精度。
其他气体的次要威胁
氧气并非唯一的问题。空气中的其他成分，如二氧化碳（CO₂）和水蒸气（H₂O），也可能引起不希望的反应。
一个关键的例子是钢中的脱碳。在高温下，钢件表面附近的碳会与这些气体反应并被抽出，导致表面层比核心更软、更弱。
氮气作为解决方案：创造惰性气氛
解决这种热诱导反应性的方法是用不会与被加工材料反应的气体取代空气。这被称为创造惰性气氛。
置换反应性气体
氮气（N₂）被泵入密封的炉腔，清除氧气、水蒸气和其他反应性气体。由于氮气在大多数热处理条件下相对不活泼，它充当了中性保护毯。
防止氧化和结垢
随着氧气从环境中移除，氧化过程停止。这确保了材料表面保持清洁、光亮且无氧化皮，从而保持其尺寸和完整性。
控制表面化学
通过提供真正的中性环境，纯氮气气氛还可以防止脱碳等次级反应。这保证了钢件表面的碳含量——以及因此的硬度和强度——完全符合预期。
实现钎焊和焊接
炉内钎焊等工艺需要极其清洁的表面，以便填充金属能够正确润湿并粘合母材。氮气气氛可防止加热过程中形成氧化物，为形成坚固、连续的接头创造理想条件。
了解权衡和细微差别
虽然氮气是行业主力，但它并非普遍完美的解决方案。了解其局限性是有效使用它的关键。
氮气的成本效益
氮气成为主导选择的原因很简单：成本。我们呼吸的空气中约78%是氮气，这使得它与真正的惰性稀有气体相比，分离和纯化的成本更低。
当氮气不够“惰性”时
在非常高的温度下，氮气会与某些金属发生反应。例如，它会与钛、铝和镁反应，在表面形成氮化物。虽然这种效应有时在称为渗氮的过程中是期望的，但它通常是一种不希望的污染形式。
替代方案：稀有气体
对于涉及高活性金属或绝对惰性不可协商的应用，使用氩气（Ar）等稀有气体。氩气比氮气惰性得多，即使在极端温度下也不会发生反应，但它也昂贵得多。
替代方案：反应性气氛
有时，目标不是防止反应，而是控制反应。在渗碳等工艺中，炉内气氛有意富含供碳气体（如一氧化碳或甲烷），以向钢表面添加碳，使其更硬。这与氮气气氛的保护目标形成鲜明对比。
如何将其应用于您的工艺
选择正确的炉内气氛完全取决于材料、工艺和您的最终目标。
- 如果您的主要重点是钢材的通用热处理：氮气是行业标准、经济高效的选择，用于防止氧化和脱碳。
- 如果您的主要重点是钎焊铜或钢合金：氮气提供了成功接头所需的清洁、无氧化物环境。
- 如果您的主要重点是加工钛等活性金属：氩气是避免形成不希望的氮化物的最佳选择。
- 如果您的主要重点是通过化学变化进行表面硬化：您将需要专门配制的反应性气氛，而不是惰性气氛。
最终，选择正确的气氛是一个关键的工艺参数，直接控制着热处理部件的质量、完整性和性能。
总结表：
| 功能 | 解决的问题 | 主要益处 |
|---|---|---|
| 置换氧气 | 防止氧化和结垢 | 保持材料表面和尺寸 |
| 创造惰性气氛 | 防止脱碳 | 保持钢的硬度和强度 |
| 实现清洁钎焊 | 消除表面污染物 | 确保坚固、高质量的接头 |
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