钢的热处理应当在还原性气氛中进行，在加热过程中能保护工件，免于氧化、脱碳的炉气即为保护气氛，作为淬火加热工序应确保零件的表面状态没有发生改变，下面为热锻模具、结构钢零件保护加热时，通常的保护气氛的成分下表。

零件在加热过程中，为保护零件免于氧化和脱碳，在具有还原性的气氛中完成热处理，可以获得无氧化、不脱碳的光亮表面，提高了表面质量，同时也省去了酸洗、抛丸或喷砂工序，提高作业效率、明显降低了生产成本。

    保护气氛的种类很多，为了便于了解其特性，下面分别加以介绍，供零件在加热过程中正确选用。同时应特别注意在气氛的选择上，要考虑到产品的批量、材料的类型、热处理设备的现状、工艺水平的高低、热处理产品质量的技术要求等，在经过工艺验证后才能确定采用何种保护气氛，这对于保护零件的表面质量至关重要。

    (1)可控气氛

    可控气氛炉内的气氛可以进行有效控制，确保其在一个合理的范围内，实现零件热处理无氧化和脱碳现象的发生。

    ①可控气氛的原理其原理在前面已经讲解，根据化学反应的平衡原理，增加正方向反应产物CO和H₂的含量将导致正反应过程的停止或减弱，假如CO和H₂的含量升高到一定程度，反应将朝逆方向进行，即得到还原性气氛。控制好炉气中CO₂/CO和H₂O/H₂的比值，就能完全控制整个化学反应的趋势和方向，也就能控制钢铁零件表面的氧化和脱碳的过程。

    钢铁零件在不同温度下，CO₂/CO及H₂O/H₂的比值与铁的氧化还原反应的平衡关系，两条曲线分别为BOC和AOD，从图中可以看出两条曲线的变化规律不同，但其共同点为在两条线的左侧均为还原区域，而右侧是氧化区域，另外在BOD区间内，CO₂/CO的氧化区与H₂O/H₂的还原区重叠。我们重点分析以下钢铁在炉内气氛中，温度和CO₂/CO及H₂O/H₂比值的关系对表面质量状态的影响。查找AD线在950℃时，当气氛中的CO₂/CO=0.4，则炉内氧化和还原的速度相等，整个反应处于平衡状态。此时钢表面无氧化和脱碳现象发生，即可实现无氧化脱碳的加热过程。相反如果CO₂/CO比值>0.4，将发生Fe+CO₂→FeO+CO氧化反应，钢中铁原子被氧化成氧化铁，而CO₂/CO比值小于0.4，将发生FeO+CO→Fe+CO₂的还原反应，氧化铁被还原为铁原子。随着温度的改变，CO₂/CO的平衡值也会发生变动，即温度越高则平衡值越小，因此为了确保钢铁零件在保护气氛中不被氧化，要求加热温度提高时，CO₂/CO的平衡值应愈小愈好。

    需要注意的是热处理炉内的炉气会同时包含有CO₂、CO、H₂O和H₂，因此在某一温度下进行炉内成分的分析时，要综合考虑气氛的作用。在热处理常用加热温度范围内(700～950℃)要避免钢的氧化，应使炉内气氛CO₂/CO的值相应控制在0.4～0.7，而H₂O/H₂比值应为0.4～0.5。

    在不同的加热温度下，钢中的含碳量与CO₂/CO及H₂O/H₂的比值具有一定的平衡关系，从图中可知，要防止钢发生脱碳，只有将CO₂/CO及H₂O/H₂的比值控制在更小的范围内，这一点需引起我们的高度重视，例如在850℃加热含碳量小于0.5%的碳钢，应将CO₂/CO及H₂O/H₂的比值均降到0.04以下，才能防止钢的脱碳。总之，综合炉内零件的化学成分、炉内气氛、装炉方式和热处理设备的类型等几个方面进行考虑，将炉内的气氛只要控制在一定的温度范围内，即可确保钢加热时免于氧化和脱碳。

    需要注意的是为确保零件在可控气氛中实现无氧化、脱碳加热，要求炉内的保护气氛稳定；炉膛密封性要好，避免空气的混入；炉内气体呈现正压。因此在实际的热处理过程中，严格执行工艺要求是确保零件表面质量的前提，同时应当切实做好保护气氛不间断的相关准备工作。

    ②几种常见的可控气氛  关于可控气氛的选用原则为：钢铁零件的化学成分、热处理的技术要求，原料的来源和成本价格等。在实际热处理过程中采用多种气氛，确保零件在加热过程中无氧化、脱碳现象，实现零件的表面状态的清洁和成分的稳定。

    我国目前的网带式加热炉多采用可控气氛保护加热，用于处理气门、轴承、标准件、弹簧、螺纹刀具等小型大批量零件，均取得了良好的经济效益和社会效益，同时也借鉴和吸收了国外许多成熟的经验和热处理技术，使我国的采用可控气氛热处理设备的制造水平得到很大的提高，既可处理中温的零件，也生产了在1050℃温度以上工作的可控气氛热处理设备。我国目前常用的可控气氛有三种：放热式气氛、吸热式气氛和滴注式气氛。它们的作用和特点归类如下。

    a．放热式可控气氛  它是液化石油气（主要成分为丙烷和丁烷）、城市煤气或天然气（主要成分为甲烷）等原料气与空气按一定比例混合后，完全靠自身的燃烧反应（放热反应）而制备而成，燃烧产生的气氛中CO₂和H₂O较多，无法防止脱碳，一般常作为低碳钢和中碳钢零件的无氧化加热。只有经过净化处理的放热气氛才能防止零件表面的脱碳，同时有可能适于渗碳等化学热处理的载体气（稀释气）。目前国内生产的流动粒子炉采用气体燃烧的热量来加热颗粒，完成对工件的加热，其炉内气氛即为放热式气氛，通常的热处理气氛可以满足零件的热处理技术要求。

    b．吸热式可控气氛  它是将原料气（如液化石油气、城市煤气或天然气）与空气按一定比例混合后进行吸热反应（外部加热）制备而成。从反应的性质来看，吸热式气氛比放热式可控气氛中CO和H₂的含量高，CO₂和H₂O的含量明显降低。该气氛可用于防止零件的氧化和脱碳，用于碳氮共渗或渗碳等，其应用十分广泛。吸热式气氛的成分控制通常用露点仪或红外线分析仪来测定，用电子装置进行自动控制，精度和灵敏性好，这是重要的工艺监控手段和措施。

    需要指出气氛中含有较多的H₂，应注意防止出现爆炸现象，要采取必要的防范措施。另外考虑到由于气氛与钢中的铬元素发生化学反应，将会造成钢表面铬的减少，因此不适于铬合金钢零件的保护加热。

    c．滴注式可控气氛  将甲醇(CH₃OH)、煤油和苯等碳氢化合物直接滴人高温加热的炉膛内，通过这些有机物的高温裂解或裂化，产生含有CO、H₂和CH₄等还原性的混合气体，实现了零件在热处理过程中的无氧化脱碳加热。在生产中常将甲醇作为滴入剂，完成保护性加热，考虑到其裂解产物碳势较低，还需补充炉气的碳势，即通常要另外滴入乙醇(C₂H₅OH)、异丙醇(C₃H₇OH)和丙酮(CH₃COCH₃)等第二种液体。其滴入量和滴入剂的成分应根据零件的材质、装炉量、炉膛、技术要求、密封程度、零件的装炉方式以及保温结束后的冷却介质等综合考虑后来确定。

    通常滴注式可控气氛具有成分制备简单，原料来源广，操作方面和易行，生产效率高，效果稳定等优点，因此目前国内外热处理企业普遍使用该类气氛进行零件的保护性加热或化学热处理，为保持炉内成分的均匀和稳定，在井式炉和箱式炉的上方应添加搅拌风机。

    青岛丰东热处理小编接触了大量的国内外热处理设备，采用单一的介质提供需要的成分十分困难，一般采用几种液体或气体同时滴入或通入炉膛，这样才能满足零件表面无氧化、脱碳的需要。在网带式渗氮和碳氮共渗炉内，为确保零件的光亮淬火或退火，一般是甲醇和氮气同时供应。

    (2)氨分解气

    除了上述三种保护气氛外，在实际热处理过程中还可采用另外的保护措施。氨分解气是指将氨加热后分解为氮气和氢气，二者与加热的零件不产生化学反应，常用于铬合金钢（如不锈钢、耐热钢等）的退火、钎焊、固溶以及光亮淬火等，这样可节约大量的较高价格的纯氢。当然向炉内通入氢气、氮气（中性气体）和氦气（惰性气体），同样起到保护气体的作用。

随着科学技术的进步和对零件热处理表面质量要求的提高，真空炉已经得到一定程度的普及和推广，炉膛内抽成真空状态，使内部的氧化性物质（主要指氧）的含量微乎其微，确保了零件加热或冷却中无氧化、脱碳现象。也可向内充入一定量的高纯氮气作为加热介质，提高加热的效率。

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