工业保护气在金属热处理中的应用

在机械加工过程中，对机械零件进行热处理，必须将其放入各式加热炉中加热，达到预定温度后，保温一段时间后出炉，再进行冷却，来完成一个热处理工序。在机械制造业中，处理的零件大部分是钢铁材料，钢铁零件在炉中加热，500℃时表面产生氧化，即发生脱碳现象。如果是对毛坯件的处理，随后还有加工余量，可保证将氧化脱碳层去除。如果是最后热处理过程，零件仅留少量的磨加工量。如果氧化脱碳层深，最后加工不能去除，将大大降低零件热处理后的性能。

钢铁零件在加热时的脱碳现象，是因为加热介质中存在氧气，只要隔绝氧气加热，就可避免氧化脱碳现象，这就要求不要在空气炉中加热，通常是在盐浴炉中加热。用盐浴来隔绝氧气，必须对盐浴进行脱氧处理。处理的盐渣及蒸汽对环境也有污染。也有用真空炉进行处理的，但密封技术要求较高，且炉膛不能做的太大，限制了它的应用。

在工业中大量采用的是气体保护炉。在热处理过程中，采用的气体是多种多样的，有用氩气保护的，有用氮基保护的，大量采用氮基保护气氛。用氮基保护可以不使钢铁零件产生氧化脱碳，大大提高热处理零件的表面质量，特别是处理一些形状复杂的工具模具，它们经过淬火后，型腔不再进行加工，如果有氧化脱碳现象将大大降低表层的硬度，也就是降低其耐磨性和使用寿命。而采用氮基保护气氛中性加热，工作表面不再产生任何氧化脱碳现象，也就提高了工件表层热处理质量，延长了工件的使用寿命。

热处理设备中，为了使用不同的气体进行保护，有一种多用炉或流态化炉，可以使用氮气与各类载体按不同的比例配合，可以进行氮化、氮一碳共渗（软氮化）、渗碳等多种化学热处理。

基于工业气体对加热处理过程提供保护，并且能配制以上各种不同载气进行各种不同的化学热处理，不仅方便了材料的热处理工艺，极大地提高了热处理效率。

氮基保护气氛是以纯氮（99.99%）或工业氮为原料气体，加入适当碳氢化合物（例如天然气、丙烷等），必要时还加入某些参加反应的气体，例如氢气、氨气、二氧化碳、空气等，从而制成以氨气为主要成分的混合气。这类气体不含或含有一定的还原性气体，可广泛应用于各种加热过程，如光亮热处理、化学热处理、钎焊以及粉末冶金烧结等工艺过程。

用于热处理的保护气大体可以分为以下几种：

一、纯氮气 一般指含氮气99.99%以上的保护气。

二、氨基中性保护气 是指对钢铁不氧化、不脱碳、不渗碳的保护气。这种保护气还具有一定还原性。由于其对各种含碳量的钢都有保护性，只要加热周期相同，不同含碳量的钢都可以在同一炉中处理，可用于淬火、退火、回火等高、中、低温各种热处理工序，达到光亮的效果。常用的中性气体有以下几种：

1. 氮气+氢气 ：该保护气具有一定的还原性和微弱的脱碳性。气体中的含氢量一般控制在0.5%～3%不等。

2.氮气+一氧化碳+氢气：该保护气可用于钢结构、工具钢、轴承钢的无氧化、无脱碳、无渗碳热处理，例如在一氧化碳含量0.5%～1%、氢气1%～2%的保护气中对工模具钢、高速钢、轴承钢进行退火、淬火处理。在一氧化碳+氢气含量达到2%的氮基气氛中，将含碳量为1%的高速钢加热至1200℃，40分钟后基本无脱碳现象。这种保护器的制备可用工业氮气经甲醇净化获得。

3.氮基碳势气氛：这是一种活性成分含量较高的氮基气氛。通常可在氮气中加入适量添加剂（碳氢化合物或烃的含氧衍生物）可获得碳势气氛，供渗碳处理。

4.氮-甲醇保护气：这是目前国外广泛采用的一种氮基气氛。控制氮与甲醇的比例，使气氛中一氧化碳：氢气：氮气=1：2：2。

采用氮基气氛热处理的优点：一是节约能源。与吸热式气氛相比，使用氮基气氛可节约燃料消耗25%~85%。二是气源丰富。氮基气氛中氮源的制备因主要来自空气，气源十分丰富。三是可提高产品质量。氮基气氛含一氧化碳和氢气含量少，大大减少氢脆和内氧化。通常吸热式气氛由于一氧化碳和氢气含量高，对钢铁而言是一种还原气体。但一氧化碳对铬、锰、锶、钼、钛等元素都是一种氧化剂。所以吸热式气氛对碳钢是光亮加热气氛，而对合金钢加热表面形成黑色氧化物。例如不锈钢、轴承钢铬含量较高，由于铬和氧的亲和力很强，所以铬在一氧化碳和二氧化碳气氛中要氧化。在吸热式气氛中一氧化碳含量达到25%左右，所以对大多数不锈钢、轴承钢、高铬钢在吸热式气氛中热处理结果不理想。在钢的表面会产生一层氧化层。同样铬在水气氛中也会氧化。因此对高铬合金钢来说，采用吸热式气氛从理论上分析是不适合的。而采用氮基气氛就可减轻合金元素的氧化程度，提高热处理质量。四是适应性广。氮基气氛适用于各类碳钢、合金钢和不锈钢以及铜、铝等有色金属的热处理。五是安全性好。氮气是中性气体，无毒、不污染环境、无爆炸危险，便于运输、管理和使用。

综合氮基气氛热处理有明显的优势，因此我国的重点企业和项目已经采用了国外的先进气源装置和氮基气氛进行各种热处理。但是面对量大面广的国内市场，只有大力推广国产化热处理设备及甲醇裂解气，才能提高我国的无氧化加热水平。

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