鋼的熱處理應(yīng)當(dāng)在還原性氣氛中進(jìn)行，在加熱過程中能保護(hù)工件，免于氧化、脫碳的爐氣即為保護(hù)氣氛，作為淬火加熱工序應(yīng)確保零件的表面狀態(tài)沒有發(fā)生改變，下面為熱鍛模具、結(jié)構(gòu)鋼零件保護(hù)加熱時，通常的保護(hù)氣氛的成分下表。

零件在加熱過程中，為保護(hù)零件免于氧化和脫碳，在具有還原性的氣氛中完成熱處理，可以獲得無氧化、不脫碳的光亮表面，提高了表面質(zhì)量，同時也省去了酸洗、拋丸或噴砂工序，提高作業(yè)效率、明顯降低了生產(chǎn)成本。

    保護(hù)氣氛的種類很多，為了便于了解其特性，下面分別加以介紹，供零件在加熱過程中正確選用。同時應(yīng)特別注意在氣氛的選擇上，要考慮到產(chǎn)品的批量、材料的類型、熱處理設(shè)備的現(xiàn)狀、工藝水平的高低、熱處理產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)要求等，在經(jīng)過工藝驗證后才能確定采用何種保護(hù)氣氛，這對于保護(hù)零件的表面質(zhì)量至關(guān)重要。

    (1)可控氣氛

    可控氣氛爐內(nèi)的氣氛可以進(jìn)行有效控制，確保其在一個合理的范圍內(nèi)，實現(xiàn)零件熱處理無氧化和脫碳現(xiàn)象的發(fā)生。

    ①可控氣氛的原理其原理在前面已經(jīng)講解，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的平衡原理，增加正方向反應(yīng)產(chǎn)物CO和H₂的含量將導(dǎo)致正反應(yīng)過程的停止或減弱，假如CO和H₂的含量升高到一定程度，反應(yīng)將朝逆方向進(jìn)行，即得到還原性氣氛?？刂坪脿t氣中CO₂/CO和H₂O/H₂的比值，就能完全控制整個化學(xué)反應(yīng)的趨勢和方向，也就能控制鋼鐵零件表面的氧化和脫碳的過程。

    鋼鐵零件在不同溫度下，CO₂/CO及H₂O/H₂的比值與鐵的氧化還原反應(yīng)的平衡關(guān)系，兩條曲線分別為BOC和AOD，從圖中可以看出兩條曲線的變化規(guī)律不同，但其共同點為在兩條線的左側(cè)均為還原區(qū)域，而右側(cè)是氧化區(qū)域，另外在BOD區(qū)間內(nèi)，CO₂/CO的氧化區(qū)與H₂O/H₂的還原區(qū)重疊。我們重點分析以下鋼鐵在爐內(nèi)氣氛中，溫度和CO₂/CO及H₂O/H₂比值的關(guān)系對表面質(zhì)量狀態(tài)的影響。查找AD線在950℃時，當(dāng)氣氛中的CO₂/CO=0.4，則爐內(nèi)氧化和還原的速度相等，整個反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。此時鋼表面無氧化和脫碳現(xiàn)象發(fā)生，即可實現(xiàn)無氧化脫碳的加熱過程。相反如果CO₂/CO比值>0.4，將發(fā)生Fe+CO₂→FeO+CO氧化反應(yīng)，鋼中鐵原子被氧化成氧化鐵，而CO₂/CO比值小于0.4，將發(fā)生FeO+CO→Fe+CO₂的還原反應(yīng)，氧化鐵被還原為鐵原子。隨著溫度的改變，CO₂/CO的平衡值也會發(fā)生變動，即溫度越高則平衡值越小，因此為了確保鋼鐵零件在保護(hù)氣氛中不被氧化，要求加熱溫度提高時，CO₂/CO的平衡值應(yīng)愈小愈好。

    需要注意的是熱處理爐內(nèi)的爐氣會同時包含有CO₂、CO、H₂O和H₂，因此在某一溫度下進(jìn)行爐內(nèi)成分的分析時，要綜合考慮氣氛的作用。在熱處理常用加熱溫度范圍內(nèi)(700～950℃)要避免鋼的氧化，應(yīng)使?fàn)t內(nèi)氣氛CO₂/CO的值相應(yīng)控制在0.4～0.7，而H₂O/H₂比值應(yīng)為0.4～0.5。

    在不同的加熱溫度下，鋼中的含碳量與CO₂/CO及H₂O/H₂的比值具有一定的平衡關(guān)系，從圖中可知，要防止鋼發(fā)生脫碳，只有將CO₂/CO及H₂O/H₂的比值控制在更小的范圍內(nèi)，這一點需引起我們的高度重視，例如在850℃加熱含碳量小于0.5%的碳鋼，應(yīng)將CO₂/CO及H₂O/H₂的比值均降到0.04以下，才能防止鋼的脫碳。總之，綜合爐內(nèi)零件的化學(xué)成分、爐內(nèi)氣氛、裝爐方式和熱處理設(shè)備的類型等幾個方面進(jìn)行考慮，將爐內(nèi)的氣氛只要控制在一定的溫度范圍內(nèi)，即可確保鋼加熱時免于氧化和脫碳。

    需要注意的是為確保零件在可控氣氛中實現(xiàn)無氧化、脫碳加熱，要求爐內(nèi)的保護(hù)氣氛穩(wěn)定；爐膛密封性要好，避免空氣的混入；爐內(nèi)氣體呈現(xiàn)正壓。因此在實際的熱處理過程中，嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求是確保零件表面質(zhì)量的前提，同時應(yīng)當(dāng)切實做好保護(hù)氣氛不間斷的相關(guān)準(zhǔn)備工作。

    ②幾種常見的可控氣氛  關(guān)于可控氣氛的選用原則為：鋼鐵零件的化學(xué)成分、熱處理的技術(shù)要求，原料的來源和成本價格等。在實際熱處理過程中采用多種氣氛，確保零件在加熱過程中無氧化、脫碳現(xiàn)象，實現(xiàn)零件的表面狀態(tài)的清潔和成分的穩(wěn)定。

    我國目前的網(wǎng)帶式加熱爐多采用可控氣氛保護(hù)加熱，用于處理氣門、軸承、標(biāo)準(zhǔn)件、彈簧、螺紋刀具等小型大批量零件，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，同時也借鑒和吸收了國外許多成熟的經(jīng)驗和熱處理技術(shù)，使我國的采用可控氣氛熱處理設(shè)備的制造水平得到很大的提高，既可處理中溫的零件，也生產(chǎn)了在1050℃溫度以上工作的可控氣氛熱處理設(shè)備。我國目前常用的可控氣氛有三種：放熱式氣氛、吸熱式氣氛和滴注式氣氛。它們的作用和特點歸類如下。

    a．放熱式可控氣氛  它是液化石油氣（主要成分為丙烷和丁烷）、城市煤氣或天然氣（主要成分為甲烷）等原料氣與空氣按一定比例混合后，完全靠自身的燃燒反應(yīng)（放熱反應(yīng)）而制備而成，燃燒產(chǎn)生的氣氛中CO₂和H₂O較多，無法防止脫碳，一般常作為低碳鋼和中碳鋼零件的無氧化加熱。只有經(jīng)過凈化處理的放熱氣氛才能防止零件表面的脫碳，同時有可能適于滲碳等化學(xué)熱處理的載體氣（稀釋氣）。目前國內(nèi)生產(chǎn)的流動粒子爐采用氣體燃燒的熱量來加熱顆粒，完成對工件的加熱，其爐內(nèi)氣氛即為放熱式氣氛，通常的熱處理氣氛可以滿足零件的熱處理技術(shù)要求。

    b．吸熱式可控氣氛  它是將原料氣（如液化石油氣、城市煤氣或天然氣）與空氣按一定比例混合后進(jìn)行吸熱反應(yīng)（外部加熱）制備而成。從反應(yīng)的性質(zhì)來看，吸熱式氣氛比放熱式可控氣氛中CO和H₂的含量高，CO₂和H₂O的含量明顯降低。該氣氛可用于防止零件的氧化和脫碳，用于碳氮共滲或滲碳等，其應(yīng)用十分廣泛。吸熱式氣氛的成分控制通常用露點儀或紅外線分析儀來測定，用電子裝置進(jìn)行自動控制，精度和靈敏性好，這是重要的工藝監(jiān)控手段和措施。

    需要指出氣氛中含有較多的H₂，應(yīng)注意防止出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象，要采取必要的防范措施。另外考慮到由于氣氛與鋼中的鉻元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將會造成鋼表面鉻的減少，因此不適于鉻合金鋼零件的保護(hù)加熱。

    c．滴注式可控氣氛  將甲醇(CH₃OH)、煤油和苯等碳?xì)浠衔镏苯拥稳烁邷丶訜岬臓t膛內(nèi)，通過這些有機物的高溫裂解或裂化，產(chǎn)生含有CO、H₂和CH₄等還原性的混合氣體，實現(xiàn)了零件在熱處理過程中的無氧化脫碳加熱。在生產(chǎn)中常將甲醇作為滴入劑，完成保護(hù)性加熱，考慮到其裂解產(chǎn)物碳勢較低，還需補充爐氣的碳勢，即通常要另外滴入乙醇(C₂H₅OH)、異丙醇(C₃H₇OH)和丙酮(CH₃COCH₃)等第二種液體。其滴入量和滴入劑的成分應(yīng)根據(jù)零件的材質(zhì)、裝爐量、爐膛、技術(shù)要求、密封程度、零件的裝爐方式以及保溫結(jié)束后的冷卻介質(zhì)等綜合考慮后來確定。

    通常滴注式可控氣氛具有成分制備簡單，原料來源廣，操作方面和易行，生產(chǎn)效率高，效果穩(wěn)定等優(yōu)點，因此目前國內(nèi)外熱處理企業(yè)普遍使用該類氣氛進(jìn)行零件的保護(hù)性加熱或化學(xué)熱處理，為保持爐內(nèi)成分的均勻和穩(wěn)定，在井式爐和箱式爐的上方應(yīng)添加攪拌風(fēng)機。

    青島豐東熱處理小編接觸了大量的國內(nèi)外熱處理設(shè)備，采用單一的介質(zhì)提供需要的成分十分困難，一般采用幾種液體或氣體同時滴入或通入爐膛，這樣才能滿足零件表面無氧化、脫碳的需要。在網(wǎng)帶式滲氮和碳氮共滲爐內(nèi)，為確保零件的光亮淬火或退火，一般是甲醇和氮氣同時供應(yīng)。

    (2)氨分解氣

    除了上述三種保護(hù)氣氛外，在實際熱處理過程中還可采用另外的保護(hù)措施。氨分解氣是指將氨加熱后分解為氮氣和氫氣，二者與加熱的零件不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，常用于鉻合金鋼（如不銹鋼、耐熱鋼等）的退火、釬焊、固溶以及光亮淬火等，這樣可節(jié)約大量的較高價格的純氫。當(dāng)然向爐內(nèi)通入氫氣、氮氣（中性氣體）和氦氣（惰性氣體），同樣起到保護(hù)氣體的作用。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對零件熱處理表面質(zhì)量要求的提高，真空爐已經(jīng)得到一定程度的普及和推廣，爐膛內(nèi)抽成真空狀態(tài)，使內(nèi)部的氧化性物質(zhì)（主要指氧）的含量微乎其微，確保了零件加熱或冷卻中無氧化、脫碳現(xiàn)象。也可向內(nèi)充入一定量的高純氮氣作為加熱介質(zhì)，提高加熱的效率。

青島豐東熱處理專業(yè)提供熱處理服務(wù)，可為客戶提供化學(xué)熱處理(滲碳、滲氮、碳氮共滲)、真空熱處理、等離子熱處理(離子滲氮)、常規(guī)熱處理(含深冷處理)等四大領(lǐng)域的熱處理加工服務(wù)。歡迎新老客戶來電咨詢，電話：4006577217。

“青島豐東熱處理”微信公眾號提供熱“新鮮”的處理行業(yè)動態(tài)及資訊，如果您對熱處理相關(guān)知識感興趣，歡迎關(guān)注我們，青島豐東期待與您共同進(jìn)步！