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(shí)，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(shí)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(shí)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(yàn)證后才能確定采用何種保護(hù)氣氛，這對(duì)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(gè)合理的范圍內(nèi)，實(shí)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。控制好爐氣中CO₂/CO和H₂O/H₂的比值，就能完全控制整個(gè)化學(xué)反應(yīng)的趨勢(shì)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)表面質(zhì)量狀態(tài)的影響。查找AD線在950℃時(shí)，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(gè)反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。此時(shí)鋼表面無氧化和脫碳現(xiàn)象發(fā)生，即可實(shí)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(huì)發(fā)生變動(dòng)，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(shí)，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(huì)同時(shí)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(shí)，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(diǎn)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)應(yīng)當(dāng)切實(shí)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(jià)格等。在實(shí)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(shí)現(xiàn)零件的表面狀態(tài)的清潔和成分的穩(wěn)定。