10.3.1概述
保护气氛热处理设备从20世纪90年代以来迅速发展，目前使用的保护气氛热处理炉有井式渗碳炉、密封箱式周期炉、推杆炉、网带炉、辊底式炉、转底式炉、链板炉等，其中比较成熟的、应用比较广泛的为密封箱式周期炉、推杆炉、转底式炉与网带炉四类。这些设备实现了热处理生产过程的自动化操作。
1.连续式保护气氛炉的发展和应用
在零件的热处理过程中，加热设备是提供热源的基础，也是零件完成组织转变、获得所期望的力学性能的关键所在。加热设备不仅能保证正确贯彻和执行工艺参数，而且要具有生产率高、成本低、节省能源、无污染以及自动化和机械化程度高的特点。一般加热介质为空气、燃气、保护气体、真空等。在热处理过程中，炉内气氛中含有一定量的氧气、二氧化碳、水蒸气等具有氧化性的气体，这些气体与零件中的铁和碳等原子发生化学反应，即氧化还原反应，因此不可避免地造成钢铁零件表面出现氧化、脱碳，甚至是烧损等缺陷，严重影响零件的外观质量，且力学性能变差，例如，在交变应力的作用下，零件的疲劳强度会明显降低，并对零件的使用寿命带来不良影响。
目前国内汽车零部件热处理企业，大都采用井式炉、箱式炉、盐浴炉等对零件进行正常的热处理。盐浴炉除应正常脱氧外，其盐浴的腐蚀性很大，如清洗不干净，盐渣等粘附在零件表面上，尤其是产品的沟槽、底窝内，会造成严重的腐蚀，表现形式为麻坑、曲面、剥落等，同时也产生有毒有害物质。因此，加热时应在零件表面粉刷涂料、包套或采取封箱、控制加热炉内的还原性气氛等措施，从而有效避免这种现象的发生。一般热处理过程中防止或减少零件表面氧化脱碳的措施见表10-3。
表10-3一般热处理过程中防止或减少零件表面氧化脱碳的措施
采用连续式保护气氛炉时，通过控制炉气中CO2/CO、H2 O/H2以及CH4/H2的相对含量，即可控制反应方向。所谓可控气氛是指将炉内气体混合物控制在预定范围内，其目的是有效地进行渗碳、氮碳共渗等化学热处理，以及防止钢件在加热时氧化和脱碳，采取相应的保护措施，确保表面状态和成分无变化，我国把保护气氛和渗碳气氛统称为可控气氛。
为确保零件不脱碳和保持钢表面含碳量不变，在实际生产过程中，将CO2/CO、H2 O/H2的比值控制在一个比较小的范围内，使钢的反应处于平衡状态，既不脱碳也不增碳。实现炉内气氛控制，满足零件尺寸精度的可再现性、质量稳定性和表面无氧化脱碳的处理要求，降低氧化性CO2、H2 O的含量，避免上述缺陷的产生，实现对零件热处理过程的保护。
国外自20世纪30年代开始以天然气、液化石油气等制备放热式气氛和吸热式气氛，技术逐渐成熟。匈牙利主要气门生产厂采用的技术成为20世纪50年代西方国家保护气氛热处理技术的主要发展方向，避免了气门表面在加热过程中的氧化脱碳现象，同时具有气门变形小、质量稳定、生产率高、节约能源、劳动强度低等特点。20世纪70年代碳分子筛吸附分离空气制备氮基气氛技术的开发，使保护气氛热处理技术获得了飞速发展。我国的保护气氛热处理技术在20世纪70年代后期才发展了吸热式气氛，80年代后期，滴注式气氛和氮基气氛的出现填补了我国可控气氛的空白，为保护气氛的应用提供了技术和经济上的保障。
保护气氛炉具有良好的密封性，炉内的气氛可以十分方便地调节和控制，因此可进行多种零件的热处理，如日常的标准件、轴承、弹簧、刀具和量具、发动机用气门、连杆及曲轴、弹簧钢板、各种模具等，实现了零件的无氧化脱碳处理，表面光亮，保持了原始状态，在使用中具有良好的力学性能。
保护气氛炉的工作特点为:
1)工艺的灵活性好，调节方便，节省电力，适合各种大批量和小批量的作业。
2)炉内温度和气氛的控制手段先进，温差小，气氛调节迅速，可进行自动报警和自锁。
3)设备的自动化程度高，整个热处理过程实现自动上料、加热、冷却等，生产率高。
4)炉内组分均匀，产品质量稳定。
5)炉子的密封性好，阻止外界空气进入，实现了零件的光亮热处理。
保护气氛炉与清洗机、脱脂机、回火炉、装卸料车等组成一条生产流水线，完全可满足零件批量生产的需要，为零件热处理的机械化和自动化奠定了基础。
2.常见保护气氛的类型
根据保护气氛的特点，按原材料制取方法的不同，保护气氛通常可分为四类。
（1)吸热式气氛 将原料气（液化石油气或天然气)与空气按C、O原子比为1∶1混合，加入催化剂后在外部供热的条件下，在罐内进行反应即可制成吸热式气氛。其成分与原料气的种类有关，一般各成分的体积分数为CO 20％～24％，H230％～40％，N238％～45％，少量的CO2、H2 O和CH4等。吸热式气氛主要用于气体渗碳、碳氮共渗、气体氮碳共渗等，同时也可进行钢的保护加热，该气氛的应用十分广泛，具有制取成本低、组分稳定、易于实现碳势的自动控制、零件的外观光亮等特点。
（2)放热式气氛 原料气与空气进行不充分燃烧，其产物经空冷除水后制成放热式气氛，根据气氛中还原性组分CO、H2含量的多少，分为浓型和淡型两种。
（3)净化放热式气氛 指放热式气氛经过沸石分子筛净化后，除去CO2和H2 O而获得的气氛，它广泛用于各类零件的保护加热。(https://www.daowen.com)
（4)氨分解气氛和氨燃烧气氛 将氨通入有催化剂的反应罐内，氨在一定的温度下分解，即可获得氨分解气氛（氮气、氢气和氨的混合气)；使氨与空气混合后燃烧，经冷却器干燥去水，便可制得氨燃烧气氛。氨分解气氛和氨燃烧气氛主要是氮气、氢气等保护性气体，不含有CO和CO2，因此加热过程中不会出现渗碳倾向。
气氛中的氮气和氢气适用于高铬钢、高铬耐热合金、不锈钢、镍铬合金、硅钢片等零件的光亮热处理，也可用于黄铜及铜合金的退火、低碳钢的退火、高合金钢的淬火加热、金属钎焊、钢件的高温回火等，这两种气氛应用最广。四种主要保护气氛的应用范围见表10-4。
表10-4四种主要保护气氛的应用范围
3.滴注式气氛的选择和炉内碳势的控制
根据汽车零件的技术要求，结合各种滴注式气氛的特性，下面推荐几种供参考:甲醇＋煤油，甲醇＋醋酸乙酯，甲醇＋丙酮，煤油＋空气，甲醇＋异丙醇，甲醇＋甲苯等。应当注意到甲醇是起稀释作用的，同时渗碳剂的裂解应充分和完全，这是选择气氛的基本原则。
在保护或可控气氛炉内可进行零件的各种热处理，要保持零件表面获得理想的状态，一个重要的炉内技术指标为碳势，它是表示含碳气氛在一定的温度下，改变零件表面含碳量能力的参数，也表示碳从一相溶入另一相的能力。
在保护或可控气氛炉内加热零件时，要对表面的含碳量加以控制，其实质是控制炉内气氛的组分，目前多采用氧探头控制，也实现了计算机的多参数碳量控制，而用电阻探头控制碳势是唯一直接控制碳势的方法。
4.保护气氛炉的特性和防爆措施
保护气氛炉具有的基本特性为:炉子的密封性好；设备的机械化和自动化程度高，具有保护装置和自动报警装置；炉内气氛均匀，温度的波动小；有安全防爆装置。
为了避免保护气氛炉发生爆炸，对于800℃以上工作的保护气氛炉，在升温过程中可采取两种措施:①在设备升温前将氮气或保护气氛通入炉膛内，驱赶炉内的空气，在确认炉内空气基本干净后，可升温通气，在800℃前炉子必须处于正压状态；②采用压缩空气吹扫炉膛，驱走可能存在的可控气氛后，升温到800℃通入保护气氛，通常认为保护气体体积为炉膛体积的5倍大小时，炉内和烟道等内的空气被置换完毕。对于在800℃以下工作的炉子，采用中性气体（氮气等)、可控气氛等吹扫炉膛或置换炉内空气，直到炉内气氛符合要求，然后升温通入保护气氛进行零件的热处理。
从上面的措施来看，炉内不允许存在空气是炉子升温的前提条件。当空气增加与保护气氛降到着火范围内，若有火星存在就有爆炸的可能。为防止800℃以下炉子吸入空气积累，一是炉子的密封性好，二是炉内处于正压状态，三是要求采用中性气氛（如氮气等)。
5.保护气氛炉的发展方向和趋势
1)进一步将工艺、设备和先进技术相结合组成智能化计算机在线控制的保护气氛热处理生产线，炉内气氛控制可靠，工艺的重复性好。
2)研制开发性能优异的传感器用于保护气氛生产的技术参数测试、监控和故障调节控制等，炉型趋向多用炉，安全操作设施不断完善。
3)低压真空渗碳技术的应用范围进一步扩大，真空与保护气氛相结合，减少气体的消耗量。
4)气体淬火技术的应用范围进一步扩大。
5)提高处理温度、缩短工艺时间的高温渗碳技术进一步发展。
6)开发更安全环保的密封气氛热处理炉淬火系统等。
6.连续式保护气氛炉的类型
连续式保护气氛炉作业的特点是:生产率高，适合大批量作业；设备的机械化和自动化程度高；炉内分为加热、保温和冷却区域，可分别控制各区的功率，炉温的均匀性好等。根据零件在炉内的运动形式的差异，保护气氛炉主要分为以下几种:
（1)网带式保护气氛连续作业炉 将工件放在传送带上（或网带上)逐渐向前移动，完成零件的热处理。该类设备适合于中小零件的淬火、正火、退火、回火、碳氮共渗等热处理工艺，是目前国内外汽车零部件行业推广使用的热处理炉。
（2)振底式保护气氛连续作业炉 将零件直接放在炉底上，靠炉底的往复振动使零件向前运动。该类设备适合螺栓、垫片、轴承等中小零件的热处理。
（3)推杆式保护气氛连续作业炉 将工件放在料盘上，料盘在炉底板导轨上向前移动（或脉动)。该类设备广泛应用于汽车、拖拉机轴承等机械零件的热处理，可用于气体渗氮、碳氮共渗、退火等热处理工艺。