钢的热处理气氛与表面保护

热处理气氛实际控制的内容

气氛作为化学边界条件

热处理气氛并不只是充满炉膛的气体，而是工件装料在加热、保温和冷却过程中，钢材表面所处的反应环境。其组成决定了氧化、还原、渗碳、脱碳及其他表面反应所遵循的化学边界条件。钢材响应的是这一局部环境，而不仅仅是炉温控制器显示的温度。

在高温下，气体会与表面交换原子。含氧组分能够形成铁氧化物并产生氧化皮。水蒸气会加速氧化，并导致碳损失。含碳组分既可能向表面补充碳，也可能将碳从表面带走，具体取决于气体反应与钢中碳活度之间的平衡。因此，二氧化碳、一氧化碳、氢气、甲烷、氧气和水蒸气之所以重要，是因为它们是参与反应的组分，而不仅仅是“保护性”气体的标签。

氧化会产生氧化皮，而表层碳损失会导致脱碳。 Strong evidence

美国商务部国家标准局《Heat Treatment and Properties of Iron and Steel》（《铁和钢的热处理与性能》，1966年）直接指出了两项主要的表面风险：氧化会产生氧化皮，而表面层失碳会导致脱碳。该手册还说明，燃烧产物中的水蒸气会造成不利影响。这些影响彼此相关，但并不相同。表面可能几乎没有明显氧化皮，却已经发生碳分布改变。反过来，零件也可能保留大部分碳，同时带有会妨碍尺寸控制、检验、焊接或后续精整的氧化膜。

碳势碳势 气氛在特定温度下施加的碳活度，用于表明碳倾向于进入还是离开钢材表面。

碳势是对气氛在规定温度下向奥氏体钢添加或移除碳的倾向的实际表达。如果气体的有效碳活度低于钢材表面的碳活度，碳会向外扩散，从而产生脱碳。如果气体的有效碳活度较高，碳会进入表面，可能发生渗碳。当两种活度达到平衡时，就碳传递而言，气氛大致处于中性状态；但最终结果仍取决于时间、温度、合金成分、气体流量和表面状态。

ASM International 的《Furnace Atmospheres for Heat Treating》（《热处理炉气氛》）将气体反应、主要气体和蒸气，以及与气氛有关的钢材脱碳列为热处理的核心课题。ASM Handbook 第4B卷还介绍了通过测量或利用涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的关系来控制碳势的方法。这就是为什么碳势设定值不能替代气氛测量。相关化学状态可以通过多个受监测变量进行推断，但这些变量必须能够描述实际到达装料处的气体状态。

表面响应在冷却过程中仍可能继续。在适宜气氛中进行奥氏体化，并不保证表面洁净；如果装料在降至这些反应仍具有影响的温度以下之前，经历了氧化性或脱碳性气氛，表面仍可能受到影响。淬火也可能使高温钢材暴露于水蒸气、氧气或控制不良的气体中。因此，气氛控制属于完整热循环的一部分，而不仅限于保温阶段。

为什么仅有整体温度还不够

温度决定反应速率和相变，但不能规定表面化学状态。即使两批炉料显示的温度均为850 °C，只要气体条件不同，出炉后的冶金结果也可能不同。一批炉料可能具有受控的碳势和较低的氧化倾向；另一批则可能含有足量的含氧组分或水分，从而形成氧化皮并造成失碳。热电偶读数无法区分这两种结果。

当所需结果包括明确的表面碳梯度时，这一区别尤为关键。以为淬硬而加热的亚共析铁素体钢为例，短距离的脱碳层在淬火过程中可能与未受影响的芯部发生不同的转变，即使芯部达到了预定的奥氏体化温度，表面仍可能较软。由于氧化皮有限，零件可能通过外观检验，但在硬度梯度测试、金相检验、耐磨要求或疲劳要求方面失败。对于渗碳钢种，过量的碳传递同样不可接受：渗层可能比工艺规范允许的更深或碳含量更高，并由此影响残余奥氏体、碳化物形成、变形和尺寸稳定性。

温度均匀性还会造成另一种虚假的安全感。炉内各测量区域之间的温差可能很小，但由于装料排列、气体循环、炉门泄漏、燃烧器产物或排出气氛的影响，工件表面实际经历的气体条件可能不同。带有隔热保护的热电偶可能报告预定温度，而靠近开口的零件却可能受到氧化性气流的作用。此时，控制器对温度的判断是正确的，但对工艺结果的判断却是错误的。[1][1] Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes. Cambridge University Press. Cambridge University Press chapter, 2012. Cambridge University Press publication

剑桥大学出版社出版的章节《Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes》（《生产过程中金属保护的气氛控制》，2012年）区分了加工前的再加热与最终热处理。这一区别十分重要，因为锻造前可容忍的氧化皮可能在后续加工中被去除，而最终淬硬后的氧化皮或脱碳则可能直接改变交付零件的性能。无论哪种情况，未经控制的氧化性气氛都可能导致钢材产生氧化皮和脱碳；但其可接受的后果并不相同。

表面反应还取决于时间。装料或转移过程中的短暂偏离，对于某种几何形状可能无关紧要，而对另一种几何形状则可能造成损害。薄边、螺纹、尖角和高比表面积表面的响应速度可能快于厚截面。合金元素可能改变氧化行为，但并不能免除对边界条件进行控制的必要性。因此，“炉温已经达到设定值”并不是一份完整的工艺记录。

保护与工艺控制的区别

保护意味着限制可见氧化、氧化皮及相关表面损伤。工艺控制则更进一步：它要求气氛能够稳定、重复地产生规定的表面化学状态。这一区别决定了一个零件只是外观看起来洁净，还是在冶金学上真正合格。

富氮或其他低氧化性环境可能抑制明显的氧化皮形成，但如果碳势不正确，仍可能发生脱碳。因此，仅因某种气体能够防止变色而选择它，可能并不适用于淬火、退火、正火或渗碳。应提出的问题不是“表面是否保持光亮”，而是“表面是否以允许的方向和数量与气体交换了氧、碳、氮或氢？”

ASM International 在2017年关于炉内气氛控制的论述中，将控制分为两大类：炉内气氛控制和供给气氛控制。供给气氛控制涉及输送至炉内的气体或混合气体，包括其制备、混合、纯度、压力和相关组成。炉内气氛控制则涉及加热室内部以及工件表面实际存在的气氛状态；泄漏、燃烧、解离、与夹具反应以及与装料反应，都可能改变所供气体的状态。经过正确制备的供给气体，可能产生不正确的炉内气氛。反之亦然：炉膛内的读数可能看似合格，但供气系统并不稳定，导致下一批装料暴露于不同的气氛条件。

测量和验证必须与预期结果相匹配。与氧势或露点有关的读数可以揭示氧化倾向，而涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的关系则有助于控制碳势。测量位置很重要，响应时间同样重要。靠近进气口的传感器未必能够代表密集装料周围的气氛。

这也是为什么不能将气氛控制与涂层或后处理规范混为一谈。ISO 17834:2003 涉及用于防止腐蚀和高温氧化、适用温度最高达1000 °C（1273 K）的热喷涂金属涂层。ISO 12944-4:2017 涉及碳钢和低合金钢结构的表面处理等级，包括未涂层、热喷涂、镀锌、电镀、渗锌和涂漆表面。这些标准针对的是保护性表面或其制备过程，并不能替代奥氏体化过程中的碳势控制。

对于与焊接及相关工艺有关的热处理，ISO 17663:2023 规定了在空气或受控气氛中进行热处理的质量要求，主要适用于铁素体钢以及在车间或现场进行的作业。其适用范围进一步印证了核心观点：气氛是质量受控作业的一部分。仅凭炉温记录，无法证明氧化得到了限制、脱碳保持在规范范围内，或预期的表面碳分布在整个热循环后仍然保持不变。

氧化、氧化皮与钢材表面

加热过程中氧化皮如何形成

氧化皮是加热的钢表面与炉内环境中含氧物质发生反应所形成的氧化物。该反应并不只需要游离氧气。水蒸气、二氧化碳，以及随燃烧产物进入或由漏气带入的氧气，都可能参与反应；反应速率则受温度、暴露时间、气体成分、钢的成分以及加热前表面状态等因素控制。

在高温下，表面的铁向含氧物种转移电子。其结果可能包括氧化亚铁（wüstite，FeO）、磁铁矿（Fe₃O₄）和赤铁矿（Fe₂O₃）等铁氧化物。这些相不一定以相同比例出现，不能仅凭颜色将可见的深色膜指定为某一种成分。最外层氧化物可能不同于紧邻金属的氧化层，而合金元素则可能改变氧化皮的结构或形成独立的氧化物。薄而附着牢固的膜，以及厚重、开裂且附着松散的氧化皮，虽然都属于“氧化物”，但其冶金学意义并不相同。

美国商务部国家标准局在 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel（《铁和钢的热处理及其性能》，1966年）中指出，氧化是形成氧化皮的原因，而表面碳损失则称为脱碳。该资料还说明，燃烧产物中的水蒸气具有不利影响。这一区分十分重要，因为氧化和脱碳可能同时发生，但并不是同一个反应。氧化会消耗或转化表面金属；脱碳则会降低钢中紧邻表面区域的碳浓度。因此，某种炉况可能产生可见的氧化皮层、贫碳区，或二者同时产生。

随着加热周期的进行，氧化皮的形成也会发生变化。早期氧化可能形成相对连续的膜。持续生长会使氧化皮变厚并降低其附着性，尤其是在热膨胀、炉内操作或相变应力使其受到扰动时。反复加热和冷却会导致开裂和剥落。随后，氧化皮可能从工件上脱落并暴露出新鲜钢材，从而允许另一个氧化周期发生。脱落的材料并非无害碎屑：它可能划伤轧辊、堵塞炉底、污染模具，并在材料随后进行锻造、轧制或机加工时造成尺寸波动。

剑桥大学出版社的章节 “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes”（《生产过程中金属保护的气氛控制》，2012年）将为加工而进行的再加热与最终热处理区分开来。这一区分至关重要。在锻造或轧制的再加热过程中，部分氧化皮可以通过除鳞、变形、酸洗、喷丸或后续机加工去除。只要氧化皮及任何受影响的金属都能在不损害所需截面的情况下被去除，该工艺便可以容忍一种对于成品部件而言不可接受的表面变化。

最终热处理的容许度较低。奥氏体化、淬火、回火、退火和去应力处理，除了可能要求形成特定的整体显微组织外，也可能要求获得特定的表面状态。氧化皮会改变尺寸，妨碍淬火时的接触，遮盖磨削痕迹或裂纹，并影响后续加工余量。它还可能改变目视检验、磁粉检验或其他检验方法的结果。即使零件的芯部达到规定硬度，如果其氧化状态和碳状态未得到控制，仍可能因不符合表面要求而失效。

氧化性物种与炉体漏气

气氛只有相对于其所抑制的反应而言才具有保护性。因此，炉内气氛控制既涉及输送至炉内的气体，也涉及炉体阻止非期望气体进入的能力。ASM International 的 ASM Handbook 第4B卷（2017年）将“炉内气氛控制”和“供给气氛控制”确定为两大控制类别。炉门敞开、密封失效、马弗罐损坏、燃烧器调节不当，或导致空气被吸入高温区的压力状态，都不是仅靠气体质量可以弥补的。

空气泄漏会带入分子氧、氮气和水分。氧气支持直接氧化，而水蒸气不仅能与铁反应，还能参与改变钢表面碳势的反应。二氧化碳是另一种活性成分。在含有一氧化碳和二氧化碳的气氛中，这两种气体之间的平衡会影响表面趋向于增碳、脱碳，还是与钢材接近平衡。相关状态并不只是取决于某种气体是否被称为“保护性”气体；关键在于工件表面处的化学势。

ASM 2017年关于炉内气氛的资料将气体反应、主要气体和蒸气，以及与气氛有关的钢材脱碳，视为热处理技术的核心内容。Steel Heat Treatment Handbook（《钢的热处理手册》，CRC Press，2014年）同样讨论了二氧化碳、氨及其他活性气体与抗氧化性和表面碳控制之间的关系。例如，在适当的工艺中，氨可以提供氮，但其分解产物以及由此产生的氢氮平衡，并不意味着氨是通用的防氧化皮气体。每种气氛都必须与钢种、温度、炉体设计、装料方式以及所需的表面碳状态相匹配。

水蒸气需要特别关注，因为即使炉子看似密封，水蒸气仍可能存在。燃烧加热会将水作为正常反应产物生成，而潮湿的装料、冷却系统泄漏、潮湿的供给气体或干燥措施不当，都可能带来更多水分。因此，露点、氧分压、二氧化碳以及相关测量值，可能比单独的气体名称提供更有用的工艺信息。ASM第4B卷介绍了通过涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的测量值或关系来控制碳势的方法。这些变量有助于确定表面会发生氧化、脱碳、渗碳，还是保持接近预定的钢材化学成分状态。

所需气氛还取决于操作目的。用于热加工的再加热炉可以接受受控氧化，随后通过机械方法去除氧化皮；而用于渗碳件或高碳部件最终淬硬的炉子，通常要求对氧化皮和碳活度进行严格得多的控制。将这两种操作视为等同，会有可能接受一种最终导致后续检验或服役要求失效的表面状态。

ISO 17663:2023规定了在空气或受控气氛中进行热处理的质量要求，主要适用于铁素体钢，并涵盖与焊接及相关工艺有关的车间内和现场作业。它并未将气氛控制变成一种固定的气体配方，而是强化了过程观念：气氛、设备、监测、记录以及规定的结果必须相互一致。

氧化皮去除及其冶金学后果

去除氧化皮并不等同于恢复原始钢材表面。机械除鳞可以露出完好金属，但也可能在凹坑中残留氧化物，产生刮削伤，或形成具有方向性的痕迹。抛丸和磨料喷射会改变粗糙度，并可能使边缘变圆。酸洗通过化学侵蚀溶解氧化物，但过度酸洗或控制不当可能增加粗糙度，或在易受影响的高强度钢中引发与氢有关的问题。磨削可以去除氧化皮及其附近的受影响金属，但会改变尺寸，并可能产生局部加热。

最严重的错误，是去除可见氧化物后便认为其冶金学影响已经消失。如果氧化伴随着脱碳，贫碳层可能延伸至氧化皮以下。除鳞并不能恢复该层的碳含量。根据钢种和处理方式的不同，受影响的层可能需要机加工去除、重新处理，或者只有在试验证明其仍符合规范后才能接受。表面硬度、硬化层深度、疲劳性能和裂纹敏感性，都可能取决于清理后表面以下所残留的状态。

氧化皮去除还可能影响检验结果。厚氧化层可能遮盖不连续性，而强力清理可能使紧密缺陷张开，从而更容易被发现。表面粗糙度可能增加磁粉检验或渗透检验中的显示，残留的磨料或化学污染物则可能干扰涂层或镀层。因此，检验方法、验收标准和清理工艺必须结合考虑，而不能被视为彼此独立的车间步骤。

并非所有深色表面都需要出于同一原因而去除。薄而附着牢固的氧化膜、分层的高温氧化皮、回火色，以及处理气氛留下的残留物，在成分、厚度、附着性和对性能的影响方面都可能不同。仅凭外观不足以作出判断。当表面状态至关重要时，可能需要进行表面检查、硬度测量、金相检验，或化学成分和尺寸验证。

另有一些标准针对后续防护，而不是炉内气氛本身。ISO 17834:2003涵盖用于防腐蚀和高温氧化防护的热喷涂金属涂层，适用温度最高达1000 °C（1273 K）。ISO 12944-4:2017规定了碳钢和低合金钢结构的表面处理等级，并区分未涂覆表面、热喷涂表面、镀锌表面、电镀表面、渗锌表面和涂漆表面。这些分类并不能为不良的炉内控制开脱。涂层可以保护经过适当处理的表面，但无法可靠纠正未经测量的脱碳层、尺寸损失，或缺陷中夹带的氧化物。表面防护始于对加热过程中钢材—气氛反应的控制。

脱碳与表面碳控制

脱碳是钢在加热过程中表面碳的损失。它不同于氧化。氧化会与铁和合金元素发生反应，形成氧化皮；而脱碳则会改变氧化皮下方钢材的化学成分，有时也会与氧化皮的形成同时发生。因此，炉内可能产生外观光亮但碳损失超标的表面，也可能形成氧化皮，而其下方的碳含量仍接近规范要求。

美国国家标准局手册 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel（《铁和钢的热处理与性能》，1966 年）明确指出了这两种风险：使用保护性气氛是为了防止表面氧化或形成氧化皮，以及防止表层碳损失或脱碳。该手册还说明，燃烧产物中的水蒸气会产生不利影响。这一区分十分重要，因为处理后去除氧化皮并不能恢复已经从钢中扩散出去的碳。

完全脱碳、部分脱碳和局部脱碳

完全脱碳是指在整个受影响层内，原有的含碳组织基本被去除或转变，从而形成一个表面区域。在亚共析钢中，加热可能会留下铁素体表层，而原本应存在珠光体或其他含碳组织的位置则被改变。淬火后，该表层无法形成与未受影响材料相同的富碳马氏体。“完全”描述的是脱碳区域内部的状态，而不是整个零件截面的状态。

部分脱碳表现为一种梯度。碳含量由芯部向表面逐渐降低，所得显微组织也会在过渡区域内连续变化。淬火后，外部附近可能形成低碳马氏体，向内则可能依次出现高碳马氏体、贝氏体或预期的芯部组织。表面可能通过目视检查，但其碳含量仍不足以达到规定的硬度或耐磨性。

局部脱碳仅限于特定区域，并非均匀分布在整个零件周围。其原因包括炉体泄漏、炉门密封不良、燃烧器火焰冲击、零件之间的间隙、受污染的工装、暴露的边缘，或局部气体循环差异。薄截面和尖锐边缘的响应可能不同于宽大平面，因为它们的表面积与体积之比以及传热条件不同。对大型零件进行一次硬度扫描，可能会漏检此类缺陷。

相对碳浓度

脱碳的深度和严重程度取决于温度、时间、钢材成分、表面状态、气氛化学性质和气体流动。相关要求应根据实际工艺确定，而不应套用统一的通用限值。金相检验、显微硬度扫描、碳含量分析，以及与已知未受影响区域的比较，可以区分浅层成分梯度和较深的组织变化。仅在中心位置测得的硬度值，不能证明表面受到了保护。

剑桥大学出版社在 Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes（《生产过程中金属保护的气氛控制》，2012 年）中区分了用于加工的再加热与最终热处理。对于后续锻造作业，不受控制的氧化性条件可能具有不同程度的可接受性；但在最终淬硬周期中，表面化学性质会直接影响成品性能。因而，必须由工艺目标来界定可接受的碳变化范围。

碳势与平衡反应

碳势是气氛在规定温度下施加的碳活度。从实际意义上说，它是指当参照铁或钢表面与该气体达到平衡时，该表面趋近的碳含量。碳势并不简单等同于炉内一氧化碳的百分含量。当温度、压力、水蒸气、二氧化碳或气体混合状态发生变化时，即使名义气体成分相同，也可能产生不同的表面状态。

在渗碳过程中，气氛的碳势高于钢材表面的碳活度。在温度和暴露时间允许的条件下，碳会进入奥氏体并向内部扩散。在中性处理过程中，需要调节气氛，使表面既不明显增碳，也不明显失碳。在脱碳条件下，气体的碳势低于钢材表面，因此碳会向外扩散，并与氧化性物种发生反应。

有几种可逆反应可以描述这种控制过程。一氧化碳可以参与表面反应：

\[ 2CO \rightleftharpoons CO_2 + C \]

其中，析出的碳可以进入奥氏体。水煤气反应为：

\[ CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2, \]

该反应会改变一氧化碳和二氧化碳的相对含量，从而改变气氛的碳活度。二氧化碳还会与钢材表面的碳发生反应：

\[ CO_2 + C \rightleftharpoons 2CO. \]

这些反应并非彼此孤立地进行。钢材、氧化皮、烟灰、炉内耐火材料以及工件几何形状，都可能改变局部平衡状态和反应速率。

ASM International 的 ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys（《ASM 手册》第 4B 卷：铁合金热处理）将炉内气氛控制和供给气氛控制确定为两大主要控制组。前者涉及炉内条件；后者涉及气体进入热区之前的生成、净化、混合、干燥和输送。正确设定的炉温并不能弥补湿气体、不稳定的发生器、空气泄漏或故障传感器造成的问题。[2][2] ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys. ASM International. ASM Handbook, 2017. ASM International, ASM Handbook Volume 4B

ASM 还说明，可以通过涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的关系来控制碳势。通过测量水蒸气和二氧化碳，可依据气体比例推断平衡状态。氧探头测量氧分压，并结合参比系统和温度补偿来计算碳势。只有当探头、取样装置、气体循环和校准状态均适用于炉内条件时，该测量才具有实际意义。单一位置的读数可能无法代表气体循环不良的工作区。

氧分压氧分压 衡量气氛中氧组分热力学贡献的指标，用于评估其氧化钢材的倾向。

氧分压尤为重要，因为即使很小的氧化性势也可能消耗表面碳。下列简化反应：

$$C+H_{2}O\to \mathrm{CO}+H_2$$

以及

$$C+{\mathrm{CO}}_2\to 2\mathrm{CO}$$

说明了水蒸气和二氧化碳为何能够推动碳损失。铁的氧化可能同时发生，形成氧化皮，并改变碳必须通过其扩散的界面。因此，一种气体即使因几乎不含游离氧而看似具有“保护性”，仍可能通过其中的水蒸气或二氧化碳使钢材脱碳。

为什么表面硬度可能不同于芯部硬度

硬度取决于碳含量、相变、冷却速率和回火历史。表面和芯部经历的碳活度及热条件不同，因此不一定会产生相同结果。在整体淬硬周期中，脱碳表面可能转变为低碳马氏体或铁素体加马氏体，而芯部则形成预期的高碳马氏体。中心硬度可能达到图样要求，但工作表面却不合格。

对于淬硬钢，这一后果十分严重：较低的表面碳含量会降低可达到的马氏体硬度，并可能降低耐磨损、抗压痕和抗滚动接触损伤的能力。工具钢尤其敏感，因为切削刃和接触面依赖于受控的碳含量和合金碳化物形成。即使工具柄部检测合格，脱碳的刃口仍可能失去硬度。

SAE 52100 等轴承钢要求严格控制表面碳含量，因为滚动接触应力作用在靠近滚道和滚动体表面的区域。软化层或成分梯度层可能改变残余应力、残留奥氏体、碳化物溶解状态以及裂纹敏感性。仅凭芯部硬度无法验证轴承热处理是否合格。

低合金钢也可能出现同样的差异，尽管其淬透性可能使碳耗尽的表层下方仍保有大范围的淬硬芯部。因此，表面显微硬度分布、腐蚀后的截面以及碳梯度测量，比一次整体硬度读数更具信息量。

ISO 17663:2023 规定了空气中或受控气氛中进行热处理的质量要求，主要适用于焊接及相关工艺中的铁素体钢，包括车间和现场作业。它提供的是质量框架，而不是通用的碳势配方。同样，ISO 17834:2003 涉及用于防腐蚀和高温氧化防护、最高使用温度达 1000 °C（1273 K）的热喷涂金属涂层；ISO 12944-4:2017 则对碳钢和低合金钢结构的表面处理状态进行分类。这些涂层实践都不能替代奥氏体化、渗碳、中性淬硬或回火过程中对碳活度的控制。表面防护和表面碳控制必须作为相互独立且可验证的工艺要求加以规定。

主要炉内气氛类别

炉内气氛是热处理系统的一部分，而不仅仅是包围工件的气体。其组成决定钢材表面的化学势，而温度则决定反应速率、扩散、氧化皮形成和碳传递。因此，同一种名义上的气体，在低温、轻载炉内与在含有油、氧化皮、粘结剂或大量钢材的高温炉内，可能产生不同的结果。ASM International 的 ASM Handbook 第4B卷将气氛控制分为两大类：炉内气氛控制和供气气氛控制。前者涉及炉体、密封件、燃烧器、循环系统、传感器和装炉；后者涉及气体的生成、净化、混合、输送和监测系统。

空气和燃烧衍生气氛

空气是最简单的炉内气氛，通常也是控制程度最低的气氛。氧气、氮气、水蒸气，以及来自炉体、夹具、润滑剂和工件表面的污染物，都会参与同热钢之间的反应。在氧化性条件下，铁氧化物形成并长大为氧化皮。在适宜的温度和气体组成下，碳也会以一氧化碳或二氧化碳的形式从钢材表面逸出，从而形成脱碳层。美国国家标准局1966年的手册 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel 将氧化皮和脱碳均确定为主要表面风险，并特别指出燃烧产物中的水蒸气具有有害作用。

然而，在可以接受表面氧化，或后续工序包括机械加工、磨料清理或去除牺牲性表面层时，也可以有意选用空气。剑桥大学出版社在其2012年章节“Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes”中，区分了热加工再加热与最终热处理。再加热过程中形成的氧化皮可能被视为制造过程中的可接受后果；而在淬硬、回火或退火过程中形成的氧化皮和碳损失，则可能使所要求的表面状态失效。对于 C45 等碳钢（在 EN 10083-2 中 обознач为 1.0503），以及 42CrMo4 等合金钢牌号（ обознач为 1.7225），这一点都很重要。热处理规范必须明确表面化学状态是否属于验收要求。

燃烧衍生气氛的范围从强氧化性的燃烧产物，到通过控制燃料、空气、过量氧气和水分而有意调节的混合气体。仅凭“燃烧气体”或“燃烧气氛”这一表述，无法推断其行为。燃料组成、燃烧器调节状态、空气从炉体泄漏进入的程度、露点、炉温，以及气体流量与炉料负荷之比，都会改变钢材表面的氧势和碳势。在密封不良的炉内，名义上具有还原性的燃烧产物可能在炉门、裂缝或排气通道附近局部变成氧化性气氛。

吸热型、放热型、氮基气氛和真空环境

制备的保护性气氛通常分为吸热型和放热型。吸热型气体是通过在催化剂上使碳氢燃料与空气反应制得的，通常经过调节后用于渗碳、中性淬硬或补碳。放热型气体则在不同的空气燃料比条件下生成，可用于需要相对干燥、低氧环境的场合。这些名称描述的是气体的制备路线，并不保证特定的冶金结果。即使两台炉都使用“吸热型气体”，只要其发生器、露点、碳势控制、循环模式或泄漏状况不同，就可能产生不同的表面反应。

对于钢材而言，当热处理必须保持或改变表面碳含量时，碳势是决定性因素。ASM 2017年关于炉内气氛的资料指出，水蒸气、二氧化碳和氧分压之间的关系，可用于评估或控制碳势。测量和控制计算必须与炉温及实际气体化学组成相联系。低碳势气氛可能使高碳工具钢脱碳，而过高的碳势则可能使低碳表面渗碳，或形成不希望出现的富碳层。将气体称为“保护性气体”并不能避免上述任何一种结果。

氮基环境可以采用工业氮气供给，也可以使用含氮气并添加氢气、一氧化碳、甲烷或其他组分的混合气体。氮气可降低氧化性物种的浓度，但在所有钢材工艺中都不会自动表现为惰性气体。残余氧气和水分仍可能形成氧化皮。在高温下，氮气可能与合金元素及表面反应发生相互作用；少量氢气则可能改变还原行为，并影响安全控制。富氮气体还可能将渗碳气氛或中性气氛稀释到足以改变碳势的程度，即使炉内分析仪显示氧含量读数稳定。

真空炉通过移除大部分气相来工作，而不是用固定组成的保护性混合气体取代空气。这会显著降低加热过程中的氧化，但最终效果取决于极限压力、漏率、抽气导通能力、炉体清洁度、油和粘结剂的放气，以及炉料暴露表面积。耐火材料或受污染工件释放的水蒸气可能重新进入炉室，并同热钢发生反应。真空也无法恢复表面已经损失的碳。对于 X153CrMoV12 等钢种（根据 EN ISO 4957 обознач为 1.2379），真空淬硬可以在奥氏体化过程中保护表面，但碳的控制仍取决于材料此前的状态以及完整的工艺顺序。

含二氧化碳或氨的反应性添加气体

有些气氛含有化学活性气体，而不仅仅是起保护作用的气体。二氧化碳就是一个重要例子。在热处理温度下，CO₂参与一氧化碳、碳和含氧物种之间的平衡。其作用取决于温度、浓度、气体停留时间、钢材表面状态，以及伴随存在的一氧化碳、H₂、H₂O和碳氢化合物含量。过量 CO₂ 会降低碳势并促进脱碳；在其他条件下，它又可能成为受控反应体系的一部分，用于设定目标表面碳含量。因此，气体分析仪测得的 CO₂ 读数本身并不是碳势测量值。

氨会引入另一组反应。裂解氨可提供氮气和氢气；当温度、裂解率、流量和钢材化学成分得到控制时，含氨气氛可支持渗氮或氮碳共渗。表面氮活度决定是否形成氮化物，以及氮向内部扩散的深度。含铬、钼、铝和钒的钢材会表现出不同的响应，因为其合金氮化物的稳定性不同，对硬度和韧性的影响也不同。氨还可能通过其分解产物影响氧化和还原反应。Steel Heat Treatment Handbook（CRC Press，2014年）将二氧化碳、氨和其他反应性气体视为会同时影响抗氧化性和表面碳控制的气氛组分。

反应性添加气体可能是有意引入的，也可能通过燃烧产物、泄漏、清洗残留物或炉料分解而意外进入。装炉量会改变平衡：大量含油工件可能消耗反应性物种并生成额外的含碳气体，而空炉则可能在控制器设定相同的情况下，使钢材暴露于化学组成不同的气氛中。因此，ISO 17663:2023 将空气中或受控气氛中的热处理界定为一项质量要求，主要适用于铁素体钢，以及在车间或现场进行的作业，而不是简单的气体选择问题。

炉外的表面保护属于另一项控制内容。ISO 17834:2003 涉及用于防腐蚀和高温氧化保护、最高适用温度达 1000 °C（1273 K）的热喷涂金属涂层；ISO 12944-4:2017 则对碳钢和低合金钢结构的表面处理等级进行分类，包括未涂覆、热喷涂、镀锌、电镀、渗锌和涂漆表面。这些系统不能替代奥氏体化、退火、渗碳、渗氮或回火过程中对炉内气氛的控制。气氛必须作为工艺条件加以规定和验证：气体种类、温度、流量、水分、泄漏、装炉量和碳势都属于冶金结果的一部分。

炉内气氛反应的化学原理

炉内气氛并不是包围高温钢材的被动保护层，而是一个反应体系，其中气体—金属反应、气体—气体反应、传质和表面扩散会同时发生。其结果取决于温度、压力、气体组成、流量、炉体泄漏、工件装载量以及钢材当前的表面状态。因此，即使炉温保持在正确水平，湿气或二氧化碳含量的微小变化也可能改变氧化皮的形成，或改变最外层金属的碳含量。

ASM International 在 2017 年对炉内气氛控制的论述中，将这一主题分为两大控制组：炉内气氛控制和供气气氛控制。前者涉及炉内实际存在的气氛；后者涉及进入炉内的气体及其供应一致性。两者都十分重要。即使气体规格设定正确，只要空气通过炉门密封处、压力不平衡区域或出现裂纹的炉罐进入，也可能形成具有破坏性的炉内气氛。

水蒸气、氢气、一氧化碳和二氧化碳

水蒸气尤其重要，因为它能够同时氧化铁并改变表面碳含量。蒸汽氧化铁的简化表示如下：

简化反应表示： \[ \mathrm{Fe + H_2O(g) \rightleftharpoons FeO + H_2(g)} \]

该方程式并不能完整描述炉内实际发生的行为。根据温度和氧势的不同，实际氧化可能生成方铁矿（FeO）、磁铁矿（Fe₃O₄）和赤铁矿（Fe₂O₃）。合金元素还可能形成其他氧化物，氧化皮也可能形成多个层次。该方程式显示了一个重要的竞争关系：提高水蒸气与氢气的比值会促进氧化；而在其他气体受到控制的情况下，富氢且干燥的条件会降低氧化倾向。

因此，氢气不仅是惰性稀释气体。氢气—水蒸气比通常被用作氧势指标，因为下列反应：

简化反应表示： \[ \mathrm{H_2(g) + \tfrac{1}{2}O_2(g) \rightleftharpoons H_2O(g)} \]

将氢气、蒸汽和氧的化学势联系起来。氢气也能够还原某些氧化物，但这并不保证表面洁净。在钢材温度下，关键问题在于：对于特定钢种、温度和表面反应而言，整个气体混合物的氧势是否足够低。不锈钢和合金钢的行为可能不同于普通碳钢，因为铬、硅、锰及其他元素会形成稳定性不同的氧化物。

水蒸气还会影响脱碳。溶解于奥氏体中的碳可以间接与蒸汽反应，生成一氧化碳和氢气：

简化反应表示： \[ \mathrm{C_{(dissolved)} + H_2O(g) \rightleftharpoons CO(g) + H_2(g)} \]

碳原子由钢材表面提供，因此即使钢材内部仍接近原始成分，该反应也可能降低表面碳含量。美国国家标准局 1966 年发布的手册将氧化和碳损失确定为热处理中的主要表面风险，并特别指出燃烧产物中的水蒸气具有有害作用。可见的结果可能是氧化皮；不易察觉的结果则是形成贫碳层，并在淬火后改变硬度响应。

一氧化碳和二氧化碳直接参与碳传递。其关键平衡反应为：

简化反应表示： \[ \mathrm{2CO(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + C_{(surface)}} \]

当气体条件有利于碳沉积时，碳可以进入奥氏体。当钢材的碳活度高于周围气氛所能维持的水平时，碳便会离开表面，并形成一氧化碳或二氧化碳。该反应是简化表示，因为在通常的渗碳条件下，沉积或吸收的碳并不是游离的石墨膜，而是与溶解于钢中的碳之间发生的化学势交换。

另一个有用的表示方式是碳被二氧化碳氧化：

简化反应表示： \[ \mathrm{C_{(steel)} + CO_2(g) \rightleftharpoons 2CO(g)} \]

因此，在适当条件下，较高的二氧化碳含量可能促进脱碳。一氧化碳也能够还原某些铁氧化物，但如果一氧化碳与二氧化碳之间的平衡关系以及钢材表面状态有利于碳传递，同一种气体也可能使钢材渗碳。反应方向由气体比例和温度决定，而不是由“保护气体”这一名称决定。

氨还会增加另一条反应途径，因为氨可以分解为氮气和氢气。CRC Press 于 2014 年出版的《钢材热处理手册》讨论了二氧化碳、氨及其他反应性气体与抗氧化性和表面碳控制之间的关系。因此，必须将此类气氛视为化学体系，而不是固定配方：在气体到达工件之前，分解反应、水分、漏入的空气以及与炉衬耐火材料的反应都可能改变有效气氛。

氧势和碳势

氧分压 $p_{{\mathrm{O}}_2}$ 描述了气氛氧化表面的热力学倾向。在给定温度下，较低的氧分压通常有利于金属铁而不利于铁氧化物；较高的氧分压则有利于氧化物形成。氧势是更广义的化学概念，而氧分压则是表达氧势的一种可测量或可计算的方式。

碳势则有所不同。它描述了在规定条件下，气氛向钢材表面传递碳或从钢材表面移除碳的倾向，通常以奥氏体作为接收相。气氛可能具有较低的氧势，却仍无法维持所需的碳势。反之，某种气体混合物可能提供合适的碳势，同时仍具有足够的氧化性，从而形成不希望出现的氧化物。这些测量值通过气体平衡相互关联，但不能相互替代。

对于一氧化碳和二氧化碳而言，碳传递倾向强烈依赖于 $\mathrm{CO}/{\mathrm{CO}}_2$ 比值和温度。对于含氢气氛，${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}/{\mathrm{H}}_2$ 比值有助于指示氧势，也可能显示出脱碳条件。氧探头测量的是与氧活度相关的电化学响应，而露点仪则间接评估水分；仅凭任何一种仪器，都无法确定装载工件的炉内正在发生的全部表面反应。

钢材牌号十分重要。根据 EN ISO 683-1 规定的 C45 碳钢，与根据 EN ISO 683-2 规定的 42CrMo4 合金钢，其响应并不相同，因为合金元素会影响氧化物稳定性、碳活度、扩散和相变。因此，控制数值必须与温度、钢材成分、处理周期以及所要求的表面状态相关联。脱离这些变量的名义气体组成，不能构成有效的工艺描述。

钢材表面的反应动力学

热力学平衡可以预测反应倾向的方向，但不能说明表面变化的速度。动力学则补充了这一缺失部分。气体分子必须穿过炉内边界层，到达氧化皮或裸露金属表面，发生吸附和反应，并使反应产物离开表面。随后，碳和合金元素还要向钢材内部扩散或从钢材内部向外扩散。这些步骤中的任何一个都可能限制总体反应速率。

在加热初期，新暴露的表面可能因尚未形成稳定氧化皮而快速发生反应。随着氧化皮增厚，穿过氧化皮的扩散可能成为控制步骤。氧化皮的孔隙、开裂和剥落会重新暴露表面，并造成不均匀氧化。炉内循环会影响边界层，而工件间距则会影响水蒸气、二氧化碳和反应产物被移除的速度。

脱碳同样表现为浓度梯度的形成，而不是瞬间发生的均匀损失。碳会从内部向平衡碳活度较低的表面扩散。受影响层的深度取决于温度、时间、钢材成分、初始显微组织以及气氛的有效碳势。淬火可以保留这一浓度分布，使短暂的表面反应在之后表现为硬度梯度。

剑桥大学出版社 2012 年关于气氛控制的论述区分了用于加工的再加热和最终热处理：在锻造过程中，失控的氧化性条件有时可以与最终硬化循环区别对待；而在最终硬化循环中，氧化皮和脱碳会直接影响规定的表面状态。ISO 17663:2023 同样将空气中或受控气氛中的热处理纳入质量框架，主要适用于铁素体钢以及在车间或现场实施的作业。因此，气氛化学是工艺有效性的一部分。正确的温度和保温时间无法挽救这样的工艺循环：如果其氧势、水分含量或碳势使表面在所需相变发生之前就已经发生变化，那么仅靠温度和时间控制并不能纠正结果。

气氛控制：炉体、供气与测量

气氛控制并不是单一的气体流量设定，而是对炉膛围护系统和进入炉膛的气氛进行协调控制，并通过测量判断预期的化学状态是否真正到达钢材表面。ASM International 的 Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating（2017）将其确定为两大主要控制组：炉内气氛控制和供给气氛控制。这一划分十分重要，因为配比正确的气体在经过泄漏点、燃烧器、保护管、循环通道或装载量很大的工作区后，可能产生错误的表面结果。

ASM 确定的两大控制组

炉内气氛控制涉及容纳和分配气氛的设备。炉门密封、前室、保护管、燃烧器系统、排气挡板、风机、炉底以及内部导流板，都会影响负载周围气体的状态。炉压也属于这一控制组。轻微的正压可以限制空气从炉门缝隙向内泄漏，但压力过高可能迫使工艺气体穿过密封处，并造成不安全或化学状态不稳定的排气条件。负压则可能将空气吸入炉内，尤其是在炉门移动期间或密封件受损时。

温度分布和气体循环也属于炉内控制问题。炉内可能显示出令人满意的平均温度，但仍存在温度较低、水蒸气含量较高或反应性组分耗尽的滞流区域。风机转速、流动方向、装载间距、料篮、夹具以及钢材的暴露表面积，都会改变局部边界层。保护管还会增加传质阻力：在保护管外部测得的气氛可能无法代表保护管内部的气体，尤其是在吹扫、加热或气体组成快速变化期间。

供给气氛控制组从上游开始。其包括源气体、吸热式或放热式气体发生器、氮气-甲醇系统、富化气、分解氨、丙烷、空气、蒸汽，以及用于计量、混合、干燥、加热和输送这些气体的设备。流量控制器必须在需求变化时保持预定比例。能够保持压力但不能保持组成的调节器，并不能实现气氛控制。管路堵塞或部分受限，可能产生与配方错误相同的症状：炉子控制器发出达到目标碳势的指令，但工件实际接收到的是不同的气体混合物。

混合后，气体反应仍会继续。一氧化碳和二氧化碳可以参与钢材表面反应，而甲烷及其他碳氢化合物则可能在渗碳条件下提供碳。水蒸气能够氧化铁，并改变含碳反应的平衡。美国国家标准局手册 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel（1966）将产生氧化皮的氧化和产生脱碳的表面失碳确定为主要表面风险；该手册还指出，燃烧产物中的水蒸气具有有害作用。ASM 2017 年关于炉内气氛的论述，将气体反应、主要气体和蒸气以及与气氛有关的脱碳置于钢材热处理控制的核心位置。

炉内控制组与供给控制组持续相互作用。炉门处的泄漏可能使氧气进入，但由此产生的读数取决于炉压和气体循环。装载表面积的变化可能消耗或生成反应性物种，即使供气流量计没有变化，也会改变气氛。燃烧器调节可能在改变热输入的同时改变水蒸气和二氧化碳的含量。将这两个控制组视为可以相互替代，会掩盖这些原因。

传感器、取样与控制回路

控制回路控制回路 一种工艺控制安排：传感器测量某变量，控制器将其与目标值比较，并调节操纵输入。

一个控制回路通常包括过程变量、传感器、控制器和操纵变量。对于碳势控制，过程变量可以根据氧分压推断，也可以使用氧探头测量，或根据涉及一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的关系式计算得出。露点测量可提供有关水蒸气的信息。红外分析仪可以测量二氧化碳或一氧化碳，而氧分析仪则可直接指示氧化性污染。这些仪器并不是将“气氛”作为一个普遍适用的单一量进行测量；每种仪器都对特定的化学物种、温度、压力和校准状态作出响应。

安装在高温工作区的氧探头可以提供快速的电化学信号，但其解释取决于探头温度、参比空气、传感器状态以及所假定的气体反应平衡。安装在冷却式取样柜中的露点传感器测量的是经过输送和调理的样气，而不是炉温下的气体。取样管线中的冷凝会从样气中移除水分，造成虚假的干燥结果。反应性气体在到达分析仪之前，也可能与管壁、过滤器或冷凝液发生反应。因此，管线材料、长度、直径、伴热、过滤以及样气流量，都会成为测量系统的一部分。

校准必须与仪器和工艺相匹配。零点和量程检查、参比气体、探头验证以及漂移记录，可以确定变化究竟是真实变化还是仪器变化。根据氧探头毫伏信号计算的碳势显示值，可能在探头出现涂层、参比空气通道受阻或计算所采用的炉温错误时仍保持稳定。此时，控制器可能会针对错误的测量结果作出形式上正确的修正。

响应时间同样重要。混合站处的气体组成首先发生变化；随后是输送管线；在新气体置换原有气体体积后，炉内气氛才发生变化；钢材表面则在更进一步的延迟之后作出响应，该延迟由温度、几何形状和反应动力学决定。靠近入口的短取样管线可能在数秒内显示阶跃变化，而靠近工件的探头在数分钟内几乎没有变化。如果控制器的动作速度快于工艺的响应速度，就可能出现过冲和反复振荡。如果动作过慢，实际的脱碳偏离可能在越过报警阈值后仍持续发生。

因此，反馈必须以明确界定的控制体积为基础。配方设定值是一个指令，并不能证明表面得到了保护。应将设定的碳势、氧含量或露点，与独立测量结果进行核对；在可行的情况下，还应与钢材的实际结果进行核对。表面碳含量、氧化皮、显微硬度和金相证据，可能揭示远程分析仪未能发现的气氛问题。对于规定的渗层深度、硬度或表面碳含量几乎没有脱碳容差的钢种，这一点尤为重要。

为什么测量位置会改变结果的解释

同一种气体在不同位置可能产生不同的读数。在供气入口附近，样气可能代表尚未接触负载之前的混合气。在密集料篮上方，样气可能代表一个滞流气袋。在排气口附近，样气可能因泄漏而被稀释，或因反应产物而变得富集。在保护管内部，气体交换受到限制，因此其成分可能不同于开放式炉膛。安装在高温区的探头可以指示探头周围的气氛，但钢材表面可能位于夹具后方，或处于密集装载的内部。

取样位置还决定读数具有预测性还是诊断性。上游分析仪可以识别供气系统正在输送的气体。工作区探头则显示气体在经过输送和炉内反应后实际保留下来的状态。排气样品可以显示泄漏、燃烧和负载反应的综合结果，但可能无法确定变化发生的具体位置。这些位置没有哪一个自动就是正确位置；每个位置回答的是不同的问题。

钢材负载也是解释的一部分。清洁、带油、潮湿、带氧化皮或严重氧化的零件，在加热过程中会释放蒸气并消耗反应性气体。较大的表面积可能比小型试样更显著地改变局部碳平衡。夹具和耐火材料也可能与气氛发生反应。因此，无负载校准并不能充分验证生产周期。

ISO 17663:2023 规定了空气中或受控气氛中进行热处理的质量要求，主要适用于铁素体钢以及在车间或现场实施的工作。其相关性不仅体现在冶金方面，也体现在程序方面：必须对受控状态进行定义和监测，并将其与工件联系起来。剑桥大学出版社 2012 年关于气氛控制的论述同样将为加工而进行的再加热与最终热处理区分开来，并警告说，未经控制的氧化性气氛会导致结垢，并在钢材中造成脱碳。因此，有效结果并不是气体控制面板旁显示的数值，而是对以下关系的证明：供气组成、炉内状态、测得的工作区气氛、暴露过程以及最终形成的钢材表面之间的关系。

按钢种和热处理工序选择气氛

气氛的选择必须同时依据钢的类别和所进行的工序。退火过程中能够保护低碳钢的气体，在奥氏体化高碳轴承套圈时可能会改变其表面。所需结果也可能不同：锻造加热可以容许随后会被去除的氧化皮，而成品渗碳、淬硬或磨削部件通常不能容许可测量的氧化或碳损失。

美国国家标准局手册 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel 直接指出了两种主要的表面危害：氧化会形成氧化皮，而表面碳损失会形成脱碳。该手册还说明，燃烧产物中的水蒸气具有有害作用。ASM International 在其 2017 年关于炉内气氛控制的论述中，将炉内控制与供给气氛控制区分开来。两者都很重要。即使气体规范制定正确，如果流量、露点、氧势、碳势、泄漏、燃烧器调节或炉内装载不当，仍可能产生有缺陷的结果。

碳钢和低合金钢

人们经常讨论普通碳钢和低合金钢牌号，仿佛仅凭牌号就能确定气氛。事实并非如此。AISI/SAE 1018、AISI/SAE 1045、AISI/SAE 4140 和 AISI/SAE 4340 都可以在被称为“中性”的炉内加热，但可接受的表面状态会随工序、截面尺寸和后续加工余量而变化。

对于 AISI/SAE 1018 这类低碳钢，少量表面碳损失可能对整体抗拉性能影响不大，因为其碳浓度本来就较低。但在薄的表面硬化区域、机加工边缘，或表面随后必须对渗碳、感应淬火或氮化作出均匀响应的情况下，这种碳损失仍可能十分重要。对于 AISI/SAE 1045，轴或齿轮表面的脱碳会减少可用于形成马氏体的碳。这样一来，即使通过去除氧化皮的工序后表面看似合格，氧化皮下方仍可能存在较软的表层。

AISI/SAE 4140 和 AISI/SAE 4340 等低合金淬硬钢所面临的问题有所不同。铬、钼、锰和硅会影响氧化反应和淬透性，但合金元素的加入并不能使表面免受碳损失。即使心部达到规定硬度，表面贫碳仍可能导致淬火后强度较低。氧化膜还可能妨碍尺寸检验、磁粉检测、涂层附着，或后续机加工。

对于这些钢种，应根据所需的碳平衡选择气氛。中性气氛或受控气氛必须使表面碳活度接近钢材的目标值；只有在明确要求有意增碳时，才适合采用渗碳气氛。碳势不能仅通过指定某一种气体来确定。ASM Handbook Volume 4B 描述了涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的控制关系，以及直接或间接测量方法。在实际生产中，炉子的控制系统及其传感器决定了工件处是否真正存在所声明的气氛。

薄截面升温迅速，并且具有较高的表面积与体积比。在装料达到温度之前，薄截面可能损失其含碳表层中更大比例的碳。焊接件的敏感性可能更高：焊缝金属、热影响区和母材可能具有不同的成分及原始显微组织，而残余应力和氧化膜也会沿接头发生变化。ISO 17663:2023 规定了与焊接及相关工艺有关的空气中或受控气氛中热处理的质量要求，主要适用于铁素体钢以及在车间或现场进行的作业。因此，该标准支持将焊接热处理作为有文件记录的工艺来管理，而不是将其视为非正式的炉内暴露过程。

工具钢、轴承钢和高碳钢

高碳钢要求更严格的控制，因为表面碳浓度会直接影响硬度、耐磨性、残留奥氏体和尺寸稳定性。其示例包括 AISI/SAE 52100 轴承钢、AISI D2 工具钢、AISI O1 和 AISI W1。它们在奥氏体化后的表面状态并非仅仅是外观问题。

AISI/SAE 52100 上的脱碳层可能在轴承滚道下方形成软区。通过轻度清理去除氧化皮，并不一定能够去除该脱碳层。在 AISI D2 这类工具钢中，表面碳损失会减少用于形成目标马氏体和含碳化物组织的碳。过度氧化还可能改变磨削余量，并在精加工过程中促进缺陷形成。AISI O1 和 AISI W1 在淬硬过程中同样容易受到影响，因为它们的性能在很大程度上取决于表面保留的碳。

高碳部件并不是简单地通过使气氛“富碳”就能得到保护。过高的碳势可能产生烟灰、碳化物沉积或改变的表面化学状态，而不是受控的结果。所需气氛必须与钢种、奥氏体化温度、保温时间和炉子的响应特性相匹配。真空、低压工艺、盐浴、中性受控气体，或有意调节碳势的气氛，在技术上都可能适用，但具体选择取决于规定的表面状态和设备能力。

轴承套圈和精密工具还会带来尺寸方面的问题。氧化会消耗表面金属，并可能在角部、孔洞和接触夹具处形成氧化皮。热梯度和不均匀的气体循环会使某些区域比其他区域发生更多氧化或脱碳。因此，截面厚度、装料嵌套方式、装载密度、先前的球化退火或退火状态，以及炉衬状况，都应纳入气氛选择的考量。钢材牌号只是起点。

同样的逻辑也适用于弹簧钢和高碳钢丝。细钢丝可能很快达到处理温度，使操作人员几乎没有时间在表面碳发生变化之前发现气氛偏离。淬硬部件尤其敏感，因为其最终性能已经由加热、淬火和回火这一狭窄工艺序列确定。奥氏体化过程中形成的表面缺陷无法通过回火可靠地修复。

奥氏体化、退火、正火、回火和去应力

奥氏体化通常是对气氛最敏感的工序。钢被加热到奥氏体区，在此温度范围内氧化和碳迁移可能迅速进行。高碳钢和工具钢需要进行能够保持表面碳含量的控制；低碳钢则可能需要碳保护，尤其是在表面随后要进行淬硬或渗碳时。必须使装料均匀加热，不能把炉子设定温度当作工件温度或表面状态的证明。

退火通常比淬硬允许更长的炉内暴露时间，这增加了形成氧化皮和脱碳的机会。完全退火、亚临界退火和球化退火在温度和时间上也各不相同，因此不存在一种适用于所有情况的“退火气氛”。对于 AISI/SAE 1045 或 AISI/SAE 4140，只有在后续机加工会去除脱碳层的情况下，表面碳损失才可能被接受；对于 AISI/SAE 52100 或 AISI D2，同样的加工余量可能无法接受。缓慢冷却不能修复已经改变的表面。

对于计划去除氧化皮的锻件和结构件，正火通常在空气中进行。这是生产决策，并不能证明空气是中性的。Cambridge University Press 2012 年关于气氛控制的论述区分了为加工成形而进行的再加热与最终热处理，并指出不受控的氧化性气氛会导致结垢和钢材脱碳。因此，计划直接服役、检验或进行感应淬火的正火轴，即使锻造毛坯可以在空气中正火，也可能需要受控保护。

回火在低于奥氏体化范围的温度下进行，但氧化仍然可能发生，尤其是在长时间暴露或多次回火循环期间。洁净且低氧化性的气氛能够保护尺寸和表面光洁度；但它不需要采用奥氏体化过程中使用的同类碳势控制策略。特别是在一炉装料各处氧化膜厚度不均匀时，不应将回火色视为可靠的气氛控制测量依据。

焊接件和机加工件的去应力处理经常在空气中进行，但空气暴露可能使表面形成氧化皮，并改变已准备好的接头或成品部件。在热处理与焊接有关、包括现场作业的情况下，ISO 17663:2023 具有相关性。对于要求洁净表面的部件，与其在暴露的炉内处理，不如选择受控气氛、真空、局部保护或受保护的封闭空间。

最后，炉内气氛与后续表面保护是两种不同的控制手段。ISO 17834:2003 涉及用于防腐蚀和高温氧化防护、最高适用温度为 1000 °C（1273 K）的热喷涂金属涂层；ISO 12944-4:2017 则对碳钢和低合金钢结构的表面处理等级进行分类。这两项标准都不能替代加热过程中的控制。气氛首先必须形成规定的冶金表面；涂层和后处理准备针对的是不同阶段。

空气中的热处理与受控气氛中的热处理

空气使用方便，但方便并不意味着其在冶金学上是中性的。在高温下，氧气和水蒸气会与钢发生反应，而周围气体还可能改变表面的碳活度。其结果可能是生成氧化皮、脱碳、渗碳，或出现这些情况的组合。该结果是否可以接受，取决于表面随后将如何处理，以及零件在服役中必须实现什么功能。

美国商务部国家标准局出版的 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel（1966）直接指出了两种主要的表面风险：氧化会生成氧化皮，而表面失碳会导致脱碳。该文献还说明，燃烧产物中的水蒸气具有有害作用。因此，炉内气氛是热处理规范的一部分，而不仅仅是用来填充装料周围空间的介质。

空气加热何时会造成表面损害

在空气中加热碳钢或低合金钢会形成铁氧化物，其组成随温度和局部气体条件而变化。氧化皮会消耗金属、改变尺寸，并可能妨碍后续的机加工、焊接、涂层或检验。搬运过程中氧化皮还可能脱落，留下不均匀的表面。需要关注的不仅是氧化物本身。暴露于氧化性且贫碳的环境中时，钢中的碳可能通过扩散从钢材进入气体，从而导致失碳。

失碳会形成脱碳层。在淬硬零件中，受影响区域的硬度和耐磨性可能低于内部区域。在承受疲劳载荷的零件中，即使整体硬度符合图样要求，改变后的表面化学成分及相关组织变化仍可能影响预期性能。脱碳层的深度和严重程度取决于钢的成分、温度、保温时间、表面状态、气体成分，以及界面处形成的碳活度。

受控气氛并不意味着“任何不是空气的气体”。ASM International 的 Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating（2017）将控制分为两大类：炉内气氛控制和供给气氛控制。前者涉及炉内实际存在的气氛及其测量方式；后者涉及形成该气氛的气体、发生器、混气设备、净化装置和输送系统。两者都十分重要。即使正确选择了气体，只要水分进入供气系统、炉体发生泄漏，或测量系统不能代表装料区的实际状况，仍可能产生错误的结果。

对于碳钢，在表面碳含量必须保持稳定的处理过程中，碳势控制是核心要求。ASM 介绍了利用水蒸气、二氧化碳和氧分压之间的关系来评估或控制碳势的方法。在每一种炉型中，这些组分并非都可以相互替代作为指示参数；只有在明确测量方法、温度、气体流量和炉体响应的情况下，设定值才具有实际意义。CRC Press 出版的 Steel Heat Treatment Handbook（2014）同样讨论了二氧化碳、氨以及其他反应性气体，因为气氛化学既会影响抗氧化性能，也会影响表面碳控制。

工艺规范必须规定可接受的表面状态。“在空气中加热”这一表述并不完整，除非规范同时允许由此产生的氧化皮和表面化学变化，或要求通过后续工序将其去除或修正。对于光亮表面、最大允许脱碳量、尺寸精度保持，或功能性淬硬层的要求，都表明需要更严格的气氛控制。

成形再加热与最终热处理

一个常见的类别错误，是把所有高温操作都视为具有相同的表面要求。剑桥大学出版社出版的章节 “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes”（2012）区分了为加工成形进行的再加热与最终热处理。这一区别应当体现在工艺规划中。

在锻造、轧制或其他成形操作的再加热过程中，一定程度的氧化皮可能是允许的，因为除鳞、变形、切边或机加工会去除受影响的材料。此加热步骤的主要目的，是使工件达到适于塑性变形的状态。因此，在氧化层受到控制并且会在确定最终尺寸或性能之前被去除的工艺中，使用空气可能是可接受的。但这并不意味着可以忽略气氛：过多的氧化皮会降低成材率、损伤工具、掩盖缺陷，并造成表面折叠或其他制造问题。

最终热处理则有所不同。淬火和回火、正火、退火、固溶处理或去应力处理，可能决定最终留在服役表面的性能。如果零件在热处理后即达到成品状态，可用于去除氧化皮或脱碳层的加工余量可能很少。轴承滚道、齿轮齿面、弹簧、轴颈或耐磨表面，不能采用与日后还要机加工的锻造坯料相同的判定标准。

这一差别也适用于与焊接相关的作业。ISO 17663:2023 规定了与焊接及相关工艺有关的空气中或受控气氛中的热处理质量要求，主要适用于铁素体钢以及在车间或现场进行的作业。其适用范围进一步说明了一个实际要点：可接受的气氛和表面结果必须与规定的操作、材料、设备及检验要求相联系。

最终热处理规范应明确是否允许存在氧化皮、是否需要热处理后的清理，以及如何测量脱碳或其他表面变化。规范还应规定相关钢材牌号，例如 C45、42CrMo4，或依据特定产品标准规定的牌号，因为成分会影响材料对氧化和碳传递的响应。气氛控制无法弥补含糊不清的验收标准。

真空和惰性气体替代方案

真空炉通过在加热前排出炉内大部分气体，降低反应性气体的分压。惰性气体系统则以氩气或氮气等气体替代空气，但所选气体必须与钢材、温度及热处理工艺相容。这些方法与受控炉内气氛具有相同的总体目的，即限制不希望发生的表面反应；但它们并不能使所有反应都不再发生。

真空质量、泄漏、残余水分、炉体清洁度、装料方式和压力变化历史，都会影响表面结果。惰性气体可能含有氧或水分污染物，而氮气可能与某些合金体系或表面状态发生相互作用。对于某一牌号和工艺呈惰性的气体，在另一种实际条件下未必具有相同意义上的惰性。在需要渗碳、渗氮或修正碳势时，也可能有意加入反应性气体。

因此，气氛的选择是工艺决策，而不是对不同炉型进行优劣排序。受控气氛可以在限制氧化皮的同时保持表面碳含量；真空可以减少气相污染和氧化皮形成；在纯度和化学成分得到控制的情况下，惰性环境可以提供合适的隔离屏障。未经限定，不应将其中任何一种方法描述为能够消除所有表面反应。

热处理后的表面防护是另一个独立的主题。ISO 17834:2003 涵盖用于防止腐蚀和高温氧化（最高达 1000 °C（1273 K））的热喷涂金属涂层；ISO 12944-4:2017 则对碳钢和低合金钢结构的表面处理等级进行分类，并区分无涂层、热喷涂、镀锌、电镀、渗锌和涂漆表面。这些标准并不能取代热处理气氛要求。最终工艺文件必须说明表面是保持热处理后状态、进行清理、进行机加工，还是接受后续防护体系，并且必须规定何种状态才算合格。

超越炉内气氛的表面保护

涂层和炉内气氛在钢材服役周期的不同阶段发挥保护作用。气氛在钢材温度足以使氧化、渗碳或脱碳反应进行时发挥作用。涂层通常在更晚的阶段发挥作用，例如储存、服役期间，或暴露于腐蚀性环境和高温环境中时。混淆这两种功能，即使成品外观洁净，也可能使热处理失效。

美国商务部国家标准局在 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel（1966）中指出，加热期间存在两种主要的表面风险：氧化会产生氧化皮，而表面失碳会导致脱碳。该文献还将燃烧产物中的水蒸气描述为有害因素。剑桥大学出版社在 Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes（2012）中也作出了同样的工艺区分，将用于加工的再加热与最终热处理分开，并指出不受控的氧化性气氛会同时导致结鳞和钢材脱碳。

ASM International 在 2017 年关于炉内气氛控制的论述中，将问题划分为“炉内气氛控制”和“供给气氛控制”。即使存在独立的表面涂层，这一区分仍然十分重要。涂层可以减少金属与炉气之间的接触，但不能在整个装料范围内建立已知的碳势，不能补偿泄漏，也不能证明炉内已经达到规定的化学状态。碳势取决于气体反应，以及涉及二氧化碳、水蒸气和氧分压的相互关系；ASM 还将与气氛有关的脱碳确定为钢材热处理中的核心议题。

热喷涂金属涂层

热喷涂金属涂层是通过加热金属喷涂原料，并将熔融或半熔融颗粒喷射到经过处理的基体表面上制成的。沉积层由相互重叠的颗粒组成，因此其孔隙率、氧化物含量、结合力、厚度和封闭状态取决于喷涂工艺及基体的预处理。铝、锌、锌铝体系以及其他喷涂金属可根据腐蚀性或热暴露条件进行选择，但涂层必须作为一个系统加以规定，而不能被视为独立的屏障。

ISO 17834:2003 涉及用于防止腐蚀和高温氧化的热喷涂金属涂层，适用温度最高为 1000 °C（1273 K）。其适用范围具有重要意义，但其中的温度值并不是普遍适用的服役保证。实际温度上限取决于涂层金属、基体牌号、热循环、气氛、涂层厚度、结合力，以及喷涂层上所施加的任何封闭剂或面层。例如，不能仅仅因为富锌喷涂表面和铝涂层都属于金属涂层，就假定二者在高温暴露下具有相同的性能。

喷涂时机至关重要。如果在奥氏体化之前施加涂层，其粘结剂、孔隙、氧化物或基体界面可能在加热过程中发生反应。涂层可能软化、挥发、开裂，与钢材形成合金，或将污染物转移到炉具上。即使涂层仍保持附着，也可能改变表面传热，并增加对氧化皮或脱碳进行检验的难度。因此，除非完整热循环及涂层相容性已经通过验证，否则通常应将其视为热处理后的保护系统。

喷涂涂层同样不能取代气氛控制。在碳钢或低合金钢的淬硬过程中，所需的表面碳状态是在钢材—气体界面处形成或保持的。阻隔气体接触的涂层可能阻止预期的碳交换，而不是对其进行控制。如果涂层含有反应性氧化物，或气体能够通过孔隙局部进入，零件不同区域的结果可能不一致。炉内仍必须保持规定的氧化势和碳势，处理后的表面仍必须检查氧化皮、脱碳以及与涂层有关的缺陷。

镀锌、电镀、粉末渗锌和涂漆表面

ISO 12944-4:2017 区分了碳钢和低合金钢结构的表面类别及预处理状态。其类别包括未涂层表面、热喷涂表面、镀锌表面、电镀表面、粉末渗锌表面和涂漆表面。这些名称描述了不同的涂层状态和预处理要求；它们并不能将防腐蚀实践变成热处理规范的替代品。

镀锌通常通过将钢材浸入熔融锌中，使锌附着于钢材表面；电镀则通过电解工艺沉积金属。粉末渗锌是将钢材与锌粉一同加热，从而形成锌基扩散涂层。涂漆体系依靠有机或无机涂膜，通常施加在经过处理并涂有底漆的基体上。它们的热行为存在显著差异。含锌涂层在奥氏体化过程中可能熔化、蒸发或发生反应。电镀层可能起泡，或向基体内部扩散。粉末渗锌层已经具有铁—锌扩散结构，并可能在进一步加热过程中发生变化。涂料可能分解并产生烟雾、沉积物或反应性气体。

对于表面碳属于规范要求一部分的钢号，这一区分尤其重要。AISI 1045、EN 10083-2 C45E 和 AISI 4140 对不同表面变化的容许程度可能不同，这取决于最终工序是淬硬、回火、渗氮，还是单纯的消除应力。可见的锌层或漆层并不能证明其下方的钢材仍保持了规定的碳梯度。同样，外观洁净也不能证明氧化得到了控制。氧化皮可能很薄且附着牢固，而脱碳层可能延伸到金属外观表面以下。

热处理后还会出现相反的问题。淬硬后的 AISI 4140 部件可能需要施加防腐蚀涂层，但该涂层应根据服役环境进行选择，并且只能在淬火、回火、清理和检验之后施加。在炉内循环之前施加涂层可能改变热处理化学条件；在热处理之后施加涂层则无法修复已经脱碳的层，也无法恢复已经损失的尺寸精度。

热处理前后的表面预处理

在热处理之前，表面应处于已知状态。油类、拉拔润滑剂、指纹、盐分、旧漆、氧化物和喷砂残留物可能在炉内分解或发生反应。含氯污染尤其不理想，因为残留物可能在冷却过程中促进腐蚀，或妨碍后续涂层的附着。清洁不能与脱碳控制混为一谈：去除油污并不能修复在先前加热过程中已经形成的贫碳层。

预处理还取决于计划采用的工艺顺序。对于拟进行渗碳、碳氮共渗或渗氮的零件，可能需要遮蔽或选择性表面处理，但遮蔽材料必须针对炉温和炉内气氛进行验证。按照 ISO 12944-4:2017 为涂漆准备的表面，并不会自动适合奥氏体化。所需的粗糙度、洁净度、残余应力和允许的氧化物状态可能有所不同。

热处理后，应采用适合钢材和所需表面质量的方法去除氧化皮和残留物。可以采用磨料喷射、碱性清洗、酸洗、机械加工或轻度磨削，但每种方法去除的材料量不同，并会改变表面纹理。磨削可能暴露新鲜金属，同时产生局部热量；过于强烈的喷砂可能使边缘变圆，或使浅表缺陷隐藏在粗糙表面形貌之下。如果怀疑存在脱碳，则需要进行金相检验、硬度梯度测量，或规定的表面碳含量测试。在该区域上覆盖涂层，并不能使已经改变的冶金状态变得可接受。

最终的表面保护工序应在检验热处理状态之后进行。这一顺序能够保留评估氧化皮、氧化、尺寸变化、硬度和脱碳所需的证据。ISO 17663:2023 通过规定空气气氛或受控气氛中热处理的质量要求，进一步强化了过程控制原则；该标准主要适用于铁素体钢，以及在车间或现场实施的作业。无论保护是在加热过程中通过气氛控制提供，还是在之后通过镀锌、喷涂、电镀、粉末渗锌或涂漆表面提供，每项措施都必须归属于其能够实际发挥预期功能的工艺阶段。

与焊接和制造相关的热处理

ISO 17663:2023 的适用范围

ISO 17663:2023 是所提供研究资料中关于焊接及相关工艺热处理的主要质量框架。该标准规定了在空气或受控气氛中进行热处理的质量要求，主要适用于铁素体钢，并涵盖车间内以及现场实施的作业。因此，其主题范围不仅限于炉子的运行。它关注的是：当热处理作业会影响焊接件或制造件时，如何对该作业进行规定、准备、控制、测量、记录和验收。

该标准并未为每一种焊接件规定一种统一的气氛。碳锰压力容器焊缝、低合金结构钢修复部位以及铁素体不锈钢制造件，可能具有不同的风险和工艺要求。所需气氛取决于钢种、焊接工艺、热循环、表面状态、允许的氧化程度、尺寸限制，以及该作业属于消除应力、预热、焊后热处理、回火还是其他处理。ISO 17663:2023 为控制这些变量提供质量要求，但并不是通用的气体选择表。

这一点很重要，因为“在空气中进行热处理”并不意味着“不进行气氛控制的热处理”。空气中含有氧气和水蒸气，二者都会影响受热表面。美国国家标准局手册 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel 指出了两种常见的表面后果：氧化会形成氧化皮，而表面失碳会导致脱碳。该手册还指出，燃烧产物中的水蒸气具有不利影响。即使部件达到了规定的名义炉温，如果其表面化学成分在热循环过程中发生了变化，所接受的处理仍可能不合格。

剑桥大学章节《Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes》还作出了另一项有用区分：为后续加工而进行的再加热，并不等同于最终热处理。在某一道制造工序中，若后续加工允许留有加工余量，未经控制的氧化条件可能尚可接受；但对于成品焊接区或尺寸受到严格控制的部件，这种条件可能无法接受。因此，热处理规范必须规定加热后允许的表面状态，而不能只规定目标温度。

对于炉内处理，ASM International 在其 2017 年关于炉内气氛控制的论述中确定了两大控制组：炉内气氛控制和供给气氛控制。前者涉及工件周围实际存在的条件；后者涉及产生这些条件的气体、蒸气、燃烧产物、泄漏、混合和输送设备。标称的气体名称并不能证明气氛受到了控制。气体在高温下仍会继续发生反应，其影响取决于成分、流量、含湿量、炉体泄漏、装载方式和暴露时间。

碳势说明了这一点。ASM Handbook 第4B卷讨论了通过涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的测量值或关系来进行控制。《Steel Heat Treatment Handbook》同样将二氧化碳、氨以及其他反应性气体视为影响抗氧化能力和表面碳控制的因素。当热处理必须保持或调整表面碳含量时，这些关系具有相关性；但它们并不会将所有焊接件热处理都变成渗碳处理或中性气氛处理。气氛必须服务于规定的冶金结果。

车间和现场热处理

车间热处理通常可以使用热处理炉、固定的热电偶位置、已建立的装载程序以及可重复的气体或燃烧控制。这些优势能够减少波动，但并不能免除证明实际部件达到了规定热循环的必要性。大型焊接组件可能具有厚薄不同的部位、附件、约束，以及不同的散热条件。仅凭炉内空气温度，可能无法代表焊缝、热影响区或相关最冷部位的温度。

现场热处理面临同样的质量问题，但可利用的固定资源更少。局部电阻加热器、感应设备、燃气燃烧器、陶瓷加热垫或其他加热系统，可能被布置在焊缝或修复区域周围。此时，加热带、温度梯度、保温层、围护结构以及由母材结构形成的热沉，都会成为工艺的一部分。局部热处理在冶金上可以是合理的，但前提是必须确定并保持规定的区域和热循环。

围护和屏蔽需要特别谨慎。保温层可以减少热损失，但间隙可能使空气进入并造成局部氧化。吹扫或屏蔽装置可以减少与氧化性气体的接触，但其有效性取决于围护结构的几何形状、密封性、流量和监测情况。表面还必须足够洁净，以免油污、水分、油漆、氧化皮或制造残留物引发额外反应或掩盖损伤。表面处理与气氛控制并非同一主题：ISO 12944-4:2017 规定了碳钢和低合金钢结构的表面处理等级，并区分未涂覆表面、热喷涂表面、镀锌表面、电镀表面、渗锌表面和涂漆表面。相比之下，ISO 17834:2003 涉及用于防腐蚀和高温氧化防护、最高适用温度达 1000 °C（1273 K）的金属热喷涂涂层。这些标准有助于描述表面防护条件，但都不能替代 ISO 17663:2023 的热处理要求。

对于现场进行的焊接修复，工艺规程应明确加热器布置、保温层安排、围护或屏蔽方法、允许的表面状态、规定情况下的加热和冷却速率，以及温度传感器的位置。规程还应规定如何处理作业中断、断电、降雨、大风或意外温度偏离等情况。当规定的热影响范围延伸至焊缝金属、热影响区和相邻母材时，仅在图纸上标出焊缝中心线是不够的。

气氛、温度均匀性和记录

气氛、温度均匀性和记录构成一个相互关联的质量体系。将它们彼此割裂会造成虚假的信心。炉温曲线可能显示某一个热电偶达到了设定值，但氧化性泄漏、循环不良或装载过满，仍可能使部件的一部分处于不同的条件下。反过来，受控的气体供应也无法弥补传感器布置不当，或无法弥补局部加热器造成的远侧温度低于要求的问题。

温度测量必须能够代表部件和规定的热处理区域。加热开始前，应明确传感器类型、安装方式、标识、校准状态、位置和记录间隔。对于局部热处理，可能还需要在焊趾、厚度过渡部位、附件、约束部位以及预计会快速散热的区域附近增设传感器。不能仅凭加热器的对称布置来假定温度均匀性。均匀性应通过与工艺规程相关的实测温度加以证明。

记录应关联部件、焊缝或修复标识、设备、工艺规程版本、操作人员、气氛或屏蔽布置、传感器位置、校准信息、加热循环、保温时间、冷却循环、中断情况和偏差。如果要求进行气氛控制，记录还可能需要包括气体或燃烧系统检查、吹扫或流量信息、围护状态，以及热处理后表面已完成检查的证据。记录应能够确定实际发生了什么，而不仅仅是确认热处理炉曾经被开启。

表面检查仍然是必要的，因为有效的温度记录并不能证明不存在氧化或脱碳。氧化皮、变色、表面粗糙度和失碳，可能影响后续机加工、焊接、疲劳性能、尺寸配合或防腐蚀保护。检查方法和验收标准应遵循部件规范及适用的质量计划。

因此，将 ISO 17663:2023 作为工艺控制标准来理解，比将其视为选择某一种特定气体的指南更为有用。该标准将准备工作、加热设备、气氛或屏蔽、温度测量、均匀性、表面状态、人员能力和记录联系起来。正是这种联系，使车间和现场热处理成为可证明的冶金作业，而不仅仅是一项温度声明。

气氛控制不当造成的缺陷

气氛缺陷属于工艺缺陷，并不只是外观污渍。氧化会从表面消耗金属，碳迁移会改变钢的成分，而沉积物可能干扰加热、淬火、检验或后续涂层处理。美国国家标准局手册 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel（1966）将两种主要表面风险确定为氧化形成的氧化皮和因碳损失造成的脱碳；该手册还警告，燃烧产物中的水蒸气具有不利影响。剑桥大学出版社同样区分了用于加工的重新加热与最终热处理：对于锻造操作而言可以接受的气氛，在必须保持最终表面含碳量和尺寸精度时，可能并不适用。

ASM International 的 ASM Handbook Volume 4B（2017）将炉内气氛控制与供给气氛控制分开讨论。两者都十分重要。即使炉内采用了合理的气体配方，仍可能因泄漏、循环不良、传感器失效、入口堵塞或随装料带入的污染物而产生缺陷零件。

氧化皮、点蚀和尺寸变化

氧化皮是氧化产生的可见产物。根据温度、暴露时间、钢的成分和气体化学性质，氧化物可能呈黑色、蓝色、灰色、红色或分层状态。薄而附着牢固的膜，不等同于在搬运或淬火过程中会剥落的厚而疏松的氧化皮。后者可能暴露新鲜金属并留下凹坑，而松散的氧化物还可能滞留在夹具中或污染淬火介质。

氧化性气氛是显而易见的原因，但仅凭可见氧化皮本身无法确定失效原因。炉门、密封件、裂纹或压力波动都可能使空气通过炉体泄漏处进入。水分过多会提高炉气的氧化势，尤其是在气体平衡本已不正确的情况下。1966 年美国国家标准局手册特别指出，含水蒸气的燃烧产物具有危害性。即使气氛在循环的部分阶段是正确的，过长的保温仍可能产生大量氧化皮。循环不良会形成局部氧化区域，因此同一装料的一侧可能严重结皮，而受遮蔽的表面仍相对光亮。

点蚀可能由局部氧化、氧化皮脱落、可凝结污染物，或在冷却过程中形成微小电化学电池或化学电池的沉积物造成。盐、油、车间污物以及前一炉装料留下的残留物，都可能改变局部表面反应。点蚀可能较浅且分散，也可能在沉积物与钢发生反应的位置形成边界清晰的凹坑。除鳞后的表面粗糙度并不能证明问题仅由炉内气氛造成；先前的加工痕迹、锻造氧化皮、喷丸处理和机械清理都可能形成类似外观。

氧化还会改变尺寸。表面被消耗的金属会使测得的直径、边缘厚度、螺纹尺寸或精密配合面的尺寸减小。夹在配合表面之间的氧化皮，在清除之前可能造成相反的表观效果。不均匀氧化会改变圆度和平面度，而热梯度和相变应力也可能在与氧化无关的情况下造成变形。因此，光亮表面并不保证尺寸稳定，深色表面也不能确定金属损失量。

脱碳层和硬度损失

加热过程中钢表面的碳逸出时，就会发生脱碳。受影响的层可能为铁素体层、部分脱碳层，或成分呈梯度变化的层，这取决于温度、时间、钢种以及气氛的碳势。在 AISI 1045 这类亚共析钢中，表面附近的碳损失会降低冷却后珠光体所占的比例。在淬火的 AISI 4140 零件中，即使心部达到规定的马氏体硬度，也可能形成较软的表层区域。

这种缺陷通常表现为表面软层、耐磨性下降、疲劳性能降低，或硬化层深度异常偏浅。由于脱碳可能在没有严重氧化皮的情况下发生，表面可能看起来很洁净。相反，轻微氧化皮与低硬度也可能同时出现，但其中一个现象并不能证明另一个现象。泄漏、水分过多、碳势设定错误、富化气体不足、循环不良或暴露时间过长，都可能造成碳损失。即使炉温和停留时间正确，装料处的局部气体成分仍可能不正确。

碳势并不是一个独立于气体化学性质的单一旋钮。ASM International 介绍了通过测量或利用涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的关系来进行控制的方法。相关反应的平衡决定了气氛是氧化钢、去除钢中的碳，还是向钢中转移碳。Steel Heat Treatment Handbook（CRC Press，2014）讨论了二氧化碳、氨以及其他反应性气体，因为这些成分会同时影响抗氧化能力和表面碳控制。

因此，硬度测试应从表面向心部进行梯度测量，而不应只在容易接近的表面进行一次读数。硬度随深度逐步增加，支持存在碳浓度梯度的判断，但仅凭硬度无法确定具体的气体失效原因。金相检验可以揭示表面铁素体、珠光体组织变化、碳化物变化，或受影响材料与未受影响材料之间的界面。在规范要求明确的脱碳限值时，碳梯度分析，例如从表面到心部的化学成分评估，可以提供更有力的确认。

增碳、烟灰和异常表面化学成分

与脱碳相反的缺陷是增碳。钢表面暴露于过度渗碳性气氛中时，可能吸收碳，形成高碳层。该层可能比预期硬度更高，形成残留奥氏体，或在淬火后产生脆性相或对裂纹敏感的组织。当低碳钢或中碳钢本应保持受控的表面成分，而不是接受有意进行的渗碳处理时，这一影响尤其重要。

烟灰是可见的警示现象，但不能构成完整诊断。烟灰可能由过高的碳氢化合物活性、气体裂解不良、气体平衡错误、循环不足、炉内低温区域，或油类和有机残留物造成的污染引起。黑色沉积物可能是碳，但也可能含有冷凝的工艺产物，或含碳物质与氧化物的混合物。沉积物可能掩盖氧化皮、阻碍均匀传热、干扰温度测量，并转移到其他零件上。

异常表面化学成分并不局限于碳。含氨气氛可能引入氮；二氧化碳和水蒸气可能改变氧化反应及碳迁移反应；空气进入则可能带入氧和氮。其结果可能是表面颜色看似正常，但成分却不正确。灰色、粗糙或异常坚硬的层，可能反映增碳、渗氮、氧化或沉积化合物的形成，而不是某一种单独的气氛状态。

诊断必须将零件证据与炉内记录联系起来。应记录炉温、适用时的露点或水分指示值、氧势或碳势读数、气体流量、压力、报警、炉门开启情况、装料位置以及维护事件。比较受影响位置与未受影响位置。应对横截面进行金相检验，开展硬度梯度测量，并在表面化学成分存在疑问时，要求进行碳或其他元素的化学成分梯度测量。ISO 17663:2023 规定了在空气或受控气氛中进行热处理的质量要求，主要适用于铁素体钢以及在车间或现场开展的作业；其强调了将气氛记录和验证作为质量证据的重要性。

表面外观仍可用于筛查，但不能作为证据。同一种氧化皮、凹坑、粗糙度形貌、软层或黑色沉积物，可能由多种失效原因造成。因此，仅凭目视判断就放行或拒收热处理批次，是不妥当的做法。

验证、验收与文件记录

仅凭温度记录无法确定气氛状态或最终表面是否合格。 Strong evidence

只有当记录将材料、热循环、气氛以及成品零件的证据联系起来时，热处理结果才具有可辩护性。单凭炉温曲线不能证明钢材接受了预期的处理。记录应标明钢种及适用的材料标准、炉号或浇次号、装料标识、零件图纸或工单、炉号、装料方式、循环规范、气氛或真空状态、测得的工艺变量、报警、偏差以及检验结果。如果其中任何一个环节缺失，后续复核可能只能显示炉子进行了什么操作，却无法显示哪些产品接受了该处理，也无法确认这些产品是否满足要求。[3][3] Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes. International Organization for Standardization. ISO Standard, 2023. ISO 17663:2023

ISO 17663:2023 为与焊接及相关工艺有关、在空气或受控气氛中实施的热处理提供了主要质量框架。其范围主要适用于铁素体钢，并涵盖在车间和现场进行的作业。该标准规定了质量要求，但不会为每一种钢材和工艺设定统一的硬度、脱碳、尺寸或金相验收限值。这些限值必须来自适用的产品标准、图纸、焊接工艺、热处理工艺、合同或工程规范。

工艺评定与例行检查

工艺确认用于证明：由规定的钢种、截面尺寸、装料方式、炉型、工艺循环和气氛所构成的组合，能够达到所要求的状态。确认记录应说明所使用的设备、热电偶布置、控制器和记录仪的标识、气氛发生系统或真空系统、校准状态，以及对确认样品采用的检验方法。记录还应解释样品如何代表生产零件。薄试样可以证明温度均匀性，却可能无法代表厚部件中的碳扩散距离或热滞后特性。

确认必须将气氛视为一种参与反应的工艺介质，而不是未加说明的保护气体。ASM International 于 2017 年将“炉内气氛控制”和“供气气氛控制”确定为两大主要控制组。炉内气氛控制组包括密封、循环、混合、排气、泄漏和分布；供气气氛控制组包括气体、蒸气、发生器、净化设备、流量控制及相关测量。两者都可能改变结果。即使炉子的设定正确，如果供给气体含有过量水蒸气，或发生器发生漂移，仍可能产生氧化皮或脱碳。

碳势显示并不能自行证明其有效性，应由测量记录和校准记录予以支持。 Limited evidence

工艺记录应确定对于该钢材和处理工艺而言具有决定意义的控制变量。根据工艺不同，这些变量可能包括温度、时间、炉压、真空度、气体流量、露点、氧分压、二氧化碳浓度或计算所得的碳势。《ASM Handbook》第 4B 卷介绍了通过涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的测量值或关系式进行碳势控制的方法。因此，显示的碳势值必须有相应的测量和校准信息作为支持；不应将其视为能够自行证明有效的数值。

例行检查用于确认已确认的工艺仍处于受控状态。检查内容可能包括仪器核查、热电偶检查、泄漏检查、气氛传感器检查、发生器检查、气体流量确认，以及放行前对记录曲线的审核。检查频率和验收标准应由相关程序及适用的质量体系规定。不得以任何通用数值替代项目要求。

工艺监控和产品验证回答的是不同问题。监控关注炉子是否遵循规定的温度和气氛历程。产品验证关注实际钢材是否形成了所要求的硬度、组织、表面化学成分、尺寸和状态。符合要求的记录曲线不能弥补硬度梯度不合格、氧化皮过多或碳梯度超出规定限值的问题。反过来，合格的硬度读数也不能证明整个工艺循环期间气氛始终受到正确控制。

任何报警、中断、传感器故障、气体变更、装料错误、停电、意外冷却事件或偏离批准工艺循环的情况，都必须形成记录并作出处置决定。处置可能包括重新处理、追加检验、工程评审或拒收，但记录应明确由谁评估了该事件，以及哪些证据支持该决定。未记录的悄然纠正不具备可追溯性。

表面及次表面检验

表面检验应在规定的照明和清洁条件下从直接观察开始。检验人员应记录氧化皮、变色、麻点、烟灰、沉积物、渗碳区或脱碳区、裂纹、变形以及搬运造成的损伤。氧化会生成氧化皮，而表面碳损失会导致脱碳。美国国家标准局于 1966 年出版的手册明确指出，燃烧产物中的水蒸气不利于钢材表面防护。剑桥大学出版社在其 2012 年关于气氛控制的论述中同样指出，未经控制的氧化性气氛可能导致结垢，并会在钢材中引起脱碳。

仅凭目视检验无法确定碳损失的深度或严重程度。从表面向心部进行硬度梯度测量，可以显示软化的脱碳层或异常硬化的渗碳区域，但硬度取决于钢种、显微组织、试验方法、测点间距和局部几何形状。因此，硬度测量应与明确的取样和剖切方案相联系，并依据适用要求进行解释，而不能依据假定的通用硬度分布进行判断。

金相检验提供的是不同类型的证据。经过抛光和腐蚀的横截面可以显示铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体、碳化物、氧化渗入、晶粒长大、淬火裂纹，以及受改变的表面材料与未受影响的心部之间的界面。它还可以表明硬度变化究竟对应于碳损失，还是由相变或回火效应引起。报告应明确试样位置、取向、制备方法、腐蚀剂、放大倍数和观察结果。只有在记录了照片的比例、位置及其与验收标准之间的关系时，代表性照片才具有实用价值。

在表面碳含量会影响耐磨性、疲劳性能或相变行为的情况下，碳梯度评估尤其重要。根据规范要求，可以采用化学分析、显微硬度剖面测量、金相检验或其他批准的方法。报告应说明所采用的方法、表面基准、深度增量、规定时所需的测量不确定度以及结果。单一的整体碳含量分析无法确定表面碳梯度。同样，心部硬度结果也不能证明表面保持了预期的碳势。

尺寸检查构成产品证据的最后一部分。应测量受加热、淬火或去应力影响而被确定为敏感的特征，包括平面度、径向跳动、同心度、长度、孔径，以及适用时的变形。测量必须明确所使用的仪器、校准状态、基准体系和检验阶段。对于裂纹或近表面不连续性，无损检验可以补充这些检查；而次表面检验可能需要剖切、超声检测、射线检测或其他规定的方法。每种技术具有不同的检测能力。

涂层标准不得与气氛验收要求混淆。ISO 17834:2003 涉及用于防止腐蚀和最高 1000 °C（1273 K）高温氧化的热喷涂金属涂层。ISO 12944-4:2017 规定了碳钢和低合金钢结构的表面处理等级，并区分未涂层、热喷涂、镀锌、电镀、渗锌和涂漆表面。这两项标准均未为热处理钢材的炉内脱碳提供通用验收限值。

气氛条件的可追溯性

气氛的可追溯性始于确定气氛路径：空气、指定名称的受控气氛、吸热式或放热式发生器气体、氮基混合气、真空或其他规定状态。记录应将该状态与炉子、炉料、日期和时间、气源或发生器、控制仪器、传感器标识及记录值关联起来。对于真空处理，应根据程序中与之相关的要求，记录压力历程、泄漏试验状态、泵的状况以及任何回填气体。

带时间戳的数据至关重要。仅显示平均温度和一次气氛读数的最终曲线，可能掩盖关键工艺阶段中的瞬时泄漏、露点偏移、碳势漂移或真空损失。记录应保留测量间隔、报警事件、设定值、实际值、传感器替换情况、校准状态以及操作人员的响应。如果某个数值是计算所得而非直接测量所得，则应保留计算方法和输入测量值。

材料记录和气氛记录应相互交叉引用，而不应在彼此没有关联的情况下分开归档。炉料批号应出现在炉次记录中，炉次编号应出现在检验报告中，检验报告还应标明所检验的部件位置。数字记录需要进行受控的版本管理、访问控制、保存管理，并防止未经记录的修改。纸质曲线需要有清晰可辨的标识，并采用有文件记录的更正方法。

这条链路使审核员或工程师能够重建事件经过：哪种钢材进入了哪台炉子，在何种工艺循环和气氛条件下进行处理，仪器检测到了什么，发生了哪些偏差，以及最终的表面、次表面组织、尺寸和硬度是否满足适用要求。这正是炉子运行证据与热处理钢材合格证据之间的区别。

钢材表面保护的实用决策框架

表面保护始于冶金规范，而不是某种气体的名称。氮气、氩气、吸热式气氛、放热式气氛、含氢混合气体以及真空，在温度、停留时间、泄漏、露点、碳势和钢材成分发生变化时，可能产生截然不同的结果。因此，炉内气氛是热处理过程的一部分。它决定表面是否在化学成分上基本保持接近初始钢材状态，是否增碳或渗氮，是否失碳，或者是否形成必须在后续去除的氧化物。

美国国家标准局手册 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel（《铁和钢的热处理及其性能》，1966年）直接指出了两种主要的表面危害：氧化会产生氧化皮，而失碳会产生脱碳。该手册还指出，燃烧产物中的水蒸气具有不利影响。实际问题并不是某种气氛听起来是否“惰性”，而是该气氛在整个热循环期间作用于钢材表面时，是否能够形成规定的冶金状态。

明确所需的最终表面状态

首先要决定的是，是否允许产生氧化皮和碳含量变化。锻造、轧制或镦粗前的再加热操作，可能允许形成一层表面层，因为该表面层会在塑性变形或机械加工过程中被去除。而用于成品工具、轴承部件、齿轮、弹簧或耐磨表面的奥氏体化则不同：即使零件淬火后外观上可以接受，脱碳仍可能降低其硬度和疲劳强度。

应使用可测量的术语规定表面要求。要求可以包括不得有可见氧化皮、脱碳层最大深度、规定的表面碳浓度、表面及其下方的硬度范围，或为后续磨削预留的加工余量。“光亮”不是充分的技术规范。“不氧化”也不是，因为某种气氛可能抑制可见氧化皮，同时仍然改变表面碳含量。

必须准确记录钢材牌号，包括适用的标准。针对1.3505（100Cr6）的热处理，不能依据与C45、42CrMo4、AISI 52100或奥氏体不锈钢牌号相同的假设进行规定。碳活度、合金元素、先前的表面状态以及预期的相变，都会影响可接受的气氛。对于渗碳钢，碳势是一个工艺变量。对于普通碳素钢和低合金钢，过度失碳可能与氧化一样具有破坏性。

应将最终表面状态与涂层或后处理区分开来。ISO 17834:2003规定了用于防腐蚀和高温氧化、最高适用温度达1000 °C（1273 K）的热喷涂金属涂层。ISO 12944-4:2017规定了碳钢和低合金钢结构的表面处理等级，并区分未涂覆、热喷涂、镀锌、电镀、渗锌和涂漆表面。这些标准不能替代淬火、退火、正火或锻造再加热过程中的气氛控制。

使风险与气氛及炉子的能力相匹配

在选择气氛之前，应先对操作进行分类。剑桥大学出版社2012年出版的气氛控制相关资料区分了加工用再加热和最终热处理。这一区分应决定对氧化皮和碳含量变化的容许程度。对于只需去除外层的坯料再加热，其气氛策略可以不同于成品尺寸零件的最终热处理。

然后确定主要风险。氧化需要控制含氧物种、燃烧条件、泄漏和停留时间。脱碳则需要控制钢材表面的化学势，而不仅仅是降低氧含量。ASM International出版的 ASM Handbook, Volume 4B（《ASM手册，第4B卷》，2017年）将“炉内气氛控制”和“供气气氛控制”确定为两大主要控制组。两者都很重要：即使气体混合比例正确，法兰泄漏、发生器受潮、管路污染、流道堵塞或工件放置不当改变了炉内环境后，工艺仍可能失败。

碳势可以通过直接测量确定，也可以通过涉及水蒸气、二氧化碳和氧分压的关系进行确定。所选控制方法必须适合该炉子。如果探头位置偏远、受到负载遮挡、受到污染，或处于不同的流动模式中，那么探头读数并不自动代表工作区结果。含有二氧化碳、氨、氢气及其他反应性气体的气氛，需要关注其特定反应；Steel Heat Treatment Handbook（《钢材热处理手册》，CRC Press，2014年）讨论了这些气体与抗氧化能力及表面碳控制之间的关系。

炉子的能力决定了规范的边界。应检查设备是否能够控制温度均匀性、气氛流量、压力、露点、氧势、碳势和排气。还应检查发生器能否在启动和负载变化期间保持气体成分稳定。必须确认密封件、炉门、马弗罐、夹具和转运路线不会引入空气或水分。能够显示某项气体数值、却无法在负载处维持该数值的炉子，不能证明热处理有效。

对于焊接结构件和铁素体钢，ISO 17663:2023规定了空气或受控气氛中热处理的质量要求，涵盖车间内和现场进行的作业。当热处理属于焊接或相关工艺的一部分时，该标准具有参考价值；但对于具体部件，仍必须明确适用的材料、工艺、检验和验收要求。

系统地调查偏差

发现表面缺陷后，首先应进行分布绘图，而不是立即作出解释。缺陷是遍布整个负载的氧化皮或脱碳，还是局限于某一个表面、边缘、料架位置或炉区？缺陷是否会随负载位置在不同批次中重复出现？它是否只在长时间保温、启动阶段、开炉门后，或向淬火介质转移期间出现？这些观察结果有助于区分化学问题与循环、密封、温度或操作问题。

应将缺陷分布与独立测量结果进行比较。测得的气氛是否代表工作区，而不是仅代表供气管线、回风管道或炉壁处的气氛？气体分析仪、氧探头、露点仪和碳势控制器是否经过校准，并能以所需速率响应？探头是否洁净且位置正确？是否通过标准试样、垫片、金属箔或金相试样确认了仪器指示值？

还应确认炉子是否在气氛稳定之前就已达到温度，负载是否阻碍了气流，发生器是否在需求变化时改变了气体成分，以及水分是否通过燃烧产物、泄漏、清洗残留物或潮湿装料进入炉内。应检查氧化皮形貌，并根据需要通过金相分析、硬度梯度测试、显微硬度测试或碳含量分析测量受影响层。仅凭表面颜色较深不能证明发生了脱碳；仅凭表面光亮也不能证明保留了碳含量。

可采用以下工作流程：

1. 确定钢材牌号、截面尺寸、先前状态和操作类型。 2. 明确是否允许产生氧化皮和碳含量变化，并设定可测量的限值。 3. 判定该循环属于加工用再加热还是最终热处理。 4. 选择气氛控制策略，包括氧化控制，以及在需要时进行碳势控制。 5. 验证供气系统、发生器性能、密封件、流量、压力、传感器、校准情况以及测量结果是否具有工作区代表性。 6. 规定检验项目：可见氧化皮评估、尺寸检查、硬度、金相分析、脱碳深度测量或表面化学成分分析。 7. 记录所有偏差，包括负载位置、循环记录、气氛记录、报警状态、转移时间以及受影响材料。

这一流程将表面保护视为一种受控的冶金结果。气体名称只是其中一个输入因素。

参考文献

1. [1]Cambridge University Press. Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes. Cambridge University Press chapter, 2012. Cambridge University Press publication
2. [2]ASM International. ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys. ASM Handbook, 2017. ASM International, ASM Handbook Volume 4B
3. [3]International Organization for Standardization. Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes. ISO Standard, 2023. ISO 17663:2023