市販の窒素ベースの雰囲気は、金属表面の化学的性質を制御するために正確なガス混合物に依存しています。焼入れ用途の場合、典型的な組成は窒素（N2）97％、水素（H2）1％、一酸化炭素（CO）1％、メタン（CH4）1％です。脱炭に焦点を当てたプロセスでは、N2 40％、H2 40％、CO 20％がよく使用されますが、浸炭用途では通常、N2 90％とH2 10％の混合物が使用されます。
特定のガス組成は、望ましい表面反応によって決まります。「リーン」混合物は酸化に対する保護バリアとして機能しますが、「リッチ」または炭素制御混合物は表面硬度と化学構造を積極的に変化させます。
機能による雰囲気の分類
正しい組成を選択するには、まずこれらの雰囲気が熱処理で果たす3つの異なる役割を理解する必要があります。
保護雰囲気
これらの混合物は、金属に対して化学的に中性であるように設計されています。主な機能は、加熱中の酸化または脱炭を防ぐことです。
これらは、鉄金属の焼なましで最も一般的に使用され、化学組成を変更せずに表面仕上げを維持します。
反応性雰囲気
反応性雰囲気には、意図的に高濃度の活性ガスが含まれています。これらは、金属酸化物を還元するか、鉄材料への炭素の移動を促進するように設計されています。
炭素制御雰囲気
これらは反応性雰囲気の特定のサブセットです。これらは、プロセス要件に応じて、鋼との反応を促進して表面に炭素を添加する（浸炭）か、炭素を除去する（脱炭）かのいずれかを行います。
用途別の具体的な組成
窒素と反応性ガス（H2、CO、CH4）の正確な比率は、熱プロセスによって大きく異なります。
焼入れ処理
焼入れには、熱伝達を可能にしながら炭素レベルを維持する安定した環境が必要です。
- 組成：N2 97％、H2 1％、CO 1％、CH4 1％。
表面炭素改質
これらのプロセスは、金属の表面化学を劇的に変化させます。
- 脱炭：高濃度の反応性ガスを使用して炭素を除去します。
- 組成：N2 40％、H2 40％、CO 20％。
- 浸炭：特定のキャリアブレンドを使用して炭素添加を促進します。
- 組成：N2 90％、H2 10％。
焼なまし（リーン雰囲気）
大規模な連続焼なまし処理では、一般的に「リーン」窒素ベースの雰囲気が使用されます。これらは主に窒素ですが、残留酸素を捕捉するための微量の反応性ガスが含まれています。
- 組成：N2 97.1％、CO 1.7％、H2 1.2％。
焼結（リッチ雰囲気）
鉄粉焼結などのプロセスでは、適切な結合を確保するために、還元性ガスの濃度が高い「リッチ」雰囲気が必要です。
- 組成：N2 75.3％、CO 11％、H2 13.2％、CH4 0.5％。
トレードオフの理解
窒素ベースの雰囲気は汎用性を提供しますが、正しいバランスを達成するには、ガス比率の慎重な管理が必要です。
反応性と安全性のバランス
脱炭（合計60％）で使用されるような高濃度の水素（H2）および一酸化炭素（CO）は、プロセスの引火性および毒性のリスクを大幅に増加させます。
プロセス感度
「リーン」雰囲気では、誤差の範囲はわずかです。反応性ガス（COおよびH2）が約3％しかない場合、わずかな漏れや汚染でも、雰囲気が酸化を防ぐ能力をすぐに圧倒し、部品の変色や損傷につながる可能性があります。
目標に合った適切な選択
適切な雰囲気を選択することは、ガス電位を冶金学的目標に合わせることです。
- 焼入れが主な焦点の場合：表面の損傷なしに表面の完全性を維持するために、H2、CO、CH4の微量を含む97％N2ベースを使用します。
- 炭素制御が主な焦点の場合：高濃度の水素混合物（H2 10％〜40％）を使用して、浸炭または脱炭反応を積極的に促進します。
- 焼なましが主な焦点の場合：酸化から金属を費用対効果の高い方法で保護するために、「リーン」混合物（約97％N2）を選択します。
- 焼結が主な焦点の場合：粉末金属の効果的な還元と結合を確保するために、COとH2のレベルが高い「リッチ」雰囲気を選択します。
成功は、雰囲気が冶金学の要求どおりに正確に機能するように、これらの比率を正確に制御することにかかっています。
概要表：
| 用途 | 窒素（N2） | 水素（H2） | 一酸化炭素（CO） | その他（CH4） | 機能 |
|---|---|---|---|---|---|
| 焼入れ | 97％ | 1％ | 1％ | 1％ | 保護/表面安定性 |
| 浸炭 | 90％ | 10％ | - | - | 炭素添加 |
| 脱炭 | 40％ | 40％ | 20％ | - | 炭素除去 |
| 焼なまし（リーン） | 97.1％ | 1.2％ | 1.7％ | - | 酸化防止 |
| 焼結（リッチ） | 75.3％ | 13.2％ | 11％ | 0.5％ | 還元と結合 |
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