Die beiden Hauptarten von exothermen Atmosphären sind reichhaltige (oder konzentrierte) und magere (oder leichte). Sie unterscheiden sich durch ihr Luft-zu-Gas-Mischungsverhältnis, das ihre chemische Zusammensetzung und ihr "reduzierendes" Potenzial bestimmt. Reichhaltige Atmosphären enthalten höhere Mengen an Wasserstoff und Kohlenmonoxid zur Verhinderung von Oxidation, während magere Atmosphären weniger Reduktionsmittel enthalten und eingesetzt werden, wenn Oberflächenschutz weniger kritisch ist oder Oxidation erwünscht ist.
Die Wahl zwischen reichen und mageren Atmosphären ist im Grunde ein Kompromiss zwischen Schutz und Kosten. Reichhaltige Atmosphären bieten eine "reduzierende" Umgebung zum Schutz von Stahloberflächen, während magere Atmosphären kostengünstige Lösungen für Nichteisenmetalle wie Kupfer oder Prozesse sind, bei denen Oxidation beabsichtigt ist.
1. Reichhaltige exotherme Atmosphären
Diese Atmosphäre wird oft als "konzentriert" bezeichnet, da sie mit einem niedrigeren Luft-zu-Gas-Mischungsverhältnis erzeugt wird. Sie behält eine höhere Konzentration an reduzierenden Gasen bei, was sie chemisch aktiv bei der Verhinderung von Oberflächenschäden macht.
Chemische Zusammensetzung
Eine reichhaltige Atmosphäre besteht typischerweise aus 71,5 % Stickstoff (N2), 12,5 % Wasserstoff (H2), 10,5 % Kohlenmonoxid (CO), 5 % Kohlendioxid (CO2) und etwa 0,5 % Methan (CH4).
Die "reduzierende" Funktion
Die signifikante Anwesenheit von Wasserstoff und Kohlenmonoxid (insgesamt etwa 23 %) schafft eine reduzierende Umgebung. Das bedeutet, dass die Atmosphäre aktiv Sauerstoff abfängt und verhindert, dass er mit dem behandelten Metall reagiert.
Hauptanwendungen
Aufgrund seiner schützenden Eigenschaften ist reichhaltiges exothermes Gas der Standard für die Wärmebehandlung von Eisenmetallen.
- Stahlhärten und -glühen: Es ist unerlässlich für die Behandlung von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, um Entkohlung (Verlust von Kohlenstoff aus der Stahloberfläche) zu vermeiden.
- Löten: Es wird häufig zum Kupfer- und Silberlöten verwendet.
- Sintern: Es ist die bevorzugte Atmosphäre für Sinteranwendungen von Pulvermetallen.
2. Mager exotherme Atmosphären
Auch als "leichte" exotherme Atmosphären bekannt, werden diese mit einem höheren Luft-zu-Gas-Verhältnis erzeugt. Dies führt zu einer nahezu vollständigen Verbrennung, wobei nur sehr wenige brennbare oder reduzierende Bestandteile im Gas verbleiben.
Chemische Zusammensetzung
Eine magere Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (86,8 %) und Kohlendioxid (10,5 %). Sie enthält sehr geringe Mengen an reduzierenden Gasen, mit nur etwa 1,5 % Kohlenmonoxid und 1,2 % Wasserstoff.
Die "oxidierende" Funktion
Aufgrund des geringen Wasserstoffgehalts und des hohen Kohlendioxidgehalts ist diese Atmosphäre nicht für die Blankwärmebehandlung von Stählen geeignet. Im Kontext von Stahl wirkt der hohe CO2-Gehalt als Oxidationsmittel, das die Metalloberfläche verkrusten oder anlaufen lassen würde.
Hauptanwendungen
Mager Atmosphären werden für Prozesse eingesetzt, bei denen eine reduzierende Umgebung nicht erforderlich ist oder bei denen eine kontrollierte Oberflächenoxidation erforderlich ist.
- Kupferglühen: Obwohl es für Stahl oxidierend ist, ist diese Atmosphäre für das Glühen von Kupfer geeignet.
- Kontrollierte Oxidation: Sie wird speziell für Prozesse ausgewählt, die eine chemische Reaktion mit der Oberfläche erfordern und nicht deren Schutz.
Verständnis der Kompromisse
Bei der Auswahl einer Atmosphäre müssen Sie chemische Aktivität gegen Materialempfindlichkeit abwägen.
Das Risiko der Entkohlung
Wenn Sie eine mager Atmosphäre auf Stahl verwenden, reagiert der hohe CO2-Gehalt mit dem Kohlenstoff auf der Stahloberfläche. Dies verursacht Entkohlung, was zu einer weichen, schwachen Oberflächenschicht führt. Reichhaltige Atmosphären sind erforderlich, um die Kohlenstoffgehalte in Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt aufrechtzuerhalten.
Sicherheit und Brennbarkeit
Reichhaltige Atmosphären enthalten über 20 % brennbare Gase (H2 und CO) und sind daher entflammbar; sie erfordern sorgfältige Handhabung und Sicherheitsprotokolle. Mager Atmosphären mit weniger als 4 % brennbaren Gasen sind im Allgemeinen nicht entflammbar und einfacher zu handhaben, bieten aber keinen Schutz für Eisenmetalle.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Die Entscheidung hängt vollständig vom zu behandelnden Metall und der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit ab.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Schutz von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt liegt: Verwenden Sie eine reiche exotherme Atmosphäre, um Entkohlung zu verhindern und eine saubere Oberfläche während des Glühens oder Sinterns zu gewährleisten.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Kupferglühen liegt: Verwenden Sie eine mager exotherme Atmosphäre, da diese eine ausreichende Prozessumgebung ohne die Kosten oder Entflammbarkeit von Hochwasserstoffgemischen bietet.
Verwenden Sie letztendlich reichhaltige Atmosphären, um Oxidation auf Stahl zu verhindern, und magere Atmosphären, um Oxidation zu induzieren oder Nichteisenmetalle zu behandeln.
Zusammenfassungstabelle:
| Merkmal | Reiche exotherme Atmosphäre | Mager exotherme Atmosphäre |
|---|---|---|
| Hauptzusammensetzung | ~12,5 % H2, 10,5 % CO, 71,5 % N2 | ~1,2 % H2, 1,5 % CO, 86,8 % N2 |
| Chemische Natur | Stark reduzierend | Leicht oxidierend |
| Brennbarkeit | Entflammbar (>20 % brennbare Stoffe) | Nicht entflammbar (<4 % brennbare Stoffe) |
| Schlüsselanwendungen | Stahlglühen, Sintern, Löten | Kupferglühen, kontrollierte Oxidation |
| Hauptvorteil | Verhindert Entkohlung & Oxidation | Kostengünstig; sicherere Handhabung |
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