滲碳?xì)夥罩械膮⒈葴y(cè)量

(原文：MESA electronic GmbH；翻譯整理：深圳市倍拓科技有限公司)

滲碳工藝控制中zui重要的參數(shù)就是氣氛的溫度和碳勢(shì)。溫度通常可由熱電偶（溫度傳感器）測(cè)得。而對(duì)于碳勢(shì)的控制，則可以采用現(xiàn)場(chǎng)氧探頭和Lambda探頭（L-sonde）通過對(duì)爐內(nèi)氣氛的氧分壓進(jìn)行測(cè)量來完成。但是無論是熱電偶還是氧探頭在殘氧測(cè)量中其精度都會(huì)慢慢降低。因此，要想實(shí)現(xiàn)控制，則必須通過參比測(cè)量來校準(zhǔn)溫度和碳勢(shì)。在本文*節(jié)中，我們分別就熱電偶和氧探頭以及Lambda探頭（L-sonde）導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的原因作出了分析和解釋，同時(shí)就如何采用參比測(cè)量校正測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)說明。另外，參比測(cè)量中需要注意什么，參比測(cè)量提供什么信息，以及如何通過氣體分析儀來對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行分析，都進(jìn)行了探討。在接下來的本節(jié)內(nèi)容里面，將展示以下其它有關(guān)碳勢(shì)參比測(cè)量的方法：利用另外的氧探頭或者Lambda探頭進(jìn)行參比測(cè)量；露點(diǎn)測(cè)量以及定碳片測(cè)量。這里我們也會(huì)討論各種參比測(cè)量方法的各自優(yōu)勢(shì)和不足。

滲碳工藝控制中zui重要的參數(shù)就是氣氛的溫度和碳勢(shì)。為了得到準(zhǔn)確的可復(fù)制的結(jié)果，必須對(duì)溫度和碳勢(shì)進(jìn)行非常的測(cè)量。由于此工藝中應(yīng)用的熱電偶、常規(guī)氧探頭以及Lambda探頭都會(huì)由于老化和其它各種錯(cuò)誤原因，從而出現(xiàn)不準(zhǔn)確甚至是錯(cuò)誤的測(cè)量讀數(shù)。要想對(duì)讀數(shù)進(jìn)行校正，必須采用參比測(cè)量的方法。否則不能保證我們能夠按照所需要的結(jié)果進(jìn)行控制。

溫度的參比測(cè)量是通過一個(gè)測(cè)試熱電偶來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于碳勢(shì)的參比測(cè)量，則有間接和直接幾種方法。在滲碳?xì)夥罩校绻褂梦鼰崾綒夥栈蛘叩?/span>/甲醇作為載氣，則一氧化碳和氫氣的數(shù)值基本上都是不變的。因此，在實(shí)踐中要確定碳勢(shì)，只需要測(cè)量氧氣，二氧化碳或者露點(diǎn)值即可，而一氧化碳和氫氣都可以當(dāng)作定值。（如圖1）。對(duì)于碳勢(shì)控制而言，過氧探頭或者Lambda探頭來測(cè)量氧分壓是目前的主要方法。可以采用現(xiàn)場(chǎng)氧探頭和Lambda探頭（L-sonde）通過對(duì)爐內(nèi)氣氛的氧分壓進(jìn)行測(cè)量來完成。在*節(jié)中，我們也介紹了如何通過氣體分析儀對(duì)CO和CO2進(jìn)行測(cè)量。下文將對(duì)如何使用另外一個(gè)氧探頭或者Lambda探頭或者露點(diǎn)測(cè)量方法來對(duì)碳勢(shì)進(jìn)行間接測(cè)量，以及這些方法的優(yōu)勢(shì)和不足作出分析。

圖1， 滲碳?xì)夥罩袥Q定碳勢(shì)的方法
在線（間接）測(cè)量：溫度/一氧化碳/氧氣
在線（間接）測(cè)量：溫度/一氧化碳/二氧化碳
間接測(cè)量：溫度/一氧化碳/氫氣/水份
直接測(cè)量：使用定碳片

一，  利用另外一個(gè)氧探頭或者Lambda探頭對(duì)碳勢(shì)進(jìn)行參比測(cè)量。

      我們?cè)谖恼?節(jié)中已經(jīng)描述了氧探頭和Lambda探頭的結(jié)構(gòu)和工作原理。通過另外一個(gè)氧探頭或者Lamdba探頭來做參比測(cè)量，跟通過一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w分析一樣，優(yōu)點(diǎn)在于可以保證測(cè)量的連續(xù)性。使用可連接這兩種探頭的碳控儀然后進(jìn)行比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)碳控系統(tǒng)的故障率大大降低。本文里我們稱其為“冗余法”，從技術(shù)上來說，這個(gè)術(shù)語通常表示一個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)的功能相同或類似的但在*狀態(tài)下并不需要使用的組件。

圖2：MESA碳控儀Carbomat-M:    a) 對(duì)兩只同時(shí)工作的探頭進(jìn)行比較            

                                          b) 設(shè)定兩只探頭轉(zhuǎn)換參數(shù)

MESA碳控儀carbomat M可以連接兩個(gè)不同的探頭一起運(yùn)行來進(jìn)行比較。(如圖2)。一個(gè)是主要探頭，用于計(jì)算碳勢(shì)，另外一個(gè)是參比探頭。如果出現(xiàn)故障，Carbomat M 會(huì)從主要探頭切換到參比探頭繼續(xù)計(jì)算數(shù)值。這樣就可以避免探頭在運(yùn)行中出現(xiàn)故障的時(shí)候碳控過程和數(shù)據(jù)記錄被中斷。墨菲定律---“凡事只要有可能出錯(cuò)，那就一定會(huì)出錯(cuò)”，或者，換句話說，事情往往會(huì)朝著我們所能想到的zui壞的方向發(fā)展。對(duì)我們而言：探頭故障只要發(fā)生，那么必定會(huì)帶來zui大的損失。這種損失可以通過這個(gè)冗余系統(tǒng)來避免。

    通過一個(gè)很短的測(cè)試，我們可以看到如果使用由兩個(gè)同時(shí)工作的探頭組成的冗余系統(tǒng)，碳勢(shì)控制的故障率是如何被減小的。為了消除系統(tǒng)錯(cuò)誤，應(yīng)該使用不同類型的氧探頭，比如一個(gè)氧探頭和一個(gè)Lambda探頭。由于這兩種探頭的結(jié)構(gòu)*不同，熱處理工藝和與其相關(guān)的單元對(duì)探頭的影響也是不一樣的。在這種情況下，探頭的故障可以通過互相比較得以發(fā)現(xiàn)。假定在一個(gè)相應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)，*個(gè)探頭的故障率為30%，即P(probe 1)=0.3，第二個(gè)探頭的故障率為20%，即P(probe 2)=0.2, 那么兩個(gè)探頭同時(shí)發(fā)生故障的可能性及各自故障率的乘積。以上為例，P（probe 1 probe 2）=P(probe 1)* P(probe 2)=0.3*0.2=0.06。

因此由兩個(gè)探頭組成的系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)故障率就減小至6%，這是一個(gè)相當(dāng)大的縮減。

二，通過測(cè)量露點(diǎn)來對(duì)碳勢(shì)進(jìn)行參比測(cè)量

    如果要對(duì)含水份的爐內(nèi)氣氛來計(jì)算其碳勢(shì)，那么必須對(duì)露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。露點(diǎn)或者露點(diǎn)溫度表示水剛剛結(jié)露時(shí)候的溫度。圖3顯示了相位圖中飽和水蒸汽壓力線，溫度介于-30C至+20C之間

這條線代表了露點(diǎn)和分壓以及氣氛中水份比例之間的關(guān)系。知道爐內(nèi)氣氛的露點(diǎn)溫度，就可以根據(jù)該圖讀取分壓，從而決定碳勢(shì)。例如在露點(diǎn)溫度為+10C的氣氛中，水分壓為12.27mbar。運(yùn)用馬格努斯公式（由海因里希•••古斯塔夫•馬格努斯于1844年*），爐內(nèi)氣氛中的水分壓可以根據(jù)露點(diǎn)值來計(jì)算

在上述公式中：T 表示露點(diǎn)溫度，以 °C為單位。

    市面上帶水分壓連續(xù)檢測(cè)功能的露點(diǎn)傳感器并不能用于滲碳?xì)夥罩?。?duì)于這種露點(diǎn)測(cè)量，我們需要使用冷鏡面測(cè)量設(shè)備。這種設(shè)備的原理如圖4所示。爐內(nèi)氣體通過測(cè)量室到達(dá)鏡面，鏡面通過熱電致冷元件（帕爾貼）制冷，直到鏡面上顯示結(jié)露。使用溫度傳感器可以測(cè)量鏡表面的溫度，只要表面一開始結(jié)露，就可以直接讀出鏡面的溫度值。這就是露點(diǎn)溫度。

圖4，露點(diǎn)儀dewchecker的測(cè)量原理

冷鏡式露點(diǎn)儀Dewchecker 1.1 （如圖5所示）主要特點(diǎn)在于鏡面溫度始終可以調(diào)節(jié)至固定值。為此，我們將所要求的鏡面溫度作為設(shè)定值。電氣控制帕爾貼致冷元件從而保持預(yù)先設(shè)定的溫度定值，這樣無需人員操作即可使露點(diǎn)測(cè)量達(dá)到非常的結(jié)果

圖5：冷鏡式露點(diǎn)儀

如需使用冷鏡式露點(diǎn)測(cè)量?jī)x器達(dá)到的測(cè)量結(jié)果，以下幾點(diǎn)必須注意觀察

• 氣體取樣器的重要性在此等同于氣體分析儀，因此氣體取樣器的結(jié)構(gòu)必須按照本文*部分所描述的內(nèi)容進(jìn)行制作。
• 如果氣體露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果高于環(huán)境溫度或者高于任何樣氣抽取系統(tǒng)部件，可能會(huì)導(dǎo)致過早冷凝。比如所給樣氣接觸到溫度較低的部件（比如水管），或者位置靠近窗戶/冷墻面，這是比較特殊的情況。當(dāng)露點(diǎn)儀從一個(gè)溫度較低的房間轉(zhuǎn)移到溫度較高的房間，如果被測(cè)氣體的露點(diǎn)高于露點(diǎn)儀與空氣接觸的部件的溫度，其測(cè)量室亦可發(fā)出現(xiàn)過早冷凝。

修正方法：

如果抽氣系統(tǒng)出現(xiàn)了冷凝，那么應(yīng)該將抽氣管從取樣點(diǎn)上分離。此時(shí)空氣會(huì)通過氣泵被吸入儀器內(nèi)，直到管路、過濾器和測(cè)量室重新恢復(fù)干燥狀態(tài)。開啟儀器后，先對(duì)外部空氣露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量以便檢測(cè)系統(tǒng)是否干燥，然后再對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行測(cè)量。之后如果再對(duì)空氣露點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到的露點(diǎn)值跟之前的空氣露點(diǎn)值保持穩(wěn)定不變，則表示系統(tǒng)干燥及正常工作。比如，開機(jī)后在空氣中測(cè)量得到的露點(diǎn)值為 +15DP，然后測(cè)量爐氣得到某個(gè)露點(diǎn)值，之后重新測(cè)量空氣露點(diǎn)值如果仍然得到+15DP，則表示系統(tǒng)正常；如果所得數(shù)值不一致（比如+10DP），則表示系統(tǒng)有問題，需使其達(dá)到干燥狀態(tài)再進(jìn)行使用。

• 該露點(diǎn)儀應(yīng)該定期進(jìn)行標(biāo)定和維護(hù)。要對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，需通過一個(gè)受控的恒溫恒濕箱產(chǎn)生幾個(gè)不同的露點(diǎn)值。然后通過待標(biāo)定的儀器和一個(gè)精密露點(diǎn)濕度計(jì)來進(jìn)行測(cè)量。通過測(cè)量值的比較，可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)從而保證讀數(shù)在誤差允許范圍之內(nèi)。

三，直接確定碳勢(shì)的方法     

     碳勢(shì)的直接測(cè)量方法包括熱絲電阻法和鐵箔稱重法。在熱絲電阻法中是將純鐵絲置于待測(cè)滲碳?xì)夥罩?，通過電阻測(cè)定儀測(cè)量到電阻變化值就可以確定氣氛中的碳勢(shì)。鐵箔稱重法是將0.05mm厚度的純鐵箔片置于待測(cè)氣氛中并保持10-15分鐘，從而確定箔片的含碳量。對(duì)此有四種方法：

輝光放電發(fā)射光譜法（GDOS）：這是zui的方法。通過GDOS可以測(cè)量碳在箔片表面的深度分布。采用此方法時(shí)，箔片中心含碳量就被用于碳勢(shì)的測(cè)量。在其它方法中容易導(dǎo)致誤差的情況比如箔片的表面氧化污染等對(duì)于GDOS都不會(huì)有影響。盡管其測(cè)量精度非常高，但是對(duì)于測(cè)量箔片含碳量而言，其方法過于復(fù)雜，成本也相當(dāng)高。

燃燒處理法：通過燃燒處理來確定箔片中的含碳量是當(dāng)今zui普遍使用的方法。箔片在裝有1g鎢顆粒的小容器中加熱。在高頻爐中，材料在純氧中燃燒。通過適當(dāng)?shù)倪^濾器，將除了二氧化碳以外的所有氧化物都過濾出去，再通過紅外儀對(duì)二氧化碳含量進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)得到的二氧化碳含量可以確定箔片中含碳量或者爐氣碳勢(shì)。對(duì)比渦流測(cè)量和稱重測(cè)量，此方法成本較高而且比較耗時(shí)間。另外此方法對(duì)標(biāo)定的要求很高，難度也很大。

渦流測(cè)量法：由于不同的碳含量導(dǎo)致箔片有不同的電磁特性，這種電磁特性的差別可以通過渦流測(cè)量法分析得到。與稱重法相比，此方法的優(yōu)勢(shì)在于操作毋須特別小心處理，因?yàn)椴廴緦?duì)測(cè)量結(jié)果無影響。但是不足之處在于，分析得到的電磁特性不僅基于箔片的碳含量，而且受其它參數(shù)的影響，比如框架結(jié)構(gòu)和和顆粒大小。箔片冷卻的速度和冷卻的程度也會(huì)對(duì)這些參數(shù)造成影響，很難在實(shí)際操作中清除這些錯(cuò)誤源。另外一個(gè)缺陷就是如需對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，必須采用其它的測(cè)量手段，如箔片燃燒或者稱重方法。而我們不太可能另外購置一臺(tái)儀器來專做標(biāo)定使用。

重力測(cè)量法:  通過精密天平稱重來確定箔片含碳量是zui簡(jiǎn)單也*的方法。對(duì)箔片放入爐氣之前和放入爐氣之后的重量進(jìn)行測(cè)量得到兩個(gè)不同的重量值，以及放入爐氣之前的箔片含碳量，我們可以按照下述公式計(jì)算出含碳百分比。

m0 是箔片放入爐氣之前的重量， m是箔片放入爐氣之后的重量， % C0是箔片放入爐氣之前的基準(zhǔn)含碳量，通過上述公式計(jì)算出的重量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的就是爐氣中的碳勢(shì)（根據(jù)德國(guó)鋼鐵材料熱處理系列標(biāo)準(zhǔn)DIN 17014）。使用重力測(cè)量法時(shí)必須確保箔片上沒有任何煙灰，油脂和手印等。

四，通過定碳儀FPG直接測(cè)量碳勢(shì)    

     MESA定碳儀FPG是通過重力測(cè)量法測(cè)量純鐵箔片中含碳量的精密儀器，測(cè)量精度可達(dá)± 0.01 % C。為了保證長(zhǎng)期使用的精度，該定碳儀每次開機(jī)都需要使用95mg的砝碼進(jìn)行標(biāo)定。另外，每個(gè)測(cè)量循環(huán)可以執(zhí)行七次測(cè)量。去掉zui大值和zui小值，通過剩下的五個(gè)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出平均值。

    上面說過，為了保證的測(cè)重，箔片上不能有任何油脂手印或者其它雜質(zhì)。因此每臺(tái)定碳儀都配備有附件用于準(zhǔn)備箔片。箔片需要裹在圓木簽上然后放入丙酮中清潔，然后通過防靜電的鑷子將其取出并用熱風(fēng)機(jī)吹干。吹干之后切記不能用手接觸箔片。

    該儀器特點(diǎn)在于可以通過手持終端進(jìn)行非常簡(jiǎn)便的操作，在該手持終端上，每一步都有清晰的指引，確保儀器的正確使用。通過手持終端和相應(yīng)的電腦軟件FPGviewer，還可以對(duì)用戶名和箔片編號(hào)進(jìn)行添加和管理。通過U盤，所有數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)存至電腦并通過軟件(圖7)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

五，箔片取樣及兩點(diǎn)校準(zhǔn)

可以直接測(cè)量碳勢(shì)的定碳儀，通常用于對(duì)氧探頭或者Lambda探頭計(jì)算出來的碳勢(shì)值進(jìn)行校準(zhǔn)。大多數(shù)碳控儀可以做到偏移補(bǔ)償，或者說在一個(gè)操作點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)碳勢(shì)校正。如果工藝過程中碳勢(shì)和溫度都是恒定的，那么這種校正是準(zhǔn)確的。但是對(duì)于碳勢(shì)和溫度不穩(wěn)定的熱處理過程比如滲碳工藝，那么這種校正是不夠的。

氧探頭測(cè)量誤差的主要原因來自探頭陶瓷管的毛細(xì)裂紋。隨著溫度的變化，陶瓷裂紋會(huì)擴(kuò)大。因此在不同的溫度下，探頭的測(cè)量誤差也是不同的。如果在較高的溫度（比如920°C）和1.2 % C的環(huán)境中進(jìn)行碳勢(shì)校準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的，接近這些數(shù)值的控制也是準(zhǔn)確的。但是如果溫度和碳勢(shì)降低，數(shù)值就會(huì)出現(xiàn)偏差，這是由探頭的性能以及校準(zhǔn)的方式?jīng)Q定的。

如果使用MESA碳控儀Carbomat-M (圖8) 或者 Carbo-M，那么很容易使用箔片測(cè)試來完成兩點(diǎn)校準(zhǔn)。如果使用箔片校準(zhǔn)的時(shí)的溫度相差超過30 °C，控制器可以在兩個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。不然的話，*個(gè)校準(zhǔn)值會(huì)被第二個(gè)校準(zhǔn)值所覆蓋。我們建議在滲碳溫度為920°C，含碳量為1.2%C的環(huán)境中，或者淬火溫度為880°C，含碳量為0.80%C的環(huán)境中進(jìn)行箔片取樣，儀器會(huì)自動(dòng)選取中間值。這樣就能夠在整個(gè)工作范圍內(nèi)保證非常的碳勢(shì)測(cè)量。

六，總結(jié)

要想保證產(chǎn)品品質(zhì)，那么參比測(cè)量是*而且至關(guān)重要的。在氣氛滲碳過程中，溫度和碳勢(shì)是非常關(guān)鍵的參數(shù)，必須予以定時(shí)監(jiān)測(cè)和檢查。溫度的參比測(cè)量必須在現(xiàn)場(chǎng)通過熱電偶完成。至于碳勢(shì)的參比測(cè)量則有好幾種方法。在本文*部分中，我們講過使用氣體分析儀的方法，這是解決各種問題的有效工具。通過另外一個(gè)氧探頭或者Lambda探頭進(jìn)行參比測(cè)量也有一定的優(yōu)勢(shì)，在*個(gè)探頭出現(xiàn)問題之后，另一個(gè)探頭可以自動(dòng)切換而不存在任何中斷，從而可以保證熱處理過程*受控。冷鏡式露點(diǎn)測(cè)量方法不僅適用于碳勢(shì)參比測(cè)量，而且可以確定吸熱式氣氛發(fā)生器的露點(diǎn)值，使其用于發(fā)生器的露點(diǎn)控制系統(tǒng)參比測(cè)量。在碳勢(shì)直接測(cè)量的方法中，*重力測(cè)量法，因?yàn)槔貌Q重是zui簡(jiǎn)便而且實(shí)用的方法。

注： 原文作者：D?o Mikulovi?, Dragan ?ivanovi?, Florian Ehmeier （MESA ELECTRONIC GMBH）由深圳市倍拓科技有限公司翻譯整理。如需引用，請(qǐng)注明出處。