滲碳氣氛中的參比測量

(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重要的參數就是氣氛的溫度和碳勢。溫度通常可由熱電偶（溫度傳感器）測得。而對于碳勢的控制，則可以采用現場氧探頭和Lambda探頭（L-sonde）通過對爐內氣氛的氧分壓進行測量來完成。但是無論是熱電偶還是氧探頭在殘氧測量中其精度都會慢慢降低。因此，要想實現控制，則必須通過參比測量來校準溫度和碳勢。在本文*節中，我們分別就熱電偶和氧探頭以及Lambda探頭（L-sonde）導致測量結果不準確的原因作出了分析和解釋，同時就如何采用參比測量校正測量結果進行了詳細說明。另外，參比測量中需要注意什么，參比測量提供什么信息，以及如何通過氣體分析儀來對爐內氣氛進行分析，都進行了探討。在接下來的本節內容里面，將展示以下其它有關碳勢參比測量的方法：利用另外的氧探頭或者Lambda探頭進行參比測量；露點測量以及定碳片測量。這里我們也會討論各種參比測量方法的各自優勢和不足。

滲碳工藝控制中zui重要的參數就是氣氛的溫度和碳勢。為了得到準確的可復制的結果，必須對溫度和碳勢進行非常的測量。由于此工藝中應用的熱電偶、常規氧探頭以及Lambda探頭都會由于老化和其它各種錯誤原因，從而出現不準確甚至是錯誤的測量讀數。要想對讀數進行校正，必須采用參比測量的方法。否則不能保證我們能夠按照所需要的結果進行控制。

溫度的參比測量是通過一個測試熱電偶來實現的。對于碳勢的參比測量，則有間接和直接幾種方法。在滲碳氣氛中，如果使用吸熱式氣氛或者氮/甲醇作為載氣，則一氧化碳和氫氣的數值基本上都是不變的。因此，在實踐中要確定碳勢，只需要測量氧氣，二氧化碳或者露點值即可，而一氧化碳和氫氣都可以當作定值。（如圖1）。對于碳勢控制而言，過氧探頭或者Lambda探頭來測量氧分壓是目前的主要方法。可以采用現場氧探頭和Lambda探頭（L-sonde）通過對爐內氣氛的氧分壓進行測量來完成。在*節中，我們也介紹了如何通過氣體分析儀對CO和CO2進行測量。下文將對如何使用另外一個氧探頭或者Lambda探頭或者露點測量方法來對碳勢進行間接測量，以及這些方法的優勢和不足作出分析。

圖1， 滲碳氣氛中決定碳勢的方法
在線（間接）測量：溫度/一氧化碳/氧氣
在線（間接）測量：溫度/一氧化碳/二氧化碳
間接測量：溫度/一氧化碳/氫氣/水份
直接測量：使用定碳片

一，  利用另外一個氧探頭或者Lambda探頭對碳勢進行參比測量。

      我們在文章*節中已經描述了氧探頭和Lambda探頭的結構和工作原理。通過另外一個氧探頭或者Lamdba探頭來做參比測量，跟通過一氧化碳和二氧化碳氣體分析一樣，優點在于可以保證測量的連續性。使用可連接這兩種探頭的碳控儀然后進行比較，我們會發現碳控系統的故障率大大降低。本文里我們稱其為“冗余法”，從技術上來說，這個術語通常表示一個系統中出現的功能相同或類似的但在*狀態下并不需要使用的組件。

圖2：MESA碳控儀Carbomat-M:    a) 對兩只同時工作的探頭進行比較            

                                          b) 設定兩只探頭轉換參數

MESA碳控儀carbomat M可以連接兩個不同的探頭一起運行來進行比較。(如圖2)。一個是主要探頭，用于計算碳勢，另外一個是參比探頭。如果出現故障，Carbomat M 會從主要探頭切換到參比探頭繼續計算數值。這樣就可以避免探頭在運行中出現故障的時候碳控過程和數據記錄被中斷。墨菲定律---“凡事只要有可能出錯，那就一定會出錯”，或者，換句話說，事情往往會朝著我們所能想到的zui壞的方向發展。對我們而言：探頭故障只要發生，那么必定會帶來zui大的損失。這種損失可以通過這個冗余系統來避免。

    通過一個很短的測試，我們可以看到如果使用由兩個同時工作的探頭組成的冗余系統，碳勢控制的故障率是如何被減小的。為了消除系統錯誤，應該使用不同類型的氧探頭，比如一個氧探頭和一個Lambda探頭。由于這兩種探頭的結構*不同，熱處理工藝和與其相關的單元對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現。假定在一個相應時間范圍內，*個探頭的故障率為30%，即P(probe 1)=0.3，第二個探頭的故障率為20%，即P(probe 2)=0.2, 那么兩個探頭同時發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。

因此由兩個探頭組成的系統在對應時間范圍內故障率就減小至6%，這是一個相當大的縮減。

二，通過測量露點來對碳勢進行參比測量

    如果要對含水份的爐內氣氛來計算其碳勢，那么必須對露點進行測量。露點或者露點溫度表示水剛剛結露時候的溫度。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

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

在上述公式中：T 表示露點溫度，以 °C為單位。

    市面上帶水分壓連續檢測功能的露點傳感器并不能用于滲碳氣氛中。對于這種露點測量，我們需要使用冷鏡面測量設備。這種設備的原理如圖4所示。爐內氣體通過測量室到達鏡面，鏡面通過熱電致冷元件（帕爾貼）制冷，直到鏡面上顯示結露。使用溫度傳感器可以測量鏡表面的溫度，只要表面一開始結露，就可以直接讀出鏡面的溫度值。這就是露點溫度。

圖4，露點儀dewchecker的測量原理

冷鏡式露點儀Dewchecker 1.1 （如圖5所示）主要特點在于鏡面溫度始終可以調節至固定值。為此，我們將所要求的鏡面溫度作為設定值。電氣控制帕爾貼致冷元件從而保持預先設定的溫度定值，這樣無需人員操作即可使露點測量達到非常的結果

圖5：冷鏡式露點儀

如需使用冷鏡式露點測量儀器達到的測量結果，以下幾點必須注意觀察

• 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構必須按照本文*部分所描述的內容進行制作。
• 如果氣體露點測量結果高于環境溫度或者高于任何樣氣抽取系統部件，可能會導致過早冷凝。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。當露點儀從一個溫度較低的房間轉移到溫度較高的房間，如果被測氣體的露點高于露點儀與空氣接觸的部件的溫度，其測量室亦可發出現過早冷凝。

修正方法：

如果抽氣系統出現了冷凝，那么應該將抽氣管從取樣點上分離。此時空氣會通過氣泵被吸入儀器內，直到管路、過濾器和測量室重新恢復干燥狀態。開啟儀器后，先對外部空氣露點進行測量以便檢測系統是否干燥，然后再對爐內氣氛進行測量。之后如果再對空氣露點進行測量，得到的露點值跟之前的空氣露點值保持穩定不變，則表示系統干燥及正常工作。比如，開機后在空氣中測量得到的露點值為 +15DP，然后測量爐氣得到某個露點值，之后重新測量空氣露點值如果仍然得到+15DP，則表示系統正常；如果所得數值不一致（比如+10DP），則表示系統有問題，需使其達到干燥狀態再進行使用。

• 該露點儀應該定期進行標定和維護。要對整個測量系統進行標定，需通過一個受控的恒溫恒濕箱產生幾個不同的露點值。然后通過待標定的儀器和一個精密露點濕度計來進行測量。通過測量值的比較，可以進行對應的校準從而保證讀數在誤差允許范圍之內。

三，直接確定碳勢的方法     

     碳勢的直接測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滲碳氣氛中，通過電阻測定儀測量到電阻變化值就可以確定氣氛中的碳勢。鐵箔稱重法是將0.05mm厚度的純鐵箔片置于待測氣氛中并保持10-15分鐘，從而確定箔片的含碳量。對此有四種方法：

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

燃燒處理法：通過燃燒處理來確定箔片中的含碳量是當今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。通過適當的過濾器，將除了二氧化碳以外的所有氧化物都過濾出去，再通過紅外儀對二氧化碳含量進行測量。根據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。對比渦流測量和稱重測量，此方法成本較高而且比較耗時間。另外此方法對標定的要求很高，難度也很大。

渦流測量法：由于不同的碳含量導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量法分析得到。與稱重法相比，此方法的優勢在于操作毋須特別小心處理，因為箔片污染對測量結果無影響。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，而且受其它參數的影響，比如框架結構和和顆粒大小。箔片冷卻的速度和冷卻的程度也會對這些參數造成影響，很難在實際操作中清除這些錯誤源。另外一個缺陷就是如需對儀器進行標定，必須采用其它的測量手段，如箔片燃燒或者稱重方法。而我們不太可能另外購置一臺儀器來專做標定使用。

重力測量法:  通過精密天平稱重來確定箔片含碳量是zui簡單也*的方法。對箔片放入爐氣之前和放入爐氣之后的重量進行測量得到兩個不同的重量值，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含碳量，通過上述公式計算出的重量分數對應的就是爐氣中的碳勢（根據德國鋼鐵材料熱處理系列標準DIN 17014）。使用重力測量法時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直接測量碳勢    

     MESA定碳儀FPG是通過重力測量法測量純鐵箔片中含碳量的精密儀器，測量精度可達± 0.01 % C。為了保證長期使用的精度，該定碳儀每次開機都需要使用95mg的砝碼進行標定。另外，每個測量循環可以執行七次測量。去掉zui大值和zui小值，通過剩下的五個測量結果計算出平均值。

    上面說過，為了保證的測重，箔片上不能有任何油脂手印或者其它雜質。因此每臺定碳儀都配備有附件用于準備箔片。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機吹干。吹干之后切記不能用手接觸箔片。

    該儀器特點在于可以通過手持終端進行非常簡便的操作，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的電腦軟件FPGviewer，還可以對用戶名和箔片編號進行添加和管理。通過U盤，所有數據都可以轉存至電腦并通過軟件(圖7)進行數據分析

五，箔片取樣及兩點校準

可以直接測量碳勢的定碳儀，通常用于對氧探頭或者Lambda探頭計算出來的碳勢值進行校準。大多數碳控儀可以做到偏移補償，或者說在一個操作點進行一個碳勢校正。如果工藝過程中碳勢和溫度都是恒定的，那么這種校正是準確的。但是對于碳勢和溫度不穩定的熱處理過程比如滲碳工藝，那么這種校正是不夠的。

氧探頭測量誤差的主要原因來自探頭陶瓷管的毛細裂紋。隨著溫度的變化，陶瓷裂紋會擴大。因此在不同的溫度下，探頭的測量誤差也是不同的。如果在較高的溫度（比如920°C）和1.2 % C的環境中進行碳勢校準，測量結果是準確的，接近這些數值的控制也是準確的。但是如果溫度和碳勢降低，數值就會出現偏差，這是由探頭的性能以及校準的方式決定的。

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試來完成兩點校準。如果使用箔片校準的時的溫度相差超過30 °C，控制器可以在兩個不同的點進行校準。不然的話，*個校準值會被第二個校準值所覆蓋。我們建議在滲碳溫度為920°C，含碳量為1.2%C的環境中，或者淬火溫度為880°C，含碳量為0.80%C的環境中進行箔片取樣，儀器會自動選取中間值。這樣就能夠在整個工作范圍內保證非常的碳勢測量。

六，總結

要想保證產品品質，那么參比測量是*而且至關重要的。在氣氛滲碳過程中，溫度和碳勢是非常關鍵的參數，必須予以定時監測和檢查。溫度的參比測量必須在現場通過熱電偶完成。至于碳勢的參比測量則有好幾種方法。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。通過另外一個氧探頭或者Lambda探頭進行參比測量也有一定的優勢，在*個探頭出現問題之后，另一個探頭可以自動切換而不存在任何中斷，從而可以保證熱處理過程*受控。冷鏡式露點測量方法不僅適用于碳勢參比測量，而且可以確定吸熱式氣氛發生器的露點值，使其用于發生器的露點控制系統參比測量。在碳勢直接測量的方法中，*重力測量法，因為利用箔片稱重是zui簡便而且實用的方法。

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，請注明出處。