渗碳气氛中的参比测量

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

渗碳工艺控制中zui重要的参数就是气氛的温度和碳势。温度通常可由热电偶（温度传感器）测得。而对于碳势的控制，则可以采用现场氧探头和Lambda探头（L-sonde）通过对炉内气氛的氧分压进行测量来完成。但是无论是热电偶还是氧探头在残氧测量中其精度都会慢慢降低。因此，要想实现控制，则必须通过参比测量来校准温度和碳势。在本文*节中，我们分别就热电偶和氧探头以及Lambda探头（L-sonde）导致测量结果不准确的原因作出了分析和解释，同时就如何采用参比测量校正测量结果进行了详细说明。另外，参比测量中需要注意什么，参比测量提供什么信息，以及如何通过气体分析仪来对炉内气氛进行分析，都进行了探讨。在接下来的本节内容里面，将展示以下其它有关碳势参比测量的方法：利用另外的氧探头或者Lambda探头进行参比测量；露点测量以及定碳片测量。这里我们也会讨论各种参比测量方法的各自优势和不足。

渗碳工艺控制中zui重要的参数就是气氛的温度和碳势。为了得到准确的可复制的结果，必须对温度和碳势进行非常的测量。由于此工艺中应用的热电偶、常规氧探头以及Lambda探头都会由于老化和其它各种错误原因，从而出现不准确甚至是错误的测量读数。要想对读数进行校正，必须采用参比测量的方法。否则不能保证我们能够按照所需要的结果进行控制。

温度的参比测量是通过一个测试热电偶来实现的。对于碳势的参比测量，则有间接和直接几种方法。在渗碳气氛中，如果使用吸热式气氛或者氮/甲醇作为载气，则一氧化碳和氢气的数值基本上都是不变的。因此，在实践中要确定碳势，只需要测量氧气，二氧化碳或者露点值即可，而一氧化碳和氢气都可以当作定值。（如图1）。对于碳势控制而言，过氧探头或者Lambda探头来测量氧分压是目前的主要方法。可以采用现场氧探头和Lambda探头（L-sonde）通过对炉内气氛的氧分压进行测量来完成。在*节中，我们也介绍了如何通过气体分析仪对CO和CO2进行测量。下文将对如何使用另外一个氧探头或者Lambda探头或者露点测量方法来对碳势进行间接测量，以及这些方法的优势和不足作出分析。

图1， 渗碳气氛中决定碳势的方法
在线（间接）测量：温度/一氧化碳/氧气
在线（间接）测量：温度/一氧化碳/二氧化碳
间接测量：温度/一氧化碳/氢气/水份
直接测量：使用定碳片

一，  利用另外一个氧探头或者Lambda探头对碳势进行参比测量。

      我们在文章*节中已经描述了氧探头和Lambda探头的结构和工作原理。通过另外一个氧探头或者Lamdba探头来做参比测量，跟通过一氧化碳和二氧化碳气体分析一样，优点在于可以保证测量的连续性。使用可连接这两种探头的碳控仪然后进行比较，我们会发现碳控系统的故障率大大降低。本文里我们称其为“冗余法”，从技术上来说，这个术语通常表示一个系统中出现的功能相同或类似的但在*状态下并不需要使用的组件。

图2：MESA碳控仪Carbomat-M:    a) 对两只同时工作的探头进行比较            

                                          b) 设定两只探头转换参数

MESA碳控仪carbomat M可以连接两个不同的探头一起运行来进行比较。(如图2)。一个是主要探头，用于计算碳势，另外一个是参比探头。如果出现故障，Carbomat M 会从主要探头切换到参比探头继续计算数值。这样就可以避免探头在运行中出现故障的时候碳控过程和数据记录被中断。墨菲定律---“凡事只要有可能出错，那就一定会出错”，或者，换句话说，事情往往会朝着我们所能想到的zui坏的方向发展。对我们而言：探头故障只要发生，那么必定会带来zui大的损失。这种损失可以通过这个冗余系统来避免。

    通过一个很短的测试，我们可以看到如果使用由两个同时工作的探头组成的冗余系统，碳势控制的故障率是如何被减小的。为了消除系统错误，应该使用不同类型的氧探头，比如一个氧探头和一个Lambda探头。由于这两种探头的结构*不同，热处理工艺和与其相关的单元对探头的影响也是不一样的。在这种情况下，探头的故障可以通过互相比较得以发现。假定在一个相应时间范围内，*个探头的故障率为30%，即P(probe 1)=0.3，第二个探头的故障率为20%，即P(probe 2)=0.2, 那么两个探头同时发生故障的可能性及各自故障率的乘积。以上为例，P（probe 1 probe 2）=P(probe 1)* P(probe 2)=0.3*0.2=0.06。

因此由两个探头组成的系统在对应时间范围内故障率就减小至6%，这是一个相当大的缩减。

二，通过测量露点来对碳势进行参比测量

    如果要对含水份的炉内气氛来计算其碳势，那么必须对露点进行测量。露点或者露点温度表示水刚刚结露时候的温度。图3显示了相位图中饱和水蒸汽压力线，温度介于-30C至+20C之间

这条线代表了露点和分压以及气氛中水份比例之间的关系。知道炉内气氛的露点温度，就可以根据该图读取分压，从而决定碳势。例如在露点温度为+10C的气氛中，水分压为12.27mbar。运用马格努斯公式（由海因里希•••古斯塔夫•马格努斯于1844年*），炉内气氛中的水分压可以根据露点值来计算

在上述公式中：T 表示露点温度，以 °C为单位。

    市面上带水分压连续检测功能的露点传感器并不能用于渗碳气氛中。对于这种露点测量，我们需要使用冷镜面测量设备。这种设备的原理如图4所示。炉内气体通过测量室到达镜面，镜面通过热电致冷元件（帕尔贴）制冷，直到镜面上显示结露。使用温度传感器可以测量镜表面的温度，只要表面一开始结露，就可以直接读出镜面的温度值。这就是露点温度。

图4，露点仪dewchecker的测量原理

冷镜式露点仪Dewchecker 1.1 （如图5所示）主要特点在于镜面温度始终可以调节至固定值。为此，我们将所要求的镜面温度作为设定值。电气控制帕尔贴致冷元件从而保持预先设定的温度定值，这样无需人员操作即可使露点测量达到非常的结果

图5：冷镜式露点仪

如需使用冷镜式露点测量仪器达到的测量结果，以下几点必须注意观察

• 气体取样器的重要性在此等同于气体分析仪，因此气体取样器的结构必须按照本文*部分所描述的内容进行制作。
• 如果气体露点测量结果高于环境温度或者高于任何样气抽取系统部件，可能会导致过早冷凝。比如所给样气接触到温度较低的部件（比如水管），或者位置靠近窗户/冷墙面，这是比较特殊的情况。当露点仪从一个温度较低的房间转移到温度较高的房间，如果被测气体的露点高于露点仪与空气接触的部件的温度，其测量室亦可发出现过早冷凝。

修正方法：

如果抽气系统出现了冷凝，那么应该将抽气管从取样点上分离。此时空气会通过气泵被吸入仪器内，直到管路、过滤器和测量室重新恢复干燥状态。开启仪器后，先对外部空气露点进行测量以便检测系统是否干燥，然后再对炉内气氛进行测量。之后如果再对空气露点进行测量，得到的露点值跟之前的空气露点值保持稳定不变，则表示系统干燥及正常工作。比如，开机后在空气中测量得到的露点值为 +15DP，然后测量炉气得到某个露点值，之后重新测量空气露点值如果仍然得到+15DP，则表示系统正常；如果所得数值不一致（比如+10DP），则表示系统有问题，需使其达到干燥状态再进行使用。

• 该露点仪应该定期进行标定和维护。要对整个测量系统进行标定，需通过一个受控的恒温恒湿箱产生几个不同的露点值。然后通过待标定的仪器和一个精密露点湿度计来进行测量。通过测量值的比较，可以进行对应的校准从而保证读数在误差允许范围之内。

三，直接确定碳势的方法     

     碳势的直接测量方法包括热丝电阻法和铁箔称重法。在热丝电阻法中是将纯铁丝置于待测渗碳气氛中，通过电阻测定仪测量到电阻变化值就可以确定气氛中的碳势。铁箔称重法是将0.05mm厚度的纯铁箔片置于待测气氛中并保持10-15分钟，从而确定箔片的含碳量。对此有四种方法：

辉光放电发射光谱法（GDOS）：这是zui的方法。通过GDOS可以测量碳在箔片表面的深度分布。采用此方法时，箔片中心含碳量就被用于碳势的测量。在其它方法中容易导致误差的情况比如箔片的表面氧化污染等对于GDOS都不会有影响。尽管其测量精度非常高，但是对于测量箔片含碳量而言，其方法过于复杂，成本也相当高。

燃烧处理法：通过燃烧处理来确定箔片中的含碳量是当今zui普遍使用的方法。箔片在装有1g钨颗粒的小容器中加热。在高频炉中，材料在纯氧中燃烧。通过适当的过滤器，将除了二氧化碳以外的所有氧化物都过滤出去，再通过红外仪对二氧化碳含量进行测量。根据得到的二氧化碳含量可以确定箔片中含碳量或者炉气碳势。对比涡流测量和称重测量，此方法成本较高而且比较耗时间。另外此方法对标定的要求很高，难度也很大。

涡流测量法：由于不同的碳含量导致箔片有不同的电磁特性，这种电磁特性的差别可以通过涡流测量法分析得到。与称重法相比，此方法的优势在于操作毋须特别小心处理，因为箔片污染对测量结果无影响。但是不足之处在于，分析得到的电磁特性不仅基于箔片的碳含量，而且受其它参数的影响，比如框架结构和和颗粒大小。箔片冷却的速度和冷却的程度也会对这些参数造成影响，很难在实际操作中清除这些错误源。另外一个缺陷就是如需对仪器进行标定，必须采用其它的测量手段，如箔片燃烧或者称重方法。而我们不太可能另外购置一台仪器来专做标定使用。

重力测量法:  通过精密天平称重来确定箔片含碳量是zui简单也*的方法。对箔片放入炉气之前和放入炉气之后的重量进行测量得到两个不同的重量值，以及放入炉气之前的箔片含碳量，我们可以按照下述公式计算出含碳百分比。

m0 是箔片放入炉气之前的重量， m是箔片放入炉气之后的重量， % C0是箔片放入炉气之前的基准含碳量，通过上述公式计算出的重量分数对应的就是炉气中的碳势（根据德国钢铁材料热处理系列标准DIN 17014）。使用重力测量法时必须确保箔片上没有任何烟灰，油脂和手印等。

四，通过定碳仪FPG直接测量碳势    

     MESA定碳仪FPG是通过重力测量法测量纯铁箔片中含碳量的精密仪器，测量精度可达± 0.01 % C。为了保证长期使用的精度，该定碳仪每次开机都需要使用95mg的砝码进行标定。另外，每个测量循环可以执行七次测量。去掉zui大值和zui小值，通过剩下的五个测量结果计算出平均值。

    上面说过，为了保证的测重，箔片上不能有任何油脂手印或者其它杂质。因此每台定碳仪都配备有附件用于准备箔片。箔片需要裹在圆木签上然后放入丙酮中清洁，然后通过防静电的镊子将其取出并用热风机吹干。吹干之后切记不能用手接触箔片。

    该仪器特点在于可以通过手持终端进行非常简便的操作，在该手持终端上，每一步都有清晰的指引，确保仪器的正确使用。通过手持终端和相应的电脑软件FPGviewer，还可以对用户名和箔片编号进行添加和管理。通过U盘，所有数据都可以转存至电脑并通过软件(图7)进行数据分析

五，箔片取样及两点校准

可以直接测量碳势的定碳仪，通常用于对氧探头或者Lambda探头计算出来的碳势值进行校准。大多数碳控仪可以做到偏移补偿，或者说在一个操作点进行一个碳势校正。如果工艺过程中碳势和温度都是恒定的，那么这种校正是准确的。但是对于碳势和温度不稳定的热处理过程比如渗碳工艺，那么这种校正是不够的。

氧探头测量误差的主要原因来自探头陶瓷管的毛细裂纹。随着温度的变化，陶瓷裂纹会扩大。因此在不同的温度下，探头的测量误差也是不同的。如果在较高的温度（比如920°C）和1.2 % C的环境中进行碳势校准，测量结果是准确的，接近这些数值的控制也是准确的。但是如果温度和碳势降低，数值就会出现偏差，这是由探头的性能以及校准的方式决定的。

如果使用MESA碳控仪Carbomat-M (图8) 或者 Carbo-M，那么很容易使用箔片测试来完成两点校准。如果使用箔片校准的时的温度相差超过30 °C，控制器可以在两个不同的点进行校准。不然的话，*个校准值会被第二个校准值所覆盖。我们建议在渗碳温度为920°C，含碳量为1.2%C的环境中，或者淬火温度为880°C，含碳量为0.80%C的环境中进行箔片取样，仪器会自动选取中间值。这样就能够在整个工作范围内保证非常的碳势测量。

六，总结

要想保证产品品质，那么参比测量是*而且至关重要的。在气氛渗碳过程中，温度和碳势是非常关键的参数，必须予以定时监测和检查。温度的参比测量必须在现场通过热电偶完成。至于碳势的参比测量则有好几种方法。在本文*部分中，我们讲过使用气体分析仪的方法，这是解决各种问题的有效工具。通过另外一个氧探头或者Lambda探头进行参比测量也有一定的优势，在*个探头出现问题之后，另一个探头可以自动切换而不存在任何中断，从而可以保证热处理过程*受控。冷镜式露点测量方法不仅适用于碳势参比测量，而且可以确定吸热式气氛发生器的露点值，使其用于发生器的露点控制系统参比测量。在碳势直接测量的方法中，*重力测量法，因为利用箔片称重是zui简便而且实用的方法。

注： 原文作者：Džo Mikulović, Dragan Živanović, Florian Ehmeier （MESA ELECTRONIC GMBH）由深圳市倍拓科技有限公司翻译整理。如需引用，请注明出处。