如何控制气体渗碳时的炉气碳势?

一般渗碳零件要求表面碳浓度在0.75 -0.85%左右，在渗碳过程的强渗期，炉气碳势应高于零件表面碳浓度要求的20% ~40% ，即炉气碳势在1.2% ~1.25%左右。目前控制炉气氛的方法主要是氧探头，红外仪以及露点仪等。现分述如下:

1)氧探头的氧势控制操作

氧探头主要是利用氧化锆作为固体电介质电池。在低温时，氧化锆内阻可以认为是无穷大。当温度超过650℃时，氧化锆成为固体电介质电池，探头; (可以是氧化锆管内外侧或氧化锆片内侧)内外两侧的氧分压不同时，在连接内外极的铂金丝上会产生浓度差电动势E0。电动势E大小应符合Nerst方程;

Eo =0.0496×T×Lg(P01/P02) =0.215×T×Lg (0.2095/P02)其中E。为浓差电动势(mV); T为氧化锆温度(K); P01为空气中含氧量(0.2095) (氧分压); P02为炉内气氛的含氧量(氧分压), 0.0496为热力学常数(mV/K)。

炉内的渗碳气氛CO要不断裂解成活性碳原子以达到相应动态平衡。

当炉温和炉气CO含量不变时，探头上的氧电势越高，则炉内含氧量越低，而炉内碳势越高。只要炉温保持恒定、保持流入CO的量稳定，一般情况下用单因素控制即氧探头控制炉气碳势是可以的。若要对碳势进行精确控制必须对炉温、CO含量、氧电势进行综合计算及控制，这种控制方式又叫多因素控制，常用专门的特殊的碳势综合控制仪来实现。

图5-8是氧探头的结构原理示意图，该图中2是用固体电介质材料ZrO2做成的一端封闭的管子。在封闭端的内外管壁土镀一层10μm以上的纯金属铂。3、4作为管壁两侧的电极。再用两根φ0.2mm的铂金丝和内外壁电极牢固焊在一起。两根铂金丝管外通人的炉气会和管内通过的参比气产生氧气浓度差，从而产生的电动势。将电动势接入经过放大处理的测量仪表，氧浓差电势的大小与温度、炉气中氧气浓度和参比空气

的氧浓度有关。而氧浓度又常用氧分压来代替。

利用氧探头测定的电动势信号通过仪表传给记录仪和控制器，并根据测定输出信号的大小和方向，可对二次进风量或稀释剂的供给量进行调节，以控制炉气碳势的高低。

在使用氧探头时应注意它的使用温度在700~1200C范围，碳势控制范围在w(C)=0~1.5%，拆装时千万不能将碳气氛气嘴和参比气嘴装错，氧势正极(红)和负极(黄)不能装错。陶瓷外管经不住冲击、碰撞，故装拆要特别小心，其寿命一般在1-1.5年。

2)红外线CO2气体分析仪碳势控制操作

红外线的光波长度在0.76 ~420μum之间，各种气体对红外线具有不同的吸收效应，CO2可吸收4.3μm左右的红外线，CH,可吸收3.4μm左右。Co吸收4.6μm左右。各种气体对红外线的吸收程度与气体的浓度、吸收层厚度有一定关系。

当入射的红外线强度L。和欲测气体吸收层厚度D保持一定时，透过气体后，红外线强度L只与欲测气体的浓度“C”有关。在欲测气体浓度较低及吸收层厚度较薄的情况下，L和C可以近似看作线性关系。即通过测定透过欲测气体的红外线强度L即可测出该气体的浓度“C”。

图5-9是红外线气体分析仪工作原理示意图，红外线光源1和2分别产生出两束强度相等的红外光束，分别垂直向下射入参比气室5 (内部充满N2)和欲测气室6。切光片3是用电动机带动的旋转的半圆形金属片，以频率为3.125Hz交替切断射人参比气室和欲测气室的红外线，使两束红外线形成脉冲照射。由于通过欲测气室的红外线被吸收掉了一部分，其强度比参比气室的红外线要弱，这就形成了两東强度不等的脉冲红外线交替射人检测室10。和检测室相连的是密闭的检测器7，该室内装有由固定的金属板8和金属薄膜9组成的薄膜电容器。因射入检测室的红外射线强度不同，检测气室内的气体产生不同热膨胀会引起薄膜振动。从而导致8和9之间电容量的变化，电容量变化经过变换和放大，作为测量输出电信号传给仪表来指示欲测气体CO2的浓度数值。与此同时，向二次仪表输入这一测量信号，可以调节二次空气或稀释剂供给量，以控制炉气碳势。

当炉气中的CO和CH对测量精度产生干扰时，常通过向过滤气室4中充人CO和CH4来控制，可预先用CO和CH,吸收掉红外线光波(过滤室)。

该仪表延迟30s左右时，测量CO2的误差不超过+0.03%，主要用于利用渗碳和碳氮共渗来控制碳势。它可以同露点仪、氧探头组成三个通道来精确控制渗碳炉碳气氛、氧气氛和水量。滴注式气氛碳势和CO2的关系曲线如图5-10所示。

3)露点仪的控制和操作

高温炉气氛中含有一定水分、当高温炉气突然冷却到一定温度时会析出水珠，产生雾珠的温度即露点。在炉气体积一定和一定时间内，炉气中水分越多，析出的雾珠越多，则对应的大气压越低，露点越高，炉气中产生的活性碳原子就越少，即炉气碳势越低。在早期的渗碳和炉气氛控制中，常用露点仪来进行控制。

它的一次感湿元件是利用在铂金丝的电极上浸涂上极易吸水潮解的氯化锂(LiCI)盐制成的。当含有水氛的炉气通过时，LiCl吸水潮解成Li+和C1-，因产生离子导电，故水分越多，导电系数越大。通过二次仪表的放大转换，可直接反应出炉气氛碳势的高低。

图5-11是氯化锂感湿元件示意图，其结构是用φ10mm×120mm的普

通玻璃管，其外表面密实地缠绕一层玻璃丝带，在玻璃丝带外面再平行缠绕两根铂金丝电极(φ0.20mm)，呈螺线管状态(螺距0.8mm)。在铂金丝和玻璃丝带上涂制LiCl水溶液，低温烘干后，置于密闭的玻璃气室中，铂金丝电极两端接24V交流电。为防止元件开始吸水过多，造成电流过大而被烧坏，在外电路上可串接一只36V、40W的限流电灯泡。工作时，炉气氛不断流人玻璃气室5，经过玻璃管周围。气氛中的水被LiCl吸收潮解并电离，使两铂金丝电极形成电流。吸收的水氛越多电流越大。由于电流的热效应，使铂金丝温度升高，又会使LiCl吸收水分的部分被蒸发掉，使导电系数变小、电流下降，使电阻温度计1的温度也下降。于是铂电极上LiCl吸水性又上升，如此反复循环，逐步达到平衡状态。也就是LiCl盐吸收水氛和蒸发水分的速度相等，此时插在玻璃管中的电阻温度计“1”所示的温度即将平衡温度，它反应了炉气中水的相对含量。露点温度、平衡温度、铂电阻值及气氛含水量的关系见表5-5。露点温度和钢的表面碳的质量关系如图5-12所示。

在图5-12中，因炉气碳势高于零件表面碳的质量分数在20%以上。其露点应控制在-10~ -5℃之间，渗碳温度控制在920℃左右。环境温度对露点值有影响，夏天应降温、冬天应保暖。

炉气碳势的控制是通过调节二次空气和稀释剂供给量的机构来实现的。机构由可送电动机和开关阀组成，当露点高于额定值，即气分多了，碳势低了。这时二次仪表接到指令(交流电桥输出的经放大的不平衡信号)时，可使电动机工作，带动胶木盘和微动开关，将二次空气供给量或稀释剂的供给量调小。反之调大，使碳势控制在所要求的水平。

露点仪控温误差在±1℃，反应相对慢些，炉气露点变化时，需经过2-3min才开始反应，再经过5~ 10min后才能反映出新的平衡温度。露点仪周围的NH3和H2S会对一次仪表造成伤害，应严加控制。