氧探頭在可控氣氛加熱爐碳勢控制系統(tǒng)的作用機理及其應(yīng)用

周燕輝

氧探頭在可控氣氛加熱爐碳勢控制系統(tǒng)的作用機理及其應(yīng)用

周燕輝

（井岡山大學機電學院，江西，吉安 343009）

著重介紹了碳勢控制原理，并在此原理基礎(chǔ)上闡述了氧探頭的作用機理，運用氧探頭精確控制碳勢對A、B、C三種試樣進行試驗，結(jié)果表明，A試樣硬化層大大超標，B、C試樣效果很好，實踐證明，在滲碳淬火工藝中，運用氧探頭碳勢控制系統(tǒng)，提高了滲碳質(zhì)量，縮短了工藝時間。

氧探頭；碳勢；機理

溫度、時間和爐氣成分是熱處理技術(shù)最基本的控制參數(shù)[1]。在溫度控制方面，國內(nèi)外已廣泛采用可控硅控溫技術(shù)，結(jié)合PID 儀表可使加熱過程的溫度控制在5℃范圍之內(nèi)。在碳勢控制方面，國內(nèi)外都經(jīng)歷了一個露點法—紅外儀—氧探頭的發(fā)展過程。目前在可控氣氛加熱爐中滲碳，在嚴格控制爐溫和爐氣良好循環(huán)的前提下，使用氧探頭作傳感器，可以使爐氣碳勢（鋼表面含碳量）達到±0.05~0.02%的精度?，F(xiàn)在國內(nèi)外都可以實現(xiàn)表面碳含量、滲層深度、滲層碳濃度梯度按一定規(guī)律分布的在線控制。不需要像以前一樣依靠工人的經(jīng)驗來判斷碳勢，所以氧探頭的使用，大大地提高了控制碳勢的精度，降低了工人的勞動強度，而且具有響應(yīng)時間短，維護簡單，自動化程度高[2]等優(yōu)點。

1 碳勢控制原理[3]

所謂氣氛的碳勢[4]，是指在一定溫度下氣氛與鋼（奧氏體）中的含碳量達到平衡時鋼的含碳量。

眾所周知，氣氛中含H2O多，碳勢就降低，含CO2多，碳勢就越低，因此，只要測出爐內(nèi)氣氛中CO2或H2O的含量，即可得知氣氛的碳勢PCO，即控制單一參數(shù)H2O 或CO2的含量就能控制氣氛的碳勢。在滲碳時，為了提高氣氛碳勢，通常是以吸熱式氣氛為載體氣，同時添加富化氣（丙烷等）為增碳劑，使氣氛中CO2和H2O相應(yīng)地減少，其反應(yīng)式為:

C3H8+3CO2→6CO+4H2(1)

C3H8+3H2O→3CO+7H2(2)

2 氧探頭的作用機理

從碳勢控制原理知，測得氧分壓即可測得碳勢，氧探頭里面的關(guān)鍵部件是氧化鋯，氧化鋯氧量計的基本原理（見圖1）是，以氧化鋯作固體電介質(zhì)，在氧化鋯兩側(cè)使用金屬作為電極，制造收集氧離子，高溫下氧化鋯的兩側(cè)氧濃度不同時形成濃差電池，濃差電池產(chǎn)生的電動勢與兩側(cè)氧濃度有關(guān)，如果一側(cè)氧濃度固定，即可通過測量輸出電動勢來測量另一側(cè)的氧含量，形成可測量的直流電壓，這個電壓與氧化鋯兩側(cè)的氧分壓有可以計算的函數(shù)關(guān)系。這就是“氧電池”理論的一種運用[6]。

圖1 典型氧化鋯工作原理圖

儀表通過下列方程式可以計算出碳勢

=氧探頭的測量值

CO =氣氛中CO的分壓

3 氧探頭在可控氣氛加熱爐生產(chǎn)線上的滲碳工藝應(yīng)用

所謂滲碳是指將含碳量低的低碳鋼或和低碳合金鋼置于含碳量較高的氣氛中加熱，保溫，使碳原子滲入工件表面，達到一定碳濃度和深度后，再根據(jù)工件的具體要求進行直接降溫淬火，或轉(zhuǎn)到保溫裝置中緩冷。江西某液壓件有限公司主要滲碳件為液壓件的各類閥芯，材料為低合金鋼，技術(shù)要求滲層0.5~0.8 mm或0.8~1.2 mm。過去采用人工控制滴量滲碳工藝，因碳勢無法控制，經(jīng)常出現(xiàn)過滲或長時間工件沒有滲碳的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物[7]。近年該廠引進一條先進的多用爐生產(chǎn)線，可采用碳氮共滲[8]或滲碳兩種工藝，本文采用可控氣氛滲碳工藝。

3.1 生產(chǎn)工藝

有一液壓件閥芯，材料為20Cr，其與閥芯孔配合精度為0.008~0.012，熱處理工藝見圖2，采用同樣的滲碳介質(zhì)(甲醇－丙烷)、淬火油，淬火溫度、回火溫度、滲碳時間不同，滲碳關(guān)鍵參數(shù)見表1，為了檢測氧探頭控制碳勢的精確性，采用3種方案進行，其中A、B滲層為0.8~1.2 mm，C滲層為0.6~0.8 mm，其具體工藝如表1所示。

圖2 閥芯滲碳工藝

表1 滲碳淬火主要工藝

從以上工藝可以看出，A方案滲碳時間（包括強滲與擴散時間）比B、C方案長且碳勢梯度不明顯。

3.2 試驗結(jié)果

按照工藝要求，整個過程全部采用微機控制，無人工操作誤差，試驗結(jié)果如表2。

表2 工藝試樣檢驗結(jié)果

3.3 工藝結(jié)果分析

從表2可以看出，A試樣實際硬化層大大超標，表面很多黑雜質(zhì)，炭黑嚴重，碳化物級別超標，A、B兩試樣技術(shù)要求完全一樣，B試樣調(diào)整了滲碳梯度與時間，效果非常好，C試樣硬化層低，調(diào)整了滲碳時間與滲碳梯度，效果也非常好（見圖2）。

A試樣 B試樣 C試樣

為什么會出現(xiàn)A、B、C試樣硬化層如此差別，原因在與氧探頭能夠精確控制碳勢（±0.05），A方案滲碳時間太長，擴散碳勢較高，故出現(xiàn)較多炭黑，而B、C方案調(diào)整了滲碳時間與擴散碳勢，其碳化物級別為2級，合格。故只要設(shè)定好碳勢及碳勢梯度與滲碳時間，碳勢控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中能自動調(diào)整甲醇－丙烷的流量，維持碳勢精度，現(xiàn)場只要監(jiān)控流量表及儀表即可。B、C方案經(jīng)過多次生產(chǎn)實踐，都獲得了滿意的效果，提高了滲碳質(zhì)量，縮短了工藝時間，已經(jīng)大量運用在生產(chǎn)實踐中。

4 結(jié)論

氧探頭在滲碳淬火工藝中起到非常重要的作用，能精確控制設(shè)定的碳勢，也能在生產(chǎn)過程中調(diào)整碳勢（調(diào)整氣體流量與基準空氣等），給生產(chǎn)帶來很大的方便，需要注意的是，氧探頭安裝、燒炭、氧探頭工作溫度、氧探頭維護與保養(yǎng)[9]等需要一些專業(yè)知識。

[1] 胡傳炘.熱加工手冊[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，2002.

[2] 薛元強.氧探頭在可控氣氛加熱爐中使用的要點及常見故障[J].熱處理，2007，22(5): 64-65.

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[5] 金榮植.采用氧探頭精確控制碳勢的方法[J].熱處理技術(shù)與裝備，2006，27(4):16-19.

[6] 王晨.滴注式氣體滲碳碳勢控制[J].鑿巖機械氣動工具，2009(1):46-49.

[7] 樊東黎.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

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[9] 金榮植.提高氧探頭使用壽命的措施[J].金屬加工熱加工，2008 (17):65-67

THE MECHANISM AND APPLICATION OF CARBON PROBE IN THE CARBON POTENTIAL CONTROL SYSTEM IN CONTROLLED ATMOSPHERE HEATING FURNACE

ZHOU Yan-hui

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

We mainly introduce the principles of carbon potential control system. The function mechanism of oxygen probe was illustrated based on the principles. An experiment was conducted on three samples A, B and C with the use of Oxygen probe. Results show that the hardened layer of sample A greatly exceeds the standard, sample B and sample C work very well. The experiment proves that in carburizing and quenching process the application of carbon potential control system has the advantages of better carbonization and shorter process time.

oxygen probe; carbon potential; mechanism

TG156.8+1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.04.014

1674-8085(2013)04-0067-03

2013-03-31；

2013-05-27

周燕輝(1971-),男，江西安福人，副教授，碩士，主要從事機械制造研究(E-mail:yhzhou_99@163.com).