碳勢的參比測量（第二部分）

滲碳氣氛中的參比測量

(原文：MESA electronic GmbH；翻譯整理：betway体育官方)

滲碳工藝控製中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(chuan) 感器）測得。而對於(yu) 碳勢的控製，則可以采用現場氧探頭和Lambda探頭（L-sonde）通過對爐內(nei) 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(hui) 慢慢降低。因此，要想實現控製，則必須通過參比測量來校準溫度和碳勢。在本文*節中，我們(men) 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麽(me) ，參比測量提供什麽(me) 信息，以及如何通過氣體(ti) 分析儀(yi) 來對爐內(nei) 氣氛進行分析，都進行了探討。在接下來的本節內(nei) 容裏麵，將展示以下其它有關(guan) 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。這裏我們(men) 也會(hui) 討論各種參比測量方法的各自優(you) 勢和不足。

滲碳工藝控製中zui重要的參數就是氣氛的溫度和碳勢。為(wei) 了得到準確的可複製的結果，必須對溫度和碳勢進行非常的測量。由於(yu) 此工藝中應用的熱電偶、常規氧探頭以及Lambda探頭都會(hui) 由於(yu) 老化和其它各種錯誤原因，從(cong) 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(men) 能夠按照所需要的結果進行控製。

溫度的參比測量是通過一個(ge) 測試熱電偶來實現的。對於(yu) 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(wei) 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，隻需要測量氧氣，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）。對於(yu) 碳勢控製而言，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(nei) 氣氛的氧分壓進行測量來完成。在*節中，我們(men) 也介紹了如何通過氣體(ti) 分析儀(yi) 對CO和CO2進行測量。下文將對如何使用另外一個(ge) 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(you) 勢和不足作出分析。

圖1， 滲碳氣氛中決(jue) 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(ge) 氧探頭或者Lambda探頭對碳勢進行參比測量。

      我們(men) 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(ge) 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(ti) 分析一樣，優(you) 點在於(yu) 可以保證測量的連續性。使用可連接這兩(liang) 種探頭的碳控儀(yi) 然後進行比較，我們(men) 會(hui) 發現碳控係統的故障率大大降低。本文裏我們(men) 稱其為(wei) “冗餘(yu) 法”，從(cong) 技術上來說，這個(ge) 術語通常表示一個(ge) 係統中出現的功能相同或類似的但在*狀態下並不需要使用的組件。

圖2：MESA碳控儀(yi) Carbomat-M:    a) 對兩(liang) 隻同時工作的探頭進行比較            

                                          b) 設定兩(liang) 隻探頭轉換參數

MESA碳控儀(yi) carbomat M可以連接兩(liang) 個(ge) 不同的探頭一起運行來進行比較。(如圖2)。一個(ge) 是主要探頭，用於(yu) 計算碳勢，另外一個(ge) 是參比探頭。如果出現故障，Carbomat M 會(hui) 從(cong) 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---“凡事隻要有可能出錯，那就一定會(hui) 出錯”，或者，換句話說，事情往往會(hui) 朝著我們(men) 所能想到的zui壞的方向發展。對我們(men) 而言：探頭故障隻要發生，那麽(me) 必定會(hui) 帶來zui大的損失。這種損失可以通過這個(ge) 冗餘(yu) 係統來避免。

    通過一個(ge) 很短的測試，我們(men) 可以看到如果使用由兩(liang) 個(ge) 同時工作的探頭組成的冗餘(yu) 係統，碳勢控製的故障率是如何被減小的。為(wei) 了消除係統錯誤，應該使用不同類型的氧探頭，比如一個(ge) 氧探頭和一個(ge) Lambda探頭。由於(yu) 這兩(liang) 種探頭的結構*不同，熱處理工藝和與(yu) 其相關(guan) 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(ge) 相應時間範圍內(nei) ，*個(ge) 探頭的故障率為(wei) 30%，即P(probe 1)=0.3，第二個(ge) 探頭的故障率為(wei) 20%，即P(probe 2)=0.2, 那麽(me) 兩(liang) 個(ge) 探頭同時發生故障的可能性及各自故障率的乘積。以上為(wei) 例，P（probe 1 probe 2）=P(probe 1)* P(probe 2)=0.3*0.2=0.06。

因此由兩(liang) 個(ge) 探頭組成的係統在對應時間範圍內(nei) 故障率就減小至6%，這是一個(ge) 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(nei) 氣氛來計算其碳勢，那麽(me) 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，溫度介於(yu) -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(guan) 係。知道爐內(nei) 氣氛的露點溫度，就可以根據該圖讀取分壓，從(cong) 而決(jue) 定碳勢。例如在露點溫度為(wei) +10C的氣氛中，水分壓為(wei) 12.27mbar。運用馬格努斯公式（由海因裏希•••古斯塔夫•馬格努斯於(yu) 1844年*），爐內(nei) 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(wei) 單位。

    市麵上帶水分壓連續檢測功能的露點傳(chuan) 感器並不能用於(yu) 滲碳氣氛中。對於(yu) 這種露點測量，我們(men) 需要使用冷鏡麵測量設備。這種設備的原理如圖4所示。爐內(nei) 氣體(ti) 通過測量室到達鏡麵，鏡麵通過熱電致冷元件（帕爾貼）製冷，直到鏡麵上顯示結露。使用溫度傳(chuan) 感器可以測量鏡表麵的溫度，隻要表麵一開始結露，就可以直接讀出鏡麵的溫度值。這就是露點溫度。

圖4，露點儀(yi) dewchecker的測量原理

冷鏡式露點儀(yi) Dewchecker 1.1 （如圖5所示）主要特點在於(yu) 鏡麵溫度始終可以調節至固定值。為(wei) 此，我們(men) 將所要求的鏡麵溫度作為(wei) 設定值。電氣控製帕爾貼致冷元件從(cong) 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(yi)

如需使用冷鏡式露點測量儀(yi) 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於氣體分析儀，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製作。
• 如果氣體露點測量結果高於環境溫度或者高於任何樣氣抽取係統部件，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/冷牆麵，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於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：

如果抽氣係統出現了冷凝，那麽(me) 應該將抽氣管從(cong) 取樣點上分離。此時空氣會(hui) 通過氣泵被吸入儀(yi) 器內(nei) ，直到管路、過濾器和測量室重新恢複幹燥狀態。開啟儀(yi) 器後，先對外部空氣露點進行測量以便檢測係統是否幹燥，然後再對爐內(nei) 氣氛進行測量。之後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，則表示係統幹燥及正常工作。比如，開機後在空氣中測量得到的露點值為(wei) +15DP，然後測量爐氣得到某個(ge) 露點值，之後重新測量空氣露點值如果仍然得到+15DP，則表示係統正常；如果所得數值不一致（比如+10DP），則表示係統有問題，需使其達到幹燥狀態再進行使用。

• 該露點儀應該定期進行標定和維護。要對整個測量係統進行標定，需通過一個受控的恒溫恒濕箱產生幾個不同的露點值。然後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範圍之內。

三，直接確定碳勢的方法     

     碳勢的直接測量方法包括熱絲(si) 電阻法和鐵箔稱重法。在熱絲(si) 電阻法中是將純鐵絲(si) 置於(yu) 待測滲碳氣氛中，通過電阻測定儀(yi) 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厚度的純鐵箔片置於(yu) 待測氣氛中並保持10-15分鍾，從(cong) 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麵的深度分布。采用此方法時，箔片中心含碳量就被用於(yu) 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麵氧化汙染等對於(yu) GDOS都不會(hui) 有影響。盡管其測量精度非常高，但是對於(yu) 測量箔片含碳量而言，其方法過於(yu) 複雜，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(yi) 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：由於(yu) 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(yu) 稱重法相比，此方法的優(you) 勢在於(yu) 操作毋須特別小心處理，因為(wei) 箔片汙染對測量結果無影響。但是不足之處在於(yu) ，分析得到的電磁特性不僅(jin) 基於(yu) 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(hui) 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(ge) 缺陷就是如需對儀(yi) 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(men) 不太可能另外購置一台儀(yi) 器來專(zhuan) 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後的重量進行測量得到兩(liang) 個(ge) 不同的重量值，以及放入爐氣之前的箔片含碳量，我們(men) 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是箔片放入爐氣之後的重量， % 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係列標準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(yi) FPG直接測量碳勢    

     MESA定碳儀(yi) FPG是通過重力測量法測量純鐵箔片中含碳量的精密儀(yi) 器，測量精度可達± 0.01 % C。為(wei) 了保證長期使用的精度，該定碳儀(yi) 每次開機都需要使用95mg的砝碼進行標定。另外，每個(ge) 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(ge) 測量結果計算出平均值。

    上麵說過，為(wei) 了保證的測重，箔片上不能有任何油脂手印或者其它雜質。因此每台定碳儀(yi) 都配備有附件用於(yu) 準備箔片。箔片需要裹在圓木簽上然後放入丙酮中清潔，然後通過防靜電的鑷子將其取出並用熱風機吹幹。吹幹之後切記不能用手接觸箔片。

    該儀(yi) 器特點在於(yu) 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(yi) 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並通過軟件(圖7)進行數據分析

五，箔片取樣及兩(liang) 點校準

可以直接測量碳勢的定碳儀(yi) ，通常用於(yu) 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(yi) 可以做到偏移補償(chang) ，或者說在一個(ge) 操作點進行一個(ge) 碳勢校正。如果工藝過程中碳勢和溫度都是恒定的，那麽(me) 這種校正是準確的。但是對於(yu) 碳勢和溫度不穩定的熱處理過程比如滲碳工藝，那麽(me) 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(hui) 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，接近這些數值的控製也是準確的。但是如果溫度和碳勢降低，數值就會(hui) 出現偏差，這是由探頭的性能以及校準的方式決(jue) 定的。

如果使用MESA碳控儀(yi) Carbomat-M (圖8) 或者 Carbo-M，那麽(me) 很容易使用箔片測試來完成兩(liang) 點校準。如果使用箔片校準的時的溫度相差超過30 °C，控製器可以在兩(liang) 個(ge) 不同的點進行校準。不然的話，*個(ge) 校準值會(hui) 被第二個(ge) 校準值所覆蓋。我們(men) 建議在滲碳溫度為(wei) 920°C，含碳量為(wei) 1.2%C的環境中，或者淬火溫度為(wei) 880°C，含碳量為(wei) 0.80%C的環境中進行箔片取樣，儀(yi) 器會(hui) 自動選取中間值。這樣就能夠在整個(ge) 工作範圍內(nei) 保證非常的碳勢測量。

六，總結

要想保證產(chan) 品品質，那麽(me) 參比測量是*而且至關(guan) 重要的。在氣氛滲碳過程中，溫度和碳勢是非常關(guan) 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。至於(yu) 碳勢的參比測量則有好幾種方法。在本文*部分中，我們(men) 講過使用氣體(ti) 分析儀(yi) 的方法，這是解決(jue) 各種問題的有效工具。通過另外一個(ge) 氧探頭或者Lambda探頭進行參比測量也有一定的優(you) 勢，在*個(ge) 探頭出現問題之後，另一個(ge) 探頭可以自動切換而不存在任何中斷，從(cong) 而可以保證熱處理過程*受控。冷鏡式露點測量方法不僅(jin) 適用於(yu) 碳勢參比測量，而且可以確定吸熱式氣氛發生器的露點值，使其用於(yu) 發生器的露點控製係統參比測量。在碳勢直接測量的方法中，*重力測量法，因為(wei) 利用箔片稱重是zui簡便而且實用的方法。

注： 原文作者：Džo Mikulović, Dragan Živanović, Florian Ehmeier （MESA ELECTRONIC GMBH）由betway体育官方翻譯整理。如需引用，請注明出處。