炉内气氛碳势的含义及碳势的控制
发布时间:2013-11-19 16:08:59
在渗碳过程中，炉气碳势的高低实际上是渗碳能力强弱的表现。碳势越高，渗碳能力越强，渗入速度快，渗层厚度大，渗层碳浓度高，浓度梯度也大。但是，当炉内碳势高于渗层表面的吸碳能力时，没有被吸收的活性碳原子就会聚集在表面结成碳分子而形成炭黑，反而使渗入速度下降，渗层厚度也会减薄。由于整个渗碳过程中，工件表面的吸碳能力是变化的，如果根据吸碳能力的变化对碳势采取分段控制，便能有效地防止炭黑的产生，使碳浓度梯度平缓，渗层碳浓度适当，渗速也会提高。
炉气的碳势从广义上来说，是指在一定温度下，炉内气氛与一定含碳量的钢件相界面上化学反应达到平衡的炉气状态。炉气的碳势高低决定于炉气本身的组成成分、炉气所处的温度以及炉内的催化、催化剂条件等因素。对保护气体而言，炉气的碳势应与钢件本身的含碳量相当或略高，这样才能使钢件在加热过程中不发生氧化和脱碳作用。对渗碳气体而言，炉气的碳势应比渗层所要求的碳浓度更高或略高于0.9%C。由于炉气的碳势比渗碳钢件的含碳量高，所以炉气中的活性碳原子就能被工件表面吸收，并扩散渗入，直至渗层表面含碳量与炉气碳势达到动态平衡状态，以维持渗碳过程的连续进行，不断地给渗层表面提供活性碳原子。
为了使碳势对渗碳过程产生有利的综合效果，可分段控制炉气的碳势，即开始阶段尽可能提高碳势，因为这时工件的吸碳能力很强，不易产生炭黑，碳势高可使渗层表面的浓度梯度大，有利于进行扩散，并提高渗速。第二阶段要适当降低碳势，因为表层已建立了较高的浓度梯度和达到了一定的渗层深度，这时工件表面的吸碳能力已开始下降，所以碳势不宜太高，以免产生炭黑。第三阶段是扩散时期，炉内碳势可进一步降低，以使表层碳浓度梯度和渗层深度达到工艺要求。
正常的渗碳气体中，CO和氢气的含量基本上是定值，如用丙烷或丁烷制备渗碳气体，其中大致含24%CO和33%氢气，炉气中的CH4和氧气对二氧化碳和水的含量影响很大，当增加渗剂滴量或富化气体通入量，使CH4的含量增加时，二氧化碳和水会迅速减少。氧气量增加时，炉气中的二氧化碳和水会迅速增多。
由此可知，只要控制炉气中二氧化碳、水、CH4和二氧化碳中的任何一种气体的相对含量，也就能达到控制炉气成分、调整碳势的目的。根据上述原理，目前所采用的碳势测定控制方法有红外线二氧化碳控制法、红外线CH4控制法、红外线CH4/C02控制法、水气露点控制法和氧气的氧探头控制法等。这些方法都能连续自动地测控调节碳势。目前使用较广泛的是氧探头。
本文参考《热处理工艺问答》一书。
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