气氛炉新技术：双重测量保护工件质量

气氛炉可用于工件的化学热处理。工件的化学热处理分为以渗碳为代表的奥氏体状态化学热处理和以渗氮为代表的铁素体状态化学热处理。

（一）在气氛炉中渗碳、碳氮共渗、保护气氛淬火

渗碳、碳氮共掺和保护气氛淬火是工件在利用炉外或炉内的气氛发生装置产生含有CO和H2成分的气氛中加热淬火的古老的热处理工艺。这些工艺在20世纪最后十年无论在气氛发生、工艺控制、工艺模拟、环境保护，还是在炉型发展及安全性等方面均取得许多重大进展。

1.气氛发生

20世纪90年代，出现了把空气和碳氢化合物直接通入温度高于800℃的炉膛内的产气方法。人们把这种气氛称为直生式气氛，专利名为超级渗碳。研究表明，这种含有高CH4成分的气氛虽然其气体反应达不到类似于吸热式气氛的平衡程度，但其碳的传输能力还是由气氛中CO和H2的含量来控制。用氧探头结合CO分析仪进行碳势控制是可以实现的。超级渗碳直生式气氛的主要优点是大量节省了原料气的消耗量。据统计，这种气氛无论用在周期式气氛炉还是连续式气氛炉，其原料气消耗节省费用都在70%左右。今天，全球大约有300台套气氛炉使用这种气氛进行渗碳、碳氮共渗、保护气氛淬火等多种热处理。

2.气氛控制

现今超级渗碳之所以能在全球范围得到应用，要归功于对具有高甲烷含量气氛碳热准确测定功能的氧探头的开发。这种氧探头使用了一种对甲烷裂解几乎没有催化作用的特殊电极材料和一种特殊的补偿电解质。当然，这种气氛的碳势控制还必须有CO红外分析仪来测量CO含量作为辅助。

近几年来的实际应用表明，这种氧探头的使用寿命是不稳定的，氧探头信号的逐步漂移是固体电解质的典型缺陷所致。由于这种漂移主要受气氛炉运行工况的影响，而且漂移的开始及大幅度的出现是不可预见的，所以由氧探头测量的碳势与实际值之间差异的发生也是不可预见的。因此，一般都定期用钢箔定碳片来检测氧探头信号是否失真，但很麻烦，不利于气氛炉实现全自动化，有时甚至会影响正常生产。

鉴于上述原因，IPSEN公司开发了一个双重测量系统，其中一个带标准的氧探头系统用于正常的控制碳势，另一个独立测量系统用于检测这个氧探头的工作状况，即这两个系统分别测量气氛的碳势，当结果出现很大偏差时，就会报警。这第二个测量系统的工作元件可以是CO2红外分析仪，也可以是一个微型氧探头。迄今为止，已有许多气氛炉安装了这种双重测量系统。

3.工艺模拟

碳在钢中传递及扩散的计算模型早在20世纪80年代就已经建立，在以后的十年里，更进一步开发了计算机对话桌面软件，使得人们可以现场计算不同钢种在渗碳过程中任一时间碳的传递与扩散速度。该软件也考虑了诸如温度、碳势之类工艺参数变化的影响。可以实现希望获得的表面含碳量及渗层深度的工艺参数的计算。它可以对工艺过程中任何一个可能的变化及干扰做出反应，从而独立、智能地改变余下工艺过程的参数，以达到工件预定的要求。

现在钢的计算模型对大多数渗碳钢来说可以从碳浓度曲线计算来求得硬度分布曲线，当然，这个硬度曲线计算的正确性还有赖于人们对钢中化学成分对性能的影响的深入探究而进一步提高。硬度分布还与零件尺寸和淬火程度有关。

4.炉型发展

近几年在密封箱式炉、辊底炉、网带炉等炉型上都有许多新发展，限于篇限，仅对密封箱式炉举一例描述。

过去对于钢和铸铁的贝氏体等温淬火处理，都是用标准周期式或连续式气氛炉加热，然后转移到盐浴中淬火来进行的。使用这种工艺时，虽然工件在可控保护气氛下奥氏体不会被氧化，然而在出炉时暴露于大气，再转移进入盐浴的过程中，显然是要被氧化的。

科技的发展，使人们对工件质量特别是表面质量的要求日益提高，使用密封盐浴淬火炉对工件进行贝式体等温淬火，无疑能够减少任何表面的氧化及脱碳，从而解决上述难题。

在IPSEN90型炉的基础上，将隔离加热室与淬火室的中间门设计成全密封结构，上述两室都充以保护气氛，炉衬、炉底、循环风扇等部件材料都能在盐浴的影响下长时间工作。环境及安全保护方面的要求在该设备上也得到了充分考虑，所有盐能够回收利用。该设备可用于轴承钢零件的热处理。

环境及安全保护已成为当今人类关注的共同主题。由于油淬具有较高的传热系数，目前还不能完全被高压气体及高分子聚合物淬火取代。但由于环境保护的迫切要求，用保护气氛加热然后进行高压气淬的热处理工艺已在某些材料的零件上得到了实现，出现了传统密封箱式炉带气淬火系统的炉子，为实现绿色热处理开辟了一条新途径。(www.xing528.com)

5.气氛炉的自动化及集成化

由于对劳动生产率的要求日益提高，密封箱式炉的自动化及集成化已取得了长足的发展。今天，许多密封箱式炉已成为“生产区域”中柔性热处理的一个单元。当然这有赖于控制及计算系统的发展。更进一步，密封箱式炉不仅能成为热处理的一个单元，而且还能直接进入“生产区域”，根据“生产区域”的生产调节自身的热处理周期，这对多室炉尤为实用。

6.工艺重现性控制

现今越来越多的气氛炉设备进入了高自动化及高集成化的生产线中，这对气氛炉的工艺能力、可能性、生产率提出了更高的要求。这种要求不只体现在工艺控制、环保及安全等前面已述及的因素上，同时减少维修、重现工艺这些因素也显得尤为关键。对重现工艺的控制如果只限于诸如温度与碳势之类的常用工艺参数是不够的，这还不能保证热处理结果的重现。其他一些参数，尤其是淬火工艺也必须加以控制。到目前为止，对淬火工艺的控制还只限于对淬火介质温度的控制，其监控的重要性被大大忽视了。

“Fluid-quench”探头就是应这一要求开发而成的用于监测淬火液淬火程度、安装方便、十分经济的传感器。它由两支相互隔热的热电偶组成。应用这种探头，可以直接监测淬火系统的搅拌效果，同时也可以测量淬火液的冷却传热系数。

（二）渗氮与氮碳共渗

气体渗氮是人们长期使用的一项改变工件耐磨性的热处理方法，但遗憾的是迄今还缺少有效的气氛控制手段。人们往往凭经验调整工艺过程中NH3的加入量来得到希望获得的金相组织及力学性能。这对相同工况的工件的热处理实现重现性看来是可行的，但对不同工况的工件要实现重现性就显得十分困难。

1.气氛控制

基于上述要求，IPSEN公司开发了渗氮气氛控制传感器及与之相匹配的控制软件。

过去，人们往往是用NH3或H2红外分析仪来测量气氛中NH3或H2的含量从而达到计算氮势、控制气氛的目的。但这些仪器缺少足够的可靠性与气体分离精度。因此很有必要开发一种类似于控制渗碳气氛氧探头之类的测量设备，IPSEN公司开发了氢探头（HydroNit探头）。

HydroNit探头的成功研制，为渗氮气氛建立与渗碳气氛控制软件Carbo-prof相类似的控制软件提供了强有力的基础保障。在氢探头推出不久，Nitro-prof氮势控制软件也就问世了。

2.后氧化处理

由Cyril Davies提出的后氧化工艺在钢的液体氮碳共渗处理中显得日益重要而且得到了迅速发展。过去对于后氧化处理，人们往往把工件在经液体氮碳共渗处理后，立即出炉转移到淬火槽中进行后氧化处理。今天，虽然已实现了液体氮碳共渗与后氧化在同一炉处理，但在完成工件液体氮碳共渗后对后氧化性气氛不加控制，往往也得不到预定的表面氧化效果。而Pronox软件利用氧探头测量炉内氧势，从而控制气氛的氧势，使工件形成预定的表面氧化物及氧化物层深度，从而可以克服上述问题。

3.炉型发展

渗氮、液体氮碳共渗处理，由于其工艺的特殊性，热处理周期较长，新近开发的双室渗氮炉能达到事半功倍的效果。前室主要用于完成工件渗氮、液体氮碳共渗或后氧化处理，后室主要完成工件的冷却。这样既保证了工件渗层的外观及内在质量，减小了工件变形，同时也成倍地提高了渗氮炉的生产率。

另外，一种“双用途离子/气体渗氮炉”也正逐步推向市场，它在某些场合能大大地提高生产率。