爐內(nèi)氣氛碳勢的含義及碳勢的控制

在滲碳過程中，爐氣碳勢的高低實際上是滲碳能力強弱的表現(xiàn)。碳勢越高，滲碳能力越強，滲入速度快，滲層厚度大，滲層碳濃度高，濃度梯度也大。但是，當(dāng)爐內(nèi)碳勢高于滲層表面的吸碳能力時，沒有被吸收的活性碳原子就會聚集在表面結(jié)成碳分子而形成炭黑，反而使?jié)B入速度下降，滲層厚度也會減薄。由于整個滲碳過程中，工件表面的吸碳能力是變化的，如果根據(jù)吸碳能力的變化對碳勢采取分段控制，便能有效地防止炭黑的產(chǎn)生，使碳濃度梯度平緩，滲層碳濃度適當(dāng)，滲速也會提高。爐氣的碳勢從廣義上來說，是指在一定溫度下，爐內(nèi)氣氛與一定含碳量的鋼件相界面上化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡的爐氣狀態(tài)。爐氣的碳勢高低決定于爐氣本身的組成成分、爐氣所處的溫度以及爐內(nèi)的催化、催化劑條件等因素。對保護(hù)氣體而言，爐氣的碳勢應(yīng)與鋼件本身的含碳量相當(dāng)或略高，這樣才能使鋼件在加熱過程中不發(fā)生氧化和脫碳作用。對滲碳?xì)怏w而言，爐氣的碳勢應(yīng)比滲層所要求的碳濃度更高或略高于0.9%C。由于爐氣的碳勢比滲碳鋼件的含碳量高，所以爐氣中的活性碳原子就能被工件表面吸收，并擴散滲入，直至滲層表面含碳量與爐氣碳勢達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，以維持滲碳過程的連續(xù)進(jìn)行，不斷地給滲層表面提供活性碳原子。為了使碳勢對滲碳過程產(chǎn)生有利的綜合效果，可分段控制爐氣的碳勢，即開始階段盡可能提高碳勢，因為這時工件的吸碳能力很強，不易產(chǎn)生炭黑，碳勢高可使?jié)B層表面的濃度梯度大，有利于進(jìn)行擴散，并提高滲速。第二階段要適當(dāng)降低碳勢，因為表層已建立了較高的濃度梯度和達(dá)到了一定的滲層深度，這時工件表面的吸碳能力已開始下降，所以碳勢不宜太高，以免產(chǎn)生炭黑。第三階段是擴散時期，爐內(nèi)碳勢可進(jìn)一步降低，以使表層碳濃度梯度和滲層深度達(dá)到工藝要求。正常的滲碳?xì)怏w中，CO和氫氣的含量基本上是定值，如用丙烷或丁烷制備滲碳?xì)怏w，其中大致含24%CO和33%氫氣，爐氣中的CH4和氧氣對二氧化碳和水的含量影響很大，當(dāng)增加滲劑滴量或富化氣體通入量，使CH4的含量增加時，二氧化碳和水會迅速減少。氧氣量增加時，爐氣中的二氧化碳和水會迅速增多。由此可知，只要控制爐氣中二氧化碳、水、CH4和二氧化碳中的任何一種氣體的相對含量，也就能達(dá)到控制爐氣成分、調(diào)整碳勢的目的。根據(jù)上述原理，目前所采用的碳勢測定控制方法有紅外線二氧化碳控制法、紅外線CH4控制法、紅外線CH4/C02控制法、水氣露點控制法和氧氣的氧探頭控制法等。這些方法都能連續(xù)自動地測控調(diào)節(jié)碳勢。目前使用較廣泛的是氧探頭。本文參考《熱處理工藝問答》一書。