氮-甲醇气氛之渗碳

应用质量流量控制器加速及改善氮-甲醇气氛之渗碳
2009年10月刊 浏览次数：90



本文发表于2009年10月中文版

G. Plicht, J. Frey, R. Edwards (空气化工产品公司) T. Reusch (Mubea)

译者:
Wayne Chen (空气化工产品公司 - 中国台湾) Chester Chen (空气化工产品公司 - 中国)



多年以来，热处理厂一直沿用吸热式气氛（endothermic）和氮-甲醇气氛进行钢的渗碳，但随着产品质量标准与生产成本的提高，以具有竞争力的成本生产出符合质量要求的产品的挑战显得更为严峻。虽然气氛控制系统在渗碳工艺中常被使用, 且大多为必备的标准设备，但热处理厂在使用这些控制系统时，经常面临由于渗碳控制的不稳定而导致产品硬度的不稳定。这些问题发生的主要原因是控制器在计算碳势时是基于气氛中一氧化碳的含量是恒定不变的，而在实际生产中，无论是吸热式气氛还是人工配制的氮-甲醇气氛，常常由于下列因素而导致系统气氛成分发生变化：
1. 天然气／丙烷与空气比率的不足，或天然气／丙烷的成分发生变化
2. 氮－甲醇气氛压力变化或流量设定错误 [8]
通过使用质量流量控制器（MFCs, mass flow controllers）的氮-甲醇气氛可解决上述问题并改善渗碳产品的质量。MFCs可在不受压力与温度影响之下调整气氛流量且保持气氛成分比率，因此炉内一氧化碳浓度也不会发生变化。快速渗碳工艺（ACP, Accelerated Carburizing Process）亦可应用MFC系统，从而可将渗碳过程所需时间最多缩短20%，大大地提升生产能力[1]。在客户（Mubea,德国）的多用炉中进行的试验验证了这一快速渗碳的优势与可行性。

渗碳过程
渗碳制程及其反应对多数人并不陌生，这里作简要说明以解释MFC气氛控制面板的优势。一般地，渗碳过程可分为两阶段：
1. 碳原子的吸收阶段，在这一阶段气氛中含碳组分传递到工件表面，并吸附于工件表面热分解产生活性碳原子渗入工件表面。在渗碳过程中，为渗碳反应提供碳势的是一氧化碳气体[3]，而该过程会受到工艺温度与气氛组分的影响。碳原子渗入钢铁表面的量与碳传递系数β,气氛碳势（Cp）和工件表面碳含量（Cs）相关， 由图表明,渗碳速率在组成为50% CO与50% H2气氛中最大。
2.第二阶段为碳原子扩散阶段，渗入工件表面的碳原子向心部扩散，该过程可用扩散定律（Fick第二定律 ）表示，并取决于扩散系数D，工件中碳含量的变化可以表示为：dc/dt =Dd2c/dx2 (2)
其中D为扩散系数 ，与温度有关[5] 。这阶段仅受渗碳时间，工艺温度与工件表面与心部碳含量的影响，气氛组分不会对这一阶段产生影响。

碳势控制系统
氧探头常

被用来控制渗碳气氛的碳势，在使用氧探头信号计算碳势时必须知道温度与一氧化碳含量：
E = 2.303 * R * T/(4*F) *lg(pO2/p'O2) (3)
E = 0.0992 * T*((lg pco - 1.995 - 0.15Cp) - lg Cp) -816.1 (4)
式中E为氧探头的氧浓度差电势，F为法拉第常数，pO2为气氛中氧的分压，p'O2为空气中氧的分压，T为渗碳温度,pco为气氛中一氧化碳的分压 [3,6]。
在通常的碳势控制系统中，氧碳头监测定气氛氧分压pO2，渗碳温度T由炉温控制仪测定，而一氧化碳含量往往被作为固定值人为输入控制器中，例如：以20% 一氧化碳和40%氢气来设定。在渗碳过程中，通常需要加入天然气／丙烷或其他碳氢气体等富化气或加入空气来维持气氛所需碳势。若渗碳气氛中一氧化碳含量与控制器中的设定值不同，则气氛碳势控制将不准确，这会造成渗碳曲线的偏离，所以控制渗碳气氛中一氧化碳含量以确保其与控制器中的设定值一致显得非常重要。

氮－甲醇系统的渗碳气氛
吸热式气氛发生器是通过天然气／丙烷与空气不完全燃烧所产生热处理气氛，其主要成分为20%一氧化碳与40%氢气，其它为二氧化碳、水蒸气与氮气。但该系统存在维修成本高、天然气／甲烷采购困难与价格变动大、天然气／甲烷的组成不稳定等问题，所以很多热处理厂一直采用氮-甲醇气氛来取代吸热式气体发生器所产生的渗碳气氛。甲醇在渗碳炉中裂解后为系统提供渗碳气氛，且成分可调：
CH3OH + x N2 CO + 2H2 + x N2 (5)
传统上氮-甲醇的比率是为了达到20%一氧化碳与40%氢气的目的，而实际上一氧化碳浓度也可以通过调整氮-甲醇比率而最高达到33%。

MFC控制的渗碳制过程
MFC技术结合快速渗碳工艺可配置渗碳炉上, 成为一个带有碳势控制仪的完整气氛控制系统，当然MFC也可安装在已有碳控仪的现有设备上，为了易于理解，图二示意了该完整系统 [8] 。控制器连接于PC机，备有视窗接口、参数设定与工艺记录功能，在每一套渗碳炉中都有一套可与PC直接通信的硬件设备，这套硬件可以不经过PC直接控制渗碳过程，所以即使PC发生问题也不会影响渗碳气氛的调控。碳势的调控是根据氧碳头信号、炉内温度与一氧化碳含量进行的。在大多数状况下，根据氮气与甲醇的流量应用MFC技术便可计算一氧化碳值；在系统启动时，以理论方式计算出的一氧化碳值可用修正系数调整到与实际值相符，此一氧化碳值被用来计算碳势，所以实际的一氧化碳值被用来计算和调控渗碳气氛。但在某些状况下，建议加装一氧化碳分析仪气来调控渗碳气氛中一氧化碳值。
一氧化碳值可根据在不同渗碳阶段的需求进行调整

，尤其是快速渗碳工艺对高碳势的要求；图三所示为在常规渗碳程序中执行快速渗碳工艺 。





快速渗碳制程的优势
在过去多篇研究报告中曾讨论了高浓度一氧化碳提高生产效率的问题 [1,7,8]，快速渗碳的优势是取决于所需的渗碳深度，若所要求渗碳层较薄，渗碳所需时间主要取决于渗碳过程的第一阶段，亦即为前面所提及的渗碳气氛组分所影响；所以对于薄层渗碳，快速渗碳工艺可极大地提高生产效率，但对于厚层渗碳，同样需要较长的扩散阶段。

图四中所示是工件在20%一氧化碳气氛中需渗碳180分钟与快速渗碳工艺的碳浓度分布曲线的对比，显然，快速渗碳工艺可节省15%的渗碳时间。
图四的例子中，此设备每年连续生产超过2650小时，快速渗碳可多进行625炉次的渗碳处理,每次节约 5小时（10%）的生产时间。

总结
过去，使用高浓度一氧化碳的快速渗碳技术未被经常应用的原因主要有：1)多数气体混合器为手动调整而自动控制的气体混合器价格不菲；2)设备使用率并未达饱和；3)甲醇价格高于氮气。但是今天这种状况发生了很大变化，产品质量要求日益提高；生产成本不断增加与设备使用逐趋饱和。在不投资购买新的渗碳设备的情况下，应用MFC技术可将产能提升20%并降低操作成本；不仅如此，因为精准的流量控制使得硬度波动在更小的控制范围之内。由于PC的使用，所以能设定并储存不同的程序，让渗碳工艺可重复操作并产生相同的结果；同时内含存储系统可将重要的实际的工艺参数记录下来，以便未来需要时作为参考；此设备亦可加装遥测装置，必要时，空气化工产品公司(Air Products) 可通过电话帮客户解决操作上的问题。若渗碳炉已备有碳势控制仪，MFC技术也可以单独提供。进而，使快速渗碳工艺 (ACP)能够在原有的硬件控制且具备所有必须的安全保护装置的基础上进行操作。