激光氮勢測控系統(tǒng)在氮碳共滲中的應用

王建新, 李景余, 吳 鍇

(1. 武漢市華敏智造科技有限責任公司, 湖北 武漢 430000; 2. 上海春玉金屬熱處理有限公司, 上海 201800)

在500～600 ℃溫度范圍內(nèi)使工件表層同時滲入氮和碳的工藝稱為氮碳共滲。經(jīng)過氮碳共滲處理的零部件表面可獲得良好的耐磨性、耐蝕性和疲勞強度等,因此其被廣泛應用于機械零件生產(chǎn)中。但是長期以來滲氮設備還在廣泛使用注水式氨分解率測定儀(俗稱氣泡瓶)來測量爐內(nèi)的氨分解率,此種測量方法存在測量精度較差、無法實時在線測量等缺陷,從而導致滲氮氣氛不可控、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題。近年來隨著傳感器技術的發(fā)展,精密可控氮碳共滲技術發(fā)展迅速,目前部分技術已在國內(nèi)逐漸得到推廣和應用。本文從氮碳共滲的基本原理、氣氛的測量以及在實際生產(chǎn)當中的應用等方面對激光氮勢測控系統(tǒng)進行簡要地闡述。

1 氣體氮碳共滲基本原理

2 常見的氮碳共滲氣氛

由于滲碳氣體的來源不同,常見的氣體氮碳共滲氣氛大致有①吸熱/放熱式氣氛+NH3;②直接滴醇+NH3;③CO/CO2+NH3;④CO+CO2/O2+NH3;⑤CnH2n+2+CO2/O2+NH3。

氮碳共滲氣氛之所以會有如此多樣性,是因為不同的氮碳共滲氣氛,在達到平衡狀態(tài)時會存在氮活度和碳活度的差異,如表1所示,以滿足不同產(chǎn)品的技術要求。

表1 580 ℃時經(jīng)過計算的各種氮碳共滲氣氛的準平衡組成[2]Table 1 Calculated quasiequilibrium composition of various nitrocarburizing atmospheres at 580 ℃[2]

由表1可知,吸熱式氣氛由于含有較高的CO含量,碳活度很高,但可通過添加空氣或CO2來降低吸熱式氣氛的碳活度。在氮化氣氛中可通過添加空氣或氧氣來提高氮活度。氮基軟氮化氣氛可通過增加CO含量來提高碳活度,增加H2含量來減少氮活度。增加N2含量從熱力學的角度來說可以提高氮勢,但降低了界面反應物質(zhì)傳遞系數(shù),這兩個因素的相互消長,致使氮的加入量在相當寬的范圍內(nèi)變化,仍保持相近的滲氮速度[3]。在相同的計算KN值下,NH3/NH3+裂解NH3氣氛和NH3+N2氣氛是兩種完全不一樣的滲氮氣氛。

對于最常用的NH3+N2+CO2軟氮化氣氛,CO2的添加可獲得很低的碳活度。由于存在水煤氣平衡反應,即便增加CO2的比例也不能提高碳活度,甚至會降低碳活度[4]。

3 氮碳共滲氣氛的測量

對于氮碳共滲氣氛,KN測量是首選的,但單純只測量KN是不夠的,同時對氣氛KN和KC測量是充分必要的。但由于氮碳共滲氣氛種類的多樣性,這也是現(xiàn)有測量方法遇到的難點所在。

3.1 KN測量

注水法測分解率由于相對簡單和便宜在很多廠被廣泛使用。然而僅在工藝氣氛只含有NH3或NH3+裂解NH3時,測量分解率得知殘余NH3含量來推算KN是準確的。在氮碳共滲氣氛中,由水煤氣反應生成的水汽一部分會在取樣管道冷凝,使部分NH3和CO2溶解,而且注水式氨分解率測定儀中溶解的并非只有NH3,以上種種因素會造成殘余NH3含量測量誤差較大。并且在氮碳共滲氣氛中NH3和H2沒有固定的比例關系,導致KN推算的準確性無法保證。

氫探頭和質(zhì)量流量計構(gòu)建的測控系統(tǒng)被廣泛應用于氮碳共滲氣氛的測量和控制中。氫探頭工作原理是測量混合氣體的熱導率來決定混合氣體中某氣體的含量,在混合氣體(爐氣)中氫氣熱導率最高,因此假設當混合爐氣中其他成分基本保持恒定時,混合氣體的熱導率基本取決于氫氣的多少。

以NH3+CO2+CO氮碳共滲氣氛為例,通入爐內(nèi)不同流量(體積)的NH3、CO2和CO,進入爐內(nèi)的一部分NH3參與滲氮反應,一部分CO2和CO參與水煤氣反應。控制系統(tǒng)采用氫探頭測量爐內(nèi)的氫含量,然后依據(jù)一系列數(shù)學模型計算出爐內(nèi)氨含量PNH3,最后計算得出KN。此種方法是目前主流的氮碳共滲KN計算方法,是間接計算氣氛中的氨含量,要求工藝氣體在整個過程中必須以恒定的比例通入,而且假設氣體成分是穩(wěn)定不變的。

目前采用昂貴的質(zhì)量流量計搭配氫探頭控制和調(diào)整各氣體流量,可以基本滿足氮碳共滲普通生產(chǎn)的需求,但無法根本解決測量原理和工藝算法的缺點和進一步提高控制品質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量。而一些特殊的工藝需求,比如通氨滴醇法,醇類在低溫條件下裂解并不充分,氣體成分波動大,無法準確測量和穩(wěn)定控制,故在實際運用當中存在一定的局限性。

3.2 KC測量

氮碳共滲氣氛KC的測量,目前無相關的國家標準對此有規(guī)定和要求。但對于一些特殊要求產(chǎn)品,KC的測量和控制不單單是為了工藝過程的穩(wěn)定性,而且對白亮層相組成控制、疏松控制以及耐蝕性能控制等具有非常重要的意義。因此,AMS 2759/12B對不同材料和不同溫度下的氮碳共滲KC值有著嚴格的規(guī)范。

由此可見,氫探頭、氧探頭等傳感器在氮碳共滲氣氛測量中起著重要的作用。但測量依舊存在著氣氛種類限制、氣氛對傳感器的干擾(如NH3在氧探頭上的分解影響測量的電壓值)等問題。

3.2.1 碳的滲入對白亮層中碳、氮濃度的影響

同一溫度,在NH3/NH3+裂解NH3組成的氮化氣氛中,由Lehrer相圖可知白亮層中的氮濃度與KN一一對應。同一溫度,在氮碳共滲氣氛中,白亮層中氮濃度或碳濃度同時受KN和KC的影響。圖1為570 ℃顯示氮碳等濃度線的Kunze相圖,可以看出,在相同的溫度下,KN一定時,當KC增加時,ε相中的氮濃度降低(實線)。KC一定時,當KN增加時,ε相中的碳濃度降低(虛線)。

圖1 570 ℃顯示氮碳等濃度線的Kunze相圖Fig.1 Kunze phase diagram displaying isoconcentration lines for nitrogen and carbon at 570 ℃

3.2.2 碳的滲入對白亮層相結(jié)構(gòu)的影響

由于碳的滲入,將抑制γ′相形成,增加ε相比例。圖2為565 ℃時Fe-N-C三元相圖,相圖清晰地顯示,在原先γ′相較低的氮濃度處,隨著碳濃度的增加,可實現(xiàn)由γ′相向ε相的逐步轉(zhuǎn)變。

圖2 565 ℃時Fe-N-C三元相圖Fig.2 Fe-N-C ternary phase diagram at 565 ℃

3.2.3 碳的滲入對白亮層疏松的影響

氮化物的分解和氮原子重組為氮氣分子被認為是形成疏松的可能原因[5]。由于碳的滲入形成的高碳化合物層具有高溫穩(wěn)定性,故形成氣孔的傾向較低。但白亮層中碳濃度不能太高,否則會形成碳化物,碳化物只能溶解少量的氮,并充當?shù)拥臄U散屏障,阻礙白亮層的快速生長。

4 激光氮勢測控系統(tǒng)

除上述介紹的KN和KC測控系統(tǒng)外,由激光氮勢傳感器和質(zhì)量流量計構(gòu)建的測控系統(tǒng)可同時實現(xiàn)氮碳共滲氣氛KN和KC的測量,并擁有其獨特的優(yōu)勢。其核心為使用TDLAS(可調(diào)諧半導體激光吸收光譜)技術可對氣氛中的氨含量進行直接測量。

4.1 TDLAS技術原理

TDLAS技術使得發(fā)出的激光波長被調(diào)制精準到NH3的吸收線,能確保所發(fā)的單色激光只被NH3有選擇地吸收而其他氣體無吸收,相比紅外氨傳感器易受混合氣中其他氣體的干擾,激光光譜測量精度更高,并且由于使用非接觸式測量氣氛的氨含量,故不受水汽的影響。圖3為采用TDLAS技術的單線吸收譜線原理圖。

圖3 TDLAS技術的單線吸收譜線原理圖Fig.3 Schematic diagram of single-line absorbed line of TDLAS technology

4.2 KN測量

使用TDLAS技術和高精度MEMS熱導技術的激光氮勢傳感器,可同時對氣氛中氨含量和氫含量進行精確的測量,對氮碳共滲氣氛種類沒有要求,KN的計算也不依靠于氣體流量比例、水煤氣反應平衡常數(shù)等,為氮碳共滲氣氛KN的測量提供了一種全新也是最直接的方式。它主要由激光氨分析儀和氫探頭組成。

為了對激光氮勢傳感器測量有一個更深入的了解,以NH3+N2混合氣為例,在管式電阻爐做以下兩組試驗:僅改變原料氣的流量但比例保持不變(試驗1)和同時改變原料氣的流量和比例(試驗2),同時用激光氮勢傳感器和氫探頭對氣氛的KN進行測量。測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 570 ℃不同測量方式對原料氣的流量和比例變化時計算KN的影響Table 2 Influence of different measurement methods on calculated KN when flow and proportion change of raw gas at 570 ℃

4.3 KC測量

5 激光氮勢測控系統(tǒng)應用實例

某公司主要做汽車墊片的氮碳共滲,材料為42CrMo、SK5和SPCC等低合金鋼和碳鋼。工藝氣氛為NH3+N2+CO2,生產(chǎn)過程恒流量控制,氮碳共滲后疏松層在白亮層中的比例最高達90%左右。2021年6月在箱式氮化爐上安裝了一套激光氮勢測控系統(tǒng),并對SPCC鋼疏松情況進行工藝優(yōu)化。SPCC鋼技術要求為,白亮層厚度8～25 μm,疏松層在白亮層中的比例≤40%。

氮碳共滲的工藝為,先將爐溫升至380 ℃進行30 min預氧化后通入N2置換空氣,并在升溫階段控制工件表面不生成白亮層。在570 ℃保溫階段同時通入NH3+N2+CO2,并通過激光氮勢測控系統(tǒng)對氣氛測量數(shù)據(jù)進行處理消除工藝N2對KN的影響,并將KN控制在預設的目標值范圍內(nèi)。降溫段繼續(xù)通入少量NH3以避免白亮層中氮化物的分解,氣體氮碳共滲工藝曲線如圖4所示。經(jīng)試驗后疏松層在白亮層中的比例由原先的90%左右改善至目前13%左右,產(chǎn)品疏松改善前后的顯微組織對比如圖5所示。設備安裝至今,已生產(chǎn)上百余爐次,產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性一直很好。

圖4 氣體氮碳共滲工藝曲線Fig.4 Gas nitrocarburizing process curve

圖5 SPCC鋼氮碳共滲疏松改善前(a)、后(b)的顯微組織Fig.5 Microstructure of the SPCC steel before(a) and after(b) porosity optimization

6 結(jié)語

1) 以Kunze相圖為理論基礎,顯示氮碳共滲過程中溫度、KN、KC和相組織之間的關系,表明了對氮碳共滲氣氛準確測量和多因素控制的必要性。

2) 激光氮勢傳感器采用激光吸收光譜原理直接測量氮碳共滲氣氛中的氨含量,相比通過一系列數(shù)學模型計算出爐內(nèi)氨含量,測量方式更直接。通過對NH3+N2混合氣改變原料氣的比例試驗,證明其測量過程不受工藝氣體比例變化的影響,測量精度更高。

3) 以氫探頭、氧探頭和質(zhì)量流量計構(gòu)建的測控系統(tǒng)被廣泛應用于氮碳共滲氣氛的測量和控制以外,以激光氮勢傳感器和質(zhì)量流量計構(gòu)建的激光氮勢測控系統(tǒng),也可實現(xiàn)氮碳共滲氣氛KN和KC的測量和控制。