爐內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。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，當爐內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成碳分子而形成炭黑，反而使滲入速度下降，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生，使碳濃度梯度平緩，滲層碳濃度適當，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，爐內氣氛與一定含碳量的鋼件相界面上化學反應達到平衡的爐氣狀態。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的催化、催化劑條件等因素。對保護氣體而言，爐氣的碳勢應與鋼件本身的含碳量相當或略高，這樣才能使鋼件在加熱過程中不發生氧化和脫碳作用。對滲碳氣體而言，爐氣的碳勢應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到動態平衡狀態，以維持滲碳過程的連續進行，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，不易產生炭黑，碳勢高可使滲層表面的濃度梯度大，有利于進行擴散，并提高滲速。第二階段要適當降低碳勢，因為表層已建立了較高的濃度梯度和達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，以免產生炭黑。第三階段是擴散時期，爐內碳勢可進一步降低，以使表層碳濃度梯度和滲層深度達到工藝要求。正常的滲碳氣體中，CO和氫氣的含量基本上是定值，如用丙烷或丁烷制備滲碳氣體，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，也就能達到控制爐氣成分、調整碳勢的目的。根據上述原理，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。這些方法都能連續自動地測控調節碳勢。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。