專利名稱：：熱處理氣氛中碳勢的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種對鋼材作熱處理時，熱處理氣氛中碳勢的控制方法。以往，在進行如鋼制部件的滲碳淬火、光亮淬火或退火等的熱處理時，為了在爐中形成所希望的氣氛，使用N2氣體、甲醇的裂解氣體、煤氣或吸熱型轉(zhuǎn)化氣體作為載氣；為將所述氣氛的碳勢(碳位，carbonpotancial)控制在一定的值，使用了丙酮、丙烷氣體、丁烷氣體、甲苯等作為濃縮(富集)成份。另外，為將熱處理氣氛中的碳勢維持于所希望的值，可以通過紅外氣體分析裝置測得氣氛中CO分壓(pCO)及CO2的分壓(pCO2)，根據(jù)該測定值，算出前述熱處理氣氛中的pCO2／pCO比值，控制、調(diào)節(jié)前述濃縮成份的供給量，以使該值處于預(yù)先設(shè)定的范圍之內(nèi)。在利用丙烷氣體、丁烷氣體、甲醇或丙酮作為載氣原料氣體時的一個優(yōu)點是，可以比較容易地控制碳勢。反之，上述氣體并不是在任何地方皆很容易獲得。由此產(chǎn)生的問題是要在所述不易獲得上述氣體的地區(qū)采用丙烷、丁烷等的液化石油氣體、甲醇或丙酮作為載氣往往是非常困難的。另一方面，有的地方可以大量且容易地得到如煤氣的載氣。將煤氣用作熱處理氣氛中的載氣時產(chǎn)生的問題是無法藉由紅外氣體分析裝置正確測得氣氛中CO分壓及CO2的分壓，從而無法控制熱處理氣氛中的碳勢。因此，在上述地區(qū)，人們強烈希望開發(fā)出一種可以在使用煤氣作為載氣的場合控制碳勢的新的碳勢控制方法。本發(fā)明系鑒于上述以往存在的問題及所述希望而作。本發(fā)明的目的在于提供一種可以使用煤氣作為載氣的熱處理氣氛中的碳勢控制方法。以下，參照附圖，就本發(fā)明的一個實施方式作一說明。圖1所示為可適用本發(fā)明的碳勢控制方法的間歇式熱處理爐1．在熱處理爐1與由載氣供給通道11和濃縮成份供給通道12一起匯合的合流通道13相連接。在載氣供給通道11及濃縮成份供給通道12的各個通道上分別設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥14、15及流量計16、17。又，在熱處理爐1中，設(shè)置有檢測氣氛中氧分壓的測氧器18。且，上述測氧器18檢測出的氣氛中氧分壓的檢測數(shù)據(jù)輸入控制裝置19，由控制裝置19調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥15的打開程度，以控制濃縮成份供給量。具體地，在以預(yù)先確定的流量向熱處理爐1中供給載氣的同時，以必要的流量向熱處理爐1中供給濃縮成份，以將氣氛中碳勢的Cp值維持在預(yù)定范圍內(nèi)。即，當氣氛中碳勢的Cp值低于所要求的碳勢Cp值時，打開流量調(diào)節(jié)閥15，增加濃縮成份的供給量；反之，當氣氛中碳勢的Cp值高于所要求的碳勢Cp值時，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥15，減少濃縮成份的供給量。在圖1中，20表示為使爐內(nèi)熱處理氣氛均勻所用的風扇。在具有如上所述構(gòu)成的熱處理爐1中，進行滲碳、退火等熱處理，以下，就使用本發(fā)明的碳勢控制方法和使用不同于本發(fā)明的碳勢控制方法對滲碳產(chǎn)生的結(jié)果作一說明。作為載氣，使用干餾無煙煤所得的煤氣．上述煤氣由CO26～10％、CO22～25％、N246～50％、H214～18％、CH43～4％、O20．4～0．6％、H2S＜50mg／m3、煤焦油＜50mg／m3的氣體組成。氣氛成份是穩(wěn)定的。又，濃縮成份使用丙酮。將流量為7．5m3／小時的煤氣作為載氣供給，流量為60～70cm3／分鐘的丙酮作為濃縮成份供給，爐溫保持在940℃，設(shè)定四種碳勢Cp值，測得氣氛中的碳勢Cp及氣氛氣體組成，其測試結(jié)果示于表1及表2。表1<tablesid="table1"num="001"><table>編號Cp(設(shè)定)Cp(表計)EmvCp(實際)11．051．0411171．0221．11．1211261．1431．151．15411411．15841．21．1811441．19</table></tables>表中的符號意義如下Emv由測氧器所測得的電動勢(伏)Cp(設(shè)定)碳勢設(shè)定值(％)Cp(表計)檢測器所示的碳勢值(％)Cp(實際)爐內(nèi)實際碳勢值(％)以下，相同的符號如同前述。又，所謂Cp(實際)指，將厚度為0．1mm、處理之前的含碳量為0．08％的鋼箔在熱處理爐1中保持30分鐘，冷卻后，從熱處理爐1中取出，對鋼箔的含碳量進行測定所得的值，該值表示氣氛中真正的碳勢。由表1可知，熱處理氣氛中的碳勢Cp的值與檢測器中的顯示值大致一致，即，Cp(實際)=Cp(表計)。由此，使得對氣氛中的碳勢Cp的控制成為可能，證實可以得到具有所希望的碳勢Cp的熱處理氣氛。又，對從爐內(nèi)取樣的氣氛氣體組成(體積％)的成份所作測定結(jié)果如表2所示。表2如表2所示，CO含量為33．6％，可以滿足要求。又，將鋼材部件(規(guī)格197726／01／02)的Cp(設(shè)定)值設(shè)定為1．2，滲碳時間設(shè)定28小時，進行滲碳。其結(jié)果，滲碳深度為2．4mm(目標值2．3～2．5mm)，表面含碳量為1．03％(目標值0．85～1．05％)。所述鋼材部件滿足要求。其次，在與前述相同的條件下，將濃縮成份作為甲苯，設(shè)定五種碳勢Cp值，測得碳勢Cp值及氣氛氣體組成，得到示于表3及表4的測試結(jié)果。表3此時，Cp(實際)=Cp(表計)。由此，使得對氣氛中碳勢Cp所作的控制成為可能，可以得到具有所希望碳勢Cp的熱處理氣氛。又，對從爐內(nèi)取樣的氣氛氣體組成(體積％)的成份所作測定的結(jié)果如表4所示。表4如表4所示，氣氛中CO含量為32．6％，可以用于高溫下的滲碳處理。又，將鋼材部件(規(guī)格2077／60球狀)的Cp(設(shè)定)值設(shè)定為1．2，滲碳時間設(shè)定為60小時，進行滲碳。其結(jié)果，得到滲碳深度為3．4mm(目標值3．0～4．0mm)，表面的含碳量為1．00％(目標值0．85～1．05％)。所述鋼材部件滿足要求?？墒?，在使用煤氣作為載氣的場合，則使用紅外線氣體分析裝置無法控制碳勢。其原因可以認為是由于在熱處理氣氛中CH4過剩。在使用所述紅外氣體分析裝置時，當熱處理氣氛中的CH4濃度低于2％時，則對碳勢的控制是可能的；隨著前述CH4濃度增大，則碳勢的控制發(fā)生異常。在載氣為煤氣的場合，前述CH4濃度為3～6％。該CH4濃度增大的原因在于煤氣中的硫化氫H2S，這一點，已在本發(fā)明的試驗過程中得以判明。當煤氣中的硫化氫H2S含量低于10mg／m3時，則CH4濃度低于2％，此時，可以使用紅外氣體分析裝置。反之，當煤氣中的H2S含量高于10mg／m3時，則CH4濃度顯著增加。如前所述，從無煙煤獲得的煤氣的H2S含量約為20～50mg／m3，在載氣為該煤氣的場合，爐內(nèi)熱處理氣氛中的CH4濃度為3～6％，給紅外氣體分析裝置的使用帶來不便。另一方面，測氧器系根據(jù)由氧濃差電池原理而發(fā)生的電動勢來檢測熱處理氣氛中的氧分壓，以所述測定值為基礎(chǔ)，根據(jù)下式，可以從爐內(nèi)氣氛的化學平衡反應(yīng)式算出碳勢Cp。即，在加熱鋼材部件時，在還原領(lǐng)域中，CO、CO2和鋼材料中的C之間發(fā)生如下的反應(yīng)(1)上式為可逆反應(yīng)，該反應(yīng)的平衡式表示為(2)K1平衡常數(shù)Ac活度系數(shù)K1平衡常數(shù)與活度系數(shù)Ac=1時的值一樣。又，活度系數(shù)Ac為平衡于鋼表面的氣氛的固溶碳的含量中碳的活度a2對鋼中的飽和碳含量中的碳活度a1的比值以a2／a1表示的系數(shù)。滲碳藉由被吸附于鋼表面的CO分解為C和CO2，而此C又在鋼中擴散、固溶而得以進行。所生成的CO2和H2的反應(yīng)，如下式所示地反應(yīng)生成CO，促進了(1)式的滲碳反應(yīng)。(3)上述反應(yīng)為半水性氣體反應(yīng)，其平衡式為(4)K2=平衡常數(shù)pH2OH2O分壓pH2H2分壓。又，藉由下式(5)進行滲碳反應(yīng)(5)其平衡式為(6)K3平衡常數(shù)這些平衡常數(shù)K1、K2、K3的值可分別藉由其各自的反應(yīng)式從左向右進行時反應(yīng)自由能變化△F的數(shù)值，從下式求得。lnK=-△F／R·T(7)R氣體常數(shù)T絕對溫度(K)活度系數(shù)Ac可根據(jù)Schenk等人的研究，用下式表示。logAc=log{Nc／(1-5Nc)-0．9Nc2}+2105／T-0．6735(8)NcC／(21．5+0．785C)Nc鋼中的C原子分率C鋼中的C的wt％氣氛中所含有的所有氣體進行平衡反應(yīng)的結(jié)果，分別達到各自的平衡值，保持平衡。因此，下述各個反應(yīng)式也能成立。(9)其平衡式為(10)K4平衡常數(shù)pH2H2分壓下述反應(yīng)式也成立。(11)其平衡式為(12)(11)中的微量O2可根據(jù)下式，從測氧器所檢測得到的電動勢算出E={(R·T)／(Ne·F)}·ln(pO2’／pO2”)(13)E電動勢(V)NeO2的離子價(Ne=4)F法拉第常數(shù)pO2’標準氣體的O2分壓pO2”測得氣氛的O2分壓將常數(shù)代入上式中簡化，得到E=0．0496·T·log(0．2091／=pO2”)(單位mv)(14)從(12)式和(14)式，得到如下所述的測氧器電動勢和pCO之間的關(guān)系式。E=0．0496·T·log(0．2091·K52·Ac2／pCO2)(15)為消除在前述的滲碳反應(yīng)和各種反應(yīng)的結(jié)果生成的CO2及H2O，補充消耗的CO，添加濃縮成份。圖2所示為可適用本發(fā)明的碳勢控制方法的推進式連續(xù)氣體滲碳爐2。在所述推進式連續(xù)氣體滲碳爐2由＃1～＃8的八個滲碳區(qū)組成，鋼材部件分別沿二列軌道被運送至各個區(qū)內(nèi)。又，＃1區(qū)進行鋼材的加熱，＃2區(qū)～＃6區(qū)進行鋼材部件的滲碳處理，其各區(qū)結(jié)構(gòu)基本上如同圖1所示的熱處理爐1的結(jié)構(gòu)。又，在＃7和＃8區(qū)進行滲碳處理之后的鋼材部件的冷卻保溫。即，在＃2區(qū)～＃6區(qū)上，連接有匯合載氣供給通道11和濃縮成份供給通道12的合流通道13。在載氣供給通道11及濃縮成份供給通道12的各個通道上分別設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥14、15及流量計16、17。又，在爐2中，設(shè)置有檢測氣氛中的氧分壓的測氧器18。且，上述測氧器18檢測出的氣氛中氧分壓的檢測數(shù)據(jù)輸入控制裝置20，由控制裝置20調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥15的打開程度，以控制濃縮成份的供給量。具體地，在以預(yù)先確定的流量向各個區(qū)域內(nèi)供給載氣的同時，以必要的流量向所述各個區(qū)域供給濃縮成份，以將氣氛中碳勢的Cp值維持在預(yù)定范圍內(nèi)。在圖2中，*記號表示檢測數(shù)據(jù)輸入控制裝置20，※記號表示控制信號從控制裝置20輸出。以下，就使用所述連續(xù)氣體滲碳爐2進行氣體滲碳處理的情況作一說明。在該氣體滲碳處理中，將前述煤氣作為載氣，將甲苯作為濃縮成份。各個區(qū)域的溫度等條件如表7所示。表7鋼材部件為鐵軌軸承環(huán)(規(guī)格197726)，其大小為φ30×50(mm)。滲碳結(jié)果如下所述，滿足目標的基準。滲碳深度2．3～2．5mm表面含碳率0．9～1．0％表面的金屬組織2級，無粗大碳化物表面硬度(二次淬火后)HRC64～65芯部硬度HRC38～42發(fā)明效果由上所述可知，根據(jù)本發(fā)明，為了在使用煤氣作為載氣的同時，使用甲苯或丙酮作為濃縮成份，且監(jiān)視爐內(nèi)熱處理氣氛中的碳勢，采用可測定氣氛中的氧分壓的測氧器，根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)濃縮成份的供給量，由此，可進行所述碳勢的控制。因此，如前述滲碳結(jié)果已證實那樣，可以在適當維持爐內(nèi)的碳勢的同時，進行熱處理，例如，進行滲碳處理，可以達到獲得到品質(zhì)良好熱處理制品效果。附圖的簡單說明圖1所示為使用本發(fā)明的控制方法的間歇式熱處理爐的整體結(jié)構(gòu)圖。圖2所示為使用本發(fā)明的控制方法的推進式連續(xù)氣體滲碳爐的整體結(jié)構(gòu)圖。圖中，1為間歇式熱處理爐；2為推進式連續(xù)氣體滲碳爐；11為載氣供給通道；12為濃縮成份供給通道；13為合流通道；14、15為流量調(diào)節(jié)閥，16、17為流量計；18為測氧器；19、20為控制裝置。權(quán)利要求1．一種熱處理氣氛中碳勢的控制方法，其特征在于，在將由煤氣組成的載氣供給爐內(nèi)的同時，將由甲苯或丙酮組成的濃縮成份供給爐內(nèi)，用測氧器檢測熱處理氣氛中的碳勢，根據(jù)測出的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)所述濃縮成份的供給量，藉此可將所述碳勢控制在預(yù)定值范圍內(nèi)。2．如權(quán)利要求1所述的熱處理氣氛中碳勢的控制方法，其特征在于，所述熱處理氣氛為氣體滲碳氣氛。全文摘要本發(fā)明的碳勢控制方法系在將由煤氣組成的載氣供給爐內(nèi)的同時,將由甲苯或丙酮組成的濃縮成分供給爐內(nèi),用測氧器檢測熱處理氣氛中的碳勢,根據(jù)所測得的數(shù)據(jù),調(diào)節(jié)所述濃縮成分的供給量,藉此可將所述碳勢控制在預(yù)定值范圍內(nèi)。文檔編號C21D1/76GK1281902SQ99110719公開日2001年1月31日申請日期1999年7月26日優(yōu)先權(quán)日1999年7月26日發(fā)明者太田均,吉村義法,陶治安,包小俊申請人:中外爐工業(yè)株式會社,西北軸承集團有限責任公司