碳勢

碳勢與水勢、電勢一樣，勢差決定了物質流動的趨勢。碳勢差決定了碳擴散的方向。當自由擴散時，碳總是從碳勢高的地方向碳勢低的地方擴散。

基本介紹

• 中文名：碳勢
• 外文名：carbon potential
• 影響因素：化學成分，加熱溫度
• 實質：勢差
• 作用：碳擴散的方向
• 套用：熱處理工藝

簡介

碳勢又稱碳位或碳的化學位。它是決定碳傳遞方向和限度的強度因素。碳勢反映了碳從一個相轉移到另外一個相的能力。

多相平衡時，每一種物質在互相平衡的各相中的化學位相等。根據這一原理，當鋼在某種爐氣中加熱到平衡時，爐氣的碳勢（化學位μ_C^G）應與鋼碳勢（化學位μ_C^A）相等。因此，在恆溫條件下，與一定成分的爐氣相平衡的奧氏體的含碳量，表示了該狀態下爐氣的碳勢。

爐氣碳勢可採用一簡單方法測量：將厚度小於0.1 mm的低碳鋼箔置於滲碳爐中，經過穿透滲碳後測定其含碳量，即代表爐氣的“碳勢”。

爐氣的碳勢是爐氣滲碳能力的表征，與爐氣成分及溫度有關，它的高低反映了爐氣滲碳能力的強弱。爐氣碳勢控制是氣體滲碳的關鍵控制參數，碳勢控制精度決定了工件表面含碳量的精度。碳勢受很多因素的影響，諸如CO₂、H₂O、O₂、CH₄、CO、H₂分壓、爐溫、爐內總壓力、加熱爐的類型、原料氣的種類等。

碳勢控制原理

傳統的滲碳爐控制系統均比較簡單，主要有控制溫度和碳勢兩個參數。滲碳過程往往不在控制之列，而且，溫度控制大都採用模擬儀表控制，控溫精度較低，一般為±5～±10℃。碳勢控制一般採用手動控制，比如通過控制煤油滴數，進而定性控制碳勢。顯然，在這種控制系統下進行滲碳，氣氛成分波動很大，滲碳質量很難得到保證，採用上述方法控制碳勢效果欠佳。

（1）滲碳控制系統結構

由計算機控制的滲碳系統可以分為輸入系統、計算機系統和輸出控制系統。

①輸入系統。該系統可以完成溫度信號和碳勢信號的採集並放大。溫度信號由熱電偶採集，碳勢信號則由電阻探頭採集，它們在進入通道放大器後，均轉化為電壓信號。

②計算機系統。由通道放大器輸出的溫度信號和碳勢信號，先經過A/D轉換，然後進入計算機。計算機通過執行採樣模組、顯示模組及列印模組，可以經數碼管顯示裝置和印表機實時地顯示和列印工藝參數，如溫度、碳勢、時間等。計算機運行控制模組後，可以分別計算出溫度和碳勢控制量，並經PIO口輸出控制量。

③輸出控制系統。計算機輸出信號首先進入光電隔離電路，然後才分別輸送至有關的控制系統。輸出控制系統包括報警與指示系統、溫度控制系統和碳勢控制系統。

報警系統可以完成滲碳爐的超溫報警、碳勢超限報警、工藝到時報警、熱電偶斷偶報警以及電阻探頭斷絲報警等。報警以燈光和聲音同時顯現。報警類別不同，燈光閃爍情況將不同，聲音類別亦不同。用戶可以根據聲光報警的情況，方便地判斷報警原因，並及時地予以處理。指示系統主要用來指示滲碳爐工作狀態。該系統可以設定指示燈，以分別指示爐子通電情況、步進電機的旋轉、電磁閥的開啟以及柱塞泵的行程等狀態。溫度控制系統和碳勢控制系統，則分別用來完成爐溫和爐氣碳勢的控制。在輸出控制系統中，這兩部分是關鍵。

（2）溫度控制系統

當計算機發出高電平或一定電壓信號時，輸出信號，觸發可控矽使其導通，爐子通電。固態繼電器輸入迴路接通，固態繼電器便有反之，當計算機發出低電平或0V電壓信號時，固態繼電器輸入迴路不通，無電流，則亦無輸出，可控矽不導通，爐子斷電。可見，經過該觸發電路，計算機便可以根據爐溫情況，控制爐子通電情況，進而精確控制爐溫。

在溫控電路中，主要元件為固態繼電器，固態繼電器是由集成元件組裝成的無觸點開關。固態繼電器內部電路複雜，由於其具有很高的集成度及隔離措施，因此具有很強的抗干擾能力。使用性能穩定。所以，採用固態繼電器實現可控矽過零觸發，觸發效果很好，控溫精度可達±1℃。另外，該觸發電路還具有原理簡單、接線容易等特點。

（3）碳勢控制系統

現以甲醇、煤油和水作為滲碳介質舉例說明滲碳系統工作過程。上述滲碳介質中甲醇為載體氣，煤油為富化氣，水為稀釋劑。滲碳時，甲醇以一定速度滴入爐內，其滴量是固定的。爐氣碳勢便通過調節煤油滴量而控制。煤油由柱塞泵打入爐內，煤油滴量由柱塞泵行程控制，而柱塞泵的行程又是由步進電機控制的。步進電機可以正轉，也可以反轉，即可以按照要求增大或減小柱塞泵的行程。這種方法，可以實現煤油的連續滴入，是連續式控制的方法。若爐氣碳勢超限，可打開供水閥，使水滴入爐內，以迅速降低爐內碳勢。從這個工作過程可以看出，碳勢控制系統應該包含甲醇閥控制電路、供水閥控制電路、柱塞泵啟動電路及其步進電機控制電路。

碳勢控制

可將爐內氣氛氣體的碳勢定義為：在特定溫度下與鋼的碳含量平衡的氣氛氣體的碳含量。例如，要在1121℃下燒結由鐵一石墨混合粉壓制的壓坯和製成的燒結鋼的碳含量為0.8%，則爐內氣氛氣體的碳勢於燒結溫度1121℃下必須為0.8%C。

傳統的碳勢控制，原則上都是採用控制水蒸氣含量（露點）或CO₂含量或氧含量的方法。

控制的原理可用下列平衡反應來說明：

2CO═C+CO₂

上式的平衡常數K為：K=α_CP_CO2/P²_CO

式中α_C是碳的活度，P_CO2和P_CO分別為CO₂與CO的分壓，該式變形可得出下式：

α_C=K/P²_CO/P_CO2

α_C的值與碳勢有關。式中的K只取決於溫度，而P_CO基本上保持為常數，因此，碳勢可通過改變CO₂而得到控制。所以，控制氣氛氣體的CO₂含量可作為控制碳勢的一種方法。

通過控制水蒸氣壓力控制碳勢的原理，可用上式來說明。在平衡狀態下，H₂O的分壓與CO₂的分壓有關。

碳勢圖

通常使用碳作為還原劑來判斷各種金屬氧化物的還原難易程度。碳與金屬氧化物M_xO_y的反應式如下：

C + 1/yM_xO_y—→x/yM + CO △G^θ=A+BT

在高溫條件下，CO為氣體，碳為固態，而M_xO_y和M則有可能發生相變（如金屬鋁的熔點僅為933K）。利用熱力學數據可計算出碳還原各種金屬氧化物的標準吉布斯自由能變化與溫度的關係，即碳勢圖（見下圖）。

碳勢圖

影響因素

影響鋼脫碳的因素有鋼料的化學成分，加熱溫度，保溫時間和煤氣成分等。

1.鋼料的化學成分對脫碳的影響

鋼料的化學成分對脫碳有很大影響。鋼中含碳量愈高脫碳傾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使鋼脫碳傾向增加；而 Cr、Mn等元素能阻止鋼脫碳。

2.加熱溫度的影響

隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般低於1000℃時，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴散，脫碳比氧化慢，但隨著溫度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的擴散速度也加快，此時氧化皮失去保護能力，達到某一溫度後脫碳反而比氧化快。

3.保溫時間和加熱次數的影響

加熱時間越長，加熱火次愈多，脫碳層愈深，但脫碳層並不與時間成正比增加。例如高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達0.4mm；加熱4h達1.0mm；加熱12h後達1.2mm。

4.爐內氣氛對脫碳的影響

在加熱過程中，由於燃料成分，燃燒條件及溫度不同，使燃燒產物中含有不同的氣體，因而構成不同的爐內氣氛，有氧化性的也有還原性的。他們對鋼的作用是不同的。氧化性氣氛引起鋼的氧化與脫碳，其中脫碳能力最強的介質是H₂O（汽），其次是CO₂與O₂，最後是H₂；而有些氣氛則使鋼增碳，如 CO和 CH₄。爐內空氣過剩係數α大小對脫碳也有重要的影響：當α過小時、燃燒產物中出現H₂，在潮濕的氫氣內的脫碳速度隨著含水量的增加而增大。因此，在煤氣無氧化加熱爐中加熱，當爐氣中含H₂O較多時，也要引起脫碳；當α過大時，由於形成的氧化皮多，阻礙著碳的擴散，故可減小脫碳層的深度。在中性介質中加熱時，可使脫碳最少。