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传感器在热处理中的应用 一、传感器与金属热处理的关系 目前热处理工艺并没有如人们想象的那样普遍可以得到控制，而热处理工艺的高可靠性对人们的生产生活是非常有用的。热处理过程中一些重要参数有：炉膛温度、工件温度、气氛的碳式、碳流量或氮流量、气流、炉压、油淬温度、淬火油搅拌和淬火激烈程度。 如表1所示,其中许多参数可以用有效的传感器或分析仪进行测量和控制。然而,将近有一半的参数因为还没有传感器或测量仪器而进行测量。 表1　重要热处理过程参数的控制 重要的工艺参数 可用的传感器或分析仪 炉温 热电偶、高温计 工件温度 无/高温计、热电偶 气氛浓度 (C,N,O)氧探头、气体分析仪 碳流量,氮流量 无 气体流量 流量计 炉压 压力表 淬火油温度 热敏电阻 淬火油搅拌 无 淬火强度 无(IVF-淬火测试仪) 有时候热处理结果存在一些变化,主要是因为热处理过程中的一些重要参数测不到。为了解决这个问题,几年前已开始研究,一方面提高现有测量仪器的可靠性,另一方面开发测量热处理过程的新传感器。 二、金属热处理介绍 金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。 加热是热处理的重要工序之一，加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外，转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。 采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。金属整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火共四种基本工艺。 三、几种传感器在热处理中的应用 （一）、氧探头传感器在热处理可控气氛中的应用 与其他氧分析仪器相比，氧探头传感器具有响应速度快，可连续跟踪检测，灵敏度高，测量精度高，结构简单，以及安装使用方便等优点，因而越来越受到热处理要求高、自动化程度高的设备制造企业的重视。 在热处理可控气氛炉中应用和推广碳势控制技术，标志着热处理行业的一大进步。而利用氧探头、碳势控制仪在可控气氛炉中进行碳势控制，是热处理领域的又一重大突破。由于氧探头响应速度快，测量精度高，能直接与被测气氛接触等特点。同时也逐步扩展至其他相关可控气氛设备的工艺控制和测量之中。氧探头在热处理行业的技术进步和起到的作用，越来越被热处理业内人士所认知。由于使用条件的不同，氧探头传感器的结构形式也各有区别，但是氧浓差电池的传感元件组成和工作原理是相同的。 1、工作原理 氧探头是利用固态电解质氧化错(球、柱、片或管状)陶瓷敏感元件测量炉内渗碳气氛中的氧分压，由于炉外氧分压P，和炉内氧分压Pz不同，在氧化错的两侧产生浓差电势E, E的大小符合能斯特方程: E=1/NF·RT·ln(P1/P2) 式中 E-浓差电势(mV); N-电极反应中电子转移数; R-气体常数，8.314J/K·mol-; F-法拉第常数，9