摘 要 热丝法传感器性能取决于热丝的材料和规格，同时受到传感器的结构和测量数学模型的影响。选用新的热丝材料，对传感器结构作合理改进，采用引线补偿和温度补偿完善其数学模型，研制出新型传感器。应用于大型井式渗碳炉气氛控制取得了良好的效果，其测量准确性和精度得到提高，与传统结构传感器相比寿命长、灵敏度和重现性得以改善。
关键词 气体渗碳 碳势 热丝传感器
0 前言
热丝法(又称电阻法)是目前唯一能够直接连续测量与控制碳势的方法［1］。 它不受炉气成分和反应平衡程度的影响， 对渗剂和工况(装炉量、 炉压大小、 气氛循环情况等)没有严格的要求， 不论是连续炉， 还是周期炉， 即使是煤油形成的气氛， 也可得到较好的效果。 这种传感器结构简单、 制造方便、 成本低廉、 易于维护与维修， 80年代在国内受到广泛青睐［2，3］。这种传感器仍存在某些缺陷。本文在分析基础上进行改进后，应用结果良好。
1 传统型热丝法传感器存在的问题分析
将一根极细的铁丝固定在探头骨架上， 直接插入渗碳炉内， 在渗碳条件下铁丝将会发生渗碳或脱碳反应。 当与炉气达到平衡状态时， 根据铁丝电阻率的变化， 可连续测量渗碳气氛的碳势， 它与钢箔法(通常认为是碳势测量的标准方法)具有类似的理论基础［4］，均用碳含量表示碳势， 满足了碳势的热力学和工程定义［5］。 不同的是确定碳含量的方法， 后者是用燃烧法或称重法来确定的， 而前者是按马西森规则描述的低浓度下固溶体的电阻率变化规律来确定的。
马西森规则认为： 稀固溶体的电阻率可分为两部分， 即：ρ=ρ0+Δρ， 第一部分电阻率(ρ0)与溶剂金属相关， 它随温度而变化；第二部分电阻率(Δρ)不随温度变化而与溶质浓度及晶体缺陷有关。 若不考虑晶体缺陷， 在恒定渗碳温度下单相奥氏体铁丝的电阻率变化就取决于它的碳浓度C碳%，即： Δρ=C碳%。ξ,其中ξ是比例常数。 若有第二相析出时，电阻率的变化将会更复杂。
国内最早出现的热丝传感器又叫电阻碳势传感器， 文献［2，3］结构成为80年代的代表。对其影响因素进行分析：
（1）热丝本身对传感器性能的影响， 它表现在两个方面：其一是阻丝材料，热丝在渗碳条件下，气氛与热丝之间碳传递达到平衡时，碳在气氛中的化学势必然与在热丝中的化学势相等，即:活度相等agc=asc。铁丝在温度T和气氛活度ac条件下必然有确定的碳含量C碳%，它与铁箔测量的数值具有相同的物理涵义。为了改善铁丝的抗氧化性能， 有人采用含NI的合金丝［6，7］。在同样的渗碳条件下，合金丝的含碳量Calloy与纯铁的含碳量Cstecl有所不同， 但它们的比值存在确立的关系［8］,也就是说只要合金丝为单相奥氏体， 其碳含量与碳势之间总是存在着线性关系，即其电阻值与碳势之间存在线性关系；其二是阻丝的长度L和阻丝直径d。 电阻率与碳势之间变化关系是通过电阻值R与碳势CP之间关系反映出来的，其表达式可为：
(1)
式中：R为热丝在渗碳条件下的电阻，Ω；L为热丝的长度，m；d为热丝的直径，mm；ρ0为热丝在气氛碳势为零时的电阻率，Ω。cm；CP为渗碳气氛碳势，%C碳；ξ为渗碳气氛碳势变化1%C碳时热丝的电阻率变化，Ω。cm。
可以看出， 热丝越细越长，其电阻值的变化率Lξ／d2越大，同时也增加了背底Lρ/d2值，增加了合金丝损坏的几率， 增加了阻丝加工难度。 合金丝的直径变粗又会使传感器的动态特性变差。 当合金丝的直径dD／β(D：碳在其合金丝中扩散系数， β：气氛碳传递系数)时， 合金丝中碳浓度梯度就不可忽略，在变化的气氛中， 热丝碳含量很难与碳势一致， 破坏了碳势与电阻值的一一对应关系。 只有当d
D／β时，合金丝内碳浓梯度才可能被忽略， 此时合金丝内碳含量Ct随时间的变化可用下式表示：
(2)
式中：Ct为在碳势为CP气氛中渗碳t时间后热丝碳含量，%C碳；CP为渗碳气氛碳势，%C碳；C0为热丝（合金丝）原始碳含量，%C碳；β为气氛碳传递系数，m/s；d为热丝直径，m；t为渗碳时间，s。
C0为合金丝中原始碳含量， 其响应时间为d／4β。 取阻丝直径为0.1 mm，碳传递系数为2.0×10-5cm/s，其响应时间为8 min。由此可见，合金丝直径决定其响应特性。
（2）温度的影响。 在气氛基本组成不变的情况下温度降低，实际气氛的碳势增加0.1%［4］。 按文献［2］中模型计算， 电阻值增加0.223 7 Ω，相当于测量碳势只增加0.06%，比实际碳势小0.04%，因此温度的准确测量和控制是热丝法传感准确测量碳势的基本条件。
（3）影响测量阻值的因素是引线电阻。 为测量炉内热丝阻值所用的所有引线在某个工艺周期或在重复使用过程中电阻值变化很难用一个确定的模型来表示， 过去许多传感器往往在热丝未被损坏前就因引线电阻变化而失真， 重现性变坏，这被看成是热丝法一个致命的缺点。
影响传感器性能的因素还有传感器的其它结构元件。 如固定热丝的骨架、 保护套等， 它们通过对热丝渗碳过程的影响来影响传感器性能。 骨架材料常用高纯刚玉螺旋结构。 采用不锈钢保护套， 在一定程度上改善了气氛尘埃对阻丝的污染， 但产生了严重的滞后。 热丝法测量结果还受到数学模型的影响。对于滴注式气氛，气氛碳势Cp由诸多因素决定，如渗剂及滴量、 渗碳温度、 炉况等， 这些因素均是时间函数， 将这些因素综合定义为时间函数fp(t)， 即Cp=fp(t)； 用热丝法测量的碳势值CR不仅受到fp(t)的影响， 而且受到传感器本身及气氛碳传递动力学的影响， 定义这些因素为fR(t)， 即： CR=fR(t)。 若传感器响应时间为零则fR(t)=fp（t），就完全可以用静态关系式来作为传感器的数学模型。而实际上，传感器响应时间不为零，此时fp(t)≠fR(t)，用静态关系模型来测量碳势就存在一定缺陷。
2 热丝法传感器的改造
改进后的传感器结构示意图，如图1所示。
图1 新型结构热丝传感器
选用直径为0.1 mm， 长度为1 500 mm的Fe-Ni低碳合金丝。在探头中装入一支热电偶位于探头的心部， 其偶丝与气氛隔绝， 热电偶能同步反映探头温度。采用补偿引线的办法，来消除引线电阻的变化。R为Fe-Ni丝电阻值，R1为处于炉内的引线电阻值，R2为处于炉外的引线电阻值，R′1、R′2为与炉内和炉外引线处相同环境、 材质规格相同的引线。它们在整个测量过程中近似相等，即R1+R2=R′1+R′2，用两个测量回路分别测出R+R1+R2和R′1 +R′2， 则R=R+R1+R2-(R′1+R′2)。由于引入补偿引线和测量热电偶， 刚玉骨架结构作为相应地改进，但仍采用双螺旋槽来固定Fe-Ni丝。另外用微孔陶瓷保护套代替不锈钢保护套，既防止尘埃污染阻丝，又有良好的透气性。采用动态数学模型，此时传感器测量的碳势和气氛碳势存在关系：
式中：fR(s)=Le［fR(t)］、 fp(s)=Le［fp(t)］；G(s)为传递函数。 按纯迟后考虑G(s)=，其中T为响应时间。
3 应用及问题
改进后的新型传感器应用于多家大型式井式气氛渗碳炉上，对气氛碳势进行测量和控制。采用STD总线控机控制温度和碳势，采用PC机进行管理，形成两级控制管理。还具有氧探头测控气氛碳势功能，与热丝传感器可无扰切换，可显示气氛变化情况，其大型气体渗碳炉控制系统原理，见图2。
图2 大型气体渗碳炉控制系统原理图
经严格测定［9］碳势控制精度高于0.05%CP。采用动态模型后，其灵敏度大大提高，用氧探头比较看，热丝传感器变化与气氛变化几乎同步。 通过出炉试样比较，重现性极好。探头抗气氛尘埃（如碳黑)污染能力提高。热丝抗氧化能力有所改善，但不能完全消除。若操作者操作不当，热丝同样会被氧化，而且使用寿命常常决定于制作质量和操作者技术水平，笔者赞同文献［6］的观点。 另外气氛中某些含硫、含氯组分对阻丝腐蚀较严重， 严格控制渗剂中产生腐蚀性气氛的杂质量， 严格清理和清洗工件油污及其它杂物很有必要。热丝法测量碳势具有其它方法无与伦比的优点，为使其优越性充分发挥，对热丝传感器标准化研究和操作规范化是十分必要的。
参考文献
1 陈仁悟,林建生．化学热处理原理.北京:机械工业出版社,1986.103．
2 周志渊,陈昭,杨福海，等. 电阻法微机控制渗碳的原理、 装置及生产应用. 北京:金属热处理，1990(10):3～6．
3 陈仁悟,叶尚川,赵高杨,等.滴注式气氛渗碳过程的计算机控制.西安：陕西机械学院学报，1996(4):34．
4 Blumenthal R N,Melville A T．Control of Carbon Potential in Heat Treating Atmosphere Using a Carbo Sensor．Industrial Heating,1976，43:26．
5 林建生，陈仁悟.气体渗碳中碳势的热力学意义．金属热处理学报，1988(5):1．
6 周志渊,郭生武,陈昭,等.气体渗碳碳势控制技术的评述.金属热处理，1996(10):4．
7 杨君刚.大型重载齿轮深层渗碳控制技术的研究：［硕士论文］．西安：西安理工大学，1991．
8 Collin R,Gunnarson S，Thulin D．Mathematical Model for Predicting Corburized Stecl．J Iron and Steel Inst,1972,210:765～789．
9 杨君刚,赵麦群,陈继直.钢箔法测量碳势几个问题的讨论．热加工工艺， 1999(3):48．
