一种快速定碳方法及仪器与流程

本发明属于渗碳与定碳技术研究领域，具体涉及一种快速定碳方法及仪器。

背景技术：

渗碳是一种重要的表面改性手段，在国防工业船舶和各类飞行器的传动装置中也占有者越来越重要的地位。随之要求的是渗碳的精细化和可控化，碳势的快速准确测定成为渗碳工艺实现的重中之重。

目前国内大部分企业渗碳过程中定碳使用的国标为称重法,基本原理是用低含碳量的金属薄片放入炉内渗碳，用渗碳后增重部分来计算炉内碳势浓度。但因其存在着检验过程无法快速进行且检验成本高，过程繁琐,仪器精度和测量人员要求高等不足，因此有许多改进空间。

国外一些厂商生产了一些快速定碳仪，主要基于燃烧-容量法，以及比黑法。前者以韩国为代表，该方法准确度高,稳定性强,重现性好,但测定条件较严格,操作繁杂,限制较多，仍无法满足快速定碳。后者在欧洲采用较广泛，但仪器需针对渗碳现场的设备和工艺由定碳仪厂家工程师进行校准，当新工艺实施时又要重复进行，后期维护成本高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服检验过程无法快速进行且检验成本高，过程繁琐,仪器精度和测量人员要求高等不足。本发明提供了一种可以快速、准确测定渗碳炉内碳势的方法，从而实现实时测定碳室内含碳量的目标。

本发明是通过如下技术方案实现：

一种快速定碳方法，包括以下步骤：

(1)利用热力学计算，进行钢的电阻率与其碳含量关系的模拟，得到二者的关系直线；

(2)利用双电桥或四电桥对多组已知含碳量的定碳片电阻进行测量，得到电阻率ρ和碳含量wc％的一一对应关系，并对虚拟仪器模块进行设定；

(3)擦去定碳片表面上的油污，用清洗剂清洗干净；

(4)将定碳片装入密闭渗碳炉内合适位置；

(5)进行气体渗碳，在渗碳炉内通入气体渗剂或液体渗剂，根据炉温和定碳片尺寸选择渗碳时间，使定碳片含碳量与炉内气氛达到平衡，渗碳结束后，取出定碳片；

(6)渗碳结束后，将定碳片从炉内拉到冷却管内，在渗碳气氛保护下冷却3-5min后取出，若定碳片发生氧化应换新定碳片重新试验；

(7)固定定碳片，利用快速定碳仪器的固定装置，打开上下电木板，将定碳片平置于下电木板的凹槽内，合上上电木板；

(8)开启快速定碳仪器电源，用电阻测量装置测试其电阻值r；

(9)利用快速定碳仪器的虚拟仪器模块，将电阻率值ρ转换成含碳量wc％并输出在数字显示仪上，输出数据即为定碳片的含碳量。

所述定碳片属于钢箔，为优质碳素钢08、08f、08al中的一种，定碳片为扁平矩形，长度为30-300mm，宽度为5-100mm，厚度为0.03-0.10mm，其表面光亮，无毛边，无氧化，无锈蚀。

所述利用双电桥或四电桥对多组已知含碳量的定碳片电阻进行测量，得到电阻率ρ和碳含量wc％的一一对应关系，并对虚拟仪器模块进行设定，包括：

利用多组不同含碳量且具有相同材质和尺寸的定碳片进行重复实验，利用公式ρ＝rl/s将电阻换算成电阻率，将得到的大量的电阻率ρ和碳含量wc％的实验数据导入人工神经网络中进行训练，得到电阻率ρ和碳含量wc％的一一对应关系；

其中，对定碳片的电阻进行测量后，与利用公式r＝ρs/l计算所得的理论电阻值进行比较，当误差在电阻测量装置所规定的误差允许范围内时，数据才可使用；

将得到的电阻率ρ和碳含量wc％的的关系与步骤(1)中利用jmatpro软件所得到的二者的关系直线进行比对，分析误差，若误差在允许范围内，则将所得到的电阻率ρ和碳含量wc％的实验数据输入虚拟仪器模块进行设定。

所述擦去定碳片表面上的油污，用清洗剂清洗干净，包括：

清洗剂是分析纯丙酮，专用清洗剂中的一种。

所述进行气体渗碳，在渗碳炉内通入气体渗剂或液体渗剂，根据炉温和定碳片尺寸选择渗碳时间，使定碳片含碳量与炉内气氛达到平衡，渗碳结束后，取出定碳片，包括：

气体渗剂为甲烷或乙烷中的一种，液体渗剂为煤油，苯，酒精，丙酮中的一种；渗碳炉为气体渗碳炉。

一种快速定碳仪器，由用于测量定碳片电阻值的电阻测量装置、用于固定定碳片的固定装置、实现电阻与碳含量之间转换进而将反馈信号传达给渗碳设备的虚拟仪器模块、数字显示仪四部分组成，实现电阻与碳含量之间转换进而将反馈信号传达给渗碳设备的虚拟仪器模块和用于测量定碳片电阻值的电阻测量装置以及数字显示仪连接在一起，用于测量定碳片电阻值的电阻测量装置与用于固定定碳片的固定装置相连。

所述用于测量定碳片电阻值的电阻测量装置为双电桥或四电桥装置。

所述用于固定定碳片的固定装置由两块电木板构成，其中，下电木板中间有凹槽，凹槽中固定有定碳片，上电木板有凸起部分，上电木板的凸起部分可以与固定有定碳片的下电木板凹槽扣合在一起；下电木板的凹槽与上电木板的凸起均呈扁平矩形，其长度、宽度均比定碳片尺寸大1-2mm，下电木板凹槽的深度比定碳片厚度大10mm，上电木板凸出部分高度为10mm；下电木板凹槽的四角处有四个铜片，并与导线相连，铜片为扁平正方形，边长为4-6mm，厚度为0.1-0.2mm。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用双电桥或四电桥测量小电阻值的方法，可以精确地测定不同含碳量的定碳片的电阻值。

(2)本发明采用固定装置，避免了直接用鳄鱼夹夹持定碳片而导致电阻值测量误差偏大的问题，使实验误差控制在较小的范围。

(3)本发明采用的虚拟仪器模块，建立了电阻率与碳含量的一一对应关系，实现了定碳的自动化和数字化，形成了数字化碳势值反馈通道，进而实现定碳环节中的闭环控制。

(4)本发明采用的定碳片尺寸合理，既能够避免由于定碳片尺寸过大而导致的渗碳时间过长，也能够防止由于定碳片尺寸过小而导致测量值不准确等缺点，实现了快速、精确定碳。

附图说明

图1为钢的电阻率随碳含量变化曲线；

图2为实验测得定碳片电阻率值随碳含量变化回归直线；

图3为实验测得不同碳含量的定碳片的电阻率值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种根据以上所述仪器进行碳势测定的方法，包括以下步骤：

步骤一，利用热力学计算，进行钢的电阻率与其碳含量关系的模拟，得到二者的关系直线。

步骤二，利用双电桥或四电桥对已知含碳量的定碳片电阻进行测量，利用多组不同含碳量且具有相同材质和尺寸的定碳片进行重复实验，利用公式ρ＝rl/s将电阻换算成电阻率，

将定碳片电阻率ρ与碳含量wc％进行拟合计算，进而得到二者的一一对应关系，并对虚拟仪器模块进行设定。

步骤三，擦去定碳片表面上的油污，再用清洗剂清洗干净。

步骤四，将定碳片装入密闭渗碳炉内合适位置。

步骤五，进行气体渗碳，在渗碳炉内通入气体渗剂或液体渗剂，根据炉温和定碳片尺寸选择渗碳时间，使定碳片含碳量与炉内气氛达到平衡，渗碳结束后，取出定碳片。

步骤六，渗碳结束后，将定碳片从炉内拉到冷却管内，在渗碳气氛保护下冷却3-5min后取出，防止定碳片温度太高产生氧化，一旦发生氧化应换新定碳片重新试验。

步骤七，进行定碳片的固定，利用快速定碳仪器的固定装置，打开上下电木板，将定碳片平置于下电木板的凹槽内，合上上电木板。

步骤八，开启快速定碳仪器电源，用电阻测量装置测试其电阻值r。

步骤九，利用快速定碳仪器的虚拟仪器模块，将电阻率值ρ转换成含碳量wc％并输出在数字显示仪上，输出数据即为定碳片的含碳量。

进一步，步骤二中所使用定碳片属于钢箔，选用优质碳素钢08，08f，08al中的一种，为扁平矩形，长度为30-300mm，宽度为5-100mm,厚度为0.03-0.10mm，其表面光亮，无毛边，无氧化，无锈蚀。

进一步，步骤二中所述的拟合过程中，在得到大量的电阻率ρ和碳含量wc％的实验数据后，将实验数据导入人工神经网络中进行训练，得到电阻率ρ和碳含量wc％的一一对应关系。

进一步，步骤二中进行拟合计算后，将电阻率ρ与碳含量wc％的关系与步骤一中利用jmatpro软件所得到的二者的关系直线进行比对，分析误差，若误差在较小范围内，则将步骤二所得到的电阻率ρ和碳含量wc％的实验数据输入虚拟仪器模块进行设定。

进一步，步骤三中所使用的清洗剂是分析纯丙酮，专用清洗剂中的一种。

进一步，步骤五中所用的气体渗剂为甲烷或乙烷中的一种，液体渗剂为煤油，苯，酒精，丙酮中的一种。

进一步，步骤五所述渗碳过程中，采用气体渗碳炉，渗碳炉的温度范围较广，可应用于1000℃以下以及超过1000℃的渗碳炉中。

快速定碳仪器包括用于测量定碳片电阻值的电阻测量装置、用于固定定碳片的固定装置、实现电阻与碳含量之间转换进而将反馈信号传达给渗碳设备的虚拟仪器模块、数字显示仪。

进一步，电阻测量装置，可以采用双电桥或四电桥装置，与所述固定装置相连接。

进一步，固定装置由两块电木板构成，两电木板可以拼接在一起，其中，下电木板中间有凹槽，可放入并固定定碳片，上电木板有在放入定碳片后可以与下电木板完全吻合的凸起部分，凹槽和凸起部分均呈扁平矩形，其大小视定碳片尺寸而定，长度、宽度均比定碳片尺寸大1-2mm，下电木板凹槽深度比定碳片厚度大10mm，上电木板的凸出部分高度为10mm。在下电木板凹槽的四角处有四个铜片，并与导线相连。

电木板上的铜片为扁平正方形，边长为4-6mm，厚度为0.1-0.2mm。

进一步，虚拟仪器模块：通过大量实验数据，建立碳含量与电阻率值的一一对应关系，并能够将双电桥或四电桥电阻测量装置测得的定碳片电阻值自动转换成碳含量并实现数字化输出。

本发明中一种快速定碳仪器，主要包括用于测量定碳片电阻值的电阻测量装置、用于固定定碳片的固定装置、实现电阻与碳含量之间转换进而将反馈信号传达给渗碳设备的虚拟仪器模块、数字显示仪。

定碳片为钢箔，其材质为优质碳素钢08，为扁平矩形，长度为55mm，宽度为25mm,厚度为0.06mm。定碳片尺寸合理，既能够避免由于定碳片尺寸过大而导致的渗碳时间过长，也能够防止由于定碳片尺寸过小而导致测量值不准确等缺点，实现了快速、精确定碳。

电阻测量装置为双电桥或四电桥装置，从而实现小电阻值的精确测量。

固定装置由上、下电木板、铜片、导线构成。

上电木板带有凸起，下电木板带有与之对应的凹槽，均呈扁平矩形，其大小视定碳片尺寸而定，长度、宽度、厚度均比定碳片尺寸大1-2mm，使定碳片牢固固定在电木板上，防止由于实验环境因素的影响而导致固定不稳进而影响测量精度。采用不导电的电木板作为固定装置，可以防止由于固定装置导电而使定碳片电阻测量不准。此外，定碳片的硬度相对较高，具有较高的使用寿命。

铜片位于下电木板凹槽的四角处，并与导线相连。电木板上的铜片为扁平正方形，边长为4-6mm，厚度为0.1-0.2mm。铜片的导电性较好，不会带来定碳片电阻的测量误差。这种设计避免了直接用鳄鱼夹夹持定碳片而导致电阻值测量误差偏大的问题，使实验误差控制在较小的范围。

虚拟仪器模块可以建立了电阻率与碳含量的一一对应关系，实现了定碳的自动化和数字化，形成了数字化碳势值反馈通道，进而实现定碳环节中的闭环控制。

使用时，将定碳片置于有电木板组成的固定装置中，固定装置与双电桥或四电桥电阻测量装置相连，双电桥测得的电阻值直接反馈到虚拟仪器装置中，转换成含碳量，并输出到数字显示仪上。

本实施例的快速定碳方法包括以下步骤：

步骤一，擦去定碳片表面上的油污，再用清洗剂清洗干净。

步骤二，将定碳片装入密闭渗碳炉内合适位置。

步骤三，进行气体渗碳，在渗碳炉内通入气体渗剂或液体渗剂，根据炉温和定碳片尺寸选择渗碳时间，使定碳片含碳量与炉内气氛达到平衡，渗碳结束后，取出定碳片。

步骤四，渗碳结束后，将定碳片从炉内拉到冷却管内，在渗碳气氛保护下冷却3-5min后取出，防止定碳片温度太高产生氧化，一旦发生氧化应换新定碳片重新试验。

步骤五，进行定碳片的固定，利用快速定碳仪器的固定装置，打开上下电木板，将定碳片平置于下电木板的凹槽内，合上上电木板。

步骤六，开启快速定碳仪器电源，用电阻测量装置测试其电阻值r。

步骤七，利用快速定碳仪器的虚拟仪器模块，将电阻率值ρ转换成含碳量wc％并输出在数字显示仪上，输出数据即为定碳片的含碳量。

本实施例中，所使用定碳片均为优质碳素钢08，长度为55mm,宽度为25mm,厚度为0.06mm,渗碳炉温度为950℃。将这些定碳片放入碳势不同，其他条件均相同的渗碳炉中进行渗碳。根据jb/t10312-2011中规定的钢箔在渗碳气氛中均匀渗透所需时间，选择渗碳时间为25min。

实验前，首先利用双电桥或四电桥对定碳片电阻进行测量，找到电阻率与碳含量的一一对应关系。附图2为实验测得定碳片电阻率值随碳含量变化回归直线，附图3为实验测得不同碳含量的定碳片的电阻率值。

渗碳完成后，取出定碳片并置于固定装置中进行快速定碳，得到其含碳量分别为0.616％，0.62％，0.65％，0.761％，0.79％。

将与该实验所用定碳片完全相同的五组定碳片利用国标法进行定碳，具体步骤如下：

步骤一，在定碳片一端做孔，并用剪刀将另一端剪成弧形。

步骤二，用丙酮清洗定碳片上的防锈涂层及其它脏物，用电吹风吹干表面丙酮后，用精度0.1mg的天平称重(分析天平或者电子天平均可)，记录定碳片的渗前重量wp值(称重时用镊子夹持定碳片，精度0.1mg的天平，定碳片渗碳前重量应大于1克)。

步骤三，用一定长度的铁丝一端串入定碳片孔后折回并拧紧，以防定碳片掉入炉内。

步骤四，把定碳片放入定碳孔内，铁丝另一端挂在定碳孔盖内的铁钩上，用卡子把盖子卡紧，记录下此刻时间。

步骤五，定碳片在炉内停留25分钟。

步骤六，从定碳孔抽取定碳片。开始抽取时，需点燃定碳孔排出炉气，同时为防止定碳片氧化，一定要缓慢从炉内移出，并在水冷套停留1-2分钟。

步骤七，取下定碳片，用丙酮清洗。待定碳片表面吹干或风干后，用天平称重，并记录下渗后重量wf值。

步骤八，利用下述公式计算碳势：cp＝co+(wf-wp)×100/wf(co为定碳片原始含碳量)

根据国家标准，利用称重法，测得这五组定碳片的碳含量分别是0.615％，0.63％，0.64％，0.76％，0.79％，测量结果与本发明所测结果相近。

本发明装置与现有技术相比具有的优点是：

利用定碳片电阻值确定碳势的理论和方法，发明了可以精确、快速定碳的定碳测定仪，符合国家标准的快速定碳规范，弥补了渗碳过程闭环控制的瓶颈环节定碳的自动化。

本发明公开了一种快速定碳的实验方法及仪器，其要点在于实现利用定碳片在室温中的快速精确定碳，利用定碳片的电阻率与碳含量有一一对应关系的特性，通过测量定碳片在渗碳结束后在室温条件下的电阻率值，进而确定定碳片的碳含量，即渗碳炉内碳势。本发明可用于渗碳技术中的定碳环节，可以有效地实现渗碳工艺的自动化，且周期短，成本低廉，快速精确，为完全闭环的渗碳工艺控制打下基础。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。