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做粉末冶金和烧结件生产的人都有体会，同样的配方、同样的温度，这批气氛换一下，产品质量就跟着波动。气氛烧结炉里的气体不是通进去就完事，炉子沿长度方向分预热区、高温区、冷却区，三段气氛各管各的事，露点、碳势、氢水比这几个参数没调对，工件不是脱碳就是氧化，硬度和尺寸全跑偏。我们在配套气氛烧结设备这些年，帮客户调过不少气氛控制参数，下面把这个问题拆开讲。
一、三段温区，气氛作用不一样
预热区从室温升到600到800℃，这个阶段如果用的是含碳氢化合物的气氛，得让碳氢蒸气跟炉内残留氧气充分反应，别让碳黑或者固体碳析出来附在工件表面。碳黑一沉积上去，后面热处理硬度就不均匀，清理起来还费劲。高温区是烧结主温区，温度一般1100到1300℃，这段气氛的氧化还原能力由氢水比说了算——氢气多、水蒸气少，还原性强，工件表面的氧化铁能被还原掉；水蒸气占上风，工件就被氧化。
冷却区气氛干两件事：一是把高温出炉的工件跟空气隔开防氧化，二是加快冷却。冷却速度直接影响组织，快冷慢冷出来的硬度不一样，要按材料要求调。冷却区一般通干净的保护气，把工件从高温快速带到出炉温度。三段之间气路是连通的，上游气氛带过来的微量杂质到了高温区会影响还原势，所以预热区的气体纯度也不能马虎。
二、露点和碳势怎么稳住
维持工件含碳量稳定是气氛控制的核心。表面或心部一旦脱碳、渗碳，硬度强度尺寸全变。做铁基粉末冶金件，脱碳层超过0.1毫米，耐磨性就往下掉一大截。在碳中性气氛里，比如含氢的氮基气氛或者氨分解气，控制的关键参数是氢气和水蒸气含量的比值。水蒸气多了露点就高，工件容易氧化；水蒸气少了露点低，气氛偏还原。实际操作中，含5%到10%氢气的气氛，把露点压到零下35℃以下，既能还原氧化铁，又保持碳中性。露点用在线露点仪测，每隔几小时看一次读数。
要是用吸热性气氛做富碳气氛，控制参数就变成一氧化碳和二氧化碳的比值加露点。吸热性气体是天然气和空气在催化剂上反应生成的，天然气配多了一氧化碳多，气氛偏渗碳；配少了二氧化碳多，气氛偏脱碳。还要注意催化剂老化、反应温度波动、冷却水温度变化都会让一氧化碳和二氧化碳含量漂移，得定期用天然气做富化气微调。催化剂用久了表面积碳，反应效率下降，一氧化碳浓度慢慢往下掉，不换催化剂光调比例没用。
三、气氛波动为什么影响质量
粉末冶金件的成分、密度、形状在模具设计阶段就定了，烧结阶段能调的就是温度和气氛。温度靠热电偶控得比较稳，气氛反而是变量最大的一环。同一批工件，今天露点零下40℃，明天设备漏点空气露点涨到零下20℃，出来的零件表面就两个样。做汽车行业的粉末冶金件，客户对质量稳定性要求高，CPK要到1.33以上，气氛一不稳硬度散差就大，CPK根本上不去。
再补充一点气路设计上的经验。很多客户一开始就买现成的混气柜，结果用了半年才发现管路里残留的水分把露点拉高，原因是气源到炉子之间走了好几米普通橡胶管，橡胶本身会透气吸水。正规做法是从气瓶到炉子全用不锈钢管，接头用卡套不用生料带，气路最低点装排水阀，每天开班先排水。另外气体流量别贪大，流量太大炉膛里温度场被气流吹歪，工件边角温差能差出十几度，按炉膛体积每分钟换气两到三次就够，流量够了再稳一点比冲大流量强。
这里再提一句流量计选型。浮子流量计便宜但精度一般，做工艺记录建议用质量流量计，直读标准状态下气体体积，不受温度压力影响。氨气分解气有腐蚀性，流量计要选316L材质，普通不锈钢用半年就锈了。气路装减压阀把出口压力稳在0.1兆帕，炉子入口稳压阀再调一道，两道稳压下来流量波动小，露点读数才稳。
现在稍正规的产线都配了露点仪、氧探头、一氧化碳二氧化碳分析仪在线监测，数据接到PLC自动调气流量。做小批量打样时，也要把气氛参数记录下来，放大到量产线才能复现。我们碰到过两个典型问题：一家汽车零件厂做铁基齿轮，露点一直在零下15℃偏高，表面脱碳层0.12毫米，加大氢气流量把露点降到零下38℃后，脱碳层压到0.03毫米以内；另一家做含油轴承，吸热性气体发生器催化剂老化，一氧化碳从20%掉到15%，换催化剂、校准天然气空气比例后，碳势波动从正负0.15%收到正负0.05%。气氛烧结炉的气氛控制不是通个气就完事，三段温区各有要求，露点碳势要在线监控，气氛稳了零件质量才能稳，东莞市志远工业设备有限公司在气氛烧结炉和真空箱式气氛炉上有配套气氛控制系统的经验，可以帮客户做气氛调试。