气氛烧结炉气氛怎么控制？露点碳势氢水比三个关键参数

  做粉末冶金和烧结件生产的人都知道，同样的材料同样的温度，换了一批气氛产品质量就波动。真空箱式气氛炉里的气氛不是通进去就完事，预热区、高温区、冷却区各有各的控制要求，露点、碳势、氢水比这几个参数调不对，工件要么脱碳要么氧化，硬度尺寸全跑偏。志远工业设备在配套气氛烧结设备时，帮客户调过不少气氛控制参数，下面把这个问题讲透。

一、三段温区的气氛各管什么

气氛烧结炉沿长度方向分预热区、高温区、冷却区三段，气氛在每段的作用不一样。预热区温度从室温升到600～800℃，这个阶段如果用的是含碳氢化合物的气氛，要让碳氢蒸气和炉内残留氧气反应充分，防止碳黑或者固体碳析出在工件表面。碳黑沉积上去后面热处理就麻烦了，硬度不均匀。

高温区是烧结主温区，温度在1100～1300℃。这个阶段气氛的氧化和还原能力由氢水比决定。氢气含量高、水蒸气含量低，气氛还原性强，工件表面的氧化铁能被还原掉；反过来水蒸气多，工件就会被氧化。生产中要在成本允许的范围内尽量把氢水比维持高一些，既保护工件又不过多消耗氢气。

冷却区气氛主要起两个作用：一是防止高温工件出炉后接触空气氧化，二是加快冷却速度。冷却区一般通入干净的保护气，把工件从高温快速带到出炉温度。冷却速度对工件组织有影响，快冷和慢冷出来的硬度不一样，要按材料要求调。

二、露点和碳势怎么控

维持工件含碳量稳定是气氛控制的核心。工件表面或者心部一旦脱碳或者渗碳，硬度、尺寸、强度全变。做铁基粉末冶金件，脱碳层深度超过0.1mm，零件耐磨性就下降一截。所以气氛控制首先要把碳势稳住。

在碳中性气氛里（比如含氢气的氮基气氛或者氨分解气），控制参数是氢气和水蒸气含量的比率。气氛里水蒸气多了露点就高，工件容易氧化；水蒸气少了露点低，气氛偏还原性。实际操作中，含5%～10%氢气的气氛，把露点控制在-35℃以下，就能给氧化铁提供还原性，同时保持碳中性。露点用露点仪在线测，每几小时看一次读数。

如果用吸热性气氛做富碳气氛，控制参数就变成CO和CO2比率加露点。吸热性气氛是用天然气和空气在催化剂上反应生成的，里面CO和CO2的比例受天然气和空气混合比影响。天然气配多了CO多，气氛偏渗碳；配少了CO2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CO和CO2含量漂移，要定期用天然气做富化气微调。

三、为什么气氛波动会影响质量

粉末冶金件的很多设计参数——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气氛和温度。温度一般靠热电偶控得比较稳，气氛反而成了变量最大的一环。同一批工件，今天气氛露点-40℃，明天设备漏了点空气露点涨到-20℃，出来的零件表面就不一样。

做汽车行业的粉末冶金零件，客户对质量稳定性要求很高，CPK要到1.33以上。气氛不稳，零件硬度散差就大，CPK上不去。所以现在稍微正规的粉末冶金产线，都配了露点仪、氧探头、CO/CO2分析仪在线监测气氛，数据连到PLC自动调节气体流量。配合真空管式炉做小批量打样时，也要把气氛参数记录下来，放大到量产线才能复现。

四、常规气氛参数参考

注：以上为常见配置范围，具体参数可根据客户工艺需求做调整。

五、两个气氛调整案例

案例一：某汽车零件厂脱碳问题。该厂做铁基粉末冶金齿轮，烧结后表面硬度比心部低HRC3～5，客户反馈耐磨性不够。排查发现气氛露点在-15℃左右偏高，工件表面轻微脱碳。把氢气流量加大、露点降到-38℃后，表面硬度均匀，脱碳层深度从0.12mm降到0.03mm以内，客户验收通过。

案例二：某企业碳势漂移。该厂用吸热性气氛做含油轴承烧结，一段时间后零件含碳量忽高忽低，硬度波动大。检查发现吸热性气体发生器催化剂老化，CO含量从20%降到15%。更换催化剂并校准天然气/空气比例后，CO含量稳定回20%，碳势波动从±0.15%降到±0.05%。

六、小结

气氛烧结炉的气氛控制不是通个气就行，三段温区各有要求，露点和碳势要在线监控。气氛稳了，零件质量才能稳。志远工业设备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，可帮客户做气氛调试。