先进氮化专家系统的应用 - Stange Elektronik GmbH

先 进 氮 化 专 家 系 统 的 应 用景 晖 , 王 鑫 , 刘 薇( 德 国 斯 坦 格 电 气 有 限 公 司 上 海 代 表 处 , 上 海 200030)摘 要 : 本 文 介 绍 了 德 国 斯 坦 格 电 气 有 限 公 司 氮 化 专 家 系 统 的 工 作 原 理 和 应 用 案 例 。 对 该 系 统 的 控 制 原 理 、 工 艺 特 点 及 实现 方 式 进 行 了 详 细 的 说 明 , 同 时 阐 述 了 德 国 斯 坦 格 电 气 有 限 公 司 最 新 的 氮 化 技 术 。关 键 字 : 氮 势 Kn、 氮 化 专 家 系 统 、 氢 探 头 、 白 层Application of STANGE Nitriding Expert SystemHui Jing, Xin Wang,Wei LiuAbstract: The working principle and relevant application cases of Nitriding Expert System which is developed and researchedby STANGE ELEKTRONIK GmbH are introduced. More details on control mode, workmanship feature and running way aredescribed particularly; meanwhile the most advanced Nitriding technology created by STANGE is put forward.Key words: N-potential (KN), Nitriding Expert System, H2 probe, the white layer齿 轮 的 渗 氮 是 在 一 定 温 度 下 使 活 性 氮 原 子 渗 入 齿 轮 表 面 的 化 学 热 处 理 工 艺 。 齿 轮 渗 氮 的 主 要 目 的 是 提高 齿 轮 表 面 的 硬 度 、 耐 磨 性 、 抗 胶 合 性 能 、 疲 劳 强 度 及 抗 腐 蚀 能 力 。 渗 氮 硬 化 层 具 有 高 的 回 火 稳 定 性 和 低的 缺 口 敏 感 性 。 同 时 , 由 于 热 处 理 温 度 低 ( 一 般 在 500~560℃), 变 形 小 , 所 以 渗 氮 在 齿 轮 中 的 应 用 越 来越 受 到 重 视 。在 氮 化 过 程 中 , 炉 内 温 度 和 氮 势 是 重 要 的 工 艺 和 控 制 参 数 , 两 者 合 理 匹 配 及 精 确 控 制 是 确 保 产 品 质 量 的关 键 。 目 前 , 温 度 的 控 制 精 度 对 于 加 热 炉 已 不 是 问 题 , 影 响 氮 化 质 量 的 主 要 问 题 是 氮 势 的 精 确 控 制 , 德 国 斯 坦 格 电 气有 限 公 司 (STANGE)30 多 年 来 一 直 致 力 于 热 处 理 领 域 的 研 究 和 控 制 , 积 累 了 丰 富 的 经 验 , 并 与 著 名 的 Freiberg 大 学 ( 德国 ) 热 处 理 专 业 共 同 合 作 , 研 发 出 了 由 氢 探 头 , 渗 氮 指 数 模 块 , 渗 氮 层 深 模 块 等 共 同 组 成 的 氮 化 专 家 系 统 。 通 过 氢 探 头直 接 在 线 检 测 炉 内 氢 含 量 , 同 时 由 专 门 的 功 能 模 块 计 算 出 氮 势 , 使 整 个 渗 氮 工 艺 过 程 获 得 精 确 可 靠 控 制 , 实 现 全 自 动 作业 。 应 用 实 践 表 明 , 该 套 系 统 , 控 制 精 度 高 , 运 行 稳 定 , 操 作 友 好 , 这 对 于 齿 轮 渗 氮 层 相 成 分 控 制 非 常 有 效 。1. STANGE 氮 化 专 家 系 统 的 原 理图 一 :STANGE 氮 化 专 家 系 统Fig.1 STANGE Nitriding Expert SystemSTANGE 氮 化 专 家 系 统 主 要 由 硬 件 和 软 件 两 部 分 组 成 ( 如 图 一 ):硬 件 包 括 STANGE 专 用 仪 表 , 如 SE-607( 触 摸 式 )、SE-606( 按 键 式 ), 输 入 输 出 模 块 ( 模 拟 量 数 字 量 ) 及 STANGE 氢探 头 。

软 件 包 括 STANGE 氮 化 专 家 系 统 , 其 中 含 有 传 统 渗 氮 专 家 模 块 、 氮 碳 共 渗 专 家 模 块 、 后 氧 化 专 家 模 块 及 渗 氮 层 深 模块 等 。氢 探 头 在 线 检 测 气 氛 氢 含 量 , 由 SE-607 控 制 器 中 的 专 家 模 块 计 算 出 对 应 的 氮 势 Kn, 根 据 闭 环 控 制 原 理 , 依 据 氮 势偏 差 控 制 器 实 时 计 算 出 所 需 的 各 种 气 氛 的 流 量 (NH3、 裂 解 NH3、CO2,N2), 并 驱 动 对 应 的 MFC( 质 量 流 量 控 制 器 ) 来精 确 调 节 各 气 体 的 质 量 流 量 , 使 实 际 氮 势 和 设 定 值 保 持 一 致 。 氮 化 专 家 模 块 包 括 :1) 传 统 渗 氮 预 先 计 算 专 家 模 块 : 以 Lehrer 相 图 为 理 论 基 础 , 显 示 传 统 渗 氮 过 程 中 氮 势 Kn 和 温 度 及 气 体 流 量 的 关系 , 帮 助 实 现 传 统 渗 氮 工 艺 预 先 设 定 和 氮 势 Kn 在 线 控 制 。图 二 :Lehrer 相 图Fig. 2 Lehrer Phase Diagram2) 氮 碳 共 渗 预 先 计 算 专 家 模 块 : 以 Kunze 相 图 为 理 论 基 础 , 显 示 氮 碳 共 渗 过 程 中 氮 势 Kn、 温 度 、 气 体 流 量 和Kc( 水 煤 气 反 应 中 的 碳 势 ) 的 关 系 , 帮 助 实 现 氮 碳 共 渗 工 艺 预 先 设 定 和 氮 势 Kn 在 线 控 制 。图 三 :Kunze 相 图Fig. 3 Kunze Phase Diagram3) 后 氧 化 专 家 模 块 : 以 Berg 相 图 为 理 论 基 础 , 显 示 后 氧 化 过 程 中 , 温 度 和 氧 探 头 的 毫 伏 信 号 之 间 的 最 佳 匹 配 ,帮 助 后 氧 化 工 艺 预 先 设 定 。

图 四 :Berg 相 图Fig. 4 Berg Phase Diagram4) 渗 氮 层 深 模 块 : 以 实 验 数 据 为 基 础 , 根 据 材 料 类 型 及 设 定 氮 势 和 氮 化 层 深 , 推 断 所 需 要 的 工 艺 氮 化 时 间 并 显示 白 层 ( 复 合 层 ) 和 边 缘 硬 度 的 生 长 趋 势 , 工 艺 人 员 可 根 据 此 值 , 优 化 和 创 建 符 合 工 艺 要 求 的 氮 化 工 艺 程 序 。2. 氮 势 控 制 理 论 及 STANGE 氢 探 头 测 量 原 理图 五 : 渗 氮 层 深 模 块Fig. 5 NKZ module in ECS-20001) 活 性 氮 在 工 件 表 面 的 传 递 如 图 六 所 示 意 , 此 过 程 包 括 :图 六 : 氮 传 递 示 意 图Fig. 6 Nitrogen Dispersion Sketch Mapo 活 性 氮 原 子 提 供 剂 (NH3) 包 围 工 件o NH3 分 子 被 吸 附 到 工 件 表 面 , 并 在 其 催 化 作 用 下 释 放 出 活 性 氮 原 子o 活 性 氮 原 子 被 工 件 表 面 吸 收o 活 性 氮 原 子 从 工 件 表 面 到 内 部 扩 散

2) 氮 势 控 制 机 理 在 化 学 热 处 理 中 , 常 用 渗 剂 的 活 性 来 衡 量 渗 剂 所 能 提 供 活 性 原 子 的 能 力 。 对 于 氮 化 过 程 中 ,渗 剂 NH3 12N2+ 3 21 32 2H2, 其 化 学 平 衡 常 数 为 K= ΨR(N2) Ψ(RH2)其 中 Ψ(RH2)=3ΨΨ( NH )R 3(N ) , 同 时 为 了R 2Ψ( NH)K=便 于 实 现 测 量 和 控 制 , 取 R 3N 32Ψ(RH)2来 反 应 渗 剂 NH3 所 能 提 供 活 性 氮 原 子 [N] 的 能 力 , 及 氮 势 。 式 中Ψ(RNH3)------- 氨 气 浓 度 ( 摩 尔 浓 度 )32RH)2Ψ( -------- 氢 气 浓 度 ( 摩 尔 浓 度 )通 过 实 验 可 知 , 氮 势 和 温 度 决 定 着 渗 层 的 增 长 趋 势 与 组 织 结 构 , 尤 其 是 白 层 ,Fe 和 N 的 ε 相 化 合 物 。Kn 和 氮化 物 生 成 相 的 关 系 可 以 借 助 Lehrer 相 图 和 Kunze 相 图 来 显 示 , 参 看 图 二 和 图 三 。在 渗 氮 过 程 中 , 气 氛 中 的 氢 含 量 通 过 STANGE 专 利 氢 探 头 测 量 , 再 由 下 列 关 系 模 型 :KN= [1-1.333* Ψ(RH)2(H2)]/Ψ(32RH)2经 计 算 模 块 推 导 出 对 应 氢 含 量 的 氮 势 值 Kn, 在 控 制 器 的 人 机 界 面 上 在 线 显 示 , 并 同 时 控 制 气 体 MFC( 质 量流 量 控 制 器 ) 调 节 氨 气 和 裂 解 氨 气 的 精 确 流 量 , 从 而 实 现 自 动 控 制 氮 势 的 目 的 。 同 时 为 了 使 计 算 出 的 氮 势 Kn能 过 真 正 反 应 气 氛 中 的 活 性 氮 原 子 的 程 度 ,STANGE 氮 化 专 家 系 统 中 的 氮 化 模 块 都 需 要 设 定 氨 气 的 最 小 流 量 ,保 证 最 小 的 氨 气 换 气 率 , 防 止 ‘ 虚 氮 势 ’。3) Stange 氢 探 头 的 构 造 及 测 量 原 理(1) Stange 氢 探 头 的 构 造ACDB图 七 :STANGE 氢 探 头 构 造Fig. 7:the construction of STANGE H2 ProbeSTANGE 氢 探 头 是 一 种 炉 外 式 测 量 机 构 。 通 过 本 身 的 KF16 耐 真 空 法 兰 与 炉 内 气 氛 引 出 管 相 连 接 。炉 内 气 体 通 过 扩 散 在 6~20s 内 ( 一 个 大 气 压 : 绝 对 压 力 ) 进 入 Stange 氢 探 头 的 测 量 间 C、D, 在 测量 间 中 有 热 敏 电 阻 , 其 电 阻 值 会 根 据 测 量 间 气 体 热 导 率 的 变 换 而 变 化 ,A、B 为 标 准 气 体 室 , 其 中

也 有 热 敏 电 阻 , 两 组 热 敏 电 阻 构 成 平 衡 电 桥 的 两 个 桥 臂 , 如 图 七 所 示 。(2) Stange 氢 探 头 的 测 量 原 理表 1 各 种 气 体 0℃ 时 的 导 热 系 数 (λ 0 ),0℃ 时 的 相 对 导 热 系 数 (λ 0 / λ A0 ), 及 100℃ 时 的 相 对 导 热 系 数 (λ 100 / λ A100 )Table 1 Thermal Conductivity (λ 0 )at 0 Celsius and Relative thermal conductivity of various gases at 0 Celsius(λ 0 / λ A0 )and at 100 Celsius(λ 100 / λ A100 )气 体 与 固 体 一 样 , 能 导 热 , 传 热 的 快 慢 也 是 和 各 种 气 体 的 导 热 系 数 有 关 。 表 1 中 列 出 了 常 见 的 气 体 在 0℃ 时 的导 热 系 数 和 相 对 导 热 系 数 。 以 空 气 的 导 热 系 数 为 基 准 , 各 种 气 体 的 导 热 系 数 与 空 气 的 导 热 系 数 相 比 , 就 是 各种 气 体 的 相 对 导 热 系 数 。 对 于 彼 此 之 间 无 相 互 作 用 的 多 组 分 混 合 气 体 , 它 的 导 热 系 数 可 以 近 似 地 认 为 是 各 组分 导 热 系 数 的 算 术 平 均 值 。nλ = ∑λi=1iCi式 中 λ----- 混 合 气 体 的 导 热 系 数λ ----- 混 合 气 体 中 第 i 组 分 的 导 热 系 数iC ----- 混 合 气 体 中 第 i 组 分 的 体 积 百 分 含 量i3. 控 制 实 现图 八 : 各 气 体 的 相 对 热 导 系 数Fig. 8 the relative thermal conductivity coefficient由 于 λ H2 >>λ other , 如 图 八 所 示 。 所 以 炉 内 气 体 中 氢 含 量 的 变 化 会 显 著 影 响 该 混 合 气 体 的 导 热 系 数 , 氢 含量 变 化 也 就 改 变 了 测 量 室 中 的 热 敏 电 阻 的 阻 值 , 使 得 平 衡 电 桥 不 在 平 衡 , 输 出 4~20mA 的 信 号 , 根 据 此 标准 信 号 ( 该 标 准 信 号 和 气 氛 中 氢 浓 度 成 正 比 例 线 性 关 系 ), 换 算 出 炉 内 氢 气 的 含 量 。Stange 氢 探 头 很 好 的 解 决 了 传 统 测 量 的 问 题 , 通 过 Stange 探 头 直 接 连 续 测 量 炉 内 的 气 氛 , 气 体 成 分 不 会 产生 偏 差 。 采 用 扩 散 原 理 测 量 , 避 免 了 废 气 处 理 的 问 题 。

图 九 : 控 制 模 式 ( 传 统 渗 氮 )Fig. 9 control mode (Conventional Nitriding)1) 工 艺 配 单 : 用 户 根 据 工 件 的 加 工 要 求 ( 渗 氮 层 深 、 白 层 程 度 ) 在 STANGE 智 能 仪 表 上 创 建 工 艺 配 单 。STANGE渗 氮 专 家 模 块 按 照 白 层 的 程 度 和 氮 化 温 度 预 先 计 算 出 渗 氮 指 数 Kn。2) 在 线 控 制 :STANGE 智 能 仪 表 根 据 由 氢 探 头 测 量 出 的 炉 里 气 氛 中 的 氢 含 量 , 然 后 计 算 出 当 前 的 Kn 值 。 在 比 较Kn 的 实 际 值 和 设 定 值 后 , 智 能 仪 表 自 动 计 算 出 所 需 要 的 氨 气 和 裂 解 氨 气 的 流 量 , 在 由 相 应 的 MFC ( 质 量 流 量控 制 器 ) 对 气 体 的 流 量 进 行 精 确 的 控 制 , 保 证 实 际 氮 势 Kn 与 其 设 定 值 在 氮 化 过 程 保 持 一 致 。3) 安 全 保 证 : 在 渗 氮 过 程 中 会 产 生 易 燃 易 爆 的 气 体 H2, 在 出 现 紧 急 情 况 时 ,STANGE 智 能 仪 表 会 自 动 打 开 安 全 氮气 的 阀 门 将 危 险 气 体 排 出 炉 膛 , 同 时 在 工 件 预 热 阶 段 , 可 通 入 N2 作 为 保 护 气 氛 。4) 实 际 的 控 制 效 果 如 图 十 所 示 :Kn 实 际 值氢 含 量 (%)炉 膛 温 度 (℃)氨 气 流 量 (L/H)裂 解 氨 气 流 量 (L/H)4. 生 产 应 用图 十 : 实 际 控 制 效 果 ( 传 统 渗 氮 )Fig. 10 normal control effect (Conventional Nitriding)

1) 材 料 及 状 态 针 对 齿 轮 用 户 或 其 它 产 品 , 如 模 具 零 件 用 户 的 渗 氮 要 求 , 选 择 相 应 的 钢 材 , 如42CrMo ,40CrNiMo,25Cr2MoV(31CrMoV9) 等 齿 轮 钢 , 及 8407、2344、HOTVAR、718 等 模 具 钢 进 行 渗 氮 工艺 试 验 及 应 用 。2) 工 艺 参 数 的 选 择 传 统 的 渗 氮 工 艺 的 是 通 过 测 试 氨 在 炉 内 的 分 解 率 , 来 调 节 进 入 炉 内 的 氨 流 量 。Stange 氮 化 专家 系 统 采 用 氢 探 头 直 接 控 制 氮 势 , 根 据 炉 内 的 实 际 氮 势 情 况 , 由 控 制 器 根 据 相 关 的 专 家 模 块 计 算 出 氨 气 进 入流 量 , 通 过 MFC( 质 量 流 量 控 制 器 ) 精 确 控 制 氨 气 的 流 量 。 根 据 相 关 的 数 学 模 型 , 可 以 推 导 出 氨 分 解 率 与 氮势 的 关 系 :Log N=Log(100-α pr )-1.5Logα pr +1.187式 中αpr ---------NH3 的 分 解 率 , 由 滴 定 瓶 刻 度 直 接 读 出 ,%工 艺 要 求 为 达 到 一 定 的 深 度 和 表 面 硬 度 , 且 不 产 生 脆 性 ( 白 层 较 少 ), 对 各 钢 种 采 用 相 应 的 工 艺 参 数 , 经 过 硬度 和 金 相 检 测 结 果 均 达 到 要 求 。表 2 所 示 为 模 具 钢 进 行 渗 氮 后 的 硬 度 和 金 相 检 测 结 果 。表 2 工 艺 参 数 和 金 相 检 测 结 果Table 2 recipe parameters and metallographic photo本 专 家 系 统 已 在 南 京 高 精 齿 轮 集 团 公 司 , 比 利 时 汉 森 机 械 传 动 有 限 公 司 , 德 国 Carl Gommann 有 限 公 司 的 渗 氮中 应 用 , 并 取 得 良 好 效 果 。5. 结 论1) 使 用 STANGE 氮 化 专 家 系 统 , 显 著 提 高 了 普 通 氮 化 炉 的 先 进 性 和 可 靠 性 , 其 渗 氮 质 量 满 足 齿 轮 和 注 塑 模 具 等各 类 零 件 的 质 量 要 求 。2) 采 用 STANGE 专 利 氢 探 头 和 氮 化 专 家 系 统 可 准 确 实 施 氮 势 控 制 , 确 保 渗 氮 的 高 质 量 和 稳 定 性 。3) STANGE 专 利 氢 探 头 通 过 扩 散 直 接 测 量 并 通 过 氮 化 模 块 转 化 为 氮 势 , 灵 敏 度 高 , 反 应 速 度 快 , 可 随 时 对 炉 内气 氛 进 行 监 控 。4) 渗 氮 后 工 件 硬 度 高 , 基 本 无 白 层 出 现 , 可 满 足 齿 轮 等 零 件 的 高 质 量 渗 氮 要 求 。参 考 文 献[1] 潘 邻 . 化 学 热 处 理 应 用 技 术 [J]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 ,2004.[2] Dr.-lng. Dieter Liedtke. Waermebehandlung von Eisenwerkstoffen, Nitrieren und Nitrocarburieren[J].[3] 齐 宝 森 , 陈 路 宾 , 王 忠 诚 . 化 学 热 处 理 技 术 [J]. 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 ,2006.