CN111593292B - 一种真空炉碳势动态检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及真空炉碳势动态检测技术领域，公开一种真空炉碳势动态检测装置及其检测方法。其中真空炉碳势动态检测装置包括依次连通的进入管、碳渗透管及排出管，碳渗透管位于真空炉的炉膛内，进入管上设有第一质量流量检测件和用于加热进入管内标气的加热件，排出管上设有第二质量流量检测件和真空泵。本发明公开的真空炉碳势动态检测装置通过将碳渗透管放置在真空炉的炉膛内，并通过第一质量流量检测件和第二质量流量检测件实时检测经炉膛渗入碳渗透管内的碳含量，从而计算出真空炉内的碳势，便于实时检测真空炉的炉膛内的碳势，并根据实际需要调整炉膛的碳势，提高了零件的合格率，降低了零件受热后表面出现碳黑的概率。

Description

一种真空炉碳势动态检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及真空炉碳势动态检测技术领域，尤其涉及一种真空炉碳势动态检测装及其检测方法。

背景技术

真空热处理具有高效、节能、绿色的特点，为企业转型升级的主要推广方式，真空热处理，尤其是真空低压渗碳热处理，作为提高机械零件表面硬度、疲劳强度、磨损强度和寿命的关键技术之一，被广泛应用于针对齿轮、轴承等关键构件的表面硬化处理，对工业产品的升级换代起着重要的作用。

真空低压渗碳具有诸多的技术优势，但热处理过程中的碳势动态监测一直未能实现，真空渗碳产品只能在出炉后通过检测工件或试样以确定工件是否达到工艺要求，即只能最终检测零件，而无法检测碳势的动态变化。现阶段零件供碳的主要方法是通过预先进行模拟各阶段通入炉内的碳来确定气氛的通入量和通入时间，这就造成了不同批次的零件只能通过试验来确定零件是否合格，工艺通用性差，且易造成零件不合格、零件受热后表面出现碳黑的情况，阻碍了真空低压渗碳技术的推广和应用。

发明内容

基于以上所述，本发明的一个目的在于提供一种真空炉碳势动态检测装置，解决了现有技术存在的零件合格率低和零件受热后表面出现碳黑的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种真空炉碳势动态检测装置的检测方法，能够实时检测真空炉的炉膛内的碳势，提高了零件的合格率，降低了零件受热后表面出现碳黑的概率。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开一种真空炉碳势动态检测装置，包括依次连通的进入管、碳渗透管及排出管，所述碳渗透管位于真空炉的炉膛内，所述进入管上设有第一质量流量检测件和用于加热所述进入管内标气的加热件，所述排出管上设有第二质量流量检测件和真空泵。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述标气为氢气和氮气混合的第一混合气体，或者所述标气为氢气和惰性气体混合的第二混合气体。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述碳渗透管为能够渗透碳的薄膜管，所述薄膜管的壁厚位于0.01mm-0.05mm之间。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述真空炉碳势动态检测装置还包括旁路管，所述旁路管的一端与所述进入管连通，另一端与所述炉膛连通。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述进入管上设有第一阀门和第二阀门，所述第一阀门设于所述进入管的进口，所述第二阀门位于沿所述标气流动方向的所述旁路管的上游，且位于沿所述标气流动方向的所述第一质量流量检测件和所述加热件的下游。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述旁路管上设有第三阀门，所述第三阀门设于所述旁路管靠近所述进入管的一端。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述排出管上设有真空压力计，所述真空压力计位于所述真空炉的外侧。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述排出管上设有第四阀门和第五阀门，所述第四阀门位于沿标气流动方向的所述真空压力计的下游，且位于所述第二质量流量检测件和所述真空泵的上游，所述第五阀门设于所述排出管的出口。

作为一种真空炉碳势动态检测装置的优选方案，所述进入管和所述碳渗透管之间设有过渡管，所述过渡管的一端与所述进入管连通，另一端与所述碳渗透管连通，至少部分所述过渡管位于所述炉膛内。

本发明还公开一种如以上任一方案所述的真空炉碳势动态检测装置的检测方法，包括以下步骤：

开启所述真空泵和所述加热件，向所述进入管内通入标气，所述标气依次流过所述进入管、所述碳渗透管及所述排出管；

所述第一质量流量检测件检测的所述进入管内的气体的质量流量为第一质量流量值，所述第二质量流量检测件检测的所述排出管内的气体的质量流量为第二质量流量值；

当所述第一质量流量值与所述第二质量流量值相同时，向所述真空炉的炉膛内通入渗碳气氛；

在所述渗碳气氛分解出碳，碳渗透至所述碳渗透管的内壁并与所述标气反应的过程中，根据所述第一质量流量值和所述第二质量流量值计算炉内的实际碳势；

根据所述实际碳势和与其对应的加工阶段的预设碳势的差值调节进入所述炉膛内的渗碳气氛的流量，以使所述实际碳势和所述预设碳势相同。

本发明的有益效果为：本发明公开的真空炉碳势动态检测装置通过将碳渗透管放置在真空炉的炉膛内，并通过第一质量流量检测件和第二质量流量检测件实时检测经炉膛渗入碳渗透管内的碳含量，从而计算出真空炉内的碳势，便于实时检测真空炉的炉膛内的碳势，并根据实际需要调整炉膛的碳势，提高了零件的合格率，降低了零件受热后表面出现碳黑的概率。

本发明公开的真空炉碳势动态检测装置的检测方法能够根据实际需要调整单位时间加入炉膛内的渗碳气氛的单位时间的流量和时长，从而改变炉膛内的碳势，进而达到热处理过程中真空炉内的碳势的可控和稳定的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例提供的真空炉碳势动态检测装置的示意图。

图中：

11、进入管；12、碳渗透管；13、排出管；14、旁路管；15、过渡管；

21、第一质量流量检测件；22、加热件；

31、第二质量流量检测件；32、真空泵；33、真空压力计；

41、第一阀门；42、第二阀门；43、第三阀门；44、第四阀门；45、第五阀门；

100、真空炉壁；200、炉膛。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种真空炉碳势动态检测装置，包括依次连通的进入管11、碳渗透管12及排出管13，碳渗透管12位于真空炉的炉膛200内，进入管11上设有第一质量流量检测件21和用于加热进入管11内标气的加热件22，排出管13上设有第二质量流量检测件31和真空泵32。

具体地，本实施例的第一质量流量检测件21和第二质量流量检测件31均为质量流量检测计，能够精确的检测出单位时间内通过的质量流量，加热件22为电加热器。在其他实施例中，第一质量流量检测件21和第二质量流量检测件31还可以为其他能够检测质量流量的检测件，加热件22还可以为其他能够加热标气的结构件，具体根据实际需要选定。

本实施例提供的真空炉碳势动态检测装置通过将碳渗透管12放置在真空炉的炉膛200内，并通过第一质量流量检测件21和第二质量流量检测件31实时检测经炉膛200渗入碳渗透管12内的碳含量，从而计算出真空炉内的碳势，便于实时检测真空炉的炉膛200内的碳势，并根据实际需要调整炉膛200的碳势，提高了零件的合格率，降低了零件受热后表面出现碳黑的概率。

本实施例的标气为氢气和氮气混合的第一混合气体，由于氢气具有可燃性，为了增加标气的安全性，氢气和氮气的百分比要求在安全比例范围内。在保证标气安全的前提下，氢气和氮气的混合比例与碳渗透管12的表面积的大小相关，碳渗透管12的表面积越大，氢气占第一混合气体的百分比越大。此外，在保证标气安全的前提下，氢气和氮气的混合比例还与炉膛200内的碳势的大小有关，炉膛200内的碳势越大，氢气占第一混合气体的百分比越大，以保证从炉膛200经碳渗透管12的关闭渗透至碳渗透管12内壁的碳能够与氢气完全反应，避免出现碳过多而使得检测的碳势比实际值偏小的现象。

当然，在本发明的其他实施例中，标气为氢气和惰性气体混合的第二混合气体，其中氢气占第一混合气体的百分比与碳渗透管12的表面积和炉膛200内的碳势正相关，或者在其他实施例中，标气为氢气和第三气体混合的第三混合气体，其中第三混合气体既不会参与反应，也不会对反应有影响，第三气体根据实际需要进行选定。

本实施例的碳渗透管12为由铁制成的能够渗透碳的薄膜管，薄膜管的壁厚为0.03mm。具体地，为了保证薄膜管具有较好的渗透性，在其他实施例中，薄膜管的壁厚一般位于0.01mm-0.05mm之间。由于碳渗透管12的壁厚很薄，在极短的时间内即可渗透碳，标气中的气体具有强烈的脱碳作用，使碳渗透管12中的碳析出，并与标气进行反应，带走碳渗透管12中的碳。当然，在本发明的其他实施例中，碳渗透管12的材料并不限于本实施例的铁，还可以为其他耐高温材料，且碳渗透管12的壁厚可依据材料对碳的吸附特性、扩散特性，材料高温强度及制造工艺来确定，并不限于本实施例的0.01mm-0.05mm。

如图1所示，本实施例的真空炉碳势动态检测装置还包括旁路管14和过渡管15，旁路管14的一端与碳渗透管12连通，另一端与炉膛200连通。具体地，旁路管14的一端穿过真空炉壁100与进入管11连通，过渡管15设于进入管11和碳渗透管12之间，过渡管15的一端与进入管11连通，另一端与碳渗透管12连通，至少部分过渡管15位于炉膛200内。当开启真空炉对真空炉的炉膛200抽真空时，由于旁路管14与碳渗透管12连通，能够保证碳渗透管12内的真空度与炉膛200内的真空度一致，避免由于炉膛200内真空度较大而碳渗透管12的真空度较小而使得碳渗透管12出现变形或者破裂的现象，延长碳渗透管12的使用寿命。

当然，在本发明的其他实施例中，还可以不设置旁路管14，而是真空泵32直接对碳渗透管12抽真空以使碳渗透管12内的真空度与炉膛200的真空度相同，避免碳渗透管12的变形或者破裂，保证碳渗透管12的安全性。

为了保证测量的准确性，要求进入管11、排出管13及过渡管15分别为不能够渗透碳的连通管。

本实施例的进入管11上设有第一阀门41和第二阀门42，第一阀门41和第二阀门42位于炉膛200的外侧，第一阀门41设于进入管11的进口，第二阀门42位于沿标气流动方向的旁路管14的上游，且位于沿标气流动方向的第一质量流量检测件21和加热件22的下游。旁路管14上设有第三阀门43，第三阀门43设于旁路管14靠近进入管11的一端且位于炉膛200的外侧。

本实施例的排出管13上设有真空压力计33，真空压力计33位于真空炉的外侧以检测碳渗透管12内的真空度，使碳渗透管12内的真空度与炉膛200的真空度相同。排出管13上设有第四阀门44和第五阀门45，第四阀门44和第五阀门45位于炉膛200的外侧，第四阀门44位于沿标气流动方向的真空压力计33的下游，且位于第二质量流量检测件31和真空泵32的上游，第五阀门45设于排出管13的出口。

需要说明的是，本实施例的第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44和第五阀门45可以为手动开启或者关闭的阀门，还可以为自动开启或者关闭的电磁阀等阀门，具体根据实际需要设置。

具体地，对真空炉抽真空时，第一阀门41、第二阀门42、第四阀门44及第五阀门45均处于关闭状态，第三阀门43处于开启状态，碳渗透管12内的气体能够经旁路管14进入炉膛200，从而保证碳渗透管12内的真空度与炉膛200内的真空度差距不大，此时真空压力计33能够实时检测碳渗透管12内的真空度。当需要通入标气时，且向炉膛200内通入渗碳气氛时，关闭第三阀门43并同时开启第一阀门41、第二阀门42、第四阀门44及第五阀门45，标气经加热件22初步加热后在炉膛200的过渡管15道内进行再次加热，以使标气的氢气达到与碳反应所需要的最低温度，从而保证碳渗透管12外部的炉气的碳浓度与碳渗透管12内部的碳浓度达到动态平衡，渗碳气氛在炉膛200内分解出碳，碳经碳渗透管12被标气吸附并与氢气反应，最终气体经排出管13上的真空泵32抽出。在排出管13的出口可连接其他收集罐等装置，以用于吸附或收集排出管13排出的气体。

具体地，根据第一质量流量检测件21检测的第一质量流量值与第二质量流量检测件31检测的第二质量流量值的差值计算炉膛200内的碳经碳渗透管12的管壁进入碳渗透管12的含量，并根据碳渗透管12的吸附表面积和碳渗透管12本身的铁含量得出渗碳管的钢碳势，该钢碳势即为炉膛200内炉气的初始碳势CP1，炉膛200内炉气的实际碳势CP＝K1×K2×CP1，其中K1与碳渗透管12的材料相关，本实施例的K1为1，K2为整体修正系数。

具体地，实验得出的在相同炉气的环境下并采用相同的碳渗透管12得到的炉气的实验碳势与实际的初始碳势CP1和K1的乘积的比值即为整体修正系数K2。得到实际碳势CP后，对比实际碳势与加工工艺过程中所设定的预设碳势，并通过调节加入炉膛200的渗碳气氛的含量，从而保证炉膛200内的实际碳势与预设碳势趋于一致，提高零件的合格率。

进一步地，本实施例的真空炉碳势动态检测装置还包括控制器，控制器分别与第一质量流量检测件21、加热件22、第二质量流量检测件31、真空泵32及真空压力计33，控制器可以是集中式或分布式的控制器，比如，控制器可以是一个单独的单片机，也可以是分布的多块单片机构成，单片机中可以运行控制程序，进而接收第一质量流量检测件21、第二质量流量检测件31及真空压力计33的信号并控制加热件22和真空泵32实现其功能。

本实施例还提供一种如本实施例所述的真空炉碳势动态检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、开启真空泵32和加热件22，向进入管11内通入标气，标气依次流过进入管11、碳渗透管12及排出管13；

步骤二、第一质量流量检测件21检测的进入管11内的气体的质量流量为第一质量流量值，第二质量流量检测件31检测的排出管13内的气体的质量流量为第二质量流量值；

步骤三、当第一质量流量值与第二质量流量值相同时，向真空炉的炉膛200内通入渗碳气氛；

步骤四、在渗碳气氛分解出碳，碳渗透至碳渗透管12的内壁并与标气反应的过程中，根据第一质量流量值和第二质量流量值计算炉内的实际碳势；

步骤五、根据实际碳势和与其对应的加工阶段的预设碳势的差值调节进入炉膛内的渗碳气氛的流量，以使实际碳势和预设碳势相同。

在步骤一之前，启动真空炉并对真空炉抽真空时，需要同时关闭第一阀门41、第二阀门42、第四阀门44及第五阀门45，并开启第一阀门41，以防止碳渗透管12变形或者破裂，当真空炉内的温度达到预设温度、真空度达到预设真空度时，关闭第三阀门43。

在步骤一进行过程中，同时开启第一阀门41、第二阀门42、第四阀门44及第五阀门45，通过进入管11通入标气，以对进入管11、过渡管15、碳渗透管12及排出管13进行吹扫，排出管13内的残余气体，以吹扫上次测试时进入管11、碳渗透12、排出管13、过渡管15内的碳。在步骤三进行过程中，当第一质量流量值和第二质量流量值相同，则认为进入管11、过渡管15、碳渗透管12及排出管13内的碳被吹扫干净。

在步骤五进行过程中，当实际碳势小于预设碳势时增大渗碳气氛的流量以提高实际碳势使实际碳势与预设碳势趋于一致，当实际碳势大于预设碳势时减小渗碳气氛的流量以减小实际碳势使实际碳势与预设碳势趋于一致。

本实施例提供的真空炉碳势动态检测装置的检测方法能够根据实际需要调整单位时间加入炉膛200内的渗碳气氛的单位时间的流量和时长，从而改变炉膛200内的碳势，进而达到热处理过程中真空炉内的碳势的可控和稳定的效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种真空炉碳势动态检测装置，其特征在于，包括依次连通的进入管（11）、碳渗透管（12）及排出管（13），所述碳渗透管（12）位于真空炉的炉膛（200）内，所述进入管（11）上设有第一质量流量检测件（21）和用于加热所述进入管（11）内标气的加热件（22），所述排出管（13）上设有第二质量流量检测件（31）和真空泵（32）；

所述碳渗透管（12）为能够渗透碳的薄膜管，所述薄膜管的壁厚位于0.01mm-0.05mm之间；

所述真空炉碳势动态检测装置还包括旁路管（14），所述旁路管（14）的一端与所述进入管（11）连通，另一端与所述炉膛（200）连通。

2.根据权利要求1所述的真空炉碳势动态检测装置，其特征在于，所述标气为氢气和氮气混合的第一混合气体，或者所述标气为氢气和惰性气体混合的第二混合气体。

3.根据权利要求1所述的真空炉碳势动态检测装置，其特征在于，所述进入管（11）上设有第一阀门（41）和第二阀门（42），所述第一阀门（41）设于所述进入管（11）的进口，所述第二阀门（42）位于沿所述标气流动方向的所述旁路管（14）的上游，且位于沿所述标气流动方向的所述第一质量流量检测件（21）和所述加热件（22）的下游。

4.根据权利要求1所述的真空炉碳势动态检测装置，其特征在于，所述旁路管（14）上设有第三阀门（43），所述第三阀门（43）设于所述旁路管（14）靠近所述进入管（11）的一端。

5.根据权利要求1所述的真空炉碳势动态检测装置，其特征在于，所述排出管（13）上设有真空压力计（33），所述真空压力计（33）位于所述真空炉的外侧。

6.根据权利要求5所述的真空炉碳势动态检测装置，其特征在于，所述排出管（13）上设有第四阀门（44）和第五阀门（45），所述第四阀门（44）位于沿标气流动方向的所述真空压力计（33）的下游，且位于所述第二质量流量检测件（31）和所述真空泵（32）的上游，所述第五阀门（45）设于所述排出管（13）的出口。

7.根据权利要求1所述的真空炉碳势动态检测装置，其特征在于，所述进入管（11）和所述碳渗透管（12）之间设有过渡管（15），所述过渡管（15）的一端与所述进入管（11）连通，另一端与所述碳渗透管（12）连通，至少部分所述过渡管（15）位于所述炉膛（200）内。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的真空炉碳势动态检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

开启所述真空泵（32）和所述加热件（22），向所述进入管（11）内通入标气，所述标气依次流过所述进入管（11）、所述碳渗透管（12）及所述排出管（13）；

所述第一质量流量检测件（21）检测的所述进入管（11）内的气体的质量流量为第一质量流量值，所述第二质量流量检测件（31）检测的所述排出管（13）内的气体的质量流量为第二质量流量值；

当所述第一质量流量值与所述第二质量流量值相同时，向所述真空炉的炉膛（200）内通入渗碳气氛；

在所述渗碳气氛分解出碳，碳渗透至所述碳渗透管（12）的内壁并与所述标气反应的过程中，根据所述第一质量流量值和所述第二质量流量值计算炉内的实际碳势；

根据所述实际碳势和与其对应的加工阶段的预设碳势的差值调节进入所述炉膛内的渗碳气氛的流量，以使所述实际碳势和所述预设碳势相同。

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