不用氢探头或氢分仪，你会进行‘可控渗氮’吗 —— 出一道题目，如何解？

一张餐巾纸

最近，论坛的帖子似乎有些发‘凉’，提出的问题大都可以从过去的帖子找到同样，回帖也是筋骨较多，点到为止，缺乏一些血与肉。这反映了论坛建设已经丰富到 ‘议题覆盖面相当广阔’的程度；另一方面，一些热心的曾经活跃于论坛的专家、学者和师傅，‘该说的’大都说了，‘不该说的’没法再说。
    为了活跃一下此版块的学术气氛，我出一道题目，望有兴趣的朋友思考一下。
    1，谈到气体法‘可控渗氮技术’（参见漫谈‘一’），论坛中见的较多是介绍（推销）或用意在于彰显一下现代化控制水平——使用氢探头的计算机氮势自动控制装置。而真正用它来解决了某个现实生产中的实例和使用经验，则无人阐述。要知道，在当前，这是有钱单位才能买得起的东西，也就是说，它是‘富翁’才玩得起的玩具。一般打工的热处理技术人员和师傅，只能听到它的问世，虽然羡慕，但很难有机会接触到它；虽然向往，但只能望洋兴叹。由于尚是极少数单位使用，颇有几分神秘感！
    2，难道‘没有张屠夫，就吃混毛猪？’现实的情况是，在很普及的气体渗氮炉上，大都是使用简单的水测仪测定氨分解率来了解炉气的氮势情况，方法虽然原始，但也相当准确。如果给你的渗氮炉，配一套相适应的小型氨分解炉，利用水测仪测出炉气的氨分解率，用手动方法照样可以进行 ‘可控渗氮’，并且可以达到相当满意的水平。不过，要确切知道炉气的氮势及其变化，需要进行手工计算（也是计算机的数学模型），然后用调整添加氨分解气和氨气的比例来调节到工艺预定的数字。
    3，穷人有穷办法，‘缺钱’挡不住新技术的应用，在经济实力不够强大的条件下，人工法也不失为一种选择。当然，也希望此类控制系统早日国产化，使外企昂贵的价格大幅度降下来。
    4，测试一下自己的功底。我的题目是：
    30KW气体渗氮炉，温度550℃，通氨量为0.6m3/h时，用水测仪测得的氨分解率（α）为25％，再添加820℃的氨分解气0.5m3/h之后，氨分解率为58％。请分别用氨分解率、氢分压（含量）和氨气分压（含量），求此时炉气的氮势值（Np或代号Kn）是多少？
   5，回帖好的，请版主们慷慨加分！

离哥

先进的东西不错啊，可惜的是老板没有钱，才上的设备还是采用老办法，泡泡瓶测分解率，同样能干好合格的产品

Jasen

回复 1# 一张餐巾纸
分别用氨分解率、氢分压和氨气分压，计算的氮势值Np的结果是：
氨分解率为25%时，Np=9.24
氨分解率为58%时，Np=1.46
请何老审查结果是否正确？ 如果对的，将计算过程发上来，如果不对再重新计算。

一张餐巾纸

回复3#
Jasen朋友：您好！
   恭喜你，答案完全正确！你已经或许将为你的企业在省下一大笔经费的前提下，解决了生产需要的较高端的技术问题。你三种运算方法都使用了吗？如果您愿意，可公布计算过程，以便共同提高，让这项早已公认的理论问题，用简单易行的方式尽快用于实际。

Jasen

回复 5# 一张餐巾纸
回何老，整理后发上来，按不同公式计算出来的，到时您看看是否符合您的要求。

Jasen

当用水测仪（水溶法）测量氨分解率（V）时，氨分解率与氨分压存在如下关系式：

在一定的温度下，氨分解率与氮势具有一定的关系式：

当用纯氨或者氨+裂解氨渗氮时，炉内各气氛的分压的关系式为：

根据氨分解的反应式

可知：

综合上述各公式1，3，4，可计算出氨分压与分解率的关系式和氢分压与分解率关系式分别为：

结合公式2, 5, 6 可得到氮势与氨分压计算式

氮势与氢分压计算式

Jasen

根据上面公式计算的何老出题的答案：
V=25%时，pNH3=75%, pH2=18.75%,  Np=9.24
V=58%时，pNH3=42%, pH2=43.5%,  Np=1.46
采用Np经典计算公式

验证也可计算出氮势分别为 9.24和1.46
上述部分计算公式与理论依据参考潘健生著“热处理工艺学”

Jasen

回复 10# lopht
温度是有用的，是氨分解的先决条件，否则最关键的公式2，3的关系不成立。

一张餐巾纸

1，从专家组Jasen 朋友的计算过程看出：用水测仪获得的数据，即可以计算出炉气的氮势值。生产中只要使用氨分解气以手动方式将氮势值调节到工艺要求的范围内，同样可以进行‘可控氮化’。业已证明，由于通用流量计的工作状态比较稳定，操作者中途时常巡视检查，纠正可能产生的偏差，在实现可控氮化上，有相当大的可靠性！
   2，我们的论坛需要这样风格的解答，有根有据有归纳，不怕别人学了去！如果能将已知的知识用于国家建设，有何不好？国内有些人士常把国外拿来的东西相互保守，这样，产生的是一种‘内应力’；一块存在很大内应力的钢料，抵御外来负荷的能力必然大大下降！我们热处理工作者是搞提高材料性能的，在学术交流的意义上也应当不离本行的宗旨才好。
   3，建议版主对8#、9#帖给于重奖；有收获的朋友应当给予赞扬！并望继续交流。

一张餐巾纸

回复楼上13#
    1，你讲的没有错，普通流量计没有质量流量计好，手动控制没有计算机控制技术好，水测仪也没有氢探头好，后者属于现代科学技术，是热处理技术领域的一大进步，也是我们热处理工作者梦寐以求的东西。本帖一开始就肯定了氢探头氮势控制系统的先进性，没有说它有何不好，也盼望有我们自己的国产好东西。现在的问题是那么昂贵的东西暂时买不起，但又需要，‘龙王爷’与‘叫花子’比宝，叫花子只有一根打狗棒，该怎么办？
   2，回到技术层面来聊聊天，先从道理上说明简易氮势控制法的可行性。
     1）已经公布的氮势－组织－温度图，其数据都相当简化，仅代表铁－氮二元相图以及铁－氮－碳三元相图，没有考虑其他合金元素的影响，这些图对认识渗氮和氮碳共渗的基本情况和开发相关技术具有重大意义，也是目前实践中的重要参考资料，然而，它只能给人以概念，具体到含合金元素某一钢牌号，其相关数据库，公开的资料寥寥无几。需要以实践的结果进行某些工艺参数的探讨和修正。
     2）有的图中，氮势（Kn）是用对数坐标表示的，这表明渗氮时，在某个相区内允许的炉气氮势值范围相当宽，也就是说，由于较低温下渗入元素的活度和扩散系数都比较小，对结果造成明显影响的反映比较迟钝，除了靠近相区的边界线数据需要谨慎对待以外，炉气氮势值允许范围较宽，在比较短的时间里既便发生较大波动和调节中的迟后并不会立即发生明显的影响，事实也是如此。例如520℃渗氮，要想在钢表面达到少（无）白亮层这一技术要求，只要把炉气氮势值控制该温度下的γ，区——大约1.8以下就可以实现。对于某一既定钢牌号而言，氮势控制在1,8±0.5和在1.8～1.0之间有了变化，都在γ，区，在组织上究竟有多大差别，对其结果有多大影响，那有资料可寻？至于如何按照钢牌号使用‘门槛值’进行工艺优化，现今是个见仁见智的问题，除了有少量氮势跟踪氮化曲线可以参考以外，几乎一片空白。生产实施中的工艺问题，只能在产品台架试验和服役结果才能分得出优劣，然后择优予以工艺定型。由此也看出，在渗氮和氮碳共渗技术领域，好多问题还处于模糊状态，专题研究方面要做的事情工作量很大，也是我们热处理工作者需要努力在实践中探讨的一项繁重任务。
     3）‘可控氮化’大都用于含有合金元素的的钢种，渗氮层要求较厚，并配置氨分解气来调节炉气氮势，才能发挥控制功能。碳素钢则以氮碳共渗为主要对象，共渗时通常要求炉气氮势较高，纯氨气的自然分解率可以满足其要求，氮势控制系统此时只起监视作用，其中还有一个问题，而今国内习惯使用的含碳添加剂或催化剂，容易产生如碳酸铵、氯化铵等，这类沉积物附在氢探头上造成传感失真。
   3，虽然是纸上谈兵，实践证明‘打狗棒也可以打死兔子’。个人偏见，提示、呐喊而已，信不信都不介意。也欢迎您多介绍先进的氢探头控制的使用经验和例举成果说明其优越性，以便共同提高。

Jasen

回复 15# lopht
昨天整理文件的时间有些紧，有些公式打字打错了，今天早上发现后已经更新了几个附件图片，还有不对吗？请提醒一下，谢谢！

邵立法

大家的答案很正确，我想问一下850度氨分解气通入550度的氮化炉中，能计算氮势吗？氨分解气只能阻碍氮化，我们知道，只有活性氮原子才具氮化能力。不管用泡泡瓶还是氢分仪都是测定氨气分解率，不是测定氨原子的摩尔数。在高温的情况下，氨原子还没有等工件吸收就快速的结合成氮气了。氮化炉配一台小型氨分解炉就可以可控氮化，能行吗？

zhang

回复 12# Jasen

公式 6 对吗？当V=25%时，用公式 6 能计算出PH2=18.75%吗？

Jasen

回复 14# zhang
先谢谢您的回贴。
开始是在草稿上排列各个公式，整理时看错了二个公式，pH2=3/4*V， 氨分压还有个公式是 pNH3=1-4/3*pH2。
上面帖子中的图片和氮势计算公式文件我会更新的。

tlx322

何老和赵工在这方面的造诣我造诣领略到了。但现在来说可控渗氮除了何老11楼所说的之外，个人几点看法：
1.就白亮层来说，除了跟氮势门槛值有关，不同材料的氮势门槛值不同，还与时间有关。目前所所得氮势门槛值，基本上所有的资料都只是举例EN-19这材料，其他的基本没有。
2.何老以前好像上传过一幅图片氮势－组织－温度图，里面标明了氮势值与最终表层组织的关系。这幅图没有说明材料、使用时间限制等，基本等于没用。
3.质量流量计的功能不能小看，有了它，稳定性很高。我们如果只是拿普通流量计来替代的话，要考虑到气体压力的问题了。另外，当我们的氮势值设的比较敏感的时候，普通流量计时控制不住的，还有在氮势改变切换的时候，更难控制了。
4.何老所说的这些设备，我这里现在都有了，可即使有了，做出来的产品仍然让人很不满意。能拿来用这种炉子做的产品要求都很高，白亮层有的要求一点没有，按照氮势门槛值来说，0.6的渗层渗到什么时候去了，而且表面硬度要求高的很难达到；可用变换氮势的方法其它的指标又不理想。尤其是氮化物和疏松，太难控制了。
5.何老和赵工那里应该也有这样的设备吧？现在做产品那个难，老式井式炉上的那些经验分解率在可控渗氮上根本没用，不知两位高工有什么好的建议和方法。
6.据闻现在国外的可控渗氮已经很成功了，而且已有有很好的预测软件，不过我国国内似乎没有这个软件。

随便说了点看法，还请何老和赵工指点。

一张餐巾纸

回复楼上 tlx322朋友：您好！
   哈哈！又一位有兴趣的朋友露面了，很是高兴，先向您表示我的敬意！
    1，您的几点看法都是要害问题，其实远不止这些。作为一个热处理行业的一个重要分支——低温化学热处理的主角——渗氮和氮碳共渗，尽管渗氮有了百年的历史，在我看来，迄今为止，人们对它的认识仍然相当肤浅，从工程应用上说，不清楚的东西还有好多，没有对渗碳和碳氮共渗的认识那么深刻。这是因为要探讨其中的某一个问题，工艺时间长，花费也很大；随钢牌号不同获得的结果细微变化多，而反映在工艺参数调整幅度上又显得相当迟钝。
    2,‘可控氮化’这个名称的问世，已有30来年，公布的相关资料寥寥无几，就拿En－19钢的门槛值跟踪曲线来说，也仅仅是515℃温度下的数据，如果渗氮温度升高，该曲线将向下移，反之亦然，也就是说，每一温度都有相应的一根曲线，各个钢牌号的该曲线位置都不一样，可以想象，这将是多么大的数据库！
    3，可控氮化问题是英国Bell教授提出来的。我国著名教授潘健生、胡明娟老师在渗氮和氮碳共渗的理论和可控氮化方面的贡献也很大，公布了典型的渗氮钢38CrMoAl 在510℃℃下的氮势—时间的门槛值跟踪曲线，并提出了计算门槛值曲线的数学公式，意义很重大，这就为可能采用自动跟踪氮势控制来实现可控氮化提供了依据！凡从事这方面工作现场热处理工作者，要系统了解这方面的知识，可好好看看他俩的最新著作‘热处理工艺学’的有关章节。
    4，前帖中举例时，说到氮势1.8的事情，那是为了说明在一个大的相区内氮势波动大一些不会明显影响其结果，不是通常采用的可控氮化工艺参数。实际采用的是参考门槛值曲线，用两段，或多段‘氮势－时间’控制的方法来进行的（工艺学和手册中都有示意讲解）。您提的关于具体工艺实施为什么做不好的问题，我肯定回答不了，因为我的相关知识太少，仍然处于模糊状态，又实施经验非常有限，点点滴滴，达不到融会贯通的境界。
    5，要实行可控氮化工艺，首先，在技术上，零件要有这个要求，要设计人员认可，这一关要通过可不那么容易！因为国内民营企业中的许多所谓设计人员，实际上是测绘员，对材料和热处理一知半解，思想大都处于‘僵化’状态，他不知道的就是‘不存在’的。比如，氮化齿轮只要求有扩散层，不希望或仅有很少量白亮层，那他可不干了，他只知道表面硬度越高越好，由此而降低了一些硬度那可不成,，过去都是那么干的，不能动。他不买账，你工艺再好的工艺也没有用。甚至有的老板认为，产品使用寿命高了会影响他的经济效益。实际上，先进的技术，只有在市场压力逼不得已的情况下，才有可能被接受。热处理技术，在这方面相当被动，也是我们整体水平提高缓慢的重要原因之一。
    6，由于可控氮化尚处于新生时期，建立相应的数据库刚刚开始，大量的试验工作需很长的时间，要花费很多的人力和财力。如果有谁获得了比较系统的数据，或者解决了某个重大实际问题，不可能随便公布于众，要解密可能要等上若干年。对于这些，中国人应当走自己的路，不要把希望寄托于发达国家的‘恩赐’上。
    7，当前，唯有可能的是在偶尔的学术论文中看到一些端倪。我们现场热处理工作者是搞应用科学的，有的问题，知难行易，有的问题，知易行难。在没有系统、可靠的数据支持，没有类似的成熟经验可以借鉴的情况下，只能靠自己的辛勤努力和应用知识的智慧来解决面对的问题。这项工艺技术的应用已经提到日程，如何用得好，怎么发展，这就要靠你们年轻一代的智慧了。努力吧，‘攀山千条路，同览一月高’，不管走哪条路，攀山也有曲折，只要达到山顶，都可以看到那美丽的明月。

江湖123

回复 2# 离哥


    我想间一下专家，如果通入的不是氨分解气，而是氮气，氮势将与计算出的有很大出入，如何进行修正

江湖123

回复 3# Jasen

想间一下专家，如果通入的不是氨分解气，而是氮气，氮势将与计算出的有很大出入，如何进行修正

Jasen

回复 18# 江湖123
上面的公式为纯氨氮化的氮势计算公式，加入氮气后不可用这些公式加修正的方法来计算氮势。
可采用下图所示氨-氮混合气体的氮势计算公式：

式中X为NH3的摩尔分数。
此公式的成立条件为，X为NH3的摩尔分数，Y为N2的摩尔分数，而且X+Y=1

313354219

回复 19# Jasen


    请问专家这些计算公式都是推导出来的还是出自于那本资料。如果出自于那本资料 先生能不能给我传一份 。先谢谢了