（材料加工工程专业论文）嵌入式网络化热处理控制技术研究.pdf

摘要 摘要 热处理是机器零件及工具制造过程中的重要工序之一，对发掘金属材料强度 潜力、改善零件的使用性能、提高产品质量、延长寿命等具有极其重要的意义。 而工件的渗碳处理是使碳原子渗入钢制工件表层的化学热处理工艺。渗碳后，工 件表面含碳量一般高于o 8 ，淬火并低温回火后，在提高表面硬度和耐磨性的同 时，心部能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高。渗碳工艺是一 个复杂的系统，加热、保温、渗层深度，碳浓度分布和碳势气氛等的过程控制直 接影响其热处理质量和生产效率。为了提高渗碳的质量，必须提高温度和气氛采 集和控制的精度。 本文以渗碳过程中温度和气氛等参数的采集和智能控制技术为研究对象，综 合应用了嵌入式技术、计算机控制技术、网络技术、模糊p i d 控制理论等知识。 主要从应用嵌入式技术进行温度、气氛参数的采集、渗碳层浓度分布的实时仿真、 模糊p i d 控制算法、参数动态管理和显示等几个关键问题展开研究。 本文应用了相关的理论研究成果，从实际应用的角度出发，对在嵌入式系统 实现渗碳过程中工艺参数采集与智能控制的技术难点进行深入分析，主要研究内 容及成果包括： 1 、温度、碳势的采集控制：分别采用热电偶和氧探头采集温度、气氛信号， 经嵌入式计算机内嵌的a d 电路将电压信号转换成数字信号，通过模糊自适应的 模糊规则对p i d 控制参数进行在线调节，实现对温度和气氛的高精度控制。在多 炉区系统的温度控制中，以一个区作为主控区，其他区跟踪主控区的测量变化而 调节控制。 2 、碳浓度分布的实时仿真控制：建立浓度分布的数学模型，采用“追赶法” 求解浓度分布，通过最优控制算法对渗碳浓度分布进行控制。 3 、开发嵌入式网络热处理控制器：以嵌入式微处理器s 3 c 4 4 8 0 x 为核心构 建硬件平台，并移植了嵌入式实时操作系统c 0 s i i 。控制器具有d 、d a 、 l c d 、r s 4 8 5 、以太网、触摸屏、p w m 等功能接口。除了实现参数的采集和控制 以外，还可以通过触摸屏设置多达2 0 段工艺的工艺曲线，实时采集和仿真的数据 广东工业大学工学硕士学位论文 能以数值、曲线等形式动态地在l c d 上显示，数据可以存储在非易失性存储器中， 以实现数据的再现和无纸记录。 4 、开发实时测控网络系统：系统通过嵌入式网络热处理控制器提供的r s 4 8 5 现场总线，构成实时测控网络系统，实现对现场车间的分布式控制。中央服务器 能在线监控现场车间，实时采集显示现场数据，并存储于数据库以实现历史数据 的再现和打印报表生成。 关键词：嵌入式网络自适应模糊p i d a b s t r a c t h e a tt r e a t m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o c e s s e so fm a c h i n ep a r t sa n dt o o l m a k i n g i ti so ft h eu t m o s ti m p o n a l l c ei ne x p l o f i n gt h ei n t e n s i t y p o t e n t i a lo f t h em e t a l m a t e r i a l s ，i m p r o v i n gt h es e r v i c ep e r f o r m a n c eo fp a r t s ，i m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i ty a i l de x t e n d i n gt h es e r v i c el i f eo fm a t e r i a l s c 酊b u r i z a t i o ni st h eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s w h i c hc a r b o na t o m sd e r m e a t ei m ot h es t e e lw o r kf o h ni t ss u r f a c e a r e rc a r b u r i z a t i o n ， t h ec a r b o nc o n t e mo f t h ew o r ks u r f a c ei sg e n e r a l l yh i g h e rt h a n0 8 a f t e rq u e n c h i n g a n dl o wt e l p e r i n g ，i ti m p r o v e st h es u r f h c eh a r d n e s sa n dt h er e s i s t a n c et ow e a rw h i l e t h ec o r es t i l lm a i m a i n sav e r yh i 曲r e s i l i e n c et ow “h s t a n di r n p a c tl o a d s ，a n dp r o c e s s e s h i g h e rf 缸i g u es t r e n g t h c a f b u r i z a t i o ns y s t e mi ss oc o r i l p l e xt h a tt h ep r o c e s sc o n t r 0 1o f h e a t m g 、 c o o l i n g 、 h e a tp r e s e r v a t i o n 、c a r b o n - d e p t ht r e n da n dc l i m a t eo fc a r b o n p o t e n t i a lh a sd i r e c ti r n p a c t so n i t sh e a tp m c e s s i l l gq u a m ya n dp r o d u c t i o ne 伍c i e n c y t h i sp a p e rs y n t h e s i z e st h ee m b e d d e dt e c h n i q u e 、c a l c u l a t o rc o m r o l t e c h n i q u e 、 n e t w o r kt e c l l l l i q u e ，f u z z yp i dc o n t r o lt h e o r i e se t c t c n l p e r a t u r ea n da t m o s p h e r e p a r a m e t e rc o l l e c t i o na 1 1 di n t e l l 噜e n tc o n t m lt e c h n i q u ei n c a r b u r i z ea r ei t sr e s e a r c h o b j e c t t h ek e yr e s e a r c h e si nt h i sp a p e ra r eh o wt o 印p l ye n l b e d d e dt e c l l i l i q u et o c o l l e c ta 1 1 dc o n t r o l t h et e i n p e r a t i l r ea n da t m d s p h e r ei nc a r b u r i z e、r e a l t i m ec a r b o n d e n s i t yd i s t r i b u t i o ne m u l a t i o n 、m z z yp i da l g o r “h m 、p a r a m e t e rm a n a g e m e n ta 1 1 d d y n a l l l i cd i s p l a y e t c b a s e do np r a c t i c e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ek e yt e c h n i q u e so fp r o c e s s p a r a m e t e rc 0 1 l e c t i o na n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n i q u ei ne m b e d d e ds y s t e m d e e p l y t h ec o n t e n ti n c l u d e s ： 1 c o l l e c t i o na n dc o n t r 0 1o ft e m d e r a t u r ea n dc a r b o np o t e n t i a l ： u s e t h e r m o c o u p l ea n do x y g e nd e t e c t o rt oc o l l e c tt e m p e r a t u r ea n da t m o s p h e r e s i g n a l sw h i c hc o n v e r tv o l t a g es i g n a l i n t od i g i t a ls i g n a lt h r o u g ht h e e m b e d d e da dc i r c u i ta n da d j u s tp i dp a r a e t e r st h r o u g hf u z z ys e l f a d a p t i n g r u l e so nl i n e 2 r e a 卜t i m ee m u l a t i o na n dc o n t r 0 1o fc a r b o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o n ： 广东工业大学工学硕士学位论文 e s t a b l i s hm a t h e m a t i cm o d u l eo fc a r b o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o n ， u s e c h a s e m e t h o d ”t og e tt h ed e n s i t yd i s t r i b u t i o n a n ds e g m e n tc o n t r o lc a r b u r i z e t h r o u g ho p t i m u mc o n t r 0 1a l g o r i t h m 3 d e v e l o pr e a l - t i m ee m b e d d e dn e t 、o r kc o n t r o l l e r ：t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi s b a s e do ne m b e d d e ds 3 c 4 4 8 0 xp r o c e s s or i tt r a n s p l a n t se i n b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e mo fc o s - t h ec o n t r 0 1 l e ri sc o n s t i t m e db y如n c t i o ni n t e r f a c e so f a d ，d a ，l c d ，r s 4 8 5 ，e t h e r n e t 、t o u c hs c r e e n 、p w m ，ec a ns e td r o c e s sc u r v ea s m u c ha s2 0s e c t i o n s t h er e a l t i m ec o l l e c td a t ed i s p l a y so nl c da n ds a v ei n n l e n l o r i z e 4 e s t a b l i s hr e a l t i m ec o m r 0 1n e t w o r ks y s t e m ：e s t a b l i s hr e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m b yr s 4 8 5f i e l db u sp r o v i d eo nt h ee n l b e d d e dn e t 、v o r kh e a tp r o c e s sc o n t r o l l e rt o r e a l i z ed i s t r i b u t ec o n t r 0 1o f t h ew o r k s h o p c e m r es e r v e rp r o c e s s e st h em n c t i o no fo n l i n em o n i t o r i n g ，i tc o l l e c t sa n dd i s p l a y sf i e l dd a t a w bc a na l s os a v ed a t ai nt h e d a t a b a s ef o rt h er e 印p e a ro f p r e v i o u sd a t aa 1 1 dt op r i mt h er e p o r t k e y w o r d s ： e m b e d d e ds y s t e i i l ；n e t 、o r k ；s e l f a d a p t i r 培；f u z 珂一p i d 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 金属热处理是将固态金属( 包括纯金属和合金) 通过特定的加热和冷却方法， 使工件获得工程技术上所需性能的一种工艺的总称“1 。热处理之所以能获得这样 的效果，是因为固态金属在温度改变时，其组织和结构会发生变化，如能根据其 变化规律，采取特定的加热和冷却方法，控制相变过程，便可获得所需的组织、 结构和性能。 工件在热处理过程中，对加热速度、加热温度及加热的均匀性有比较严格的 要求。操作中必须准确符合工件的热处理工艺曲线，才能达到要求的热处理质量， 保证工件使用的可靠性和延长工件的使用寿命。 根据钢件的要求的性能不一，可对工件采用不同的热处理工艺方法。热处理 的类型可分为：退火，正火，淬火，回火，表面淬火和化学热处理。 化学热处理是通过改变金属和合金工件表层的化学成分、组织和性能的金属 热处理方法。1 。工艺过程一般是：将工件置于含有特定介质的容器中，加热到适 当温度后保温，使容器中的介质( 渗剂) 分解或电离，产生的能渗入元素的活性原 子或离子，在保温过程中不断地被工件表面吸附，并向工件内部扩散渗入并发生 固相化学反应，以改变工件表层的化学成分和组织。通常，在工件表层获得高硬 度、耐磨损和高强度的同时，心部仍保持良好的韧性，使被处理工件具有抗冲击 载荷的能力。按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。 前者包括渗碳、渗氮、渗硼和多种非金属元素共渗，如碳氮共渗、氮碳共渗、硫 氮共渗、硫氮碳( 硫氰) 共渗等；后者主要有渗铝、渗铬、渗锌，钛、铌、钽、钒、 钨等也是常用的表面合金化元素，二元、多元渗金属工艺，如铝铬共渗、钽铬共 渗等均已用于生产。此外，金属与非金属元素的二元或多元共渗工艺也不断涌现， 例如铝硅共渗、硼铬共渗等。 钢铁的化学热处理可按进行扩散时的基本组织，区分为铁素体化学热处理和 奥氏体化学热处理。前者的扩散温度低于铁氮共析温度，如渗氮、渗硫、硫氮共 渗、氧氮共渗等，这些工艺又可称为低温化学热处理；后者是在临界温度以上扩 广东工业大学工学硕士学位论文 散，如渗碳、渗硼、渗铝、碳氮共渗等，这些工艺均属高温化学热处理范围。 渗碳工艺是使碳原子渗入钢制工件表层的化学热处理工艺。渗碳后，工件表 面含碳量一般高于0 8 。淬火并低温回火后，在提高硬度和耐磨性的同时，心部 能保持相当高的韧性，可承受冲击载荷，疲劳强度较高。但缺点是处理温度高， 工件畸变大。 1 2 课题的研究目的及研究意义 在计算机技术的应用领域，计算机辅助设计及制造( c a d c a m ) 的占有率达到 6 0 左右，在工业发达国家，c a d c a m 技术已经进入普及阶段。c a d c a m 技术的发 展，使得产品设计及生产组织的传统模式发生了深刻的变革，影响到企业的生产 管理和商业对策，使生产效率大大提高，增强了企业竞争力，使在市场经济环境 下充分发挥科学技术的力量具有极其重要的意义。 近年来，计算机集成制造系统( c i m s ) 的发展对国内的机械制造业的技术改造 起了重大推动作用。加工装配过程自动化，智能化及柔性制造得到普遍应用，被 认为是未来机械制造工业的生产模式之一。但作为机械产品加工重要环节之一的 热处理工艺的c a d c a m 技术却呈落后之势。作为一种物理冶金工艺过程有另 子其 他机械加工工艺，因此难以套用产品c a d c a m 技术来发展热处理的c a d c a m 技术。 柔性制造系统( f m s ) 的开拓，也在影响着金属渗碳热处理技术的发展“1 ， 参照柔性制造系统的经验，结合金属渗碳热处理系统工程的特点，金属渗碳 热处理柔性控制系统也应是把高柔性( 多功能，适应性强) ，高效率，高质量集为 一体，实现系统化，集成化和柔性自动化，可用同一套设备对不同材料、不同的 渗层深度和表面含碳量要求的工件渗碳。 利用现代发达的计算机科学技术，实现渗碳控制系统的柔性化，以计算机辅 助工艺设计( c a p p ) ，管理信息系统( m i s ) ，数据库和网络系统( d b n t ) 为一体，从 而最终实现生产管理的c i m s “1 。 现今国内的金属渗碳热处理控制系统有多种，但以其结构形式基本可归为两 类：一是继电器逻辑控制系统，二是可编程逻辑控制系统。继电器逻辑控制系统： 是类早期的金属渗碳控制系统，体积大，功能弱，故障率高，控制精度低。在控 制过程中人为因素影响过多，产品质量依赖于操作者的经验。缺乏控制信息反馈 第一章绪论 及信息的反馈形式，工艺重复性差，较难体现金属渗碳热处理理论的科学性。此 类控制系统己接近淘汰。 可编程逻辑控制系统是一种半自动、半智能化的控制系统，由存储于可编程 控制器( e p r o m ) 中的控制程序和各类外围接口电路组成。系统维护较简单，是目前 国内常用的一种金属渗碳控制系统。借助专门设备可修改存储器中的控制程序以 实现不同的渗碳工艺过程，具有一定的工艺控制的灵活性。但在人们对产品质量、 控制系统性能等方面的要求不断提高的现在，这类控制系统也暴露出难以克服的 缺陷一一不能在线式修改工艺流程、工艺过程的设定和修改对技术人员要求较高、 难以实现柔性系统控制、较难实现良好的工作界面和不能完全脱离人为干涉。这 些因其的固有的结构形式而产生的缺陷限制了其只能适应于工作环境变化不大的 场合，如机械传动控制方面，在更灵活多变的环境可要求下则难以胜任工作。 目前国内的某些厂家在使用进口的金属渗碳热处理控制系统，但其使用效果 并不理想，功能上并不能完全满足实地需求和长远发展，因此，开发国内的计算 机金属渗碳热处理控制系统极其迫切”。 嵌入式微处理器以其丰富的资源、处理速度快、精度高、性价比高等特点而 得到快速的发展。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和 各行业的具体应用相结合后的产物，在工业控制有着非常广泛的应用，如数据采 集、自动装置、检测、分布式控制( d c s ) 等各个领域。其中较为典型的是数据采 集和监控( s c a d a ) 、微机保护和暂稳控制( 自动装置) 等方面，可以预计嵌入式 系统在智能控制方面的应用前景将更加广泛。 1 3 课题的来源 本课题来源于广东工业大学和佛山工大热处理科技有限公司共同承担的佛山 市工业科技攻关项目。该项目目标是以渗碳工艺和设备作为典型控制对象，研制 嵌入式智能控制仪表，并组成分布式控制系统，实现基于总线结构的热处理群控 网络。群控网络可与局域网互连，实现远程监控。项目的完成并推广使用，将促 进我国热处理技术水平的提高。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 4 课题的研究内容 基于嵌入式的网络化热处理控制技术的研究是制造业信息技术的前沿，它的 深入研究与实现将完善热处理的集散控制和信息管理等功能。本课题工作是围绕 热处理加工过程控制的几个关键问题进行研究：l 、渗碳工艺的数学模型研究；2 、 渗碳过程的气氛和渗层控制；3 、加工过程的温度控制；4 、热处理监控网络的实 现。 本文内容共分六章，分别从理论和应用的角度对课题的难点进行了深入分析。 第一章为绪论，论述了课题的学科背景和工程背景，项目的来源和研究内容 等。 第二章为渗碳工艺的控制原理。介绍了渗碳工艺的原理和概念、渗碳工艺、 可控渗碳的原理和可控渗碳的数学模型建立。根据数学模型，编写软件，实现对 工艺参数的最优控制。 第三章为模糊自整定参数p i d 控制器的设计。介绍了模糊推理机的结构和设 计，研究模糊自整定参数p i d 控制性能和仿真结构分析等，为温度和气氛的精确 控制提供理论依据。 第西章为嵌入式控制设计的设计。提出了控制器设计的原则，介绍了输入输 出和显示操作接口的设计方案，并在控制器的硬件和操作系统做出选择的基础上， 进行了硬件平台的搭建，包括：网络接口设计、r s 4 8 5 接口、d a c 设计、l c d 设计、触摸屏接口设计等。 第五章为嵌入式热处理测控网络实现。通过r s 4 8 5 总线组建热处理控制网络， 同时接入i m e m c t ，实现资源共享和远程的监控，制定了网络通信协议。 第六章为系统的软件实现，主要介绍了嵌入式多任务的划分，实现上位机的 监控，并建立数据库，能实现对数据的存储，查询和报表的打印等。 第二章渗碳工艺的控制原理 第二章渗碳工艺的控制原理 2 1 炉气碳势工艺的原理和概念 2 1 1 气体渗碳的基本原理与概念 渗碳处理，就是将低碳钢或低碳合金钢零件放在增碳的活性介质中加热，一 般在9 2 0 至9 5 0 之间保温，使活性碳原子渗入钢件的表面，以获得较高的碳浓 度梯度，加速碳原子不断向内部扩散，而形成具有一定碳浓度和梯度的渗层的一 种热处理工艺。按采取的活性介质的不同，可以分为固体、液体和气体三种方法。 气体渗碳指的就是采用气体为活性介质的渗碳处理工艺。气体渗碳过程是碳原子 由气相向固相转移的过程。1 。 由气体渗碳原理可知，整个渗碳过程包括在钢表面附近气体的分解和扩散 ( 渗碳组分扩散到钢表面及渗碳反应的副产物一脱碳组分离开钢件表面) ；通过 表面及渗碳反应使碳从气相转移到钢件表面；在固相中碳从表面向内部扩散。1 。 1 渗碳介质的分解过程 分解，就是在活性介质在一定温度下，进行化学分解，析出活性( 初生态的) 原理( 或离子) 的过程。 例如，在固体渗碳时，木炭在密闭的渗碳罐内不完全燃烧，产生一氧化碳( c o ) 一氧化碳在钢件表面就会分解出活性碳原子 c ，其反应如下： 2 c 0 斗c 0 2 + c 】 ，11 、 又如在气体渗碳时，煤油在高温热分解时产生的甲烷( c 乩) ，在钢件的表面 按如下反应分解出活性碳原子 c ： c 日4 斗2 日2 “c ，”、 化学介质分解的速度，取决于化学介质的性质、数量、分解的温度、压力以 及有无催化剂等。 2 活性原子被金属表面的吸收过程 吸收就是活性原子( 或离子) 与金属原子产生键合而进入金属表层的过程。 吸收的方式可以是活性原子向钢的固溶体中溶解或形成化合物。渗碳时，渗碳介 广东工业大学工学硕士学位论文 质所分解的活性碳原子吸收在钢件表面后，溶于奥氏体中并形成间隙固溶体。当 碳浓度超过该温度下奥氏体饱和浓度时可形成化合物( 碳化物) 。 吸收的强弱，与活性介质的分解速度、渗入元素的性质、扩散速度、钢件的 成分及其表面状态有关。 3 渗入元素的扩散过程 扩散，就是被钢件表面所吸收的活性原子( 或离子) 向钢件深处的迁移，以 形成一定厚度的扩散层( 即渗层) 。 碳、氮、硼等元素渗入y n 或a 一& 时是形成间隙固溶体。铬、铝。硅等渗 入y 一凡时是形成置换固溶体。间隙固溶体中的扩散机构是溶质原子从一个间隙 位置到另一个间隙位置的连续迁移。 在化学热处理中渗层内各区域的浓度是随时问变化的，并且渗入元素的扩散 速度与钢件表面处的浓度有关。这就要考虑扩散第二定律来表示： 要：昙( d 等) 西苏、缸7 如果扩散系数d 与浓度无关，则表达式可表示为： 等= d 等 ，a fa x 2 ( 2 3 j 式中善一浓度变化速率； 竽一在x 方向的浓度梯度； d一扩散系数。跟温度和扩散激活能有关，如下所示： d = 或p 。 ( 2 4 ) d n 为扩散常数，r 为扩散激活能，为绝对温度。表2 一l 为某些扩散系统的 d 0 与q ( 近似值) 由该定律可以解出： j 2 = 厨一 ( 2 5 ) 其中：占为渗层深度，为修正值，数值上等于d ；r 为渗碳时间；k 为 与扩散系数d 、气相碳势c g 及工件心部含碳量c 0 有关的系数，可用实验方法测 定。对低碳钢和一些低碳合金钢进行的测量表明渗碳温度提高1 0 0 会使渗层深 第二章渗碳工艺的控制原理 度增加一倍；或者渗碳温度提高5 5 ，则在得到相同深度渗层的时间可缩短一半 n 帕。 表2 1 扩散组元基体金属 q ( 1 0 3 j + 州o ，) d 0 ( 1 0 一5 州2 s e c ) 碳y 铁 2 o1 4 0 碳d 铁o 2 0 8 4 铁口铁 1 92 3 9 铁y 铁 1 82 7 0 镍y 铁 4 42 8 3 锰y 铁5 72 7 7 铜o 8 41 3 6 锌 铜 2 11 7 1 银 银( 体积扩散) 1 21 9 0 银 银( 晶界扩散) 1 49 6 为求群扩散第二定律万栏式斋给出具体的边界条件a 假设表回处旅度g 为 常数，并且d 与浓度无关，距表面为x 处任意一点的浓度小于表面浓度c 0 ，那么 经过时间t 扩散之后，扩散层深处某一点x 处的浓度c ( 。) 的变化，将由下列方程 式确定： = c o 【卜妒j 击) ( 2 6 ) 式中矿瓦茜) 一高斯误差积分函数。 2 1 2 渗碳工艺 1 气氛碳势的选择与控制。3 一般渗碳件的表面碳含量可在o 6 1 1 间变化。确定最佳表面碳含量的 出发点，是使渗层具有最高的耐磨性和抗磨损疲劳性能。一般认为，渗层中有适 量的碳化物存在才能有高的耐磨性。近年来国内外的研究表明，对于一般的合金 渗碳钢，表面碳含量为0 _ 8 1 o 时可能获得最佳性能。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 渗碳温度的选择与控制0 3 渗碳温度对于渗碳速度有很大的影响，首先，碳在奥氏体中的扩散系数随着 温度升高而迅速增大。其次碳在奥氏体中的最大溶解度也随温度提高而增加。 最常用的渗碳温度是9 2 0 9 3 0 。在这样的温度下渗碳速度己较高，而渗碳 炉仍可保持较长的寿命。由于大多数渗碳用钢都是本质细晶粒钢，在9 3 0 渗碳还 不会引起晶粒过分长大。 对于一些要求薄层渗碳的零件，经常采用较低的渗碳温度( 例如8 7 0 9 0 0 ) 因为在较低的渗碳速度下比较容易对浅层渗碳的深度进行比较精确控制。一般地 说，不论在什么温度下，渗碳时问愈短，精确地控制渗层深度就愈困难。 对于要求渗碳层较深的零件，可以考虑采用高温渗碳( 如9 8 0 1 1 0 0 ) ，能收 到渗碳速度快，缩短渗碳周期和节能的效果。 3 渗碳时间”1 图2 1 渗碳时间一渗层深度关系图 f 远2 - lr e l a t i o i l s l l j po f c a r b u r i z et i i n ea 1 1 dc a r b u r i z ed c p t h 第二章渗碳工艺的控制原理 渗碳时间主要影响渗层深度，同时也影响碳浓度分布。渗碳时间与渗层深度 的关系可以用下式表示： 8 0 2 6 打 d 2 两 ( 2 7 ) 式中： 艿 一渗层深度( m m ) ： ， 一渗碳时问( h ) ； r 一渗碳温度( k ) 。 一般来说，对渗碳时间的控制没有很高的要求，因为扩散是一个缓慢的过程； 而且真正需要控制的主要是碳势渗入段和扩散段的时间，而升温阶段和淬火前预 冷的影响式有限的。 图( 2 1 ) 为按式( 2 7 ) 仿真的渗碳时间和渗层深度关系的曲线图( 2 。1 ) 所示 4 工艺参数的综合选择。1 ： 各工艺参数间相互影响比较大，为了缩短渗碳的总时间，通常在渗碳过程中 对各参数经常进行综合调节。最典型的做法是将整个渗碳过程分为四个阶段： 升温排气阶段，是工件达到渗碳温度前的一段时间，用较低碳势：高速渗碳阶 段，在正常温度或更高温度下，用高于所需表面碳含量的碳势，时间较长；扩 散阶段，工件降到( 或维持在) 正常渗碳温度，碳势降到所需表面碳含量，时间 较短；预冷阶段，使温度降到淬火温度，便于直接淬火。这种分阶段的安排可 使整个渗碳时间比一个阶段( 或不分阶段) 的渗碳缩短2 0 6 0 ，还可以使碳 浓度在近表面处变化平缓，从而得到理想的渗层。 2 2 可控渗碳的原理 2 2 1 碳势控制的原理 可控渗碳是载气渗碳法，即以某些成分稳定并具有中等碳势的可控气氛( 例 如吸热式气、甲醇裂解气等) 作载气，以较大的流量通入渗碳炉中，然后通过调 节富化气流量( 流量较小，起渗碳剂作用) 达到准确控制炉气碳势，进而控制渗 碳层质量的目的。可控渗碳采用闭环控制系统，即由炉气传感器、调节器、执行 器构成，如图f 2 2 ) 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 2 碳势自动控制系统框图 f 适2 2f r a m eo f c a r b o np o t e m i a la u t oc o m r o ls y s t 锄 理想的渗碳层( 包括表面层含碳量、渗层中碳浓度分布、渗层深度都较合理) 是由准确的炉气控制、准确的温度控制以及根据扩散模型的要求适时调整这些参 数得到的。可控渗碳就是指炉气碳势可以准确控制渗碳，通过测定并控制炉气某 些组分的含量，而间接地控制炉气碳势的方法。因为在一定温度下，炉气的碳势 与炉气组成密切相关。通过测定并控制与炉气碳势有对应关系的一种或数种炉气 组分的含量，即可达到控制炉气碳势的目的。 炉气中渗碳与脱碳的反应有： l ( k + 音q = ( 的 ( 2 8 ) 平衡时巧。：拿l伐。= # 平衡时 巧l = 9 l伐。= 盟一 磁c c 。磁砟， 2 + c d 22 2 c d ( 2 9 ) p d z 平衡时耳z2 瓦著乏 5 彘“2 a 。2 群2 3 c r + 坞0 = c d + 平衡峨= 糕旷糕 眨 4 c h + 2 h 2 = c h 4 平衡时k ，。：拿l 暖d 。 铲半l ( 2 磁。k p 4 由于钢的奥氏体中的碳活度是温度和碳浓度的函数，即位。= 石( 丁，c ) ；反应 第二章渗碳工艺的控制原理 的平衡常数是温度的函数，即缉= 五( r ) 。所以在恒温条件下，0 c 。= 五( c ) ，砗 为常数。 因此在恒温条件下，炉气碳势与各组分的关系可以写成： c ：k 啤：墨譬：墨警咆等 ( 2 1 2 ) p 2 1 c d 2 1 打2 01 h 2 式中，墨均为常数。 由于多数渗碳炉气中和风的含量都较为稳定，可以近似看作为常数。故 炉气碳势分别与炉气、晶：d 、。有单一对应关系。这是单参数碳势控制 的原理。 渗碳炉气的碳势是一个多参量的函数，是多种因素综合作用的结果。炉气成 分、温度、合金成分等因素对将对碳势控制造成影响。单参数碳势控制法是一种 近似方法，只有多参量控制才是提高渗碳炉气碳势控制精度的途径。 2 2 2 碳势控制的方法 在气体渗碳工艺中，用露点仪或红外线c d ，气体分析仪来实行气氛碳势控制 的方法，已获得工业上的广泛应用。氧探头测量和控制碳势的方法在逐渐代替红 外线c q 气体分析仪，它具有对炉气碳势变动响应的灵敏度高，响应时间短的优 点，而且探头是通过炉壁的孔直接插入气氛中，因此不需要像红外线c d 2 气体分 析仪那样对仪器要用标准气进行校准、气样净化及对气体试样管路的维护。控制 碳势精度一般为+ 0 0 5 c ，所以选用氧探头作为测量气氛碳势的传感器与嵌入式 热处理控制相配跟适宜。 氧探头的电势在相同的碳势时随着炉内温度的提高而增加。在通常渗碳温度 下，在0 3 1 2 碳势范围内，电势大约在1 0 6 0 所矿“5 0 聊矿范围内变化。 将氧探头的输出电压放大到适合于a d 转换器的电压量程，通过a d 变换器变换 为数字信号，将该值换算为碳势( 考虑补偿) 。根据碳势偏差进行p i d 运算，通 过接口，计算机输出控制信号。 炉气碳势的控制，是用改变富化气或渗碳液的流量来实现的。流量的控制， 可以采用数字量控制，也可以采用模拟量控制，依选用的执行机构而定。如用步 广东工业大学工学硕士学位论文 进电机来推动调节阀的开度或泵的行程 时，采用数字控制。如采用伺服电机时一 般为模拟量操作，增设d a 转换器。图( 2 4 ) 为控制器d a 输出控制马达来调节调节阀 的开度来调节气氛。 2 3 数学模型的建立 图2 4 气体流量调节控制 f i g 2 - 4g a s n u xa d j u s tc o n t r o l 要实现渗碳过程的精确控制，必须确定受控过程的数学模型，只有数学模型 建立以后才能编写程序，实现过程控制。要实现只需向嵌入式装置输入钢的化学 成分，要求钢表面碳含量及渗层深度，软件就会自动执行工艺。当达到低于正常 渗碳温度的某一设定温度时，富化气源自动开启，求出在一定温度下某种成分钢 达到一定碳势时所对应的c d 含量( 或d ，含量) ，通过控制富化气的流入量来维 持这一碳势。计算在一定温度下经一定时间后所获得的渗层深度，当渗层深度达 到预定值时操作中止，打印报表。 所以，一般情况下必须为控制系统提高下列数据： ( 1 ) 被处理钢的化学成分，主要是碳、锰、硅、铬、镍和钼等合金元素的含 量； ( 2 ) 要求的表面碳含量： ( 3 ) 要求的总渗碳层深度或有效渗碳硬化层深度； ( 4 ) 开始渗碳温度z ； ( 5 ) 正常渗碳温度r ； ( 6 ) 工件实际温度； ( 7 ) 工件炉或发生炉中的c o 和c d 2 的分压，等等。 1 电动势和碳势之间的关系式 美国h a r r y w w a l t o n 给出的氧探头电动势和炉内气氛中碳势之间的关系式如 下： i 急等一4 z s 礼g 拖卜丽妥面 旺 0 0 5 5 1 1 r。“11 9 1 5 5 0 5 c p 、。 式中e 一伏特( 氧探头电动势) ； 第二章渗碳工艺的控制原理 r 一温度( 绝对温度) ； 一一氧化碳分压； c p 一碳势( c ) 。 2 碳浓度分布数学模型 由菲克定律做数学推导，计算在恒定碳势气氛中渗碳每一刻钢中碳浓度分布 的公式嘲 c 2 c 1 一( c 1 一g 了击r p 丽出 ( 2 1 4 ) 式中c 1 一钢表面含碳量，实际等于气氛碳势； c n 一钢在渗碳前原始碳含量； f 一时间( h ) ； d m 2 ，碳在钢中的扩散系数。 在给定的深度，碳含量随时问而变的计算公式是： c = c l - ( c 1 一赤弦芳 旺1 5 ) 2 4 渗碳浓度分布的实时计算与控制 2 4 1 浓度分布计算模型的建立 渗碳层的碳浓度分布可以用f i c k 第二定律描述，其一维表达式为： a c n a 2 c 百2 丽 ( 2 1 6 ) 式中，c 为含碳量，为时间，x 为层深坐标值。上式表示处渗碳层截面上的 碳流通量与浓度变化率之问的比例关系，式中d 为扩散系数。在计算机的数值计 算中，可以用有限差分法求解( 2 1 6 ) 。其离散化的r x 平面划分如图( 2 5 ) 所示。 图中) c 和r 分别为层深步长和时间步长；两组平行线的交点称之为节点， 所谓离散化，就是以有限个节点上的函数c ( x ，0 ) 代替连续函数c = 厂( x ，f ) 。为了 简单起见，将c ( x ，0 ) 记作凹表示在时刻，一处的浓度值；同理，掣“表示 在f 。+ f 时刻葺处浓度值：c 品表示时刻，t + 。处的浓度值，其他节点定义如图 ( 2 5 ) 所示。 广东工业大学工学硕士学位论文 n + 1 n n l 图2 5 有限差分结点划分示意图 f 培2 5f i l l i t u d ed i 髓r e n c en o d ed i v i d i n gs k e t c hm a p 2 4 2 显式计算格式 在结点( ，胛) 处，用差分代替微分，采用向前中心差分法可得 飘。诋厂g j 缸 ( 2 1 7 ) 氛。嘏屯缸 ( 2 1 8 ) 把式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 带入( 2 1 7 ) 中可得： ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) g ：! ：! 二鱼：鱼! ! ! ! 生：! ：! 二! 鱼! ! d ( 2 2 1 ) f血 令兄= 出d ，血2 ，再采用上述离散函数的简记形式，可以得到： 1 4 灿 垫 屯 盟舻 川 知挚 第二章渗碳工艺的控制原理 e “= 五( q ，+ ，) 一( 1 2 五) g ( 2 - 2 2 ) 从上式可以看出，当前一时刻( 初始) 三节点的浓度c 。，凹，c 三。已知后，即可计 算出后一时刻0 + 1 ) 的结点( f ， + 1 ) 处的碳浓度g “。由于式( 2 2 2 ) 的右边全部 为已知数，因此该式称之为显式格式。此式的收敛( 稳定) 条件为： 旯! ( 2 2 3 ) 4 因此，步长f ，血的选取受到限制，即层深步长越小，时间步长越大，结果就越 稳定。 2 4 3 边界条件的表示和方程求解 节点f _ 1 处的有限差分应由( 外) 边界条件求出，其表达式为： 孵吲_ d 氛 眨2 4 ) 其有限差分方程为： 【c g 一；( q “+ g ) 】一去( g “一q “+ 口一q ) = 等( q “一四) ( 2 2 5 ) 式中，为气、固相反应的物质传递函数；e 为气相中的碳势( c ) ，式( 2 2 5 ) 的物理意义是：单位时间内碳从气相传递到固相表面的流通量与碳与l 节点扩散 到2 节点的扩散量之差等于边界节点( f _ 1 ) 所控制的单元体单位时间内碳浓度 的变化率，经整理，式( 2 2 5 ) 变为： ( 1 + 厂+ 后) q “+ e “= ( 1 一，一女) q + q + 2 女c g ( 2 2 6 ) 其中厂一鑫，t = 警 在节点m ( 内边界) 处是零物质传递边界条件，即： c “= c ：l - 口 ( 2 2 7 ) 差分方程为： 一瑕：+ ( 1 + 厂) c “= c ( 2 2 8 ) c ? 为心部原始碳量。 把( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 组成矩阵形式的方程如下： 吐q 6 2 吃 6 | d ? ! _ k l 丸一1 一l b 。d 。 d ：文 b ：d ：n ： 氓d ；n ； 一l 以一1 一1 k 以 c l c 2 ： g c m g c l c 2 ： c q g 2 瞩 o 0 +巨 ( 2 2 9 ) d l2 l + + _ j ；如= 如= d 。一l = 2 ( 1 + 厂) ， ，r h 以2 1 + 力也= 岛一一既= 一 q = 吃一j = 一厂； “吐= 1 + 厂一七，吃= 吃如一。：2 ( 1 一厂) ， 以= 1 一六6 2 = 岛= 一k = 厂，呸= q 一一，= 厂 当n 时刻渗层各点的浓度已知时，上式右边都是已知数，可进一步简化为个列 矩阵，这样以来，上式可记作： 吐口l 6 2 吐呸 b td | a ! k 一。以一 以斟“= 方程组( 2 3 0 ) 中的第一个方程可表示为： g 2 詈一等。c z 1 6 黾 屯 j 。 ： s m 1 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ，。，j 第二章渗碳工艺的控制原理 令g - 2 詈，w l2 等，则式( 2 3 1 ) 变为 将( 2 3 2 ) 代入( 2 3 0 ) 中的第二个方程得： 即 令 则式( 2 3 4 ) 变为： 由上述过程可推得 式中的 6 2 ( g l 一。h c j ) + 吐c 2 + 口2 c j = s 2 c z2 舞一赤心 吐一6 2w l吐一6 2w l 3 2 ，= 兰= 垒曼! ” 以一6 2w l d 2 赢 ( 2 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) c = 蜀一w l g + l ( 2 3 8 ) 铲高 眨， w ：璺一 ( 2 4 0 ) 吐一巩w i 一。 将( 2 3 8 ) 代入最后一方程中得： k ( 如一一l 巴) + d q = s 。( 2 4 1 ) 即 牛等舞 ( 2 4 2 ) 显然，按式( 2 3 9 ) 、( 2 4 0 ) 一次求出，w j ，扛1 ，2 ，m ；即可得到c 卅，此过程为“追” 2 4 4 渗碳层浓度分布的优化控制 在实际渗碳中，最后的检验主要是层深占和表面碳化物级别的要求。它们表 示在图( 2 6 ) 中，可以看作是对浓度曲线上，a ，b 两点的要求。 广东工业大学工学硕士学位论文 图( 2 6 ) 中的a 点的渗浓度c 。( 表面含碳量) 可根