炉内温度测量：真空炉的温度测量

炉内温度测量：真空炉的温度测量直径较小的铠装热电偶响应速度更快，但更容易损坏。直径较大的电偶丝和护套更结实，在高温下的使用寿命更长。铠装材料，比如Inconel® 600、304不锈钢或316不锈钢，都在高达1 148°C的温度下具有出色的耐蚀性。护套和电偶丝的规格选择也对测量结果的精确性有重要影响。热电偶的结构类型包括露头式、不接地铠装式和接地铠装式。露头式或裸线结构(图1)的电偶丝暴露在外，最适合于非反应性气氛和要求对突然的温度变化迅速作出响应的场合。图1. 工作热电偶的典型材料典型的铠装材料是Refrasil®或不锈钢(SS)网。不接地和接地结构的偶结都置于保护套中。不接地结构的电偶丝与护套绝缘，而接地结构的电偶丝则直接与护套焊在一起。应当使用接地还是不接地结构，是一个需要在本文之外深入讨论的话题。

精确地测量炉内高温区和炉料的温度，对于热处理工艺的成功至关重要。在热处理工艺过程中，许多不同类型的热电偶被用来记录和控制炉温，并且监测和记录炉料温度。

如今的大多数真空热处理企业都执行AMS 2750系列标准，以确保所有温度测量都精确可靠和具有重现性。

热电偶

热电偶(TC)是测温传感器，由两种连接在一起的不同金属组成，它们构成了一个产生塞贝克效应的热电回路。导线温度的变化会引起热电回路中电压的变化。

热电偶的结构类型包括露头式、不接地铠装式和接地铠装式。露头式或裸线结构(图1)的电偶丝暴露在外，最适合于非反应性气氛和要求对突然的温度变化迅速作出响应的场合。

图1. 工作热电偶的典型材料

典型的铠装材料是Refrasil®或不锈钢(SS)网。不接地和接地结构的偶结都置于保护套中。不接地结构的电偶丝与护套绝缘，而接地结构的电偶丝则直接与护套焊在一起。应当使用接地还是不接地结构，是一个需要在本文之外深入讨论的话题。

铠装材料，比如Inconel® 600、304不锈钢或316不锈钢，都在高达1 148°C的温度下具有出色的耐蚀性。护套和电偶丝的规格选择也对测量结果的精确性有重要影响。

直径较小的铠装热电偶响应速度更快，但更容易损坏。直径较大的电偶丝和护套更结实，在高温下的使用寿命更长。

ANSI类型代号(表1)表明了热电偶回路的电偶丝材料组合。每种电偶丝的成分及其对于温度和气氛条件的冶金反应决定了每种热电偶类型的适用范围和局限性。

S型热电偶主要用于加热炉的过热控制，能够可靠地使用到1 538°C。对于温度更高的应用，将需要B型或W3型。硬而脆的氧化铝(莫来石)套管保护着炉内的热电偶丝(图2a)。

图2a. (上)炉内高温区热电偶的位置

图2b. (右)炉内热电偶的正确安装

在炉内高温区正确地布置热电偶，对确保精确地测量炉膛而不是发热元件的温度至关重要。偶结与发热元件的距离必须至少达到6.4 – 7.6厘米(图2b)。

ASM 2750对温度均匀性测量(TUS)提出了要求。图3所示TUS测量的通用布置为各种不同真空炉的用户带来了很大的灵活性。

图3. TUS通用布置

K型和N型被用来测量工作部件的温度。它们既可以是裸线，也可以是铠装设计(图1)。

在氧化性、还原性、惰性或真空环境中，它们能够可靠而精确地用到1 148°C。

K型在工业应用中很快就让位于N型，因为后者的精度和使用寿命都明显改善(表1)。在航空和医疗应用中，K型热电偶必须严格执行一次性使用的规定。

工作热电偶(图1)测量从发热元件向“工作对象”的传热。影响传热速度的因素包括工件的重量、表面积、几何形状、导热率、吸收率/辐射率、化学成分及其在炉内的位置。

合理地布置工作热电偶是获得炉料(部件)的正确温度分布的必要条件，能够保证热处理结束后达到期望的冶金性能。

如果热电偶在最不容易感受到辐射热的部位深插到工件内部，比如中心处或截面最厚处，达到平衡的速度将会最慢。因此，发热元件和工件之间的热交换不是线性的(图4)。只要有可能，就将热电偶插到现有的孔中或缝隙中，以使热电偶头部(热端)与工件直接接触。

图4. 在真空条件下加热的典型温度曲线

图5a和5b展示了表面条件和表面成分对碳钢试块在升温过程中的传热速度的影响。每个试块上都有一个伸到中心的钻孔，热电偶被插入其中。

图5a. 表面条件和成分不同的2.5英寸模拟块

在图5b中能够看到，镀镍和抛光的表面达到平衡所用的时间最长。这两种表面对热的吸收率最低，因为它们的辐射系数很小。辐射系数小意味着将辐射能反射回辐射源的趋势大。

图5b. 温度曲线揭示了表面条件和成分对传热的影响

对于用真空炉处理的许多炉料来说，工作热电偶无法被插到工件内部或与之直接接触。在这样的情况下，使用模拟块来代表炉内的实际部件。模拟块上带有伸到中心的钻孔，而模拟块的尺寸必须与炉内工件的最大截面相匹配。

表面条件、化学成分、辐射率和导热率的匹配也很重要。

举例来说，钛的导热性不如不锈钢。如果使用不锈钢模拟块来代表尺寸相近的钛部件，则模拟块将会提前显示工件已达到温度。但是，部件的实际温度会低于显示值，从而造成加热不充分，可能因此而导致热处理后的机械性能、物理性能和微观结构达不到要求。

让热电偶模拟块准确地复制炉料部件，往往是不现实的。在图6中，模拟块的高度是工件实际高度的三分之一。不过，它的关键截面的尺寸使其能够代表工件的真实加热速度。

图6. 模拟块与部件的关键截面匹配，因而能够代表部件的加热行为

其他温度监测装置

有时，真空热处理工艺需要达到的温度水平不适合使用K型或N型热电偶，而使用昂贵的S型、B型或W3型热电偶又是不允许的，尤其是在工艺中的反应物会损坏热电偶的情况下。

在这样的情况下，使用在一定的温度范围内以控制的速度烧结而成的陶瓷环，比如Orton TempTAB®(Orton.com)，能够达到很好的效果。

在工艺之前和之后分别对陶瓷环进行测量。根据收缩数据，利用Orton Trakker®软件即可得到温度关系(图7和8)。

图7. Orton TempTAB®和测量装置

图8. 将收缩转换成温度的标定曲线

结论

真空炉内的精确温度测量并不简单。本文只是初步讨论了这一重要工艺的关键因素。这些因素包括：

•热电偶类型和热电偶护套的合理选择

•控制和工作热电偶的正确布置

• ASM 2750要求的炉温均匀性测量

•工件的截面尺寸、重量、辐射率、表面条件和材料成分

•与工件性质相同的模拟块的正确使用

•当工作热电偶不适用时TempTAB对最高炉温的测量