利用質(zhì)譜儀探針測量鋼材表面的氣相反應(yīng)

1、利用質(zhì)譜儀探針測量鋼材外表的氣相反響 ， ，德 國 施 塔 特 哈 根 ；，德 國 多 特 蒙 得 ；德國亞琛工業(yè)大學(xué) ，鐵基冶金研究部門 ，德 國 亞 琛 摘 要 ：在 退 火 氣 氛 模 擬 器 中 發(fā) 生 的 反 應(yīng) ，可以依靠靠近鋼材表 面的探針進(jìn)行 監(jiān) 測 。 在 熱循 環(huán) 過 程 中 ，爐內(nèi) 接近鋼外表 的氫和水蒸氣含量應(yīng)該特別關(guān)注 ，因 為 鋼 板 表 面 的 合 金 元 素 氧 化 物 以 及靠近它外表的 物 質(zhì)之間 的相 互 作 用會 發(fā) 生改 變 。 通 過 質(zhì) 譜 儀 測 得 的 水 、氫 氣 、一 氧 化 碳 、二 氧 化 碳 、氨氣和氮的含量 ，可以用來研究氧化 、還

2、 原 、脫 碳 和 氮 化 過 程 。熱 處 理 后 ，輝 光 放電 發(fā) 射 光 譜 測 定的層外表附近的相關(guān)單元濃度分布 ，可 以 作 為 相 關(guān) 氣 體 濃 度 的 測 量 結(jié) 果 。這些數(shù) 據(jù)允許在連續(xù)退火過程中通過 原 位 測 量 的 熱 浸 鍍 鋅 線 來 控 制 表 面 條 件 ，同 時 也是冶 金行為的 不同合金化鋼種概念的一種描述 。關(guān) 鍵 詞 ：質(zhì) 譜 儀 探 針 ；鋼 表 面 反 應(yīng) ；氣 相 監(jiān) 測 ；鍍 鋅 ；預(yù) 氧 化 ；還 原 動 力 學(xué)中 圖 分 類 號 ：文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 ：鍍 鋅 鋼 的 表 面 ，特 別 是 具 有 高 強(qiáng) 度 特 性 的 表面 ，在 退

3、火 階 段 ，與 熔 融 鋅 接 觸 之 前 ，關(guān) 鍵 因 素 主 要 決 定 于 鋼 的 表 面 條 件 。該過程在氫和水濃度不 同 的 退 火 處 理 階 段 繼 續(xù) 進(jìn) 行 ，而 且 它 是 由 親 自 利 用 實(shí) 驗(yàn) 熱 浸 模 擬 器 研 究 的。采 用 不 同 的 表 面 分 析 方 法 如 掃 描 電 鏡 、 射 線 光 電 子 能 譜 、輝 光 放 電 發(fā) 射 光 譜 和 光 學(xué) 金 相 等 可 對 樣 品 進(jìn) 行 分 析 。選 擇 性 氧 化 中 的 合 金 元 素 錳 、硅 、鋁 可 以 由 理 論 模 型 進(jìn) 行 解 釋 ，該 模 型 假 設(shè) 的 鋼 鐵 表 面 附 近

4、的 水 蒸 氣 濃 度 是 該 理 論 的 基 礎(chǔ) ，同 時 是 不 支 持 測 量 的 。 這 也 是 模 型 調(diào) 查 研 究 的 局 限 性。 當(dāng)運(yùn) 載氣 體導(dǎo)入反 應(yīng)區(qū)時鋼外表的水濃度值會發(fā) 生 改 變 。退火過程 中鋼鐵外表附近氣相的現(xiàn)場測 量提 供了 水汽以及 其他活性氣體的數(shù)據(jù) 。將 獲 得 的 氣 相 濃 度 作 為 樣 品 溫 度 的 函 數(shù) 是 控 制 退 火 工藝的一個前提條件 。 例 如 ，這 適 用 于 退 火 過 程 中 鋼 板 的 選 擇 性 氧 化或 鋼 板 與 氨 氣 的 相 互 作 用 。本 文 對 文 獻(xiàn) 中 曾 報 道 的 質(zhì) 譜 探 針 實(shí) 驗(yàn) 裝 置

5、在 熱 反 應(yīng) 器 堆 中 的 運(yùn) 用圖 實(shí)驗(yàn)反響原理圖 進(jìn) 行 了 介 紹 ，對鋼樣 品在熱反響器內(nèi)的 氧 化 、還原 、脫碳和氮化過 程 進(jìn) 行 了研 究 。實(shí) 驗(yàn) 部 分質(zhì) 譜 探 針 的 原 理 如 圖 所 示 。樣 品 的 表 面 有 載 氣 流 過 ，發(fā) 生 在 樣 品 外表附近的采樣分析氣體 收 稿 日 期 ：作 者 簡 介 ： ，男 ，博 士 ，主要從事分析光譜和 過 程 控 制 研 究 ；：，： ， 利用質(zhì)譜儀探針測量鋼材外表的氣相 反 應(yīng) 冶 金 分 析 ，：通 過 陶 瓷 管 離 開 反 應(yīng) 堆 ，該 陶 瓷 管 含 有 質(zhì) 譜 儀 的入 口 毛 細(xì) 管 。 反響產(chǎn)物在樣

6、品 表 面 附近聚 集 ，通 過 擴(kuò) 散 將 反 應(yīng) 產(chǎn) 物的濃度降到最低 ，同 時 使 得 檢 出 限 降 低 。表 列出了可能發(fā)生 的 反響 ，從 表 可 以 推 斷 最 重 要 的 氣 相 種 類 是 、 和。 因 為 和 有 相 同 的 質(zhì) 量 數(shù) ，因 此 測 量 時 必 須 避 開 ，所 以 選 擇 作 為 載 氣 。 為了 研 究 鋼 與 的 相 互 作 用 ，也 選 擇 作 為 載氣 ，并 把 作 為 的 分 解 產(chǎn) 物 來 進(jìn) 行 觀 察 。 根 據(jù) 表 中 的 式 ，分 解 產(chǎn) 生 的 可 以 通 過 的 含 量 來 進(jìn) 行 估 計 。除 了 上 面 提 到 的 成 分 ，

7、分 解 產(chǎn) 生 的 、和 也 可 以 測 定 。 通過對分解產(chǎn)物和 母 體 分 子 之 間 的 濃 度 比 值 偏 差 的 推 斷 ，可知其受到了第三 分 子 的 干 涉 。表 鋼鐵樣品外表的氣相反響 過 程 反 應(yīng) 方 程 赤 鐵 礦 氧 化還 原赤 鐵 礦 氧 化還 原 磁 鐵 礦 氧 化還 原 碳 的 氧 化還 原氮 化 處 理 分 解 反 應(yīng) 鋼 樣 品 的 氧化反響在空氣 和 水 蒸氣中 進(jìn)行 。實(shí) 驗(yàn) 按 照 表 所 示的熱程序進(jìn)行 ，化 學(xué) 成 分 列 于 表 。聚 合 物 、高 錳 和 高 延 伸 性 鋁 鋼 板 樣 品 的 尺 寸 為 ，厚 度 為 。表 鋼板樣品熱處理的實(shí)驗(yàn)

8、條件 ；過 程 氣 體 氧 化氧 化 還 原空 氣 ；氮 化 處 理； 注 ：氣 體 壓 力 約 為 。表 不同鋼板樣品的化學(xué)組成 鋼 樣 系的 信 號 是 乘 以 因 子 和 之 后得 出 的 結(jié) 果 。 樣 本 在 露 點(diǎn) 溫 度 為 的 濕 氬 氣條件下被氧化 。樣 品 實(shí) 際 溫 度 的 讀 數(shù) 和 從 圖 中 查 到 探 針 的信 號讀 數(shù)之間在時間上 延 遲 了 大 約 有 。 在 溫 度 梯 度 為 的 試 驗(yàn) 條 件下 ，這是可以忽略 不 計 的 。結(jié) 果 與 討 論水 蒸 氣 氧 化在表 面和層下 面氧化的進(jìn)度可以通過氫濃度 和 一 氧 化 碳 的 濃 度 進(jìn) 行 追 蹤 ，

9、有 時 也 可 以 使 用 二氧 化 碳 的 濃 度 進(jìn) 行 追 蹤 。 圖 為 和 高 錳 鋼 表 面 的 、 和 的 分壓與樣品溫 度 的 函 數(shù) 關(guān) ， ，：圖 高錳鋼樣品在熱處理過程產(chǎn)生 和 的 分 壓 因?yàn)?脫碳處理 的程度取決于鋼中碳擴(kuò)散系數(shù) 的 溫 度 特 性 ，顯 然 高 錳 樣 品 的 表 面 氧 化 溫 度 比 脫 碳 溫 度 低 很 多 。在 ，將 兩 個 樣 品 分 別 暴 露 在 濕 條 件 下 和 ，碳 濃 度 與 樣 品 暴 露 深 度 存 在 函 數(shù) 關(guān) 系 ，其 質(zhì) 譜 信 號 如 圖 所 示 ，輝 光 放 電 發(fā) 射 光 譜 測 得 的 碳 濃 度 見 圖

10、。 比 較 圖 和 圖 可 以 看 出 ，通 過 熱 處 理 過 程 中 釋 放 的 的 含 量 可 以衡 量 測 試 樣 品 被 碳 化 的 程 度 。鋼 測 定 ，結(jié) 果 在 范 圍 內(nèi) 。 這 個 發(fā) 現(xiàn)表 明 ，根 據(jù) 表 中 的 等 式 得 出 ，磁 鐵 礦 形 成 過 程 中 的 活 化 能 為 等報 道。對 圖 中 峰值的積分可 以 測 量 樣 品 的 脫 碳 程 度 。圖 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表 明 ，在 時 ， 保 持 時 間 在 從 增 加 到 ，使 得 一 氧 化 碳 的 產(chǎn) 量 從 到 增 加 了 十 倍 。鋼 鐵 表 面 的 氧 化 還 原 反 應(yīng)不同鋼種的兩 個鋼 樣 品

11、 熱 處理過程中形成水 蒸 氣 的 例 子 如 圖 所 示 。 在 的 空 氣 中 ，對 兩個鋼樣品進(jìn)行氧化 ，溫 度 從 升 高 到，加 熱 速 率 ：。然 而 ，表 面 溫 度 和 活 化能都有著顯著 的 差 異 ，而 活 化 能 可 通 過 圖 進(jìn) 行 計 算 。這 意 味 著 鋁 鋼 表 面 氧 化 物 的 化學(xué)組成與高錳鋼不同 。 因 此 ，在 對 兩 個鋼板樣品進(jìn)行 熱 處理 應(yīng) 用 之 前需要把它們外表 的 氧 化 物 去 除 ，當(dāng) 水 蒸 氣消失的時候就說明該過 程 已 經(jīng) 停 止 。圖 高錳樣品的碳濃度與樣品暴露深度的關(guān)系 氮 化 處 理根 據(jù) 表 中 的 方 程 ，把質(zhì)譜探

12、針測量 分壓作為表示鋼 樣 品表 層 氮 氣 濃度的指示器 。圖是 鋼 暴 露 在 含 有 的 中 ， 在 保持一段時間的例子 。 在 熱 處 理 的 這 段 時 間 里 的 分 壓 大 致 與 持 續(xù) 時 間 成 比 例 。 圖因 為 圖中 第 一 部 分 的形成可以通過其 表 面 的 氧 化 現(xiàn) 象 以及損失的一氧 化 碳來 證 明 ，因 此不 斷上 升的氫氣 的峰值可以通過阿累尼烏斯曲 線 來 估 測 。 通 過 圖 可 以 看 出 ，最 終 結(jié) 果 中 的 活 化 能 為，當(dāng) 然 也 可 以通過其他等級的 ， 利用質(zhì)譜儀探針測量鋼材外表的氣相 反 應(yīng) 冶 金 分 析 ，：圖 鋁鋼和高錳

13、鋼板樣品氧化復(fù)原 過程中水蒸氣的分壓 加 熱 速 率 ：；壓 力 ：；氬 氣 中 含 有 的 氫 氣 。圖 經(jīng)過滲氮處理之后輝光光譜法測量 鋼 中 的 濃 度 中 分 別 混 有 濃 度 為 ， 和 的 ；升 溫 速 率為 ；最 后 溫 度 為 ；樣 品 為 圖 中 所 用 樣 品 。是 經(jīng)過熱 處理后樣品中產(chǎn)生 濃 度 的 結(jié) 果 。在樣 品 深 度 上 濃 度 的 積 分 隨 濃 度 先 是 增 長 ，然后 呈 線 性 減 少 。 由 于 這 個 原 因 應(yīng) 該 注 意 ：由 表 中 的 方 程 可 知 ，在 熱 處 理 過 程 中 ， 部 分 地 轉(zhuǎn) 換 成 了 。這 部 分 由 轉(zhuǎn) 換

14、 成 的 可 以 通 過 探 針 觀 察 到 。 至 少 ，測 量 得 到 的 的形 成 與 滲 透 到 鋼 中 產(chǎn) 生 的 有 單 調(diào) 的 關(guān) 系 。 總 之 ， 的 分 壓 能 夠 控 制 氮 化 過 程 。的 信 息 。這些數(shù)據(jù) 可以 即 時 控 制熱浸鍍鋅線連續(xù) 退 火 部 分 的 表 面 狀 況 ，還可以描述不同鋼級的冶 金性能在冶金化 概 念上 的 差 異 。對不同鋼級的實(shí) 驗(yàn) 揭 示 了 材料的特定反映率 。 本 質(zhì) 上 講 ，相 同 的 程 序 適 用 于 氧 化 、還 原 或氮化材料過程中探索鋼 的 熱 處 理 性 能 。 通過評價氧化 或 還 原 的活化能 ， 可以獲得相關(guān)化 合 物的 信 息 。釋放出氣體種類的 量 ，如通過脫碳過 程 中 的 量 ，可 以 估 計 材 料 的 反 應(yīng) 深 度 ，這種關(guān)系可以 通 過 測 量 形 成的相關(guān)元素的濃 度 分布 來 證 實(shí) 。作為退火過程一 部 分 的 熱 處 理 實(shí) 驗(yàn) 表 明 ：溫度進(jìn)程和反響氣體組 成 的 不 同 階 段 可 以 在 質(zhì) 譜 探 針 的 幫 助 下 直 接 優(yōu) 化 。參