软氮化的氮势如何测量

一定温度下，与炉气相平衡固相中的氮活度正比于P_NH3/P_H2^3/2，我们把比值P_NH3/P_H2^3/2定义为氮势即KN。它反映了在一定温度下渗氮零件表面与气氛的界面上，活性氮原子的浓度和气氛中的氨分压成正比，而和氢分压的3/2次方成反比。故在生产中将氮势作为含有NH3气体的渗氮能力的度量。

对于纯氨气氛，由氮势的计算公式KN=(1-V)/(3/4V)^3/2=(1-4/3P_H2)/P_H2^3/2可知无论是用气泡瓶测量分解率或氢探头测量氢含量均可以很方便地准确计算氮势。

对于软氮化气氛，近十几年先后发展了许多方法，常见软氮化气氛类型如下：

1、吸热型气体+NH3

2、放热型气体+NH3

3、直接滴醇+NH3

4、CO2+NH3

5、CO+NH3

由于软氮化气氛中渗碳气氛的多样性，导致对软氮化的氮势而言，目前只有通用公式KN=P_NH3/P_H2^3/2可参考，并无其它计算公式可借鉴。这就导致在软氮化生产过程中经常有如下做法：

一、 只控制分解率来控制氮化过程：

这种做法存在两个方面的问题：，对软氮化，认为控制分解率即控制残余氨含量，即达到控制氮势的目的。这是绝大多数人都存在的误区，以CO2+NH3的软氮化为例，经反应气氛中主要由NH3、H2、N2、CO2、CO和H2O等组成。这时用气泡瓶测的分解率=-(P_NH3+P_CO2+P_H2O），即对软氮化而言，溶于水的并非只有NH3，还包含CO2（溶于氨水）和H2O等。这时用气泡瓶测出的分解率并不能推出残余氨含量，并且CO2的加入比例越大，两者的测量误差越大。第二，对软氮化依旧思维定势地认为分解率越高，氮势越低。以CO2+N2+NH3的氮基气氛软氮化为例，由于N2的加入用气泡瓶测量分解率时，分解率是提高的，故认为N2的加入会降低氮势。但由KN=P_NH3/P_H2^3/2的计算公式可知，一定量的N2加入实际会提高气氛的氮势。

二、用氢探头测量的氢含量间接换算氮势：

由于软氮化同时存在渗氮和渗碳两种气氛，炉内将发生复杂的反应过程。故为了便于计算氮势，常见的做法一般有以下几种：直接按照硬氮化的计算公式算氮势；当渗碳气氛当作定量不反应处理；对于渗碳反应会预先假设一定的反应率，导出软氮化的近似计算公式。由于以上三种方法都是做近似处理，故计算的氮势均与实际氮势有偏差。

三、同时用气泡瓶测量的氨含量和氢探头测量的氢含量的结果计算氮势：

同时用氨分压和氢分压的结果来实现软氮化氮势的测量，这在理论上是没有问题的，而且也是GB/T 18177-2008《钢件的气体渗氮》中明确要求必须这样做的。但错就错在在软氮化气氛中依旧认为可以用气泡瓶测量氨分压，这种错误的认知已在条有了明确的阐述。

以上问题产生的根源是：由于NH3的强腐蚀性，目前市场上找不到一款可以在线、稳定地测量氨含量的传感器，从而使得软氮化的氮势测量变得困难。

由武汉华敏研制的激光氮势传感器，使用TDLAS激光分析技术和高精度MEMS热导传感器，同时对尾气中氨含量和氢含量进行精确的测量，从而计算炉内的实时氮势。 

TDLAS激光氨分析技术可以使发出的激光波长被调制精准到特定气体（NH3）的吸收线，能确保所发的单色激光只被特定气体有选择地吸收而其它气体无吸收，所以测量过程中没有其它气体交叉干扰。并且被测气体不与传感器接触，故能适应高温、强腐蚀性和高流速的被测气体环境。由于激光光谱的宽度远小于气体吸收谱线的展宽，使得测量更有针对性，故测量精度更高。

高精度MEMS热导传感器是近年来迅猛发展的一种微观结构热导池传感器，实现了微电子与精密机械结本的一体化，具有测量精度高、灵敏度高、漂移小等优点，可精确测量气氛的热导率，从而精确计算氢含量。

激光氮势传感器除了使软氮化的氮势测量变得更精确以外，对软氮化工艺的拓展是其大的核心优势所在。以CO2+N2+NH3的氮基气氛软氮化为例，由于软氮化氮势计算的局限性，导致氮基软氮化气氛工艺只能全程以恒定的比例通入工艺气体，才能尽量减少氮势的计算误差。这不仅对质量流量计的精度提出了*的要求，而且对软氮化的工艺也是极大的限制。激光氮势传感器的使用，使得软氮化过程各工艺气体流量任意做出改变而并不影响氮势的测量，使得软氮化工艺的灵活性大大地提升。

激光氮势传感器使得软氮化氮势测量变得可以实现，是气体氮化领域的一次革新应用。并且不受软氮化气氛种类的影响，适用范围极广，而且也无需考虑软氮化过程中的复杂化学反应过程，是一款真正可实现氮势直接测量的传感器。