用氧探头对气体渗碳进行精确控制的研究和应用已有20年的历史。随着氧探头制造技术的不断进步，近年来渗碳炉碳势的控制越来越多的采用氧探头作为碳传感器。氧探头作为碳势控制技术关键的传感器部件，通其它类型的碳传感器，如露点仪、CO2红外仪及电阻探头等相比，具有反应速度快（响应时间小于等于1ms）,碳势控制精度高（±0.05%C）、准确性好、直接测量、不需要取气等诸多优点，因此被广泛应用于热处理渗碳、碳氮共渗，光亮淬火、光亮退火和光亮正火等工艺，以及保护气氛下的吸热式、滴注式、氮基式、直生式气氛，适用于多用箱式炉、连续式气体渗碳炉及丼式气体渗碳炉等各种炉型。
氧探头在热处理生产中的应用日益广泛，但氧探头的价格相对比较贵，从国产的几千元一支到进口的上万元一支。国内有天津天铭，武汉华敏，北京汇捷通，北京培特永昌公司等，国外有美国马拉松、美国SSI、英国欧陆---EUTRHERM,及其它Johnson、Bosch等。实践证明，通过对氧探头的合理选择、准确安装、正确使用，并及时进行维护保养，不仅可以大大提高氧探头的使用寿命，而前对热处理炉内的碳势精确控制十分重要，从而保证产品达到100%的合格率。为此，可主要从以下几个方面采取措施。

一、氧探头的工作原理

  氧化锆氧探头的工作原理：氧化锆管是由氧化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导体。因其这一特性，在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。

二、氧探头的选择
  首先，应选择正规的厂家的产品，选择合适的氧探头型号与规格，并且应具有产品的检测报告或证书：其次，应考虑以下几个方面的问题。

 2.1.根据炉墙的厚度选择氧探头的有效长度，一般有500mm,600mm,750mm,900mm,1000mm和1200mm等，常用氧探头的外径有20mm、22mm、和25mm等。
 2.2应考虑氧探头与碳控仪的匹配问题。由于氧探头的制造工艺和电极材料的不同，不同牌号氧探头的氧势毫伏输出可能会有所不同，更换氧探头时，需要重新标定相关的碳控仪，以适应新的氧探头输出。当然目前大部分氧探头具有兼容性，可与任何类型的碳控仪配套。
2.3 由于氧探头对于温度非常敏感，为了避免氧探头和热电偶因安装位置不同而产生温度差对碳势测量的影响，应尽量选择具有热电偶的氧探头。实践证明，为获得实际碳势值，采用具有热电偶的氧探头是重要的。具有热电偶的氧探头有一整体式热电偶，最好选用S型，因为S型热电偶比较耐用。
 2..4 根据温度选择，一般情况下选择使用温度在800----1000度的氧探头。为了适应高温快速渗碳的需求，可以选择使用温度大于1000度的长寿命的氧探头。
2.5 选择反应更为灵敏，热态内阻很小（小于0.5千欧）的氧探头，其使用寿命比高内阻的氧探头长。
2.6 选择可更换受损部件（如：氧化锆球，氧化锆片，Al2O3高铝瓷管等）的氧探头，可以最大限度的延长使用寿命。
2.7 根据工艺所选用的碳势进行选择，一般选择≤1.5%C(碳势)的氧探头。对于高碳势的控制可以选择≤1.7%C(碳势),如丼式气体渗碳炉的碳势控制，当然最好选择具有抗碳黑的氧探头。
2.8 选择具有炭黑清除机构、具有自动清洗（烧）氧化锆球、氧化锆片和电极表面积炭功能的氧探头、对提高氧探头的使用寿命十分有利。
2.9 气体渗氮、氮碳共渗时，应选择适合于氮势控制的氧探头及碳控仪。
2.10 在我国丼式气体渗碳炉碳势的控制越来越多的采用氧探头，但由于氧探头再在丼式炉上使用时的条件相对比较恶劣，使用寿命相对较低，因而选择合适的氧探头比较重要。主要应遵循以下原则：①由于丼式炉炉盖开启比较频繁，应选择耐激冷、激热，即抗热冲击性能的氧探头。②由于丼式炉炉盖在工作中的振动，应选择抗机械振动性能的氧探头③由于丼式炉一般采用滴注式，在低温时的滴注介质（常用煤油）l裂解还不够充分，炉内炭黑较多，因此应选择适合于较高碳势≤1.7%C的氧探头，当然最好选择抗炭黑的氧探头，并且应具有自动清洗炭黑功能的氧探头。
 三、氧探头的安装
首先，应根据厂家的产品使用说明书进行准确安装，安装不当不仅会影响碳势的准确控制，而前大大影响氧探头的使用寿命。
3.1 由于氧探头的测试端的气氛与使用周围的气氛有差别，氧探头安装位置的确定应按能得到具有代表性的炉内气体成分来决定。氧探头和热电偶靠近工件比较好，但要避免氧探头和热电偶据辐射管、炉气进出口及炉门太近，还要考虑氧探头和循环风扇的位置。实践证明，连续炉的氧探头深度要选择合理，插入太浅，碳控仪显示的碳势相对太高，插入太深，碳势显示相对较低，这样对实际碳势的控制不利，容易照成与所处理工件碳势的误差，甚至出现不合格品。同时还要注意，连续炉各区插入的氧探头高度误差最好控制在≤20mm。井式气体渗碳炉的氧探头安装位置偏高时，由于所处温度低，氧探头容易积碳，将大大影响其使用寿命。
3.2 氧探头安装时，在渗碳炉的插孔不易过大，尽量接近该处电极的直径，插入孔过大，会造成炉内渗碳气氛向炉墙内低温区扩散，易导致氧探头0Cr25Ni20和Incone600镍合金外电极管产生早期腐蚀破损断裂。
3.3 为提高氧探头的使用寿命，在丼式炉外单独设置一小管式炉加热氧探头，并将炉气导入其中。由于小管式炉温度设定不受限制，可以设定成与渗碳炉温接近，这就避免了碳黑沉积，提高了碳势控制质量。其次避免激冷、激热和机械碰撞，使用寿命也会显著提高。
3.4 氧探头的接线应考虑到，每一个氧探头都有正、负极线各一根，氧探头不得接共同线。
3.5 因为存在阻抗匹配问题，在任何情况下都不得将同一个氧探头或热电偶接到两台以上的碳控仪上去。
3.6 氧探头的布线要求。连接氧探头到碳控仪上的连线应走导管，并和该区域中任何交流电源线路分开，这样即可以避免电磁干扰，又受到机械保护。氧探头连线应采用铜质，屏蔽双股胶线，屏蔽下端应接地。
四、氧探头的使用
采用正确的使用方法，可以大大延长氧探头的使用寿命，因此按产品使用说明书进行使用非常重要。
4.1 除非使用适合＞1000度的耐高温氧探头外，一般氧探头在高于1000度长期使用时，将会严重降低氧探头的使用寿命。
4.2 虽然一些氧探头的使用说明书上写有一定的抗震性能，但氧探头如受到长期剧烈振动会大大所缩短其使用寿命。因为使用过程中较大的剧烈碰撞冲击会导致氧探头内高铝瓷管或氧化锆管的断裂。
4.3 虽然一些氧探头具有一定的抗热冲击性能，并允许在任何温度的炉中装入或取出，但是为了延长其使用寿命，在氧探头在进行维护或更换时，为防止氧化锆球，氧化锆片，高铝瓷管或氧化锆管产生裂纹，最好在较高温度的炉中去取出氧探头后，快速插入装有保温棉的桶内，或用保温棉包裹好，在其达到欧室温一定时间后方可取出，并进行拆卸维修。同样在往高温炉中插入氧探头时，应进行适当的预热，并缓慢插入炉内。
4.4 为了提高氧探头的使用寿命，在使用过程中应对氧探头进行自动清洗炭黑，必要时进行手动烧炭黑。为氧探头提供烧碳黑的空气----参比气不应含水。烧碳黑时，空气流量为200---300mL/min，自动烧炭黑的时间设定为1min，周期为3----6h，丼式气体渗碳炉周期可以短些，如2---3h，手动烧炭黑时间为0.5min左右。
4.5 在使用氧探头时，有时要求根据不同CO%含量（如：20%，23%、30%、33%等）的要求，在碳控仪上选择相应氧探头类型的输入。
五 .氧探头的维护与保养
对氧探头使用过程中出现的故障及时排除，并进行正确的维护与保养，可以大大提高氧探头的使用寿命。当然，氧探头的维护与保养应选择有经验的维修人员或在厂家指导下进行。
5.1 氧探头过早的失效原因：一是炭黑；二是锌。炭黑和锌不仅影响氧探头的正常碳势控制，而且对于氧探头铂电极损害较大。
炭黑的清洗，简单地说当渗碳气体进入正在升温过程中比较低的炉内时就可能产生炭黑。渗碳炉在长时间使用的情况下，炉内就要积炭。严重的积炭一般是在下列条件下产生：在给定温度情况下，碳势的设定值高于奥氏体的饱和碳浓度时：渗碳炉的气氛不根据碳传感器所指示的碳势而采用手动控制时产生的。在积炭不可避免的地方，氧探头最长使用寿命只能通过频繁、轻轻地烧掉炭黑来实现，因此最好选择具有自动清洗炭黑功能的氧探头或碳控仪，如英国欧陆碳控仪，通过逻辑或继电器输出，用压缩空气吹扫氧探头的透气孔，自动或手动清除积炭，在清洗过程中仪表会监视氧探头的输出是否能在预定时间内恢复到以前的95%，如果实际的恢复时间超过了设定的恢复时间，碳控仪就会产生一个报警输出，此时应考虑炉膛烧炭黑了。对于连续生产的渗碳炉，一般应每月停产一次烧炉膛炭黑。通过调节空气流量，控制炉温在815度左右，否则温度过高将影响氧探头的寿命。对于井式气体渗碳炉，每月停炉一次，降温，掏尽炉罐内的炭黑。
锌对氧探头的影响表现为，若锌附着在铂片，铂电极将失效。锌是以锌的硬脂酸盐（在机加切削油中的一种普通润滑剂）的形式带入炉内的。在热处理工艺温度下，锌蒸发并迅速的使氧探头外部电极品质下降，因此通过热处理前的清洗和脱脂炉的加热，可以防止锌带入渗碳炉内。料框和夹具绝不能用镀锌钢板、元钢等制造。
5.2 在热处理过程中，向炉内通入少量氨气（2%---5%），可阻止炭黑析出并加速渗碳。
5.3 如果某一同道装有氧探头，在碳控仪（如DTK---08型多路碳控仪）实际值显示屏上显示“ERR”,则表明这一通道氧探头可能已经完全失效，需要取出或检测维修。
5.4 氧探头氧电势输出很低情况的处理。在正常使用过程中，炉温在800度以上，炉内碳势正常时，氧探头的氧电势很低，在几十到100mv之间，这往往是缺乏参比空气引起的。在正常情况下，参比气是由炉子的空气系统（小气泵）不断供给的，但是如果流量计或空气管路被堵塞、断开或气泵皮碗破裂等，就没有足够的新鲜空气进入到电极的参比端，氧的浓度就变得大大低于20.9%，并且输出的毫伏电压降低。实践证明，每一个氧探头给与正常空气流量为100----200L/min，通过接通气路清理堵塞、更换气泵即能可靠的恢复正常输出。
5.5 氧探头氧电势高输出情况的处理。持续的氧电势高输出是氧探头的氧化锆球，氧化锆片或电极严重积炭的结果。这是由于在给定的温度下，超过饱和奥氏体碳浓度的范围运行所引起的，因为任何气体要达到感应元件，必须穿过一层坚实的碳层，并且氧探头显示出很高的碳浓度，所以氧探头对于浓气体流量的减少无反应，可通过手动方式通入清洁空气，烧掉氧探头上的炭黑。炭黑严重时，只能去除氧探头并拆开，进行彻底的清理炭黑，或更换氧化锆球，氧化锆片。炉子积炭严重时，应停炉进行烧炭黑，使氧探头恢复到初始状态，并获得最长的工作寿命。
5.6 氧探头氧电势输出基本为零的情况处理。炉温在800度以上，炉内碳势正常时，氧电势输出基本为零，这是由于电极引出线路断开，Al2O3高瓷管，氧化锆等出现裂纹，可更换式的氧化锆球、氧化锆片有松动，氧探头内部断线等情况引起的。通过检修或更换氧探头即可。
5.7 氧探头输出的氧电势大幅度情况的处理。这是由于氧探头漏气，氧化锆球、氧化锆片与Al2O3（支承面）管，氧化高管之间的密封破坏，Al2O3管、氧化锆管头出现小裂纹等引起的，可以取下氧探头，对于可更换式的氧化锆球、氧化锆片氧探头，可以进一步旋紧氧化锆球、氧化锆片与氧探头的Al2O3（支承面）管，氧化锆管之间的密封螺纹，必要时更换新的氧探头。
5.8 氧探头在工作时，若显示的碳势出现不稳定的现象，首先应检查氧探头上的参比气管连接是否良好，然后检查参比起流量和压力是否正常。
5.9当重新开炉时，若氧探头在一定时间内不能达到设定值，但显示的碳势比较稳定时，其原因除了参比气不正常外，可能是氧探头内进入了潮气，氧化锆球、氧化锆片被炭黑包裹，内电阻的接触偏大（正常为小于4.0欧），新更换的氧探头插入过深等原因造成的。
5.10定期检查氧探头的内阻，如DTK---08碳控仪，应定期（一般为20---30天一次）对氧探头电阻进行检查。氧探头内阻正常时，一般不大于50千欧，当内阻＞100千欧时，氧探头氧电势毫伏值输出就会下降。若氧探头的内电阻在短期内大幅度上升，说明氧探头寿命即将到期，需要更换新的氧探头。
5.11氧探头正常工作时，若在一定时间内不能达到设定碳势值，其原因可能是炉气循环风扇轴承、介质滴注管的冷却水套渗漏水，造成炉内碳势的降低。
通过对氧探头的合理选择，准确安装，正确使用和及时维护保养，不仅能大大提高氧探头的使用寿命，而且对热处理内碳势精度的准确控制十分重要。

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