熱電偶測(cè)溫法在雙層輝光離子滲金屬中應(yīng)用

摘要:分析比較了幾種應(yīng)用在雙層輝光離子滲金屬中的測(cè)溫手段存在的問(wèn)題,采用陰極屏蔽技術(shù),一套適合雙層輝光離子滲金屬工件熱電偶測(cè)溫的實(shí)驗(yàn)裝置。并介紹了其結(jié)構(gòu)和工作原理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置工作穩(wěn)定,安全可靠,也可用于其它類(lèi)似工況中的溫度測(cè)量。
0引言
　　雙層輝光離子滲金屬技術(shù)(在國(guó)際上被稱(chēng)為.XU-TEC)是基于濺射技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)及離子氮化技術(shù)的一種新型等離子體表面合金化技術(shù)，它已成為在金屬材料表面形成具有各種優(yōu)異物理、化學(xué)及機(jī)械性能合金滲層的一種有效手段。在雙層輝光離子滲金屬的過(guò)程中,工件的溫度對(duì)滲層性能及基體組織的影響特別明顯，是適時(shí)控制工藝參數(shù)的主要依據(jù),因此,準(zhǔn)確地測(cè)量出工件的溫度便顯得非常重要。
1雙層輝光離子滲金屬技術(shù)及其設(shè)備
　　雙層輝光離子滲金屬設(shè)備如圖1 所示。雙層輝光離子滲金屬技術(shù)是在真空室內(nèi)設(shè)置陽(yáng)極(接地)、陰極(工件)以及源極(滲金屬板),陽(yáng)極和陰極之間以及陽(yáng)極和源極之間各設(shè)一個(gè)可調(diào)直流電源，當(dāng)真空室內(nèi)氬氣壓達(dá)到一定值后，調(diào)節(jié)上述電源，則在陽(yáng)極和陰極以及陽(yáng)極和源極之間出現(xiàn)輝光放電,此即為雙層輝光放電現(xiàn)象。輝光放電把工件加熱至高溫,源極的合金元素在氬離子轟擊下被濺射出來(lái),高速飛向陰極(工件)表面，被工件表面吸附,借助于擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)入工件表面，從而形成滲入元素的合金層。它的基本思想為其它離子滲金屬方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),在20世紀(jì)80年代后期,相繼出現(xiàn)了加弧輝光離子滲金屬、輝光氣相離子滲金屬等等離子體表面合金化技術(shù),并迅速發(fā)展起來(lái)。在鋼件表面進(jìn)行雙層輝光離子滲金屬時(shí),工件的溫度通常在1073~ 1473 K。
 
2雙層輝光離子滲金屬中的測(cè)溫問(wèn)題
　　在雙層輝光離子滲金屬的過(guò)程中,工件置于真空室內(nèi)的等離子體中,并且在工件上加有偏壓，給熱電偶測(cè)溫和光電溫度計(jì)測(cè)溫都帶來(lái)諸多不便。
　　利用熱電偶進(jìn)行接觸式測(cè)溫具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn),但存在以下問(wèn)題難以解決:
(1)熱電偶的引線(xiàn)要引出真空室外，熱電偶與真空室間的密封問(wèn)題;
(2)真空室內(nèi)的等離子體溫度不均勻,熱電偶必須與工件接觸,在接觸處如何避免弧光放電?
(3)為儀器和人身的安全,在保證熱電偶與工件接觸的情況下,如何使熱電偶不帶有工件的偏壓?
　　采用非接觸式測(cè)溫的光電溫度計(jì),可以在真空室外方便而迅速地顯示出工件的溫度，與熱電偶相比,還具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但是,使用光電溫度計(jì)必須知道被測(cè)物體的輻射系數(shù),也不允許在光路上受到外來(lái)干擾。而在雙層輝光離子滲金屬的過(guò)程中,工件表面覆蓋著輝光,工件的輻射性能發(fā)生變化，并且光電溫度計(jì)只能隔著透光玻璃來(lái)測(cè)溫,由于受到輝光等離子體及透光玻璃等的影響，光電溫度計(jì)指示出的溫度只是一個(gè)相對(duì)溫度,與工件的真實(shí)溫度相差很大。只有被能準(zhǔn)確測(cè)量工件溫度的儀器校對(duì)之后,確定出合適的輻射系數(shù)補(bǔ)償值，光電溫度計(jì)才能顯示出工件的真實(shí)溫度。
3熱電偶接觸測(cè)溫 實(shí)驗(yàn)裝置
　　鎧裝熱電偶外形整潔光滑,可撓性好,非常適合雙層輝光離子滲金屬工藝的測(cè)溫。將鎧裝熱電偶按圖2所示安裝在爐體上,塑料件定位塊使熱電偶與爐體隔離而絕緣;螺釘對(duì)壓蓋的緊固作用，使橡皮墊和密封環(huán)產(chǎn)生彈性變形，保證了熱電偶與爐體間的密封。
 
　　圖3所示為熱電偶與工件的接觸部位的結(jié)構(gòu)圖。
 
　　熱電偶保護(hù)套管固定在工件的臺(tái)階孔中,并形成寬度小于1mm.長(zhǎng)度大于10mm的均勻縫隙a[3],縫隙的屏蔽作用使得工件與瓷管之間不會(huì)發(fā)生弧光放電。這樣,插入瓷管中的鎧裝熱電偶不僅與工件絕緣,而且與工件也不會(huì)發(fā)生弧光放電。
4結(jié)束語(yǔ)
　　為校驗(yàn)該裝置測(cè)溫的準(zhǔn)確性,在同一工件上安置了鎧裝鉑銠10-鉑熱電偶和鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶兩套測(cè)溫系統(tǒng),在973~ 1373K范圍內(nèi)進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)4],結(jié)果二者顯示值相差小于3K,這說(shuō)明該裝置測(cè)溫精度很高，是可行的,具有應(yīng)用價(jià)值。這套熱電偶接觸測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置巧妙地運(yùn)用了縫隙保護(hù)原理,使熱電偶在等離子體中得到屏蔽,成功地解決了雙層輝光離子滲金屬中熱電偶與工件間的接觸問(wèn)題,克服熱電偶在接觸部位的電弧放電。該裝置在試驗(yàn)過(guò)程中工作穩(wěn)定,熱電偶不受污染，使用壽命高,還具有安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。不僅適合于雙層輝光離子滲金屬中的工件測(cè)溫，而且也適用于其它類(lèi)似工況中的測(cè)溫。同時(shí),該測(cè)溫裝置的設(shè)計(jì)成功，為準(zhǔn)確選取光電溫度計(jì)的輻射系數(shù)補(bǔ)償值獲取比對(duì)數(shù)據(jù)提供了實(shí)驗(yàn)手段。