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碳势计算器

Carbon Potential

依据露点、CO₂分析仪或氧探头读数计算渗碳气氛碳势,用于吸热式与氮-甲醇炉的渗碳气氛控制。

① 由露点求碳势 主方法

吸热式渗碳的主要方法,基于平衡反应 CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂。

log(%C) = −2925 / T_K + 2.74 + log(CO%) − 0.5 × log(pH₂O)

碳势 C_p
—
碳活度 a_c
—
等效 CO₂
—
pH₂O (atm)
—
积碳风险:碳势超过 1.4%C,零件与炉内易析出炭黑。请降低碳势或升高温度。
脱碳风险:碳势低于 0.2%C,可能造成表面脱碳。
典型范围:渗碳 0.7–1.1%C,中性淬火 0.3–0.5%C,光亮退火 0.1–0.3%C。

② 由 CO₂(红外分析仪)求碳势 Boudouard 反应

基于 Boudouard 反应 2CO ⇌ C + CO₂,常作为露点法的交叉校验。

K_B = (CO%)² / (CO₂% × P_total) | a_c = K_B / K_eq
碳势 C_p
—
碳活度 a_c
—
等效露点
—
积碳风险:碳势超过 1.4%C。
脱碳风险:碳势低于 0.2%C。

③ 氧探头(毫伏 → 碳势) Nernst 方程

适用于装有氧化锆氧探头的炉子,探头输出与参比空气和炉气氧分压相关的毫伏信号。

E = (RT / 4F) × ln(pO₂_ref / pO₂_furnace) | F = 96485 C/mol

碳势 C_p
—
pO₂(炉内)
—
等效露点
—
等效 CO₂
—
积碳风险:碳势超过 1.4%C。
脱碳风险:碳势低于 0.2%C。

④ 渗碳工艺参数 渗层规划

基于扩散系数与 Harris 近似估算目标渗层深度所需的保温时间。

D = 0.23 × exp(−1.48×10⁵ / (8.314 × T_K)) cm²/s | t ≈ (depth / K)²
估算渗碳时间
—
扩散系数 D
—
Harris K 因子
—
温度 扩散系数 (cm²/s) Harris K 估算时间 相对速度
时间为近似值,实际受钢种、气氛流量、装炉方式与炉温均匀性影响;关键工件务必用随炉试片验证。
参考表

露点 vs 碳势速查(CO 20%)

露点 \ 温度 850°C 875°C 900°C 925°C 950°C

氧探头 mV vs 碳势速查(CO 20%)

目标 C_p \ 温度 900°C 925°C 950°C
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