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红外温度控制是火焰淬火成功的关键因素

红外温度控制是火焰淬火成功的关键因素


准确的温度测量可提升火焰淬火效果,确保获得理想的硬度和耐磨性

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挑战

火焰淬火成败的核心在于表面温度的准确管控。然而,火焰中的燃烧产物(CO₂、H₂O)及高温自发射辐射会严重干扰常规测温传感器,导致实测值偏离真实表面温度,进而引发淬硬层不均匀、过烧或开裂等质量问题。

解决方案

选用光谱响应位于 3.9 µm 波长的红外测温仪,该波段位于大气窗口且对火焰气体的透射率高,可有效抑制燃烧辐射干扰。以此实现非接触式的金属表面真实温度实时采集,确保在强火焰和烟气背景下仍能稳定、准确地反馈工艺温度。

优点

实现火焰加热全过程的表面温度闭环调控

显著降低因温度过冲导致的脆化与裂纹风险

适应多品种、异形工件的淬火工艺保持硬化层一致性

缩短工艺调试周期,减少试错材料与时间成本

非接触测量方式保障操作人员远离高温区域,提升现场可靠性


温度测量——火焰淬火成功的关键要素

火焰淬火是一种广泛应用于低碳钢、合金钢、中碳钢及铸铁工件的热处理方法。该工艺利用氧-燃气火焰直接加热金属表面,使其达到奥氏体化温度。在这一临界温度下,表面组织发生相变,而芯部仍保持较软的原始组织。随后需立即进行淬火,通过快速冷却形成高硬度的表面层,从而显著提升金属的耐磨性和耐腐蚀性。淬火前,钢表面组织通常为奥氏体或铁素体,经火焰淬火后转变为马氏体。

火焰淬火既可选择性地对特定区域进行局部处理,也可对工件整个表面进行均匀硬化。该工艺的成败受多种因素影响,包括火焰强度、加热持续时间、淬火速度与温度,以及材料自身的化学成分。火焰由可产生高温且稳定的燃气生成,常用的是氧-乙炔混合气,丙烷亦可作为替代燃料。

火焰淬火的主要优势在于能有效提升耐磨性、缩短加工周期、减小工件变形,且具有较高的经济性。然而,该工艺也存在显著挑战。明火作业存在火灾隐患;马氏体虽硬但若过热则易变脆,可能引发开裂和剥落。此外,火焰淬火在精度上天然不及感应淬火或渗硼等其他表面硬化方法,且工艺过程中可能产生氧化或脱碳问题。

准确的温度测量对于火焰淬火的成败绝非次要,而是决定性的核心要素。表面温度的准确控制直接影响硬化层的质量。然而,常规红外传感器在此类应用中往往力不从心——火焰本身会对红外信号产生干扰,导致测温偏差,甚至存在传感器误测火焰温度而非工件真实温度的风险。正因如此,精准测温在实现理想硬化效果、避免工艺缺陷方面的关键作用,不容忽视。

OptrisXI320中波红外热像仪
Optris XI320中波红外热像仪

火焰淬火中的热监测——以3.9 µm红外传感器穿透火焰

当碳氢燃气燃烧时,所辐射的红外能量不仅来自火焰本身,还来自燃烧产物,如水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)。这些气体在多个波段发射红外辐射,可能干扰透过火焰进行的准确热测量。传统红外设备往往测得的是火焰温度,而非工件真实温度。

要在此类条件下获取准确的热测量数据,选用一个水蒸气和CO₂均具有高透射率的波长区域至关重要,以确保红外辐射能以低吸收率通过。同时,该波长还需远离火焰自身强烈的红外辐射波段,以避免干扰,保证读数准确。

3.9 µm波段特别适用于此类测量。选择该波段基于其独特的平衡特性:对H₂O和CO₂具有高透射率,同时相对不受火焰自身辐射能量的影响。这一平衡确保了透过火焰进行测温时,能够有效避免火焰和燃烧气体红外辐射造成的偏差,从而获得更准确的温度数据。

非接触式测量手段不可或缺——采用3.9 µm波长的高温计或热像仪,可有效“穿透”火焰,直接测量炽热金属表面的真实温度。

经济高效的火焰淬火过程控制可靠方案

要在这一特定波长下探测红外辐射,通常需要使用制冷型探测器。此类相机通过低温制冷降低传感器噪声,从而提供高精度的热成像,但由于系统复杂,价格昂贵,且需定期进行高成本维护。此外,其启动时间较长,体积和重量也较大,不利于大规模过程自动化的实际应用。

相比之下,CTLaser MT 高温计能够透过火焰实现准确测温,覆盖 200°C 至 1650°C 的宽温度范围。其坚固的不锈钢外壳、双激光瞄准系统以及灵活的模拟量和数字量输出选项,确保了精准定位和对火焰淬火过程的更好控制,有助于防止过热和脆化问题。

在热成像需求方面,配备 3.9 µm 滤光片的 Xi 320 MT 红外相机提供了一种经济型替代方案。虽为非制冷型,但建议将 Xi 320 MT 与 CTLaser MT 高温计配合使用,以提升温度精度。PIX Connect 软件可实现这一协同——通过高温计的 4-20mA 输出信号,对红外相机的温度偏移进行校正。

鉴于火焰气体成分各异,建议在具体应用中先行测试 CTLaser MT 或 Xi 320 MT,并获取 Optris 应用工程师的技术支持(北京欧万电子科技有限公司),以确保适配效果。

Optris XI320中波红外热像仪

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测量范围从475 °C到1700 °C。分辨率320×240像素,波长3.9μm,30Hz帧频。

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激光瞄准非接触式温度测量。测温范围200°C 至 1650°C。1ms响应时间。

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