熱電偶在真空熱處理爐中的應用及選擇

王永卿

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024）

真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳、表面質(zhì)量好等突出的優(yōu)點，經(jīng)過熱處理的工件，在耐磨性、耐腐蝕性等方面有很大的進步。真空熱處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于各種設(shè)備關(guān)鍵部件的處理，是軍品、民品中關(guān)鍵的熱處理技術(shù)，所以說真空熱處理技術(shù)已經(jīng)成為當前先進的熱處理生產(chǎn)技術(shù)的主要標志，在近幾年來真空熱處理技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。

真空熱處理爐是真空熱處理的必要條件，真空熱處理的兩大重要指標是真空和溫度。本文主要淺談下在真空熱處理爐的溫度控制的關(guān)鍵部件：熱電偶，包括熱電偶的結(jié)構(gòu)、熱電偶的型號、熱電偶的選擇及應用。

1 熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶的結(jié)構(gòu)主要是由四大件構(gòu)成：熱電偶偶絲、絕緣套管、保護管及接線盒，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱電偶結(jié)構(gòu)

其中，接線盒主要是連接熱電偶與補償導線使用；保護管是為了使熱電偶偶絲與使用環(huán)境隔離，并使熱電偶有更好抗機械強度；絕緣保護套管是防止熱電偶的正、負電極之間短路以及熱電偶絲與保護管之間形成短路；熱電偶偶絲是熱電偶最主要的部分，也是決定熱電偶型號及價格的關(guān)鍵因素。貴金屬的偶絲直徑一般在0.3~0.65 mm之間，廉金屬的偶絲一般在0.5~3.2 mm之間。偶絲的測溫端一般是采用焊接的方式形成。

2 熱電偶概述

2.1 熱電偶的分類

一般國內(nèi)真空熱處理爐選用的熱電偶的類型為：PT100鉑電阻、K型熱電偶、N型熱電偶及S型熱電偶。而國外的不同之處在于高溫段選用的熱電偶有所不同，新增加了B型熱電偶與R型熱電偶。

2.2 熱電偶的簡介

（1）PT100鉑電阻

PT100鉑電阻表示在0℃時，其阻值為100歐姆。隨著溫度的上升它的阻值成勻速增長，根據(jù)阻值的變化來測定其溫度的變化。PT100鉑電阻在真空熱處理爐上的應用比較少，在測量水溫、油溫的時候會用到，一般使用溫度為0~300℃。

（2）K型熱電偶

K型熱電偶的學名為鎳鉻-鎳硅熱電偶。K型熱電偶的優(yōu)點是：在準確度、穩(wěn)定性、均勻性等方面較好，價格便宜。其缺點是300~500℃和800℃左右兩個區(qū)間電動勢不穩(wěn)定。K型熱電偶是一種廉金屬熱電偶，使用測量范圍0~1 200℃，長期使用溫度為1 100℃左右，短期為1 200℃。

（3）N型熱電偶

N型熱電偶的學名為鎳鉻硅-鎳鉻熱電偶。N型熱電偶的優(yōu)點是準確度 穩(wěn)定性 均勻性等各方面較好，價格便宜，同時克服了K型熱電偶在300~500℃和800℃左右兩個區(qū)間電動勢不穩(wěn)定。N型熱電偶也是一種廉金屬熱電偶，測量范圍0~1 200℃，長期使用溫度為1 100℃左右，短期為1 200℃。

（4）S型熱電偶

S型熱電偶就是我們通常所說的鉑銠熱電偶，學名為鉑銠10-鉑熱電偶。S型熱電偶在真空熱處理爐中常用的溫度為800~1300℃，這也是S型熱電偶測量精度最高的溫區(qū)。而在800℃以下測溫精度不高，1 300℃以上熱電偶容易損壞。S型熱電偶的優(yōu)點是：準確度高、穩(wěn)定性好、測量溫區(qū)寬、使用壽命長等；缺點是：價格昂貴，對污染非常敏感。

（5）R型熱電偶

R型熱電偶的學名為鉑銠13-鉑熱電偶。R型熱電偶長期使用溫度為1 300~1 500℃，短期可達到1600℃。R型熱電偶的優(yōu)點是：準確度高、穩(wěn)定性好、壽命長；缺點是：價格昂貴、對污染敏感。

（6）B型熱電偶

B型熱電偶的學名為鉑銠30-鉑銠6熱電偶。B型熱電偶長期使用溫度為1300-1600℃，短期可達到1 800℃。B型熱電偶的優(yōu)點是：不需要用特殊的補償導線、準確度高、穩(wěn)定性好、測溫上限高、壽命長；缺點是：價格昂貴，對污染靈敏。

2.3 熱電偶在真空熱處理中的應用

從上節(jié)熱電偶的簡介中，我們不難看出每種熱電偶適合的測溫區(qū)域及性價比。為了更好地對比各種類型的熱電偶，我們可以做出下面的表格，以便更加清晰地認識到各種熱電偶，如表1所示。

表1 熱電偶的性能對比表

從表1的表格中，我們就可以看出各種類型熱電偶性能、適合的場合以及性價比，從而選擇出我們真空熱處理爐最適合用的熱電偶。現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）低溫段（0~300℃）：在這一溫段的應用我們一般選擇用PT100鉑電阻，雖然PT100鉑電阻的各方面性能都一般，但是在低溫段上，PT100的性能基本上能滿足設(shè)備的使用要求，最主要的是PT100鉑電阻價格上有優(yōu)勢。如果在性能上有更高的要求，大家也可以選擇K型熱電偶或N型熱電偶，當然在價格方面就要貴點，實際情況實際選擇

（2）中溫段（300~1 000℃）：在這一溫段我們一般選用的是K型熱電偶或N型熱電偶。我國傳統(tǒng)的選擇型號標準為K型熱電偶，因為K型熱電偶在測溫區(qū)和各方面性能都能滿足這一溫段真空熱處理爐的需求，還有就是K型熱電偶低廉的價格也是必不可少的一大因素，所以這也是為什么K型熱電偶是目前用量最大的熱電偶。隨著研究人員的研究，近幾年來N型熱電偶在國內(nèi)真空熱處理爐中有了很大的發(fā)展。因為N型熱電偶在各反面性能指標上都與K型熱電偶不相上下，同時克服了K型熱電偶在300~500℃和800℃左右兩個區(qū)間電動勢不穩(wěn)定的缺點，在價格方面N型熱電偶也是一種廉價的熱電偶。所以現(xiàn)在N型熱電偶展現(xiàn)出了一種良好的發(fā)展趨勢，逐步有很多設(shè)備N型熱電偶取代了K型熱電偶的應用。如果在這一溫段，真空熱處理爐對溫度性能指標有更高的要求的話，大家也可以選擇S型熱電偶，當然S型熱電偶昂貴的價格就是大家需要考慮的一個問題了。

（3）高溫段（1 000~1 300℃）：在這一溫段真空熱處理爐國內(nèi)一般選擇S型熱電偶，S型熱電偶使用溫度高、性能指標也更加優(yōu)越，同時S型熱電偶也是曾經(jīng)的國際標準熱電偶。有些使用溫度在1 000~1 200℃的真空熱處理爐也會選用K型熱電偶或N型熱電偶，其低廉的價格是主要的因素。國外在1 200℃、1 300℃選用的熱電偶一般是R型熱電偶為主，因為國外研究機構(gòu)通過研究表明，R型熱電偶性能優(yōu)于S型熱電偶，但是在國內(nèi)真空熱處理行業(yè)，R型熱電偶一直沒有推廣開來，還是以傳統(tǒng)的S型為主。B型熱電偶其使用范圍要更高，所以在1 300℃使用頻率也是非常低的。

3 熱電偶保護管的介紹及應用

我們大家平時提到熱電偶，都是在談論S型、K型等偶型，大家都忽略了熱電偶的一個重要部件：熱電偶的保護管。本文所說真空熱處理爐中常用的熱電偶使用的保護管，可以分分為兩大類：金屬保護管、非金屬保護管。

3.1 金屬保護管

金屬保護管是1 300℃以下真空熱處理爐常用的一種保護管，金屬保護管材質(zhì)一般是不銹鋼，根據(jù)不銹鋼標號的不同用于不同的溫段，分別是：201、301不銹鋼保護管主要用于0~600℃區(qū)間使用的熱電偶；304、321、316、2520不銹鋼保護管主要用于600~1 000℃區(qū)間使用的熱電偶；3030、3039主要用于1 000~1 300℃區(qū)間使用的熱電偶。近幾年隨著研究，有了更多的合金保護管的出現(xiàn)，以適應1 300高溫點的使用，但是都還在近一步的試驗、推廣中。

3.2 非金屬保護管

非金屬保護管以剛玉管為主，溫度更高就需要用到石墨管。剛玉管使用溫度可達到1 800℃，石墨可達到更高的3 000℃。

在真空熱處理爐中，我們一般用到的都是各種材質(zhì)的金屬保護管，因為金屬保護管對溫度的反映靈敏、溫差小。其缺點就是不耐高溫，最高使用溫度1 200℃左右，當超過1 300℃時要慎用。想要長期在1 300℃下使用，我們就需要選擇使用非金屬保護管。非金屬保護管耐高溫，但是有個缺點那就是對溫度變化的靈敏度稍差，如果真空熱處理爐中對恒溫區(qū)這一項指標有比較高的要求如：±3℃或更高，就不適合使用非金屬保護管。由于金屬保護管對溫度反應靈敏，但是不耐高溫而非金屬保護管耐高溫對溫度的反應稍差，都各自都有缺點，也就催生了一種新的保護管的出現(xiàn)，那就是金屬陶瓷保護管。金屬陶瓷保護管克服了金屬保護管與非金屬保護管的缺點，有很好的應用前景。但是現(xiàn)在真空熱處理爐中還沒有得到很好的推廣。

4 結(jié)束語

在真空熱處理爐中熱電偶是一個很關(guān)鍵的部件，不僅僅是由于其是溫度控制的關(guān)鍵，還因為熱電偶是一種消耗品。不管哪一類型真空熱處理爐，隨著使用的時間增長，熱電偶的測溫精度都會下降。所以根據(jù)使用的頻率我們過一定的時間段，為了保證設(shè)備的測溫、控溫精度能都達到要求都會去更換新的熱電偶來保證設(shè)備的正常使用。這就需要我們選擇合適的熱電偶，來降低設(shè)備的生產(chǎn)成本。希望通過本文可以讓大家更好的認識熱電偶，能為大家?guī)砹己玫慕?jīng)濟效益，節(jié)約成本。