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）

真空熱處理技術具有無氧化、無脫碳、表面質量好等突出的優點，經過熱處理的工件，在耐磨性、耐腐蝕性等方面有很大的進步。真空熱處理技術已經廣泛應用于各種設備關鍵部件的處理，是軍品、民品中關鍵的熱處理技術，所以說真空熱處理技術已經成為當前先進的熱處理生產技術的主要標志，在近幾年來真空熱處理技術得到了迅猛的發展。

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鍵部件：熱電偶，包括熱電偶的結構、熱電偶的型號、熱電偶的選擇及應用。

1 熱電偶的結構

熱電偶的結構主要是由四大件構成：熱電偶偶絲、絕緣套管、保護管及接線盒，其結構如圖1所示。

圖1 熱電偶結構

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型熱電偶的優點是：在準確度、穩定性、均勻性等方面較好，價格便宜。其缺點是300~500℃和800℃左右兩個區間電動勢不穩定。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型熱電偶的優點是準確度 穩定性 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℃左右兩個區間電動勢不穩定。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。而在800℃以下測溫精度不高，1 300℃以上熱電偶容易損壞。S型熱電偶的優點是：準確度高、穩定性好、測量溫區寬、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型熱電偶的優點是：準確度高、穩定性好、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型熱電偶的優點是：不需要用特殊的補償導線、準確度高、穩定性好、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

從上節熱電偶的簡介中，我們不難看出每種熱電偶適合的測溫區域及性價比。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。現總結如下：

（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備的使用要求，最主要的是PT100鉑電阻價格上有優勢。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。我國傳統的選擇型號標準為K型熱電偶，因為K型熱電偶在測溫區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型熱電偶在國內真空熱處理爐中有了很大的發展。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℃左右兩個區間電動勢不穩定的缺點，在價格方面N型熱電偶也是一種廉價的熱電偶。所以現在N型熱電偶展現出了一種良好的發展趨勢，逐步有很多設備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、性能指標也更加優越，同時S型熱電偶也是曾經的國際標準熱電偶。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，因為國外研究機構通過研究表明，R型熱電偶性能優于S型熱電偶，但是在國內真空熱處理行業，R型熱電偶一直沒有推廣開來，還是以傳統的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，金屬保護管材質一般是不銹鋼，根據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℃區間使用的熱電偶；3030、3039主要用于1 000~1 300℃區間使用的熱電偶。近幾年隨著研究，有了更多的合金保護管的出現，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，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。但是現在真空熱處理爐中還沒有得到很好的推廣。

4 結束語

在真空熱處理爐中熱電偶是一個很關鍵的部件，不僅僅是由于其是溫度控制的關鍵，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。所以根據使用的頻率我們過一定的時間段，為了保證設備的測溫、控溫精度能都達到要求都會去更換新的熱電偶來保證設備的正常使用。這就需要我們選擇合適的熱電偶，來降低設備的生產成本。希望通過本文可以讓大家更好的認識熱電偶，能為大家帶來良好的經濟效益，節約成本。