不同退火工藝對(duì)貴金屬熱電偶熱電性能的影響

摘要:熱電偶的熱處理狀態(tài)對(duì)其測(cè)溫及檢定至關(guān)重要。依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，偶絲在測(cè)量前需進(jìn)行通電退火來保證其測(cè)溫正確性，而工業(yè)生產(chǎn)上常采用箱式爐退火成半硬態(tài)產(chǎn)品或按照客戶需求出廠未退火的硬態(tài)產(chǎn)品。本文以同名極比較法分別測(cè)量了通電退火、箱式爐退火及未退火狀態(tài)下的S型熱電偶、R型熱電偶和B型熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)，對(duì)比研究了不同退火工藝對(duì)貴金屬熱電偶熱電性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)通電退火的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)在允差范圍內(nèi)時(shí)，采用箱式爐退火后退火不充分，導(dǎo)致S型和R型熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)偏低，而B型熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)偏高。
1引言
       貴金屬熱電偶具有測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)溫溫區(qū)寬、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油化工、玻璃纖維、電于電工、航空航天等領(lǐng)域1-61。在目前國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)頒布的貴金屬熱電偶型號(hào)中，常用的是S型(PtRh10/Pt)、R型(PtRh13/Pt)、B型(PtRh30/PtRh6)3種貴金屬熱電偶，負(fù)板為鉑絲的S型和R型熱電偶被稱為單鉑銠熱電偶，正負(fù)板均為鉑銠合金絲的B型熱電偶被稱為鉑銠熱電偶。
        依據(jù)JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶》檢定規(guī)程，測(cè)量前的退火無論對(duì)于新制的或使用中的熱電偶都是必須進(jìn)行的過程(8],是為丁讓偶絲重組在拉拔過程中被破壞的晶粒結(jié)構(gòu)、消除其加工應(yīng)力產(chǎn)生的晶格畸變、揮發(fā)表面雜質(zhì)、使成分均勻擴(kuò)散、改善金相組織達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),以免熱電偶在使用過程中因金相組織發(fā)生變化而影響穩(wěn)定性和精度I。然而大批量生產(chǎn)的熱電偶絲在出廠前，沒有足夠條件對(duì)所有產(chǎn)品都進(jìn)行懸掛通電退火,而是通過箱式退火爐將整卷熱電偶絲退火成半硬態(tài)，有時(shí)也需按照客戶要求直接出廠未退火的硬態(tài)產(chǎn)品。為研究不同退火工藝對(duì)不同型號(hào)貴金屬熱電偶熱電性能的影響，為貴金屬偶絲的出廠及使用狀態(tài)提供指導(dǎo)，本文以同名板比較法進(jìn)行J系統(tǒng)的對(duì)比性實(shí)驗(yàn),分別測(cè)量通電退火、箱式爐退火及未退火狀態(tài)下S型、R型和B型熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)。
2實(shí)驗(yàn)
2.1樣品制備
       試驗(yàn)所采用貴金屬熱電偶絲，其采用純度99.95%的海綿鉑、99.95%銠粉通過配料、真空熔煉、鍛造、扎條、拉拔等工序制備得到o0.5mm的試驗(yàn)樣品。
選取S型(PtRh10/Pt)、R型(PtRh13/Pt)、和B型(PtRh30/PtRh6)熱電偶各3支,將6支樣品分為.兩組分別以通電退火(編號(hào)為S-1、R-1、B-1)和箱式爐退火(S-2、R-2、B-2)進(jìn)行處理，并與3支未退火的樣品(S-3、R-3、B-3)進(jìn)行對(duì)比。
2.2退火方式
       在對(duì)貴金屬熱電偶進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量之前，需進(jìn)行通電退火處理。將清洗后的熱電偶絲懸掛在退火架上，調(diào)節(jié)電流使其在1100℃~1400℃持續(xù)退火1.5~3h,不同型號(hào)熱電偶的正負(fù)板熱電偶絲(φ0.5mm)的具體退火溫度和時(shí)間見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16701-2010《貴金屬、廉金屬熱電偶絲熱電動(dòng)勢(shì)測(cè)量方法》10]。而箱式爐退火處理控制在750℃~1100℃持續(xù)0.5h,與通電退火相比，其退火溫度更低、退火時(shí)間更短。
2.3對(duì)比實(shí)驗(yàn)
       將不同處理方式的S型熱電偶(S-1、S-2、S-3)和R型熱電偶(R-1、R-2、R-3)通過同名板比較法在419.527℃.660.323℃.1084.62℃進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)檢測(cè);對(duì)B型熱電偶(B-1、B-2、B-3)通過同名板比較法在1100℃、1300℃、1500℃進(jìn)行熱電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)。
3結(jié)果與討論
3.1S型熱電偶的結(jié)果分析
       三組不同處理方式的S型熱電偶樣品的配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)和溫度偏差、以反對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)I級(jí)和II級(jí)熱電動(dòng)勢(shì)范圍要求1叫,如表1所示。.
      由表1可得，隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火，其配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)越來越低，溫度偏差也越來越低。對(duì)照熱電動(dòng)勢(shì)范圍可知，經(jīng)通電退火的S型熱電偶，測(cè)得其熱電動(dòng)勢(shì)在I級(jí)范圍內(nèi)且偏上;當(dāng).僅進(jìn)行箱式爐退火時(shí),其熱電動(dòng)勢(shì)值在I級(jí)范圍下限邊緣;當(dāng)不進(jìn)行退火處理時(shí)，其熱電動(dòng)勢(shì)值遠(yuǎn)低于II級(jí)范圍下限。
S型同名板的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)(以懸掛退火的樣品為參考)數(shù)據(jù)反變化趨勢(shì)如圖1所示。
       由圖1可得，隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火，正板SP(PtRh10)相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)負(fù)向移動(dòng)，而負(fù)板SN(Pt)的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)正向移動(dòng)，因而其S型熱電偶的配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)(由正板-負(fù)板得到)呈更大負(fù)向移動(dòng)的趨勢(shì)。溫度越高趨勢(shì)越明顯，且退火對(duì)負(fù)板Pt的影響大于對(duì)正板鉑銠10的影響。

3.2R型熱電偶的結(jié)果分析
       三組不同處理方式的R型熱電偶樣品的配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)和溫度偏差、以及對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)I紙和I紙熱電動(dòng)勢(shì)范圍要求叫，如表2所示。

        由表2可得，隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火，其配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)越來越低，溫度偏差也越來越低。對(duì)照熱電動(dòng)勢(shì)范圍可知，經(jīng)通電退火的R型熱電偶，測(cè)得其熱電動(dòng)勢(shì)在I紙范圍內(nèi);當(dāng)僅進(jìn)行箱式爐退火時(shí)，其熱電動(dòng)勢(shì)值只能滿足II紙范圍;當(dāng)不進(jìn)行退火處理時(shí)，其熱電動(dòng)勢(shì)值遠(yuǎn)低于II紙范圍下限。
       R型同名板的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)如圖2所示。

       由圖2得知，隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火，正板RP(PtRh13)相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)負(fù)向移動(dòng)，而負(fù)板RN(Pt)的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)正向移動(dòng)，因而其R型熱電偶的配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)呈更大負(fù)向移動(dòng)的趨勢(shì)。溫度越高趨勢(shì)越明顯，且退火對(duì)負(fù)板Pt的影響大于對(duì)正板鉑銠13的影響。
3.3B型熱電偶的結(jié)果分析
       三組不同處理方式的B型熱電偶樣品的配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)和溫度偏差、以及對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)I級(jí)和I級(jí)熱電動(dòng)勢(shì)范圍要求1,如表所示。
由表3可得，隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火，其配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)越來越高，溫度偏差也越來越高。對(duì)照熱電動(dòng)勢(shì)范圍可知，經(jīng)通電退火的B型熱電偶，測(cè)得其熱電動(dòng)勢(shì)在I級(jí)范圍內(nèi);當(dāng)進(jìn)行箱式爐退火或不進(jìn)行退火處理時(shí)，其熱電動(dòng)勢(shì)值也能滿足II級(jí)范圍。
       B型同名板的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)如圖3所示。

       由圖3得，隨著樣品從通電退火到箱式爐退火到未退火，正板BP(PtRh30)相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)正向移動(dòng)，而負(fù)板BN(PtRh6)的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)負(fù)向移動(dòng),因而其B型熱電偶的配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)呈整體正向移動(dòng)的趨勢(shì)。溫度越高趨勢(shì)越明顯，且退火對(duì)負(fù)板鉑銠6的影響大于對(duì)正板鉑銠30的影響。
3.4退火對(duì)貴金屬熱電偶熱電性能的影響
       S型、R型和B型熱電偶在不同處理方式下，從偶絲狀態(tài).上來看，通電退火為軟態(tài)，箱式爐退火為半硬態(tài),未退火為硬態(tài)。而在銅點(diǎn)(1084.62℃)的同名板相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)、配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)和溫度偏差匯總?cè)绫?所示(以懸掛通電完全退火的樣品為參考)。
       由表4可知，以通電退火為參考基準(zhǔn)，箱式爐退火和未退火處理都會(huì)使Pt的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)偏高,使PtRh10/PtRh13/PtRh6偏低，但對(duì)PtRh30影響不太大。從而導(dǎo)致S型和R型熱電偶配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)偏低(正板偏低、負(fù)板偏高)，產(chǎn)生負(fù)的溫度偏差;導(dǎo)致B型熱電偶配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)偏高(正板稍微偏高、負(fù)板明顯偏低)，產(chǎn)生正的溫度偏差。從熱電動(dòng)勢(shì)的偏差程度上看，未退火比箱式爐退火偏差程度更明顯，但總體偏差趨勢(shì)一致，證明箱式爐退火起了一定的作用但仍然退火不夠充分。退火處理對(duì)于鉑板的熱電性能影響較大，主要是因?yàn)榧冦K在冷加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變強(qiáng)化效應(yīng),而在退火或高溫服役下該效應(yīng)會(huì)消失，純鉑退火發(fā)生再結(jié)晶后各晶面擇優(yōu)取向隨退火溫度的升高逐漸趨于穩(wěn)定[2]。

4結(jié)論
(1)熱電倜絲經(jīng)箱式爐退火會(huì)導(dǎo)致退火不夠充分，S型熱電偶在銅點(diǎn)(1084.62℃)的熱電動(dòng)勢(shì)值偏低20μV,溫度偏差約為-2℃;R型熱電倜在銅點(diǎn)(1084.62℃)的熱電動(dòng)勢(shì)值偏低22μV，溫度偏差約為-2℃:B型熱電偶在1500℃的熱電動(dòng)勢(shì)值偏高約19μV,溫度偏差約為+1.6℃.
(2)對(duì)于未退火處理的熱電偶絲，S型熱電偶在銅點(diǎn)(108462℃)的熱電動(dòng)勢(shì)值偏低60μV,溫度偏差約為-5℃;R型熱電偶在銅點(diǎn)(1084.62℃)的熱電動(dòng)勢(shì)值偏低63μV,溫度偏差約為-5℃;B型熱電偶在1500℃的熱電動(dòng)勢(shì)值偏高約23μV,溫度偏差約為+2.0℃.
(3)對(duì)于熱電偶單板，退火不充分使鉑板Pt的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)偏高，使鉑銠合金絲PtRh10、PtRh13、和PtRh6偏低，對(duì)鉑銠合金絲PtRh30影響不明顯。對(duì)于熱電偶雙板，退火不充分使S型和R型熱電偶配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)偏低，使B型熱電偶配對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)偏高。
(4)熱電偶的退火處理對(duì)其測(cè)溫及檢定都至關(guān)重要，因此各型丹貴金屬熱電偶在測(cè)試和使用前都應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的退火條件,進(jìn)行充分退火處理從而保證其測(cè)溫正確性。