金属工件热化学处理时测量排出的成分量的方法和装置制造方法及图纸

一方法，用于连续测量在金属工件热化学处理时从环绕工件的气氛中排出的和由工件吸收的成分量，其中，其纵向延伸明显超过其横向延伸的试样经受气氛的作用，在纵向上测量由于吸收从气氛中排出的成分而造成的试样时间上的长度变化，所测量的长度变化用于确定从气氛中向试样内传递的成分量。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种方法以及一种装置，用于在金属工件热化学处理时测量从环绕工件的气氛中排出的和由工件吸收的成分量。例如像表面硬化，渗氮或者碳氮共渗这些热化学过程具有重要意义，因为它们可以给予部件在表面范围内特殊的机械，物理和/或者化学特性。在此方面，多数热化学过程是在温度的作用下，通过一个成分或者多个成分从气相中的离析进行，由此例如碳或者氮成分的可溶原子溶解，并与工件的合金元素结合构成例如碳化物，氮化物或者碳氮共渗物。
技术介绍
取得所希望的特性首先取决于已产生表层的几何形状以及成分，即取决于表面附近范围内成分的浓度分布以及结合方式。在此方面，浓度分布是作用于部件上气氛的成分，温度和时间的结果，并可以通过相应选择时间，温度，压力以及气体成分这些参数进行调整。然而，上述参数的调整在许多情况下不能精确进行，从而难以充分证明热化学处理的结果。此方面的一个重要原因是，热化学过程的变化严重失衡，其动力学还要取决于所要处理的工件的表面状态。此外还有反应器内的对流情况以及存在异体反应表面，处理气体在该表面上面以不可控制的方式进行反应。为了至少能够在计算上部分消除上述扰动作用，特别是在表面硬化方面开发出了不同的测量-和计值方法，然而它们不能精确预测过程以具有缺点的方式变化。在例如表面硬化时，所要处理的工件在900℃至1100℃范围内的温度下经受含碳气氛。作为碳的提供者，在此方面可以使用碳氢化合物，例如甲烷或者丙烷，在处理温度时形成氢的情况下向金属表面排放碳原子。由于物理和化学的吸收，碳原子分裂，随后通过扩散过程进入金属内，其中，产生浓度分布，冷却后形成相应的淬硬分布。如果除了碳氢化合物外还存在氧载体，例如碳酸和/或者水蒸汽，那么通过与氧载体的反应形成的一氧化碳进行本身的渗碳过程。然后通过可渗入的一氧化碳-分子在工件表面的分裂进行本身的渗碳反应，其中，氧原子得到释放。分裂过程的速度还有表层渗碳主要由这些氧从表面离开决定。它或者通过可渗入的一氧化碳-分子与其他一氧化碳-分子的反应成碳酸，或者通过与氢分子反应成水蒸汽来进行，其中，后一种反应非常快。新构成的水可与新输送的碳氢化合物再生成为一氧化碳和氢，由此反应循环过程结束。在了解合金成分以及渗碳温度的情况下，可以通过测量分压力计算在平衡中调整的含碳量。这种含碳量被称为C-水平。在渗碳过程碳活性的范围内，水几乎全部离解，即一氧化碳和氢的量部分可以为不变。由此，很少的剩余氢含量可以用于确定碳活性，其中，例如采用露点-测量法可以准确确定含氢量。在与Boudouard-平衡相应类似的一氧化碳/碳酸渗碳系统中，碳酸与其他气体相反，为确定碳活性仅以很少的量存在。可以通过红外线-气体分析确定很少的碳酸量。确定碳活性的另一种方法是采用氧平衡，因为产生例如为确定碳活性的氢和水蒸汽的比例，它在一定温度下处于与氧分压力的平衡中。在此方面，可以通过利用固体电解质-探针进行测量掌握氧分压力。上述试图掌握气氛渗碳作用的所有测量方法的前提是，气氛处于与所要处理工件表面的平衡内。然而，在实施方法的过程中在金属表面实际调整的有效碳浓度，一方面取决于碳从气氛中输送的速度，另一方面取决于这些碳通过扩散进入金属内部的速度。在此方面，关键是在碳的溶解过程中变得自由的氧与表面分离的速度有多快。此外，对实际取得的渗碳重要的是，氧与表面的分离是通过与一氧化碳还是与氢的反应完成的。另外，反应器内的对流情况起到具有同样影响的作用。同时，测量反应器中气体成分的变化只是一种间接的，在许多情况下以具有缺点的方式对工件表面实际进行过程的不准确的描述。在此方面，如果热处理炉内由于过高的碳活性产生炭黑沉积，或者如果使用部分渗碳气体用以进行工件的表面氧化还原，这些过程还要进行更为复杂的调整。因此，从上述现有技术中公开的测量-和计值方法不适用于对热化学过程进行充分的预测。
技术实现思路
由此出发，本专利技术的目的在于提供一种测量方法，即使在正在进行的处理过程中，也能提供有关从气氛中排出的和由工件吸收的成分量的非常精确的数据。为实现该目的，本专利技术提出一种方法，用于在金属工件的热化学处理时，连续测量从环绕工件的气氛中排出的和由工件吸收的成分量，其中，使用一试样，其纵向延伸明显超过其横向延伸，承受气氛的作用，在纵向上测量由于吸收从气氛中排出的成分而造成的试样时间上的长度变化，所测量的长度变化用于确定从气氛中向试样内传递的成分量。依据本专利技术的方法以该技术理论为基础，即试样吸收来自气氛的成分产生体积变化，它在试样的纵向上显示长度变化，这可以直接被掌握并用于确定得到传递的成分量。在此方面，体积变化通过插入成分原子时铁晶格的扩张产生和/或者通过成分与试样的一个或者多个合金元素构成的离析形成而产生。同时，依据本专利技术提出的方法可以直接测量从气氛中转移的成分量，与从现有技术中公知的测量-计值法相比的优点是，由压力，温度，反应的表面等等决定的扰动作用对测量结果没有任何影响。依据本专利技术的方法因此可以精确确定从气氛转移到试样并由此也转移到工件上的成分量。在此方面，量的确定可以具有优点的方式连续进行，它提供了能够非常精确预测的可能性，因为可以借助时间上所掌握的变化，计算由于依据本专利技术的方法非常高的测量精度而仅具有非常小误差的预测。为确定试样的长度变化，将该试样固定在为此构成的支柱内。支柱由两个支座组成，其中，一个支座位置准确地定位，另一个支座可相对于定位的支座移动设置。由于设置在两个支座之间的试样纵向延伸，一个支座相对于另一个支座发生位移。总体上由于试样的长度变化产生的两个支座的彼此偏移，与试样总体上出现的长度变化相当。试样通过吸收来自气氛中的成分产生长度变化，其中，成分与试样的纵轴线垂直扩散到该试样内。随着成分的这种扩散产生试样的体积变化，这种变化在两个与试样的纵轴线垂直构成的端面上也引起表面分布的变化。开始时试样的两个端面平面构成，从而总体上试样两个端面表面分布时间上的高度变化导致试样时间上的长度变化。表面分布时间上的高度变化或由此产生的试样长度变化，依据本方法用于确定排到试样上的成分量。在此方面，所测量的长度变化作为可直接测量的数值，用于确定由试样吸收的成分量。依据本专利技术的另一特征，试样和工件在相同的温度下承受气氛的作用。由此实现既适用于试样也适用于工件的相同的起始条件，从而无需校正计算便可将在试样上测量到的情况传递到被处理的工件上。它特别适用于为试样选择与工件相同的合金。试样可以直接设置在热化学处理设备的炉室内。作为现场情景传感器或者C-流量传感器，可以将试样同样直接装入热化学处理设备内。也可选择将试样设置在处理设备的外面，并对其施加从处理气氛中提取的气流。依据本专利技术的另一特征，方法实施等温进行。这种方法实施的优点是，试样产生不受温度影响的长度变化。然后可以简单的方式无需校正计算地进行所吸收的成分量的确定。对此也可以选择在变化的温度下实施该方法。如果处理金属工件的方法实施受工艺限制不能仅在一种温度下进行的话，这一点是特别需要的。在变化的温度下实施该方法，则必然需要对由于温度变化附加产生的试样的长度变化在计算上进行补偿。这一点虽然与等温的方法实施相比意味着增加费用，但优点是，依据本专利技术的方法即便在方法实施期间不同温度调整的这种方法实施情况下也能使用。依据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：海因里希·费克汀格尔，
申请(专利权)人：伊普森国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：