CN1506682A - 金属工件热化学处理时测量排出的成分量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一方法，用于测量在金属工件热化学处理时，从气氛中排出的成分量。为提供即使在正在进行处理过程中，也能产生有关从气氛中排出的和由工件吸收的成分量相当精确数据的测量方法，本发明提出一种方法，用于在金属工件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，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。

Description

金属工件热化学处理时测量排出 的成分量的方法和装置

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

由此出发，本发明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，本发明提出一种方法，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。

依据本发明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，依据本发明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。依据本发明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，计算由于依据本发明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。

依据本发明的另一特征，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。

依据本发明的另一特征，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，依据本发明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。

依据本发明的另一特征，在试样确定的冷却时出现的表面分布变化的数值，最好是试样纵向上的长度变化，和/或者这种变化的温度范围，用于确定所传递的成分的量和成分的分布。公知在铁基材料的相位转变时，例如从奥氏体向珠光体转变时，出现体积变化或长度变化，其数值和温度范围与从气相中吸收的成分的量和成分的分布相关。不同于从现有技术中公知的测量-和计值法，依据本发明的方法还提供了这种可能性，可以确定或预测的不仅是量，而且还有从气氛中排放到工件上或者试样上成分量的分布。特别是部件几何形状复杂的情况下具有优点，因为可以依据来自气氛中的成分在部件上的富集，对几何形状上难于接近的那些范围进行精确的预测。当然，在使用依据本发明方法的情况下，也可以确定或预测浓度分布。

依据本发明的另一特征，试样上的物质传递与工件上的物质传递相似进行。它的实现可以通过将试样直接设置在工件附近的炉室内，或如果设置在炉室外面的话，可在试样上调整相似的流动比和温度比。

依据本发明的另一特征，包含成分的气氛以确定的流动速度从试样和/或者工件上流过。这种方法的变化以具有优点的方式支持方法的实施，结果是可以比较精确地测量试样的长度变化以及更为准确地说明所传递的成分量。

依据本发明的另一特征，在使用管状试样的情况下，仅通过外表面吸收成分。这例如可以通过将管状试样的内表面覆盖或者具有对成分不渗透的覆盖层来实现。

依据本发明的另一特征，使用碳作为成分。试样同时也作为“C-传感器”或“C-探针”使用，并可以确定渗碳过程中从输送到气氛上的碳载体传递到试样上并因此也传递到所要渗碳的工件上的碳量。

为实现上述目的还涉及到一装置，用于在金属工件热处理时，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，带有试样的支柱，试样的纵向延伸明显超过其横向延伸，带有长度测量系统，用于掌握试样在纵向上的时间上的长度变化以及带有一计算机单元。

装置侧具有试样的支柱。支柱用于将试样位置可靠地定位在气氛内。连接在该支柱上的是长度测量系统，用于掌握支柱内试样时间上的长度变化。在此方面，测量试样纵向上的长度变化。将长度测量系统掌握的长度变化输送到计算机单元，在使用预先规定的计算步骤情况下，从所测量的长度变化中确定从气氛中传递到试样内的成分量。使用依据本发明的装置，可以具有优点的方式，借助试样可直接测量的几何形状尺寸确定所传递的成分量，从而在使用依据本发明装置的情况下，可以尽可能消除在从现有技术中公知的间接测量-计值方法中使测量结果失真的扰动。因此，在使用依据本发明装置的情况下，可以对由试样或工件从气氛中吸收的成分量进行精确的测量以及精确的预测。

依据本发明的另一特征，试样的支柱具有两个支座，其中，一个支座在其位置上向长度测量系统定位。同时具有向长度测量系统不可移动设置的第一支座以及第二支座，后者无论是向第一支座还是向长度测量系统均可相对移动设置。由支柱接受的试样端面由两个支座保持。热化学方法实施开始时，试样的端面为平面，其表面紧贴在各自的支座上。在方法实施的过程中，通过吸收来自气氛的成分产生试样的体积变化，从而导致试样紧贴在支座上的两个端面的表面分布变化。表面分布的变化通过开始时平面构成的端面时间上的高度变化表示，从而由于来自气氛的成分在试样上的富集也造成试样在纵向上的延伸。纵向上的这种长度变化造成相对移动设置的支座移动。这种支座移动由长度测量系统掌握并传输给计算机单元，然后在可预先规定的计算原则的基础上将掌握的试样的长度变化转换成确定所吸收的成分量。

依据本发明的另一特征，至少一部分试样支柱设置在气氛里面。通过这种措施确保试样尽可能承受与所要处理的工件相同的气氛。因此，最好整个支柱连同试样均设置在气氛里面。

依据本发明的另一特征，长度测量系统设置在气氛的外面或至少在气氛加热区的外面。这种设置的优点是，该系统承受不到气氛里面的温度或那里的压力。这样可以具有优点的方式消除了由外部影响造成的测量结果失真。

依据本发明的另一特征，长度测量系统为一光学长度测量系统。最好使用可以提供精确测量结果的借助激光工作的长度测量系统。也可以选择使用机械式长度测量系统，它不同于光学长度测量系统的优点是很少受到外界影响的干扰。

依据本发明的另一特征，具有试样的流动通道。作为流动通道例如可以使用里面设置试样的管。在此方面，使用流动通道的优点是，可以为试样确定一种流动环境，从而可以确定更加精确的测量结果。

依据本发明的另一特征，具有温度传感器。它的作用是确定方法实施过程中环绕工件和试样的气氛里面可能变化的温度。这样可以借助所测定的温度值掌握由于温度变化附加产生的试样的长度变化，并为校正计算将其传送到所连接的计算机单元。然后，一方面从所测量的试样长度变化中，另一方面从通过温度变化引起的试样附加长度变化中确定所传递的成分量。

本发明还涉及一试样，用于在金属工件热化学处理时，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，带有明显超过横向延伸的纵向延伸。

试样这种几何形状的优点是，由于从气氛中吸收的成分产生的体积变化特别是在纵向伸长方面非常明显，从而可以具有优点的方式简化方法实施。作为试样可以优选使用圆棒或者作为管构成的试样。为避免在管状构成的试样中内表面吸收来自气氛的成分，需要时内表面可以具有对来自气氛的成分不渗透的覆盖层。

附图说明

下面借助附图对本发明的其他优点和特征进行说明。其中：

图1示出浓度分布变化的曲线图；

图2示出长度分布变化的曲线图；

图3示出在假设可塑状态的情况下时间点t1上浓度分布变化的曲线图；

图4示出在假设可塑状态的情况下时间点t2上浓度分布变化的曲线图；

图5示出依据第一方法步骤浓度分布变化的曲线图；

图6示出依据第二方法步骤浓度分布变化的曲线图；

图7示出依据本发明装置第一实施例的示意图；

图8示出依据本发明装置第二实施例的示意图；

图9示出试样时间上长度变化的曲线图；

图10示出长度变化在温度上分布的曲线图；以及

图11示出依据本发明装置第三实施例的示意图。

具体实施方式

图1以图解方式示出在与试样纵向垂直的剖面上试样浓度分布16的变化。在此方面，13和14分别表示位置坐标和浓度坐标。位置坐标13和浓度坐标14的截点用131表示，它参照位置坐标13相当于边界，即试样的表面。

正如从浓度分布16的变化可以清楚看出的那样，分布从最大边界浓度16a出发，随着位置坐标13前行一直降到数值16c，该数值基本上相当于实施热化学过程之前试样的起始浓度。点16b表示浓度分布16的分布曲线和与边界浓度16a和起始浓度16c相关的浓度分布16的平均值16d之间的截点。

在实施用于金属工件处理的热化学过程的范围内，成分，例如碳从气氛中传递到金属工件上。在此方面，原子在工件金属晶格中晶格间上的介入导致造成宏观层面上体积增加的晶格扩张。这种体积增加与所吸收的浓度几乎成比例。在其纵向延伸基本上超过横向延伸的试样上，这种体积增加可以表现为纵向上的线性延长。如果将这种长度变化与起始长度进行比较，那么，由此得出与所引导的浓度变化成函数关系的试样的相对延长。

图2示出在假设试样为线性-弹性状态下，依据曲线161沿位置坐标13的试样长度分布，正如假设中的试样会出现的那样，其各层在力学上可自由地相对运动。根据一方面相对延长和另一方面成分吸收之间的比例关系，得出与浓度分布162成比例分布的长度分布161。在此方面，在边界上，即试样表面的外部区域内，产生最大相对长度161a，而起始长度161c不变地保持在试样的内部。虚线加点构成的直线161d相当于相对长度变化的平均值。

图2示出的分布从这一假设出发，即试样的各层在力学上可自由相对运动。然而，实际上各层相互连接，即它们不能根据所吸收成分的局部浓度在长度上自由调整，从而出现剪应力。图2中用161b表示的位置为中性层，即试样发生从高富集边界区域的压缩应力转移到试样内部拉应力的那条线。通过这种剪应力的作用，图2中假设示出的相对长度变化161的分布变形为长度变化162的实际分布，即最大延长161a在压缩应力的影响下降低到延长值162a，而最小相对延长161c通过拉应力上升到数值162b。

参照图3-4，假设为一种完全可塑的状态。在此方面，图3示出时间点t1上的浓度分布16和靠后时间点t2上的浓度分布17。16a表示分布的恒定边界浓度，16c相当于扩散开始前在这两个时间点上仿佛存在于试样内部的起始值。16b和17b分别表示在两个时间点上产生与虚线16d和17d相应的平均浓度的位置。坐标132相当于两个时间点t1和t2之间最大浓度变化17e的位置。

依据图4的曲线图示出，根据两个时间点t1和t2之间的轴线141，沿位置坐标轴线13，即在与试样的纵向横对的扩散方向上的局部浓度变化。在此方面，虚线17f相当于这些时间点之间平均浓度的增长。

为理解依据图5轴线711表示相对长度变化的曲线图，假设试样长度的起始分布在时间点t1上为平面，即不同于图1和2中完全弹性情况下的例子，分布在剪应力的影响下扩散期间一直为平面。如果时间点t1和t2之间的这种张驰过程瞬间“凝固”，那么会产生相应于依据图5的曲线18长度变化的分布，其中，在坐标值132中出现最大的相对长度变化18e，从而导致构成压缩应力区。在点18g和18h上，负剪应力从两侧传递到正剪应力的区域内。压缩应力的区域以及两个拉应力区域为不同的阴影部分所示。

依据图6的曲线图示出依据图5相对长度分布18张驰的第二设想步骤。在此方面，分布处于压缩应力下的范围降低，而其它范围上升，其中，相当于长度分布平均值18h的共同端水平面通过共同的平面调整。

实际上，图5和6中设想的彼此分别独立进行的方法步骤同时进行，即张驰与分布部位上的不同长度变化重叠。作为这种过程的结果是，试样长度均匀地增长，这一增长与总体上吸收的成分量或与那个时间点上浓度分布的平均值成比例。在实践上，试样端面分布的变化或其长度变化在像高温渗碳的热化学过程下接近完全可塑状态。在较低温度的例如像渗氮时的热化学过程下，弹性状态的比例上升。

图7举例示出在使用机械长度测量装置4的情况下实施依据本发明方法的装置。在此方面，试样1在气氛和热化学过程的温度下处于区域21内。排放成分的气氛从与箭头2相应的各个方向作用于试样1的表面。试样利用其下端面12平放在支座板31上，支座板通过支架32与长度测量装置4这样连接，使支座板31与长度测量装置4不会相对移动。在成分扩散过程中，试样1在纵向上产生长度变化。长度变化通过端面11和12表面分布的最高点继续传递到杆33上，杆再将其继续传递给长度测量装置4。

长度测量装置4例如可以是电容式或者感应式测量系统，它将测量值传送给电子的和图中没有示出的数据处理系统。长度测量装置4设置在处于区域21外面的区域22的里面。

图8示出在使用光学长度测量装置40的情况下依据本发明装置的相应设置。在此方面，与图7结构相同的部件采用相同的参考符号。在此方面，箭头34相当于依据图7的测量杆33，并代表例如可作为激光束构成的光学系统的测量射线。

通过使用应变计产生掌握试样1长度变化的另一种测量方法。将应变计在试样的纵向上安装在试样上，然后它与试样的表面同时产生长度变化。然后可以将温度补偿的延伸值同样继续传送到对所测量的长度变化计值的数据处理装置。

图9示出试样时间上长度变化的典型曲线图，它是在例如采用与图7相应的方法设置在Ck15钢试样渗碳时测量的。在此方面，箭头70代表时基，箭头71代表长度变化的轴线。曲线段73表明在加热过程时惰性气氛下出现的并紧接其后发生原始组织转变的长度变化，其中，依据点74组织转变为奥氏体。曲线段75相当于直到温度常数的延伸。直到这一瞬间，伸长曲线相当于通常伸长计的测量曲线。

在点76时，惰性气氛通过渗碳气氛，例如由一氧化碳，氢和丙烷组成的混合物置换。这时出现试样延长，在足够长的处理时间下转移到曲线段77a的饱和中。在这种状态下，整个试样中的浓度与气氛的碳活性处于平衡之中。在所示的实施例中，假设这种饱和接近碳在奥氏体中的溶度极限，即准稳态的铁-碳-曲线图的Azm曲线。

曲线段78a相当于试样的冷却，其中，在点79a时二次渗碳体离析，在点79b时珠光体离析。在本实施例中，假设饱和值处于过共析的范围内。而如果试样的饱和处于低共析的范围内，那么点79a相当于珠光体离析。

在不是通过例如用惰性气体置换渗碳气氛，直至饱和与气氛平衡的渗碳试验中，为达到饱和平顶线77a，点76后的曲线段突然中断，并几乎直接过渡到水平线段。因为在这一时间点上试样内存在从外向内下倾的分布，所以长度变化相当于冷却时，类似于不同含碳量合金的转变重叠点79a，79b上出现的曲线。

图10示出上述试验长度变化对温度的曲线图。在此方面，箭头72代表温度轴线，箭头71代表相对的长度变化。

曲线范围731至761表示试样在惰性气氛中加热，其中，到奥氏体的转变在点741时结束。接着在点761和771a之间由于渗碳过程产生等温的长度变化。曲线段771a-781a-791a-791b相当于利用在点791a和791b上的转变渗碳后试样的冷却。

图11示出按照依据本发明的方法测量试样长度变化的装置举例。在此方面，试样1利用端面12立在支座板31上，利用另一端面11顶住杆331，它是与试样1相关的第二支座。试样1在热化学过程期间承受高温，而本身的长度测量装置可选择安装在冷却凸缘324上，冷却凸缘从它那面利用壁5对热化学反应器气密封闭，长度测量装置承受基本上接近常温的温度级，所以形成陡直的温度梯度。试样的长度变化因此通过杆331以及支座板31支架的长度变化叠加。为将这种干扰作用保持在很小程度，杆331由陶瓷，例如石英制成。在此方面非常重要的是，与试样的端面11产生接触的石英棒的端面完全磨平，直径超过试样的直径，以确保端面11的所有点与石英棒的端面产生接触。

为了补偿杆331在温度梯度中虽然很小，但由于其长度始终存在的长度变化，支座板31与凸缘324的距离同样通过杆322调整，它优选由与杆331相同的陶瓷材料构成。因为陶瓷材料对机械负荷具有脆断性，所以支座板31设置在耐高温的金属管321上，该管连同金属环323压向处于部件324的孔325内的压簧325。在下面通过金属管321与支座板31固定连接的陶瓷杆322由此配合端面的与部件324连接的金属支架。温度变化下伸长很大的金属管321因此仅使弹簧325的挤压发生变化，而支座板31与金属部件324的距离通过陶瓷杆322很少变化的长度确定。

在依据图11的实施例中，本身的长度测量感应式进行，方法是陶瓷杆331在上面具有圆柱体的金属件411，金属件的移动由感应式测量线圈421通过壁420感知。

此外，还具有例如像铠装热电偶的温度传感器6，它通过绝缘套管61穿过凸缘324，并通过连接线62连接在数据检测装置上。无论是长度测量装置还是温度传感器的测量值均输送到图中未示出的数据检测装置，随后利用相应的电子计算程序换算成试样内成分的浓度分布。

该方法的一个主要优点是，可以在很宽的范围内改变扩散几何形状，并由此配合所要控制的热化学过程的活度和时间，例如用壁厚0.1mm管直至直径6mm或更大的圆柱体实心体。此外，试样的合金也可以在与所要控制的炉次的材料相一致的情况下进行选择，从而测量结果可以直接传递到炉次的状态上。

下面，以表面硬化过程为例，介绍实施依据本发明的控制方法：

若渗碳时间较短，可以尽可能地不考虑工件的形状来假设一维非稳态扩散的过程。若试样的壁厚足够大，例如直径足够大的实心圆柱体，该过程也适用于这种试样。某种材料的扩散系数在已知温度下是材料常数，利用其可以在已知的碳-边界浓度时简单计算出扩散分布。边界浓度在平衡中是气氛碳活性的函数，碳活性可从气体成分中计算出，并通过钢的溶度特征值在使用合金的活性系数情况下换算成碳浓度。然而，碳从气氛到金属晶格表面传质系数的数值是未知数。该分布可以进行如下计算：根据依据本发明的方法，每个时间点上全部渗入试样的碳量是已知的。从中直接得出与时间单位和面积单位相关的碳-物料流量。依据本发明的装置因此是直接测量的C-流量-传感器。根据已知的扩散数据，通过阿仑尼乌斯-公式对所使用的温度计算出合金中碳的扩散系数。借助于柱面坐标的非稳态扩散公式的解确定边界浓度，该边界浓度与过去的时间内已知的扩散系数导出测量的平均含碳量。将该边界浓度通过非稳态公式转换成工件几何形状范围内的浓度分布。

上述为表面硬化介绍的那些过程依据意义也可以用于其他热化学过程，例如渗氮过程。

如果在渗碳过程的范围内改变温度，那么尽管如此仍能精确确定含碳量的变化。为此目的，从整个长度变化中减去在所观察的温度范围内根据奥氏体线膨胀系数得出的长度变化。长度变化的余额相当于由试样所吸收的碳的相对量。

Claims (20)

1.一方法，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。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，试样和工件在相同温度下经受气氛的作用。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法等温进行。

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法在温度变化时进行，其中，由于温度变化附加产生的试样的长度变化在计算上予以补偿。

5.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在试样确定的冷却时出现的表面分布变化的数值，最好是试样纵向上的长度变化的数值，和/或者这种变化的温度范围，用于确定所传递的成分的量和成分的分布。

6.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在使用管状试样时仅通过外表面吸收成分。

7.按权利要求1-5之一所述的装置，其特征在于，在使用管状试样时通过外表面和内表面吸收成分。

8.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，使用碳作为成分。

9.一装置，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，特别是用于实施按权利要求1-8之一所述的方法，带有试样的支柱，试样的纵向延伸明显超过其横向延伸，带有长度测量系统，用于掌握试样在纵向上的时间上的长度变化以及带有一计算机单元。

10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，试样的支柱具有两个支座，其中，一个支座在其位置上向长度测量系统定位。

11.按权利要求9或10所述的装置，其特征在于，至少试样支柱的一部分设置在气氛的里面。

12.按权利要求9-11之一所述的装置，其特征在于，长度测量系统设置在气氛的外面。

13.按权利要求10-12之一所述的装置，其特征在于，试样设置在热化学热处理装置炉室的里面。

14.按权利要求10-13之一所述的装置，其特征在于，长度测量系统为光学长度测量系统。

15.按权利要求10-13之一所述的装置，其特征在于，长度测量系统为机械式长度测量系统。

16.按权利要求10-15之一所述的装置，其特征在于，具有试样的流动通道，最好为管状。

17.按权利要求10-16之一所述的装置，其特征在于，该装置具有温度传感器。

18.一试样，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，特别是用于实施按权利要求1-9之一所述的方法，带有基本上超过横向延伸的纵向延伸。

19.按权利要求18所述的试样，其特征在于，该试样为圆棒。

20.按权利要求18所述的试样，其特征在于，该试样为管。

Images