DD245052A1 - Anordnung und verfahren zur kontrolle von waermebehandlungsprozessen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Anwendung der Anordnung zur Kontrolle von Waermebehandlungsprozessen wie Gasnitrierung mit dem Ziel, reproduzierbare Behandlungsergebnisse mit optimiertem Zeit-, Energie- und Materialaufwand zu erreichen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung fuer die Kontrolle von Waermebehandlungsprozessen wie Gasnitrierung und dazu ein Verfahren zur Kontrolle des Zustandes der Gasatmosphaeren mit dieser Anordnung anzugeben. Dabei werden die wesentlichen Prozessgroessen aus den Signalen von vier Festelektrolyt-Gassensoren gewonnen, wobei der Gassensor I im Behandlungsgas den im Nichtgleichgewicht dieses Gases aktuellen Sauerstoffpartialdruck, der Gassensor II in Verbindung mit einer beheizten Katalysatorstrecke einen fuer die Entfernung des Zustandes der Gasphase von ihrem Gleichgewichtszustand charakteristischen Parameter, ein Gassensor III einen Wert fuer den Kohlenstoffpegel des Behandlungsgases und ein Gassensor IV eine Hilfsgroesse fuer eine dem Gassensor III vorgeschaltete Gasdosiereinrichtung liefert. Fig. 5

Description

Danach ist es üblich, im Ammoniak-Luft-Gemisch mit einem Meßgerät nach dem paramagnetischen Prinzip die Sauerstoffkonzentration und im Abgas des Wärmebehandlungsofens mit einem Meßgerät nach dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip die Wasserstoff konzentration zu messen. Aus den Meßergebnissen läßt sich das Partialdruckverhältnis ρ (NH₃) / ρ (H₂)³'² berechnen, mit dessen Veränderung die Eisen-Stickstoff-Phasen in der Randschicht eingestellt werden. Die Bestimmung der Volumenanteile Ammoniak in Ammoniak-Wasserstoffvolumenanteilen in der Wasserstoff-Ammoniak-Stickstoff-Gasmischung ist immer dann ohne Probleme möglich, wenn keine weiteren Gaskomponenten im Nitriergas anwesend sind.

Sobald dem Ausgangsgas Ammoniak eine oxydierende Gaskomponente zugesetzt wird (zum Beispiel Sauerstoff, Luft, Kohlendioxid) ist eine eindeutige Zuordnung des Dissoziationsgrades zu der gemessenen Gaskomponente Ammoniak oder Wasserstoff nicht mehr möglich. Grundsätzlich sind sämtliche Volumenanteile mit Verfahren und Vorrichtungen der Gaschromtografie bestimmbar. Nachteilig sind der hohe apparative und personelle Aufwand sowie die diskontinuierliche Arbeitsweise.

Allen bisher genannten Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sie nur zur Ermittlung der Zusammensetzung des Abgases eingesetzt werden können. Aus (J. Lachtin u.a.: Neue Hütte 22 [1977] 6, S. 320) isteine Vorrichtung zur Messung der Atmosphäre innerhalb des Ofens bekannt. Sie basiert auf der Messung des lonenstroms. Nur über die Bestimmung des Ammoniak-Ionenanteils ist die Kennzeichnung des Dissoziationszustandes des Ammoniaks möglich. Sobald dem Ausgangsgas Ammoniak eine oxydierende Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff, zugesetzt wird, ist keine eindeutige Zuordnung des Dissoziationsgrades zu der gemessenen Gaskomponente mehr möglich.

Die Kontrolle und Führung von Nitrierpro?essen kann nicht durch Überwachungsmaßnahmen vor oder hinter dem Wärmebehandlungsofen effektiv gestaltet werden, sondern nur durch die Messung prozeßbestimmter Größen direkt in der Nähe der Werkstückoberfläche.

Auch bisher vorgeschlagene Anordnungen von Festelektrolytmeßzellen brachten nicht den gewünschten Erfolg. Die in den DD-PS 222415 und DD-PS 222416 vorgeschlagenen Anordnungen mit Festelektrolytmeßsonden erfüllen weder die Funktion zuverlässig, noch sind sie geeignet, die Informationen über den Kohlenstoffanteil des Behandlungsgases zu liefern. Obwohl in der DD-PS 227802 für eine Teilfunktion, die katalytische Zersetzung des Ammoniaks, eine geeignetere Lösung gefunden wurde, ist der vorstehend genannte Mangel nicht beseitigt.

Bisher wurde keine Vorrichtung angegeben, die es gestattet, die für die Führung von Wärmebehandlungsprozessen benötigten Parameter insgesamt zu ermitteln.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei der Wärmebehandlung von Werkstücken durch Gasnitrierung, Gasoxi-, Gaskarbo- und Gasoxikarbonitrierung sowie beim Karbonitrier- bzw. Nitrierhärten gleichbleibende Qualität sowie Zeit-, Energie- und Materialeinsparungen zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für die Kontrolle von Wärmebehandlungsprozessen, wie Gasnitrierung, Gasoxi-, Gaskarbo- und Gasoxikarbonitrierung sowie Karbonitrier- bzw. Nitrierhärten und dazu ein Verfahren zur Kontrolle des Zustandes der Gasatmosphären mit dieser Anordnung anzugeben.

Die Lösung der Aufgabe wird in einer Anordnung gesehen, die aus zwei eng beeinander montierten Festelektrolytmeßsonden I; Il und einem am Gasaustritt der Festelektrolytmeßsonde Il eng und thermisch isoliert angeschlossenen CO2-Sensor IM mit vorgeschalteter Gasdosiereinrichtung zur vollständigen Umsetzung des aus der Festelektrolytmeßsonde Il abgesaugten Gases und einem beheizten oxidionenleitenden Festelektrolytsensor IV zur Einstellung oder Regelung der Gasdosierung besteht.

Die Festelektrolytmeßsonde I, die sogenannte q-Sonde, enthält auf einem oxidionenleitenden Festelektrolyt eine Meßelektrode, die dem Behandlungsgas ausgesetzt istundeineder ersten Elektrode gegenüberliegende, gegenüber dieser gasdicht getrennte und katalytisch vorbehandeltem Sauerstoffbezugsgas ausgesetzte Bezugselektrode, sowie ein Thermoelement zur Bestimmung der Prozeßtemperatur.

Die Festelektrolytmeßsonde II, die sogenannte α-Sonde, besteht im wesentlichen aus einem oxidionenleitenden Festelektrolyt und einer elektrisch beheizten Katalysatorstrecke, wobei die erste auf dem Festelektrolyt angeordnete Elektrode dem Behandlungsgas ausgesetzt ist und die zweite, der ersten Elektrode gegenüberliegende und von dieser gasdicht getrennte Elektrode dem durch die Katalysatorstrecke vollständig umgesetzten Behandlungsgas ausgesetzt ist.

Das vollständig umgesetzte Behandlungsgas wird abgesaugt, mit einem Oxydationsgas in stöchiometrischem Überschuß vermischt, durch vollständige Verbrennung ins chemische Gleichgewicht gebracht und dem CO₂-Sensor III zugeführt.

Vorteilhafterweise wird als C0₂-Sensor ein CO₂-empfindlicher Festelektrolyt verwendet und mit dem zur Einstellung oder Regelung der Zumischung des Oxydationsgases benötigten oxidionenleitenden Festelektrolytsensor IV zu einer Baugruppe vereint.

Dabei werden beide Gassensoren auf konstanter Temperatur gehalten, die Meßelektrode des CO₂-Sensors dem vollständig umgesetzten Behandlungsgas und die gegenüberliegende, gasdicht getrennte Bezugselektrode einem katalytisch behandeltem CO₂- und O₂haltigem Bezugsgas; die Meßelektrode des O₂-Sensors dem vollständig umgesetzten Behandlungsgas und die gegenüberliegende, gasdicht getrennte Bezugselektrode einem katalytisch behandeltem CO₂- und O₂-haltigem Bezugsgas ausgesetzt.

Die q-Meßsonde I enthält als Gassensor ein einseitig geschlossenes oxidionenleitendes Festelektrolytrohr, das an seinem geschlossenen, dem Behandlungsgas zugewandten Ende auf der Außenwandung die Meßelektrode und gegenüberliegend auf der Innenwandung die Bezugselektrode trägt, wobei sich in der Bezugsgaszuleitung eine Katalysatorstrecke befindet, welche die Aufgabe hat, den störenden Einfluß von Spuren brennbarer Gase im Bezugsgas zu beseitigen. Ein Thermoelement im Gassensor dient der Messung der Temperatur des Behandlungsgases.

Die α-Meßsonde Il besteht im wesentlichen aus einem beidseitig offenen oxidionenleitenden Festelektrolytmeßrohr, das auf seiner Außenwandung die Meßelektrode und gegenüberliegend auf seiner Innenwandung die Bezugselektrode trägt, einer mit diesem am meßgasseitigen Ende gasdicht verbundenen elektrisch beheizten Katalysatorstrecke, dem beide vorstehend beschriebenen Baugruppen aufnehmendem, an seinem meßgasseitigen Ende verschlossenen und mit einer Öffnung gegenüber der Meßelektrode versehenen Hüllrohr und einem Thermoelement zur Messung der Temperatur der Katalysatorstrecke. Zur CO₂-Messung dient vorzugsweise eine in einem mit kostanter Temperatur beheizten Hüllrohr gasdicht befestigte Verbundtablette aus einem CO2-empfindlichen und einem oxidionenleitenden Festelektrolyt, deren Meßelektroden dem durch Zumischung eines Oxydationsgases vollständig umgesetzten Behandlungsgas und deren gegenüberliegende, gasdicht getrennte Bezugselektroden einem katalytisch umgesetzten CO₂- und O₂haltigen Bezugsgas ausgesetzt sind. Der Durchfluß des für die vollständige Umsetzung bzw. Oxydation des Behandlungsgases notwendigen Oxydationsgases wird mittels einer Reglerdrossel bei konstantem Behandlungsgasdurchfluß über ein Regelventil, das nach dem O₂-Signal des CO₂-O₂-Sensors III-IV gesteuert wird, auf einem konstanten Sauerstoffwert gehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Anwendung der Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß man die benötigten Prozeßmeßgrößen aus den Signalen der vier Gassensoren gewinnt, wobei der Gassensor I (q-Sonde) im Behandlungsgas den im Nichtgleichgewicht dieses Gases aktuellen Sauerstoffpartialdruck, der Gassensor Il (α-Sonde) in Verbindung mit einer beheizten Katalysatorstrecke einen für die Entfernung des Zustandes der Gasphase von ihrem Gleichgewichtszustand charakteristischen Parameter, ein Gassensor !Il einen Wert für den Kohlenstoffpegel des Behandlungsgases und ein Gassensor IV eine Hilfsgröße für eine dem Gassensor IN vorgeschaltete Gasdosiereinrichtung liefert, indem die Signale der Gassensoren I, Il und das mit Hilfe einer Recheneinheit aus den Signalen der Gassensoren III, IV gewonnene Signal durch Variation der Parameter des Wärmebehandlungsprozesses auf den empirisch ermittelten Optimalwert eingestellt werden, wobei dabei das Signal des Gassensors IV konstant gehalten wird.

Ausführungsbeispiele

Zur Erläuterung des Verfahrens und zur Anwendung der Anordnung in Verbindung mit dem Verfahren dienen folgende Zeichnungen:

Fig. 1: Zellspannung der q-Sonde, aufgetragen über dem Partialdruckverhältnis ρ (NH₃) / ρ (H₂)³'² für 580⁰C und verschiedene Zersetzungsgrade α des Ammoniaks, der nach Reaktion des Luftsauerstoffs mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasserdampf in einem Einsatzgas aus reinem Ammoniakgas, Luft und 5 Vol.-% Kohlenmonoxid verbleibt.

Fig. 2: Zellspannung der q-Sonde, aufgetragen über der Zellspannung der α-Sonde für 58O⁰C und verschiedene Sauerstoffkonzentrationen im Einsatzgas aus reinem Ammoniak, Luft und 5 Vol.-% Kohlenmonoxid.

Fig.3: Zellspannung der α-Sonde in Abhängigkeit vom Zersetzungsgrad α des Ammoniaks in einem Gas, das neben Ammoniak im wesentlichen Inertgas, Wasserstoff und Wasserdampf enthält, bei 560, 580 und 600°C.

Fig. 4: Faktor zur Berechnung der Konzentration kohlenstoffhaltiger Verbindungen im Wärmebehandlungsgas aus der vom CO₂-Sensor angezeigten C0₂-Konzentration bei 580°C und bei einer Sauerstoffkonzentration von 10,5Vol.-% in Abhängigkeit von Ua bei verschiedenen U_q.

Fig. 5: Schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung.

Als Beispiel wird das Verfahren des Gasoxikarbonitrierens bei 580⁰C mit einem Gas betrachtet, das aus reinem Ammoniakgas mit 0,2VoI.-% Wasserdampf, verschiedenen Zusätzen von Luft mit 1,68Vol.-% Wasserdampf und 0,03Vol.-% Kohlendioxid und einem Zuschlag von 5VoI.-% Kohlenmonoxid zum Ammoniak-Luft-Gemisch besteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit der q-Sonde (Gassensor I) eine vom Partialdruckverhätlnis ρ (H₂O) + ρ (CO₂) I ρ (H₂) + ρ (CO) abhängige Zellspannung U₄ und mit der α-Sonde (Gassensor II) eine vom Zersetzungsgrad α des Ammoniaks abhängige Zellspannung Ua gemessen. Fig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen U_qundaunddem Partialdruckverhältnis ρ (NH₃) / ρ (H₂)³'². Man erkennt daraus, daß sich mit den Sonden die Nitrierbedingungen leicht direkt ermitteln und bei den kurzen Ansprechzeiten solcher Sonden die optimalen Prozeßbedingungen rasch einstellen lassen.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß man mit Hilfe der Signale der q- und α-Sonden (Gassensor I und II) auch die Sauerstoffvolumenkonzentration φ (O₂) des Behandlungsgases bestimmen kann.

Mit geringen Fehlern gilt dieses Diagramm auch für andere Prozeßtemperaturen, denn die Temperaturabhängigkeit der Zellspannungen beider Sonden beträgt unter den üblichen Nitrierbedingungen weniger als 0,1 mV/K.

In Fig.3 ist Ua in Abhängigkeit von α bei drei verschiedenen Temperaturen dargestellt.

Soll parallel zur Nitrierung eine Aufkohlung an der Metalloberfläche der zu behandelnden Werkstücke ablaufen, so interessiert die Konzentration der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente im Wärmebehandlungsraum.

Zu ihrer Ermittlung wird das aus der α-Sonde (Gassensor II) gezogene Gas genutzt, das mit Sauerstoffüberschuß völlig umgesetzt wird, so daß aus beliebigen kohlenstoffhaltigen Gaskomponenten stets Kohlendioxid zu bestimmen ist. Um einen ganz bestimmten Restsauerstoff gehalt ohne Volumen- oder Strömungsmessung einzuregeln, wird bei konstantem Durchfluß des aus der α-Sonde (Gassensor II) entnommenen Gases der Durchfluß des Oxydationsgases, i. a. Luft, so eingestellt, daß der 0₂-Sensor IV genau die Hälfte des Sauerstoffgehaltes des Oxydationsgases anzeigt. Das Volumen des mit dem Oxydationsgas stöchiometrisch umgesetzten Behandlungsgases ist dann gerade verdoppelt worden.

Die Bezugselektroden der q-Sonde (Gassensor I) und des C0₂-0₂-Sensorpaares III und IV werden zweckmäßigerweise mit Luft beschickt. Für größere Genauigkeitsansprüche stören die Schwankungen der C0₂-Konzentration der Luft, dann muß ein Bezugsgas mit konstanter bekannter C0₂-Konzentration verwendet werden. Die Stoffmenge des Behandlungsgases vergrößert sich beim Zerfall von Ammoniak, wodurch das bei gegebene kohlenstoffhaltige Gas verdünnt wird. Eine weitere Verdünnung tritt durch die Oxydationsgaszufuhr ein, so daß der CO₂-Sensor eine kleinere Konzentration mißt, als sie vor dem Wärmebehandlungsraum eingestellt wird und als sie in diesem Raum beim Zerfallsgrad α herrscht. Die bei der Wärmebehandlung wirksame Konzentration muß über einen Hilfsfaktor F aus der am СОг-Sensor gemessenen CO₂-Konzentration ermittelt werden. Im Ausführungsbeispiel mit Zugabe von Kohlenmonoxid und bei Regelung der Sauerstoffkonzentration am CO₂-Sensor auf die

halbe Sauerstoffkonzentration des Oxydationsgases erhält man, wenn im eingesetzten Gas die Sauerstoffkonzentration φ (O₂) herrscht und im Wärmebehandlungsraum der Zerfallgrad α vorliegt, die bei der Gasnitrierung wirkende СО-Konzentration φ (CO) aus der mit dem CO₂-SeOSOr gemessenen CO_rKonzentration φ (CO₂) näherungsweise aus der Gleichung

mit F =

(CO) = F ^

9,773 - 47,49 φ (O₂)

0,9974 + 0,998 a

In der Gleichung ist die COrKonzentration von Luft mit 0,03Vol.-% berücksichtigt worden.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm für Fin Abhängigkeit von U_q und U_a bei einer Prozeßtemperatur von 580⁰C und bei der halben Sauerstoffkonzentration der Luft am 0₂-Sensor.

Da mit wurde ein Beispiel gegeben, ausdem hervorgeht, daß auf einfache Weise die wichtigsten Parameter für die Nitrierung von Werkstücken in Gasmischungen aus den Signalen von je einem q-, α- und C0₂-Sensor (Gassensor I, Il und III) bei konstantgehaltenem Signal des 0₂-Sensors IV bestimmt werden können:

— der q-Sensor signalisiert, ob die Werkstückoberfläche oxydiert oder reduziert wird,

— der α-Sensor signalisiert den Grad des Nichtgleichgewichts im Wärmebehandlungsgas,

— mit den Signalen des q- und α-Sensors lassen sich das Partialdruckverhältnis ρ (NH₃)/p (H₂)³'² und die Sauerstoffvolumenkonzentration in der eingesetzten Ammoniak-Luft-Mischung ermitteln,

— der C0₂-Sensor liefert der Volumenkonzentration der kohlenstoffhaltigen Gase am Werkstück proportionale Signale, die mit Hilfe der Signale des q- und des α-Sensors-in diese Volumenkonzentration umgerechnet werden können. .

In der praktischen Anwendung genügt es, die Signale des q-, α- und COz-Sensors (Gassensor I, I) und III) bei konstantem Signal des O₂-Sensors IV und Variation der Prozeßparameter der Wärmebehandlung zu registrieren und die als optimal gefundenen Prozeßparameter mit Hilfe der Sensorsignale zu reproduzieren.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß am Katalysator in der α-Sonde Ii bei Verwendung von Kohlenmonoxid als Kohlenstoffliefernde Verbindung nur die Einstellung des Wassergaskonvertierungsgleichgewichts beschleunigt wird, was infolge der Werte der maßgebenden Gleichgewichtskonstanten und Konzentrationsverhältnisse keinen großen Einfluß auf Ua hat. Wird dagegen etwas Alkohol oder ein Kohlenwasserstoff eingesetzt, so können in dieser Sonde am Ua merkliche Effekte auftreten, die für die verwendete Verbindung charakteristisch sind. Die α-Sonde Il bleibt in diesen Fällen Signalgeber für den Grad des Nichtgleichgewichts, nur müssen die Beziehungen zu den Signalen der anderen Gassensoren und zu Parametern, die auf die Nitrierung Einfluß haben, rechnerisch oder empirisch gesondert untersucht und zweckentsprechend berücksichtigt werden.

Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau der Anordnung

Die q-Meßsonde 1 enthält als Gassensor I das Festelektrolytrohr 2 aus stabilisiertem Zirkonoxid, welches an seinem geschlossenen Ende außen eine Meßelektrode 3 und dieser gegenüberliegend eine Bezugselektrode 4 trägt. Das Bezugsgas 5 wird über ein Bezugsgasrohr 6, das in seinem vorderen Teil eine Katalysatorstrecke 7 enthält, an die Bezugselektrode 4 herangeführt und strömt über den Sondeninnenraum in die Außenluft ab. Zur Messung der Prozeßtemperatur dient ein Thermoelement8.

Die α-Meßsonde 9 enthält als Gassensor Il ein Festelektrolytrohr 10 aus stabilisiertem Zirkonoxid, welches außen eine erste Elektrode 11 und gegenüberliegend innen eine zweite Elektrode 12 trägt und mit einem Keramikrohr 13, welches eine Heizwicklung 14 aus Nickel und eine Katalysatorstrecke 15 trägt, verbunden ist. Ein Thermoelement 16 dient zur Temperaturmessung der Heizwicklung 14.

Das durch eine Öffnung 17 im Sondenschutzrohr angesaugte Behandlungsgas gelangt über Heizwicklung 14 und Katalysatorstrecke 15 in das Innere des Festelektrolytrohres 10 sowie in den Sondeninnenraum und passiert anschließend die Gasdosiervorrichtung 18, in dem das Behandlungsgas mit einem Oxydationsgas umgesetzt wird, das über eine Reglerdrossel 19 im Durchfluß geregelt wird.

Die sich anschließende CO₂-Meßeinrichtung besteht aus dem Tragkörper 20, der auf seinem äußeren Umfang eine Heizwicklung 21 trägt und in seinem Inneren zwei Gassensoren 22; 23, welche den Innenraum in zwei voneinander gasdicht getrennte Kammern teilen. Der CO₂-Sensor 22 (Gassensor III) besteht aus einem C0₂-empfindlichen Festelektrolyt mit einer Meßelektrode 24 und einer Bezugselektrode 25; der O_rSensor 23 (Gassensor IV) aus einem oxidionenleitenden Festeiektrolyt mit einer Meßelektrode 26 und einer Bezugselektrode 27.

Das aus der Gasdosiereinrichtung 18 in den Meßgasraum einströmende vollständig umgesetzte Behandlungsgas wird durch eine Gasförderpumpe 28 abgesaugt. Das Bezugsgas 29 strömt über eine Katalysatorstrecke 30, die sich in der Bezugsgasleitung 31 befindet, an die beiden Bezugselektroden 25; 27. Die Meßsonden 1 und 9 (Gassensoren I und II) sind an der Wandung 36 des Wärmebehandlungsofens befestigt, die elektrische Signalverarbeitung mit den Baugruppen 32; 33; 34; 35 ist räumlich abgesetzt.

Das Meßsignal der Sonde 1 wird mit dem Signalverstärker 32 zur Weiterverarbeitung aufbereitet, ebenso das Meßsignal der Sonde 9 mit dem Signalverstärker 34 und das Meßsignal des Thermoelements 8 mit dem Signalverstärker 33.

Die Meßsignale der Sensoren 22; 23 (III und IV) werden in der elektronischen Baugruppe 35 miteinander zum CO₂-Signal verknüpft, gleichzeitig wird eine Stellgröße für die Reglerdrossel 19 bereitgestellt.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Anordnung zur Kontrolle von Wärmebehandlungsprozessen, wie Gasnitrierung, Gasoxi-, Gaskarbo- und Gasoxikarbonitrierung sowie Karbonitrier- und Nitrierhärten mit Festelektrolyt-Gassensoren, die auf dem Festelektrolyten gegenüberstehend eine Meß- bzw.Bezugselektrode aufweisen, gekennzeichnet dadurch, daß diese aus vier Gassensoren besteht, wobei der Gassensor. I ein oxidionenleitendes, einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr (2), in dem sich auch ein Thermoelement (8) befindet, enthält, das mit seiner verschlossenen und kontaktierten Seite in den Behandlungsgasraum eintaucht, dabei die Bezugselektrode (4) über einen in der Bezugsgasleitung (6) befindlichen Katalysator (7) mit einem Sauerstoffbezugsgas und die Meßelektrode (3) mit dem Behandlungsgas umgeben ist, der Gassensor Il aus einem oxidionenleitenden, beiderseits offenen Festelektrolytrohr (10) besteht und mit einem Keramikrohr (13), welches eine Heizwicklung (14) und einen Katalysator (15) trägt, verbunden ist und beide Rohrteile (10;-13) in den Behandlungsgasraum eintauchen, wobei die Meßelektrode (11) direkt vom Behandlungsgas und die Bezugselektrode (12) vom über den Katalysator (15) umgesetzten Behandlungsgas umgeben ist, daß gasseitige der Gassensor Il über eine Gasdosiereinrichtung (18) mit zwei weiteren Gassensoren III; IV in Verbindung steht, die in einem beheizten Tragkörper (20) so angeordnet sind, daß zwei getrennte gasdichte Gaskammern entstehen, wobei der eine einen CO₂-empfindlichen und der andere einen

   . CVempfindlichen plattenförmigen Festelektrolyten (22; 23) besitzt und dabei die Meßelektroden (24; 26) vom vollständig oxidierten Behandlungsgas des Gassensors Il und die Bezugselektroden (25; 27) vom über die Bezugsgaszuleitung (31) mit Katalysator (30) im Tragkörper (20) eingeleiteten CO₂-O₂-Bezugsgas (29) umgeben sind, wobei die Signale der Gassensoren III; IV über eine Recheneinheit (35) miteinander verknüpft sind und eine Reglerdrossel (19) der Gasdosiereinrichtung (18) vorgeschaltet ist.
2. 2. Verfahren unter Anwendung der unter Punkt 1 genannten Anordnung mit Festelektrolyt-Gassensoren, gekennzeichnet dadurch, daß die wesentlichen Prozeßgrößen aus den Signalen der vier Gassensoren gewonnen werden, wobei der Gassensor I im Behandlungsgas dem im Nichtgleichgewicht dieses Gases aktuellen Sauerstoffpartialdruck, der Gassensor Il einen für die Entfernung des Zustandes der Gasphase von ihrem Gleichgewichtszustand charakteristischen Parametern, der Gassensor III einen Wert für den Kohlenstoff pegel des Behandlungsgases und der Gassensor IV eine Hilfsgröße für eine dem Gassensor IN vorgeschaltete Gasdosiereinrichtung liefert, indem die Signale der Gassensoren I, Il und das mit Hilfe einer Recheneinheit aus den Signalen der Gassensoren III, IV gewonnene Signal durch Variation der Parameter des Wärmebehandlungsprozesses auf den empirisch ermittelten Optimalwert eingestellt werden, wobei dabei das Signal des Gassensors IV konstant gehalten wird.

   Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Anwendung der Anordnung zur Kontrolle von Wärmebehandlungsprozessen, wie der Gasnitrierung, der Gasoxi-, der Gaskarbo- und Gasoxikarbonitrierung sowie des Karbonitrier- bzw. Nitrierhärtens mit dem Ziel, reproduzierbare Behandlungsergebnisse mit optimiertem Zeit-, Energie- und Materialaufwand zu erreichen.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Um die Prozesse des Nitrierens in Gasmischungen kontrolliert führen zu können, sind gasanalytische Verfahren zur Erfassung charakteristischer Gaszustände oder Gaskomponenten erforderlich. Seit der Einführung der Gasnitrierung in dissoziiertem Ammoniak wurden eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Erfassung einzelner, für die Zusammensetzung der Nitrieratmosphäre charakteristischer Kenngrößen erprobt (S. Böhmer u.a., Neue Hütte 24 [1979] 10, S.384-390). Die einfachste, am häufigsten praktizierte Methode ist die volumetrische Bestimmung des Dissoziationsgrades. Verfahren und Vorrichtung werden in („Chemisch-thermische Oberflächenbehandlung von Stahl", VEB Verlag Technik, Berlin 1953, S. 182) beschrieben. Durch bekannte mathematische Beziehungen sind aus dem Dissoziationsgrad die Partialdrücke für Ammoniak, Stickstoff und Wasserstoff bestimmbar. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist ihre diskontinuierliche Arbeitsweise und das Fehlen eines Signals für die Prozeßregelung. Verbesserte Verfahren und Vorrichtungen sind aus (S.Dombrovskij u.a.: Metallovd. obra. met. [1966] 8, S.52-55; Moduleoskij u.a.: Mechaniz. i. Avtomatiz. Proszv. 24[197O] 8, S.4; Koloszvari, Z.u.a.: ZWF68[1973] 6, S.304) bekannt. Sie haben die Wandlung des Meßwertes in eine elektrische Größe und die schnelle Verarbeitung der Meßwerte zum Inhalt. Der grundsätzliche, obengenannte Nachteil der volumetrischen Bestimmung des Dissoziationsgrades, die diskontinuierliche Arbeitsweise, wird aber nicht beseitigt.

   Kontinuierliche arbeitende Vorrichtungen zur Bestimmung der Konzentration einzelner Komponeten im Nitriergas basieren auf der Messung der Infrarotabsorption zur Bestimmung des Ammoniakvolumenanteils (T. Bell u.a. in Sorce Book on nitriding, Metals Park, Ohio 1977) beziehungsweise auf der Messung der Wärmeleitfähigkeit bei der Bestimmung des Wasserstoffvolumenanteils (W.Lerche u.a. im Freiberger Forschungsheft B 1985 [1976]).