DE3838608C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Kohlen­ stoffkonzentration von Metallteilen bei deren Wärmebehandlung, wobei an einem der Wärmebehandlung unterworfenen Metallteil eine elektrische Widerstandsmessung durchgeführt und der Wi­ derstandsmeßwert mit der zu bestimmenden Kohlenstoffkonzentration unter Berücksichtigung weiterer Prozeßparameter in Beziehung gesetzt wird.

Die Gasaufkohlung von Werkstücken aus Stahl findet statt bei Temperaturen von ca. 900°C. Aus einer Gasatmosphäre freige­ setzter atomarer Kohlenstoff schlägt sich nach Art einer Kon­ densation auf der Oberfläche des behandelten Stahlwerkstücks nieder und diffundiert von dort aus in das Werkstückinnere. Die verfahrenstechnische Zielsetzung besteht für das Aufkoh­ lungsprozeßende darin, einen vorgegebenen optimalen Kohlen­ stoff-Konzentrationsverlauf bis zu einer ebenfalls vorgegebe­ nen Aufkohlungstiefe in möglichst kurzer Zeit und bei mög­ lichst geringem Energieverbrauch zu erreichen. Dazu wendet man einen mehrstufigen Prozeß an, der in der Regel mit einer Phase einer C-übersättigten Ofenatmosphäre (kurz unter der Rußgren­ ze) beginnt, dann aber mit verringertem Kohlenstoffpotential bis zum Erreichen des vorauszuberechnenden Kohlenstoff-Konzen­ trationsprofils fortgesetzt wird. Diese mehrstufige Steuerung eines Aufkohlungsprozesses setzt voraus, daß der Kohlenstoff­ verlauf im Werkstück aufgrund der Prozeßvariablen mit ausrei­ chender Genauigkeit in einem Rechner vorausberechnet werden kann. Dies geschieht bisher empirisch über mathematische Mo­ delle, die nur dann mit ausreichender Genauigkeit zu dem ge­ wünschten Ergebnis führen, d.h. zum Erreichen des Sollverlaufs der Kohlenstoffkonzentration im randnahen Bereich des Stahl­ werkstücks, wenn keine unvorhergesehenen Abweichungen auftre­ ten und alle Prozeßvariablen und -parameter, einschließlich der genauen Materialzusammensetzung des Werkstücks bekannt sind. Außerdem müssen alle Prozeßparameter auf vorgegebenen Konstantwerten stabilisiert werden, was in der Praxis nicht ohne erheblichen apparativen und steuerungstechnischen Aufwand möglich ist.

Bei keinem der bisher bekannten Verfahren zur Bestimmung des Kohlenstoffkonzentrationsprofils in Stahlwerkstücken bei der Gasaufkohlung konnte das Kohlenstoffkonzentrationsprofil di­ rekt gemessen werden. Stattdessen wurde eine Widerstandsmes­ sung an einem der Aufkohlungsatmosphäre ausgesetzten Testmate­ rial durchgeführt. Das Testmaterial ist dabei sehr dünn, so daß mit einer Gleichstrom-Widerstandsmessung eine Mengenbilanz des eindiffundierten Kohlenstoffs auf empirischem Wege aufge­ stellt werden konnte. Dieses bekannte Verfahren hat zwei Nach­ teile: Einerseits ist die Mengenbilanz nur dann zutreffend, wenn das aufzukohlene Material mit dem Testmaterial vollstän­ dig übereinstimmt. Andererseits kann man bei der Aufkohlung nur auf die Gesamtmenge, nicht aber auf eine vorgegebene Kon­ zentrationsverteilung hin regeln.

Ähnliche Schwierigkeiten wie bei der Bestimmung eines Kohlen­ stoff-Konzentrationsprofils ergeben sich auch bei Temperatur­ messungen an Körperoberflächen. Diese wurden nach dem Stande der Technik in der Regel mit Kontaktthermometern oder mit Strahlungspyrometern durchgeführt. Soweit Kenntnisse über die Temperatur im Körperinneren oder zumindest in randnahen Werk­ stückschichten erforderlich waren, mußten bei Einsatz bekann­ ter Verfahren Bohrungen im Material zur Einführung von Tempe­ raturfühlern vorgesehen werden.

Aus der US-PS 38 68 315 ist eine elektrische Vergleichsmessung zwischen einer Testzelle und einem Standard bekannt, der dem Endpunkt eines Prozesses (Sollwert) entspricht. Ist die Re­ gelabweichung Null, ist der Sollwert erreicht, und der Prozeß wird abgebrochen.

Die US-PS 37 46 975 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften durch eine Admittanz-Messung bei fester Frequenz mit Hilfe einer im Material selbst angeordneten Sonde.

Aus der US-PS 35 96 175 ist ein Impedanzvergleich zwischen ei­ ner vorgegebenen Referenzimpedanz und einer zu testenden unbe­ kannten Impedanz bekannt. Dieser Impedanzvergleich findet statt über ein breites Frequenzband.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Verfügung zu stellen, die eine direkte Messung der Verteilung der Prozeßvariablen, insbesondere des Kohlenstoffkonzentrations- oder Temperaturprofils, bis in das Innere des Werkstücks während der Wärmebehandlung selbst er­ möglichen, ohne das Werkstück zu beschädigen oder zu verfor­ men.

Verfahrensmäßig ist die Lösung der Erfindungsaufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Widerstandsmessung mit Wechselstrom erfolgt, daß die Widerstandsmessung bei verschie­ denen Frequenzen wiederholt wird und daß aus der Folge von Widerstandsmessungen bei den verschiedenen Frequenzen ein Kohlenstoffkon­ zentrationsprofil als Funktion des Abstandes von einer Ober­ fläche des wärmebehandelten Metallteils gewonnen wird.

Die Lösung nach der Erfindung nutzt das Prinzip der Stromver­ drängung aus. Bei Gleichstrom ist die Stromdichte quer zur Stromrichtung in einem als Leiter wirkenden Metallteil kon­ stant; bei Wechselstrom nimmt die Stromdichte zum Inneren des Leiters exponentiell ab. Mit Eindringtiefe wird der Abstand von der Oberfläche bezeichnet, bei der die Stromdichte auf den 1/e-ten Teil abgefallen ist. Die Eindringtiefe ist um so klei­ ner, je größer die Frequenz und je höher die Leitfähigkeit des Materials ist. Da die Leitfähigkeit von der Kohlenstoffkonzen­ tration abhängig ist (im interessierenden Bereich etwa im Verhältnis 119 : 124), ändert sich auch die Eindringtiefe mit dem Kohlenstoffgehalt. Rechnet man den Wechselstromwiderstand eines Metallteils in einen äquivalenten Gleichstromwiderstand um, so ergibt sich, daß ein unendlich ausgedehnter, einseitig begrenzter Körper den gleichen Widerstand bei Wechselstrom hat wie ein von Gleichstrom durchflossener beidseitig begrenzter Körper mit der Dicke der Eindringtiefe. Daher bezeichnet man auch die Eindringtiefe als äquivalente Leitschichtdicke. Mißt man den Wechselstromwiderstand eines unendlich ausgedehnten, einseitig begrenzten Körpers, so vergrößert sich mit der Zu­ nahme des spezifischen Widerstandes einerseits die äquivalente Leitschichtdicke - nach einer Wurzelfunktion - (Widerstands­ wert wird reduziert) und andererseits vergrößert sich aber der Widerstand proportional mit der Zunahme des spezifischen Wi­ derstands, beispielsweise bedingt durch einen höheren Kohlen­ stoffgehalt. Die Widerstandsänderung beträgt nur 2,1% bei einer Kohlenstoffkonzentrationsänderung von 0,3 bis 1,2%. Der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes beträgt bei 900°C 0,043% pro Grad. Eine Temperaturänderung von 50°C würde die sich aus einer Kohlenstoffkonzentrationsänderung bei der Aufkohlung ergebende Widerstandsänderung überdecken. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt daher zur genauen Bestimmung der Kohlenstoffkonzentration die Einhaltung stabiler Tempera­ turverhältnisse voraus, ebenso wie bei der bisher angewandten Gleichstromwiderstandsmeßmethode.

Anders als der Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren aber geeignet, unmittelbar die Verteilungsfunktion der Kohlenstoffkonzentration bis in das Innere des mit Stoff­ austausch wärmebehandelten Metallteils laufend zu messen und dementsprechend verzögerungsfrei in eine Prozeßregelung bei­ spielsweise bei der Gasaufkohlung einzubinden. Diese Bestim­ mung der Verteilungsfunktion der Kohlenstoffkonzentration gelingt erfindungsgemäß durch Messung des Wechselstromwider­ standes bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen.

Eine bevorzugte Verfahrensführung zeichnet sich erfindungsge­ mäß dadurch aus, daß aus einer ersten Messung bei einer hohen Frequenz (ca. 100 kHz) der der Kohlenstoffkonzentration an der Metalloberfläche entsprechende Widerstandswert einer sehr dünnen Leitschicht bestimmt, danach die Frequenz sukzessiv verringert wird, die den dickeren Leitschichten entsprechenden Widerstandswerte gemessen und den Kohlenstoffkonzentrationen in diesen dickeren Leitschichten zugeordnet werden. Nach der Bestimmung der Kohlenstoffkonzentration an der Metallteil- Oberfläche wird iterativ die mittlere Kohlenstoffkonzentra­ tion in nachfolgenden Schichten unter Berücksichtigung des bei der vorhergehenden Frequenz ermittelten Meßwerts bestimmt. In jedem Iterationsschritt wird der jeweils zuvor ermittelte Meßwert von dem aktuellen Meßwert subtrahiert. Im Ergebnis erhält man dadurch die mittlere Kohlenstoffkonzentration in aufeinanderfolgenden Leitschichten unterhalb der Metallteil- Oberfläche. Verbindet man die mittleren Konzentrationswerte, was in der Praxis in einem geeigneten Rechner geschieht, so erhält man eine Approximation der Verteilung der Kohlenstoff­ konzentration als Funktion des Abstandes von der Oberfläche. Diese Approximation kann im Rechner praktisch beliebig genau an die Istverteilung im Metallteil bzw. Werkstück herangeführt werden.

Der elektrische Wechselstromwiderstand kann über zwei Kontakt­ elektroden direkt an dem wärmebehandelten Metallteil abgenom­ men werden.

Eine für die verfahrenstechnische Durchführung noch günstigere Alternative besteht in Weiterbildung der Erfindung darin, daß in das wärmebehandelte Metallteil ein elektromagnetisches Wechselfeld berührungslos eingekoppelt und die Kohlenstoffkon­ zentration als Funktion der Schwächung des Wechselfelds bei den verschiedenen Frequenzen berechnet wird.

Die zuvor zur laufenden Bestimmung einer variablen Kohlen­ stoffkonzentrationsverteilung beschriebenen Verfahrensschritte lassen sich erfindungsgemäß aber auch zur genauen Bestimmung der Temperaturverteilung in einem einer Wärmebehandlung ausge­ setzten Werkstück verwenden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Kohlenstoffkonzentration bei der Wärmebehand­ lung konstant gehalten und aus der Widerstandsverteilung im Metallteil der Verlauf der Materialtemperaturen in oberflä­ chennahen Metallschichten bestimmt wird.

Die Erfindung schafft daher durch Messung der Kohlenstoffkon­ zentration während der Aufkohlung oder der Temperaturvertei­ lung im Werkstück während der Wärmebehandlung die ideale Voraussetzung für die Regelung der Kohlenstoffkonzentration in einer auf das Metallteil während des Wärmebehandlungsprozesses einwirkenden Ofenatmosphäre und/oder der Ofentemperatur.

Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gekenn­ zeichnet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zur Bestimmung der C-Konzentra­ tionsverteilung in einem Stahlkörper bei dessen Aufkohlung, wobei ein Meßsignal berührungslos in den Probenkörper eingekoppelt wird;

Fig. 2A schematisch ein Beispiel für eine galvanische Einkopplung eines Meßsignals in eine Original­ probe;

Fig. 2B ebenfalls schematisch die galvanische Einkopplung eines Meßsignals in eine Testprobe unter Verwen­ dung von Kontaktelektroden;

Fig. 3 ein Diagramm der Eindringtiefe als Funktion der Frequenz des in den Probenkörper eingekoppelten Wechselstroms zur Erläuterung des erfindungsgemäß benutzten Prinzips der Stromverdrängung;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm der Kohlenstoffkonzen­ tration als Funktion der Eindringtiefe;

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild zur Veranschau­ lichung der Einbindung der neuen Meßanordnung in eine Aufkohlungsregelung; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Anwendung des neuen Meßverfahrens zur Messung der Tempera­ turverteilung eines wärmebehandelten Metallkör­ pers.

In Fig. 1 ist schematisch ein Probenkörper 1 aus Stahl darge­ stellt, der in einer nur mit strichpunktierten Begrenzungsli­ nien symbolisierten Ofenkammer 2 bei einer bestimmten Behand­ lungstemperatur aufgekohlt wird. Ziel der Aufkohlung ist ein bestimmter C-Konzentrationsverlauf in randnahen Schichten des Probenkörpers 1. Zur Messung des Randkohlenstoffgehalts bis hin zu einer bestimmten Eindringtiefe dient die als Ganze mit 3 bezeichnete neue Meßanordnung.

Die Meßanordnung 3 weist einen Frequenzgenerator 11 auf, der auf unterschiedliche Frequenzen beispielsweise im Frequenzbe­ reich von 100 kHz bis 10 kHz stufenlos oder gestuft durch­ stimmbar ist. Der Frequenzgenerator liefert über einen Ent­ koppler 12 einen Wechselstrom I(f) vorgegebener Frequenz f auf eine Meßleitung 13. Die Meßleitung 13 ist mit einem Meßkopf 14 verbunden, der bei Erregung durch den Strom I(f) elektromagne­ tische Wellen mit der Frequenz f in den Probenkörper 1 einkop­ pelt und dessen Ausgangsspannung U_e(f) eine Funktion des wirksamen Widerstands des Probenkörpers 1 ist. In der einfach­ sten Ausbildung ist der Meßkopf 14 eine elektrische Spule, die mit dem Probenkörper 1 über den Luftspalt d elektro-magnetisch gekoppelt ist. Die Kopplung und somit die Empfindlichkeit sind umso größer, je enger der Luftspalt d ist. Im praktischen Einsatz muß d bei berührungsloser Kopplung konstant und vorge­ geben sein, um Meßfehler zu vermeiden.

Die Spannung am Ausgang des Meßkopfs 14 ändert sich mit dem wirksamen Widerstand, d.h. der Dämpfung des induktiven Ab­ schlusses der Leitung 13. Die Spannung U_e(f) kann daher in einen Empfänger 15 als Maß für den elektrischen Widerstand der jeweils gemessenen Leitschicht x verwendet werden. Der Ent­ koppler 12 dient zur Spannungstrennung zwischen dem eigentli­ chen Meßkreis 13, 14 und dem Generatorkreis 11.

Am Ausgang 16 des Empfängers 15 wird ein Meßsignal erzeugt, das der Dämpfung des Erregersignals bzw. dem bei der Frequenz f wirksamen Widerstand des Probenkörpers 1 entspricht.

Wie Fig. 3 zeigt, ist die Eindringtiefe x, bei der die in den Leiter bzw. in die Probe eingekoppelte Stromdichte auf den 1/e-ten Teil abgefallen ist, stark frequenzabhängig. Um die über die Komponenten 13, 14 und 15 aufgenommenen Meßwerte auch bestimmten Leitschichtdic­ ken (Eindringtiefen) zuordnen zu können, müssen die aufgenommenen Meßwerte nach jeweils anste­ henden Frequenzen selektiert werden. Dies geschieht in der ersten Stufe 21 einer Rechenanlage 20, der einerseits das Ausgangssignal des Empfängers 15 und andererseits über eine Leitung 17 ein die aktuelle Frequenz f des Frequenzgenerators 11 bezeichnendes Bezugssignal zugeführt wird. (Wie der Doppel­ pfeil an der Leitung 17 veranschaulicht, kann der Frequenzge­ nerator 11 auch von der Rechenanlage 20 zur Erzeugung jeweils vorgegebener Frequenzen aufgerufen werden. In dem zuletzt genannten Fall ist eine Rückmeldung nicht erforderlich.)

Das Ausgangssignal des Empfängers 15 (auf der Leitung 16) wird unter Berücksichtigung der Bezugsfrequenz f frequenzselektiv gemessen, und in einer zweiten Rechenstufe 22 wird der Wider­ stand R(x) als Funktion der jeweils gemessenen Leitschicht­ dicke bzw. Eindringtiefe x ermittelt. Dieser Widerstandswert R(x) ist bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel an einem Ausgang 18 der Rechenstufe 22 abgreifbar. Die Verar­ beitung des Widerstandswerts R(x) unter Berücksichtigung der Materialdaten δ des Probenmaterials 1 sowie der vorgegebenen Probentemperatur T erfolgt in einer dritten Rechenstufe 23. Aus diesen Daten läßt sich laufend der aktuelle C-Wert als Funktion der Eindringtiefe x, d.h. in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Frequenz f des Frequenzgenerators 11 errech­ nen. Im Ergebnis ergibt eine Meßfolge bei unterschiedlichen Frequenzen beispielsweise im Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 10 kHz eine beliebig genaue Approximation der Kohlenstoff­ verteilung in den interessierenden Randschichten des Proben­ körpers bzw. Metallteils 1. Die Genauigkeit der Approximation richtet sich einerseits nach der programmierten Frequenzstu­ fung, d.h. der Dickenstufen der jeweils erfaßten Leitschichten, und andererseits nach der exakten Einhaltung bzw. Konstanthal­ tung der Probentemperatur T und des Abstands d - letzteres nur bei berührungsloser Messung.

Die Einhaltung eines engen und genau vorgegebenen Luftspalts d zwischen Abtasteinrichtung 14 und der vorzugsweise ebenen Bezugsfläche des Werkstücks 1 ist bei chargenweiser Aufkohlung problemlos möglich. Ebenfalls ohne größeren baulichen Aufwand läßt sich die schematisch dargestellte berührungslose Signal­ kopplung unter Einhaltung des Luftspalts d in einem Durchstoß­ ofen realisieren, wenn eine Abtastkopf 14 beispielsweise unter den Werkstücken angeordnet wird und die Werkstücke Abstützkör­ pern aufgelegt sind. Alternativ kann der Abtastkopf 14 auch in der Nachbarschaft von seitlichen Werkstückanschlägen angeord­ net werden.

Ein Diagramm der Kohlenstoffkonzentrationsverteilung in Zuord­ nung zur Eindringtiefe x ist in Fig. 4 dargestellt. Die mit ausgezogener Linie gezeigte Kohlenstoffkonzentrationsver­ teilung ist ein Beispiel für ein Sollprofil am Ende der Auf­ kohlung. Die Kohlenstoffkonzentration C₀ - in Fig. 4 ge­ strichelt dargestellt - ist der Kohlenstoffgehalt vor der Aufkohlung.

Zwei Möglichkeiten einer direkten Einkopplung des frequenzva­ rianten Signals I(f), in den der Wärmebehandlung in der Ofen­ kammer 2 ausgesetzten Probenkörper sind in den Fig. 2A und 2B dargestellt. Fig. 2A zeigt eine Möglichkeit der Einkopplung des Stroms I(f) direkt in die Originalprobe 1. Hierzu dient ein Meßkopf 14′ mit zwei in gegenseitigem Abstand angeordneten Kontaktierungsnadeln 25, 26, die von einer an einem Widerlager 27 abgestützten Federanordnung 28 gegen das demgegenüber sta­ tionär gehaltene Werkstück 1 gedrückt werden. In die eine Nadel 25 wird entsprechend dem zuvor anhand Fig. 1 erläuterten berührungslosen Ausführungsbeispiel ein frequenzvarianter Strom I(f) eingekoppelt. Den Widerstand in der jeweils wirksa­ men Leitschicht mit der Eindringtiefe x_n entnimmt der Emp­ fänger 15 der Spannung U_e(f).

Fig. 2B zeigt die Messung von U_e(f) anhand einer Testprobe 1 mit zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Testprobe ange­ brachten Kontaktelektroden 31 und 32. Der übrige Meßaufbau entspricht demjenigen der Fig. 1. Die Testprobe 1′ besteht aus demselben Material wie das Material der jeweils behandelten Originalprobe 1; auch die jeweils wirksamen Behandlungsparame­ ter der Testprobe entsprechen denjenigen der zu messenden Originalprobe. Die Verwendung einer Testprobe vereinfacht die Signalabnahme und damit den Betriebsaufwand.

Fig. 5 zeigt die Einbindung der zuvor anhand Fig. 1 beschrie­ benen Meßeinrichtung 3 in einen geschlossenen Regelkreis bei der Aufkohlungsregelung von Stahlteilen.

Behandlungsziel ist das Erreichen eines bestimmten C-Sollpro­ fils bis zu einer vorgegebenen Eindringtiefe x_n. Als Soll­ profil kann das in Fig. 4 dargestellte Konzentrationsprofil gelten.

Die Temperatur im Ofen 2 wird beispielsweise bei 900°C kon­ stant gehalten. Das C-Potential der Gasatmosphäre im Ofen 2 wird mit Hilfe einer Regeleinrichtung 4 und einer von dieser gesteuerten Stelleinrichtung 5 so verändert, daß sich am Ende der Behandlungsdauer das Sollprofil ergibt. Während der Be­ handlung der Stahlwerkstücke im Ofen 2 werden die Widerstands­ werte der gemessenen Probe in Zuordnung zu den jeweils aktuel­ len Eindringtiefen durch Einstellung vorgegebener Frequenzen laufend gemessen und entsprechend der Frequenz bzw. Eindring­ tiefe in Kohlenstoffkonzentrationen C(x₁), C(x₂) . . . C(x_n) umgerechnet. Bereits nach relativ kurzer Aufkohlung stellt sich an der Oberfläche die Sollkonzentration S(x₁) ein. Die Sollwerte in größeren Eindringtiefen, insbesondere der Kohlenstoffgehalt in der größten Eindringtiefe x_n werden jedoch erst nach längeren Behandlungsdauern erreicht. Die Konzentrationen des Kohlenstoffs in den verschiedenen Schich­ ten können daher getrennt mit entsprechenden Sollwerten S(x₁) . . . S(x_n) verglichen und über die Regeleinrichtung 4 zur Korrektur der Gaszusammensetzung im Ofen 2 verwendet wer­ den. Anders als herkömmliche Regeleinrichtungen ist es mit Hilfe der C-Meßeinrichtung 3 möglich, das ganze Konzentrati­ onsprofil unmittelbar an der Originalprobe oder einer entspre­ chend behandelten Testprobe zu messen und regelungstechnisch zu nutzen.

Die Regeleinrichtung 4 kann mit dem Rechner 3 integriert sein, beispielsweise in Form eines Prozeßrechners, dem die entspre­ chenden Prozeßparameter und Materialdaten in geeigneter und an sich bekannter Weise eingegeben werden.

Das zuvor beschriebene Verfahren zur Messung bzw. Regelung des Kohlenstoff-Konzentrationsprofils setzt die Konstanthaltung der oder die konkrete Kenntnis über die Behandlungstemperatur voraus. Wie einleitend gesagt, ist der Wechselstromwiderstand eines Metallwerkstücks auch temperaturabhängig. Aus demselben Grunde läßt sich aber auch in Umkehrung die Temperaturvertei­ lung in einem Metallkörper mit denselben meßtechnischen Mit­ teln und ohne Verletzung der Oberfläche des temperaturbehan­ delten Werkstücks messen. Bei der Messung des Temperaturpro­ fils über die Eindringtiefe x ist zur Vermeidung von Meßwert­ verfälschungen natürlich die Kohlenstoffkonzentration im Mate­ rial konstant zu halten; beispielsweise kann die Temperaturbe­ handlung in einer Inertgasatmosphäre erfolgen. Ein Vergleich der schematischen Temperaturkennlinie gemäß Fig. 6 mit der Kohlenstoffkonzentrationskennlinie gemäß Fig. 4 zeigt große Ähnlichkeiten. Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Anordnung (bei geeigneter Änderung der Prozeßpa­ rameter und Rechnervorgaben) kann daher das Temperaturprofil in einem Metallkörper entweder durch einfachen galvanischen Kontakt oder auch kontaktlos entsprechend Darstellung in Fig. 1 bestimmt werden. Diese Temperaturverteilung über eine vorge­ gebene Eindringtiefe ist beispielsweise beim Anlassen, Aufhei­ zen, Vergüten oder anderen Wärmebehandlungsvorgängen von er­ heblichem Nutzen.

Claims (17)

1. Verfahren zur Bestimmung der Kohlenstoffkonzentration von Metallteilen bei deren Wärmebehandlung, wobei an einem der Wärmebehandlung unterworfenen Metallteil eine elektrische Widerstandsmessung durchgeführt und der Widerstandsmeßwert mit der zu bestimmenden Kohlenstoffkonzentration unter Berücksich­ tigung weiterer Prozeßparameter in Beziehung gesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Widerstandsmessung mit Wechselstrom erfolgt,
daß die Widerstandsmessung bei verschiedenen Frequenzen wiederholt wird und
daß aus der Folge von Widerstandsmessungen bei den ver­ schiedenen Frequenzen ein Kohlenstoffkonzentrationsprofil als Funktion des Abstandes von einer Oberfläche des wärmebehandel­ ten Metallteils gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer ersten Messung bei einer hohen Frequenz der der Kohlenstoffkonzentration an der Metalloberfläche entsprechende Widerstandswert einer sehr dünnen Leitschicht bestimmt wird, danach die Frequenzen sukzessiv verringert, die dickeren Leit­ schichten entsprechenden Widerstandswerte gemessen und den Kohlenstoffkonzentrationen in diesen dickeren Leitschichten zugeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Bestimmung der Kohlenstoffkonzentration an der Me­ tallteil-Oberfläche iterativ die mittlere Kohlenstoffkonzen­ tration in nachfolgenden Schichten unter Berücksichtigung des bei der vorhergehenden Frequenz ermittelten Meßwerts bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Iterationsschritt der jeweils zuvor ermittelte Meßwert von dem aktuellen Meßwert subtrahiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Widerstandswert in Abhängigkeit von der aktuellen Frequenz selektiv gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der elektrische Widerstand über zwei Kon­ taktelektroden direkt an einem wärmebehandelten Metallteil abgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in das wärmebehandelte Metallteil ein elek­ tromagnetisches Wechselfeld berührungslos eingekoppelt und die Kohlenstoffkonzentration als Funktion der Schwächung des Wech­ selfelds bei den verschiedenen Frequenzen berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kohlenstoffgehalt bei der Wärmebehand­ lung konstant gehalten und aus der Widerstandsverteilung im Metallteil die Materialtemperaturverteilung in oberflächenna­ hen Metallschichten bestimmt wird.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Regelung der Kohlenstoffkonzentration in einer auf das Metallteil während des Wärmebehandlungsprozesses einwirkenden Ofenatmosphäre und/oder der Ofentemperatur.

10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch
einen Wechselstromgenerator (11), dessen Frequenz zumindest gestuft veränderbar ist,
einen mit dem Wechselstromgenerator elektrisch gekoppelten Meßkopf (14) zur Einkopplung eines Wechselstromsignals (I(f)) in das Metallteil (1) und zur Erfassung eines dem Widerstands­ wert in oberflächennahen Schichten (xn) des Metallteils (1) entsprechenden frequenzabhängigen Meßsignals; und
eine Auswerteeinrichtung (15, 20), die mit dem Meßkopf und dem Frequenzgenerator gekopppelt ist und aus den aufgenommenen Meßsignalen, unter Berücksichtung der aktuellen Frequenz und vorgegebener Prozeßparameter (z.B. ρ und T), das zu bestimmen­ de Kohlenstoffprofil (C_x), in oberflächennahen Bereichen des behandelten Metallteils (1) berechnet.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (15, 20) eine Recheneinheit (20) ent­ hält, der das frequenzabhängige Meßsignal und die Prozeßpara­ meter (ρ, T) zuführbar sind und die an wenigstens einem Aus­ gang wenigstens einen Wert (C_{(x 1)} . . . C_(xn)) der zu be­ stimmenden Prozeßvariablen ausgibt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (20) mehrere in Reihe geschaltete Rechenstu­ fen (21 . . . 23) aufweist, von denen die erste (21) das Meßsi­ gnal mit der aktuellen Frequenz (f) in Beziehung setzt, eine zweite (22) aus dem frequenzbezogenen Meßsignal einen Wider­ standswert (R_(x)) als Funktion der Eindringtiefe (x) erzeugt und eine dritte (23) aus dem Widerstandswert und den Prozeßpa­ rametern das Kohlenstoffkonzentrationsprofil (C_(x)) ent­ wickelt.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stromkreis zwischen dem Frequenzge­ nerator (11) und dem Meßkopf (14; 14′) ein Entkoppler (12) zur Trennung des Erregerstromkreises von dem Meßstromkreis ange­ ordnet ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (14) so ausgebildet ist, daß er in Abhängigkeit von einer Wechselstromerregung ein elektro­ magnetisches Wechselfeld berührungslos in ein in geringem Abstand (d) angeordnetes Metallteil (1) einzukoppeln vermag, und daß der berührungslos arbeitende Meßkopf (14) an einen Empfänger (15) elektrisch angekoppelt ist und an letzeren ein dem wirksamen Wechselstromwiderstand in dem Metallteil (1) entsprechendes Meßsignal (U_e(f)) anlegt.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (14) eine Indukstionsspule enthält.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (14) zwei in gegenseitigem Abstand federnd angeordnete Kontaktnadeln (25, 26) aufweist, die sowohl mit dem Erregerstromkreis als auch mit dem Meß­ stromkreis elektrisch verbunden sind und vom Erregerstromkreis mit dem Wechselstrom bei unterschiedlichen Frequenzen beauf­ schlagt sind, und daß die beiden Kontaktnadeln (25, 26) durch eine Federanordnung (25) in federnder Anlage an das wärmebe­ handelte Metallteil (1) andrückbar sind, wobei der wirksame Wechselstromwiderstand des Metallteils (1) zwischen den Spit­ zen der beiden Kontaktnadeln zur Bestimmung der Prozeßvari­ ablen meßbar ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Testprobe (1′) derart im Ofeninnen­ raum (2) angeordnet ist, daß sie sowohl der Behandlungstempe­ ratur als auch der Ofenatmosphäre in gleicher Weise ausgesetzt ist wie die wärmebehandelten Metallteile, daß die Testprobe aus einem mit den wärmebehandelten Metallteilen übereinstim­ mendem Material besteht und daß zwei Kontaktelektroden (31, 32) mit der Testprobe (1′) verbunden und in den Erregerstrom­ kreis (13) und den Meßstromkreis eingebunden sind, um den Wechselstromwiderstand der Meßprobe (1′) zu gewinnen.