專利名稱：金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)測(cè)量排出的成分量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法以及一種裝置，用于在金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)測(cè)量從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量。
例如像表面硬化，滲氮或者碳氮共滲這些熱化學(xué)過(guò)程具有重要意義，因?yàn)樗鼈兛梢越o予部件在表面范圍內(nèi)特殊的機(jī)械，物理和/或者化學(xué)特性。在此方面，多數(shù)熱化學(xué)過(guò)程是在溫度的作用下，通過(guò)一個(gè)成分或者多個(gè)成分從氣相中的離析進(jìn)行，由此例如碳或者氮成分的可溶原子溶解，并與工件的合金元素結(jié)合構(gòu)成例如碳化物，氮化物或者碳氮共滲物。
背景技術(shù)：
取得所希望的特性首先取決于已產(chǎn)生表層的幾何形狀以及成分，即取決于表面附近范圍內(nèi)成分的濃度分布以及結(jié)合方式。在此方面，濃度分布是作用于部件上氣氛的成分，溫度和時(shí)間的結(jié)果，并可以通過(guò)相應(yīng)選擇時(shí)間，溫度，壓力以及氣體成分這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
然而，上述參數(shù)的調(diào)整在許多情況下不能精確進(jìn)行，從而難以充分證明熱化學(xué)處理的結(jié)果。此方面的一個(gè)重要原因是，熱化學(xué)過(guò)程的變化嚴(yán)重失衡，其動(dòng)力學(xué)還要取決于所要處理的工件的表面狀態(tài)。此外還有反應(yīng)器內(nèi)的對(duì)流情況以及存在異體反應(yīng)表面，處理氣體在該表面上面以不可控制的方式進(jìn)行反應(yīng)。
為了至少能夠在計(jì)算上部分消除上述擾動(dòng)作用，特別是在表面硬化方面開(kāi)發(fā)出了不同的測(cè)量-和計(jì)值方法，然而它們不能精確預(yù)測(cè)過(guò)程以具有缺點(diǎn)的方式變化。
在例如表面硬化時(shí)，所要處理的工件在900℃至1100℃范圍內(nèi)的溫度下經(jīng)受含碳?xì)夥?。作為碳的提供者，在此方面可以使用碳?xì)浠衔?，例如甲烷或者丙烷，在處理溫度時(shí)形成氫的情況下向金屬表面排放碳原子。由于物理和化學(xué)的吸收，碳原子分裂，隨后通過(guò)擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)入金屬內(nèi)，其中，產(chǎn)生濃度分布，冷卻后形成相應(yīng)的淬硬分布。如果除了碳?xì)浠衔锿膺€存在氧載體，例如碳酸和/或者水蒸汽，那么通過(guò)與氧載體的反應(yīng)形成的一氧化碳進(jìn)行本身的滲碳過(guò)程。然后通過(guò)可滲入的一氧化碳-分子在工件表面的分裂進(jìn)行本身的滲碳反應(yīng)，其中，氧原子得到釋放。分裂過(guò)程的速度還有表層滲碳主要由這些氧從表面離開(kāi)決定。它或者通過(guò)可滲入的一氧化碳-分子與其他一氧化碳-分子的反應(yīng)成碳酸，或者通過(guò)與氫分子反應(yīng)成水蒸汽來(lái)進(jìn)行，其中，后一種反應(yīng)非常快。新構(gòu)成的水可與新輸送的碳?xì)浠衔镌偕蔀橐谎趸己蜌洌纱朔磻?yīng)循環(huán)過(guò)程結(jié)束。
在了解合金成分以及滲碳溫度的情況下，可以通過(guò)測(cè)量分壓力計(jì)算在平衡中調(diào)整的含碳量。這種含碳量被稱為C-水平。在滲碳過(guò)程碳活性的范圍內(nèi)，水幾乎全部離解，即一氧化碳和氫的量部分可以為不變。由此，很少的剩余氫含量可以用于確定碳活性，其中，例如采用露點(diǎn)-測(cè)量法可以準(zhǔn)確確定含氫量。
在與Boudouard-平衡相應(yīng)類似的一氧化碳/碳酸滲碳系統(tǒng)中，碳酸與其他氣體相反，為確定碳活性僅以很少的量存在?？梢酝ㄟ^(guò)紅外線-氣體分析確定很少的碳酸量。
確定碳活性的另一種方法是采用氧平衡，因?yàn)楫a(chǎn)生例如為確定碳活性的氫和水蒸汽的比例，它在一定溫度下處于與氧分壓力的平衡中。在此方面，可以通過(guò)利用固體電解質(zhì)-探針進(jìn)行測(cè)量掌握氧分壓力。
上述試圖掌握氣氛滲碳作用的所有測(cè)量方法的前提是，氣氛處于與所要處理工件表面的平衡內(nèi)。然而，在實(shí)施方法的過(guò)程中在金屬表面實(shí)際調(diào)整的有效碳濃度，一方面取決于碳從氣氛中輸送的速度，另一方面取決于這些碳通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部的速度。在此方面，關(guān)鍵是在碳的溶解過(guò)程中變得自由的氧與表面分離的速度有多快。此外，對(duì)實(shí)際取得的滲碳重要的是，氧與表面的分離是通過(guò)與一氧化碳還是與氫的反應(yīng)完成的。另外，反應(yīng)器內(nèi)的對(duì)流情況起到具有同樣影響的作用。
同時(shí)，測(cè)量反應(yīng)器中氣體成分的變化只是一種間接的，在許多情況下以具有缺點(diǎn)的方式對(duì)工件表面實(shí)際進(jìn)行過(guò)程的不準(zhǔn)確的描述。在此方面，如果熱處理爐內(nèi)由于過(guò)高的碳活性產(chǎn)生炭黑沉積，或者如果使用部分滲碳?xì)怏w用以進(jìn)行工件的表面氧化還原，這些過(guò)程還要進(jìn)行更為復(fù)雜的調(diào)整。
因此，從上述現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的測(cè)量-和計(jì)值方法不適用于對(duì)熱化學(xué)過(guò)程進(jìn)行充分的預(yù)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
由此出發(fā)，本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量方法，即使在正在進(jìn)行的處理過(guò)程中，也能提供有關(guān)從氣氛中排出的和由工件吸收的成分量的非常精確的數(shù)據(jù)。
為實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明提出一種方法，用于在金屬工件的熱化學(xué)處理時(shí)，連續(xù)測(cè)量從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量，其中，使用一試樣，其縱向延伸明顯超過(guò)其橫向延伸，承受氣氛的作用，在縱向上測(cè)量由于吸收從氣氛中排出的成分而造成的試樣時(shí)間上的長(zhǎng)度變化，所測(cè)量的長(zhǎng)度變化用于確定從氣氛中向試樣內(nèi)傳遞的成分量。
依據(jù)本發(fā)明的方法以該技術(shù)理論為基礎(chǔ)，即試樣吸收來(lái)自氣氛的成分產(chǎn)生體積變化，它在試樣的縱向上顯示長(zhǎng)度變化，這可以直接被掌握并用于確定得到傳遞的成分量。在此方面，體積變化通過(guò)插入成分原子時(shí)鐵晶格的擴(kuò)張產(chǎn)生和/或者通過(guò)成分與試樣的一個(gè)或者多個(gè)合金元素構(gòu)成的離析形成而產(chǎn)生。同時(shí)，依據(jù)本發(fā)明提出的方法可以直接測(cè)量從氣氛中轉(zhuǎn)移的成分量，與從現(xiàn)有技術(shù)中公知的測(cè)量-計(jì)值法相比的優(yōu)點(diǎn)是，由壓力，溫度，反應(yīng)的表面等等決定的擾動(dòng)作用對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有任何影響。依據(jù)本發(fā)明的方法因此可以精確確定從氣氛轉(zhuǎn)移到試樣并由此也轉(zhuǎn)移到工件上的成分量。在此方面，量的確定可以具有優(yōu)點(diǎn)的方式連續(xù)進(jìn)行，它提供了能夠非常精確預(yù)測(cè)的可能性，因?yàn)榭梢越柚鷷r(shí)間上所掌握的變化，計(jì)算由于依據(jù)本發(fā)明的方法非常高的測(cè)量精度而僅具有非常小誤差的預(yù)測(cè)。
為確定試樣的長(zhǎng)度變化，將該試樣固定在為此構(gòu)成的支柱內(nèi)。支柱由兩個(gè)支座組成，其中，一個(gè)支座位置準(zhǔn)確地定位，另一個(gè)支座可相對(duì)于定位的支座移動(dòng)設(shè)置。由于設(shè)置在兩個(gè)支座之間的試樣縱向延伸，一個(gè)支座相對(duì)于另一個(gè)支座發(fā)生位移?？傮w上由于試樣的長(zhǎng)度變化產(chǎn)生的兩個(gè)支座的彼此偏移，與試樣總體上出現(xiàn)的長(zhǎng)度變化相當(dāng)。試樣通過(guò)吸收來(lái)自氣氛中的成分產(chǎn)生長(zhǎng)度變化，其中，成分與試樣的縱軸線垂直擴(kuò)散到該試樣內(nèi)。隨著成分的這種擴(kuò)散產(chǎn)生試樣的體積變化，這種變化在兩個(gè)與試樣的縱軸線垂直構(gòu)成的端面上也引起表面分布的變化。開(kāi)始時(shí)試樣的兩個(gè)端面平面構(gòu)成，從而總體上試樣兩個(gè)端面表面分布時(shí)間上的高度變化導(dǎo)致試樣時(shí)間上的長(zhǎng)度變化。表面分布時(shí)間上的高度變化或由此產(chǎn)生的試樣長(zhǎng)度變化，依據(jù)本方法用于確定排到試樣上的成分量。在此方面，所測(cè)量的長(zhǎng)度變化作為可直接測(cè)量的數(shù)值，用于確定由試樣吸收的成分量。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，試樣和工件在相同的溫度下承受氣氛的作用。由此實(shí)現(xiàn)既適用于試樣也適用于工件的相同的起始條件，從而無(wú)需校正計(jì)算便可將在試樣上測(cè)量到的情況傳遞到被處理的工件上。它特別適用于為試樣選擇與工件相同的合金。試樣可以直接設(shè)置在熱化學(xué)處理設(shè)備的爐室內(nèi)。作為現(xiàn)場(chǎng)情景傳感器或者C-流量傳感器，可以將試樣同樣直接裝入熱化學(xué)處理設(shè)備內(nèi)。也可選擇將試樣設(shè)置在處理設(shè)備的外面，并對(duì)其施加從處理氣氛中提取的氣流。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，方法實(shí)施等溫進(jìn)行。這種方法實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)是，試樣產(chǎn)生不受溫度影響的長(zhǎng)度變化。然后可以簡(jiǎn)單的方式無(wú)需校正計(jì)算地進(jìn)行所吸收的成分量的確定。對(duì)此也可以選擇在變化的溫度下實(shí)施該方法。如果處理金屬工件的方法實(shí)施受工藝限制不能僅在一種溫度下進(jìn)行的話，這一點(diǎn)是特別需要的。在變化的溫度下實(shí)施該方法，則必然需要對(duì)由于溫度變化附加產(chǎn)生的試樣的長(zhǎng)度變化在計(jì)算上進(jìn)行補(bǔ)償。這一點(diǎn)雖然與等溫的方法實(shí)施相比意味著增加費(fèi)用，但優(yōu)點(diǎn)是，依據(jù)本發(fā)明的方法即便在方法實(shí)施期間不同溫度調(diào)整的這種方法實(shí)施情況下也能使用。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，在試樣確定的冷卻時(shí)出現(xiàn)的表面分布變化的數(shù)值，最好是試樣縱向上的長(zhǎng)度變化，和/或者這種變化的溫度范圍，用于確定所傳遞的成分的量和成分的分布。公知在鐵基材料的相位轉(zhuǎn)變時(shí)，例如從奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變時(shí)，出現(xiàn)體積變化或長(zhǎng)度變化，其數(shù)值和溫度范圍與從氣相中吸收的成分的量和成分的分布相關(guān)。不同于從現(xiàn)有技術(shù)中公知的測(cè)量-和計(jì)值法，依據(jù)本發(fā)明的方法還提供了這種可能性，可以確定或預(yù)測(cè)的不僅是量，而且還有從氣氛中排放到工件上或者試樣上成分量的分布。特別是部件幾何形狀復(fù)雜的情況下具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭梢砸罁?jù)來(lái)自氣氛中的成分在部件上的富集，對(duì)幾何形狀上難于接近的那些范圍進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)。當(dāng)然，在使用依據(jù)本發(fā)明方法的情況下，也可以確定或預(yù)測(cè)濃度分布。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，試樣上的物質(zhì)傳遞與工件上的物質(zhì)傳遞相似進(jìn)行。它的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)將試樣直接設(shè)置在工件附近的爐室內(nèi)，或如果設(shè)置在爐室外面的話，可在試樣上調(diào)整相似的流動(dòng)比和溫度比。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，包含成分的氣氛以確定的流動(dòng)速度從試樣和/或者工件上流過(guò)。這種方法的變化以具有優(yōu)點(diǎn)的方式支持方法的實(shí)施，結(jié)果是可以比較精確地測(cè)量試樣的長(zhǎng)度變化以及更為準(zhǔn)確地說(shuō)明所傳遞的成分量。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，在使用管狀試樣的情況下，僅通過(guò)外表面吸收成分。這例如可以通過(guò)將管狀試樣的內(nèi)表面覆蓋或者具有對(duì)成分不滲透的覆蓋層來(lái)實(shí)現(xiàn)。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，使用碳作為成分。試樣同時(shí)也作為“C-傳感器”或“C-探針”使用，并可以確定滲碳過(guò)程中從輸送到氣氛上的碳載體傳遞到試樣上并因此也傳遞到所要滲碳的工件上的碳量。
為實(shí)現(xiàn)上述目的還涉及到一裝置，用于在金屬工件熱處理時(shí)，連續(xù)測(cè)量從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量，帶有試樣的支柱，試樣的縱向延伸明顯超過(guò)其橫向延伸，帶有長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)，用于掌握試樣在縱向上的時(shí)間上的長(zhǎng)度變化以及帶有一計(jì)算機(jī)單元。
裝置側(cè)具有試樣的支柱。支柱用于將試樣位置可靠地定位在氣氛內(nèi)。連接在該支柱上的是長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)，用于掌握支柱內(nèi)試樣時(shí)間上的長(zhǎng)度變化。在此方面，測(cè)量試樣縱向上的長(zhǎng)度變化。將長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)掌握的長(zhǎng)度變化輸送到計(jì)算機(jī)單元，在使用預(yù)先規(guī)定的計(jì)算步驟情況下，從所測(cè)量的長(zhǎng)度變化中確定從氣氛中傳遞到試樣內(nèi)的成分量。使用依據(jù)本發(fā)明的裝置，可以具有優(yōu)點(diǎn)的方式，借助試樣可直接測(cè)量的幾何形狀尺寸確定所傳遞的成分量，從而在使用依據(jù)本發(fā)明裝置的情況下，可以盡可能消除在從現(xiàn)有技術(shù)中公知的間接測(cè)量-計(jì)值方法中使測(cè)量結(jié)果失真的擾動(dòng)。因此，在使用依據(jù)本發(fā)明裝置的情況下，可以對(duì)由試樣或工件從氣氛中吸收的成分量進(jìn)行精確的測(cè)量以及精確的預(yù)測(cè)。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，試樣的支柱具有兩個(gè)支座，其中，一個(gè)支座在其位置上向長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)定位。同時(shí)具有向長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)不可移動(dòng)設(shè)置的第一支座以及第二支座，后者無(wú)論是向第一支座還是向長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)均可相對(duì)移動(dòng)設(shè)置。由支柱接受的試樣端面由兩個(gè)支座保持。熱化學(xué)方法實(shí)施開(kāi)始時(shí)，試樣的端面為平面，其表面緊貼在各自的支座上。在方法實(shí)施的過(guò)程中，通過(guò)吸收來(lái)自氣氛的成分產(chǎn)生試樣的體積變化，從而導(dǎo)致試樣緊貼在支座上的兩個(gè)端面的表面分布變化。表面分布的變化通過(guò)開(kāi)始時(shí)平面構(gòu)成的端面時(shí)間上的高度變化表示，從而由于來(lái)自氣氛的成分在試樣上的富集也造成試樣在縱向上的延伸?？v向上的這種長(zhǎng)度變化造成相對(duì)移動(dòng)設(shè)置的支座移動(dòng)。這種支座移動(dòng)由長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)掌握并傳輸給計(jì)算機(jī)單元，然后在可預(yù)先規(guī)定的計(jì)算原則的基礎(chǔ)上將掌握的試樣的長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)換成確定所吸收的成分量。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，至少一部分試樣支柱設(shè)置在氣氛里面。通過(guò)這種措施確保試樣盡可能承受與所要處理的工件相同的氣氛。因此，最好整個(gè)支柱連同試樣均設(shè)置在氣氛里面。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置在氣氛的外面或至少在氣氛加熱區(qū)的外面。這種設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是，該系統(tǒng)承受不到氣氛里面的溫度或那里的壓力。這樣可以具有優(yōu)點(diǎn)的方式消除了由外部影響造成的測(cè)量結(jié)果失真。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)為一光學(xué)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)。最好使用可以提供精確測(cè)量結(jié)果的借助激光工作的長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)。也可以選擇使用機(jī)械式長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)，它不同于光學(xué)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是很少受到外界影響的干擾。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，具有試樣的流動(dòng)通道。作為流動(dòng)通道例如可以使用里面設(shè)置試樣的管。在此方面，使用流動(dòng)通道的優(yōu)點(diǎn)是，可以為試樣確定一種流動(dòng)環(huán)境，從而可以確定更加精確的測(cè)量結(jié)果。
依據(jù)本發(fā)明的另一特征，具有溫度傳感器。它的作用是確定方法實(shí)施過(guò)程中環(huán)繞工件和試樣的氣氛里面可能變化的溫度。這樣可以借助所測(cè)定的溫度值掌握由于溫度變化附加產(chǎn)生的試樣的長(zhǎng)度變化，并為校正計(jì)算將其傳送到所連接的計(jì)算機(jī)單元。然后，一方面從所測(cè)量的試樣長(zhǎng)度變化中，另一方面從通過(guò)溫度變化引起的試樣附加長(zhǎng)度變化中確定所傳遞的成分量。
本發(fā)明還涉及一試樣，用于在金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)，連續(xù)測(cè)量從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量，帶有明顯超過(guò)橫向延伸的縱向延伸。
試樣這種幾何形狀的優(yōu)點(diǎn)是，由于從氣氛中吸收的成分產(chǎn)生的體積變化特別是在縱向伸長(zhǎng)方面非常明顯，從而可以具有優(yōu)點(diǎn)的方式簡(jiǎn)化方法實(shí)施。作為試樣可以優(yōu)選使用圓棒或者作為管構(gòu)成的試樣。為避免在管狀構(gòu)成的試樣中內(nèi)表面吸收來(lái)自氣氛的成分，需要時(shí)內(nèi)表面可以具有對(duì)來(lái)自氣氛的成分不滲透的覆蓋層。


下面借助附圖對(duì)本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征進(jìn)行說(shuō)明。其中圖1示出濃度分布變化的曲線圖；圖2示出長(zhǎng)度分布變化的曲線圖；圖3示出在假設(shè)可塑狀態(tài)的情況下時(shí)間點(diǎn)t1上濃度分布變化的曲線圖；圖4示出在假設(shè)可塑狀態(tài)的情況下時(shí)間點(diǎn)t2上濃度分布變化的曲線圖；圖5示出依據(jù)第一方法步驟濃度分布變化的曲線圖；
圖6示出依據(jù)第二方法步驟濃度分布變化的曲線圖；圖7示出依據(jù)本發(fā)明裝置第一實(shí)施例的示意圖；圖8示出依據(jù)本發(fā)明裝置第二實(shí)施例的示意圖；圖9示出試樣時(shí)間上長(zhǎng)度變化的曲線圖；圖10示出長(zhǎng)度變化在溫度上分布的曲線圖；以及圖11示出依據(jù)本發(fā)明裝置第三實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1以圖解方式示出在與試樣縱向垂直的剖面上試樣濃度分布16的變化。在此方面，13和14分別表示位置坐標(biāo)和濃度坐標(biāo)。位置坐標(biāo)13和濃度坐標(biāo)14的截點(diǎn)用131表示，它參照位置坐標(biāo)13相當(dāng)于邊界，即試樣的表面。
正如從濃度分布16的變化可以清楚看出的那樣，分布從最大邊界濃度16a出發(fā)，隨著位置坐標(biāo)13前行一直降到數(shù)值16c，該數(shù)值基本上相當(dāng)于實(shí)施熱化學(xué)過(guò)程之前試樣的起始濃度。點(diǎn)16b表示濃度分布16的分布曲線和與邊界濃度16a和起始濃度16c相關(guān)的濃度分布16的平均值16d之間的截點(diǎn)。
在實(shí)施用于金屬工件處理的熱化學(xué)過(guò)程的范圍內(nèi)，成分，例如碳從氣氛中傳遞到金屬工件上。在此方面，原子在工件金屬晶格中晶格間上的介入導(dǎo)致造成宏觀層面上體積增加的晶格擴(kuò)張。這種體積增加與所吸收的濃度幾乎成比例。在其縱向延伸基本上超過(guò)橫向延伸的試樣上，這種體積增加可以表現(xiàn)為縱向上的線性延長(zhǎng)。如果將這種長(zhǎng)度變化與起始長(zhǎng)度進(jìn)行比較，那么，由此得出與所引導(dǎo)的濃度變化成函數(shù)關(guān)系的試樣的相對(duì)延長(zhǎng)。
圖2示出在假設(shè)試樣為線性-彈性狀態(tài)下，依據(jù)曲線161沿位置坐標(biāo)13的試樣長(zhǎng)度分布，正如假設(shè)中的試樣會(huì)出現(xiàn)的那樣，其各層在力學(xué)上可自由地相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)一方面相對(duì)延長(zhǎng)和另一方面成分吸收之間的比例關(guān)系，得出與濃度分布162成比例分布的長(zhǎng)度分布161。在此方面，在邊界上，即試樣表面的外部區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生最大相對(duì)長(zhǎng)度161a，而起始長(zhǎng)度161c不變地保持在試樣的內(nèi)部。虛線加點(diǎn)構(gòu)成的直線161d相當(dāng)于相對(duì)長(zhǎng)度變化的平均值。
圖2示出的分布從這一假設(shè)出發(fā)，即試樣的各層在力學(xué)上可自由相對(duì)運(yùn)動(dòng)。然而，實(shí)際上各層相互連接，即它們不能根據(jù)所吸收成分的局部濃度在長(zhǎng)度上自由調(diào)整，從而出現(xiàn)剪應(yīng)力。圖2中用161b表示的位置為中性層，即試樣發(fā)生從高富集邊界區(qū)域的壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)移到試樣內(nèi)部拉應(yīng)力的那條線。通過(guò)這種剪應(yīng)力的作用，圖2中假設(shè)示出的相對(duì)長(zhǎng)度變化161的分布變形為長(zhǎng)度變化162的實(shí)際分布，即最大延長(zhǎng)161a在壓縮應(yīng)力的影響下降低到延長(zhǎng)值162a，而最小相對(duì)延長(zhǎng)161c通過(guò)拉應(yīng)力上升到數(shù)值162b。
參照?qǐng)D3-4，假設(shè)為一種完全可塑的狀態(tài)。在此方面，圖3示出時(shí)間點(diǎn)t1上的濃度分布16和靠后時(shí)間點(diǎn)t2上的濃度分布17。16a表示分布的恒定邊界濃度，16c相當(dāng)于擴(kuò)散開(kāi)始前在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上仿佛存在于試樣內(nèi)部的起始值。16b和17b分別表示在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上產(chǎn)生與虛線16d和17d相應(yīng)的平均濃度的位置。坐標(biāo)132相當(dāng)于兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)t1和t2之間最大濃度變化17e的位置。
依據(jù)圖4的曲線圖示出，根據(jù)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)t1和t2之間的軸線141，沿位置坐標(biāo)軸線13，即在與試樣的縱向橫對(duì)的擴(kuò)散方向上的局部濃度變化。在此方面，虛線17f相當(dāng)于這些時(shí)間點(diǎn)之間平均濃度的增長(zhǎng)。
為理解依據(jù)圖5軸線711表示相對(duì)長(zhǎng)度變化的曲線圖，假設(shè)試樣長(zhǎng)度的起始分布在時(shí)間點(diǎn)t1上為平面，即不同于圖1和2中完全彈性情況下的例子，分布在剪應(yīng)力的影響下擴(kuò)散期間一直為平面。如果時(shí)間點(diǎn)t1和t2之間的這種張馳過(guò)程瞬間“凝固”，那么會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)于依據(jù)圖5的曲線18長(zhǎng)度變化的分布，其中，在坐標(biāo)值132中出現(xiàn)最大的相對(duì)長(zhǎng)度變化18e，從而導(dǎo)致構(gòu)成壓縮應(yīng)力區(qū)。在點(diǎn)18g和18h上，負(fù)剪應(yīng)力從兩側(cè)傳遞到正剪應(yīng)力的區(qū)域內(nèi)。壓縮應(yīng)力的區(qū)域以及兩個(gè)拉應(yīng)力區(qū)域?yàn)椴煌年幱安糠炙尽?br> 依據(jù)圖6的曲線圖示出依據(jù)圖5相對(duì)長(zhǎng)度分布18張馳的第二設(shè)想步驟。在此方面，分布處于壓縮應(yīng)力下的范圍降低，而其它范圍上升，其中，相當(dāng)于長(zhǎng)度分布平均值18h的共同端水平面通過(guò)共同的平面調(diào)整。
實(shí)際上，圖5和6中設(shè)想的彼此分別獨(dú)立進(jìn)行的方法步驟同時(shí)進(jìn)行，即張馳與分布部位上的不同長(zhǎng)度變化重疊。作為這種過(guò)程的結(jié)果是，試樣長(zhǎng)度均勻地增長(zhǎng)，這一增長(zhǎng)與總體上吸收的成分量或與那個(gè)時(shí)間點(diǎn)上濃度分布的平均值成比例。在實(shí)踐上，試樣端面分布的變化或其長(zhǎng)度變化在像高溫滲碳的熱化學(xué)過(guò)程下接近完全可塑狀態(tài)。在較低溫度的例如像滲氮時(shí)的熱化學(xué)過(guò)程下，彈性狀態(tài)的比例上升。
圖7舉例示出在使用機(jī)械長(zhǎng)度測(cè)量裝置4的情況下實(shí)施依據(jù)本發(fā)明方法的裝置。在此方面，試樣1在氣氛和熱化學(xué)過(guò)程的溫度下處于區(qū)域21內(nèi)。排放成分的氣氛從與箭頭2相應(yīng)的各個(gè)方向作用于試樣1的表面。試樣利用其下端面12平放在支座板31上，支座板通過(guò)支架32與長(zhǎng)度測(cè)量裝置4這樣連接，使支座板31與長(zhǎng)度測(cè)量裝置4不會(huì)相對(duì)移動(dòng)。在成分?jǐn)U散過(guò)程中，試樣1在縱向上產(chǎn)生長(zhǎng)度變化。長(zhǎng)度變化通過(guò)端面11和12表面分布的最高點(diǎn)繼續(xù)傳遞到桿33上，桿再將其繼續(xù)傳遞給長(zhǎng)度測(cè)量裝置4。
長(zhǎng)度測(cè)量裝置4例如可以是電容式或者感應(yīng)式測(cè)量系統(tǒng)，它將測(cè)量值傳送給電子的和圖中沒(méi)有示出的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。長(zhǎng)度測(cè)量裝置4設(shè)置在處于區(qū)域21外面的區(qū)域22的里面。
圖8示出在使用光學(xué)長(zhǎng)度測(cè)量裝置40的情況下依據(jù)本發(fā)明裝置的相應(yīng)設(shè)置。在此方面，與圖7結(jié)構(gòu)相同的部件采用相同的參考符號(hào)。在此方面，箭頭34相當(dāng)于依據(jù)圖7的測(cè)量桿33，并代表例如可作為激光束構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)量射線。
通過(guò)使用應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生掌握試樣1長(zhǎng)度變化的另一種測(cè)量方法。將應(yīng)變計(jì)在試樣的縱向上安裝在試樣上，然后它與試樣的表面同時(shí)產(chǎn)生長(zhǎng)度變化。然后可以將溫度補(bǔ)償?shù)难由熘低瑯永^續(xù)傳送到對(duì)所測(cè)量的長(zhǎng)度變化計(jì)值的數(shù)據(jù)處理裝置。
圖9示出試樣時(shí)間上長(zhǎng)度變化的典型曲線圖，它是在例如采用與圖7相應(yīng)的方法設(shè)置在Ck15鋼試樣滲碳時(shí)測(cè)量的。在此方面，箭頭70代表時(shí)基，箭頭71代表長(zhǎng)度變化的軸線。曲線段73表明在加熱過(guò)程時(shí)惰性氣氛下出現(xiàn)的并緊接其后發(fā)生原始組織轉(zhuǎn)變的長(zhǎng)度變化，其中，依據(jù)點(diǎn)74組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。曲線段75相當(dāng)于直到溫度常數(shù)的延伸。直到這一瞬間，伸長(zhǎng)曲線相當(dāng)于通常伸長(zhǎng)計(jì)的測(cè)量曲線。
在點(diǎn)76時(shí)，惰性氣氛通過(guò)滲碳?xì)夥?，例如由一氧化碳，氫和丙烷組成的混合物置換。這時(shí)出現(xiàn)試樣延長(zhǎng)，在足夠長(zhǎng)的處理時(shí)間下轉(zhuǎn)移到曲線段77a的飽和中。在這種狀態(tài)下，整個(gè)試樣中的濃度與氣氛的碳活性處于平衡之中。在所示的實(shí)施例中，假設(shè)這種飽和接近碳在奧氏體中的溶度極限，即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的鐵-碳-曲線圖的Azm曲線。
曲線段78a相當(dāng)于試樣的冷卻，其中，在點(diǎn)79a時(shí)二次滲碳體離析，在點(diǎn)79b時(shí)珠光體離析。在本實(shí)施例中，假設(shè)飽和值處于過(guò)共析的范圍內(nèi)。而如果試樣的飽和處于低共析的范圍內(nèi)，那么點(diǎn)79a相當(dāng)于珠光體離析。
在不是通過(guò)例如用惰性氣體置換滲碳?xì)夥?，直至飽和與氣氛平衡的滲碳試驗(yàn)中，為達(dá)到飽和平頂線77a，點(diǎn)76后的曲線段突然中斷，并幾乎直接過(guò)渡到水平線段。因?yàn)樵谶@一時(shí)間點(diǎn)上試樣內(nèi)存在從外向內(nèi)下傾的分布，所以長(zhǎng)度變化相當(dāng)于冷卻時(shí)，類似于不同含碳量合金的轉(zhuǎn)變重疊點(diǎn)79a，79b上出現(xiàn)的曲線。
圖10示出上述試驗(yàn)長(zhǎng)度變化對(duì)溫度的曲線圖。在此方面，箭頭72代表溫度軸線，箭頭71代表相對(duì)的長(zhǎng)度變化。
曲線范圍731至761表示試樣在惰性氣氛中加熱，其中，到奧氏體的轉(zhuǎn)變?cè)邳c(diǎn)741時(shí)結(jié)束。接著在點(diǎn)761和771a之間由于滲碳過(guò)程產(chǎn)生等溫的長(zhǎng)度變化。曲線段771a-781a-791a-791b相當(dāng)于利用在點(diǎn)791a和791b上的轉(zhuǎn)變滲碳后試樣的冷卻。
圖11示出按照依據(jù)本發(fā)明的方法測(cè)量試樣長(zhǎng)度變化的裝置舉例。在此方面，試樣1利用端面12立在支座板31上，利用另一端面11頂住桿331，它是與試樣1相關(guān)的第二支座。試樣1在熱化學(xué)過(guò)程期間承受高溫，而本身的長(zhǎng)度測(cè)量裝置可選擇安裝在冷卻凸緣324上，冷卻凸緣從它那面利用壁5對(duì)熱化學(xué)反應(yīng)器氣密封閉，長(zhǎng)度測(cè)量裝置承受基本上接近常溫的溫度級(jí)，所以形成陡直的溫度梯度。試樣的長(zhǎng)度變化因此通過(guò)桿331以及支座板31支架的長(zhǎng)度變化疊加。為將這種干擾作用保持在很小程度，桿331由陶瓷，例如石英制成。在此方面非常重要的是，與試樣的端面11產(chǎn)生接觸的石英棒的端面完全磨平，直徑超過(guò)試樣的直徑，以確保端面11的所有點(diǎn)與石英棒的端面產(chǎn)生接觸。
為了補(bǔ)償桿331在溫度梯度中雖然很小，但由于其長(zhǎng)度始終存在的長(zhǎng)度變化，支座板31與凸緣324的距離同樣通過(guò)桿322調(diào)整，它優(yōu)選由與桿331相同的陶瓷材料構(gòu)成。因?yàn)樘沾刹牧蠈?duì)機(jī)械負(fù)荷具有脆斷性，所以支座板31設(shè)置在耐高溫的金屬管321上，該管連同金屬環(huán)323壓向處于部件324的孔325內(nèi)的壓簧325。在下面通過(guò)金屬管321與支座板31固定連接的陶瓷桿322由此配合端面的與部件324連接的金屬支架。溫度變化下伸長(zhǎng)很大的金屬管321因此僅使彈簧325的擠壓發(fā)生變化，而支座板31與金屬部件324的距離通過(guò)陶瓷桿322很少變化的長(zhǎng)度確定。
在依據(jù)圖11的實(shí)施例中，本身的長(zhǎng)度測(cè)量感應(yīng)式進(jìn)行，方法是陶瓷桿331在上面具有圓柱體的金屬件411，金屬件的移動(dòng)由感應(yīng)式測(cè)量線圈421通過(guò)壁420感知。
此外，還具有例如像鎧裝熱電偶的溫度傳感器6，它通過(guò)絕緣套管61穿過(guò)凸緣324，并通過(guò)連接線62連接在數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置上。無(wú)論是長(zhǎng)度測(cè)量裝置還是溫度傳感器的測(cè)量值均輸送到圖中未示出的數(shù)據(jù)檢測(cè)裝置，隨后利用相應(yīng)的電子計(jì)算程序換算成試樣內(nèi)成分的濃度分布。
該方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，可以在很寬的范圍內(nèi)改變擴(kuò)散幾何形狀，并由此配合所要控制的熱化學(xué)過(guò)程的活度和時(shí)間，例如用壁厚0.1mm管直至直徑6mm或更大的圓柱體實(shí)心體。此外，試樣的合金也可以在與所要控制的爐次的材料相一致的情況下進(jìn)行選擇，從而測(cè)量結(jié)果可以直接傳遞到爐次的狀態(tài)上。
下面，以表面硬化過(guò)程為例，介紹實(shí)施依據(jù)本發(fā)明的控制方法若滲碳時(shí)間較短，可以盡可能地不考慮工件的形狀來(lái)假設(shè)一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的過(guò)程。若試樣的壁厚足夠大，例如直徑足夠大的實(shí)心圓柱體，該過(guò)程也適用于這種試樣。某種材料的擴(kuò)散系數(shù)在已知溫度下是材料常數(shù)，利用其可以在已知的碳-邊界濃度時(shí)簡(jiǎn)單計(jì)算出擴(kuò)散分布。邊界濃度在平衡中是氣氛碳活性的函數(shù)，碳活性可從氣體成分中計(jì)算出，并通過(guò)鋼的溶度特征值在使用合金的活性系數(shù)情況下?lián)Q算成碳濃度。然而，碳從氣氛到金屬晶格表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)的數(shù)值是未知數(shù)。該分布可以進(jìn)行如下計(jì)算根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的方法，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上全部滲入試樣的碳量是已知的。從中直接得出與時(shí)間單位和面積單位相關(guān)的碳-物料流量。依據(jù)本發(fā)明的裝置因此是直接測(cè)量的C-流量-傳感器。根據(jù)已知的擴(kuò)散數(shù)據(jù)，通過(guò)阿侖尼烏斯-公式對(duì)所使用的溫度計(jì)算出合金中碳的擴(kuò)散系數(shù)。借助于柱面坐標(biāo)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散公式的解確定邊界濃度，該邊界濃度與過(guò)去的時(shí)間內(nèi)已知的擴(kuò)散系數(shù)導(dǎo)出測(cè)量的平均含碳量。將該邊界濃度通過(guò)非穩(wěn)態(tài)公式轉(zhuǎn)換成工件幾何形狀范圍內(nèi)的濃度分布。
上述為表面硬化介紹的那些過(guò)程依據(jù)意義也可以用于其他熱化學(xué)過(guò)程，例如滲氮過(guò)程。
如果在滲碳過(guò)程的范圍內(nèi)改變溫度，那么盡管如此仍能精確確定含碳量的變化。為此目的，從整個(gè)長(zhǎng)度變化中減去在所觀察的溫度范圍內(nèi)根據(jù)奧氏體線膨脹系數(shù)得出的長(zhǎng)度變化。長(zhǎng)度變化的余額相當(dāng)于由試樣所吸收的碳的相對(duì)量。
權(quán)利要求
1.一方法，用于連續(xù)測(cè)量在金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量，其中，其縱向延伸明顯超過(guò)其橫向延伸的試樣經(jīng)受氣氛的作用，在縱向上測(cè)量由于吸收從氣氛中排出的成分而造成的試樣時(shí)間上的長(zhǎng)度變化，所測(cè)量的長(zhǎng)度變化用于確定從氣氛中向試樣內(nèi)傳遞的成分量。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，試樣和工件在相同溫度下經(jīng)受氣氛的作用。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，該方法等溫進(jìn)行。
4.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，該方法在溫度變化時(shí)進(jìn)行，其中，由于溫度變化附加產(chǎn)生的試樣的長(zhǎng)度變化在計(jì)算上予以補(bǔ)償。
5.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在試樣確定的冷卻時(shí)出現(xiàn)的表面分布變化的數(shù)值，最好是試樣縱向上的長(zhǎng)度變化的數(shù)值，和/或者這種變化的溫度范圍，用于確定所傳遞的成分的量和成分的分布。
6.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在使用管狀試樣時(shí)僅通過(guò)外表面吸收成分。
7.按權(quán)利要求1-5之一所述的裝置，其特征在于，在使用管狀試樣時(shí)通過(guò)外表面和內(nèi)表面吸收成分。
8.按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，使用碳作為成分。
9.一裝置，用于連續(xù)測(cè)量在金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量，特別是用于實(shí)施按權(quán)利要求1-8之一所述的方法，帶有試樣的支柱，試樣的縱向延伸明顯超過(guò)其橫向延伸，帶有長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)，用于掌握試樣在縱向上的時(shí)間上的長(zhǎng)度變化以及帶有一計(jì)算機(jī)單元。
10.按權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，試樣的支柱具有兩個(gè)支座，其中，一個(gè)支座在其位置上向長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)定位。
11.按權(quán)利要求9或10所述的裝置，其特征在于，至少試樣支柱的一部分設(shè)置在氣氛的里面。
12.按權(quán)利要求9-11之一所述的裝置，其特征在于，長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置在氣氛的外面。
13.按權(quán)利要求10-12之一所述的裝置，其特征在于，試樣設(shè)置在熱化學(xué)熱處理裝置爐室的里面。
14.按權(quán)利要求10-13之一所述的裝置，其特征在于，長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)為光學(xué)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)。
15.按權(quán)利要求10-13之一所述的裝置，其特征在于，長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)為機(jī)械式長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)。
16.按權(quán)利要求10-15之一所述的裝置，其特征在于，具有試樣的流動(dòng)通道，最好為管狀。
17.按權(quán)利要求10-16之一所述的裝置，其特征在于，該裝置具有溫度傳感器。
18.一試樣，用于連續(xù)測(cè)量在金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量，特別是用于實(shí)施按權(quán)利要求1-9之一所述的方法，帶有基本上超過(guò)橫向延伸的縱向延伸。
19.按權(quán)利要求18所述的試樣，其特征在于，該試樣為圓棒。
20.按權(quán)利要求18所述的試樣，其特征在于，該試樣為管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一方法，用于測(cè)量在金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)，從氣氛中排出的成分量。為提供即使在正在進(jìn)行處理過(guò)程中，也能產(chǎn)生有關(guān)從氣氛中排出的和由工件吸收的成分量相當(dāng)精確數(shù)據(jù)的測(cè)量方法，本發(fā)明提出一種方法，用于在金屬工件熱化學(xué)處理時(shí)連續(xù)測(cè)量從環(huán)繞工件的氣氛中排出的和由工件吸收的成分量，其中，其縱向延伸明顯超過(guò)其橫向延伸的試樣經(jīng)受氣氛的作用，在縱向上測(cè)量由于吸收從氣氛中排出的成分而造成的試樣時(shí)間上的長(zhǎng)度變化，所測(cè)量的長(zhǎng)度變化用于確定從氣氛中向試樣內(nèi)傳遞的成分量。
文檔編號(hào)G01N33/20GK1506682SQ200310120439
公開(kāi)日2004年6月23日 申請(qǐng)日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月11日
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