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Verfahren zur Glühbehandlung von Metallen, insbesondere bei der Erzeugung metallkeramischer Körper durch Sinterung, in einer, ausserhalb des Glühraumes erhitzten Schutz- gasatmosphäre
Metallkeramische Erzeugnisse, insbesondere solche aus Eisenpulver, werden vorwiegend in der Weise hergestellt, dass das Metallpulver, ge- gebenenfalls unter Beigabe von Zusätzen, die dem gesinterten Werkstück bestimmte gewünschte Eigenschaften verleihen, in Formen gepresst wird und der Pressling sodann einer Glühbehandlung bis zur Sinterung unterworfen wird, wobei ein Zusammenfritten der Kristallite unter Erhöhung der Festigkeit und Dichte des Körpers eintritt.
Von grösster Bedeutung für das Ergebnis der Glühbehandlung des Gutes ist die Beschaffenheit der Ofenatmosphäre. Das Gas oder Gasgemisch, das zur Bildung der Ofenatmosphäre in den Glühraum eingeführt wird, wird allgemein als Schutzgas"bezeichnet. Das Schutzgas kann so gewählt werden, dass es sich gegenüber dem Sintergut chemisch neutral verhält oder dass es oder einzelne seiner Bestandteile mit dem Sintergut oder seinen Nebenbestandteilen oder Zuschlägen in Reaktion treten. Als Beispiel für Reaktionen zwischen Schutzgas und einem Einsatzgut aus Eisen seien genannt : Kohlensäure bewirkt oberhalb eines bestimmten temperaturabhängigen Gleichgewichtsverhältnisses von Kohlensäure zu Kohlenoxyd Oxydation, verbunden mit Entkohlung des Einsatzgutes. Das gleiche gilt für Schutzgase, die Wasserdampf-Wasserstoff enthalten. Kohlenwasserstoffe, z. B.
Methan, rufen zufolge der Abspaltung von Kohlenstoff eine Aufkohlung hervor. Durch Schwefelwasserstoff und Schwefelkohlenstoff wird der Schwefelgehalt des Einsatzgutes erhöht usw.
Nach dem Stande der Technik werden solche Glüh-und Sinterprozesse in diskontinuierlich betriebenen Kammeröfen oder in kontinuierlich betriebenen Kanalöfen verschiedenster Bauart unter Erhitzung des Einsatzgutes durch unmittelbare Wärmestrahlung ausgeführt. Die für den Glühprozess erforderliche Wärme wird fast ausschliesslich durch den elektrischen Strom in Heizwendeln oder Heizstäben aus verschiedenen Widerstandsmaterialien erzeugt, wobei die als Wärmequelle dienenden Heizorgane an den Ofenwänden, der Ofendecke und gegebenenfalls am Boden des Ofens angeordnet sind und die Wärme durch direkte Bestrahlung des Glühgutes auf dieses übertragen. Die Wärmeübertragung durch das Schutzgas auf konvektivem Wege fällt hiebei kaum ins Gewicht, da die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases sehr klein ist.
Aus diesem Grunde liegen auch die Bedingungen für das Eintreten chemischer Reaktionen zwischen Schutzgas und Glühgut ungünstig.
Mit der Wärmeübertragung durch direkte Strahlung ist ferner der Nachteil verbunden, dass die Teile des Einsatzgutes, die der direkten Bestrahlung ausgesetzt sind, rascher und höher erhitzt werden als solche Teile, die beispielsweise durch davorstehendes Glühgut vor der unmittelbaren Einwirkung der Wärmestrahlung geschützt sind. Die Folgen hievon sind ungleichmässige Eigenschaften des fertig geglühten Gutes, was
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die Temperatur steigert. Um bei kurzer Glüh- dauer und hoher Temperatur einer ungleich- mässigen Erhitzung möglichst entgegenzuwirken, musste man sich damit behelfen, die Werkstücke nur in einer niedrigen Schichte in den Ofen ein- zusetzen, um sie möglichst gleichmässig der
Strahlung auszusetzen. Dieser Umstand bedingt jedoch die Anwendung kleiner Ofenquerschnitte ; ein solcher Ofen besitzt aber nur eine beschränkte
Leistungsfähigkeit.
Zum Wärmen von empfindlichen Wärmegut ist auch schon vorgeschlagen worden, das Gut durch die fühlbare Wärme eines im Kreislauf ge- führten vorgewärmten Schutzgases zu erhitzen.
Nach einem dieser Vorschläge hat man die ge- samten Schutzgase, nachdem sie ihre Wärme an das Wärmegut abgegeben hatten, in Regenerativ- kammern verbrannt und sie so zur Aufheizung der neu ankommenden Schutzgasmengen ver- wendet. Nach einer anderen bekannten Arbeits- weise wird ein Teil der umlaufenden Schutzgase zur Aufheizung der Kreislaufmenge von dieser abgezweigt und der entnommene Teil durch frische
Schutzgase ersetzt.
Auch nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wird die für die Erreichung und Aufrechterhaltung
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der Glühtemperatur erforderliche Wärme dem Glühgut durch das Schutzgas, welches ausserhalb des Glühraumes erhitzt wird, zugeführt. Zu diesem Zweck werden in den Glühraum grosse Mengen Schutzgas, die das Gut kräftig umspülen und hiebei das Einsatzgut vornehmlich auf konvektivem Wege gleichmässig erhitzen, eingeführt. Der Schutzgasstrom wird ausserhalb des Glühraumes in einem Gaserhitzer auf die für die Glühbehandlung des jeweiligen Einsatzgutes erforderliche Glühtemperatur gebracht.
Die Erhitzung des Schutzgases ausserhalb des Glühraumes kann aut direktem elektrischem Wege durch Widerstands-, Lichtbogen-oder Flammbogenbeheizung, oder durch Gasfeuerung, wobei die Wärme auf das Schutzgas indirekt durch Rekuperatoren und bzw. oder Regeneratoren übertragen wird, erfolgen. Zu der direkten elektrischen Erhitzung oder zur indirekten durch Gasfeuerung kann eine weitere durch Teilverbrennung des Schutzgases treten, wenn dies die Gaszusammensetzung zulässt oder erforderlich macht. Auch die teilweise Verbrennung wird ausserhalb des Ofenglühraumes vorgenommen. Das Verfahren kann sowohl mit einem gegenüber dem Einsatzgut indifferenten Schutzgas als auch im gewünschten Falle mit einem Schutzgas, welches mit dem Einsatzgut, seinen Nebenbestandteilen oder Zuschlägen chemisch reagiert, durchgeführt werden.
In letzterem Falle unterstützt die hohe Gasgeschwindigkeit den Ablauf von chemischen Reaktionen zwischen Schutzgas und Einsatzgut.
Das erhitzte Schutzgas tritt an einer oder mehreren Stellen in die Glühzone des Ofens ein und gibt seine Wärme zur Gänze oder teilweise an das Gut ab, wobei je nach den gewählten Bedingungen eine chemische Reaktion zwischen Schutzgas und Glühgut herbeigeführt werden kann. Nach Verlassen des Glühofens kann das Schutzgas ganz oder teilweise wieder im Gaserhitzer vorgewärmt und in den Glühofen zurückgeführt werden.
Erfindungsgemäss wird nun das Schutzgas vor, dem Gaserhitzer oder in diesem oder auch nach der Erhitzung mit festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen zur Reaktion gebracht, z. B., um seine Zusammensetzung zu ändern oder das Schutzgas nach der Glühbehandlung zu regenerieren. Besteht das Schutzgas beispielsweise aus Wasserstoff und Kohlenoxyd und enthält das Einsatzgut im Glühofen Oxyde, so werden diese während des Glühprozesses unter Bildung von Wasserdampf aus Wasserstoff, und Kohlensäure aus Kohlenoxyd, reduziert.
Damit das Schutzgas, das nach Verlassen des Glühofens wieder dem Gaserhitzer zugeführt wird, bei seinem neuerlichen Eintritt in den Glühofen wieder die ursprüngliche Zusammensetzung aufweist, können die während des Glühprozesses gebildeten Mengen Wasserdampf und Kohlensäure durch Umsetzung mit Kohlenstoff wieder in Kohlenoxyd und Wasserstoff übergeführt werden, indem man das Schutzgas nach der Erhitzung über oder durch eine Kohlen-oder Koksschichte leitet. Durch Ein- führung flüssiger oder gasförmiger Kohlenwasserstoffe kann der gleiche Erfolg erzielt werden. Auf ähnliche Weise kann der Anteil an Schutzgas, der durch Undichtheitsverluste usw. verloren geht, wieder ergänzt werden. So kann z. B.
Wasserdampf oder Kohlensäure oder Luft von aussen in den Schutzgaskreislauf zweckmässig vor dem Gaserhitzer eingeführt und während der Erhitzung oder nachher mit festem Kohlenstoff oder flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen zur Reaktion gebracht werden, wie oben beschrieben wurde. Bei Anwendung solcher Massnahmen kann selbst auf einen eigenen Schutzgaserzeuger verzichtet werden, da das Schutzgas im Schutzgaskreislauf selbst erzeugt werden kann.
Es kann aber auch durch eine Teilverbrennung des Schutzgases dessen Zusammensetzung den jeweils vom Glühgut verlangten Bedingungen angepasst werden. Diese Teilverbrennung wird ausserhalb des Glühraumes vorgenommen. Sie wird zweckmässig nach der Vorwärmung im Gaserhitzer, also zwischen Gaserhitzer und Glühraum, eingeschaltet.
Sie unterstützt die Aufheizung des Schutzgases und ermöglicht, den Gaserhitzer kälter betreiben zu können. Für diese Beeinflussung der Zusammensetzung und zusätzliche Erhitzung der Schutzgasatmosphäre durch Teilverbrennung seien folgende Beispiele gegeben :
1. Das Schutzgas besteht aus reinem Kohlenmonoxyd. Das zu erhitzende Sintergut besteht aus Eisenpulverpresslingen, die bei 1100 C gesintert werden sollen. Das Schutzgas soll sich diesen gegenüber bei der angegebenen Sintertemperatur reduzierend verhalten. Das Gleich- gewichtsschaubild für Eisen-Kohlenstoff-Sauerstoff sagt aus, dass bei 1100 C ein Gas von der Zusammensetzung 75% Kohlenoxyd und 25% Kohlendioxyd an der Grenze zwischen Oxydation und Reduktion bei dieser Temperatur liegt.
Es können daher im Gaserhitzer ausserhalb des Glühraumes, in welchem das Schutzgas auf die Temperatur von 1100 C erhitzt wird, bis zu etwa 25% des Kohlenmonoxydes zu Kohlensäure verbrannt werden, wobei die durch die Verbrennung freiwerdende Wärme zur Temperaturerhöhung des Schutzgases beiträgt.
2. Das in den Gaserhitzer eintretende Schutzgas hat folgende Zusammensetzung :
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<tb>
<tb> Kohlenoxyd <SEP> 10%
<tb> Wasserstoff <SEP> 55%
<tb> Methan <SEP> 35%
<tb> 100%
<tb>
Es sollen kohlenstoffarme Eisenpulverpresslinge bei 1100 C gesintert werden, wobei eine Aufkohlung des Einsatzgutes nicht eintreten darf. Im Gaserhitzer zerfällt das Methan in Wasserstoff und Kohlenstoff, der im erhitzten Gas als feinst verteilter Russ vorliegt und im Sintergut eine Aufkohlung zur Folge hätte. Um dies zu verhindern, wird das Schutzgas soweit verbrannt, dass die entstehenden Verbrennungsprodukte
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umsetzen und den Kohlenstoff zu Kohlenoxyd oxydieren, welches bei der Glühtemperatur keine Aufkohlung bewirkt.
Dem Schutzgas können ferner vor, während oder nach der Erhitzung Stoffe aller drei Aggregatzustände beigemengt werden, die im Glühofen mit dem eingesetzten Gut zur Reaktion kommen ; so können beispielsweise zum Zwecke der Aufkohlung des Einsatzgutes in das Schutzgas flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe eingeführt werden oder durch zugesetzten Schwefel, Schwefelwasserstoff oder Schwefelkohlenstoff eine Schwefelaufnahme des Glühgutes bewirkt oder andere Veränderungen des Glühgutes herbeigeführt werden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist vornehmlich für dieDurchführungvon Glühprozessen, insbesondere Sinterprozessen im Rahmen der Erzeugung metallkeramischer Körper, bestimmt ; indessen kann es mit Vorteil auch für andere Glühbehandlungen metallischer Körper, z. B. zum Weich-oder zum Blankglühen von Gegenständen oder Halbzeug (wie Stangen und Rohre) aus Bronze, Messing u. dgl. oder aus Stahl Anwendung finden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung wird zweckmässig im kontinuierlich betriebenen Ofen, vorzugsweise in Kanalöfen, ausgeführt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Glühbehandlung von Metallen, insbesondere bei der Erzeugung metallkeramischer Körper durch Sinterung, in einer ausserhalb des Glühraumes erhitzten Schutzgasatmosphäre, durch welche die für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der Glühtemperatur erforderliche Wärme dem Glühgut zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas vor, während oder nach der Erhitzung mit festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen zur Reaktion gebracht wird, um das Schutzgas zu regenerieren oder dieses im Kreislauf zu ergänzen oder zu erzeugen.