CH632013A5 - Verfahren zur gasaufkohlung von werkstuecken aus stahl. - Google Patents

Verfahren zur gasaufkohlung von werkstuecken aus stahl. Download PDF

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CH632013A5
CH632013A5 CH1160877A CH1160877A CH632013A5 CH 632013 A5 CH632013 A5 CH 632013A5 CH 1160877 A CH1160877 A CH 1160877A CH 1160877 A CH1160877 A CH 1160877A CH 632013 A5 CH632013 A5 CH 632013A5
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D3/00—Diffusion processes for extraction of non-metals; Furnaces therefor
    • C21D3/02—Extraction of non-metals
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufkohlung von Werkstücken aus Stahl in einem Ofenraum, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 800 - 1100°C, bei dem in der Anfangsphase der Behandlung mehr Kohlenstoff als gewünscht in der Werkstückoberfläche gelöst und in der Endphase der Behandlung ein Strom eines Entkohlungsgases in den Ofen eingeleitet und der gewünschte Randkohlenstoffgehalt im Werkstück durch Änderung der eingeleiteten Menge des Entkohlungsgases eingestellt wird.
Zweck der Erfindung ist es, bei der Gasaufkohlung von Werkstücken in einem Ofenraum eine gleichmässige Auf-kohlungstiefe und eine genaue Randkonzentration des Kohlenstoffes an der gesamten Werkstückoberfläche und an allen Stellen der Charge zu erzielen. Aus wirtschaftlichen Gründen soll dies in einer kurzen Behandlungszeit und mit geringem apparativem Aufwand geschehen.
50 Nach dem Stand der Technik wird eine gleichmässige Aufkohlungstiefe der aufgekohlten Werkstückoberfläche dadurch angestrebt, dass ein kohlenstoffhaltiges Gas in einer begrenzten Kohlenstoffkonzentration mit der Werkstückoberfläche in Berührung gebracht wird, so dass diese den Kohlen-55 stoff aufnehmen kann und sich keine Russabscheidungen an den Werkstücken und im Ofen bilden. Trotz aller Bemühungen, den Aufkohlungsvorgang zu regeln, treten unabhängig von der Art der Regelung immer noch erhebliche Differenzen der Aufkohlungstiefe innerhalb der Charge auf. Die vom 60 umgewälzten Aufkohlungsgas direkt angeströmten Stellen kohlen stärker auf, als die im Schatten des Umwälzgasstromes liegenden.
Werden grössere Aufkohlungstiefen angestrebt (etwa über 0,5 mm), so wird zur Erhöhung der Eindringgeschwindigkeit 65 zunächst ein zu hoher Randkohlenstoffgehalt in Kauf genommen und dieser dann in einem geregelten Entkohlungsvor-gang auf den gewünschten Wert gesenkt. Die Entkohlung erfolgt durch Zufuhr eines kohlenstoff- und wasserstoffhalti-
3
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gen Gasgemisches (Endo-Gas — ca. 20% CO, 40 H2) mit einem entsprechend hohen Anteil von C02 und HaO im Rahmen der chemischen Gleichgewichte. Auch die Reproduzierbarkeit des Randkohlenstoffgehaltes ist nach vorangegangener Überkohlung in einem derartigen Gasgemisch noch nicht befriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schattenbildungen bei der Aufkohlung zu vermeiden und in einer kurzen Behandlungsdauer eine möglichst gleichmässige Aufkohlungstiefe an allen Stellen der Werkstücke innerhalb einer dicht belegten Charge zu erreichen und anschliessend den Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke exakt und reproduzierbar auf den gewünschten Sollwert zu bringen, ohne aufwendig erzeugte Gasgemische, wie z.B. Endogas verwenden zu müssen.
Zur Lösung der Aufgabe wird im Anschluss an einen Überschuss-Aufkohlungsvorgang ein Entkohlungsvorgang durch ausschliessliches Einleiten eines wasserstofffreien, sauerstoffhaltigen Entkohlungsgases vorgenommen, wobei die eingeleitete Menge des Entkohlungsgases in an sich bekannter Weise so eingeregelt wird, dass das beim Entkohlungsvorgang entstehende Sauerstoffpotential der Ofenatmosphäre im chemischen Gleichgewicht zu dem gewünschten Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke steht. Vorzugsweise wird der Aufkohlungsvorgang in der Anfangsphase unter Russbildung durch ein über das Lösungsvermögen der Werkstückoberfläche hinausgehendes Überangebot an Kohlenstoff im Aufkohlungsgas vorgenommen.
Der Erfindung liegen folgende neue Erkenntnisse zugrunde:
1. Die Kohlenstoff-Randkonzentration der Werkstücke wird bei den bekannten Verfahren durch das chemische Gleichgewicht mit der kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ofenatmosphäre bestimmt. Zur Ermittlung muss deren C/H-Verhältnis bekannt sein. Während des Entkohlungsvorganges verändert sich dieses jedoch laufend, da neben den bekannten Mengen der zugeführten kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Gase eine nicht erfassbare Menge Kohlenstoff während des Entkohlungsvorganges von der Ofenatmosphäre aufgenommen wird. Bei der erfindungsgemässen Entkohlung der Werkstücke ausschliesslich durch ein zugeführtes wasserstofffreies, sauerstoffhaltiges Gas — z.B. Luft oder COa — entstehen im Ofenraum ausschliesslich die reaktionsfähigen j Gaskomponenten CO und C02. Da keine wasserstoffhaltigen • Gase vorhanden sind, repräsentiert der gemessene C02-Wert bzw. das mit einem Festkörperelektrolyt ermittelte Sauerstoffpotential eindeutig den Randkohlenstoffgehalt des Stahls sowohl während der Entkohlungskinetik als auch nach ein-io getretenem Gleichgewichtszustand.
2. Die Gleichmässigkeit der Aufkohlungstiefe an sämtlichen Oberflächen der Werkstücke einer Charge nimmt zu, wenn ein Überangebot an Kohlenstoff über die in gelöstem Zustand von Stahl aufnehmbaren Mengen vorliegt. Bei den 15 direkt angeströmten Oberflächen ist hierbei das Kohlenstoffangebot so gross, dass es das Lösungsvermögen der Stahloberfläche für Kohlenstoff übersteigt. Bei den im Schatten des Umwälzgasstromes liegenden Oberflächen ist das Kohlenstoffangebot immer noch so hoch, dass es zumindest dem 20 Aufnahmevermögen der Werkstückoberfläche entspricht. Die durch das Überangebot an Kohlenstoff entstehende Russbildung im Ofen und an gewissen Stellen der Werkstückoberfläche ist überraschenderweise unschädlich da entgegen vielfach geäusserter Befürchtungen durch die Kohlenstoffab-25 Scheidung an der Werkstückoberfläche keine Behinderung des Aufkohlungsvorganges eintritt.
Als wasserstofffreie, sauerstoffhaltige Entkohlungsgase dienen vorzugsweise Stickstoff/Sauerstoffgemische, wie Luft. Durch den Regelvorgang im Rahmen der Entkohlungsphase 30 wird die zugeführte Entkohlungsgasmenge so dosiert, dass als Verbrennungsprodukt im Ofenraum im wesentlichen nur CO entsteht. Bei Luft als Entkohlungsgas liegt der CO-Wert konstant bei etwa 34%. Die zulässigen C02-Werte der Ofenatmosphäre werden gemessen und repräsentieren das Kohlen-35 Stoffpotential. Nach ihnen wird der Mengenstrom des Entkohlungsgases geregelt in dem Sinne, dass bei unterhalb des Sollwertes liegenden C02-Ist-Werten die eingeleitete Menge Entkohlungsgas erhöht wird. Die Zahlenwerte hängen vom gewünschten Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke und von 40 der Ofentemperatur ab. Bei Luft als Entkohlungsgas besteht beispielsweise folgender Zusammenhang:
Randkohlenstoffgehalt (Gew.-%)
900°C
920°C
940°C
960°C
980°C
1000°C
1020°C
1040°C
0,6%
0,753%
C02
0,612
0,499
0,410
0,341
0,283
0,238
0,201%
CO.
0,7%
0,626%
co2
0,509
0,414
0,341
0,283
0,,235
0,198
0,168%
CO.
0,8%
0,529%
co2
0,430
0,350
0,288
0,239
0,199
0,167
0,141%
CO,
0,9%
0,454%
co2
0,343
0,279
0,230
0,191
0,158
0,133
0,113%
CO.
1,0%
0,393%
co2
0,320
0,261
0,215
0,178
0,148
0,125
0,105%
CO.
1,1%
0,346%
co2
0,264
0,215
0,176
0,147
0,122
0,103
0,087%
CO.
Die vorgenannten C02-Werte bei der erfindungsgemässen 6o Entkohlung ausschliesslich mit Luft liegen knapp 3mal so hoch, wie bei einer konventionellen Ofenatmosphäre aus sogenanntem Endogas — hergestellt aus Erdgas — und gleichzeitiger Einführung von Luft als Entkohlungsmittel. Sie gelten nach abgeschlossenem Atmosphärenwechsel von Aufkohlungs-65 gas u. Entkohlungsgas. Erfolgt der Atmosphärenwechsel durch Abpumpen (Vakuum), so gelten die Werte uneingeschränkt. Erfolgt der Atmosphärenwechsel durch Verdrängen der Auf-kohlungsatmosphäre mit Luft als Entkohlungsmittel, so liegen
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4
den Werten eine 4fache Spülung des Ofenraumes mit Entkohlungsgas zugrunde.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet eine exakte Entkohlung. Dadurch ist es möglich, den vorangegangenen Aufkohlungsprozess ungeregelt vorzunehmen. Ein ungeregeltes Überangebot von Kohlenstoff führt — falls die von den Werkstücken aufgenommene Kohlenstoffmenge schwankt — zu einem Mehr oder Weniger an Kohlenstoffabscheidung im Ofen oder an der Werkstückoberfläche. Für den nachfolgenden geregelten Entkohlungsvorgang bedeutet dies, dass zur Aufrechterhaltung des gewünschten Kohlenstoffpotentials je nach vorhandener Kohlenstoffmenge eine mehr oder weniger grosse Menge Luft eingeleitet wird. Die praktische Folge dieser Erkenntnis ist, dass energieverbrauchende Aufbereitungsanlagen für endothermes Schutzgas entfallen und die ansonsten zur Schutzgasherstellung verwendeten Kohlenwasserstoffe zur Aufkohlung direkt in den Ofenraum eingeführt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine besonderen Anforderungen an die konstante Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe gestellt werden, wie dies zur Erzeugung von endothermem Schutzgas der Fall ist.
Bei besonders hohen Anforderungen an die Gleichmässig-keit der Aufkohlungstiefe wird der Aufkohlungsvorgang unter Überdruck oder pulsierendem Überdruck vorgenommen. Auf diese Weise kann auf die bisher notwendige Umwälzung des Aufkohlungsgases verzichtet werden, da die unter Druck stehende Ofenatmosphäre genügend Kohlenstoff in die engen Spalten einer dichten Charge fördert. Durch den Überdruck erfolgen mehr Molekülzusammenstösse der Gase untereinander, welche die Aktivierung der kohlenstoffgebenden Moleküle — auch in engen Spalten — bewirken. Dadurch werden die durch den Gasdruck nicht beeinflussbaren entaktivierenden Oberflächeneffekte besser überdeckt. Somit verringert sich die durch die Werkstückform selbst bedingte Aufkoh-lungsschattenwirkung an konkaven Stellen, z.B. Sacklöchern oder Innenkanten.
Die Qualität der durch reine Kohlenwasserstoffe aufgekohlten und anschliessend in einer wasserstofffreien Ofenatmosphäre entkohlten Werkstücke aus Stahl ist sehr gut. Beim Aufkohlungsvorgang wird — im Gegensatz zur konventionellen Aufkohlung in CO-haltigem Endogas — kein Sauerstoff unerwünscht übertragen. Es erfolgt daher beim Aufkohlungsvorgang keine nicht mehr rückgängig zu machen-de-Randoxidation. Beim Entkohlen in wasserstofffreiem Gas kann beim Aufkohlungsvorgang eingedrungener Wasserstoff wieder entweichen. Somit bewirkt die Aufkohlung nach dem erfindungsgmässen Verfahren keine Qualitätsminderung der Werkstücke durch aufgenommenen Sauerstoff oder Wasserstoff.
5 Das Verfahren sei nachstehend anhand eines Beispiels erläutert:
Eine Charge (350 kg) mit dicht beieinanderstehenden Nockenwellen wird bei 1020°C 3 Stunden lang durch Zufuhr von ca. Va = 7 m3/h reinem Erdgas in einem automaio tischen Kammerofen unter Russbildung aufgekohlt. Anschliessend wird die Erdgaszufuhr eingestellt und zunächst Vn = 8 m3/h Luft zugeführt. Nach wenigen Minuten ist der C02-Sollwert von 0,13 Gew.-% erreicht und ein Motorventil drosselt die zugeführte Luftmenge. Am Ende der Entkoh-15 lungsdauer von 45 Minuten beträgt die zur Aufrechterhaltung des C02-Sollwertes notwendige Luftmenge nur noch Vn = 3 m3/h. Der gesamte Luftverbrauch zur Entkohlung der Charge betrug Vn = 4 m3. Damit wurden während der Entkopplungsphase 900 g Kohlenstoff vergast.
20
Ergebnis: Einsatzhärtungstiefe: 2,2 mm ±0,1 mm Randkohlenstoffgehalt: 0,95 Gew.-%
25
Gefüge:
Aussehen:
Martensit, auch an Aussenkanten frei von Karbiden blank und russfrei
Die erzielte Aufkohlungsgeschwindigkeit ist so hoch, wie 30 sie ansonsten nur bei der sogenannten Unterdruck-Aufkohlung erreicht wird. Die gleiche Charge weist bei konventioneller Gasaufkohlung ohne Abscheidung freien Kohlenstoffes in der Aufkohlungsphase eine geringere Einsatzhärtungstiefe (1,6 mm) mit grösseren Streuwerten (± 0,3 mm) auf. 35 Das Verfahren der Erfindung ist somit sehr fortschrittlich. Bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung wird der Bauaufwand und der Energiebedarf erheblich reduziert. Es ist auch nicht naheliegend, denn es überwindet das Vorurteil der Fachleute, die Russbildung beim Aufkohlungsvorgang verhin-40 dem zu müssen. Weiterhin überwindet es das Vorurteil, Luft ohne Beimischung von reduzierendem Gas in einen Ofenraum einzuführen. Es tritt nicht die allgemein erwartete Oxidation der Werkstücke ein. Im Gegenteil, die Werkstücke verlassen den Aufkohlungsofen mit einwandfrei blanker 45 Oberfläche.
v

Claims (3)

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1,1%
0,346%
co2
0,264
0,215
0,176
0,147
0,122
0,103
0,087%
co2
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Atmosphärenwechsel von Aufkohlungsgas zu Entkohlungsgas durch Evakuieren des Ofenraumes vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkohlung der Werkstücke unter einem konstanten oder pulsierenden Überdruck bis
1,0%
0,393%
co2
0,320
0,261
0,215
0,178
0,148
0,125
0,105%
co2
1. Verfahren zur Gasaufkohlung von Werkstücken aus Stahl in einem Ofenraum, bei dem in der Anfangsphase der Behandlung mehr Kohlenstoff als gewünscht in der Werkstückoberfläche gelöst und in der Endphase der Behandlung 5 ein Strom eines Entkohlungsgases in den Ofen eingeleitet und der gewünschte Randkohlenstoffgehalt im Werkstück durch Änderung der eingeleiteten Menge des Entkohlungsgases eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ent-kohlungsvorgang durch ausschliessliches Einführen eines io wasserstofffreien, sauerstoffhaltigen Entkohlungsgases in den Ofenraum vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Aufkohlungsvorgang in der Anfangsphase unter Russabscheidung durch ein über das Lösungsvermögen der 15 Werkstückoberfläche hinausgehendes Überangebot an Kohlenstoff im Aufkohlungsgas vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anfangsphase ausschliesslich ein Kohlenwasserstoff zur Aufkohlung eingeleitet wird. 20
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Entkohlungsgas ein Stickstoff/ Sauerstoffgemisch, vorzugsweise Luft, eingeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass Luft eingeleitet und die Menge der eingeleiteten Luft 25 in Abhängigkeit von der Ofentemperatur und dem gewünschten Randkohlenstoffgehalt auf folgende C02-Werte der Ofenatmosphäre eingeregelt wird:
Randkohlenstoffgehalt (Gew.-%)
900°C
920°C
. 940°C
960°C
980°C
1000°C
1020°C
1040°C
0,6%
0,753%
co2
0,612
0,499
0,410
0,341
0,283
0,238
0,201%
co2
0,7%
0,626%
co2
0,509
0,414
0,341
0,283
0,235
0,198
0,168%
co2
0,8%
0,529%
co2
0,430
0,350
0,288
0,239
0,199
0,167
0,141%
co2
0,9%
0,454%
co2
0,343
0,279
0,230
0,191
0,158
0,133
0,113%
co2
2
PATENTANSPRÜCHE
3 bar vorgenommen wird.
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