CZ2002645A3

CZ2002645A3 - Způsob nitridačního cementování kovových obrobků

Info

Publication number: CZ2002645A3
Application number: CZ2002645A
Authority: CZ
Inventors: Hans-Peter Schmidt
Original assignee: Messer Griesheim Gmbh
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2003-02-12
Also published as: PL353217A1; ATE257865T1; PL195105B1; EP1230415A1; WO2001014611A1; DE19940370C2; DE50005043D1; EP1230415B1; DE19940370A1; ES2214316T3; CZ298996B6

Description

Tento vynález se týká způsobu nitridačního cementování kovových obrobků působením na obrobky pracovní atmosféry, která obsahuje dusík, oxid uhelnatý a vodík, při pracovní teplotě v pracovní komoře, ve které je použit oxid uhličitý jako donor uhlíku pro vytvoření pracovní atmosféry.

Dosavadní stav techniky

Pro nitridační cementování kovových obrobků jsou používány různé směsi plynů. Donorem dusíku je zásadně amoniak (NH3) , zatímco jako donory uhlíku se používají různé směsi plynů, jako je například směs vzduchu/uhlovodíku (endotermická a exotermická atmosféra) a oxid uhličitý.

V nitridační peci tyto plyny reagují s přítomným vodíkem, s pevným uhlíkem, dusíkem a kyslíku aktivita se uskutečňuje v souladu se stanovenými teplotními a chemickými podmínkami.

Atomický dusík, který se tvoří během štěpení amoniaku, reaguje zvlášť jednoduše při kontaktu s kovovými povrchy (označenými níže jako (N)_ad ) , s kovem, a tak vytváří nitridy.

V kombinaci se železem je možné vytvořit různé nitridové fáze. V případě ocelí jsou preferovány se zaměřením na dosažení vysoké tvrdosti a resistence k opotřebení například nitridové fáze ve formě, která je známa jako ε-nitrid (Fe₂-3N) a γ'-nitrid (FesN) nebo směsi takových nitridů. Reakce, které • · • » · . 2.

·♦ ·♦ • · · probíhají během utváření nitridů z železo obsahujících kovů, mohou být navrhnuty na základě následujících chemických rovnic:

(1)	NH₃ =	(N)_ad + 1,5 H₂
(2a)	(N) ad	+ 4 Fe = Fe₄N	γ'-nitrid
(2b)	(N) _ad	+ 2-3 Fe = Fe₂-₃N	ε-nitrid

Uhlík, který se rozpustí v nitridu, má účinek na morfologii, pevnost, průdušnost spár a přilnavost připojené vrstvy a její resistenci ke korozi a opotřebení. Dále se ukazuje, že ráz a rozsah nitridačního fáze je značně ovlivňován aktivitou uhlíku v nitridační atmosféře. Aktivita uhlíku je naopak závislá na použitém donoru uhlíku. Aktivita klesá v následujícím pořadí: propan, endotermická atmosféra, exotermická atmosféra a oxid uhličitý. Poněvadž složení plynné fáze v nitridační peci má proto značný vliv na výsledek nitridačního cementování, je výhodné, jestliže toto složení může být stanoveno v rozpětí, která jsou tak široká, jak jen to je možné.

Ve známých směsích plynů jsou obsahy oxidu uhličitého obvykle mezi 4 a 10 % objemovými. Oxid uhličitý je měřen přímo ve výhňové komoře nitridační pece, kde částečně reaguje s vodíkem podle následující reakční rovnice:

CO2+H₂=CO+H₂O

Čerstvý plyn je obvykle stále vháněn nitrační pecí, takže není vytvořena chemická rovnováha v plynné fázi .

··♦♦

3.

Výsledkem je aktivita pevného uhlíku (a_c,_B) , která je značně závislá na specifických podmínkách v nitridační peci, jako jsou například plochy povrchu obrobků, které mají být zpracovány, nitridační teplota, složení plynu a objemová rychlost toku plynu a kterou je většinou nemožné řídit zvenku. Proto tedy aktivita uhlíku (a_c,B) , které je přizpůsobena převládajícím podmínkám, se začíná vyrovnávat; tato aktivita může být definována podle Boudouardovy reakce:

CO = C + CO₂ (^ac,B) = Kb P² co/Pco2

K_B označuje konstantu Boudouardovy rovnováhy. Když je oxid uhličitý dodáván přímo do nitridační pece, je ustavena aktivita uhlíku na maximum z 1, což koresponduje s aktivitou čistého grafitu. Nicméně za těchto podmínek vytvoření εnitridu (Fe₂-3N) může být dosaženo pouze vysokým nitridačním koeficientem (K_N) vyšším než 1.

V tomto ohledu musí být učiněn odkaz na DE-C1 197 19 225, který popisuje způsob pro řízení nitridačního koeficientu atmosféry pro nitridování nebo nitridačního cementování v peci, pokud jako zdroj dusíku je použit NH3. Známý proces se odlišuje skutečností, že prosazení plynného NH3 je udržováno jako konstantní a řízen je pouze pracovní bod v předkrakovací části, ve které se krakovací plynný NH₃vytváří. Vysoký nitridační koeficient vyžaduje vysoký obsah amoniaku v nitridační peci, což na druhé straně vede k vysokému obsahu zbytkového amoniaku v plynech odcházejících z peci, které jsou nevyužity.

» · * ·

Tento účinek je také vytvořen ve způsobu navrženém v DE Al 42 29 803, podle něhož je použit nitridačni koeficient k řízení atmosféry pro nitridování nebo nitridačni cementování, přičemž nitridačni koeficient je určen odměřováním obsahu O₂ v atmosféře používající O₂ sensor.

V DE-A1 195 14 932 je pro produkci atmosféry pro nitridačni cementování navrženo pro uhlovodíky a oxidační složku, jako je vzduch nebo CO₂, a amoniak, aby byly dodávány přímo do pece. K dosažení řízeného obsahu CO, který tak vysoký, jak jen je to možné v atmosféře pro nitridačni cementování, je obsah CO odměřován a když je dosaženo předem stanoveného dolního limitu, a látka tvořící CO, jako je methanol, je dodána přímo do komory pece. Při tomto způsobu jsou proto složky tvořící CO, jako je methanol nebo C0₂, dodávány přímo do pracovní komory. To je účinné pro nauhličování nebo nitridačni cementování kvůli vysokým teplotám, které převažují v těchto způsobech, ale nejsou efektivní při standardních relativně nízkých nitridačních teplotách maximálně 580 °C. Při těchto nízkých teplotách není methanol krakován stechiometricky, ale vytvářejí se poněkud nežádoucí produkty krakování, jako je CH₄ a jiné vyšší uhlovodíky, CO₂, aldehydy, ketony atd., které jsou v některých případech toxické a mají leptavé účinky, když kondensují. Navíc krakování methanolu je velmi závislé na podmínkách v tepelné komoře a dávkovacím povrchu, takže požadované složení plynů v peci není reprodukovatelné. To znamená, že jako výsledek neřízených krakovacích reakcí se na dávkovaný materiál a povrch tepelné komory ukládají saze nebo se vytvářejí nežádoucí karbidy.

5• · · · · · • · · · · · (náhradní strana)

Podstata vynálezu

Vynález je proto založen na cíli úpravy známého způsobu nitridačního cementování kovových obrobků s použitím oxidu uhličitého jako donoru uhlíku takovým způsobem, že povaha a rozsah tvorby nitridu mohou být přizpůsobeny v rámci širokého rozmezí.

Podle tohoto vynálezu je cíle dosaženo skutečností, že proud plynu obsahující oxid uhličitý je zaváděn do reaktoru, který je připojen v protisměru k pracovní komoře a v tomto reaktoru je upraven reakcí s donorem vodíku při reakční teplotě, která je vyšší než pracovní teplota k vytvoření nauhličovacího plynu, který má při pracovní teplotě aktivitu uhlíku, která je vyšší než proudu plynu obsahujícího oxid uhličitý.

Podle tohoto vynálezu je dodáván proud plynu obsahující oxid uhličitý do reaktoru, ve kterém je upraven na vyšší aktivitu uhlíku a pak zaveden jako nauhličovací plyn do pracovní komory.

Přehled obrázku na výkresech

Způsob je vysvětlen s ohledem na obr. 1 a obr. 2.

Příklady provedení vynálezu

Způsob nitridačního cementování kovových obrobků zpracováním obrobků v pracovní atmosféře, která obsahuje dusík, oxid uhelnatý a vodík, při pracovní teplotě v pracovní • · • · (náhradní straná’)*’·*’ **’’ * *··*·· komoře, ve které se použije oxid uhličitý jako donor uhlíku k vytvoření pracovní atmosféry, se odlišuje skutečností,' že proud χ, 21 plynu obsahujícího oxid uhličitý, se zavádí do reaktoru 4_, 24, který je připojen v protisměru k pracovní komoře 6, 27 a že v reaktoru je upraven reakcí s donorem _2, 22 vodíku při reakční teplotě, která je vyšší než pracovní teplota za vytvoření nauhličovacího plynu 5, 25, který při pracovní teplotě má aktivitu uhlíku, která je vyšší než proudu 1, 21 plynu obsahujícího oxid uhličitý.

Při tomto způsobu se tekutina 2_ obsahující uhlovodík používá jako donor vodíku. Jako donor vodíku je použit zvláště zemní plyn, propan nebo methan 2. Při jiném způsobu se jako donor vodíku používá amoniak 22.

Při způsobu, při kterém se jako donor vodíku používá amoniak 22, se jako reaktor používá zejména krakovací jednotka 24 pro amoniak. Při způsobu se obzvláště odstraňuje vlhkost z nauhličovacího plynu 2, 25 před jeho zavedením do pracovní komory 6, 27.

Při tomto způsobu je pracovní komora 6, 27 výhodně opatřena zařízením 9, 30 pro řízení aktivity uhlíku, ve kterém se jako řízená proměnná používá rychlost dávkování parciárního proudu, který obsahuje donor 2, 22 vodíku. Zařízení _9, 30 pro řízení aktivity uhlíku zahrnuje měření aktivity 8_, 29 kyslíku a/nebo koncentrace oxidu uhelnatého v pracovní komoře 6, 27. Zvláště ředící plyn _3, 23 se míchá s proudem ý, 21 plynu obsahujícího oxid uhličitý, nauhličovacím plynem _5, 25 a/nebo parciárním proudem donoru 2, 22 vodíku.

• ·

- 5b (náhradní strana)

Při způsobu je výhodné pro nauhličovací plyn 25, aby byl ochlazen na teplotu, která je v oblasti pracovní teploty před zavedením do pracovní komory 27.

Při tomto způsobu je výhodné pro nauhličovací plyn .5, aby když je zaveden do pracovní komory 6, měl teplotu, která je v oblasti reakční teploty.

Při tomto způsobu pracovní teplota je výhodně v roz-mezí od 500 do 700 °C.

Při tomto způsobu reakční teplota je výhodně v rozmezí od 800 do 1150 °C.

Claims

1. Způsob nitridačního cementování kovových obrobků zpracováním obrobků v pracovní atmosféře, která obsahuje dusík, oxid uhelnatý a vodík při pracovní teplotě v pracovní komoře, při kterém se používá oxid uhličitý jako donor uhlíku pro vytvoření pracovní atmosféry, vyznačující se tím, že proud plynu obsahující oxid uhličitý (1; 21) se zavádí do reaktoru (4; 24), který je spojen v protisměru s pracovní komorou(6; 27) a v tomto reaktoru se upravuje reakce s donorem vodíku (2; 22) při reakční teplotě, která je vyšší než pracovní teplota k vytvoření nauhličovacího plynu (5;

25), který má při pracovní teplotě aktivitu uhlíku, která je vyšší než proudu plynu obsahující oxid uhličitý (1; 21) .

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že tekutina obsahující uhlovodík (2) se používá jako donoru vodíku.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že zemní plyn, propan nebo methan (2) se používá jako donoru vodíku.

4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že amoniak (22) se používá jako donoru vodíku.

5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že štěpící jednotka (24) pro amoniak se používá jako reaktor.

6. Způsob podle nároku 4 nebo 5, vyznačujíc! se tím, že z nauhličovaciho plynu (5; 25) se vlhkost odebírá dřív než se zavádí do pracovní komory (6; 27).

7. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že se používají prostředky (9; 30) pro řízení aktivity uhlíku v pracovní komoře (6; 27), ve které se jako řízená proměnlivá používá rychlost dávkování parciálního proudu obsahujícího donor vodíku.

8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že prostředky (9; 30) pro řízení aktivity uhlíku zahrnují měření aktivity kyslíku (8; 29) a/nebo koncentrace oxidu uhelnatého v pracovní komoře (6; 27).

9. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 7 nebo 8, vyznačující se tím, že ředicí plyn (3; 23) se přimíchá do proudu plynu obsahujícího oxid uhličitý (1; 21), nauhličovací plyn (5; 25) a/nebo parciální proud pro donor vodíku (2; 22).

10. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že nauhličovací plyn (25), se před zavedením do pracovní komory 27),chladí na teplotu, která je v oblasti pracovní teploty.

11. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že nauhličovací plyn (25) když se zavádí do pracovní komory 6) má teplotu, která je v oblasti reakční teploty.

« * • · · · • · . 8.

12. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že teplota v pracovní komoře je v rozmezí mezi 500 °C a 700 °C.

13. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 12, vyznačující se tím, že reakční teplota je v rozmezí mezi 800 °C a 1150 °C.