CZ298996B6

CZ298996B6 - Zpusob nitridacního cementování kovových obrobku

Info

Publication number: CZ298996B6
Application number: CZ20020645A
Authority: CZ
Inventors: Schmidt@Hans-Peter
Original assignee: Messer Group Gmbh
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2008-04-02
Also published as: EP1230415A1; EP1230415B1; WO2001014611A1; PL195105B1; DE19940370A1; DE50005043D1; PL353217A1; CZ2002645A3; ES2214316T3; ATE257865T1; DE19940370C2

Abstract

Pri zpusobu nitridacního cementování kovových obrobku jsou obrobky zpracovávány v pracovní atmosfére, která obsahuje dusík, oxid uhelnatý a vodík pripracovní teplote v pracovní komore, kde jako donor uhlíku pro vytvorení pracovní atmosféry se používá oxid uhlicitý. Podle vynálezu se proud plynu obsahující oxid uhlicitý (1, 21) zavádí do reaktoru (4, 24), který je spojen s pracovní komorou (6, 27), a v tomto reaktoru se upravuje reakcí s donoremvodíku (2, 22) pri reakcní teplote, která je vyšší než pracovní teplota, za vzniku cementovacího plynu (5, 25), který pri pracovní teplote má aktivitu uhlíku, jež je vyšší než proud plynu obsahujícího oxid uhlicitý (1, 21).

Description

Oblast techniky

Tento vynález se týká způsobu nitridačního cementování kovových obrobků působením na obrobky pracovní atmosférou, 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 dusí15 ku je zásadně amoniak NH₃, zatímco jsou 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.

Atomární 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 rezistence k opotřebení například nitridové fáze ve formě, která je známa jako ε-nitrid (Fe_{2 3}N) a γ'—nitrid (Fe4N) nebo směsi takových nitridů. Reakce, které probí25 hájí během utváření nitridů z železo obsahujících kovů, mohou být popsány na základě následujících chemických rovnic:

(1) NH₃ = (N)_ad+l,5H₂ (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 rezistenci ke korozi a opotřebení. Dále se ukazuje, že ráz a rozsah nitridační 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 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. Výsledkem je aktivita pevného uhlíku (ac_>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 (ac_>B), které je přizpůsobena převládajícím podmínkám, se začíná vyrovnávat; tato aktivita může být definována podle Boudouardovy reakce:

2 CO = C + CO₂ (Hc.b) = K_b *P² co/Pco2

- 1 CZ 2989966

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 ε-nitridu (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 nitridaěního 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 NH₃ vytváří. 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 nitridační koeficient křížení atmosféry pro nitridování nebo nitridační cementování, přičemž nitridační koeficient je určen odměřováním obsahu O₂ v atmosféře používající O₂ senzor.

V DE-A1 195 14 932 je pro produkci atmosféry pro nitridační 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 nitridační 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 CO₂, dodávány přímo do pracovní komory. To je účinné pro nauhličování nebo nitridační cementování kvůli vysokým teplotám, které převa25 žují v těchto způsobech, ale nejsou efektivní při standardních relativně nízkých nitridačních teplotách maximálně 580 °C. Při těchto nízkých teplotách není methanol krakován stechiometrický, 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 dáv30 kovacím 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.

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 nauhliěovacího 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 obrázků na výkresech

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

-2CZ 2989966

Příklady provedení vynálezu

Způsob nitridačního cementování kovových obrobků zpracováním obrobků v pracovní atmosféře, 5 která obsahuje dusík, oxid uhelnatý a vodík, při pracovní teplotě v pracovní komoře, ve které se použije oxid uhličitý jako donor uhlíku k vytvoření pracovní atmosféry, se odlišuje skutečností, že proud I, 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, kteráje vyšší než pracovní teplota, za vytvoření nauhličovacího plynu 5, 25, který při pracovní teplotě má aktivitu uhlíku, kteráje vyšší než proud 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 reaktoru 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 způsobuje pracovní komora 6, 27 výhodně opatřena zařízením 9, 30 pro řízení aktivity uhlíku, ve kterém se jako řízená proměnná používá rychlost dávkování parciámího 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 ředicí plyn 3,

23 se míchá s proudem 1, 21 plynu obsahujícího oxid uhličitý, nauhličovacím plynem 5, 25 a/nebo parciámím proudem donoru 2, 22 vodíku.

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

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

Při tomto způsobu pracovní teplota je výhodně v rozmezí od 500 do 700 °C.

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

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob nitridačního cementování kovových obrobků zpracováním obrobků v pracovní 45 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 obsahuj ící 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 reakcí s donorem vodíku (2; 22) při reakční teplotě, která je vyšší než pracovní teplota

50 kvytvoření nauhličovacího plynu (5; 25), který má při pracovní teplotě aktivitu uhlíku, kteráje vyšší než proud plynu obsahující oxid uhličitý (1; 21).
2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že jako donoru vodíku se používá tekutina obsahující uhlovodík (2).

-3 CZ 2989966
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jako donoru vodíku se používá zemní plyn, propan nebo methan (2).
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako donoru vodíku se používá
5 amoniak (22).

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

ío
6. Způsob podle nároku 4 nebo 5, vy z n a č uj í c í se t í m , že z nauhličovacího plynu (5; 25) se odebírá vlhkost 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

15 proměnlivá používá rychlost dávkování parciálního proudu obsahujících donor vodíku.
8. Způsob podle nároku 7, vy znač u j í cí se tí m , 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 do proudu plynu obsahujícího oxid uhličitý (1; 21), nauhličovací plyn (5; 25) a/nebo parciální proud pro donor vodíku (2; 22) se přimíchá ředicí plyn (3; 23).

25
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, kteráje v oblasti pracovní teploty.
11. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že nauhličovací

30 plyn (25), když se zavádí do pracovní komory (6), má teplotu, kteráje v oblasti reakční teploty.
12. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že teplota v pracovní komoře je v rozmez mezi 500 a 700 °C.

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