DD294045A5 - Verfahren zur herstellung von ofenatmosphaeren fuer die schutzgaswaermebehandlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ofenatmosphaeren fuer die Schutzgaswaermebehandlung von Werkstuecken aus Eisenwerkstoffen in Gasmischungen, die aus reduzierend wirkender Basisatmosphaere und kohlenstoffhaltigem Zusatzgas bestehen. Dabei wird dem mit dem Randkohlenstoffgehalt der Werkstuecke gebildeten CH4-Anteil zur Einstellung des chemischen Gleichgewichts ein CH4-Anteil entgegengesetzt, der aus nascierenden Gasmolekuelen besteht. Diese hochaktive Gaskomponente wird erfindungsgemaesz durch UEberleitung reaktiver, insbesondere wasserstoffhaltiger Gase ueber die Oberflaeche eines sauerstofffreien kohlenstoffhaltigen Feststoffes bei genau derselben Temperatur des Waermebehandlungsprozesses gebildet und uebergangslos der Basisatmosphaere im Ofenraum zugemischt. Die Bildung dieser Gaskomponente erfolgt in einem Reaktionsgefaesz, das sich mit im Ofenraum befindet und dadurch vollkommen dem Temperaturregime des Waermebehandlungsprozesses unterliegt.{Waermebehandlung; Eisenwerkstoffe; Schutzgaserzeugung; Atmosphaereneinstellung; Methanreaktion}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ofenatmosphären für die Schutegaswärmebehandlung, das angewendet wird, um Werkstücke aus Eisenwerkstoffen beim Glühen gleichzeitig vor Randentkohlung und -oxidation zu schützen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, Werkstücke aus Stahl ohne die Bildung von Oxiden des Eisens bzw. seiner Legierungselemente in einem Ofenraum zu behandeln, indem Ammoniak-Spaltgas (75% H₂ + 25% N₂) als Ofenatmosphäre eingeführt wird und nach DE-OS 2510460 zur indirekten Regelung des Randkohlenstoffgehaltes der Werkstücke der innerhalb des Ofenraums entstehende CH₄- Anteil der Atmosphäre auf einem dem chemischen Gleichgewicht mit dem Randkohlenstoffgehalt entsprechenden Wert gehalten wird. Die Regelung soll dabei durch die Menge des zugeführten Ammoniak-Spaltgases realisiert werden, wobei zur Erhöhung des CH₄-Anteils der Ofenatmosphäre ein ausdrücklich CH₄-freier Kohlenwasserstoff mit mindestens 2 C-Atomen im Molekül zusätzlich in den Ofenraum eingeführt wird. Letzteres ist nachteilig, aber für dieses Verfahren deshalb unumgänglich, weil sich das chemische Gleichgewicht der Gaskomponente CH₄ mit dem Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke bekanntermaßen viel zu langsam einstellt. Die endotherme Spaltung höher-C-haltiger Kohlenwasserstoffe liefert zwar die aktiven Komponenten, beeinflußt aber ihrerseits das Atmosphärengleichgewicht und die einfache Regelung ausschließlich über die Zuführung des Basisgases wird erschwert. Dieser Art der Regelung sind auch dadurch Grenzen gesetzt, daß für die Aufrechterhaltung definiert stabiler Ofenbedingungen ein bestimmter Gasdurchsatz notwendig ist, der nicht allzu breite Toleranzen zuläßt.

Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung einer Ofenatmosphäre für die Wärmebehandlung von Metallen, insbesondere von Stahl, beansprucht das DD-AP 49420. Dieses Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß fließfähige, lediglich C und H enthaltende Kohlenwasserstoffe oder solche enthaltende Brennstoffe in einer mit dem Behandlungsraum verbundenen kleinen Verbrennungskammer mit so hoher Temperatur (min. 1100⁰C) verbrannt und in den Behandlungsraum überführt werden, daß

ausschließlich der Verbrennungsgasbestandteil CO wirksam wird. Die zur Verbrennung notwendige Luft muß zunächst wohldosiert mit dem Kohlenwasserstoff vermischt werden, wonach das Gemisch bedarfsweise über einen Vorwärmer und dann in die Verbrennungskammer zu leiten ist. Da die Verbrennungskammer ausdrücklich sehr klein sein muß, um die erforderliche hohe Verbrennungstemperatur zu erreichen, ergeben sich neben dem Problem der Erzielung eines ausreichenden Gasdurchsatzes u. a. erhöhte regelungs-und wärmetechnische Aufwendungen, um den Prozeß der Verbrennung einerseits und der Einstellung der zweckmäßigen Ofenbedingungen andererseits beherrschbar zu gestalten.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile bestehender Lösungen zu beseitigen und ein Verfahren zur wirtschaftlichen und technologisch einfachen Herstellung von Ofenatmosphären für die Schutzgaswärmebehandlung von Eisenwerkstoffen zu entwickeln, die keine Randentkohlung und -oxidation der Werkstücke im gesamten Temperaturbereich der bekannten Glühverfahren zulassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Schutzgaswärmebehandlung von Werkstücken aus Eisenwerkstoffen sauerstofffreie Ofenatmosphären mit geregelter Kohlenstoffaktivität herzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß einer im Ofenraum befindlichen reduzierend wirkenden Basisatmosphäre ein kohlenstoffhaltiges Zusatzgas zugemischt wird, das unmittelbar zuvor durch Überleitung eines reaktiven Gases über die Oberfläche eines sauerstofffreien kohlenstoffhaltigen Feststoffes bei genau derselben Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses gebildet wurde.

Die Erzeugung des kohlenstoffhaltigen Zusatzgases erfolgt vorteilhaft in einem Reaktionsgefäß, das sich im Ofenraum selbst befindet, durch die Ofenwärme mitbeheizt wird und somit vollkommen dem Temperaturregime des Wärmebehandlungsprozesses unterliegt.

Günstig ist es, zur Bildung der reduzierend wirkenden Basisatmosphäre und des kohlenstoffhaltigen Zusatzgases das gleiche Ausgangsgas zu verwenden. Hierfür ist Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas, insbesondere Ammoniak-Spaltgas gut geeignet, das einerseits zur Bildung der Basisatmosphäre direkt in den Ofenraum eingeführt wird und andererseits zuvor durch das im Ofenraum befindliche Reaktionsgefäß mit dem kohlenstoffhaltigen Feststoff geleitet und dann übergangslos der Basisatmosphäre zugemischt wird.

Die Reaktion der Basisatmosphäre mit dem Behandlungsgut ist abhängig von:

- der Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses;

- dem Behandlungsgut, insbesondere dem Werkstoff-C-Gehalt;

- der effektiven Oberfläche des Behandlungsgutes;

- dem zeitlichen Gaswechsel der Ofenatmosphäre.

Da zur Bildung des kohlenstoffhaltigen Zusatzgases erfindungsgemäß automatisch die Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses herrscht, ist zur Atmosphärenregelung lediglich die Einstellung des Mengenverhältnisses von direkt eingeleitetem und übergeleitetem Anteil des Ausgangsgases bei Einhaltung eines vorgegebenen Gesamtdurchsatzes erforderlich. Als Regelgröße wird zweckmäßigerweise der Wasserstoffgehalt der Ofenatmosphäre herangezogen. Der vorgeschlagenen technologischen Lösung liegt der folgende erfinderische Gedankengang zugrunde: Die reduzierend wirkende wasserstoffhaltige Basisatmosphäre verhindert gewollt die Randoxidation und bindet überdies adsorptiv vorhandenen Restsauerstoff. Gleichzeitig entzieht sie aber dem Behandlungsgut ungewollt den Randkohlenstoff, der sich zu CH₄ umsetzt. Ein entsprechendes Gegenangebot von CH₄ auf übliche Weise bereitzustellen, wäre aufgrund der sich bekanntlich trägen Gleichgewichtseinstellung der Atmosphärenkomponente CH₄ mit dem Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke wirkungslos. Wird jedoch ein CH₄-Potential aufgebaut, das aus nascierenden Gasmolekülen besteht, erfolgt die Einstellung des chemischen Gleichgewichts sofort. Diese hochaktive Gaskomponente wird erfindungsgemäß durch die Überleitung eines reaktiven, vorzugsweise wasserstoffhaltigen Gases über die Oberfläche eines sauerstofffreien kohlenstoffhaltigen Feststoffes gebildet, wobei im Prinzip der gleiche Prozeß abläuft, wie auf der Oberfläche des Behandlungsgutes.

Als Kohlenstoffspender sind Feststoffe mit hohem Kohlenstoffreservoir, z.B. Graphit oder Holzkohle, geeignet, die möglichst großflächig mit dem übergeleitetem reaktiven Gas in Kontakt gebracht werden und in Gegenwart von katalysierenden Metallen, insbesondere Eisen, sehr wirksam sind. Deshalb ist es von Vorteil, den kohlenstoffhaltigen Feststoff mit Eisen zu umgeben oder zu durchsetzen oder aber in sinnvoller Kombination kohlenstoffreiches Eisen, z. B. Grauguß, großflächig dem überströmenden Gas zur Reaktion anzubieten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden:

Werkzeuge aus dem gehärteten SchnellarbeitsstahlX82WMo6.5 wurden in einer Basisatmosphäre aus Ammoniak-Spaltgas bei 550⁰C 3x 1 h angelassen.

Außer der direkten Zuführung des Spaltgases in den Ofenraum wurde ein entsprechend dem H₂-Gehalt der Ofenatmosphäre dosierter Anteil Spaltgas zunächst durch das im Ofen befindliche Reaktionsgefäß, das eine Eisenwandung und eine Füllung aus stückiger Holzkohle in Anwesenheit von Spänen aus grauem Gußeisen besitzt, geleitet und das Produkt übergangslos der Basisatmosphäre zugemischt.

Bei der beispielhaften Charge wurde ein H₂-Gehalt von 61 Vol.-% im Abgas festgestellt, wonach unmittelbar auf denjenigen CH«-Gehalt zu schließen war, der im dynamischen Gleichgewicht mit dem Behandlungsgut stand und unter den konkreten Behandlungsbedingungen 11 Vol.-% betrug. Es brauchte dann lediglich diese erforderliche CH^GIeichgewichtsmenge in dem genannten Reaktionsgefäß erzeugt zu werden, um die Ofenatmosphäre kohlenstoffneutral einzustellen. Der Gesamtgaswechsel des Ofenraums wurde 2x/h durchgeführt

Beim Behandlungsgut wurden nach dem Anlassen weder Entkohlungs- noch Oxidationserscheinungen festgestellt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Ofenatmosphären für die Schutzgaswärmebehandlung von Werkstücken aus Eisenwerkstoffen unter Verwendung von Gasmischungen, die aus reduzierend wirkender Basisatmosphäre und kohlenstoffhaltigem Zusatzgas bestehen, wobei das Zusatzgas durch endotherme Gas-Feststoff-Reaktion gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgas durch Überleitung eines reaktiven Gases über die Oberfläche eines sauerstofffreien kohlenstoffhaltigen Feststoffes bei genau derselben Temperatur des Wärmebehandlungsprozesses gebildet und übergangslos der Basisatmosphäre im Ofenraum zugemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Zusatzgases in einem Reaktionsgefäß erfolgt, das sich im Ofenraum selbst befindet und durch die Ofenwärme des Wärmebehandlungsprozesses beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Basisatmosphäre und des Zusatzgases das gleiche Ausgangsgas verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die angestrebte Zusammensetzung der Ofenatmosphäre durch Einstellung des Mengenverhältnisses von direkt eingeleitetem und übergeleitetem Anteil des Ausgangsgases bei Einhaltung eines vorgegebenen Gesamtdurchsatzes erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzgas aktives CH₄ gebildet wird, indem als Ausgangsgas Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsgas Ammoniak-Spaltgas verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße der Wasserstoffgehalt der Ofenatmosphäre verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Feststoff in Gegenwart katalytisch wirkender Metalle verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kohlenstoffhaltige Feststoff in Gegenwart von Eisen verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiger Feststoff stückige Holzkohle verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiger Feststoff kohlenstoffreiches Eisen verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiger Feststoff graues Gußeisen verwendet wird.