DD298433A5

DD298433A5 - METHOD AND DEVICE FOR THE THERMAL OR THERMOCHEMICAL TREATMENT OF STEEL

Info

Publication number: DD298433A5
Application number: DD34272890A
Authority: DD
Inventors: Michel Gantois
Original assignee: Solo Fours Industriels Sa,Ch
Priority date: 1989-07-13
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1992-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung von Stahl, das eine momentane und permanente UEberwachung der Kohlenstoffkonzentration an der Oberflaeche des Stahles, insbesondere waehrend der Anreicherung des Kohlenstoffes in der Oberflaechenzone eines Stahlstueckes, erlaubt sowie eine Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens, die zur Anreicherung von Kohlenstoff in der Oberflaechenzone von Stahlstuecken einen gesteuerten atmosphaerischen Ofen mit einem Ein- und einem Ausgang fuer den Gasflusz sowie Mittel zur Speisung und Regelung des Gasflusses besitzt. Durch die Erfindung soll eine maximale Kohlenstoffanreicherung in der Oberflaechenzone des Stahlstueckes in einer minimalen Zeit erreicht werden, wobei eine Anwendung im industriellen Maszstab ermoeglicht werden soll. Die Erfindung sieht daher vor, dasz an der Oberflaechenzone ein Gasflusz aufrechterhalten wird, welcher es erlaubt, mit maximaler Geschwindigkeit die Oberflaechensaettigungskonzentration zu erzielen, wobei der Gasflusz in Funktion von der Zeit gesteuert wird. Fig. 4{Verfahren; Vorrichtung, behandeln; Stahl, thermisch, thermochemisch, ueberwachen, permanent; Oberflaeche; Saettigungskonzentration; Kohlenstoff, anreichern; Gasflusz; Zeit, steuern}The invention relates to a method for the thermal or thermochemical treatment of steel, which permits an instantaneous and permanent monitoring of the carbon concentration at the surface of the steel, in particular during the accumulation of carbon in the surface zone of a steel piece, as well as an apparatus for carrying out the method Enrichment of carbon in the surface zone of steel pieces has a controlled atmospheric furnace with an inlet and an outlet for the gas flow and means for feeding and controlling the gas flow. By means of the invention, a maximum carbon accumulation in the surface zone of the steel piece is to be achieved in a minimum time, whereby an application in the industrial mass range is to be made possible. The invention therefore provides that at the surface zone a gas flow is maintained, which allows to reach the surface concentration at maximum speed, the gas flow being controlled as a function of time. Fig. 4 {method; Device, treat; Steel, thermal, thermochemical, monitoring, permanent; Surface; Saettigungskonzentration; Enrich carbon; Gasflusz; Time, taxes}

Description

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Anreicherung des Kohlenstoffes an der Oberfläche des Stahls während der kürzest möglichen Zeit erreicht und die Oberflächenkonzentration von Kohlenstoff auf dem höchstmöglichen Wert gehalten und zwar unabhängig vom Gasdruck, insbesondere aber bei Atmosphärendruck.According to the method of the present invention, the accumulation of carbon on the surface of the steel is achieved for the shortest possible time and the surface concentration of carbon is maintained at the highest possible value irrespective of the gas pressure, but particularly at atmospheric pressure.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird der Gasfluß dadurch gesteuert, daß in Funktion zur Zeit mindestens ein Zyklus variiert wird, der eine erste Periode umfaßt, in der der Gasfluß den Bedingungen der erreichten Kohlenstoffkonzentration auf der Oberfläche gehorcht und ein erster Wert aufrechterhalten wird, der den vorbestimmten Grenzwert darstellt, und daß eine zweite Periode variiert wird, während der die Kohlenstoffzufuhr null ist und die Oberflächenkonzentration durch Diffusion des Kohlenstoffes in die Ί iefe des Stahlstückes vermindert wird, wobei die Dauer dieser zweiten Perlode durch die Bedingungen erreicht wird, daß die erreichte Oberflächenkonzentration einen zweiten Wert darstellt, der dem vorbestimmten vorgeschriebenen Wert entspricht. Dabei ist die Steuerung des Gasflusses auf die Zufuhr des Kohlenwasserstoffes gerichtet, der in der den Gasfluß bildenden Gasmischung enthalten ist.In carrying out the method, the gas flow is controlled by varying, as a function of time, at least one cycle comprising a first period in which the gas flow obeys the conditions of the achieved carbon concentration on the surface and a first value is maintained is predetermined, and that a second period is varied during which the carbon supply is zero and the surface concentration is reduced by diffusion of the carbon into the Ί of the steel piece, the duration of this second perlode is achieved by the conditions that the surface concentration achieved represents a second value corresponding to the predetermined prescribed value. The control of the gas flow is directed to the supply of the hydrocarbon contained in the gas flow forming gas mixture.

Die Steuerung des Gasflusses erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung auf der Basis von gespeicherten Daten, die sich auf die Temperaturen, die Arten der Stahlstücke, die Drücke und auf die Zusammensetzung des Gasflusses beziehen, wobei diese Daten für die leiten und die Regelungswerte des Gasflusses und für das Erzielen eines vorbestimmten Kohlenstoffkonzentrationsprofils auf der Oberfläche des Stahls, mit maximaler theoretischer Geschwindigkeit verantwortlich sind.The control of the gas flow is carried out according to a further feature of the invention on the basis of stored data relating to the temperatures, the types of steel pieces, the pressures and the composition of the gas flow, these data for the conduct and the control values of the gas flow and are responsible for achieving a predetermined carbon concentration profile on the surface of the steel at maximum theoretical velocity.

Die Erfindung ist dabei von der Erkenntnis ausgegangen, daß es erforderlich ist, damit der Übergangszustand so kurz wie möglich bleibt, daß der Fluß des durch die Gasphase und die Grenzfläche gasförmig-fest übertragenen Kohlenstoffes größer oder gleich dem Fluß des durch die feste Phase durch Diffusion übertragenen Kohlenstoffes ist, damit eine maximale Oberflächenkonzentration des Kohlenstoffes erzielt wird. Zu diesem Zweck muß zur Verfügung gestellt werden: eine chemische Kohlenstoffvektor-Verbindung in der Gasphase, welche an der Stahloberfläche eine sehr rasche Zersetzungskinetik aufweist,The invention is based on the recognition that it is necessary, so that the transition state remains as short as possible, that the flow of the gaseous phase and the gas-solid transferred carbon interface is greater than or equal to the flux through the solid phase by diffusion transferred carbon is, so that a maximum surface concentration of the carbon is achieved. For this purpose, it must be made available: a chemical compound in the gas phase carbon vector compound, which has a very rapid decomposition kinetics on the steel surface,

ein Reaktor, welcher ein Reaktionsverhalton mit perfekter Mischung aufweist und eine Reaktion gas-fest, welche die Bildung eines Übertragungswiderstandes an dor Stahloberfläche vollständig verhindert. Dieser Übertragungswiderstand kann entweder aus einer Schicht von absorbierton chemischen Elementen bestehen, die aus der Zersetzung von chemischen Kohlenstoffvekioren entstehen oder durch Bildung einer kontinuierlichen Schicht durch eine bestimmte Verbindung (Carbid), in welcher die Diffusion des Kohlenstoffs langsam ist.a reactor which has a reaction mixture with perfect mixing and a gas-solid reaction which completely prevents the formation of a transmission resistance on the steel surface. This transmission resistance may consist of either a layer of absorbed chemical elements resulting from the decomposition of chemical carbon atoms or by formation of a continuous layer by a particular compound (carbide) in which the diffusion of the carbon is slow.

Wenn das Auftreten dieses Übergangswiderstandes vermieden wird, die Zersetzung an der Stahloberfläche des Moleküls, das die Übertragung des Kohlenstoffes in die Gasphase erlaubt, sehr schnell ist, die Kohlenstoffzutuhr am Eingang des Reaktors genügend groß ist, und die Durchmischung im Reaktor perfekt ist, ist der Fluß des in den Stahl übertragenen Kohlenstoffes maximal, und die Bildungsgeschwindigkeit für einen Konzentrationsgradienten im Stahl hängt nur von der Diffusion des Kohlenstoffes im festen Zustand ab.If the occurrence of this contact resistance is avoided, the decomposition on the steel surface of the molecule, which allows the transfer of the carbon into the gas phase, is very fast, the carbon tax at the entrance of the reactor is sufficiently large, and the mixing in the reactor is perfect, the The maximum flux of carbon transferred into the steel and the rate of formation for a concentration gradient in the steel depends only on the diffusion of carbon in the solid state.

Werden diese Bedingungen eingehalten, erreicht die Kohlenstoffoberflächenkonzentration im Stahl, die einen Anfangswert von 0,2% aufweist, ihren optimalen Wert (ein Wert, der mindestens gleich der Sättigungskonzentration von Austenit ist) in 1 min oder weniger, einer Zeitdauer, die mit einem mehrfachen von 10min verglichen werden muß, welche Zeitdauer in den bekannten Carburierungsverfahren durch Kohlenoxid erforderlich war. Die Carburierungsbehandlung durch Kohlenstoff erfolgt in diesem Fall durch eine optimale Geschwindigkeit.When these conditions are met, the carbon surface concentration in the steel having an initial value of 0.2% reaches its optimum value (a value at least equal to the austenite saturation concentration) in 1 minute or less, a period of time greater than one time of 10 minutes, which time period was required in the known carburizing processes by carbon monoxide. The carburizing treatment by carbon in this case is done by an optimum speed.

Somit wird durch die Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, das diese Erkenntnis im industriellen Maßstab ermöglicht. Zur Durchführung des Verfahrens ist besonders eine Vorrichtung geeignet, die zur Anreicherung von Kohlenstoff in der Oberflächenzone von Stahlstücken zunächst in an sich bekannter Weise einen gesteuerten atmosphärischen Ofen mit einem Ein- und einem Ausgang für den Gasfluß sowie Mittel zur Speisung und Mittel zur Regelung des Gasflusses enthält, bei der aber weiterhin Mittel zur Speicherung von Daten und oder zu ihrer Verarbeitung vorgesehen sind und daß die Mittel zur Speisung für die Bildung eines Gasflusses ausgebildet sind, welcher an der Oberfläche der Stahlstücke eine Kohlenstoffsättigungskonzentration in 1 min oder weniger erzielt. Die Mittel zur Speicherung der Daten und/oder zu ihrer Berechnung bzw. Verarbeitung sind in weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung mit Steuerungsmittel verbunden, die die Konzentration des Kohlenstoffes an der Oberfläche der Stahlstücke automatisch und permanent steuern. Zur Realisierung dieser Bedingungen ist es somit erforderlich, eine Gasmischung zu verwenden, welche keinen Sauerstoff enthält und aus einem Gas oder einer gasförmigen, chemisch inerten Trägermischung, einem Gas oder Gasmischung, welche sämtliche Oxidationsphänomene während der Perlen des Behandlungszyklusses, wo der Kohlenstofffluß an der Oberfläche des Stahlstückes null ist, vermeidet und aus einem Gas oder einer Gasmischung, welche die Kohlenstoff übertragung erlaubt und aus von Sauerstoff verschiedenen Bestandteilen besteht, zusammengesetzt ist. Das Gas oder die Gasmischung, welche die Kohlenstoffübertragung erlaubt, enthält mindestens einen chemischen Bestandteil, dessen Pyrolyse an der Stahloberfläche unter den in Betracht kommenden Temperatur- und Druckbedingungen Kohlenstoff freisetzt und zur Bildung einer Mischung von chemisch stabilen Unterprodukten in der Gasphase führt. Auf diese Weise kann der Fluß des übertragenen Kohlenstoffes durch die Zufuhr an pyrolysierbarer Zusammensetzung, die in dnn Reaktor eingeleitet wird, gesteuert werden. Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:Thus, the invention provides a method which enables this recognition on an industrial scale. For carrying out the method, a device is particularly suitable, for the enrichment of carbon in the surface zone of steel pieces first in a conventional manner a controlled atmospheric furnace with an inlet and an outlet for the gas flow and means for feeding and means for regulating the gas flow but further comprising means for storing data and / or processing thereof, and in that the means for supplying gas are formed to produce a carbon saturation concentration at the surface of the steel pieces in 1 minute or less. The means for storing the data and / or for their calculation or processing are connected in a further embodiment of the device with control means which automatically and permanently control the concentration of carbon on the surface of the steel pieces. To realize these conditions, it is thus necessary to use a gas mixture containing no oxygen and a gas or a gaseous, chemically inert carrier mixture, a gas or gas mixture, which all oxidation phenomena during the beads of the treatment cycle, where the carbon flow at the surface The steel piece is zero, avoids and composed of a gas or a gas mixture, which allows the carbon transfer and consists of non-oxygen components composed. The gas or gas mixture permitting carbon transfer contains at least one chemical component whose pyrolysis on the steel surface releases carbon under the temperature and pressure conditions of interest and results in the formation of a mixture of chemically stable sub-products in the gas phase. In this way, the flow of the transferred carbon can be controlled by the supply of pyrolyzable composition which is introduced into the reactor. The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show:

Fig. 1: a device for the processing of the basic data supplied to the apparatus for performing the method

werden,become,

2 is a comparative graph for carbon enrichment according to various methods; 3 is a graph explaining an example for carrying out the method at a temperature of 85O ⁰ C, 4 shows a schematic representation of an apparatus for carrying out the method, Fig. 5 is a graph of an example for carrying out the method at a temperature of 95O ⁰ C is explained and FIG. 6 is an additional diagram relating to the example of FIG. 5. FIG. In practice, the treatment can be carried out in the following way:

- erste Phase (I) bei einer maximalen möglichen Temperatur, die aufgrund von metallurgischen Kriterien definiert ist, mit einer Steuerung für die Anfangszufuhr von Kohlenwosserstoffen, um dine maximale Kohlenstoffkonzentration auf der Oberfläche zu erreichen, die mindestens gleich der Sättigungs-Kohlenstoffkonzentration von Austanit ist;- first phase (I) at a maximum possible temperature defined on the basis of metallurgical criteria, with an initial feed control of hydrocarbons to achieve the maximum surface carbon concentration at least equal to the saturation carbon concentration of austanite;

- zweite Phase (II) bei einer maximalen möglichen Temperatur, die aufgrund von metallurgischen Kriterien definiert ist, während welcher der Fluß des übertragenen Kohlenstoffes aus der Gasphase null ist, um das Konzentrationsprofil des Kohlenstoffes und insbesondere die Konzentration auf der Oberfläche auf einen vorbestimmten Wert, welcher aus metallurgischen Gründen festgelegt wurde, einzustellen. In zahlreichen Fällen ist dieser Wert in der Nähe von 0,7/0,8% von konventionellen carburieren Stählen.second phase (II) at a maximum possible temperature defined on the basis of metallurgical criteria during which the flow of the transferred carbon from the gaseous phase is zero, the concentration profile of the carbon and in particular the concentration on the surface to a predetermined value, which was determined for metallurgical reasons to stop. In many cases, this value is close to 0.7 / 0.8% of conventional carburizing steels.

Am Ende dieser zweiten Phase kann die Temperatur so ausgewählt werden, daß die Abschreckung des Stahls realisiert wird. Es ist möglich, einen Zyklus durch eine zweckmäßige Aufeinanderfolge der Phasen I und Il zu realisieren, deren Anzahl und Dauer vom Profil der gewünschten Kohlenstoffkonzentration abhängig ist. Dennoch ist in diesem Fall die gesamte Zyklusdauer wichtiger als in dem Fall, wenn der Zyklus nur aus einer Phase I und einer Phase Il besteht.At the end of this second phase, the temperature can be selected so that the quenching of the steel is realized. It is possible to realize a cycle by an appropriate sequence of phases I and II, the number and duration of which depends on the profile of the desired carbon concentration. Nevertheless, in this case, the entire cycle time is more important than in the case when the cycle consists of only a phase I and a phase II.

Die Phase I benötigt eine präzise Kontrolle der Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche, sobald der Kohlenstofffluß von Stahl kombiniert wird.Phase I requires precise control of surface carbon concentration once the carbon flux from steel is combined.

Dieser Kohlenstofffluß steuert sich selbst durch die in den Reaktor eingeführte Menge von Kohlenwasserstoff. Wenn die Kohlenstoffkonzentration auf der Stahloberfläche bekannt ist, kann die Zufuhr des konsumierten Kohlenstoffs leicht berechnet werden. Umgekehrt erlaubt die Kontrolle, welche durch die Menge des konsumierten Kohlenstoffs fortgesetzt wird, eine konstante Konzentration von Oberflächenkohlenstoff aufrechtzuerhalten. Die Zufuhr des konsumierten Kohlenstoffes wird erhalten, indem die Materialbilanz im Reaktor entweder nach einer vorgängigen Identifikation der verschiedenen gebildeten chemischen Produkte, wie durch die Entwicklung ihrer Konzentration odor durch eine momentane Analyse deraus dem Reaktor austretenden Gasmischung gezogen wird. Die zweite Lösung vermeidet Ungewißheiten eines physiko-chemischen Modelles und erlaubt, in jedem Moment die Funktionskontrolle des Reaktors und der Entwicklung der gasförmig/fest-Reaktion. Eine perfekte Kontrolle der Oberflächenkonzentration während der Phase I ist unumgänglich, um auf präzise Weise das Kohlenstoffkonzentrationsprofil am Ende dieser Phase zu kennen. Tatsächlich ist die Dauer der Phase Il von diesem Profil abhängig, um schließlich am Ende derselben das gewünschte Kohlenstoffkonzentrations-Endprofil zu erhalten, wie es aus metallurgischen Gründen erwünscht ist (Profil Mikrohärte - Konzentration der Oberflächendruckspannung - Gehalt des verbleibenden Austenits).This carbon flux controls itself by the amount of hydrocarbon introduced into the reactor. When the carbon concentration on the steel surface is known, the consumption of the consumed carbon can be easily calculated. Conversely, control, which is continued by the amount of carbon consumed, allows a constant concentration of surface carbon to be maintained. The supply of the consumed carbon is obtained by drawing the material balance in the reactor either after a preliminary identification of the various chemical products formed, such as by the evolution of their concentration or by an instantaneous analysis of the gas mixture leaving the reactor. The second solution avoids uncertainties of a physicochemical model and allows, at any moment, the functional control of the reactor and the evolution of the gaseous / solid reaction. Perfect control of the surface concentration during Phase I is essential to accurately know the carbon concentration profile at the end of this phase. In fact, the duration of phase II depends on this profile to finally obtain at the end of it the desired final carbon concentration profile as desired for metallurgical reasons (microhardness profile - surface compressive stress concentration - residual austenite content).

Wie angegeben, erhält man eine Kontrolle des konstanten Wertes der Oberflächenkonzentration des Kohlenstoffes des Stahls, indem die Eintrittsmenge des Kohlenwasserstoffs in den Reaktor gesteuert wird, aufgrund einer Kohlenstoffbilanz, wie sie in einem Reaktor realisiert wird, welcher sich wie ein perfekt durchmischter Reaktor verhält. Es muß jedenfalls mit genügender Präzision der Moment bestimmt werden, wo diese maximale Oberflächenkonzentration am Ende der Übergangsperiode am Anfang der Behandlung erreicht ist.As indicated, control of the constant value of the carbon surface concentration of the steel is obtained by controlling the rate of entry of the hydrocarbon into the reactor due to a carbon balance as realized in a reactor which behaves like a perfectly mixed reactor. In any case, with sufficient precision, it is necessary to determine the moment when this maximum surface concentration is reached at the end of the transition period at the beginning of the treatment.

Eine elegante Lösung dieses Problems besteht darin, daß vor Beginn der Diffusion des Kohlenstoffes an der Oberfläche des Stahls eine Eisencarbidschicht (sog. Zementit), gebildet wird, indem eine Trägermischung (z. B. Stickstoff-Wasserstoff) ein zweckmäßiges Verhältnis einer Kohlenwasserstoffmischung, wie Acetylen, Methan, Ethylen, Ethan, eingeführt wird. Diese Mischung erlaubt das sehr schnelle Wachstum einer dünnen Zementitschicht auf der Stahloberfläche. Diese dünne Schicht, deren Dicke 1 \im beträgt, legt die Kohlenstoff konzentration an der Grenzschicht Zementit-Stahl auf einen exakten Sättigungskonzentrationswert des Kohlenstoffes im Austenit bei der betreffenden Temperatur fest. Die Diffusion des Kohlenstoffes im Stahl wird demzufolge durch die Existenz dieser Zementitschicht kontrolliert. Sie ist verantwortlich, daß der Kohlenstoff in den Stahl diffundiert. Es genügt, daß der vom Stahl konsumierte Kohlenstoff durch die Rekonstitution der Zementitschicht, welche durch Kohlenstoff aus den Kohlenwasserstoffen der Gasphase gcspiesen wird, kompensiert wird. Dieses Verfahren, welches zur sehr schnellen Bildung (in weniger als 1 min) einer Zementitschicht am Anfang der Behandlung führt, ermöglicht eine selbstkontrollierte Kohlenstoffdiffusion.An elegant solution to this problem is that an iron carbide layer (so-called cementite) is formed prior to the onset of diffusion of the carbon on the surface of the steel by adding a carrier mixture (eg nitrogen-hydrogen) to an appropriate ratio of a hydrocarbon mixture, such as Acetylene, methane, ethylene, ethane, is introduced. This mixture allows the very rapid growth of a thin cementite layer on the steel surface. This thin layer whose thickness is 1 \ in which carbon sets concentration at the boundary layer cementite steel to an exact value of the saturation concentration of carbon in austenite at the relevant temperature resistant. The diffusion of carbon in the steel is therefore controlled by the existence of this cementite layer. It is responsible for the carbon diffusing into the steel. It suffices that the carbon consumed by the steel be compensated by the reconstitution of the cementite layer, which is carbon-doped by the hydrocarbons of the gaseous phase. This process, which results in the rapid formation (in less than 1 minute) of a cementite layer at the beginning of the treatment, allows for self-controlled carbon diffusion.

Die Zusammensetzung der Gasmischung, welche das rasche Wachstum der Zementitschicht ermöglicht, kann leicht durch zweckmäßige Zugabe eines einzigen Kohlenwasserstoff, Propan, erzeugt werden, dessen Zersetzung beim Kontakt mit dem Stahl bewirkt, daß die gewünschte Gasmischung, welche insbesondere und nicht ausschließlich Methan, Ethylen und Acetylen enthält, erhalten wird.The composition of the gaseous mixture which enables the rapid growth of the cementite layer can be readily produced by suitably adding a single hydrocarbon, propane, the decomposition of which upon contact with the steel causes the desired gaseous mixture, particularly and not exclusively methane, ethylene and propane Containing acetylene is obtained.

Wenn sich die Zementitschicht einmal gebildet hat, wird die Zufuhr von Kohlenstoff permanent reguliert, so daß sie den durch den Stahl konsumierten Kohlenstoff kompensiert. Demzufolge werden dynamische Transferbedingungen zwischen der Gasphase, der Zementitschicht und dem Stahl erzeugt. Unter diesen Bedingungen ist für einen vorgegebenen Stahl die Temperatur der einzige Parameter, welcher die Übertragung des Kohlenstoffs in den Stahl anzeigt. Die Einstellung des abschließenden Kohlenstoff-Konzentrationsprofils kann die partielle Übertragung des Kohlenstoffs vom Feststoff in die Gasphase während der Phase Il erfordern. Zu diesem Zweck muß die gasförmige Mischung einen Bestandteil erhalten, der fähig ist, sich mit Kohlenstoff zu Kohlenwasserstoffen zu verbinden, damit sichergestellt wird, daß die gasförmige Mischung ihre decarburierende Wirkung besitztOnce the cementite layer has formed, the supply of carbon is permanently regulated to compensate for the carbon consumed by the steel. As a result, dynamic transfer conditions are created between the gas phase, the cementite layer and the steel. Under these conditions, for a given steel, temperature is the only parameter that indicates the transfer of carbon to the steel. Adjustment of the final carbon concentration profile may require partial transfer of carbon from the solid to the gas phase during phase II. For this purpose, the gaseous mixture must obtain a component capable of combining with carbon to form hydrocarbons to ensure that the gaseous mixture has its decarburizing effect

Die gasförmige Trägermischung muß demzufolge drei Funktionen sicherstellen: The gaseous carrier mixture must therefore ensure three functions:

- Vermeiden der Oxidation in allen Phasen, in welchen der Kohlenstofffluß von der gasförmigen Mischung zum Feststoff null ist;Avoiding oxidation in all phases in which the carbon flux from the gaseous mixture to the solid is zero;

- mit den Zersetzungsprodukten des Kohlenwasserstoffes, welcher während der Carburierung eingeführt wurde, Erzeugung einer Mischung, welche chemisch imstande ist, eine Zementitschicht zu bilden, welche die Kohlenstoffübertragung in den Stahl ermöglicht;with the decomposition products of the hydrocarbon introduced during the carburization, producing a mixture which is chemically capable of forming a cementite layer which allows the carbon to transfer to the steel;

- nach Phase I mögliche Sicherstellung einer partiellen Decarburierungsfunktion auf der Oberfläche des Stahls.- after phase I, possible to ensure a partial decarburization function on the surface of the steel.

Diese drei Funktionen können erzielt werden, indem ein gasförmiger Träger verwendet wird, welcher aus einer zweckmäßigen Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff besteht.These three functions can be achieved by using a gaseous carrier consisting of a convenient mixture of nitrogen and hydrogen.

Die erläuterten Prinzipien können mit thermogravimetrischen Messungen quantitativ mit automatischer Behandlung der Messunoen und automatischer Steuerung der Gaszufuhr behandelt werden.The explained principles can be treated quantitatively with thermogravimetric measurements with automatic treatment of the measurement and automatic control of the gas supply.

It has been found, for example, that the gas influences can be controlled as desired, either to a constant Value (curves a, b, c - Flg. 2) or by their variation in such a way that the carbon concentration on the surface

konstant ist (Kurve Th - Fig. 2).is constant (curve Th - Fig. 2).

Table I shows the instantaneous gas flows and mean gas fluxes for surface concentrations equal to Saturation concentration of austenite. These gas flows are to be compared with those in the course of

konventionellen Kohlenmonoxidbehandlung erhalten werden und weiche im besten Fall ca. 3,5mg/h · cm² bei 95O⁰C erreichen.conventional carbon monoxide treatment is obtained and soft reach at best about 3.5 mg / hr-cm ² at 95O ⁰ C.

From the curve of Figure 3, which corresponds to a carburization at 850 ° C, it can be seen that the algorithm of the control

der Propanzufuhr eine Kohlenstoff absorption bei einer konstanten Oberflächenkonzentration ab Beginn der Behandlung erlaubt.the Propanzufuhr allowed a carbon absorption at a constant surface concentration from the beginning of the treatment.

Whatever may be the temperature between 800 ⁰ C and 1100 ° C, the Dirichlet conditions (constant concentration

auf der Oberfläche) sind in weniger als 1 min erreicht, obschon die Carburierung durch das CO ein Vielfaches von 10 min erfordert (normalerweise ca. 1 h für die Oberflächenkonzentration von mehr als 1 % C unterhalb 900⁰C).on the surface) are achieved in less than 1 minute, although carburization by CO requires a multiple of 10 minutes (normally about 1 hour for the surface concentration greater than 1% C below 900 ^° C).

The device according to Fig. 1 schematically represents measuring means which provide the necessary data for the control of a treatment

des Stahles verarbeiten und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zugeführt werden. Eine Vorrichtung 1, bestehend aus einem Ofen und einer Analysenkammer, ist auf einer Waage 2 angeordnet. Der Ofen wird durch ein Ventil 3 über einenprocess the steel and fed to the apparatus for performing the method. A device 1, consisting of an oven and an analysis chamber, is arranged on a balance 2. The oven is connected through a valve 3 via a

Mass supply regulator 4 by the gas, which is in the bottles 5, here it is three, fed. A pump 6 represents the Gas circulation safe and maintains the pressure in the oven. A thermocouple 7 controls the temperature. The Gas outlets 8,9 and 10 allow its evacuation, the gas outlet 9 with a non-illustrated

chromatographischen Analysegerät und der Gasausgang 10 mit einem Drucksensor C und eint r Pumpe P verbunden ist. Derchromatographic analyzer and the gas outlet 10 is connected to a pressure sensor C and a pump R P. The

Pressure sensor C is connected to a supply A. This facility allows the material balance of the Reactor, either through the identification of the formed chemical substances and the pursuit of the development of yours Concentration or by a continuous analysis of the gas mixture leaving the reactor: The curves of Fig. 2, which correspond to some particular cases, show the amounts of carbon in g / m ² which are in the Steel surface penetrated, as a function of the exposure time. The curves a, b and c correspond to each other Process conditions, all comprising a cleaning of the steel at 1000 ⁰ C by a gas flow, in which the supply

des Trägergases 10OOcc/min beträgt. Die Kurve Th (theoretische Kurve) gibt die Kohlenstoffmengen an, welche in den Stahl in derZeit t unter vergleichbaren Bedingungen eingedrungen sind, wenn man ihn dem Gasfluß unter der Bedingung aussetzt, daß die Zufuhr ständig so ist, daß sie die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche auf einem konstanten Wert es = 1,54% aufrechterhält, dem Wert, welcher dor Sättigung entspricht.of the carrier gas is 10OOcc / min. The curve Th (theoretical curve) indicates the amounts of carbon which have entered the steel in the time t under comparable conditions when exposed to the gas flow on the condition that the supply is constantly at the surface concentration of carbon maintains a constant value = 1.54%, the value corresponding to saturation.

The times to reach saturation under all defined conditions for the gas flow of curves a, b and c are 0.8, 1, 4

und 5,6 min.and 5.6 min.

The curves in FIG. 3 represent an example for carrying out the method according to the invention. Steel pieces of

vorbestimmten Dimensionen bei einer Temperatur von 85O⁰C in einen Ofen gegeben. Die Kurve Th entspricht, wie in Fig. 2, denpredetermined dimensions at a temperature of 85O ⁰ C in an oven. The curve Th corresponds, as in Fig. 2, the

Carbon amounts which, according to the calculation, have penetrated into the steel as a function of time, if the conditions

der Oberflächenkonzentration gleich der Sättigung ständig aufrechterhalten wird. Die Kurve d reproduziert die Aufzeichnung, welche tatsächlich im Laufe der Durchführung des Verfahrens aufgenommen wurde, während die Kurve e in Funktion der Zeit die Propanzufuhr in die Gasmischung auf solche Weise angibt, wie sie durch die Steuerung des Verfahrens erhalten wurde. Diethe surface concentration equal to the saturation is constantly maintained. The curve d reproduces the recording actually taken in the course of the process, while the curve e as a function of time indicates the supply of propane to the gas mixture in such a way as obtained by the control of the process. The

Feeds are given in cc / min. The curve d is a consequence of the curve e. The enrichment phase ends after 24 minutes. The value of C content at saturation ^; st = 1.08% C. During the Diffusion phase, which follows the enrichment, the Propanzufuhr is reduced to 0. The amount of C, which in the steel

eindringt, bleibt zuerst konstant, um sich dann zu reduzieren.penetrates, remains constant first, then decreases.

It can be seen that the curve d is slightly above the curve Th as soon as the saturation is reached, ie. H. about after

1 min. Auf diese Weise wird die schnelle Bildung einer dünnen Zementitschicht realisiert, weiche die Kohlenstoffdiffusion in die1 min. In this way, the rapid formation of a thin cementite layer is realized which avoids carbon diffusion into the

Depth controls. FIG. 4 schematically illustrates an apparatus which facilitates the execution of the method in a case where the

.Steuerungsdaten der Gasmischung gespeichert oder in Form von Algorithmen in das Steuergerät eingegeben wurden, ermöglicht.Control data of the gas mixture stored or entered in the form of algorithms in the control unit allows.

The oven 11 includes a muffle 12, an inner chamber 13, a load of steel pieces 14 and a fan 15 Oven 11 is connected to the heating resistors 16, a motor 17 and a water cooling circuit 18 through a Thermocouple 19 is controlled, equipped. The gas flow entering via line 24 and exiting via line 25,

besteht aus einem Trägerfluß N] + 5% H2 und einem C-tragenden C₃Hg. Diese Flüsse stammen aus den Flaschen 20. Ihre Zufuhr kann 30l/min erreichen. Der Ventilregler 21 regelt in Funktion -der Steuerkommandos für die Ventile 22 und 23, die getrennt inconsists of a carrier flow N] + 5% H2 and a C-carrying C ₃ Hg. These flows are from bottles 20. Their supply can reach 30l / min. The valve controller 21 controls in function of the control commands for the valves 22 and 23, which are separated in

Function of the time to regulate the supply of the bottles 20. The Venti'regler 21 works under the influence of the data, which by

die Einrichtung gemäß Fig. 1 erzeugt werden.the device according to FIG. 1 are generated.

The graphs in Figs. 5 and 6 relate to another embodiment of the method. The curves Th, d and e of this Fig. 5 have the same meaning as in Fig. 3. The data on the ordinate are the amounts of carbon which in the Surface of the steel pieces have penetrated, in g / m ² or the gas supply in l / m ² · min. The first scale refers to the Curves Th and d, the second on the curve e. The carburization was carried out at 95O ⁰ C. The C saturation content is

es = 1,36%, welche Zahl hier die theoretische Kurve Th bestimmt.it = 1.36%, which number determines the theoretical curve Th here.

After an enrichment phase lasting 24 mm, as shown in FIG. 5, the diffusion takes place, as shown in FIG. 6,

wobei die Fig.6 eine klassische Grafik darstellt, welche die Konzentrationsprofile in der Tiefe zeigt. Die Kurve f zeigt unter denFigure 6 is a classical graph showing the concentration profiles in depth. The curve f points under the

Conditions of the example of FIG. 5, the C concentration profile at the end of the enrichment phase, d. H. after 24min. The Curve g represents the concentration profile after 22 minutes of diffusion. The C content is about 0.8% at the surface and 0.1% in

einer Tiefe von ca. 0,62 mm.a depth of about 0.62 mm.

The device according to Fig. 4 shows schematically the principle of an industrial reactor which carries out the treatment

erlaubt. Es sind andere Formen von Reaktoren für die Durchführung des Verfahrens möglich; dabei können die üblichen Mittelallowed. Other forms of reactors for carrying out the process are possible; while the usual means

zum Tempern von Stahl in flüssigen (Öl, Wasser usw.) oder gasförmigen Medien zum Einsatz gelangen.used for tempering steel in liquid (oil, water, etc.) or gaseous media.

Fig. 5 shows the recording of a typical treatment, which was carried out at 950 ⁰ C, with a first phase of

min, die mit einer konstanten Oberflächenkonzentration von 1,33 Kohlenstoff durchgeführt wurde, gefolgt durch eine Diffusionsphase, welche am Ende der Behandlung eine Oberflächenkonzentration von 0,8% C bewirkte. Die Fig. 6 zeigt die erhaltenen Kohlenstoffkonzentrationsprofilemin, which was carried out with a constant surface concentration of 1.33 carbon, followed by a diffusion phase which caused a surface concentration of 0.8% C at the end of the treatment. Fig. 6 shows the obtained carbon concentration profiles

Zusammenfassend zeigt das beschriebene Verfahren folgende wichtige Elemente: In summary, the method described has the following important elements:

I. es erlaubt eine permanente und momentane Überwachung des übertragenen Kohlenstoffflusses an der Oberfläche eines Stahles mit Hilfe einer gasförmigen Atmosphäre, wobei die momentane und permanente Kontrolle derI. it allows a permanent and instantaneous monitoring of the transferred carbon flow at the surface of a steel by means of a gaseous atmosphere, the instantaneous and permanent control of the

Carbon concentration is ensured at the surface of the steel;

II. es ermöglicht zusätzlich zur Überwachung der Kohlenstoffkonzentration ander Oberfläche des Stahls die vollständige Verhinderung einer Oxidation, sogar bei Legierungen, die noch oxidationsempfindlicher sind als Stähle. Es ist auf thermische Behandlungen von legierten Stählon bei der Carburierung manchmal auch Zementierung genannt, bei der Carbonitrierung von Stählen anwendbar;II. In addition to monitoring the carbon concentration on the surface of the steel, it allows complete prevention of oxidation, even for alloys that are even more sensitive to oxidation than steels. It is also applicable to thermal treatments of alloyed steel in carburization sometimes called cementation, in the carbonitriding of steels;

III. es umfaßt ein beschleunigtes Zementierungsverfahren (oder Carburierungsverfahren) von Stählen mit Hilfe einer gasförmigen Mischung, die ein oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthält, welche unter variierten Druckbedingungen und insbesondere unter Atmosphärendruck die Überwachung des durch den Stahl absorbierten Kohlenstoffflusses sicherstellt, auf Basis derZufuhr der Kohlenwasserstoffe, we'che in die gasförmige Mischung eingeleitet werden;III. It comprises an accelerated cementation process (or carburizing process) of steels by means of a gaseous mixture containing one or more hydrocarbons which, under varied pressure conditions and in particular under atmospheric pressure, ensures the monitoring of the carbon flow absorbed by the steel, based on the supply of hydrocarbons, be introduced into the gaseous mixture;

IV. das beschleunigte Carburierungsverfahren erlaubt die Aufrechterhaltung einer Kohlonstoffkonzentration an der Oberfläche auf den höchstmöglichen Wert, welcher mit der Stahltemperatur verträglich ist, um einen maximalen Kohlenstofffluß zu erhalten, welcher die Anreicherung von Kohlenstoff an der Oberfläche in möglichst kurzer Zeit erlaubt;IV. The accelerated carburizing process allows the maintenance of a carbon monoxide concentration at the surface to the highest possible value, which is compatible with the steel temperature, to obtain a maximum carbon flow, which allows the accumulation of carbon at the surface in the shortest possible time;

V. das beschleunigte Carburierungsverfahren ist gekennzeichnet durch eine Phase der Diffusion von Kohlenstoff in den Stahl, während der der Fluß des übertragenen Kohlenstoffs dos Gases in den Stahl null ist, was die Einsfellung des Konzentrationsprofils auf Basis der Oberfläche und verschiedenen metallurgischen Kriterien erlaubt. Während dieser Phase verschwindet die dünne Zementitschicht, da sie durch die gasförmige Phase nicht mehr mit Kohlenstoff gespeist wird;V. the accelerated carburizing process is characterized by a phase of diffusion of carbon into the steel during which the flow of the transferred carbon of the gas into the steel is zero, allowing the concentration of the concentration profile to be adjusted based on the surface and various metallurgical criteria. During this phase, the thin cementite layer disappears because it is no longer supplied with carbon by the gaseous phase;

VI. es ist wahlweise ebenfalls gekennzeichnet durch eine Phase der Diffusion des Kohlenstoffes in den Stahl, während der der überwachte Kohlenstofffluß vom Stahl in die Gasphase erfolgt, was die Einstellung des Kohlenstoffkonzentrationsprofils aufgrundder Oberfläche und gemäß einigen metallurgischen Kriterien erlaubt;VI. it is optionally also characterized by a phase of diffusion of the carbon into the steel during which the monitored carbon flow from the steel into the gas phase occurs allowing the adjustment of the carbon concentration profile due to the surface and according to some metallurgical criteria;

VII. In certain cases, the procedure allows to carry out the shortest possible treatment in only two phases:

- einer Anreicherungsphase mit maximaler Geschwindigkeit- An enrichment phase with maximum speed

- einer Diffusionsphase.- a diffusion phase.

Das Verfahren erlaubt ebenfalls die langsamst mögliche Realisation der Behandlung, welche zum gleichen Kohlenstoffkonzentrationsprofil führt, mit Hilfe von alternierenden und untersich auf verschiedene Weisen kombinierten Anreicherungs- und Diffusionsphasen;The method also allows the slowest possible realization of the treatment, which leads to the same carbon concentration profile, by means of alternating and in many ways combined enrichment and diffusion phases;

VIII, es ist möglich, simultan zur Kohlenstoffdiffusion Stickstoff an der Oberfläche des Stahls einzuführen. Es genügt, daß eine gasförmige Mischung mit einer zweckmäßigen Menge Ammoniak eingeführt wird. Dann wird eine selbstkontrollierte Carbonitrierungsbehandlung realisiert, mit einer maximalen Kohlenstoff- und Stickstoffdiffusionsgeschwindigkeit;VIII, it is possible to introduce nitrogen at the surface of the steel simultaneously with carbon diffusion. It is sufficient that a gaseous mixture with a suitable amount of ammonia is introduced. Then, a self-controlled carbonitriding treatment is realized, with a maximum carbon and nitrogen diffusion rate;

IX. Verwendung einer gasförmigen Trägermischung, welche die Verhinderung der Oxidation des Stahls in allen Behandlungsphasen gewährleistet und die insbesondere aus einer Mischung mit einem zweckmäßigen Stickstoff- und Wasserstoffverhältnis besteht;IX. Use of a gaseous carrier mixture, which ensures the prevention of oxidation of the steel in all treatment phases and in particular consists of a mixture with a suitable ratio of nitrogen and hydrogen;

X. Möglichkeit der Überwachung des Kohlenstoff flusses mit Hilfe der Überwachung der Propanzufuhr in die Stickstoff/Wasserstoffmischung;X. Possibility of monitoring the carbon flow by monitoring the feed of propane into the nitrogen / hydrogen mixture;

XI. Vorrichtungen für die· Durchführung des Verfahrens können alle Ofentypen sein, schubweise oder kontinuierlich, die bei niederem oder hohem Druck funktionieren und insbesondere bei Atmosphärendruck, unter dor Voraussetzung, daß die Gasatmosphäre perfekt durchmischt wird;XI. Apparatuses for carrying out the process may be all types of furnaces, batch or continuous, which operate at low or high pressure and in particular at atmospheric pressure, provided that the gas atmosphere is perfectly mixed;

XII. die Überwachung des Kohlenstoffflusses oder der Kohlenstoff konzentration an der Oberfläche wird automatisch durchgeführt durch eine Steuerung, die mit der Stahltemperatur und der Kohlenwasserstoffzufuhr, insbesondere dor Propanzufuhr, gekoppelt ist.XII. the monitoring of the carbon flux or the carbon concentration at the surface is carried out automatically by a controller which is coupled with the steel temperature and the hydrocarbon feed, in particular by the propane feed.

An automatically controlled device allows the carburizing of the steel at a maximum speed Atmospheric pressure. It avoids any formation and thus the elimination of carbon monoxide and carbon dioxide. Table I Calculation of current and average flows

Zeit minTime min 1 000⁰C1 000 ⁰ C Csat = 1,54%CCsate = 1.54% C 95O⁰C95O ⁰ C Csat = 1,36%CCsate = 1.36% C 900⁰C900 ⁰ C Csat = 1,20%CCsate = 1.20% C FlußRiver inittl.Flußinittl.Fluß FlußRiver r.iittl.Flußr.iittl.Fluß FlußRiver mittl.Flußmittl.Fluß Mg/h · cm*Mg / h · cm * Mg/h · cm¹ Mg / h · cm ¹ Mg/h · cm*Mg / h · cm * Mg/h · cm*Mg / h · cm * Mg/h · cm² Mg / h · cm ² Mg/h cm² Mg / h cm ² 0,100.10 56,4956.49 112,99112.99 37,8937.89 75,7875.78 24,7824.78 49,5749.57 0,300.30 32,6232.62 65,2365.23 21,8821.88 43,7543.75 14,3114.31 28.C228.C2 0,500.50 25,2725.27 50,5350,53 16,9416.94 33,8933.89 11,0811.08 22,1722.17 0,700.70 21,3521.35 42,7142.71 14,3214.32 28,6428.64 9,379.37 18,7418.74 0,SO0, SO 18,8318.83 37,6637.66 12,6312,63 25,2625.26 8,268.26 16,5216,52 1,101.10 17,0317.03 34,0734.07 11,4211.42 22,8522.85 7,477.47 14,9514.95 1,301.30 15,6715.67 31,3431.34 10,5110.51 21,0221,02 6,876.87 13,7513.75 1,501.50 14,5914.59 29,1729.17 9,789.78 19,5719.57 6,406.40 12,8012,80 1,701.70 13,7013.70 27,4027,40 9,199.19 18,3818.38 6,016.01 12,0212.02 1,901.90 12,9612.96 25,9225.92 8,698.69 17,3817.38 5,695.69 11,3711.37 2/¹O ^2/1 O 12,3312.33 24,6624,66 8,278.27 16,5416.54 5,415.41 10,8210.82 £,dO£, dO 11,7811.78 23,5623.56 7,907.90 15,8015,80 5,175.17 10,3410.34 2,502.50 11,3011,30 22,6022.60 7,587.58 15,1615.16 4,964.96 9,919.91

Csat = solubility limit Carbon dioxide at the beginning = 0.1%

Claims

1. A process for the thermal or thermochemical treatment of steel, which allows instantaneous and permanent monitoring of the carbon concentration at the surface of the steel, in particular during the enrichment of the carbon in the surface zone of a steel piece, characterized in that a gas flow is maintained at this surface zone which allows to achieve the surface saturation concentration of carbon at maximum speed and that this gas flow is controlled in function of time.

2. The method according to claim 1, characterized in that for the formation of the gas flow, a mixture of different gases is used, which contains at least one hydrocarbon.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized by the formation of a thin iron carbide layer on the surface of the steel, immediately after the supply of the hydrocarbon or hydrocarbons, the maintenance of the carbon concentration on the boundary layer carbon metallic phase to the exact value of the saturation concentration of the collision in the Austenite allowed.

4. The method according to claim 2, characterized in that a gaseous mixture is used which contains a carrier consisting of nitrogen mixed with hydrocarbon or a hydrocarbon mixture.

5. The method according to claim 2, characterized in that the gaseous mixture contains a carrier which consists of hydrogen and nitrogen mixed with a hydrocarbon or a hydrocarbon mixture.

6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the hydrocarbon is propane and the hydrocarbon mixture contains methane, ethane, acetylene or ethylene.

A method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the accumulation of the carbon at the surface is achieved during the shortest possible time and the surface concentration of carbon is kept at the highest possible value, irrespective of the gas pressure and in particular at atmospheric pressure.

A method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the gas flow is controlled by varying, as a function of time, at least one cycle comprising a first period in which the gas flow meets the conditions of the achieved carbon concentration on the surface is obeyed and a first value is maintained, which represents the predetermined limit, and that a second period is varied during which the carbon supply is zero and the surface concentration is reduced by diffusion of the carbon into the depth of the steel piece, the duration of this second period the condition is reached that the achieved surface concentration represents a second value which corresponds to the predetermined prescribed value.

9. The method according to claim 8, characterized in that the control of the gas flow is directed to the supply of the hydrocarbon which is contained in the gas flow forming gas mixture.

10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the control of the gas flow is carried out based on stored data, which relate to the temperatures, the types of steel pieces, the pressures and the composition of the gas flow, these data for the times and the control values of the gas flow and are responsible for achieving a predetermined carbon concentration profile on the surface of the steel at maximum theoretical velocity.

11. The method according to claim 1 to 10, characterized in that the concentration of methane, acetylene, ethane, or ethylene in the gaseous phase is continuously monitored.

12. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 to 11, which contains a controlled atmospheric furnace with an inlet and an outlet for the gas flow and means for supplying and means for controlling the gas flow for the enrichment of carbon in the surface zone of steel pieces, characterized characterized in that means are provided for storing data and / or for their calculation, and in that the means for supplying are designed for the formation of a gas flow, which is expedient to achieve a carbon saturation concentration in the surface of the steel piece in 1 min or less ,

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the means for storing the data and / or for their calculation are connected to control means which automatically and permanently control the concentration of carbon on the surface of the steel pieces.

For this 6 pages drawings

The invention relates to a method for the thermal or thermochemical treatment of steel, the current and

permanent monitoring of the carbon concentration at the surface of the steel, in particular during the enrichment of the carbon in the surface zone of a piece of steel, as well as an apparatus for carrying out the method comprising a controlled atmospheric furnace with an inlet for enriching carbon in the surface zone of steel pieces. and an outlet for the gas flow and means for supplying and means for controlling the gas flow has.

Controlling the concentration of carbon on the surface of a steel during a thermal or

Thermochemical treatment while avoiding additional undesirable reactions, such as oxidation, is a problem of great industrial importance, the solution of which requires the execution of multiple technological solutions.

For thermal treatment, the solution for high alloy steels that are sensitive to oxidation requires the use of vacuum technology. In the thermochemical treatments, for example in the carburization, cementation or

Case-hardening, a gas-solid or liquid-solid reaction is carried out. In the gas phase and in the liquid phase

chemical products are present which decompose on the surface of the steel and at the same time release the carbon, which is distributed in the solid.

In the process of thermal treatment in vacuum, one avoids the oxidation and the reduction of the steel by

the total pressure of the atmosphere of the oven will go very small (below 0.1 mb).

In the most well-controlled carburizing process, the steel is placed in contact with an atmosphere that is in

a thermodynamic equilibrium whose composition is sufficiently large so that the equilibrium is not significantly changed by the carbon transfer in the solid. In this case, the chemical product is the

Gas phase, which serves as a carbon carrier, the carbon monoxide CO. Its decomposition on the surface of the steel sets the

Oxygen free, the partial pressure must be kept very low.

The problem of carburizing the steels will be analyzed in detail below.

The carburization rates, d. H. the conditions that the achievement of a carbon concentration profile in a

allow as short a time are dependent on the transfer rates of chemical substances in the liquid

Phase or in the gas phase (the carbon monoxide ζ B. in the gas phase), the carbon transfer rates of the

Liquid-solid or gas-solid interface and the diffusion of carbon in the solid phase.

In the known processes, the limiting step is the one involving the transfer of the carbon at the interface

corresponds because the reaction of decomposition of chemical substances is slow, since the decomposition products of these

Connections on the steel surface cause a greater resistance to carbon transmission.

Therefore, in the known methods of carburizing in the gas phase by carbon monoxide, the removal of oxygen

too slow, which seriously reduces the flow of carbon transferred. This is noticeable through the

Fact that the surface concentration of carbon is the maximum value that determines the diffusion of carbon in the

Solid with an optimal speed allowed, only after a multiple of 10min under usual

Temperature conditions and a convenient atmospheric pressure allowed.

From an article by M. J. Wünning et al. entitled "Controlled Carburization" appeared in HTM 31 (1976) 3 and by the

Although DE-A-3139622 discloses a method according to which certain parameters are used during the carbon enrichment phase

be measured and after treatment; serve the function data of the device, but this method

does not allow to carry out the carbon enrichment in a minimum time. Moreover, the known processes are carried out under reduced pressure.

The invention is based on the object, a method and an apparatus for thermal or thermochemical

Treatment of steel, which provides a momentary and permanent monitoring of the carbon concentration at the surface of the

Steel, in particular during the enrichment of the carbon in the surface zone of a steel piece allowed to

which maximizes carbon accumulation in the surface zone of the steel piece in a minimum time and which can be used on an industrial scale.

According to the method of the invention this is achieved in that at the surface zone of the steel piece

Gas flow is maintained, which allows, at maximum speed, the surface saturation concentration of

Achieve carbon, this Garfluß is controlled in function of time. It can for the formation of the gas flow a

Mixture of different gases can be used, which contains at least one hydrocarbon.

In carrying out the process, the feed of the hydrocarbon or hydrocarbons is a thin

Iron carbide layer formed on the surface, maintaining the carbon concentration on the boundary layer

Carbon - metallic phase allowed to the exact value of the saturation concentration of carbon in austenite.

As a gaseous mixture, such a mixture can be used, which comprises a carrier consisting of nitrogen,

mixed with hydrocarbon or a hydrocarbon mixture. However, the gaseous mixture may also contain a carrier in which nitrogen is used together with hydrogen instead of the nitrogen.

Regardless of whether only nitrogen or nitrogen and hydrogen are components of the carrier, is the

Hydrocarbon advantageously propane, while the hydrocarbon mixture contains methane, ethane, acetylene or ethylene.

The concentration of methane, ethane, acetylene or ethylene in the gaseous phase must be continuously monitored.