DE10003526A1 - Process for the carbonitriding of high-carbon and high-alloy steels - Google Patents

Process for the carbonitriding of high-carbon and high-alloy steels

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Abstract

Prior art methods exist for carbonitriding metallic workpieces by treating the workpieces in a carbonitriding atmosphere produced by using ammonia and a substance which contains carbon. Based on the prior art, the aim of the invention is to provide a cost-effective method for producing a carbonitriding atmosphere for high-carbon and/or high-alloy steels which prevents or reduces the formation of a covering layer or damage to the edge area. In order to carbonitride metallic workpieces that are comprised of high-carbon and/or high-alloy steels, the invention provides that nitrogen, ammonia and propane are used as the substance which contains carbon for producing the carbonitriding atmosphere.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Karbonitrieren metallischer Werkstücke durch Behandlung der Werkstücke in einer Karbonitrieratmosphäre, die unter Einsatz einer kohlenstoffhaltigen Substanz und Ammoniak erzeugt wirdThe invention relates to a method for carbonitriding metallic workpieces by treating the workpieces in a carbonitriding atmosphere using them a carbonaceous substance and ammonia is generated

Beim Karbonitrieren von Metallteilen aus austenitischen Stahllegierungen diffundieren Kohlenstoff und Stickstoff aus der Gasphase bei hohen Temperaturen in das kubisch flächenzentrierte Gitter und werden in der Randschicht der Metallteile eingelagert. Nach dem Abschrecken der Metallteile verbleiben Kohlenstoff und Stickstoff in der Diffusionszone und bewirken Druckeigenspannungen, wodurch die Randschicht gehärtet wird.When carbonitriding metal parts made of austenitic steel alloys diffuse carbon and nitrogen from the gas phase at high Temperatures in the face centered cubic and are in the Surface layer of the metal parts stored. After quenching the Metal parts remain in the diffusion zone and carbon and nitrogen cause residual compressive stress, whereby the surface layer is hardened.

In der Praxis kommt beim Karbonitrieren sogenanntes "Endogas" zum Einsatz, in das Ammoniak zudosiert wird. Der Ammoniakanteil liegt im Bereich von 4 bis 15 Vol.-% NH3. Endogas wird üblicherweise durch Reaktion von Luft mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Gas - wie Erdgas, Methan oder Propan - erzeugt. Es ist auch bekannt, geeignete Gasmischungen unter Einsatz einer sauerstoffhaltigen organischen Flüssigkeit, wie Methanol, herzustellen.In practice, carbonitriding uses so-called "endogas" into which ammonia is added. The ammonia content is in the range from 4 to 15% by volume of NH 3 . Endogas is usually generated by the reaction of air with a hydrocarbon-containing gas such as natural gas, methane or propane. It is also known to produce suitable gas mixtures using an oxygen-containing organic liquid, such as methanol.

Der Kohlenstoff- und Stickstofftransfer aus der Gasphase in den Werkstoff läuft über folgende Reaktionen ab:
The carbon and nitrogen transfer from the gas phase into the material takes place via the following reactions:

CO + H2 (C)γ -Fe + H2O (Aufkohlen) (1)
CO + H 2 (C) γ -Fe + H 2 O (carburizing) (1)

NH3 ⇒ (N)γ -Fe + 1,5H2 (Aufsticken) (2)NH 3 ⇒ (N) γ -Fe + 1.5H 2 (embroidery) (2)

Der Aufkohlungsprozeß ist bei Verwendung von Endogas reversibel, so daß die Möglichkeit besteht, die Werkstoffe aufzukohlen oder zu entkohlen. Zum Aufnitrieren ist atomarer Stickstoff erforderlich. Der im Endogas vorhandene molekulare Stickstoff dissoziiert bei den Behandlungstemperaturen jedoch nicht in ausreichendem Maße in atomaren Stickstoff. Deshalb wird zum Aufsticken Ammoniak zugesetzt, das sich bei den hohen Behandlungstemperaturen teilweise in atomaren Stickstoff zersetzt, der von dem Metall aufgenommen werden kann. Der Aufstickungsprozeß mit Ammoniak ist irreversibel. Die Entstickung läuft nur über die molekulare Stickstoffbildung auf der Werkstoffoberfläche ab:
The carburizing process is reversible when using endogas, so that there is the possibility of carburizing or decarburizing the materials. Atomic nitrogen is required for nitriding. However, the molecular nitrogen present in the endogas does not dissociate sufficiently in atomic nitrogen at the treatment temperatures. Ammonia is therefore added for embroidery, which at the high treatment temperatures partially decomposes into atomic nitrogen, which can be absorbed by the metal. The ammonia embroidery process is irreversible. The denitrification only takes place via the molecular nitrogen formation on the material surface:

2[N]gelöst → N2,gasförmig (3)2 [N] dissolved → N 2, gaseous (3)

Besondere Probleme ergeben sich beim Carbonitrieren kohlenstoffreicher und/oder hochlegierter Stähle. Im folgenden werden die Aufkohlungs- und Nitrierbedingungen dafür näher erläutert:Particular problems arise with carbonitriding and / or high-carbon high-alloy steels. The following are the carburizing and nitriding conditions explained in more detail:

Sollen kohlenstoffreiche Stähle in der Randschicht mit Kohlenstoff übersättigt werden, muß der Kohlenstoffpegel der Gasphase auf hohe Werte eingestellt werden. Dies ist nur möglich, wenn eine Kohlenstoffaktivität von 1 (Graphit) oder größer eingestellt wird. Beim Einsatz von Endogas und bei Behandlungstemperaturen von z. B. 850°C müssen die Gehalte an Kohlendioxid und Wasser der Gasphase sehr niedrig gehalten werden, um eine hohe Kohlenstoffaktivität zu erhalten. Die entkohlend wirkende chemische Reaktion dieser Komponenten (H2O und CO2) wird aus den folgenden Reaktionsgleichungen ersichtlich.
If carbon-rich steels are to be oversaturated with carbon in the surface layer, the carbon level of the gas phase must be set to high values. This is only possible if a carbon activity of 1 (graphite) or greater is set. When using endogas and at treatment temperatures of e.g. B. 850 ° C, the contents of carbon dioxide and water in the gas phase must be kept very low in order to obtain a high carbon activity. The decarburizing chemical reaction of these components (H 2 O and CO 2 ) can be seen from the following reaction equations.

2CO (C)γ -Fe + CO2 (Boudouardreaktion) (4)
2CO (C) γ -Fe + CO 2 (Boudouard reaction ) (4)

CO + H2 (C)γ -Fe + H2O (heterogene Wassergasreaktion) (5)CO + H 2 (C) γ -Fe + H 2 O (heterogeneous water gas reaction ) (5)

Um eine vorgegebene Kohlenstoffaktivität aufrecht zu erhalten, ist es daher erforderlich, durch die Kohlenstoffaufnahme entstehendes Wasser und Kohlendioxid mit einem Kohlenwasserstoff umzusetzen. Hierfür wird üblicherweise Propan eingesetzt, denn Propan reagiert bei relativ niedrigen Karbonitriertemperaturen (die jedoch aus Legierungsgründen nicht erhöht werden sollten) besser als Erdgas (Methan). In order to maintain a given carbon activity, it is therefore required, water and carbon dioxide created by the carbon absorption to implement with a hydrocarbon. Usually propane is used for this used because propane reacts at relatively low carbonitriding temperatures (the but should not be increased due to alloy reasons) better than natural gas (Methane).  

Der Propanumsatz mit Kohlendioxid bzw. mit Wasser läßt sich anhand chemischer Gleichungen wie folgt stöchiometrisch beschreiben:
The propane conversion with carbon dioxide or with water can be described stoichiometrically as follows using chemical equations:

3CO2 + C3H8 6CO + 4H2 (6)
3CO 2 + C 3 H 8 6CO + 4H 2 (6)

3H2O + C3H8 3CO + 7H2 (7)3H 2 O + C 3 H 8 3CO + 7H 2 (7)

Trotz der besseren Reaktivität des Propans muß ein großer Überschuß an Propan in den Ofen zugesetzt werden, so daß ein hoher Anteil an Kohlenwasserstoffen ungenutzt die Anlage verläßt. Gelangt durch Leckagen oder über das zu behandelnde Metall ungleichmäßig zusätzlicher Sauerstoff in den Ofenraum, können die Randkohlenstoffgehalte und Aufkohlungstiefen in ihrer Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit stark schwanken.Despite the better reactivity of the propane, a large excess of propane must be added to the furnace so that a high proportion of hydrocarbons leaves the system unused. Got through leaks or through that Treating metal can add uneven additional oxygen to the furnace space the marginal carbon contents and carburization depths in their uniformity and Reproducibility fluctuate widely.

Insbesondere im Hinblick auf hochlegierte Stähle hat der Einsatz von Endogas als Aufkohlungsträgergas einen weiteren Nachteil. Müssen beispielsweise chromreiche Stähle karbonitriert werden, so wird das legierte Chrom oxidiert und es bildet sich je nach Chromgehalt der Legierung eine geschlossene Oxiddeckschicht oder es tritt eine sogenannte "innere Oxidation" auf. Eine geschlossene Oxiddeckschicht wirkt für die weitere Eindiffusion von Kohlenstoff und Stickstoff als Sperrschicht, da sie keinen Kohlenstoff lösen kann. Eine innere Oxidation, wie sie bei Vergütungsstählen mit geringeren Gehalten an Chrom, Mangan und Silizium beobachtet wird, beeinflußt das Härtegefüge negativ. Es bildet sich beim Abschrecken kein Martensit, sondern es entsteht ein feinstreifiger Perlit, der weicher ist als Martensit. Die Verschleißfestigkeit wird dadurch deutlich herabsetzt.In particular with regard to high-alloy steels, the use of endogas has as Carburizing carrier gas has another disadvantage. For example, have to be rich in chromium Carbonitrided steels, the alloyed chromium is oxidized and it forms According to the chromium content of the alloy, a closed oxide cover layer or it occurs a so-called "internal oxidation". A closed oxide cover layer works for the further diffusion of carbon and nitrogen as a barrier, since they do not Can release carbon. An internal oxidation, as is the case with tempered steels lower levels of chromium, manganese and silicon are observed, this affects Hardness structure negative. When quenching, it does not form martensite, but it does the result is a fine-streaked pearlite that is softer than martensite. The wear resistance is significantly reduced.

Chromreiche Legierungen (Chromgehalt < 5 Gew.-%) und Vergütungsstähle können somit nur eingeschränkt in Endogas aufgekohlt oder karbonitriert werden.Chromium-rich alloys (chromium content <5% by weight) and tempering steels can can only be carburized or carbonitrided to a limited extent in endogas.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Karbonitrieratmosphäre für kohlenstoffreiche und/oder hochlegierte Stähle anzugeben, die eine Ausbildung einer Deckschicht oder eine Schädigung der Randzone verhindert oder mindert. The invention is therefore based on the object of an inexpensive method for Production of a carbonitriding atmosphere for high-carbon and / or high-alloys Specify steels that form a top layer or damage the Border zone prevented or reduced.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre Stickstoff, Ammoniak und Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt werden.This object is achieved in that the generation of Carbonitriding atmosphere nitrogen, ammonia and propane as carbon-containing substance can be used.

Anstelle von Endogasgemischen werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Propan und Stickstoff zur Herstellung der Karbonitrieratmosphäre eingesetzt. Dadurch wird die Sauerstoffaktivität im Behandlungsgas gesenkt und die Bildung entkohlend wirkender Komponenten wie CO2 und H2O wird verringert. Die geringere Sauerstoffaktivität des erfindungsgemäß hergestellten Behandlungsgases hat zur Folge, daß bei hochlegierten Stählen die Randoxidation geringer ist und die Ausbildung einer Oxiddeckschicht oder einer "inneren Oxidation" verhindert oder vermindert wird.Instead of endogas mixtures, propane and nitrogen are used in the process according to the invention to produce the carbonitriding atmosphere. This lowers the oxygen activity in the treatment gas and reduces the formation of decarburizing components such as CO 2 and H 2 O. The lower oxygen activity of the treatment gas produced according to the invention has the result that the edge oxidation is lower in high-alloy steels and the formation of an oxide cover layer or an “internal oxidation” is prevented or reduced.

Damit einhergehend stellt sich in der Karbonitrieratmosphäre mit einem Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch eine im Vergleich zum Einsatz von Endogas höhere Stickstoffaktivität und eine höhere Kohlenstoffaktivität ein. Dies erleichtert wiederum das Aufkohlen kohlenstoffreicher Stähle.This is accompanied by a in the carbonitriding atmosphere Nitrogen / propane / ammonia mixture compared to the use of Endogas a higher nitrogen activity and a higher carbon activity. This in turn makes it easier to carburize high-carbon steels.

Die Dosierung der Frischgase Stickstoff, Propan und Ammoniak läßt sich leicht messen und einstellen, so daß eine vorgegebene, gleichbleibende Zusammensetzung der Karbonitrieratmosphäre und damit eine definierte und reproduzierbare Aufstickung und Aufkohlung erzielbar ist. Aufgrund des vergleichsweise geringen CO2-Gehaltes wird zudem die CO2-Emission bei diesem Verfahren gesenkt. Darüberhinaus können durch den Ersatz von Endogas durch den preiswerteren Stickstoff Betriebskosten eingespart werden.The dosage of the fresh gases nitrogen, propane and ammonia can be easily measured and adjusted, so that a predetermined, constant composition of the carbonitriding atmosphere and thus a defined and reproducible nitrogen and carburization can be achieved. Due to the comparatively low CO 2 content, the CO 2 emissions are also reduced with this process. In addition, operating costs can be saved by replacing endogas with the cheaper nitrogen.

Besonders einfach reproduzierbar gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren, wenn zur Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre ausschließlich Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt wird.The inventive method is particularly easy to reproduce Process if only to generate the carbonitriding atmosphere Propane is used as a carbonaceous substance.

Vorzugsweise wird der Wassergehalt der Karbonitrieratmosphäre auf weniger als 0,1 Vol.-% eingestellt. Dies läßt sich erreichen, indem ein möglichst trockenes Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch eingesetzt wird. Dadurch wird die entkohlend wirkende Komponente H2O vermieden und eine hohe Kohlenstoffaktivität der Karbonitrieratmosphäre erzielt.The water content of the carbonitriding atmosphere is preferably set to less than 0.1% by volume. This can be achieved by using a dry nitrogen / propane / ammonia mixture. This avoids the decarburizing component H 2 O and achieves high carbon activity in the carbonitriding atmosphere.

Gleichermaßen vorteilhaft wirkt sich es sich aus, wenn der Kohlendioxidgehalt der Karbonitrieratmosphäre weniger als 0,1 Vol.-% beträgt. Denn auch durch Vermeiden der entkohlend wirkenden Komponente CO2 wir eine hohe Kohlenstoffaktivität der Karbonitrieratmosphäre erzielt.It is equally advantageous if the carbon dioxide content of the carbonitriding atmosphere is less than 0.1% by volume. Because even by avoiding the decarbonizing component CO 2, high carbon activity in the carbonitriding atmosphere is achieved.

Für eine Karbonitrierung kohlenstoffreicher und hochlegierter Stähle hat sich eine Karbonitrieratmosphäre als besonders günstig erwiesen, die zwischen 8 bis 15 Vol.-% Wasserstoff, zwischen 5 und 8 Vol.-% Methan, zwischen 0,5 und 1,5 Vol.-% Ammoniak und maximal 1 Vol.-% Kohlenmonoxid enthält.Carbonitriding for high-carbon and high-alloy steels has proven itself a carbonitriding atmosphere proved to be particularly favorable, which between 8 up to 15 vol.% hydrogen, between 5 and 8 vol.% methane, between 0.5 and contains 1.5% by volume of ammonia and a maximum of 1% by volume of carbon monoxide.

Methan bildet sich durch thermische Zersetzung des erfindungsgemäß eingesetzten Propans. Die Gehalte an Kohlendioxid und Wasser liegen bei einer derartigen Karbonitrieratmosphäre bei weniger als 0,1 Vol.-%.Methane is formed by thermal decomposition of the invention used propane. The levels of carbon dioxide and water are included such a carbonitriding atmosphere at less than 0.1% by volume.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment:

VersuchsdurchführungTest execution

An einem Retortenofen wurden Versuche zum Karbonitrieren von Metall- Bauteilen aus härtbarem, chrom- und manganhaltigen Stahl durchgeführt. Zur Herstellung der Karbonitrieratmosphäre wurde Stickstoff und Propan eingesetzt.Tests on the carbonitriding of metal Components made of hardenable, chrome and manganese steel. For The carbonitriding atmosphere was produced using nitrogen and propane used.

Die Durchflußmengen an Stickstoff, Propan und Ammoniak wurden jeweils über Mengenmesser gemessen und über eine im Vergleich zum üblichen Verfahren unter Endogas veränderte Einspeisestelle zudosiert. Das Meßgas für die Analyse der sich einstellenden Ofengasatmosphäre wurde über ein Entnahmerohr abgepumpt.The flow rates of nitrogen, propane and ammonia were each about Flow meter measured and a compared to the usual method below Endogas changed feed point metered. The sample gas for the analysis of itself furnace gas atmosphere was pumped off via a sampling pipe.

Nach dem Abschrecken und Reinigen der behandelten Bauteile wurden einige von ihnen metallografisch untersucht. Eine Probe, die mitbehandelt wurde, diente jeweils als Analysenprobe. An dieser Probe wurden in zwei Eindringtiefen die Gehalte an gelöstem Stickstoff und Kohlenstoff bestimmt. Die Meßtiefen lagen standardmäßig bei 50 µm und 100 µm von der Oberfläche.After quenching and cleaning the treated components, some of examined them metallographically. One sample, which was also treated, served in each case as an analytical sample. The contents of this sample were measured at two penetration depths  dissolved nitrogen and carbon determined. The measuring depths were standard at 50 µm and 100 µm from the surface.

AusführungsbeispielEmbodiment

Bei den Stickstoff/Propan/Ammoniak-Versuchen wurden die in Tabelle 2 angegebenen Mengen an Gasen eingesetzt (Angaben in Liter pro Stunde):
In the nitrogen / propane / ammonia tests, the amounts of gases specified in Table 2 were used (data in liters per hour):

Tabelle 2 Table 2

Bei diesen Versuchen wurden die geforderten Randstickstoffgehalte in 50 µm teilweise und in 100 µm Eindringtiefe bis auf eine Probe immer erreicht. Auch die analysierten Randkohlenstoffgehalte lagen in den entsprechenden beiden Tiefen im geforderten Bereich bei 1,4-1,7 Gew.-% C. Für einige der Proben sind die Analysenwerte der ermittelten Stickstoff- und Kohlenstoffgehalte sowie die Prozeßparameter in Tabelle 3 aufgeführt.In these tests, the required marginal nitrogen content was 50 µm partially and with a penetration depth of 100 µm always reached except for one sample. Also the The analyzed marginal carbon contents were in the corresponding two depths in the required range at 1.4-1.7% by weight C. For some of the samples, the Analysis values of the determined nitrogen and carbon contents as well as the Process parameters listed in Table 3.

Tabelle 3 Table 3

Im Ofenraum stellten sich durch Reaktion der einzelnen Gaskomponenten Gehalte von ca. 10% Wasserstoff, 6-7% Methan, 1% Restammoniak und 0,5% Kohlenmonoxid ein, so daß das Ofenabgas mit gelbleuchtender Farbe verbrannte. Die Gehalte an Wasser und Kohlendioxid lagen bei allen Versuchen unterhalb der Nachweisgrenze des Meßgerätes (kleiner 0,05%). Reactions of the individual gas components resulted in contents in the furnace chamber of approx. 10% hydrogen, 6-7% methane, 1% residual ammonia and 0.5% Carbon monoxide so that the furnace exhaust burned with yellow-colored paint. The content of water and carbon dioxide was below that in all experiments Detection limit of the measuring device (less than 0.05%).  

Aus den Meßwerten für die Gaskomponenten H2, CO, CO2, CH4, H2O, NH3 wurden die Kohlenstoff- und Stickstoffaktivitäten in der jeweiligen Behandlungsatmosphäre berechnet. Diese ergeben sich folgendermaßen:
Aufstickreaktion: NH3 ⇒ (N)γ -Fe + 1,5H2 (stationärer Zustand)
Stickstoffaktivität (aN): aN = kp(N) . PNH3/PH2 3/2
Stickstofflöslichkeit (CN): CN = f(i) . aN
The carbon and nitrogen activities in the respective treatment atmosphere were calculated from the measured values for the gas components H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , H 2 O, NH 3 . These result as follows:
Stick reaction : NH 3 ⇒ (N) γ -Fe + 1.5H 2 (steady state)
Nitrogen activity (a N ): a N = kp (N) . P NH3 / P H2 3/2
Nitrogen solubility (C N ): C N = f (i) . a N

Die sich in der aufgekohlten Legierung einstellende Stickstoffkonzentration wird durch die stationären Gehalte an Wasserstoff und Restammoniak im Ofengas und durch die Behandlungstemperatur definiert. Diese Konzentrationen können mit Gasanlysatoren gemessen und für die Berechnung der Stickstoffaktivität (aN) verwendet werden. Die Stickstoffaktivität (aN) ist ein direktes Maß für die zu erwartende Stickstoffkonzentration (CN) in der Legierung. Der Korrekturfaktor f(i) berücksichtigt alle Parameter, die die Löslichkeit von Stickstoff positiv oder negativ beeinflussen. In ihr sind die legierungs-, gas- und anlagenspezifischen Einflußgrößen enthalten und sie muß deshalb empirisch ermittelt werden.The nitrogen concentration in the carburized alloy is defined by the stationary contents of hydrogen and residual ammonia in the furnace gas and by the treatment temperature. These concentrations can be measured with gas analyzers and used to calculate nitrogen activity (a N ). The nitrogen activity (a N ) is a direct measure of the expected nitrogen concentration (C N ) in the alloy. The correction factor f (i) takes into account all parameters that have a positive or negative influence on the solubility of nitrogen. It contains the alloy, gas and plant-specific influencing variables and must therefore be determined empirically.

Aufgrund der hohen Karbonitriertemperatur und des geringen stationären Ammoniakgehaltes in der Ofenatmosphäre können sich auf der Legierung keine γ'- Nitride oder ε-Nitride bilden.Due to the high carbonitriding temperature and the low stationary Ammonia content in the furnace atmosphere, no γ'- Form nitrides or ε-nitrides.

Aufkohlungsreaktion: C3H8 ⇒ 2(C)γ -Fe + CH4 + 2H2 (stationärer Zustand)
Kohlenstoffaktivität (ac): ac = kp(c) . PCH4/PH2 2
Kohlenstofflöslichkeit (Cc): Cc = f(i) . ac
Carburization reaction: C 3 H 8 ⇒ 2 (C) γ -Fe + CH 4 + 2H 2 (steady state)
Carbon activity (a c ): a c = kp (c) . P CH4 / P H2 2
Carbon solubility (C c ): C c = f (i) . a c

Die sich in der aufgekohlten Legierung einstellende Kohlenstoffkonzentration wird durch die stationären Gehalte an Wasserstoff und Methan im Ofengas und durch die Behandlungstemperatur definiert. Das Methan bildet sich bei der thermischen Spaltung des Propans und durch Reaktion des aus der Ammoniakdissoziation entstehenden Wasserstoffs mit Kohlenstoff. The carbon concentration in the carburized alloy becomes through the stationary contents of hydrogen and methane in the furnace gas and through the Treatment temperature defined. The methane forms during thermal Cleavage of the propane and by reaction from the ammonia dissociation resulting hydrogen with carbon.  

Methanbildung: (C)Graphit + 2H2 = +CH4 (stationärer Zustand)Methane formation: (C) graphite + 2H 2 = + CH 4 (steady state)

Diese nicht im chemischen Gleichgewicht stehenden Konzentrationen können mit Gasanlysatoren gemessen und für die Berechnung der Kohlenstoffstoffaktivität (ac) verwendet werden. Die Kohlenstoffaktivität (ac) ist ein direktes Maß für die zu erwartende Kohlenstoffkonzentration (Cc) in der Legierung. Der Korrekturfaktor f(i) berücksichtigt alle Parameter, die die Löslichkeit von Kohlenstoff beeinflussen. In der Konstanten sind die legierungs-, gas- und anlagenspezifischen Einflußgrößen enthalten und sie muß deshalb ebenfalls empirisch ermittelt werden.These concentrations, which are not in chemical equilibrium, can be measured with gas analyzers and used for the calculation of the carbon activity (a c ). The carbon activity (a c ) is a direct measure of the expected carbon concentration (C c ) in the alloy. The correction factor f (i) takes into account all parameters that influence the solubility of carbon. The alloy, gas and plant-specific influencing variables are contained in the constant and must therefore also be determined empirically.

In Tabelle 4 sind die beim erfindungsgemäßen Verfahren im Ofenraum gemessenen Gaskonzentrationen aufgeführt (Angaben in Vol.-%):
Table 4 lists the gas concentrations measured in the furnace chamber according to the method of the invention (data in vol.%):

Tabelle 4 Table 4

Beim Einsatz von trockenem Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch sind fast keine entkohlend wirkende Komponenten (H2O und CO2) im Behandlungsgas enthalten. Somit ist ein zusätzlicher Propanzusatz zur Vermeidung der Gefahr einer Entkohlung grundsätzlich nicht erforderlich. Durch den Einsatz von Stickstoff/Propan/Ammoniak erhöht sich somit die Prozeßsicherheit.When using a dry nitrogen / propane / ammonia mixture, almost no decarburizing components (H 2 O and CO 2 ) are contained in the treatment gas. An additional propane additive to avoid the risk of decarburization is therefore generally not necessary. The use of nitrogen / propane / ammonia increases process reliability.

Da die Randoxidationtiefe der Legierungselemente, wie Silizium, Mangan und Chrom, mit steigendem Kohlenmonoxidgehalt zunimmt, ist auch aus Randoxidationsgründen der Einsatz von Stickstoff/Popan anstelle von Endogas vorzuziehen. Denn wie aus den obigen Angaben ersichtlich, stellt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren im Behandlungsgas ein sehr geringer Kohlenmonoxidgehalt ein. - im Vergleich zum üblichen Verfahren unter Endogas, bei dem der Kohlenmonoxidgehalt zwischen 20 Vol.-% und etwa 23 Vol.-% beträgt. Die Verarmungstiefe an Legierungselementen und der dadurch entstehende Saum aus feinstreifigem Perlit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren gesenkt oder vermieden und die Qualität der behandelten Bauteile verbessert werden.Since the edge oxidation depth of the alloy elements, such as silicon, manganese and Chromium, which increases with increasing carbon monoxide content, is also out Edge oxidation reasons the use of nitrogen / Popan instead of Prefer endogas. Because as can be seen from the above information, in the process according to the invention in the treatment gas low carbon monoxide content. - compared to the usual procedure under endogas, in which the carbon monoxide content is between 20 vol .-% and is about 23% by volume. The depletion depth of alloying elements and the resulting hem from fine-streaked pearlite can by the  method reduced or avoided and the quality of the treated components can be improved.

Darüberhinaus werden beim Ersatz von Endogas durch den preiswerteren Stickstoff Betriebskosten eingespart. Und da die CO2-Emissionen gesenkt werden, ist das Karbonitrieren mit einem Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch auch aus Umweltgründen vorteilhaft.In addition, operating costs are saved when replacing endogas with the cheaper nitrogen. And since CO 2 emissions are reduced, carbonitriding with a nitrogen / propane / ammonia mixture is also advantageous for environmental reasons.

Claims (5)

1. Verfahren zum Karbonitrieren metallischer Werkstücke durch Behandlung der Werkstücke in einer Karbonitrieratmosphäre, die unter Einsatz einer kohlenstoffhaltigen Substanz und Ammoniak erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Karbonitrieren metallischer Werkstücke aus kohlenstoffreichen und/oder hochlegierten Stählen für die Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre Stickstoff, Ammoniak und Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt werden.1. A method for carbonitriding metallic workpieces by treating the workpieces in a carbonitriding atmosphere which is produced using a carbon-containing substance and ammonia, characterized in that for carbonitriding metallic workpieces made of high-carbon and / or high-alloy steels for the generation of the carbonitriding atmosphere nitrogen, ammonia and Propane can be used as a carbon-containing substance. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre ausschließlich Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that for generating the Carbonitriding atmosphere exclusively propane as a carbon-containing substance is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt der Karbonitrieratmosphäre weniger als 0,1 Vol.-% beträgt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Water content of the carbonitriding atmosphere is less than 0.1% by volume. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlendioxidgehalt der Karbonitrieratmosphäre weniger als 0,1 Vol.-% beträgt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the carbon dioxide content of the carbonitriding atmosphere is less than 0.1% by volume. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonitrieratmosphäre zwischen 8 bis 15 Vol.-% Wasserstoff, zwischen 5 und 8 Vol.-% Methan, zwischen 0,5 und 1,5 Vol.-% Ammoniak und maximal 1 Vol.-% Kohlenmonoxid enthält.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the carbonitriding atmosphere is between 8 to 15% by volume Hydrogen, between 5 and 8 vol.% Methane, between 0.5 and 1.5 vol.% Contains ammonia and a maximum of 1 vol .-% carbon monoxide.
DE2000103526 2000-01-27 2000-01-27 Process for the carbonitriding of high-carbon and high-alloy steels Ceased DE10003526A1 (en)

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