DE10321414B4

DE10321414B4 - Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken in Kammeröfen

Info

Publication number: DE10321414B4
Application number: DE2003121414
Authority: DE
Inventors: Lothar Foerster; Andreas Becht; Karl-Otto Englert; Michael Czeringer; Thomas Thalau
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2023-05-14
Also published as: FR2854904B1; FR2854904A1; DE10321414A1

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken in Kammeröfen in einer Gasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre 70 bis 80% Stickstoff, 10 bis 30% Wasserstoff und 2 bis 10% eines Kohlenstoffträgers enthält, und dass bei der Beschickung des Kammerofens zunächst ein höherer Anteil an Kohlenstoffträger zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken in Kammeröfen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bei einem bereits klassischen Standardverfahren zum Aufkohlen, kohlungsneutralen und in bestimmten Fällen auch entkohlenden Wärmebehandeln von metallischen Werkstücken in Kammeröfen, dem sogenannten Generator-Endogasverfahren, wird das benötigte Behandlungsgas (Schutzgas) durch z. B. unterstöchiometrische Verbrennung von Erdgas, Methan oder Propan mit Luft bei Temperaturen von etwa 1000°C mit großen Mengen an Hilfsenergie erzeugt. Die Schutzgase enthalten ca. 30–40% H2, 20–30% CO und 30–40% N2. Zum Erreichen des notwendigen Kohlenstoffgehalts in der Schutzgasatmosphäre wird der Ofenatmosphäre ein Zusatzgas, wie beispielsweise Erdgas oder Propan, geregelt zugeführt. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der DE 43 43 927 C1 beschrieben.
Bei anderen gängigen Verfahren wird ein identisches Behandlungsgas durch eine im Wärmebehandlungsofen angeordnete Katalysatorretorte und durch Zuleitung der gleichen Ausgangsstoffe hergestellt, wie es zum Beispiel in der DE 36 32 577 A1 beschrieben ist.
Wieder andere Verfahren gehen von abweichenden Ausgangsstoffen, nämlich insbesondere sauerstofftragenden Kohlenwasserstoffverbindungen wie beispielsweise Alkoholen aus und kommen dann dadurch zu einer Wärmebehandlungsatmosphäre, dass diese sauerstofftragenden Verbindungen unmittelbar in aufgeheizte Wärmebehandlungsöfen eingebracht werden und diese sich dort aufgrund der herrschenden, hohen Temperaturen von mehr als 800°C in die gewünschten Behandlungsgase umsetzen. Häufig wird bei diesem Verfahren zusätzlich Stickstoff als Atmosphärenbestandteil vorgesehen, was zu zusätzlichen verfahrenstechnischen Vorteilen, wie der Möglichkeit der Verdüsung der häufig flüssigen, sauerstofftragenden Kohlenwasserstoffverbindungen führt.
Allen oben beschriebenen Verfahren zur Wärmebehandlung ist gemeinsam, dass die Behandlungsatmosphäre entweder mit gebundenem oder ungebundenem Sauerstoff erzeugt wird. Aufgrund der Anwesenheit von reinem Sauerstoff oder Kohlenmonoxid (CO) bzw. anderer Sauerstoffträger tritt bei der Wärmebehandlung eine innere Oxidation an der Teileoberfläche auf. Diese innere Oxidation, auch Randoxidation genannt, führt zur Verminderung der Bauteilefestigkeit bei unbearbeiteten Oberflächen.
Aus der EP 0 662 525 B1 ist ein Verfahren zur Vermeidung von Randoxidation beim Aufkohlen von Stählen bekannt. Dabei werden die Stähle unter einem Stickstoff/Wasserstoff-Gasgemisch auf eine Aufkohlungstemperatur aufgeheizt. Die Aufkohlung selbst erfolgt dann durch ein kohlenstoffhaltiges Gasgemisch mit einer geringen Sauerstoffaktivität. Weiterhin ist aus der US 4,108,693 eine Methode zur Wärmebehandlung von Stahl beschrieben. Hierzu wird ein stickstoffhaltiges Trägergas mit einer Kohlenwasserstoffverbindung gemischt und in einen Ofen für die Wärmebehandlung von Stahl eingeführt.
Darüber hinaus ist aus B. Edenhofer, W. Lerche, „Entwicklungen in der Verfahrens- und Prozeßtechnik der Gasaufkohlung" HTM 49 (1994) 2, Seiten 88–95, aus J. A. Wünning, „Modernisierung von Aufkohlungsanlagen" HTM 49 (1994) 2, Seiten 142–145 sowie aus der AT 346 378 B und der EP 0 031 034 B1 die Verwendung von Erdgas bzw. Propan als Kohlenstoffträger für Wärmebehandlungsverfahren allgemein bekannt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine randoxidationsfreie Wärmebehandlung der metallischen Werkstücke durchgeführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass dadurch gegebenenfalls eine erhebliche Reduzierung der Wärmebehandlungskosten erzielt werden kann.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine deutliche Festigungssteigerung der Bauteile erreicht werden beziehungsweise eine kostenintensive Hartbearbeitung von hochbelasteten Oberflächenbereichen vermieden beziehungsweise reduziert werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
Ausführungsbeispiele
Der Kern der Erfindung liegt in der Vermeidung von ungebundenem oder gebundenem Sauerstoff in der Ofenatmosphäre. Dadurch wird die Entstehung von Randoxidationen vermieden beziehungsweise deutlich reduziert. Falls aufgekohlte Teile bereits eine Randoxidation aufweisen, so bleibt diese erhalten. Eine übliche Erhöhung durch das Härten wird vermieden. Weisen bereits aufgekohlte Teile keine Randoxidation auf, so wird durch das erfindungsgemäße Verfahren auch keine neue Randoxidation gebildet.
Mittels einer geänderten Atmosphärenzusammensetzung kann die Wärmebehandlung in Kammeröfen ohne Einfluss auf die übrigen Kennwerte beziehungsweise Bauteileigenschaften durchgeführt werden. Zum Aufbau der Gasatmosphäre wird hierbei ein Gemisch benutzt, das aus ungefähr 70 bis ungefähr 80% Stickstoff, ungefähr 10 bis ungefähr 30% Wasserstoff und ungefähr 2 bis ungefähr 10% eines Kohlenstoffträgers besteht. Der Kohlenstoffträger kann beispielsweise Erdgas, Propan oder dergleichen sein. Besonders bevorzugt ist ein Gemisch aus 75% Stickstoff, 20% Wasserstoff und 5% Erdgas.
Bei der Beschickung der Ofenanlage wird zunächst ein höherer Anteil an Erdgas zugeführt, um die beim Öffnen des Ofens in diesen einströmende Luft bei hoher Temperatur verbrennen zu können. Hat sich die gewünschte Gasatmosphäre eingestellt, wird diese während des gesamten Prozesses durch entsprechende Gasmengenzugabe gesteuert. Die Anlagen werden hierbei mit handelsüblichen synthetischen Gasen aus Tanklagern beziehungsweise Gasflaschen versorgt. Alle benötigten Gasmengen werden bevorzugt durch Durchflussmesser gesteuert, die zu Beginn der Behandlung auf die entsprechenden Werte eingestellt und laufend überwacht werden. Sollte sich, beispielsweise durch Druckabfall in einer der Gasflaschen die Zufuhr eines Gases verringern, so kann dies mittels eines entsprechenden Alarmsystems angezeigt werden.
Die dem Ofen zugeführten Gasmengen sind dabei nicht geregelt, sondern fest vorgegeben. Eine Regelung der Gasmengen ist deshalb nicht unbedingt notwendig, da über die Gaszusammensetzung ein Überdruck in der Ofenkammer das Eindringen von Luft verhindert werden muss. Über eine H2- beziehungsweise O2-Konzentrationsmessung kann der Gasmengenverbrauch optimiert werden. Die zur Atmosphärenregelung in modernen Kammeröfen vorgesehene Kohlenstoff-Pegelregelung mittels Sauerstoffsonden kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Prozessüberwachung benutzt werden. Über die Sauerstoffsonden kann der Anstieg der Sauerstoffkonzentration in der Ofenanlage bei Prozesstemperatur gemessen beziehungsweise überwacht werden. Steigt der Sauerstoffgehalt über einen Grenzwert an, so kann eine Störmeldung erfolgen.
Durch einfachen Umbau der bestehenden Ofenanlagen (Versorgungsleitung für Wasserstoff, Softwareanpassung) kann das erfindungsgemäße Verfahren an diese angepasst werden, was einen deutlichen Kostenvorteil bringt. Die bisher verwendeten Endogasgeneratoren werden nicht mehr benötigt. Auch dies führt zu einem deutlichen Kostenvorteil, da einerseits Wartungsarbeiten etc. wegfallen und andererseits synthetische Gase bei einer Großabnahme sehr kostengünstig sind.
Mit Hilfe der geänderten Gaszusammensetzung in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung in Kammeröfen kann eine randoxidationsfreie Wärmebehandlung durchgeführt werden. Dies führt zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung der Bauteile. Eine Hartbearbeitung ist, falls keine besonderen Anforderungen an die Geometrie sowie die innenliegenden beziehungsweise äußeren Oberflächen zu stellen sind, nicht mehr notwendig. Ferner kann durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Wasserstoffgehalt in der Atmosphäre um ca. 50% reduziert werden. Durch die Reduzierung des CO/CO2-Ausstosses (Wegfall des Schutzgases) ergeben sich ferner Vorteile aus Umweltschutzgesichtspunkten. Dies bedeutet gleichzeitig eine Reduzierung der Gefahr von wasserstoffinduziertem Sprödbruch bei gleichzeitiger Anwesenheit von nichtmetallischen Einschlüssen, die als innere Kerben wirken und die Teile dadurch bruchempfindlicher werden lassen.
Aufgrund des reduzierten Kohlenstoffgehalts in der Atmosphäre können Verunreinigungen der Anlagen, wie zum Beispiel Rußablagerungen, sowie die Bildung von Carbonat im Salzbad verringert werden. Dies führt zu längeren Standzeiten der Salzschmelzen und zur Reduzierung von Wartungs- beziehungsweise vorbeugenden Instandsetzungsarbeiten.
Ein Vergleich der Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken mittels des herkömmlichen Endogasverfahrens und dem erfindungsgemäßen Verfahren ließ keine Abweichungen von den Sollwerten bezüglich Oberflächenhärte und Kernhärte erkennen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Werkstücke ließen im Gegensatz zu den herkömmlich behandelten Werkstücken lichtmikroskopisch keine Randoxidation erkennen. Eine Gefügeuntersuchung lieferte keine Abweichungen von den vorgeschriebenen Werten.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken in Kammeröfen in einer Gasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre 70 bis 80% Stickstoff, 10 bis 30% Wasserstoff und 2 bis 10% eines Kohlenstoffträgers enthält, und dass bei der Beschickung des Kammerofens zunächst ein höherer Anteil an Kohlenstoffträger zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasatmosphäre 75% Stickstoff, 20% Wasserstoff und 5% des Kohlenstoffträgers enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffträger Erdgas oder Propan ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kohlenstoff-Pegelregelung zur Prozessüberwachung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass synthetische Gase verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Zuführung der Gase der Gasatmosphäre über Durchflussmesser realisiert wird.