DE10359554A1 - Assembly for carburizing metal workpieces, in a vacuum furnace, matches the gas feed to the carbon take-up at the workpiece - Google Patents

Assembly for carburizing metal workpieces, in a vacuum furnace, matches the gas feed to the carbon take-up at the workpiece Download PDF

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Abstract

For the carburization of metal workpieces, in a vacuum furnace with a carbon carrier, the carburization is split to deliver pure carbon under process conditions. The acetylene volume flow is high at the start of the carburizing phase, and then reduced according to measurements of the concentration of hydrogen and/or acetylene and/or the total carbon. A sensor measures the exhaust gas, with a signal flow to a computer (PC) and/or amplifier, in turn connected to the dosing valve (V) in the gas feed. The assembly matches the gas feed to the carbon take-up at the workpiece.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen, wobei die Ofenatmosphäre einen Kohlenstoffträger enthält, der unter den Prozessbedingungen der Aufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird.The The invention relates to a method and a device for carburizing metallic workpieces in a vacuum oven, wherein the furnace atmosphere contains a carbon carrier, the under the process conditions of carburization with release of pure Carbon is split.

Das Vakuumaufkohlen gewinnt bei der Einsatzhärtung von Getriebebauteilen eine immer größere Bedeutung. Dies liegt darin begründet, dass beim Vakuumaufkohlen im Vergleich zum atmosphärischen Aufkohlen sehr hohe Kohlenstoffmassenstromdichten erzielt werden, was die Prozessdauer verkürzt und damit die Produktivität steigert. Ein weiterer Vorteil besteht in der Erzeugung randoxidationsfreier Bauteiloberflächen durch die Verwendung sauerstofffreier Kohlenwasserstoffe als Aufkohlungsmedium.The Vacuum carburizing wins during case hardening of transmission components an ever greater importance. This is due to that in vacuum carburizing compared to atmospheric Carburizing very high carbon mass flow densities can be achieved which shortens the process duration and thus productivity increases. Another advantage is the production edge oxidation free Component surfaces through the use of oxygen-free hydrocarbons as a carburizing medium.

Bekannt ist ein Vakuumaufkohlungsverfahren bzw. Vakuumeinsatzhärtungsverfahren, in welchem eine Aufkohlungsbehandlung bzw. Einsatzhärtungsbehandlung durch ein Unterdruck- bzw. Vakuumerhitzen von Werkstücken aus Stahlmaterial in der Heizkammer eines Vakuumaufkohlungsofens bzw. Vakuumeinsatzhärtungsofens durchgeführt wird und ein Aufkohlungsgas bzw. Einsatzhärtungsgas der Heizkammer zugeführt wird (D1: EP 0818 555 ), wobei Acetylengas als das Aufkohlungsgas eingesetzt wird und das Aufkohlungsverfahren in der Heizkammer bei einem Vakuum von nicht mehr als 1 kPa durchgeführt wird. Als Vorteil dieses Verfahrens wird die Möglichkeit der Aufkohlung tiefer Bohrungen und die Reduzierung der Rußbildung in der Anlage genannt.A vacuum carburizing method is known in which a carburization treatment is performed by vacuum-heating workpieces of steel material in the heating chamber of a vacuum carburization furnace and supplying a carburizing gas to the heating chamber (D1: EP 0818 555 Using acetylene gas as the carburizing gas and carrying out the carburizing process in the heating chamber at a vacuum of not more than 1 kPa. As an advantage of this method, the possibility of carburizing deep holes and the reduction of soot formation in the plant is called.

Bei einem anderen Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen mit einer Ofenatmosphäre, die einen Kohlenstoffträger enthält (D2: EP 0 882 811 ), weist der Kohlenstoffträger ein Kohlenstoff-Wasserstoffverhältnis von 1:1 auf, wobei der Partialdruck des Kohlenstoffträgers pulsierend variiert wird und der Partialdruck des Kohlenstoffträgers bei Druckpulsen bis auf 50 mbar angehoben und ansonsten unter 20 mbar gehalten wird. Der erhöhte Partialdruck des Kohlenstoffträgers soll dabei zu einer höheren Kohlenstoffmassenstromdichte führen, was im Gegensatz zu dem erst genannten Verfahren zu einer kürzeren und damit wirtschaftlicheren Behandlung führen soll.In another method of carburizing metallic workpieces in a vacuum oven with a furnace atmosphere containing a carbon support (D2: EP 0 882 811 ), the carbon support has a carbon-hydrogen ratio of 1: 1, wherein the partial pressure of the carbon support is varied pulsating and the partial pressure of the carbon support is increased in pressure pulses up to 50 mbar and otherwise maintained below 20 mbar. The increased partial pressure of the carbon support should lead to a higher carbon mass flow density, which should lead to a shorter and therefore more economical treatment in contrast to the first-mentioned method.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur direkten Aufkohlung mit Acetylen im Vakuum, wobei während der Aufkohlungsphase mit einer konstanten Acetylengasmenge im Überschuss gearbeitet wird (D3: Watanabe, T.; Kabasawa, H.: The direct carburizing method using acetylene, Nihon Techno Co., LTD, May 5, 2001).Known is still a process for direct carburization with acetylene in a vacuum, while during the Carburizing phase with a constant excess of acetylene gas (D3: Watanabe, T. Kabasawa, H .: The direct carburizing method using acetylene, Nihon Techno Co., LTD, May 5, 2001).

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es kaum wirtschaftlich arbeitet, was jedoch in Kauf genommen wird, solange sich die Aufkohlungsqualität nicht verschlechtert.This However, the process has the disadvantage that it hardly works economically, However, this is accepted, as long as the carburizing quality is not deteriorated.

Schließlich hat man vorgeschlagen, die Prozessführung an Hand eines Rezepts zu steuern, wobei die Rezeptparameter mittels Simulationsprogrammen vor Beginn des Aufkohlungsvorgangs berechnet werden (D4: Gräfen, W.: Dr. Ing. Diss. 2002). Um einerseits ein gleichmäßiges Aufkohlungsergebnis zu erzielen und andererseits eine schädliche Aufbauproduktbildung zu verhindern, wird die Zugabe von Aufkohlungsgas oberflächenabhängig vorgegeben, was eine entsprechend genaue Bestimmung der Chargenoberfläche voraussetzt und außerdem verschiedene Rezepte für unterschiedlich große Bauteilchargen nach sich zieht.Finally has one proposed the litigation to control on the basis of a recipe, whereby the recipe parameters by means of Simulation programs calculated before the start of the carburizing process (D4: Graves, W .: Dr. Ing. Diss. 2002). On the one hand, a uniform carburizing result to achieve and on the other hand a harmful building product formation to prevent the addition of carburizing gas is given surface dependent, which requires a correspondingly accurate determination of the batch surface and also different recipes for different sizes Component batches entails.

Es ist also bekannt, dass es einen grundsätzlichen Zusammenhang zwischen dem übertragbaren Kohlenstoffmassenstrom und dem Randkohlenstoffgehalt gibt.It So it is known that there is a fundamental relationship between the transferable carbon mass flow and the marginal carbon content.

Es gibt jedoch keine Hinweise darauf, die Menge des zugeführten Kohlenstoffträgers der Kohlenstoffaufnahmefähigkeit der Bauteiloberfläche während des Aufkohlungsvorgangs anzupassen und darüber den Verbrauch an Kohlenstoff-trägern, sowie die Bildung von schädlichen Aufbauprodukten zu minimieren.It However, there are no indications that the amount of carbon carrier supplied Carbon absorption capacity the component surface while to adjust the carburization process and the consumption of carbon carriers, as well as the formation of harmful Minimize build-up products.

Schließlich gibt es auch keine Hinweise, die auf die Möglichkeit einer automatischen Regelung der Menge des zuzuführenden Kohlenstoffträgers eingehen.Finally there There is also no evidence pointing to the possibility of an automatic Control of the amount of supplied Carbon support received.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die geeignet sind, durch Anpassung der Aufkohlungsgasmenge (des Aufkohlungsgasflusses in l/h) an die Kohlenstoffaufnahmefähigkeit der Bauteile die Prozessdauer zu verkürzen, den Verbrauch an Aufkohlungsgas zu reduzieren, die schädliche Aufbauproduktbildung (Ruß, Teer) und den damit verbundenen Wartungsaufwand zu reduzieren und die Höhe der schädlichen Emissionen zu verringern.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus capable of shortening the process time by adjusting the amount of carburizing gas (the carburizing gas flow in l / h) to the carbon capacity of the components, the consumption of carburizing gas to reduce harmful build-up (soot, tar) and associated maintenance and to reduce levels of harmful emissions.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem der Kohlenstoffmassenstrom zu Beginn der Aufkohlungsphase hoch bemessen und die in der Ofenatmosphäre oder im Abgas herrschende Konzentration von Wasserstoff und/oder Acetylen und/oder Gesamtkohlenstoff gemessen und danach der Kohlenstoffmassenstrom entsprechend abgesenkt wird.These Task is achieved by solved a method in which the mass flow of carbon at the beginning of the carburizing phase high and the prevailing in the furnace atmosphere or in the exhaust gas Concentration of hydrogen and / or acetylene and / or total carbon measured and then lowered the carbon mass flow accordingly becomes.

Durch die kontinuierliche Messung der Aufkohlungsatmosphäre bzw. des Abgases wird der Aufkohlungsgasfluss automatisch derart geregelt, dass sich stets ein minimaler Überschuss an Aufkohlungsgas, entsprechend der gerade vorliegenden Kohlenstoffaufnahmefähigkeit des Werkstoffes einstellt, wobei keine manuelle Anpassung an sich wechselnde Bauteiloberflächen erforderlich und eine automatische Prozessqualitätskontrolle möglich ist.By the continuous measurement of the carburizing atmosphere or of the exhaust gas, the carburizing gas flow is automatically controlled in such a way that that there is always a minimal surplus carburizing gas, according to the currently available carbon absorption capacity of the material sets, with no manual adjustment per se changing component surfaces required and automatic process quality control is possible.

Erfindungsgemäß gelangt eine Vorrichtung zum Einsatz, bei der in die die Vakuumpumpe mit dem Vakuumofen verbindende Saugleitung ein Sensor zum Messen des Wasserstoff- oder Acetylen- oder Kohlenstoffanteils, beispielsweise ein Massenstromspektrometer, eingeschaltet ist, dessen Signal in einen Rechner und/oder Signalverstärker einfließt, der seinerseits ein in die die Gasversorgung mit der Ofenkammer verbindende Gaszufuhrleitung eingeschaltetes Dosierventil steuert.Arrives according to the invention a device for use, in which the vacuum pump with the vacuum furnace connecting suction line a sensor for measuring the Hydrogen or acetylene or carbon moiety, for example a mass flow spectrometer is turned on whose signal is in a computer and / or signal amplifier flows, the in turn, in the connecting the gas supply with the furnace chamber Gas supply line switched dosing valve controls.

Die Erfindung lässt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen rein schematisch dargestellt und zwar zeigenThe Invention leaves the most different execution possibilities to; one of them is in the attached one Drawings purely schematically shown and indeed show

1 ein Diagramm des Kohlenstoffmassenstroms bei der Vakuumaufkohlung, 1 a diagram of the carbon mass flow in the vacuum carburizing,

2 ein Diagramm des Randkohlenstoffgehalts über der Zeit, 2 a graph of the marginal carbon content over time,

3 die Zugabe an Kohlenstoffträgergas während des Aufkohlungsprozesses, 3 the addition of carbon carrier gas during the carburizing process,

4 die Konzentration von Wasserstoff und Acetylen im Abgas während der Vakuumaufkohlung, 4 the concentration of hydrogen and acetylene in the exhaust gas during vacuum carburization,

5 das Schema einer Vorrichtung mit Kohlenstoffträgerregelung. 5 the scheme of a device with carbon support control.

Die Vakuumaufkohlung metallischer Werkstücke unter Verwendung von Acetylen als Kohlenstoffspender läuft hauptsächlich über folgende Reaktionsgleichung ab: C2H2 → 2 C + H2 The vacuum carburizing of metallic workpieces using acetylene as a carbon donor proceeds mainly via the following reaction equation: C 2 H 2 → 2 C + H 2

Die Acetylenspaltung findet überwiegend an der Oberfläche der aufkohlenden Werkstücke statt. Der frei werdende Kohlenstoff diffundiert in die Werkstücke, der entstehende Wasserstoff verbleibt in der Atmosphäre und verhält sich chemisch inert. Die Menge an Kohlenstoff, die das Werkstück pro Zeiteinheit aufnehmen kann hängt u.a. von der Kohlenstoffrandkonzentration des Werkstückes ab. Mit zunehmender Aufkohlungsdauer verringert sich der Kohlenstoffmassenstrom in das Werkstück, da die Kohlenstoffrandkonzentration stetig zunimmt (siehe hierzu 1).The acetylene cleavage takes place predominantly on the surface of the carburizing workpieces. The released carbon diffuses into the workpieces, the resulting hydrogen remains in the atmosphere and behaves chemically inert. The amount of carbon that the workpiece can absorb per unit of time depends, inter alia, on the carbon edge concentration of the workpiece. As the carburization time increases, the carbon mass flow into the workpiece decreases as the carbon edge concentration steadily increases (see 1 ).

Hat der Randkohlenstoffgehalt während der Aufkohlung eine werkstoff- und temperaturabhängige Sättigungsgrenze erreicht, wird die Kohlenstoffzufuhr unterbrochen und es schließt sich eine Diffusionspause an, während der der Randkohlenstoffgehalt wieder absinkt, da der Kohlenstoff ins Werkstoffinnere diffundiert. Dies hat zur Folge, dass der Kohlenstoffmassenstrom in das Werkstück zu Beginn des anschließenden Kohlungsschrittes wieder größer ist als am Ende des vorherigen Kohlungsschrittes (siehe hierzu 2).If the marginal carbon content has reached a material- and temperature-dependent saturation limit during carburization, the carbon supply is interrupted and a diffusion pause follows, during which the marginal carbon content decreases again as the carbon diffuses into the material interior. This has the consequence that the carbon mass flow into the workpiece at the beginning of the subsequent Kohlungsschrittes again greater than at the end of the previous Kohlungsschrittes (see 2 ).

Um diese Zusammenhänge vorteilhaft auszunutzen, wird erfindungsgemäß die zuzuführende Kohlenwasserstoffmenge während der Kohlungspulse so variiert, dass sie der aktuellen Aufnahmefähigkeit des Werkstoffes angepasst ist.Around these relationships advantageous to exploit, according to the invention, the amount of hydrocarbon to be supplied while The carbonation pulses are varied so that they reflect the current receptivity of the material is adjusted.

In einem Ausführungsbeispiel wurde eine Charge Getrieberäder aus 20 MoCr 4 mit Acetylen als Aufkohlungsgas bei einer Temperatur von 935 °C auf eine AT (0,35 % C) von 0,6 mm nach dem bisherigen Stand der Technik (Verfahren A) und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Verfahren B) vakuumaufgekohlt. Im ersten Fall erfolgte die Zugabe von Acetylen gepulst, wobei während der gesamten Aufkohlungsphase ein konstanter Acetylenfluss vorgewählt wurde. Die Höhe des Acetylenflusses wurde dabei so eingestellt, dass er der mittleren Aufnahmefähigkeit der Werkstücke über der gesamten Kohlungsdauer entsprach. In einem zweiten Versuch (Verfahren B) wurden unter Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens der Kohlenstoffmassenstrom zu Beginn der Aufkohlungsphase sehr hoch gewählt, danach aber in Stufen abgesenkt und damit der Kohlenstoffaufnahmefähigkeit der Bauteiloberflächen angepasst (siehe 2).In one embodiment, a batch of 20 MoCr 4 gears with acetylene as the carburizing gas at a temperature of 935 ° C. was added to an AT (0.35% C) of 0.6 mm in the prior art (Method A) and after process according to the invention (process B) vacuum carburized. in the In the first case, the addition of acetylene was pulsed, with a constant acetylene flow being preselected throughout the carburization phase. The height of the Acetylenflusses was adjusted so that it corresponded to the average absorption capacity of the workpieces over the entire carbon duration. In a second experiment (method B), the carbon mass flow was chosen to be very high at the beginning of the carburizing phase using the proposed method, but then lowered in stages and thus adapted to the carbon absorption capacity of the component surfaces (see 2 ).

Die nachstehende Tabelle zeigt einen Vergleich der beiden Versuche. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens konnten bei gleichem Bauteilergebnis der Kohlungsgasverbrauch reduziert, die Kohlenstoffausbeute erhöht und damit die Emissionen und Aufbauprodukte minimiert werden (3).The table below shows a comparison of the two experiments. By using the method according to the invention, it was possible with the same component result to reduce the consumption of coal gas, to increase the carbon yield and thus to minimize emissions and build-up products ( 3 ).

Figure 00060001
Figure 00060001

Wie vorstehend beschrieben, findet die Zersetzung des Acetylens an der Werkstückoberfläche näherungsweise nur in dem Maße statt, wie auch Kohlenstoff vom Werkstück aufgenommen wird. Bei den üblicherweise verwendeten Ofengeometrien und Prozessführungen ist zudem die Gasverweilzeit hinreichend klein, so dass ein großer Anteil des sich nicht an der Werkstückoberfläche zersetzenden Acetylens stabil bleibt und in der Ofenatmosphäre bzw. im Abgas nachweisbar ist (4). Demzufolge stammt auch der Hauptanteil des in der Ofenatmosphäre bzw. im Abgas vorhandenen Wasserstoffs nur aus der Spaltreaktion an der Werkstückoberfläche. Damit existiert ein Zusammenhang zwischen der aktuellen Gaszusammensetzung und dem zu diesem Zeitpunkt vom Werkstück aufgenommenen Kohlenstoffmassenstrom bzw. dem Kohlenstoffaufnahmevermögen des Werkstücks, wie in 2 dargestellt. Die Gaszusammensetzung kann nun zur Regelung des zugegebenen Acetylenvolumenstroms herangezogen werden, so dass der Volumenstrom an zugegebenem Acetylen zu jedem Zeitpunkt des Kohlungsschrittes gerade so groß ist, wie Kohlenstoff vom Werkstück aufgenommen werden kann.As described above, the decomposition of the acetylene on the workpiece surface takes place approximately only to the extent that carbon is taken up by the workpiece. Moreover, in the case of the furnace geometries and process guides commonly used, the gas residence time is sufficiently small that a large proportion of the acetylene which does not decompose on the workpiece surface remains stable and can be detected in the furnace atmosphere or in the exhaust gas ( 4 ). Consequently, the majority of the hydrogen present in the furnace atmosphere or in the exhaust gas originates only from the cleavage reaction on the workpiece surface. Thus, there exists a relationship between the current gas composition and the carbon mass flow rate absorbed by the workpiece at this time, or the carbon uptake capacity of the workpiece, as in FIG 2 shown. The gas composition can now be used to control the added Acetylenvolumenstroms, so that the volume flow of added acetylene at any time of Kohlungsschrittes is just as large as carbon can be absorbed by the workpiece.

Als Eingangsgrößen für die Regelung des Acetylenvolumenstroms werden die in-situ in der Ofenatmosphäre bzw. im Abgas gemessenen Konzentrationen folgender Spezies verwendet:
Wasserstoff und/oder
Acetylen und/oder
Gesamtkohlenstoff.The input variables for the control of the acetylene volume flow are the concentrations of the following species measured in situ in the furnace atmosphere or in the exhaust gas:
Hydrogen and / or
Acetylene and / or
Total carbon.

Die Auswahl der für die Regelung am besten geeigneten Eingangsgröße richtet sich u.a. nach der Prozessführung und der vom Anlagentyp abhängigen geeigneten Messmethode.The Selection of for the control of the most suitable input variable depends i.a. after Litigation and the dependent on the asset type suitable measuring method.

Aufgrund der sich ständig ändernden Kohlenstoffmassenströme in das Werkstück musste bisher immer mit einem mehr oder weniger großen Überschuss an Acetylen aufgekohlt werden, um Prozesssicherheit zu gewährleisten. Die Verwendung von Acetylen im Überschuss führt jedoch zu folgenden Nachteilen:

  • – vermehrte Aufbauproduktbildung (Ruß),
  • – höhere Emissionen von Luftschadstoffen,
  • – höheren Acetylenverbrauch.
Due to the constantly changing carbon mass flows into the workpiece, it has always been necessary to carburize with a more or less large excess of acetylene in order to ensure process reliability. However, the use of acetylene in excess leads to the following disadvantages:
  • - increased building product formation (soot),
  • - higher emissions of air pollutants,
  • - higher acetylene consumption.

Claims (2)

Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen, wobei die Atmosphäre einen Kohlenstoffträger enthält, der unter den Prozessbedingungen der Aufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Acetylenvolumenstrom zu Beginn der Aufkohlungsphase hoch bemessen und die in der Ofenatmosphäre oder im Abgas herrschende Konzentration von Wasserstoff und/oder Acetylen und/oder Gesamtkohlenstoff gemessen und danach der Acetylenvolumenstrom entsprechend abgesenkt wird.Method for carburizing metallic workpieces in a vacuum furnace, wherein the atmosphere contains a carbon support which is split under the process conditions of carburization with release of pure carbon, characterized in that the acetylene volume flow at the beginning of the Aufkohung tion phase high and the prevailing in the furnace atmosphere or in the exhaust gas concentration of hydrogen and / or acetylene and / or total carbon measured and then the Acetylenvolumenstrom is lowered accordingly. Vorrichtung zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen, wobei die Atmosphäre einen Kohlenstoffträger enthält, der unter den Prozessbedingungen der Aufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in die die Vakuumpumpe mit dem Vakuumofen verbindende Saugleitung ein Sensor zum Messen des Wasserstoff- oder Acetylen- oder Kohlenstoffanteils, beispielsweise ein Massenspektrometer, eingeschaltet ist, dessen Signal in einen Rechner und/oder Signalverstärker einfließt der seinerseits ein in die Gasversorgung mit der Ofenkammer verbindende Gaszufuhrleitung eingeschaltetes Dosierventil steuert.Device for carburizing metallic workpieces in one Vacuum oven, the atmosphere a carbon carrier contains under the process conditions of carburization with delivery of cleaved by pure carbon, characterized in that the suction line connecting the vacuum pump to the vacuum furnace a sensor for measuring the hydrogen or acetylene or carbon content, For example, a mass spectrometer is turned on, whose Signal in a computer and / or signal amplifier flows in turn a connected in the gas supply to the furnace chamber gas supply line switched on Dosing valve controls.
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