DE2450750B2

DE2450750B2 - Verfahren und anordnung zur aufkohlung der randschichten metallischer werkstuecke

Info

Publication number: DE2450750B2
Application number: DE19742450750
Authority: DE
Inventors: Fritz 6751 Weilerbach Plank
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: Adam Opel GmbH
Priority date: 1974-10-25
Filing date: 1974-10-25
Publication date: 1976-12-09
Also published as: DE2450750A1

Description

Aufkohlungsverfahren der eingangs erläuterten Art dadurch gelöst, daß das Aufkohlungsgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in den Ofenraum geblasen wird. Hierdurch werden günstige Bedingungen für das Eindringen des Kohlenstoffs an der Werkstückoberfläehe geschaffen durch Beseitigung der dort unerwünschten CO₂ und H₂O Ablagerungen, so daß ohne Erhöhung des C-Angebotes, das vorhandene Angebot rascher und zuverlässiger in die Werkstückoberfläche eindiffundieren kann.

Es ist zwar ein mit Hilfe von Plasmastrahlen durchgeführtes Schnellaufkohlungsverfahren bekannt (DT-OS 19 21 913), bei dem die von dem Plasmastrahl erzeugte Wärme zur Erzeugung einer reaktionsfähigen Aufkohlungssubstanz verwendet wird und bei dem das Aufkohlungsgut (Werkstücke) einzeln im Durchlaufverfahren von zwei Plasmabrennern mit Plasmastrahlen einer Geschwindigkeit von etwa 1000 m/s beaufschlagt wird. Dieses mit hocherhitztem Plasmagas, z. B. aus Helium oder Argon, betriebene A'ifkohlungsverfahren konnte sich wegen zu hoher Kosten, insbesondere durch die verwendeten Edelgase in der Praxis mindestens für die Einsatzhärtung bei Aufkohlungstiefen von 1 mm und darüber nicht durchsetzen. Ein unter der Bezeichnung Ionitrieren modifiziertes ähnliches ausschließlich mit Stickstoff als Plasmagas betriebenes Verfahren ist z. B. von der Sägezahnoberflächenhärtung bei Sägeblättern bekannt, gestattet jedoch keine unmittelbare Kernbeeinflussung und Kernhärtung des Aufkohlungsgutes. Die verfahrensbedingte Aufkohlung immer nur eines einzelnen Werkstückes im Durchlaufverfahren bedeutet außerdem einen unwirtschaftlich geringen Ofendurchsatz und macht schließlich das Verfahren auch ungeeignet für das Aufkohlen von Werkstücken mit geometrisch unregelmäßig ausgebildeten Oberflächen.

Nach einer weiteren Erfindungsgemäßen Alternativlösung hat sich ein Verfahren der eingangs erläuterten Art in d?r Praxis bei Trommelofen bewährt, dadurch, daß das Aufkohlungsgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in den Ofenraum geblasen wird und das Aufkohlungsgut umströmt und daß die Ofenatmosphäre ständig analysiert und durch eine Regelvorrichtung die Zusammensetzung des eingeblasenen Aufkohlungsgases selbsttätig gesteuert wird. Es wird hierbei eine gleichmäßigere Durchmischung der gesamten Ofenatmosphäre, insbesondere hinsichtlich der Kohlenwasserstoffe herbeigeführt, wodurch die an den Oberflächen des Aufkohlungsgutes stattfindenden Reaktionen unterstützt und sich bildende Reaktionsprodukte (CO₂) ständig weggespült und neue, pro Zeiteinheit vermehrte Reaktionen ermöglicht werden. Infolgedessen kann eine raschere Anreicherung der Aufkohlungsflächen mit Kohlenstoff stattfinden, was schließlich die Aufkohlungszeit bei unverändertem Ofendurchsatz herabsetzt. Eine im Bereich von Schallgeschwindigkeit, vorteilhaft liegende je nach gewünschter Aufkohltiefe zwischen 300 m/s und 400 m/s Einblasgeschwindigkeit des Aufkohlungsgases verhindert ferner eine vermehrte Kohlenstoffabscheidung an der Chrom-Nickel-Trommel des Ofens.

Aus der DT-AS 19 18 923 ist zwar ein Aufkohlungsverfahren in einem Wärmebehandlungsofen bekann·, bei dem auch die Ofenatmosphäre analysiert und entsprechend eine definierte Zugabe kohlenstoffhaltiger Verbindungen möglich ist; eine bloße Übertragung auf Trommelofen ist indessen nicht möglich, weil sie wegen der geringen Einblasgeschwindigkeit zu den vorstehend geschilderten Mangeln, insbesondere erhöhter Verschleißgefahr der Chrom-Nickelstahl-Trommel, führen würde.

Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann das Aufkohlungsgas axial in den Trommelofen sowie die Trommel und in Richtung des durch die Trommel bewirkten Transports des Kohlungsgutes geleitet werden. Dadurch wird eine gerichtete und erhöhte Gasströmung im Ofeninnern bewirkt, und es wird die gleichmäßigere Durchmischung der gesamten Ofenatmosphäre günstig beeinflußt Hierzu kann als Anordnung erfindungsgemäß mit Vorteil eine Gasdruckleitung für das Aufkohlungsgas dienen, die durch die Außenstirnwand sowie die Trommelstirnwand hindurch in das Trommelinnere geführt ist, und an ihrem freien Ende eine Düse trägt.

Außerdem kann in weiterer Ausbildung in die Gasdruckleitung zur Erzeugung der Einblasgeschwindigkeit ein Kompressor geschaltet sein, dem ein Kontaktmanometer zur Überwachung des Gasdruckes in der Versorgungsleitung vorgeschaltet ist, welches bei Druckverlust den Kompressor selbsttätig ausschaltet.

Der durch den Kompressor erhöhte Druck des Aufkohlungsgases in Verbindung mit der Einblasdüse bewirkt schließlich die Einströmgeschwindigkeit des Gases im Schallbereich, wodurch das in der Trommel bewegte Aufkohlungsgut gleichmäßig vom Aufkohlungsgas umspült wird. Die hohe Einströmgeschwindigkeit des Aufkohlungsgases macht ferner mechanische Umwälzvorrichtungen, wie sie insbesondere bei bekannten Aufkohlungsöfen ohne Trommel (Herdstoßöfen u. dgl.) für eine gleichmäßige Ofenatmosphäre unerläßlich sind, entbehrlich und somit die gesamte Anordnung weniger störanfällig und wartungsintensiv.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Trommelofen schließlich mit einer an sich bekannten Gasentnahmevorrichtung zur Gasanalyse ausgerüstet sein, welche an der der Einblasdüse gegenüberliegenden Stirnwand des Trommelofens axial diese mit einem Saugrohr durchdringend angeordnet ist, wobei das Saugrohr vorteilhaft an ein an sich bekanntes Gasanalysengerät angeschlossen sein kann, welches entsprechend den Meßwerten der Ofenatmosphäre in der Gasdruckleitung angeordnete Stellventile steuert derart, daß der erforderliche Randkohlenstoffgehalt des Aufkohlungsgases selbsttätig aufrechterhalten wird.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung und der anschließenden Erläuterung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Trommelofen teilweise schematisch im Längsschnitt einschließlich der Versorgungs-, Überwachungs- und Regeleinrichtungen,

Fig.2 den Trommelofen schematisch in Vorderansicht,

Fi g. 3 den Ofen-Beschickungsbehälter in vergrößerter Darstellung im Querschnitt nach einem Ausschnitt A in Fig. 1 und

F i g. 4 einen Schnitt nach Linie 1V-1V in F i g. 3.

Der auf dem Fundament 1 mit seinem Gestell 2 verankerte Trommelofen besteht im wesentlichen aus einem Ofenmantel 3 mit feuerfester Auskleidung 4 und einer in den Ofenstirnwänden 5, 6 drehbar gelagerten Trommel 7 aus Chrom-Nickelstahl. Der nach außen hin gasdichte Ofeninnenraum wird durch in der Auskleidung 4 gehalterte, quer den Ofeninnenraum durchdringende gasbeheizte Heizrohre 8 indirekt auf eine

Ofentemperatur von ca. 930⁰C aufgeheizt. Die das Aufkohlungsgut bildenden Werkstücke werden automatisch aus einem Behälter 9 über eine Fördereinrichtung 10 mit Zuführrutsche 11 in einen Beschickungsbehälter

12 für die Trommel gefördert, welcher von Zeit zu Zeit mittels eines nicht näher dargestellten hydraulischen Antriebs durch eine Schleuse 5 in den Ofeninneraum und in die an ihrer vorderen Stirnwand mit einer öffnung versehene Trommel bewegt und in diese entleert wird, so daß die Werkstücke auf einer innerhalb der Trommel befindlichen schraubenförmigen Führung

13 bei langsamer durch eine Antriebseinheit 14 über einen Kettentrieb 15 bewirkter Drehung der Trommel durch den Ofenraum gelangen, sich erhitzen und am anderen Trommelende durch Öffnungen 16 in der Trommelwand in einen Trichter 17 fallen, um zur weiteren Wärmebehandlung, z. B. in ein nicht näher dargestelltes ölabschreckbad, zu gelangen.

Das Aufkohlungsgas wird durch ein in der vorderen Stirnwand 5 des Ofens abdichtend innerhalb der _J0 Schleuse für den Beschickungsbehälter 12 angeordnetes Rohr 18, das an seinem freien in die Trommel hineinragenden Ende eine Düse 19 aufweist, in das Trommel- und somit Ofeninnere mit einer Einströmgeschwindigkeit von etwa 330 m/s eingeblasen. Das aus einem durch die Versorgungsleitungen 20, 21 strömenden Trägergas und Propangas gebildete Aufkohlungsgas wird durch ein in der Propangasleitung 21 befindliches, von einem elektrischen Stellmotor 22 betätigtes Steuerventil 23 gemischt und in seinem Mischungsverhältnis den sich ändernden Bedingungen der Ofenatmosphäre im Betrieb mit Hilfe einer Gasanalyse laufend und selbsttätig angepaßt Das derart in der Leitungsverzweigung 24 gemischte Aufkohlungsgas wird über ein Kontaktmanometer 25, zur Vermeidung von Unterdruck einem Kompressor 26 zugeführt, welcher das Aufkohlungsgas auf den zur Erzielung der Ausströmgeschwindigkeit aus der Düse 19 erforderlichen hohen Druck verdichtet. Mit 27 ist ein Umlaufregler bezeichnet, der den Kompressorkreislauf bei Leitungsunterdruck kurzschließt und mit 28 und 29 sind je ein Strömungsmesser für das Träger- bzw. Propangas bezeichnet. Absperrventile 30, 31 komplettieren die gesamte Anlage.

Die Gasanalyse zur Regelung und Steuerung der Ofenatmosphäre erfolgt mit Hilfe eines bekannten und daher in diesem Rahmen nicht näher zu beschreibenden Gas-Spektralanalysengerätes. Zu diesem Zweck wird über ein axial an der Ofenstirnseite 6 in das Ofeninnere eingeführtes Rohr 32 mit einer Meßsonde 33 durch eine Membranpumpe 34 Aufkohlungsgas aus dem Ofeninnern abgesaugt, welches über eine Leitung 35 dem Analysengerät 36 zugeführt wird. Dort wird das entnommene Gas mittels Infrarot spektralanalysiert, d. h. sein Spektrum mit dem Sollspektrum eines CO₂-Gases verglichen und eine evtl. Abweichung festgestellt, die als Regelgröße über eine elektrische Leitung 37 dem Stellmotor 22 zur Betätigung des Steuerventils 23 und damit zur Veränderung des Propangasanteils im Aufkohlungsgas übermittelt wird.

Nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein aus einem Trägergas der Menge 27 mVh unter Beimischung von Propangas der Menge 100 bis 450 Nl/h bestehendes Aufkohlungsgas durch den Kompressor 26 so verdichtet, daß es durch die Düse 19 mit einem Öffnungsdurchmesser von 7 mm mit einer Geschwindigkeit von 330 m/s in das Ofeninnere eingeblasen wird. Die Ofentemperatur beträgt 920⁰C. Über die automatische Trommelbeschikkung werden Lagerbüchsen von 27 mm Außendurchmesser und 20 mm Höhe in die Trommel 7 gefördert, die aus Baustahl nach SAE 5015 der folgenden Zsuammensetzung bestehen: 0,17% C; 0,5% Mn; 0,5% Cr; 035% Si. Bei einer Ofendurchlaufzeit von etwa 9,5 Std. wird eine Einsatztiefe von 1,2 mm bei einem Ofendurchsatz von etwa 975 Stück/Stunde erzielt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

¥.569

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufkohlung der Randschichten metallischer Werkstücke durch ein als Kohlenstoffträger dienendes Aufkohlungsgas zum Zwecke der Oberflächenhärtung, bei dem die Werkstücke in einem Ofen auf Kohlungstemperatur geglüht und vom Aufkohlungsgas umströmt werden, wobei die Ofenatmosphäre ständig analysiert und durch eine Regelvorrichtung die Zusammensetzung des eingeblasenen Aufkohlungsgases selbsttätig gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufkohlungsgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in den Ofenraum geblasen wird.

2. Verfahren zur Aufkohlung der Randschichten metallischer Werkstücke durch ein als Kohlenstoffiräger dienendes Aufkohlungsgas zum Zwecke der Oberflächenhärtung, bei dem die Werkstücke in einem Trommelofen auf Kohlungstemperatur ge glüht und in einer Trommel aus hochhitzebeständigern. Chromnickelstahl, vom Aufkohlungsgas umströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufkohlungsgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in den Ofenraum geblasen wird und das Aufkohlungsgut umströmt und daß die Ofenatmo-Sphäre ständig analysiert und durch eine Regelvorrichtung die Zusammensetzung des eingeblasenen Aufkohlungsgases selbsttätig gesteuert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasgeschwindigkeit des Aufkohlungsgases in den Ofen 300 m/s bis 400 m/s beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufkohlungsgas axial in den Trommelofen, sowie die Trommel und in Richtung des durch die Trommel bewirkten Transports des Aufkohlt) ngsgutes geleitet wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasdruckleitung (18) für das Aufkohlungsgas durch die Außenstirnwand (5) des Trommelofens sowie die Trommelstirnwand hindurch in das Trommelinnere (7) geführt ist, welche an ihrem freien Ende eine Düse (19) trägt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Gasdruckleitung (18) zur Erzeugung der Einblasgeschwindigkeit ein Kompressor (26) geschaltet ist, dem ein Kontaktmanometer (25) zur Überwachung des Gasdruckes in der Versorgungsleitung vorgeschaltet ist, welches bei Druckverlust den Kompressor selbsttätig ausschaltet.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trommelofen mit einer Gasentnahmevorrichtung (32, 33, 34) zur Gasanalyse ausgerüstet ist, welche an der der Einblasdüse (19) gegenüberliegenden Stirnwand (6) des Trommelofens axial diese mit einem Saugrohr (32) durchbringend angeordnet ist.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr (32) an ein Gasanalysengerät (36) angeschlossen ist, welches entsprechend den Meßwerten der Ofenatmosphäre ein in der Gasdruckleitung (18) angeordnetes Stellventil (22, 23) steuert derart, daß der erforderliehe Randkohlenstoffgehalt des Aufkohlungsgases selbsttätig aufrechterhalten wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Anordnung zur Aufkohlung der Randschichten metallischer Werkstücke durch ein als Kohlenstoffträger dienendes Aufkohlungsgas zum Zwecke der Oberflächenhärtung, bei dem die Werkstücke in einem Ofen auf Kohlungstemperatur geglühlt und vom Aufkohlungsgas umströmt werden, wobei außer bei Trommelofen die Ofenatmosphäre ständig analysiert und durch eine Regelvorrichtung die Zusammensetzung des eingeblasenen Aufkohlungsgases selbsttätig gesteuert wird.

Bei bekannten Verfahren und Anordnungen dieser Art wird das Aufkohlungsgas nahezu drucklos durch normale Rohrleitungen in das Ofeninnere zu dem Aufkohlungsgut (Werkstücke) geleitet, wo der Aufkohlungsprozeß durch Diffusion von Kohlenstoff aus dem Aufkohlungsgas in die Oberfläche des Aufkohlungsgutes stattfindet. Es ist auch ein Durchlaufofen für das Härten von Werkstücken bekannt (DT-PS 15 21586) bei dem zur Erzeugung einer gewissen Strömung des Aufkohlungsgases ein Gebläserad in einer durch Muffel bewirkten Umwälzströmung dient. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß zufolge ungenügender Strömungsgeschwindigkeit die Tiefe der Einsatzschicht am aufzukohlenden Gut und damit die spätere Einhärtetiefe bezogen auf eine bestimmte Zeiteinheit beschränkt ist. Mit anderen Worten: Eine relativ große Tiefe der Einsatzschicht läßt sich nur mit großem Zeitaufwand erreichen. Dies erklärt sich u. a. dadurch, daß bei der Kohlenstoffdiffusion das in dem Aufkohlungsgas vorhandene Kohlenmonoxyd (CO) sich aufspaltet in Kohlenstoff (C), welcher in das Aufkohlungsgut eindiffundiert und in Sauerstoff (O), welcher sich wiederum mit Wasserstoff (H₂) zu Wasser (H₂O) mit CO zu Kohlendioxyd (CO₂) verbindet. CO₂ und H₂O umlagern das Aufkohlungsgut und verhindern, daß CO aus dem nachströmenden frischen Aufkohlungsgas an die Werkstückoberfläche gelangen kann. Zusätzlich wird aber auch schon beim Eintritt des Aufkohlungsgases in den Ofen durch Oxydation CO in wirkungsloses CO2 umgesetzt, welches ebenfalls eine Barriere (Schutzwall) um das Gut herum errichtet.

Ein weiterer Nachteil vornehmlich bei öfen, die eine Trommel oder Retorte aus hochhitzebeständigem Chromnickelstahl besitzen, besteht darin, daß aufgrund der katalytischen Wirkung des Chrom-Nickels, zu dem der Kohlenstoff eine höhere Affinität besitzt als zum Aufkohlungsgut, an den Chrom-Nickel-Wandungen Kohlenstoff ausfällt und sich in Form von Ruß absetzt, somit dem eigentlichen Aufkohlungsprozeß verlorengeht. Hierdurch ergeben sich höchst unkontrollierbare und ungenaue Aufkohlungszustände am Aufkohlungsgut, was zu Schwankungen im prozentualen Randkohlenstoffgehalt und damit zu Qualitätsunterschieden führt. Ferner ist dadurch eine automatische Überwachung und Regelung der Aufkohlungsatmosphäre im Ofen mit hinreichender Genauigkeit nicht möglich.

Durch die Erfindung sollen die geschilderten Nachteile vermieden und ein Aufkohlungsverfahren mit Anordnung der eingangs erläuterten Art geschaffen werden, welches in einer bestimmten Zeiteinheit eine Erhöhung der Einsatztiefe oder bei gleichbleibender Einsatztiefe einen erhöhten Ofen-Durchsatz gestattet sowie insbesondere bei Trommelofen eine automatische Überwachung der Ofenatmosphäre verbunden mit einer selbsttätigen Regelung zur Änderung der Zusammensetzung des einströmenden Aufkohlungsgases gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein