DE2450750C3 - Method and arrangement for carburizing the surface layers of metallic workpieces - Google Patents
Method and arrangement for carburizing the surface layers of metallic workpiecesInfo
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Description
Aufkohlungsverfahren der eingangs erläuterten Art dadurch gelöst, daß das Aufkohlungsgns mit mindestens Schallgeschwindigkeit in den Ofenraum geblasen wird. Hierdurch werden günstige Bedingungen für das Eindringen des Kohlenstoffs an der Werkstückobarfläehe 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.Carburizing process of the type explained at the outset is achieved in that the carburizing process has at least The speed of sound is blown into the furnace chamber. This creates favorable conditions for the Penetration of carbon on the workpiece surface created by removing the unwanted CO2 and H2O deposits there, so that without any increase of the C offer, diffuse the existing offer faster and more reliably into the workpiece surface can.
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 Aufkohlungsverfahren 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 loritrieren 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.A rapid carburizing process carried out with the aid of plasma jets is known (DT-OS 19 21 913), in which the heat generated by the plasma jet to generate a reactive Carburizing substance is used and in which the material to be carburized (workpieces) is carried out individually in a continuous process charged by two plasma torches with plasma jets at a speed of about 1000 m / s will. This with highly heated plasma gas, z. B. from helium or argon, operated carburizing process could be due to high costs, in particular due to the noble gases used in practice at least for case hardening does not enforce at carburization depths of 1 mm and above. One under the label loritriding modified similar items exclusively with Nitrogen as a plasma gas operated process is z. B. from the sawtooth surface hardening in saw blades known, but does not allow any direct influence on the core or hardening of the core of the material to be carburized. the Process-related carburization only ever means a single workpiece in a continuous process in addition, an uneconomically low furnace throughput and ultimately also does the process unsuitable for carburizing workpieces with geometrically irregular surfaces.
Nach einer weiteren Erfindungsgemäßen Alternativlösung hat sich ein Verfahren der eingangs erläuterten Art in der 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 Aufkohiungsflächen 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.According to a further alternative solution according to the invention, a method has become that explained at the beginning Kind of proven in practice with drum furnaces, in that the carburizing gas with at least the speed of sound is blown into the furnace chamber and flows around the material to be carburized and that the furnace atmosphere constantly analyzed and controlled by a control device, the composition of the injected carburizing gas is controlled automatically. This results in a more even mixing of the entire furnace atmosphere, in particular with regard to the hydrocarbons brought about, thereby reducing the on the surfaces of the carburized material supports the reactions taking place and the reaction products (CO2) constantly washed away and new reactions that increase per unit of time are made possible. As a result, a more rapid enrichment of the carburizing surfaces with carbon take place, which ultimately leads to the carburizing time decreases with unchanged furnace throughput. One in the range of the speed of sound, advantageous depending on the desired carburizing depth between 300 m / s and 400 m / s injection speed of the carburizing gas also prevents increased carbon deposition on the chrome-nickel drum of the Furnace.
Aus der DT-AS 19 18 923 ist zwar ein Aufkohlungsverfahren in einem Wärmebehandlungsofen bekannt, 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 Mängeln, insbesondere erhöhter Verschleißgefahr der Chrom-Nickelstahl-Trummel, führen würde.From the DT-AS 19 18 923 is a carburizing process known in a heat treatment furnace in which the furnace atmosphere is also analyzed and accordingly a defined addition of carbon-containing compounds is possible; a mere transfer on the drum furnace is not possible because it is too low because of the low blowing speed the defects described above, in particular the increased risk of wear and tear on the chrome-nickel steel trumpets, would lead.
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 Oieninnern 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.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the carburizing gas can axially in the drum furnace as well as the drum and in the direction of the transport effected by the drum of the charred material. This creates a directed and increased gas flow inside the Oien causes, and the more even mixing of the entire furnace atmosphere is favorably influenced. For this purpose, according to the invention, a gas pressure line for the carburizing gas can advantageously be used as an arrangement serve through the outer end wall and the drum end wall into the interior of the drum is performed, and carries a nozzle at its free end.
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 Druckverliist den Kompressor selbsttätig ausschaltet.In addition, in further training, the gas pressure line can be used to generate the injection speed a compressor can be connected to which a contact manometer for monitoring the gas pressure is connected upstream in the supply line, which automatically switches off the compressor in the event of pressure loss.
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 mech? lische 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.The pressure of the carburizing gas increased by the compressor in connection with the injection nozzle finally causes the inflow velocity of the gas in the sonic range, whereby this in the drum the moving material to be carburized is evenly washed around by the carburizing gas. The high face velocity of the carburizing gas also makes mech? Lische circulation devices, as they are in particular known Carburizing furnaces without a drum (hearth pusher furnaces, etc.) for a uniform furnace atmosphere are indispensable, dispensable and thus the entire arrangement is less prone to failure and requires a lot of maintenance.
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.In a further embodiment of the arrangement according to the invention, the drum furnace can finally be equipped with a be equipped per se known gas sampling device for gas analysis, which on the injection nozzle opposite end wall of the drum furnace is arranged axially penetrating this with a suction pipe, wherein the suction pipe can advantageously be connected to a gas analyzer known per se, which controls the control valves arranged in the gas pressure line in accordance with the measured values of the furnace atmosphere such that the required surface carbon content of the carburizing gas is automatically maintained.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung und der anschließenden Erläuterung.Further details of the method according to the invention emerge from the in the drawings schematically illustrated embodiment of an arrangement according to the invention and the subsequent Explanation.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Trommelofen teilweise schematisch im Längsschnitt einschließlich der Versorgungs-, Überwachungs- und Regeleinrichtungen;Fig. 1 shows a drum furnace partially schematically in Longitudinal section including the supply, monitoring and control equipment;
Fig. 2 den Trommelofen schematisch in Vorderansicht, 2 shows the drum furnace schematically in a front view,
F i g. 3 den Ofen-BeschickungsbehäKer in vergrößerter Darstellung im Querschnitt nach einem Ausschnitt A in Fig. 1 undF i g. 3 shows the furnace loading container in an enlarged view in cross section according to a detail A in FIGS. 1 and
F i g. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV in F i g. 3.F i g. 4 shows a section along line IV-IV in FIG. 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 eineThe drum furnace anchored on the foundation 1 with its frame 2 consists essentially of a furnace jacket 3 with a refractory lining 4 and one rotatably mounted in the furnace end walls 5, 6 Drum 7 made of chrome-nickel steel. The interior of the furnace, which is gas-tight to the outside, is penetrated into the lining 4 supported, transversely penetrating the furnace interior gas-heated heating tubes 8 indirectly to a
Ofentemperatur von ca. 93O0C aufgeheizt. Die das Aufkohlungsgut bildenden Werkstücke werden automatisch aus einem Behälter 9 über eine Fördereinrichtung 10 mit Zuführrutsche 11 in einen BeschickungsbehälterOven temperature of approx. 930 0 C heated up. The workpieces forming the material to be carburized are automatically transferred from a container 9 via a conveying device 10 with a feed chute 11 into a charging container
12 für die Trommel gefördert, welcher von Zeit zu Zeil mittels eines nicht näher dargestellten hydraulischen Antriebs durch eine Schleuse S 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 Führung12 promoted for the drum, which is moved from time to line by means of a hydraulic drive, not shown, through a lock S into the furnace interior and into the drum provided with an opening on its front end wall and is emptied into this, so that the workpieces on a helical guide located inside the drum
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.13 with slower rotation of the drum caused by a drive unit 14 via a chain drive 15 pass through the furnace chamber, heat and at the other end of the drum through openings 16 in the Drum wall fall into a funnel 17 in order to be used for further heat treatment, e.g. B. in a no closer oil quenching bath shown.
Das Aufkohlungsgas wird durch ein in der vorderen Stirnwand 5 des Olens abdichtend innerhalb der 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 Ofcninncrc mit einer Einslrömgcschwindigkeit von etwa 330 m/s eingeblascn. Das aus einem durch die Versorgungsleitungen 20, 21 strömenden Trägergas und Propangas gebildete Aufkohlungsgas wird durch ein in der Propangaslcitung 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 Leilungsverzweigung 24 gemischte Aufkohlungsgas wird über ein Kontaktmanometcr 25, /ur Vermeidung von Unterdruck einem Kompressor 2b zugeführt, welcher das Aufkohlungsgas auf den zur Erzielung der Ausströmgeschwindigkeit aus der Düse 19 erforderlichen hohen Druck verdichtet. Mit 27 ist ein Umlaufrcgler bezeichnet, der den Kompressorkreislauf bei Leitungsunterclruck kurzschließt und mit 28 und 29 sind je ein Strömungsmesser für das Träger- bzw. Propangas bezeichnet. Absperrventile 30, 31 komplettieren die gesamte Anlage.The carburizing gas is through a tube 18 which is sealingly arranged in the front end wall 5 of the oil inside the sluice for the charging container 12 and which has a nozzle 19 at its free end protruding into the drum, into the drum and thus the furnace at an inflow speed of about 330 m / s blown. The carburizing gas formed from a carrier gas and propane gas flowing through the supply lines 20, 21 is mixed by a control valve 23 located in the propane gas line 21 and actuated by an electric servomotor 22 and its mixing ratio is continuously adapted to the changing conditions of the furnace atmosphere during operation with the help of a gas analysis and adapted automatically. The carburizing gas mixed in this way in the branching 24 is fed via a contact manometer 25 to a compressor 2b to avoid negative pressure, which compresses the carburizing gas to the high pressure required to achieve the outflow speed from the nozzle 19. A circulation regulator is designated by 27, which short-circuits the compressor circuit when the line is under pressure, and a flow meter for the carrier gas or propane gas is designated by 28 and 29. Shut-off valves 30, 31 complete the entire system.
Die Gasanalyse zur Regelung und Steuerung der Ofenatmosphäre erfolgt mit Hilfe eines bekannten und daher in diesem Rahmen nicht näher zu beschreibendenThe gas analysis for regulation and control of the furnace atmosphere is carried out with the help of a known and therefore not to be described in more detail in this context
ίο 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 an Aufkohlungsgas übermittelt wird.ίο gas spectral analyzer. To this end, will Via a tube 32, which is axially inserted into the furnace interior at the furnace end face 6, with a measuring probe 33 through a Membrane pump 34 sucked carburizing gas from the inside of the furnace, which via a line 35 to the Analyzer 36 is supplied. There the extracted gas is spectrally analyzed by means of infrared, d. H. its spectrum compared with the target spectrum of a CO2 gas and a possible deviation found that the servomotor 22 for actuating the Control valve 23 and thus to change the proportion of propane gas is transmitted to carburizing gas.
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 Ofeninnerc eingeblasen wird. Die Ofentemperatur beträgt 92O0C. Über die automatische Trommelbeschikkung werden Lagerbüchsen von 27 mm AuBendurchmesser und 20 mm Höhe in die Trommel 7 gefördert, die aus Baustahl nach SAE 5015 der folgenden Zsuammensctzung bestehen: 0,17% C; 0,5% Mn; 0,5% CIr; 0,35% Si. Bei einer Ofendurchlauf/.cit von etwa 9,5 Std. wird eine Einsai/.licfc von 1,2 mm bei einem Ofendurchsatz von etwa 975 Stück/Stunde erzielt.According to one embodiment of the method according to the invention, a carburizing gas consisting of a carrier gas of the amount 27 mVh with the admixture of propane gas of the amount 100 to 450 Nl / h is compressed by the compressor 26 so that it passes through the nozzle 19 with an opening diameter of 7 mm with a Speed of 330 m / s is blown into the furnace interior. The oven temperature is 0 92o C. The automatic Trommelbeschikkung are bearing bushes 27 mm AuBendurchmesser and supported 20 mm height in the drum 7, consisting of structural steel according to SAE 5015 Zsuammensctzung the following: 0.17% C; 0.5% Mn; 0.5% CIr; 0.35% Si. With an oven throughput / .cit of about 9.5 hours, an insertion / .licfc of 1.2 mm is achieved with an oven throughput of about 975 pieces / hour.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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