DE2510460A1

DE2510460A1 - Verfahren zur waermebehandlung von werkstuecken aus stahl ohne die bildung von randoxyden der legierungselemente

Info

Publication number: DE2510460A1
Application number: DE19752510460
Authority: DE
Inventors: Werner Goehring
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 1975-03-11
Filing date: 1975-03-11
Publication date: 1976-09-23
Also published as: ES445866A1; SU604503A3; SE7602587L; GB1507954A; FR2303860A1; CH599977A5; JPS51114310A; DD123352A5

Description

Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl ohne die Bildung von Randoxyden der Legierungselemente.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl ohne die Bildung von Oxyden der Legierungselemente in der oberflächennahen Randschicht (Randoxydation oder Internal Oxidation genannt) in einem Ofenraum, in den Ammoniak—Spaltgas als Ofenatmosphäre eingeführt wird. Die nachfolgend als Randoxydation bezeichnete metallurgische Beeinträchtigung der Werkstücke hat unter anderem nach dem Härten eine weiche Oberflächenschicht zur Folge. In zahlreichen Veröffentlichungen sind die schädlichen Auswirkungen der Randoxydation auf die Werkstückeigenschaften beschrieben, so daß auf eine weitere Erörterung verzichtet werden kann.

Ein Zweck der Erfindung ist es, bei der Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl deren Randkohlenstoffgehalt gezielt zu verändern oder zu erhalten und außerdem die Randoxydation zu vermeiden.

Es ist bekannt, die 3landoxydation in sauerstofTreien Ofenatmosphären zu vermeiden. Auch ist bekannt, in einem Gemisch von vollständig gespaltenem Ammoniak (75% Hg und

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25/6 N₉) mit Erdgas ohne Randoxydation aufzukohlen. Die genannten Möglichkeiten werden in der Praxis offensichtlich aus wirtschaftlichen Gründen in größerem Maßstab nicht angewandt (Zeitschrift: Härterei—Technische Mitteilungen 28 (1973) November, Seite 263, linke Spalte unten und rechte Spalte oben).

Weiterhin sind die bekannten Verfahren der Kohlenstoff-Übertragung ohne Randoxydation mit dem schwerwiegenden Nachteil verbunden, daß nach dem heutigen Stand der Technik das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre und daraus resultierend der Randko'ilenstoffgehalt der Werkstücke nicht aus der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre indirekt bestimmt werden kann. Das cheniische Gleichgewicht der sauer— stoffreien Aufkohlungskomponente CH₁ mit dem Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke stellt sich zum Zwecke der Regelung des Aufkohlungsvorganges viel zu langsam ein. Diese Tatsache wird in der Literatur übereinstimmend beschriebenf auf die Literaturstelle HTM 25 (1970) Heft k_s Seite 256_f linke Spalte sei besonders hingewiesen.

Demgegenüber stellt sich das chemische Gleichgewicht der sauerstoffhaltigen Gaskomponenten' CQ~ und H_?0 der üblichen Ofenatmosphären rasch ein und ermöglicht daher eine ausreichend genaue indirekte Bestimmung des .Randkohlenstoffge— halts der Werkstücke.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirtschafliehe Ofenatmosphäre zu schaffen, bei der eine sauerstof freie und kohleastoffhaltige Komponente im chemischen Gleichgewicht mit dem Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke steht.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindupgsgemäß das Ammoniak-Spaltgas in bekannter Weise unmittelbar nach der- thermischen Spaltung ohne Zwischenkühlung in den Ofenraum eingeführt, und der innerhalb des Ofenraianes entstehende

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CH,-Anteil der Ofenatmosphäre auf einem dem chemischen Gleichgewicht mit dem Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke entsprechenden Wert gehalten.

Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, daß Gasmoleküle unmittelbar nach ihrer Entstehung eine starke Molekülbewegung aufweisen und dadurch eine besonders aktive Ofenatmosphäre darstellen. Diese Erscheinung ist bei endothermen Spaltvorgängen von Molekülen besonders ausgeprägt. Es spalten sich nur Moleküle mit hohem Energie— gehalt in Atome oder Radikale. Bei der nachfolgenden spontanen Wiedervereinigung dieser Partikel in Moleküle entsteht dann eine äußerst starke Molekülbewegung. Derartige Moleküle sind nachfolgend als "aktivierte Moleküle" bezeichnet. Sie bewirken bevorzugt den StoffÜbergang zwischen Ofenatmosphäre und Werkstückoberfläche und umgekehrt. Aus dieser Erkenntnis ergeben sich folgende seither unbekannte Tatsachen:

Zur Erzielung einer gewissen Menge übertragenen Stoffes ist die notwendige Frischgasmenge einer Ofenatmosphäre umgekehrt proportional zur Anzahl der vorhandenen aktivierten Moleküle. Ofenatmosphären mit viel aktivierten Molekülen benötigen daher zur StoffÜbertragung wenig Frischgas.

Die innerhalb des Ofenraumes entstehende Gaskomponente CH, ist aktiv und in Gegenwart aktivierter Ammoniak-Spaltgasmoleküle zur indirekten Bestimmung und Regelung des Rand— kohlenstoffgehaltes der Werkstücke geeignet. Es stellt sich ein chemisches Gleichgewicht zwischen dem entstandenen CH, Anteil der Ofenatmosphäre, dem Wasserstoffanteil der Ofenatmosphäre und dem Kohlenstoffgehalt des Stahls entsprechend den bekannten Werten ein.

BeJ der Stoffübertragung von der Ofenatmosphäre zum Werkstück wird bekanntlich die maximal je Zeiteinheit übertragbare Stoffmenge durch das Erreichen einer so hohen

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Konzentration an der Werkstückoberfläche begrenzt, daß sich eine chemische Verbindung zwischen dem übertragenden Stoff und dem Werkstoff bildet (z.B. Karbide oder Nitride). Durch aktivierte Moleküle übertragene Atome wandern infolge ihres Energieüberschusses rasch von der Oberfläche weg in das Innere der Werkstücke. Dadurch tritt z.B. beim Aufkohlungsvorgang die Karbidbildung erst bei einer größeren übertragenen Kohlenstoffmenge auf, als dies bei den üblichen Ofenatmosphären der Fall ist. Bei Ofenatmosphären mit einem hohen Anteil aktivierter Moleküle kann daher das Stoffangebot entsprechend erhöht und dadurch die Stoffübertragungsgeschwindigkeit gesteigert werden.

Bei der üblichen Wärmebehandlung werden die als Ofenatmosphäre dienenden Gasgemische außerhalb des Ofenraumes hergestellt. Dabei geht die von der Herstellungsreaktion ausgehende Aktivierung durch die Kühlung des Gasgemisches vor dem Einführen in den Ofenraum verloren. Die erfindungsgemäße Einführung ungekühlter, vom endothermen Spaltvorgang aktivierter Spaltgasmoleküle verbessert die Wirtschaftlichkeit solcher Ofenatmosphären erheblich. Daher ist bei der Anwendung von Ammoniak-Spaltgas - trotz des teuren Ausgangsstoffes - kein höherer Aufwand erforderlich, als dies bei den üblichen Ofenatmosphären mit kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen als Ausgangsgas der Fall ist. Die verbesserte Wirtschaftlichkeit wird bewirkt durch:

Geringen Verbrauch an Ammoniak-Spaltgas; schnelle Stoffübertragung zwischen Ofenatmosphäre und Werkstück und

Nutzbarmachung der fühlbaren Wärme des Ammoniak-Spaltgases im Ofenraum.

Die Verbesserung der Qualität der nach dem Verfahren der Erfindung ohne Randoxydation wärmebehandelten Werkstücke beruht auf der exakten indirekten Regelbarkeit des Randkohlenstoff gehaltes. Sie gelingt besonders genau, da nur

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eine einzige chemische Reaktion an der Kohlenstoffübertragung beteiligt ist, deren Gleichgewicht zu beachten ist. Bei den üblichen, durch teilweise Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffes hergestellten sauerstoffhaltigen Ofenatmosphären hängt die Genauigkeit der indirekten Regelung von der Einstellung von drei chemischen Gleichgewichten (Boudouard-, Wassergas- und Methangleichgewicht) ab. Jede Abweichung von einem dieser Gleichgewichte beeinträchtigt die Genauigkeit der indirekten Regelung des Randkohlenstoffgehaltes.

Beim Aufkohlungsvorgang tragen die aktivierten Ammoniak-Spaltgasmoleküle dazu bei, die Aktivität der im Ofenraum entstandenen CH, -Moleküle bis zur Oberflächenreaktion mit dem Werkstück zu erhalten.

Beim Entkohlungsvorgang reagiert der aktivierte Wasserstoffanteil des Spaltgases direkt mit den Kohlenstoffatomen an der Werkstückoberfläche. Diese Reaktion von einem C-Atom mit zwei Hp-Molekülen zu einem CH,-Molekül verläuft in technisch auswertbarer Geschwindigkeit nur mit aktiviertem Wasserstoff. Bei der bekannten Wärmebehandlung in einer aus trockenem Wasserstoff bestehenden Ofenatmosphäre läßt sich daher kein auswertbarer Entkohlungseffekt erzielen.

Das Fehlen einer Entkohlungsmöglichkeit bei den bekannten Ofenatmosphären ohne Randoxydation trägt zu deren Unwirt— schaftlichkeit bei. Die übliche beschleunigte Kohlenstoffübertragung durch Überkohlen und anschließendes Entkohlen kann nicht durchgeführt werden. Nach dem Verfahren der Erfindung ist diese zeitsparende Arbeitsweise infolge der beschleunigten Aufkohlungs- und Entkohlur.gswirfcung sowie der Regelbarkeit der Ofenatmosphäre möglich.

Pei einer Anwendungsform d^r Erfindung wird in seither unbekannter Weise zur Veränderung des CH, -Anteils der Ofen-

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atmosphäre die Menge des zugeführten Ammoniak-Spaltgases verändert. Bei Entkohlungsvorgängen bildet sich mit zunehmender Entkohlungswirkung immer weniger CH, an der Werkstückoberfläche. Sinkt der CH,-Anteil unter den gewünschten Wert, so wird zur Aufrechterhaltung des CH, -Anteils die Spaltgasmenge entsprechend verringert.

Um eine regelbare Aufkohlung zu bewirken, wird erfindungsge*näß zur Erhöhung des CH,-Anteils der Ofenatmosphäre ein CH,-freier Kohlenwasserstoff mit mindestens zwei C-Atomen im Molekül zusätzlich in den Ofenraum eingeführt. Dadurch entsteht der CH,-Anteil der Ofenatmosphäre durch endotherme Spaltung höhermolekularer Kohlenwasserstoffe in aktivierter Form innerhalb des Ofenraums. In den Ofenraum eingeführte CH, -Moleküle - z.B. Erdgas - verhalten sich passiv und stören die indirekte Regelbarkeit des Randkohlenstoffgehaltes über das CH, -Gleichgewicht. Eine derartige, auf den Entstehungsort der Gaskomponente CH, bezogene Unterscheidung der Wirkung einer Ofenatmosphäre war seither unbekannt.

Das Verfahren der Erfindung ist in Bekannten Vorrichtungen auszuführen. Zur Vermeidung eines unnötig hohen SpaltgasVerbrauches für Spülzwecke erfolgt die Beschickung kontinuierlich arbeitender Ofenanlagen zweckmäßigerweise mit Schleusen.

Die Fortschrittlichkeit der Erfindung beruht - neben der Verbesserung der Stoffübertragung - in der Qualitätssteigerung von Werkstücken aus Stahl mit den üblichen Legierungselementen Chrcm,_ Mangan und Siliziu-n infolge Wegfalls der Randoxydation. Die gleiche WerkstückQualität muß bei den üblichen Ofenatmosphären mit aufwendigen Legierungselementen - z.B. Nickel oder Kobalt - erkauft werden, die r.icht gegen Randoxydation empfindlich sind.

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Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl ohne die Bildung von Oxyden der Legierungselemente in der oberflächennahen Randschicht (Randoxydation oder Internal Oxidation genannt) in einem Ofenraum, in den Ammoniak-Spaltgas als Ofenatmosphäre eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur indirekten Regelung des Randkohlenstoffgehalts der Werkstücke das Ammoniak-Spaltgas in bekannter Weise unmittelbar nach der thermischen Spaltung ohne Zwischenkühlung in den Ofenraum eingeführt, und der innerhalb des Ofenraums entstehende CH,-Anteil der Ofenatmosphäre auf einem dem chemischen Gleichgewicht mit dem Randkohlenstoff gehalt entsprechenden Wert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des CH,-Anteils der Ofenatmosphäre die Menge des zugeführten Ammoniak-Spaltgases verändert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des CH,-Anteils der Ofenatmosphäre ein CH,-freier Kohlenwasserstoff mit mindestens zwei C-Atomen im Molekül zusätzlich in den Ofenraum eingeführt wird.

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