DE2704450A1

DE2704450A1 - Verfahren zur gasaufkohlung metallischer werkstuecke

Info

Publication number: DE2704450A1
Application number: DE19772704450
Authority: DE
Inventors: Werner Goehring; Cornelius H Luiten
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 1976-02-27
Filing date: 1977-02-03
Publication date: 1977-09-08
Also published as: FR2342352A1; CH603810A5; DE2704450B2; ES456085A1; FR2342352B1; DD128798A5; GB1543510A

Description

PATENTANWÄLTE D-4000 DÜSSELDORF 1 DIPL-ING. ALEX STENGER

MalkastenstraBe 2 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

, DIPL-ING. HEINZ J. RING

Unser Zeichen: 1^C- " 'i Datum:

270U50

Ipsen Industries International Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Flutstraße 52, ^190 Kleve 1

Verfahren zur Gasaufkohlung metallischer Werkstücke

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufkohlung metallischer Werkstücke in kontrollierter, aus einem sauerstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisch bestehender Atmosphäre,

Die Gasaufkohlung metallischer Werkstücke zur Erzielung einer Aufkohlungsschicht ist bekannt. Hierbei wird in einen Ofen geschlossener Bauweise ein Reaktionsgas eingeführt und auf der Grundlage des chemischen Gleichgewichtes zwischen Sauerstoff- und Kohlenstoffpotential eine kontrollierte Atmosphäre bei Reaktionstemperatur eingestellt und aufrechterhalten. Das in den Ofenraum eingeführte Gasgemisch enthält den Sauerstoff meist in chemisch gebundener Form, vorzugsweise als Kohlenmonoxid. In anderen Fällen, bei denen sauerstoffhaltige Gase wie freier Sauerstoff, Wasserdampf oder Kohlendioxid eingeführt werden, setzen sich diese Gase durch Reaktion im Ofenraum mit vorhandenem Kohlenwasserstoff größtenteils in Kohlenmonoxid um, so daß in jedem Falle Kohlenmonoxid als säuerst offhaltiges Aufkohlungsgas vorhanden ist. Als weitere auflcohlungsaktive Komponente wird ΟΗλ angesehen.

Der in den Ofenraum eingeführte Kohlenwasserstoff besteht aus Methan oder höhermolekularen Paraffinen oder Olefinen. Letztgenannte Kohlenwasserstoffe zerfallen im Ofenraum in den thermisch relativ stabilen Kohlenwasserstoff CH/, so daß nachfolgend für alle Betrachtungen bezüglich der Kohlenstoffübertragung nur der Kohlenwasserstoff CH^ herangezogen wird.

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Telefon (0211) 3«0514 Telegrammadresse Dabspatent Postscheckkonto Köln 227610-303 ™" ~"

Die KohlenstoffÜbertragung in kohlenmonoxid-und kohlenwasserstoffhaltigen Ofenatmosphären kann prinzipiell nach den beiden nachstehenden Reaktionen verlaufen:

Boudouard-Reaktion 2 CO ^ Werkstück ^{+ C0}2 Methan-Reaktion CH^ ^ Werkstück ^+2H2

Nach dem Stand der Technik erfolgt die Prozeßregelung ausschließlich über die chemischen Gleichgewichte der Boudouard-Reaktion, die sich wie folgt einstellen:

mit dem Werkstück 2 CO =^ Werkstücke ^{+ C0}2 mit der Ofenatmosphäre CO + HpO =2= CO₂ + H₂

Als Meßgröße dient das Sauerstoffpotential der Ofenatmosphäre, das indirekt durch Messen des Anteils der Gase HpO oder COp oder direkt mit einem Festkörper-Elektrolyten ermittelt wird. Es ist demzufolge bekannt, mit betrieblich anv/endbaren Meßverfahren für die Erfassung des Sauerstoff-Partialdrucks den C-Pegel zu erfassen, wobei als notwendige Voraussetzung die Gleichgewichtseinstellung der Boudouard-Reaktion angesehen wird.

Trotz der zur Zeit möglichen genauen Messung und Regelung des Sauerstoffpotentials der Ofenatmosphäre tritt in der Praxis immer noch eine über die Reproduzierbarkeit hinausgehende Abweichung von den theoretisch zu erwartenden Gleichgewichtswerten auf (vergleiche Härterei-Technische Mitteilungen, 30 (1975), Heft 1, Seite 12 bis 20). Diese Abweichungen des C-Pegels müssen in Handarbeit durch nachträgliches Messen der Aufkohlungswirkung an Prüfkörpern (Folieneichung) korrigiert werden, die im Ofenraum während des Verfahrens angeordnet sind. Dieser Umstand steht einer vollautomatischen Prozeßregelung im Wege.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Menge und Eindringgeschwindigkeit und die sich daraus ergebende Schichttiefe des Kohlenstoffs bei der Gasaufkohlung metallischer Werkstücke in die Randschicht einerseits und die Randkonzentration des Kohlenstoffs andererseits im Werkstück getrennt voneinander zu beeinflussen, die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Aufkohlung zu verbessern und eine vollautomatisierbare Prozeßregelung zu erzielen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim eingangs genannten Verfahren als Regelgröße der CH^-Mengenanteil der Atmosphäre zur Regelung herangezogen wird. Vorzugsweise wird zur Regelung kombinativ als weitere Regelgröße das Sauerstoff potential der Atmosphäre herangezogen. Es werden in bisher unbekannter Weise demzufolge bei der bevorzugten Lehre der Erfindung zwei Gaskomponenten während eines Gasaufkohlungsprozesses in einer Ofenatmosphäre auf verschiedene Weise geregelt. Der Fachmann erwartet hierbei eine gegenseitige Beeinflussung der Regelschritte, zumal das Sauerstoffpotential und der CHi-Gehalt einer Ofenatmosphäre auch ein chemisches Gleichgewicht zueinander anstreben. Die Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Gasaufkohlungsverfahrens beruht jedoch auf der Tatsache, daß sich dieses Gleichgewicht nur teilweise einstellt und die Regelschritte sich nicht gegenseitig beeinflussen. Es gibt zur gleichzeitigen Einhaltung der Sollwerte der beiden Regelgrößen nur eine einzige Kohlenwasserstoffmenge und ein einziges Sauerstoffpotential des dem Ofenraum zugeführten Gasgemisches. Diese Stellgrößen können mit den heute geläufigen Mitteln der Regelungstechnik angesteuert und stabilisiert werden.

Vorteilhafterweise wird die Regelung der Menge und Eindringgeschwindigkeit des Kohlenstoffs über den CH^-Mengenanteil durch Veränderung der zugemischten Kohlenwasserstoffmenge durchgeführt. Es wird ferner in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, das Sauerstoffpotential der Atmosphäre durch Veränderung des Sauerstoffpotentials des zugeführten Gasgemisches zu

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regeln, wobei vorzugsweise das Sauerstoffpotential des zugeführten Gasgemisches durch Veränderung der Mengen gebundenen Sauerstoffs geregelt wird. Die Zufuhr wechselnder Mengen der Gase CO, CO₂ oder H₂O bewirkt im Gegensatz zu Luft keine nennenswerte Veränderung der Aktivierung der Ofenatmosphäre. Daher repräsentieren die geregelten Anteile von CHi und den sauerstoffhaltigen Gasen unabhängig von den durch Regelschritte zugeführten Gasmengen gleichbleibende KohlenstoffÜbertragungsbedingungen.

Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine möglichst hohe und gleichbleibende Aktivierung der Ofenatmosphäre zu erreichen, wird vorgeschlagen, ein durch Reaktion entstandenes Gasgemisch unmittelbar nach der Reaktion in ungekUhltem Zustand in den Ofenraum einsufUhren. Eine derartige Aktivierung ist von besonderer Bedeutung, wenn die Ofenatmosphäre einen sehr hohen Anteil inerter Gase - wie z.B. 90 % Stickstoff - aufweist. Es kann damit auf die sonst notwendige Aktivierung der Aufkohlungsatmosphäre mit Luft verzichtet werden.

Weiterhin wird vorteilhafterweise in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, den CH,-Mengenanteil der Ofenatmosphäre in der Anfangsphase und das Sauerstoffpotential in der Endphase der Bildung der Aufkohlungsschicht zu regeln. Durch diese Maßnahme kann die Schichtbildungsgeschwindigkeit durch anfängliches überkohlen und anschließendes Entkohlen gesteigert werden. In besonders vorteilhafter Weise wird während des überkohlens ein Gasgemisch mit möglichst geringem Sauerstoffpotential eingeführt, beispielsweise Ammoniak-Spaltgas. Auf diese Weise kann in seither unbekannter Form das zur sogenannten Randoxidation führende Eindringen von Sauerstoff in die Aufkohlungsschicht verhindert werden. Es ist dann in der Aufkohlungsphase nicht genügend Sauerstoff vorhanden. In der nachfolgenden Entkohlungsphase in sauerstoffhaltigem Gasgemisch verhindert die schnellere Gegendiffusion von Kohlenstoff das Vordringen des langsamer diffundierenden Sauerstoffs in die Aufkohlungsschicht.

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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der CH^-Anteil und der CO₂-Anteil der Ofenatmosphäre gleichzeitig geregelt. In den Ofenraum wird sogenanntes Endogas aus Erdgas (ca. 20 % CO, 40 % H₂ und 40 % N₂) und Erdgas als Kohlenwasserstoff eingeführt. Bei einer Ofentemperatur von 9?0°C und einer Aufkohlungsdauer von 75 Minuten wurden an unlegiertem Stahl C 15 bei nachstehenden Regelwerten der Ofenatmosphäre folgende Aufkohlungsschichttiefen erzielt (Einsatzhärtungstiefe 550 HV 1):

0,15 % CO₂, 1,0 % CH^ 0,45 mm Schichttiefe 0,15 % CO₂, 2,0 % CH^ 0,60 mm Schichttiefe.

Das Beispiel zeigt die seither unbekannte Abhängigkeit der Schichttiefe vom CH--Anteil der Ofenatmosphäre.

Bei der bekannten Regelung einer solchen Ofenatmopshäre nur mit dem Sauerstoffpotential als Regelgröße wird der CH^-Gehalt und damit die Bildungsgeschwindigkeit der Randschicht nicht erfaßte Betriebsbedingte Beeinflussungen der Ofenatmosphäre - wie Eindringen von Luft, öl- oder Wasserdampf in den Ofenraum, Sauerstoffspeicherung der Ofenauskleidung oder Rußabscheidung können bei gleichem Sauerstoffpotential zu sehr unterschiedlichen CH^-Anteilen führen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden solche Beeinflussungen ausgeregelt. Weiterhin lassen sich in verschiedenen Ofenräumen und unterschiedlichen Ofenarten bei gleichen Istwerten der Ofenatmosphäre auch gleiche Aufkohlungsschichten erzielen.

Die Fortschrittlichkeit der Erfindung beruht in der verbesserten Beherrschung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Aufkohlungsschicht in Ofenräumen. Weiterhin kann die Prozeßregelung vollautomatisch betrieben und die Geschwindigkeit der Schichtbildung beträchtlich erhöht werden.

Besonders fortschrittlich ist die Anwendung der Erfindung bei

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Ofenatmosphären, bei denen überwiegend aus der Luft gewonnener Stickstoff in den Ofenraum eingeführt wird. Es kann sich dabei um das sogenannte "Monogas" (ca. 2 % CO, ca. 3 % H„, Rest N_?) oder um Stickstoff aus einer Lufttrennanlage handeln, dem ein sauerstoffhaltiges Gas zugegeben wird. Solche Ofenatmosphären sind wegen ihrer Unbrennbarkeit und der damit verbundenen explosionssicheren Anwendung in Ofenräumen sehr geschätzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht erstmals, mit derartigen unbrennbaren Ofenatmosphären genaue und reproduzierbare Aufkohlungsschichten an den Werkstücken zu erzielen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist erfinderisch. Es wird erstmals die Regelung des CH^-Mengenanteils des Gasgemisches bei der Gasaufkohlung von Werkstücken in einer sauerstoffhaltigen Ofenatmosphäre vorgeschlagen. Besonders überraschend für den Fachmann ist die bevorzugte kombinative Anwendung des CH^-Mengenanteils und des Sauerstoffpotentials als Regelgröße. Hierbei repräsentiert der CH<-Mengenanteil im chemischen Ungleichgewicht zur Ofenatmosphäre die gebildete Schichtdicke, das Sauerstoffpotential im chemischen Gleichgewicht zur Ofenatmosphäre die Randkonzentration des Kohlenstoffs im Werkstück. Die Lehre der Erfindung überwindet unter anderem das Vorurteil der Fachleute, bei Ofenatmosphären nur im Gleichgewicht befindliche Gase als Regelgrößen heranzuziehen.

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Claims

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Ansprüche :

Verfahren zur Gasaufkohlung metallischer Werkstücke in kontrollierter, aus einem sauerstoff- und kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisch bestehender Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet , daß als Regelgröße der CH^-Mengenanteil der Atmosphäre zur Regelung herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung kombinativ als weitere Regelgröße das Sauerstoffpotential der Atmosphäre herangezogen wird.
3. Verfahren zur Gasaufkohlung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Aufkohlung über den CH^-Mengenanteil durch Veränderung der zugemischten Kohlenwasserstoff menge durchgeführt wird.
4. Verfahren zur Gasaufkohlung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffpotential der Atmosphäre durch Veränderung des Sauerstoffpotentials des zugeführten Gasgemisches geregelt wird.
5. Verfahren zur Gasaufkohlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffpotential des zugeführten Gasgemisches durch Veränderung der Mengen gebundenen Sauerstoffs, vorzugsweise über den COp-Anteil der Ofenatmosphäre, geregelt wird.
6. Verfahren zur Gasaufkohlung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der CHr-Mengenanteil der Atmosphäre in der Anfangsphase und das Sauerstoffpotential in der Endphase der Bildung der Aufkohlungsschicht geregelt wird.

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7. Verfahren zur Gasaufkohlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Anfangsphase ein Gasgemisch mit geringem Sauerstoffpotential eingeführt wird, beispielsweise Ammoniak-Spaltgas.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Reaktion entstandenes Gasgemisch unmittelbar nach der Reaktion in ungekühltem Zustand als Atmosphäre verwendet wird.

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