DE2710748A1

DE2710748A1 - Verfahren zum karburieren von stahlteilen

Info

Publication number: DE2710748A1
Application number: DE19772710748
Authority: DE
Inventors: Robert I Beck; Ii Raymond L Davis
Original assignee: Airco Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1977-10-20
Also published as: JPS5524500B2; ES456738A1; US4049473A; IT1071340B; FR2343817A1; DE2710748B2; BR7701518A; CA1084392A; FR2343817B1; JPS52109441A; GB1560255A

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ. FINSTERWALD & C1RÄ1VLK.QW

München, den 11.3-1977
S/3/Wr-A 3132

AIRCO, INC.

Murray Hill, New Providence
New Jersey 07974
USA

Verfahren zum Karburieren von Stahlteilen

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallteilen oder -werkstücken und besonders das Karburieren und Karbonitrieren von Stahlteilen in Vorkammeröfen.

Das Karburieren von Stahlteilen ist ein wohlbekannter Vorgang,

/ein

beim dem "Einsatz" (Case) an und unter der Teiloberfläche eingebracht wird, um den Kohlenstoffgehalt wesentlich zu erhöhen, damit diese Teile nach Abschrecken, eine Härtezunahme erfahren.

Typischerweise werden Stahlteile in einem Vorkammerofen karburiert oder aufgekohlt, der notwendigerweise mindestens zwei
Kammern umfaßt. Eine äußere Kammer, die allgemein als die Ofenvorkammer bezeichnet wird, ist vorgesehen, um die Atmosphäre
des Abschreckungsvorganges zu bedecken, wobei der Abschreckungsvorgang an der Umgebung und/oder in einem Ölbad stattfinden kann. Je nach der verwendeten besonderen Ofenkonstruktion können die Werkstücke entweder direkt in eine Arbeitskammer eingebracht
werden und daraufhin in eine Vorkammer überführt werden, damit

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DR. C. MANlTZ ■ DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIPL.-INC. W. CRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 33. ROBERT-KOCH-STR ASS E I 7 STUTTGART SO I BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7370

TEL. <0S9> 33 43 II. TELEX OS - 99673 PATMF SEELBERGSTR. 33/3S. TEL.<O7II>56 73 6I POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-80»

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eine- Umgebungs- oder ölabschreckung erfolgen kann. Alternativ können die Werkstücke in eine Vorkammer eingeführt, in die' Arbeitskammer überführt und dann in die gleiche Vorkammer zum Abschrecken zurückgebracht werden. Bei einem Durchlaufofen sind Einlaß- und Auslaßvorkammern vorgesehen, die vor und hinter Erhitzungs- und/oder Arbeitszonen angeordnet sind.

Auf das Einführen eines entsprechenden Trägergases, das typischerweise ein endothermes oder ein gereinigtes eixothermes Gas ist,das mit einer Menge von Erdgas angereichert sein kann, wird eine Türe zu der Arbeitskammer geöffnet und die zu karburierenden oder aufzukohlenden Metallteile werden dann in die Arbeitskammer übergeleitet, die vorher auf die benötigte Arbeit st emperatur gebracht wurde. Bei typischen Karbu-rie rungs vorgängen wird ein endothermes Gas, das aus 40 % Stickstoff, 40 % Wasserstoff und 20 % Kohlenstoffmonoxid mit kleineren Anteilen oder Spuren vcfn Kohlendioxid und Wasserdampf besteht in die Arbeitskammer und die Vorkammer eingeführt und zwar mit einem Durchsatz, der ausreicht, daß diese Kammern fortlaufend durchspült werden und das Eindringen von atmosphärischem Sauerstoff in die Vorkammer im wesentlichen verhütet ist. Um sicherzustellen, daß eine ausreichende Menge einer Kohlenstoffquelle in der Atmosphäre der Arbeitskammer vorhanden ist, wird das endothermes Gas mit einem Zufluß von Erdgas angereichert. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß zum ausreichenden Karburieren von Stahlteilen in einem solchen Vorkammerofen wesenttLche Mengen von Erdgas verbraucht werden, da die Erzeugung und Verwendung endothermen Gases in einem Karburierungsofen Erdgas oder ein anderes Kohlenwasserstoffgas, z. B. Propanj erforderlich macht. So werden pro hundert Raumteilen endothermen Gases annähernd 45 bis 50 Raumteile Erdgas verbraucht um ein "Endogas" zu erzeugen, und wenn ein Anreicherungs-Erdgas verwendet wird, sind für hundert Raumteile endothermen Gases 10 bis 20 Raumteile zusätzliches Erdgas erforderlich. Es ist deshalb klar ersichtlich, daß ein relativ hoher und unvermeidbarer Verbrauch von Erdgas im Verlauf des normalen K.arburierens von StahlteileÄi^aQV/Drkammeräfen von vornherein zu—

erwarten ist.

Eine ziemlich einfache Folge des stetig wachsenden Verbrauches von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen ist ein ernster oder sogar kritischer Mangel von Erdgas. Gegenwärtig ist für viele industrielle Verbraucher von Erdgas eine Verkürzung der Versorgungsmengen des Gasesjwenn nicht gar eine regelrechte Unterbrechung der Erdgasversorgung zu erwarten. Dementsprechend sind viele industrielle Benutzer von Erdgas, beispielsweise Warmbehandlungsanlagen im allgemeinen und Stahl-Karburierungswerke im besonderen, genötigt , den Erdgasverbrauch wesentlich einzuschränken. Es ist deshalb erforderlich, daß die Wärmebehandlungsanlagen mit Vorkammeröfen den Erdgasverbrauch in wesentlichem Maße einschränken, damit eine Karburierung von Stahlteilen weiterhin ermöglicht ist. Zusätzlich müssen alternative Karburierungsverfahren einen entsprechenden KarburierungsVorgang von Stahlteilen ergeben, deren Kosten vergleichbar zu öfen gegenwärtig anfallenden Kosten der Stahlteilkarburierung durch die vorher beschriebenen Verfahren sind, welche auf endothermem und . Erdgas beruhen, um sicherzustellen, daß die durch die Karburierung im allgemeinen erzielten metallurgischen Vorteile auch kommerziell gerechtfertigt sind.

Zusätzlich zum Karburieren von Stahl in Vorkammeröfen ist bekannt, diesen Vorgang in einem Ofentyp durchzuführen, bei dem keine getrennten Einlaß/Auslaß-und Behandlungszonen vorgesehen sind. Ein solcher Ofen wird normalerweise als Schachtofen (pit furnace) bezeichnet und,wenn die geeignete Hilfsausrüstung, wie Leitungen, Filter", Meßeinrichtungen und Kompressoren oder dgl. vorgesehen sind, kann die Ofenatmosphäre von dem Schachtofen abgezogen und in Verbindung mit einem reduzierten Durchfluß einer Aufkohlungsquelle, wie z. B. Erdgas, wieder/eingebracht werden, wodurch sich im ganzen eine Erniedrigung des Erdgasverbrauches erzielen läßt im Vergleich mit einem gleichartigen Ofen, da?ein Trägergas wie endothermes Gas benutzt, wie oben beschrieben. Ein solcher Schachtofen ist in der US-PS 3 397

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beschrieben. Obwohl der Verbrauch von Aufkohlungs-Material verringert werden kann, ist das gleichzeitige Abschrecken der karburierten Stahlteile bei Schachtofen nicht durchführbar.

Wie bereits vorher erwähnt,beruhen die üblichen Karburierungsverfahren, die in Vorkammerpfen ausgeführt werden, auf einem Durchfluß von endothermen Gas zur Arbeitskammer,um den Durchfluß entkohlender Mittel, wie atmosphärischem Sauerstoff etc. in die Kammer zu beeinflussen, und auch, um eine entsprechende Spülung der Ofenvorkammer sicherzustellen, um den Sauerstoffgehalt in dieser unter der unteren Verbrennungsgrenze zu halten. Zusätzlich muß die Menge des der Arbeitskammer zugeführten Erdgases (zusätzlich zu dem zur Erzeugung und Verbrennung des endothermen Gases erforderlichen Erdgas ) genügend hoch sein, um den Entkohlungseffekt von Verunreinigungen, z. B. von Sauerstoff, Wasserdampf, COp oder dgl. zu überwinden, die entweder durch Undichtheiten hineinkommen oder durch Reaktionen innerhalb der Arbeitskammer erzeugt werden, und ebenso der Verunreinigungen, die in dem Trägergas enthalten sind,um .den Kohlenstoffbedarf des Materials zu erfüllen. Bei bestimmten Wärmebehandlungsvorgängen, wie sie beispielsweise" in der US-PS 3 467 366 beschrieben sind, wird ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, der Vorkammer des Ofens zugeführt, um eine Trennung der Arbeitskammer von der Atmosphäre zu erreichen. Es ist jedoch weder in dieser bekannten Druckschrift oder bei anderen bisher bekannten industriell verwertbaren Karburierungsverfahren erkannt worden, welche Vorteile das Zuführen eines solchen inerten Gas zu einer Vorkammer und das Zuführen von im wesentlichen einer einzigen gasförmigen Kohlenstoffquelle zu einer Arbeitskammer erbringt, die von schädlichen Gasen während einer Aufwärmperiode gereinigt ist, wie es nun gemäß der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung,ein verbessertes

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Verfahren zum Karburieren von Stahlteilen in einem Vorkammerofen zu schaffen.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Karburierung von Stahlteilen bei wesentlich niedererem Verbrauch von gasförmigen Kohlenstoffquellen zu bewirken, als es bisher in Vorkammeröfen möglich ist.

Ein weiteres Ziel .der vorliegenden Erfindung" besteht darin, verbesserte Verfahren des Karburierens von Stahlteilen dadurch zu schaffen, daß ein Trägergas für die gasförmige Kohlenstoffquelle nicht mehr nötig ist, wodurch im Verbrauch der Kohlenstoffquelle eine Verringerung erzielt wird.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, verbesserte Verfahren zum Karburieren von Stahlteilen durch Einbringen eins inerten Gases in die Vorkammer eines Ofens zu schaffen, um die Arbeitskammer von der Umgebungsatmosphäre zu isolieren und dabei wesentlich die Einführung von entkohlenden oder dekarburierenden Mitteln in die Arbeitskammer auszuschließen oder zu beeinflussen,, so daß zusätzliche Zuführungen von gasförmigen Kohlenstoffquellen nicht erforderlich sind, um die Entkohlungswirkung solcher Mittel zu überwinden.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Karburieren von Stahlteilen bei verringertem Verbrauch einer gasförmigen Kohlenstoffquelle dadurch zu schaffen, daß die Verweilzeit der Quelle innerhalb der Arbeitskammer erhöht wird.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die sichere Karburierung von Stahlteilen dadurch zu ermöglichen, daß die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Vorkammer unter einem Wert gehalten wird, der Verbrennungsvorgänge ermöglicht.

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ELn weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Fluß der gasförmigen Kohlenstoffquelle zu der Arbeite- . kammer eines Vorkammerofens während des KarburierungsVorganges von Stahlteilen so zu beeinflussen, daß ein gewünschtes, vorbestimmtes Kohlenstoffpotential in der Atmosphäre der Arbeitskammer aufrechterhalten wird und die Einführung und der Verbrauch von überschüssigen Mengen der gasförmigen Kohlenstoffquellen vermieden wird.

ELn weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Stahlteile in einem Vorkammerofen zu karbonitrieren, wobei ein wesentlich geringerer Verbrauch von Erdgas und Ammoniakgas als bisher möglich ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Karbonitrieren von Stahlteilen, bei denen die bisher übliche Verwendung von endothermen Gas als Träger für einen anreichernden Durchfluß von Erdgas, Propan usw. und eine Vorrichtung zur Erzeugung dieses Trägergases weggelassen werden. Darüberhnaus schließt das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die Aufnahme von zwei im wesentlichen nicht aufeinanderbezogenen Konzepten ein, die bisher niemals zur Benutzung zusammen mit üblichen Karburierungs-/Karbonitrierungs-Veriairen unter Benutzung von endothermem Trägergas, wie oben erwähnt, in Betracht gezogen worden sind. So betrifft die vorliegende Erfindung in ihrem breitesten Aspekt die Karburi_jsierung oder Karbonitrierung von Stahlteilen in einem Vorkammerofen, wobei ein inertes

/t Gas in die Vorkammer des Ofens mit der geringsmöglichen Fließgeschwindigkeit eingeführt wird, die nötig ist, um die Arbeitskammer von der Umgebungsluft zu isolieren und/oder den Aufbau von Sauerstoffgehalt oder das Einschließen von Sauerstoff innerhalb der Vorkammer zu Werten zu verhindern, bei denen eine Verbrennung oder eine Explosion erfolgen kann, während eine gasförmige Kohlenstofflquelle mit relativ niederer Flußgeschwindigkeit der Arbeitskammer zugeführywird. Es ist verständlich, daß sowohl das Karburieren als auch das Karbonitrieren von Stahlteilen gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann. Bequemlichkeitshalber wird der Ausdruck

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"Karburieren", wenn er hernach benutzt wird, gleichfalls auf das "Kabonitrieren" von Stahlteilen anwendbar sein. Das der. Vorkammer zugeführte inerte Gas kann Stickstoff, Argon usw. umfassen, während die gasförmige Kohlenstoffquelle Erdgas, Methan, Propan, Kokereigas, Kohlenmonoxid und dgl. umfassen kann. Zusätzlich kann erfindungsgemäß ein flüssiger Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis der Arbeitskammer zugeführt werden, wobei dieser Brennstoff verdampft wird. BequemlichkeitshalbeT wird jedoch der Ausdruck "Erdgas" verwendet, wobei jede der oben aufgeführten gasförmigen Kohlenstoffquellen damit gemeint sein kann.

Dementsprechend ermöglicht das Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung die Verwendung gegenwärtig zur Verfügung stehender, mit Mangeln behafteter Vorkammeröfen in einer Weise, die der Verwendung von gasdichten Schachtofen nahekommt, wobei relativ geringer Kapitaleinsatz zur Veränderung nötig ist. Folglich kann der sparsame Umgang mit natürlichen Hilfsmitteln der eine Eigenschaft der Karburierung in Schachtofen darstellt, auch . in üblichen Vorkammeröfen voll verwirklicht werden. Die Entdeckung, die zu der vorliegenden, kurz angedeuteten Erfindung geführt hat und die bis jetzt in keinem kommerziell genutzten Vorkammerofen verwendet wurde, ermöglicht, erstaunliche Einsparungen (bis zu 95 % oder mehr) der seither üblichen Werte von Erdgasverbrauch für karburierende Atmosphären, wobei gleichzeitig sowohl das Trägergas als auch die Ausrüstung zur Erzeugung dieses Gases wegfällt und dennoch eine gute Karburierung von Stahlteilen ermöglicht wird. Das für die "Karburierungsatmosphären" in bisher üblichen Verfahren erforderlichen Erdgas enthält einen ersten Anteil von Erdgas, der teilweise verbrannt wird, um das "Endo-Gas" zu erzeugen. Da jedoch der Verbrennungsvorgang ein "endothermischer" Vorgang ist, ist mehr Erdgas zur Verbrennung nötig, um die Temperaturen zu erzeugen, die zur Verbrennung der ersten Menge von Erdgas

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nötig sind. Der Anreicherungsanteil von Erdgas muß selbstverständlich zusätzlich zu der bisher besprochenen Menge von Erdgas hinzugefügt werden. Dabei ist zu beachten, daß das als Brenngas zur Erzeugung der nötigen Temperaturen von 730 - 980 ° C (= 1350 bis 1800° P) verwendete Erdgas innerhalb des Karburierungsofens nicht mehr als Erdgas zur Verfügung steht, das zur Erzeugung der "Karburierungsatmosphäre¹¹ nötig ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird damit nicht nur Erdgas eingespart, das nicht mehr in beliebigen Mengen zur Verfügung steht, sondern es wird auch eine entsprechende Karburierung von Stahlteilen erreicht, ohne ein endothermes Trägergas zu verwaaden und damit wird auch die bisher übliche Ausrüstung zur Erzeugung dieses endothermen Trägergases unnötig. Zusätzlich werden wegen der durch die Erfindung ermöglichten bedeutsamen Reduzierungen im Verbrauch von Erdgas für die Karburierungsatmosphären viele Wärmebehandlungsanlagen in der Lage sein, die Karburierung weiterhin durchzuführen, obwohl scharfe Einbrüche oder Einschränkungen der Versorgung mit Erdgas infolge -des gegenwärtig sichtbar werdenden kritischen Mangels an diesem Rohmaterial eintreten.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren die Bereitstellung eines inerten Gaseb_} beispielsweise Stickstoff, erforderlich macht, wobei Stickstoff durch übliche Lufttrennungsverfahren einfach zu erhalten ist, wird angenommen, daß die Gesamtkosten des Karburierens von Stahlteilen in konventionellen Vorkammeröfen nicht größer sein werden und im allgemeinen sogar geringer sein werden, als die Kosten, die beim Karburieren von solchen Teilen nach den bekannten Verfahren mit angereichertem endothermen Trägergas auftreten. '

In Übereinstimmung mit. der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Karburieren von Stahlteilen in einem Vorkammer-

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ofen das Beaufschlagen dieser Teile mit einer gasförmigen Kohlenstoffquelle in einer Arbeitskammer des Ofens und das Einführen eines inerten Gases in die Vorkammer des Ofens, wobei im wesentlichen der Eintritt von dekarburierenden Stoffen aus der Luft in die Arbeitskammer unterbunden oder gesteuert wird, und das Bewirken der Karburierung von Stahlteilen ohne Benützung eines endothermen oder gereinigten exothermen Trägergases bei wesentlich verringerten Verbrauch von Erdgas im Vergleich zu. .den Verbrauchswerten gasförmiger Gasquellen, beispielsweise Erdgas, die bei Karburierungsvorgängen unter Benutzung des Trägergases erforderlich sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Karburieren von Stahlteilen kann in Verbindung mit üblichen Vorkammeröfen durchgeführt werden, die mit Einzelbeschickung oder im Durchlaufverfahren arbeiten. Zusätzlich wird bevorzugterweise der Fluß der gasförmigen Kohlenstoffquelle zur Arbeitskammer des jeweiligen Vorkammerofens dadurch beeinflußt, daß das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre in dieser Kammer gemessen und die Zuführung der gasförmigen Kohlenstoffquelle so beeinflußt wird, daß

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ein erwünschtes,vobestimmtes Kohlenstoffpotential aufrechterhalten bleibt. Inertes Gas wird der Vorkammer des jeweiligen Ofens während der Karburierung fortlaufend zugeführt. Weiterhin wird das inerte Gas der Vorkammer auch vor der Beladung derselben mit den Stahlteilen und während des Abschreckens oder sonstigen Abkühlens der Teile nach Herausnahme aus der Arbeitskammer zugeführt.

Die Flußrate des inerten Gases zu der Vorkammer wird vorzugsweise so gehalten, daß sie ausreicht, um Sauerstoff und andere dekarburierende oder entkohlende Mittel von dieser zu entfernen, obwohl die optimale Flußrate so eingestellt Wird, daß während der Abschreckbedingungen eine Sauerstoffkonzentration aufrechterhalten wird, die unter der niedersten Sauerstoffkonzentration liegt, die für eine Verbrennung der jsweiligen gasförmigen Kohlenstoffquelle erforderlich ist, die mit dem je-

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»eiligen inerten Gas bei den Temperaturen und den Drücken innerhalb der Vorkammer eingespült wird. Auf diese Weise wird durch Aufrechterhalten eines Flusses von inertem Gas oder von Stickstoff in der Weise, daß die eben besprochene maximale Sauerstoffkonzentration eingehalten wird, die Verwendung von Stickstoff gesteigert, wobei eine Sauerstoffkonzentration sichergestellt bleibt, die nicht ausreicht, eine Verbrennung innerhalb der Vorkammer zu ermöglichen und damit sichere Arbeitsbedingungen gewährleistet sind. Die Durchflußrate von Erdgas zur Arbeitskammer wird auf die vorher erwähnte Weise beeinflußt und durch Aufrechterhalten des vorher erwähnten sparsamen Durchflusses von Stickstoff zur Vorkammer wird ein äußerst geringer Stickstoff-Rückfluß zur Arbeitskammer erreicht. Auf diese Weise ergibt der in die Vorkammer eingeführte Stickstoff einen relativ geringen Anteil von Stickstoff im in der Arbeitskammer enthaltenen Erdgas und demzufolge wird die Kinetik der Karburierungs-Reaktionen innerhalb der Arbeitskammer nicht wesentlich behindert. Damit wird wiederum die Karburierung von Stahlteilen mit einem geringstmöglichem Durchfluß von Erdgas möglich. Ebenso wird durch Verwendung von derartig geringen Erdgas-Durchflußraten zur Erreichung eines erwünschterkohlen stoff potentials und damit einer erforderlichen Karburierung eine größere Verweilzeit aller gasförmigen Bestandteile in der Arbeitskammer erreicht, womit zusätzlich ein Gasgleichgewicht ermöglicht wird, das günstig für die Karburierungsreaktionen ist. So wird durch Vermeidung eines Vorgangs, bei dem die Kohlenstoffquelle kontinuierlich aus der Arbeitskammer herausgeschwemmt wird, wie es bei den bisher üblichen Techniken der EaIl. war, bei denen das Trägergas für die Kohlenstoffquelle aus der Kammer herausgespült wird, um die dekarburierenden oder entkohlenden Mittel zu entfernen, eine bessere Nutzbarmachung der Kohlenstoffquelle erreicht und deutlich der Verbrauch des

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Erdgases um bis zu 95 % und mehr im Vergleich zu den seither für karburisierende Atmosphären unter Verwendung eines Trägergases nötigen Werten vermindeitwerden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren benutzt wird. Es ist wichtig, daß zusätzlich auch kein Trägergas und keine kostspielige Ausrüstung zur Erzeugung dieses Trägergases mehr nötig ist, wenn das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird. Auf diese Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung überraschend-und bemerkenswerter-Weise die erwähnten Einsparungen beim Verbrauch von Erdgas und schafft die Möglichkeit, liarburi erungs vorgänge in Wärmebehandlungsanlagen weiterzuführen, die von wesentlichen Verschlechterungen in der Versorgung mit Erdgas bedroht sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schcraatische Teilansicht eines Vorkammerofens für ünze!beschickung, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird,

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Durchlaufofen, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann,

Figur 3 eine Teilansicht eines Aufbaus zur Erzeugung eines Flammenvorhangs, der in den in Figur 1 oder Figur 2 dargestellten öfen eingesetzt werden kann.

Figur 4 ein Diagramm, das Härtewerte über der Eindringtiefe, von der Werkstückoberfläche aufgerechnet, von Teilen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch eine herkömmliche Technik karburiert_t wurden, urra

Figur 5 ein Diagramm der Durchflußmenge des inerten Gases durch die Vorkammer gegen das Kohlenstoffpotential in der Arbeitskammer bei verschiedenen Durchflußraten einer gasförmigen Kohlenstoffquelle.

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In Figur 1 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ofens für Einzelbeschickung dargestellt, in dem Stahlteile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren karburiert werden können. Der Ofen 10 weist eine Vorkammer 11 und eine Arbeitskammer 12 auf, die durch eine innere Falltüre 17 getrennt sind, die vorzugsweise innerhalb einer Führung 18 mittels eines Kabels 19, eines Führungsrades 29 und einer (nicht gezeigten) hydraulischen Betätigung geöffnet und geschlossen werden kann. Der Eingang zur Vorkammer 11 wird durch eine Türe 13 gebildet, die in ähnlicher Weise so angeordnet ist, daß sie längs einer geneigten Ebene gleiten kann, welche durch eine Führung und der Außenfläche des Ofens 10 gebildet wird. Dazu_b.in ist die Türe 13 in gleicher Art über ein Kabel 15 und eine Rolle 16 zu betätigen. Wenn hier überzugrollen geführte Kabel zur Betätigung der Türen 13 und 17 dargestellt ist, soll damit die Verwendung anderer gebräuchlicher Einrichtungen zum öffnen und Schließen der Türen nicht ausgeschlossen sein. Vorzugsweise wird die Türe 13 mit einem Durchbruch 38 versehen, in dessen Nähe außerhalb der Vorkammer eine Zündflamme 39 unterhalten wird, wie später beschrieben wird. In üblicher Weise ist dne Fördereinrichtung 20 vorgesehen, die eine Vielzahl angetriebener bzw. freilaufender Walzen umfaßt, über die ein Gefäß 21, daß die aus Stahl bestehenden Wegstücke 22enthält, ins Innere befördert wird. ELn Tragrahmen 23, der den Ofen 10 trägt und ein Abschrecktank 46 ist in üblicher Weise unterhalb der Vorkammer 11 angeordnet. Wie dem Fachmann bekannt ist, werden karburierte Werkstücke 22, die aus der Arbeitskammer 12 herauskommen im allgemeinen in einem ölbad oder durch Abkühlen an der Atmosphäre abgeschreckt , bevor sie aus dem Ofen 10 entfernt werden. Es sind nicht gezeigte Einrichtungen vorgesehen, um ein Gefaäß mit den" StahltcLlen in ein solches Abschreckbad hinabzulassen und wieder heraufzuholen oder um das Gefäß in den oberen Abschnitt der Vorkammer zu heben (so daß er dem direktem Um-

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wälzsanteil der Atmosphäre der Vorkammer ausgesetzt ist, um eine Umgebungsabschreckung. zu erfahren).

Um Stahlteile in dem Vorkammerofen 10 bei einer Einsparung des Naturgasverbrauches von bis 95 % und mehr der Mengen, die bisher bei einem Vorkammerofen mit eingebauter Abschreckung unter Benutzung eines endothermen Trägergases verbraucht wurden, zu karburieren, wird ein Vorrat von inertem Gas, beispielsweise Stickstoff, über eine Leitung 26 und ein Ventil 27 mit der Vorkammer 11 verbunden und mit einer Leitung 28 und einem Ventil 30 mit der Arbeitskammer 12. Es wird dann ein Zufluß von Stickstoff zur Vorkammer 11 mit allgemein weniger als 50 %, vorzugsweise 25 - 30 % des empfohlenen Trägergasflusses dem Ofen 10 zugeleitet. Ist beispielsweise die Trägergasmenge, die für den Ofen 10 empfohlen ist,etwa 11,33 m^ pro Stunde (=400 ft. /h), so wird vorzugsweise Stickstoff mit einer Menge von nur 0,28 nr pro Stunde (=10 ft. /h) oder weniger,bis zu 4,25 r/h (=150 ft. /h) der Vorkammer dieses Ofens mit einer Beschickung zugeführt. Selbstverständlich wird die jeweilige Durchflußrate weithin durch das Volumen der Vorkammer 11 bestimmt und von dem Ausmaß, bis zu dem das Abschrecken atmosphärische Luft ansaugt, obwohl es sich herausgestellt hat, das durch Aufrechterhalten des eben erwähnten Stickstofflusses die durchschnittliche Sauerstoffkonzentration in der Vorkammer 11 unter dem Mindestwert zur Aufrechterhaltung von Verbrennung gehalten wird.

Die gasförmige Kohlenstoffquelle, die für die Karburierung der Werkstücke 22 erfindungsgemäß bevorzugt wird ist₅Erdgas, obwohl Mefcan, Propan usw. gleich gut verwendet werden können. Erdgas kann von den Vorrat 31 durch das Ventil 32 und die Leitung der Arbeitskammer 12 zugeführt werden. Im Rahmen des Erfindungsgedankens können auch kleinere Mengen anderer nicht entkohlender Mittel, wie beispielsweise Rohamoniakjnicht als Trägergas»aber

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zum Karbonitrieren von Werkstücken 22,eingeleitet werden. So ist ein Armoniakvorrat 43, eine Leitung 44 und ein Abschaltventil 45 vorgesehen, damit wahlweise gasförmiges ITH, der Arbeitskammer 12 zugeführt werden kann. Da erfindungsgemäß keine endothermes Trägergas erforderlich ist, sondern dieses gerade vermieden wird, ist eine relativ geringe Durchflußrate der gasförmigen Kohlenstoffquelle (in der Größenordnung von 10 - 40 % der Durchflußmenge des Anreicherungsströmes von Erdgas) erforderlich, um die Stahlwerkstücke 22 in der Arbeitskammer 12 ausreichend zu karburieren. Durch de Benutzung einer relativ niederen Durchflußrate von Erdgas wird nicht nur die bisher zum Anreichern benutzte Erdgasmenge um bis zu 90 % eingespart, sondern auch das endotherme Trägergas (in dem bisher beträchtlich mehr Erdgas als oben erwähnt enthalten ist) und die zur Erzeugung

/sind

dieses Gases benötigte Ausrüstung vollständig entbehrlich geworden. Auf diese Weise können Gesamteinsparungen von bis zu 95 % oder mehr der Mengen von Erdgas, die bisher für die karburierenden Atmosphären erforderlich warenjeneicht werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Zusätzlich können, wie bereits oben bemerkt, die Wärmebehandlungsanlagen, die der scharfen Beschränkung von Erdgasversorgungen unterworfen sindjin aller Wahrscheinlichkeit weiterhin Karburierungsvorgänge durchführen, wenn sie das erfindungsgemäße Karburierverfahren benutzen.

Damit die vorbestimmte Einsatzhärtung der Werkstücke 22 erreicht werden kann, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Steuerung des Kohlenstoffpotentials der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer 12 vorgeschlagen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Sensor oder eine Sonde 34 zur Messung des Kohlenstoffpotentiales in einem getrennten Ofen 41 eingesetzt, mit dem eine Probenentnahmel-eitung 40 in Verbindung steht,

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Ein Aufzeichnungs- und Steuergerät 36 ist über ein Kabel 35 mit der Sonde 34· verbunden. Vorzugsweise umfaßt die Sonde einen dünnen Draht, der in der Atmosphäre des getrennten Ofens 41 angebracht ist, wobei die Atmosphäre dieses Ofens die Atmosphäre in der Arbeitskammer 12 repräsentiert. Der Widerstand des Drahtes ändert sich als Funktion des Kohlenstoffpotentials der Atmosphäre der Arbeitskammer. Diese Widerstandsänderung erfolgt, weil der Draht selbst karburiert und dekarburiert wird, wenn das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre größer oder geringer als der Kohlenstoffgehalt des Drahtes ißt. Ein elektrisches Signal, daß den Kohlenstoffgehalt innerhalb der Arbeitskammer 12 repräsentiert, wird über ein Kabel 35 dem Aufzeichnungs- und Steuergerät 36 zugeführt, das den Wert des Kohlenstoffpotentials als Funktion der Zeit aufzeichnen und ein Ausgangssignal über das Kabel 37 abgeben kann. Das Aufzeichnungs- und Steuergerät 36 wird anfangs so eingestellt, wie es dem erforderlichen Kohlenstoffpotential innerhalb der Arbeitskammer 12 entspricht. Durch Vergleichen des über das Kabel 35 empfangenen Signales, das dem tatsächlichen Wert des Kohlenstoffpotentiales der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer 12 entspricht, mit dem erforderlichen eingestelltem Kohlenstoffpotential kann ein Steuersignal erzeugt werden und über das Kabel 37 so verwendet werden, daß es das Ventil 32 entweder öffnet oder schließt oder eine fortlaufende Einstellung der Öffnungsgröße und dimit des Durchflußwertes von Erdgas durch dieses Ventil erzeugt. Die Sonde 34, der getrennte Ofen 41 und das Aufzeichnungs· und Steuergerät 36 stellen zusammen eine übliche Ausrüstung zur Steuerung des Kohlenstoffpotentials einer Ofenatmosphäre dar und sind im Handel von der Firma Carbon Control Instruments in Newtown Square erhältlich. Die Sonde 34 kann auch direkt in der Arbeitskammer 12 angebrach}; werden, obwohl eine Anbringung dieser Sonde in einem getrennten Ofen 41 bevorzugt wird, da dieser leichter auf der richtigen Temperatur gehalten werden kann. Übliche Umwälz_lüfter (nicht gezeigt)

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können an der Oberseite oder an der Seitenwand der Arbeitskammer 12 angebracht werden, damit die Karburierungsreaktionen in der Arbeitskammer gefördert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und damit der Betrieb der in Figur 1 und 3 dargestellten Vorrichtungen geht auf folgende Weise vor sich: anfangs wird der Ofen 10 dadurch auf die erforderliche Temperatur gebracht, daß übliche Heizelemente, beispielsweise Strahlungsröhren, innerhalb der Arbeitskammer 12 eingeschaltet werden, und die Vorkammer 11 wird mit Stickstoff gespült, wobei eine Durchflußgeschwindigkeit aufrechterhalten wird, die beispielsweise 25 - 30 % der empfohlenen Durchflußgeschwindigkeit für endothermes Trägergas entspricht. Zusätzlich kann auch die Arbeitskammer 12 mit Stickstoff gespült werden, indem das Ventil 30 über eine erforderliche Zeitspanne geöffnet wird. Die Werkstücke 22 aus Stahl werden dann in das Gefäß 21 auf der Fördereinrichtung 20 außerhalb des Ofens 10 eingesetzt und die Tür 13 der Vorkammer 11 geöffnet. Das öffnen dieser Tür ergibt einen Zufluß von Erdgas zu dem Brenner 51 und in der Folge wird ein Flammenvorhang 51*unmittelbar außerhalb des Ofens 10 entzündet, wie es in ^igur 3 dargestellt ist. Durch Verbrennung eines Brennstoffes in unmittelbarer Nachbarschaft des Einlasses zur Vorkammer 11 wird eine Verringerung der in die Vorkammer eintretenden Menge von atmosphärischem Sauerstoff erzeugt und Sauerstoff, der durch den Flammenvorhang 51' hindurchtritt, wird in dem vorher in die Vorkammer 11 eingeführten Stickstoff verteilt. Das Gefäß 21 wird dann in iie Vorkammer 11 überführt, während die innere Tür 17, wie in Figur 1 gezeigten geschlossener Stellung bleibt. Die äußere Türe 13 wird daraufhin geschlossen; während das Gefäß 21 so lange in dem Vorraum 11 bleibt, bis darin ein positiver Druck erfaßt wird. Es ist zu erkennen, daß ein leicht positiver Druck nötig ist, um sicherzustellen, daß atmosphärische Verunreinigungen, d. h. dekarburierende Mittel wirksam am Eintritt in die Vorkammer gehindert sind und damit

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die Arbeitskammer 12 im wesentlichen gegen die Umgebungsluft abgeschirmt ist. Das Auftreten dieses positiven Druckes wird durch die Wirkung der Zündflamme 39 angezeigt, da bis dahin die Flamme dieses Brenners zur öffnung 38 in der Türe 13 hingezogen wird. Wenn jedoch ein positiver Dx-uck als Folge des fortwährenden Stickstoffeinflusses durch Leitung 26 in die Vorkammer 11 erreicht wird, bleibt die Zündflamme 39 außerhalb der äußeren Tür 13· Wenn die Flamme in diesen Zustand eine vorbestimmte Zeitspanne, die von der Größe des jeweiligen Ofens abhängtjbeobachtet werden konnte, ist der Sauerstoffgehalt der Vorkammer 11 unter den Wert gesunken, bei dem eine Gefahr besteht. Zu diesem Zeitpunkt wird die innere Türe 17 geöffnet und das Gefäß 21 in die Arbeitskammer 12 eingebracht.

Es hat sich gezeigt, daß nach dem Öffnen der inneren Türe 17 und dem Einbringen des Gefässes 21 in die Arbeitskammer 12 etwas Luft in die Vorkammer 11 und unterhalb der inneren Türe 17 in die Arbeitskammer 12 gezogen wird, da diese Türen nur unvollkommen abdichten und die Arbeitskammer 12 relativ gasdicht ist. Damit wird das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre innerhalb der Kammer 12 gesenkt, da selbstverständlich die Luft dekarburierende Mittel wie Sauerstoff, COo-Verunreinigungen und Wasserdampf enthält. Dementsprechend nimmt das Kohlenstoffpotential innerhalb der Kammer 12 ab. Zusätzlich ist es nötig, einen Wiederanstieg der Temperatur in der Kammer. 12 auf den bevorzugten Wert abzuwarten^bei dem die Karburierung wirksam wird, da die Sonde 34- darauf geeicht ist, Kohlenstoffpotentiale allgemein bei der Verfahrenstemperatur oder bei der Karburierungstemperatur des Ofens zu erfassen und da die öffnung der inneren Türe 17 und das Einbringen der kalten Werkstücke 22 und des kalten Gefässes 21 eine Verminderung der Temperatur in der Arbeitskammer verursacht, die die Reaktionskinetik und damit das Ausmaß der

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Karburierung einer gegebenen Atmosphäre verlangsamt. Während dieser Erholungszeit für die Temperatur kann Stickstoff durch das Ventil 30 der Arbeitskammer 12 zugeführt werden, um die Kammer 12 von den verflüchtigten Schneidöl- oder Reinigungsmittelresten freizuspülen, die häufig in den Wärmebehandlungsanlagen auf den Werkstücken verbfeiben. Während dieser Spülungszeit wird der Zufluß von Erdgas vorzugsweise aus Sparsamkeitsgründen entweder verringert oder abgeschaltet. Der Zufluß von Erdgas von dem Vorrat. 31 durch das Ventil 32 und die Leitung 33 in die Arbeitskammer 12 wird durch die Sonde 34- beeinflußt, die in dem Ofen 41 angebracht ist, der auf konstanter Temperatur gehalten wird. Die Stickstoffspülung der Arbeitskammer 12 wird nach einer vorbestimmten Zeitlänge beendet. Nachdem die erforderliche Ofentemperatur erreicht ist beginnt die Karburierung der Werkstücke 22 mit der erforderlichen Geschwindigkeit und das Kohlenstoffpotential innerhalb der Arbeitskammer 12 wird mittels Sonde 34· und Aufzeichnungs-Steuergerät 36 beeinflußt, während durch (nicht gezeigte) Umwälz_-gebläse die nötige Luftumwälzung in der Arbeitskammer 12 erzeugt wird. Typischerweise kann die anfängliche: Einflußrate von Erdgas in die Arbeitskammer 12 herabgesetzt werden, da bei fortgeschrittenem Arbeitszyklus weniger Erdgas nötig ist, um ein vorbestimmtes Kohlenstoffpotential (beispielsweise 1 %) aufrechtzuerhalten, da das Gefälle zwischen dem Kohlenstoffpotential der Atmosphäre in der Arbeitskammer und dem Kohlenstoffgehalt in der Einsatzhaut der Werkstücke aus Stahl abnimmt. Durch Zurücknehmen des Durchsatzes von Erdgas in die Kammer 12 wird die wirksame Aufenthaltszeit dieser Kohlenstoffquelle in der Kammer erhöht, da im Gegensatz zum herkömmlichen Karburierverfahren mit Verwendung von endothermen Gas kein Kohlenstoffträger aus der Arbeitskammer ausgespült wird und in die 'Vorkammer eindringt. Auf diese Weise wird der rargewordende Kohlenstoffträger,zum Beispiel das Erdgas^äußerst wirksam ausgenutzt, wenn das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Zusätzlich

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wird die Tendenz des Stickstoffs zur "Bückdiffusion" in die Arbeitskammer wesentlich verringert, da der Stickstoffdurchsatz von dem Vorrat 25 in· die Vorkammer 11 auf einen Wert von beispielsweise 25 - 30 % des empfohlenen Trägergasdurchflusses für den jeweiligen Ofen vermindert wird, was genügt, um die Sauerstoffkonzentration in der Vorkammer unter dem Wert zu halten, der zur Aufrechterhaltung von Verbrennung erforderlich ist. Eine Folge dieser Seite der vorliegenden Erfindung ist, daß der Stickstoff nicht nur wirtschaftlicher ausgenützt wird, sondern daß auch der Stickstoff im wesentlichen die gasförmige Kohlenstoffquelle innerhalb der Arbeitskammer nicht verdünnt und so die Karburierungsreaktionen innerhalb der Kammer 12 nicht bedeutend behindert werden. Erprobungen des erfindungsgemäßen Karburi erungs- und Abschreckungsverfahrens zeigen, daß der Vorgang sicher, d. h. frei von Explosionen, ist, wenn ein Stickstoffdurchfluß durch die Vorkammer während des Absc reckens eingehalten wird, der 25 - 30 % des empfohlenen Trägergasdurchflusses beträgt.

Darüberhinaus hat es sich gezeigt, daß nicht nur die Reaktionskinetik nicht durch Stickstoff-fiückdiffusion behindert wird, sonder daß durch die Herabsetzung des Stickstoffdurchsatzes ein noch weiter erniedrigter Durchsatz von gasförmiger Kohlenstoff quelle wirksam die Dekarburierungseffekte von in die Arbeitskammer eindringendο?Luft oder aus der Arbeitskammer entweichender Atmosphäre überwindet, wobei trotzdem eine vorbestimmtes Kohlenstoffpotential innerhalb der Arbeitskammer 12 aufrechterhalten bleibt. Diese Beziehung wird in Figur 5 dargestellt. Z. B. sind zur Aufrechterhaltung eines Kohlenstoffpotentiales von 1,30 21scfh Erdgas erforderlich, wenn 300 scfh Stickstoff der Vorkammer des Ofens zugeführt .werden. Das gleiche Kohlenstoffpotential kann.jedoch bei einem Durchsatz von annähernd 16,25 scfh Erdgas aufrechterhalten werden, wenn der Durchsatz von Stickstoff in der Ofen-Vorkammer

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auf 200 scfh verringert wird. Auf diese Weise ergibt das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur eine wesentliche Einsparung in der Menge von gasförmiger Kohlenstoffquelle, die für die Karburierungsatmosphäre nötig ist, indem das endoterme Gas und das zusätzliche Erdgas zur Anreicherung eingespart wird, sondern es ergibt sich sogar eine weitere Einsparung in der erforderlichen Menge der gasförmigen Kohlenstoffquelle durch Herabsetzen des Durchflusses von inertem Gas durch die Vorkammer^wie eben erwähnt.

Aus dem Vorhergehenden ist zu ersehen, daß durch Zuführen einer gasförmigen Kohlenstoffquelle ohne Trägergas zur Arbeitskammer 12 und von Stickstoff zur Vorkammer 11 eine wirksame Karburierung von Werkstücken 22 in einem Vorkammerofen erreicht werden kann und daß sich eine Verminderung der für die Ofenatmosphäre nötigen Mengen von Erdgas in der Größenordnung von bis zu 95% oder mehr ergibt. Zusätzlich sind weder erhöhte Ofentemperaturen oder verlängerte Karburierungszeiten erforderlich, um nötige Erhöhungen des Kohlenstoffgehaltes im Werkstück zu erreichen. Auf diese V/eise stellt die vorliegende Erfindung eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, bei dem ein endothermes Trägergas verwendet wird, das mit Erdgas angereichert ist, da das erfindungsgemäße Verfahren den Betrieb solcher Vorkamraeröfen in einer Weise erlaubt, als ob es sich um hochwirksame Schachtofen handeln würde.

Die Karburisierung von Werkstücken wird dann während einer bestimmten Zeitlänge, z.B. 2,0 bis 3»0 Stunden, fortgesetzt. Daraufhin wird die Türe 17 geöffnet und das Gefäß 21 in die Vorkammer 11 zurückgebracht. Obwohl durch diese Tätigkeit etwas von der karburisierenden Atmosphäre aus der Arbeitskammer 12 in die Vorkammer 11 fließt, ist sicher, daß.keine Explosionsoder Feuergefahr vorhanden ist, da der in der Vorkammer 11 befindliche Sauerstoff in der im wesentlichen aus Stickstoff bestehenden Atmosphäre der Vorkammer äußerst verdünnt ist und

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da der Sauerstoff und die brennbare Atmosphäre nicht vorgemischt sind. Zu diesem Zeitpunkt kann das Gefäß 21 mit den darin enthaltenen Werkstücken 22 dadurch abgekühlt werden, daß es in einen Abschrecktank 46 versenkt wird, in dem eine Ölbad-Abschreckung durchgeführt wird, oder daß es in den oberen Bereich der Vorkammer zur Durchführung einer Umgebungsabschrekkung angehoben wird. Typischerweise tritt beim Eintauchen des Gefäßes 21 und der Werkstücke 22 in ein ölbad eine große und stürmische Ansaugung atmosphärischer Luft durch und um die Außentüre 13 herum in die Vorkammer 11 auf. Da jedoch das Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, in die Vorkammer 11 während des Abschreckens der karburisierten Werkstücke weiterhin einfließt, · bleibt die Menge von Sauerstoff, die in die Vorkammer 11 eingezogen wurde,nichtsdestoweniger unter dem Wert, bei dem eine Verbrennung eintritt. Da weiterhin das Einsaugen des Stickstoffes erst dann auftritt, nachdem die Werkstücke in dem ölbad untergegangen sind, ergibt der eingetretene Sauerstoff keine schädliche Wirkung auf die Werkstücke oder auf die metallurgischen Eigenschaften der Werkstücke. Es kann jedoch wünschenswert sein, den Stickstoffdurchsatz durch die Vorkammer während der Zeit des Abkühlens in der Atmosphäre zu erhöhen, wie es auch erforderlich sein kann, die Vorkammern von Durchlaufofen oder anderen "undichten" öfen zu erhöhen, die einen solchen gesteigerten Np-Durchsatz benötigen, um das Eindringen von dekarburierenden/usw. in die Arbeitskammer des Ofens oder die Bildung von explosiven Gemischen in den Vorkammern zu verhindern. Folglich ergibt das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur eine hochwirksame Karburierung (bezogen auf den Verbrauch von Erdgas) sondern ergibt auch, was sehr wichtig ist» keine Verschlechterung des Wärmebehandlungszyklus' gegenüber ^ den üblichen Verfahren, beispielsweise beim Abschrecken der wärmebehandelten Werkstücke.

Zusätzlich zum Karburieren von Werkstücken 22 erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren ebenso gut das Karbonitrieren solcher

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Werkstücke. Dieser letztere Vorgang wird in ähnlicher Weise wie die Karburierung durchgeführt, jedoch wird eine gesteuerte Menge von Rohamioniak zur Arbeitskammer 12 hinzugefügt. Bei einem typischen Karbonitrierungsvorgang wird Stickstoff in die Vorkammer 11, wie vorher erwähnt, eingeführt und das Aufzeichnungs- und Steuergerät 36 wird so eingestellt, daß in der Arbeitskammer 12 ein Kohlenstoffpotential von annähernd 0,9 aufrechterhalten wird. Nach dem Einstellen eines gesteuerten Durchsatzes von Erdgas durch das Ventil 32 und die Leitung 33 in die Arbeitskammer 12 wird die Einstellung eines Gleichgewichtes bei etwa dem vorhergehenden Kohlenstoffpotential ermöglicht. Das Aufzeichnungs- und Steuergerät 36 wird dann auf ein Kohlenstoffpotential von annähernd 1,2 eingestellt und ein gesteuerter Durchsatz von Roh-NH, wird durch die Leitung 44 und das Ventil 45 in die Arbeitskammer 12 eingeleitet. Das "Kohlenstoff"-Potential (1,2), das durch das Aufzeichnungsund Steuergerät 36 erfaßt wird, bildet dann eine Kombination der Kohlenstoff- und Nitrierungspotentiale der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer 12, da die Sonde 3^ auch einen Wechsel im Widerstand erfährt, wenn eine nitrierende Atmosphäre erfaßt wird, was in gleicher Weise geschieht wie die Erfassung des Kohlenstoffpotentials in der vorher beschriebenen Weise. Auf diese Weise kann ein Stickstoffpotential, das einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,5 entspricht,leicht in der Arbeitskammer 12 aufrechterhalten werden, und dadurch, daß die Werkstücke 22 einer solchen Atmosphäre in Zeitabschnitv zwischen 30 Minuten und einigen Stunden bei Temperaturen zwischen 73O°C und 900⁰C ( = 1350 bis 165O⁰P) ausgesetzt werden, wird ein Karbonitrieren dieser Werkstücke erreicht. Das erfindungsgemäße Karbonitrierverfahren von V/erkεtücken ergibt gleichfalls eine Herabsetzung des Erdgasverbrauches von bis zu 95% in der Ofenatmosphäre. Zusätzlich hat es sich gezeigt, daß auch der Verbrauch von Rohammoniak um 50 bis 70% der bei dem bisherigen Ver fahren benötigten Mengen erreicht werden kann, wobei die erforderlichen Karbonitrationsgrade erhalten werden.

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In Fig. 2 ist ein Beispiel eines Durchlauf-Vorkammerofens dargestellt, das im allgemeinen die'folgenden Abschnitte umfaßt: Vorkammer 11, Vorheizzone 53» Arbeitszone 12, Teilabkühlungszone 63 und Auslaßkammer 52. Um unnötige Doppelnennungen zu vermeiden,werden nur die Abschnitte beschrieben, die von den Vorkammeröfen mit Einmal-Einsatz nach Fig. 1 unterschiedlich sind. Ein Stickstoffvorrat 25 ist über Leitungen 26 und 42 und das Ventil 27 so verbunden, daß wahlweise Stickstoff der Vorkammer 11 zugeführt werden kann. Zusätzlich sind eine Leitung 59 und ein Ventil 60 vorgesehen, um die Zufuhr von Stickstoff zur Vorwärmzone 53 zu ermöglichen, während die Leitung 28 und das Ventil 29 vorgesehen sind, um wahlweise Stickstoff zur Teilabkühlzone 63 zuzuführen, wie vorher beschrieben. Zusätzlich ist noch ein Ventil 61 an der Leitung 62 angebracht, um Stickstoff in die Auslaßkammer 52 zu leiten, wenn der Durchlaufofen 10' nach Fig. 2 in Betrieb ist. Zusätzlich zu den Türen 13 und 17 und zum Antrieb für diese sind eine Vielzahl von Türen 47 und 54 in bekannter Weise angebracht. Typischerweise wird die Arbeitszone 12 durch Heizelemente aufgeheizt, während die Vorheiz- und die Teilabkühlzonen 53 bzw. 63 durch Strahlungsheizung von der in dem Arbeitsbereich 12 erzeugten Wärme beheizt werden. In bekannter Weise sind auch Umwälzlüfter 64 vorgesehen, wie es bei den Durchlaufofen 10* üblich ist.

Der Betrieb des Durchlaufofens 10' nach der Lehre der vorliegenden Erfindung wird nun kurz geschildert: Anfangs wird die Arbeitszone 12 auf die erforderliche Temperatur von beispielsweise 955⁰C (» 175O⁰F) gebracht und der erforderliche Stickstoffdurchsatz wird bei den Vorkammern 11 und 52 eingestellt. Sobald ein positiver Druck beispielsweise in der Vorkammer 11 festgestellt wird, wird die Türe 13 geöffnet und die zu karburierenden Werkstücke können eingelassen werden. Gleicherweise wird die Türe 17 geöffnet und die Stücke können dann durch die Vorheizzone 53 durchgelassen werden, in der die Werkstücke aufgeheizt werden. Darauffolgend werden die Türen 13, 17» 47 und

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geöffnet, damit die Werkstücke fortlaufend unter diesen Türen hindurchtreten können. Zusätzlich wird die Gefahr, daß dekarbur _ierende Mittel in der umgebenden Atmosphäre in die Arbeitszone 12 durch die Vorkammern eintreten können,bedeutend vermindert, wenn ein Stickstoffdurchsetz in die Kammern 11 und so aufrechterhalten wird, daß er einen leichten Überdruck in diesen Kammern erzeugt. Auf diese Weise werden Werkstücke 22 von der Vorheizzone 53 in die Arbeitszone 12 weitergeleitet, in welcher diese, wie vorher beschrieben, karburiert werden. Zusätzlich kann durch Messen des Kohlenstoffpotentiales der Arbeitskammeratmosphäre, das durch den Erdgasdurchsatz durch das Ventil 32 und die Leitung 33 in die Zone 12 erzeugt wird, dieses Kohlenstoffpotential genau aufrechterhalten werden, damit die erforderliche Karburierung der Werkstücke 22 eintritt. Folglich wird die in einen getrennten, auf konstanter Temperatur gehaltenen Ofen 41 angebrachte Sade 34 die diesem Ofen durch die Entnahmeleitung 40 von der Arbeitzone 12 zugeführte Atmosphäre erfassen und das Aufzeichnung-Steuergerät 36 und das Ventil 32 wirken mit dem Durchlaufofen 10' in der gleichen Weise zusammen wie es in Verbindung mit dem Einmalbeschickungsofen 10 in Fig. 1 erklärt wurde:

Nach der Karburierung der Werkstücke 22 in der Arbeitszone 12 treten die Werkstücke zur Teilabkühlungszone 63 hindurch und werden daraufhin in die Austrittskammer 52 weitergereicht, in der vorzugsweise die Werkstücke 22 einem Abschreckvorgang unterzogen werden, der entweder in einem ölbad oder in der umgebenden Atmosphäre stattfinden kann. Schließlich werden nach Entfernung der Werkstücke aus dem Abschreckbereich die voll wärmebehadelten Werkstücke 22 fortlaufend von dem Ofen 10' entfernt. Es kann selbstverständlich auch nötig sein, Stickstoff durch die Leitung 62 und das Ventil'61 mit etwas erhöhtem Durchsatz durchzuschicken, als es zur Kammer 11 hin geschieht, um sicherzustellen, daß das durch das schnelle Ab-

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schrecken der karburierten Werkstücke verursachte Einsaugen von Umgebungsluft keinen Sauerstoffgehalt in der Auslaßkammer 52 ergibt, der größer ist als der Wert, der zur Verbrennung nötig ist, beispielsweise 5% oder weniger.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Karburierung von Werkstücken wurde erfolgreich in einer Reihe von Versuchen ausgeführt, die an einem Abschreckprobenofen durchgeführt wurden, der von der Firma Lindberg Engineering Co. in Chicago hergestellt wurde. Dieser Ofen ist ähnlich wie Ofen 10 in Fig. 1 ausgeführt. Um zu demonstrieren, daß die Einsparung von bis zu 95% oder mehr des für die KarburierungsatmoSphären erforderlichen Erdgases erreicht werden kann, wurden zwei Durchläufe durchgeführt. In jedem Durchlauf A und B wurden etwa 4-5,4 kg (= 100 lbs) Stahlstangen und Stahlprobenstücke der Legierungen 1020 und 8620 bei 955°C (« 175O°F) fünf Stunden lang in einer Atmosphäre mit einem Kohlenstoffpotential von 1,28 karburiert.

Durchlauf A

Ein Durchfluß von 400 scfh (empfohlene Durchflußrate bei diesem Ofen) von einem endotermen Gas (40% N₂, 40% H₂, 20% CO) wurden der Arbeitskammer des Ofens zugeführt, und eine Anreicherung von Erdgas mit einem durchschnittlichen Durchfluß von 13 scfh wurde zur Aufrechterhaltung eines Kohlenstoffpotentials von 1,28 zugesetzt. Das geschah in Übereinstimmung mit den Karburierungstechniken nach dem?Stand der Technik. Die Knoop-Härte wurde in verschiedenen Tiefen von der Oberfläche des Werkstückes aus gemessen und die Härte wurde über der Tiefe in Fig. 4 als Kurve "Durchlauf A" aufgetragen. Eine effektive Einsatztiefe (bei einer Knoop-Härte von 5AO) von 1,68 mm (■ 0,066 Zoll) wurde erreicht.

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Durchlauf B

Bei diesem Durchlauf wurde ein Durchsatz von Stickstoff mit 100 scfh der Vorkammer des Ofens zugeführt und durchschnittlich 2,5 scfh Erdgas wurden in die Arbeitskammer eingeführt, um das vorerwähnte Kohlenstoffpotential aufrechtzuerhalten. Die Knoop-Härte des karburierten Teststückes wurde durch die übliche Technik bestimmt und als Kurve "Durchlauf B" in Fig. 4 dargestellt. Wie dem Fachmann bekannt, entspricht eine Knoop-Härte von 540 einem Kohlenstoffgehalt von 0,4 % und die Tiefe von der Werkstückoberfläche aus, bei der dieser Härtwert auftritt, bildet die "effektive Einsatztiefe" des karburierten Werkstückes. Wie in Fig. .4 zu sehen,ist. die effektive Einsatztiefe des in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung karburierten Werkstückes annähernd 1,68 mm (= 0,066 Zoll).

Die erwähnten Versuche, die als Durchlauf A und Durchlauf B bezeichnet sind, zeigen an, daß eine vergleichbare Einsatzhärtung von Stahlproben erreicht wurde. Das der vorliegenden Erfindung entsprechende Verfahren (Durchlauf B) hat jedoch einen viel geringeren Erdgasverbrauch ergeben, als man erwarten würde, wenn bloß das endoterme Trägergas weggelassen würde, und zwar ergab sich das als Folge des verminderten Stickstoffdurchflusses durch die Vorkammer, womit sich ein geringerer Druck in der Arbeitskammer und ein geringerer Verlust an die Atmosphäre ergaben. Die Herstellung und Verbrennung von 400 scfh von "endo-"Gas erförderten annähernd 225 scfh Erdgas und zusätzlich eine Spitze von 13 scfh Erdgas, woraus sich ein Gesamtdurchsatz von 2J8 scfh ergibt. Im Gegensatz zu diesem relativ großem Verbrauch von Erdgas waren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur insgesamt 2,5 scfh Erdgas nötig, was einer Einsparung von annähernd 99% entspricht. Bei den gegenwärtigen Preisen für Stickstoff und Erdgas ergibt das erfindungsgemäße Verfahren den zusätzlichen Vorteil, wirtschaftlicher zu sein als die seither gebräuchlichen Verfahren mit endothermem Trägergas.

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Zusammengefaßt ist zu erkennen, daß das Verfahren, Werkstücke in einem Vorkammerofen erfindungsgemäß zu karburieren, eine · wirtschaftlich erfolgreiche Benutzung von Vorkammeröfen, ergibt, wie sie bisher in dem Industriezweig der Wärmebehandlung weder erkannt noch durchgeführt wurde. Zusätzlich können gewisse sehr erwünschte Eigenschaften von Schachtofen wirksam und einfach auf Vorkammeröfen übertragen werden, wenn die üblichen Karburierung st echniken, die jahrzehntelang bei Vorkammeröfen unter Benutzung von endothermem Trägergas als Kohlenstoffquelle durchgeführt wurden, verlassen und die erfindungsgemäßen Techniken angewendet werden. So kann die früher als den Schachtofen eigene Fähigkeit, den Durchfluß von gasförmiger Kohlenstoffquelle zu vermindern, nun auch bei Vorkammeröfen angewendet werden und durch das gesteuerte Spülen der Vorkammern mit Stickstoff, wie es hier beschrieben wurde, können sichere Betriebsbedingungen, die nötige Isolierung der Arbeitskammer von der Atmosphäre und damit die Ungestörtheit des Karburierungsverfahrens aufrechterhalten werden. Weiterhin können durch Steuern oder Einstellen des Stickstof flusses durch die Vorkammer auf solche Weise, daß die Sauerstoffkonzentrationen unterhalb des Entzündungspegels bleiben, weitere Vorteile unerwartet erzielt werden, nämlich daß bei reduziertem Stickstoffdurchfluß durch die Vorkammer nur minimale, unbedeutende ßückdiffusionswerte von Stickstoff in die Arbeitskammer erzielt werden können und es ist damit ein noch weiter herabgesetzter Durchfluß von gasförmiger Kohlenstoffquelle nötig, um ein bestimmtes Kohlenstoffpotential aufrechtzuerhalten. Der Durchfluß von Stickstoff durch die Vorkammer hat nur geringen, wenn überhaupt einen schädlichen Effekt auf die Kinetik der Karburierungsreaktionen, die einfach ohne schädliche Auswirkung auf Verfahrensdauer oder -temperaturen ablaufen. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur darin wirksam, daß die physikalischen Eigenschaften der Vorkammeröfen in die Eigenschaften der Schachtofen umgewandelt werden, was die bedeutend verbesserten Verbrauchswerte von Erdgas in dieser Zeit

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der kritisch eingeschränkten Vorräte betrifft, sondern die vorliegende Methode ist, ausgedrückt in Karburierungsreaktionskinetik, so wirksam wie die üblichen Techniken mit Vorkammeröfen. So kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine annehmbare Karburierung, ausgedrückt in Einsatztiefe, Kohlenstoffkonzentrat ion, Vermeidung von Ruß und in Verfahrenszeit oder -temperaturen erreicht werden, wobei weder ein Kompromiß noch eine schädliche Auswirkung in Kauf genommen werden muß. Schließlich können, als zusätzlicher Vorteil das endoterme Trägergas und die dafür nötige Erzeugungseinrichtungen abgeschafft werden, wenn die Werkstücke erfindungsgemäß karburiert werden.

Das Verfahren zum Karburieren und Karbonitrieren von Stahlteilen in der Arbeitskammer eines Vorkammerofens erbringt also einen wesentlich verringerten Verbrauch von Kohlenstoffquellen, intern diese Teile einer gasförmigen Kohlenstoff quelle wie beispielsweise Erdgas ausgesetzt werden, während der Vorkammer ein inertes Gas mit genügendem Durchsatz zugeführt wird, um das Eindringen von dekarburierenden Stoffen aus der Atmosphäre in die Arbeitskammer zu unterbinden und den Sauerstoffgehalt in der Vorkammer auf sicheren Werten unter einem Geringstwert zu halten, der zur Aufrechterhaltung von Verbrennung nötig ist oder örtliche Verpuffungen und Explosionen zuläßt. Die Vorkammeröfen können für einmaligen Einsatz oder als Durchlaufofen ausgelegt sein. Zusätzlich wird das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer des Ofens vorzugsweise fortlaufend überwacht und in Abhängigkeit des erfaßten Kohlenstoffpotential wild der Durchsatz von Erdgas durch die Arbeitskammer so beeinflußt, daß das Kohlenstoffpotential auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Karburieren von Werkstücken in der Arbeitskammer eines Vorkammerofens unter Vermeidung von Explosionsgefahr ohne Benutzung eines Trägergases, dadurch gekennzeichnet , daß die Arbeitskammer auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt wird, daß ein inertes Gas in die Vorkammer des Ofens eingeführt wird, wodurch das Eindringen von Dekarburierungssubstanzen in die Arbeitskammer im wesentlichen beherrscht wird und daß eine gasförmige Kohlenstoffquelle der Arbeitskammer zugeführt wird, um die Karburierung der Werkstücke ohne Benutzung eines Trägergases für die Kohlenstoffquelle zu bewirken, so daß eine wesentliche Reduzierung im Verbrauch der Kohlenstoffquelle erreicht wird, verglichen mit dem Verbrauch der Kohlenstoffquelle bei Benutzung von Trägergas beim Karburieren der Werkstücke.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer gemessen und der Nachschub des gasfömigen Kohlenstoffträgers zur Arbeitskammer in Abhängigkeit von dem gemessenen Kohlenstoffpotentialwert so gesteuert wird, daß ein vorbestimmtes Kohlenstoffpotential in der Atmosphäre aufrechterhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz von inertem Gas zu der Vorkammer so gesteuert wird, daß der Sauerstoffgehalt in der Vorkammer

und die Menge des in die Vorkammer von der Arbeitskammer eindringenden brennbaren Gases auf Werten gehalten v/ird, die unter den Verbrennungswerten liegen.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz von Stickstoff zu der Vorkammer des Ofens auf Werten bis zu 50% des Trägergasdurchsatzes gehalten wird, der für den Ofen empfohlen ist.
5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Kohlenstoffquelle ein oder mehrere Materialien umfaßt, die aus der aus Erdgas, Methan, Propan, Butan, Kohlenstoffmonoxid und verdampften kohlenstoffhaltigen Flüssigkeiten bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Stickstoff verwendet wird.
7- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Argon verwendet wird.
8. Verfahren zum Karburieren von Stahlwerkstücken in einem Vorkammerofen mit einer integrierten Abschreck-Vorkammer, inneren und äußeren Türen und einer Arbeitskammer, dadurch gekennzeichnet , daß die Arbeitskammer auf eine Temperatur von mindestens 732⁰C (= 135O°F) aufgeheizt wird, während ein Durchsatz von Stickstoff in die Vorkammer so eingeleitet wird, daß die Arbeitskammer im wesentlichen von der umgebenden Atmosphäre isoliert ist und die Explosions-

dann
gefahr ausgeschaltet ist, daß/die äußere Tür geöffnet wird und die Werkstücke in die Vorkammer eingebracht werden, daß darauf die äußere Tür geschlossen wird, und der Druck innerhalb der Vorkammer beobachtet wird, daß die Werkstücke von der Vorkammer in die Arbeitskammer überführt und die innere Tür geschlossen wird, daß ein aus im wesentlichen'aus Erdgas bestehender Gasfluß in die Arbeitskammer eingeführt wird, wo-

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durch die Werkstücke karburiert werden, daß die innere Türe nach Verstreichen einer vorbestimmten Karburierungszeit geöffnet wird, daß die karburierten Werkstücke von der Arbeitskammer in die Vorkammer überführt werden und die innere Tür geschlossen wird, daß die karburierten Werkstücke in der Vorkammer während einer vorbestimmten Zeitlänge abgeschreckt werden, wodurch die Werkstücke einsatzgehärtet werden und daß daraufhin die einsatzgehärteten Werkstücke von der Vorkammer entfernt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die karburierten Werkstücke dadurch abgeschreckt werden, daß sie in ein ölbad während der vorbestimmten Zeitlänge untergetaucht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die karburierten Werkstücke dadurch abgeschreckt werden, daß sie in den oberen Bereich der Vorkammer angehoben werden, wodurch die karburierten Werkstücke in der Umgebung abgeschreckt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre in der Arbeitskammer zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Kohlenstoffpotentials in dieser Atmosphäre gemessen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitungsrate von Stickstoff in die Vorkammer so gesteuert wird, daß der Sauerstoffgehalt in dieser Vorkammer unter dem Wert gehalten wird, der zur Aufrecht erhaltung von Verbrennung nötig ist.
13· Verfahren zum Karburieren von Werkstücken in der Arbeitskammer eines Vorkammerofens, der auf eine Temperatur von mindestens 732⁰C (« 135O⁰F) aufgeheizt wurde, dadurch g e -

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kennzeichnet , daß ein inertes Gas in die Vor-" kamin er mit einem genügenden Durchsatz eingeführt wird, um die. SaifrstnftkccEmtration darin unter den Werten zu halten, die zur Aufrechterhaltung von Verbrennung nötig sind, und daß eine gasförmige Kohlenstoffquelle der Arbeitskammer zugeführt wird, wodurch die Werkstücke karburiert werden.
14. Verfahren zum Karburieren von Werkstücken in der Arbeitskammer eines Vorkammerofens, der auf eine Temperatur von mindestens 732⁰C (= 135O°F) aufgeheizt wurde, dadurch gekennzeichnet , daß eine gasförmige Kohlenstoffquelle der Arbeitskammer zugeführt wird und daß die Atmosphäre darin umgewälzt wird, um dadurch die Werkstücke zu karburieren und daß Stickstoffgas in die Vorkammer mit einem solchen Durchsatz eingeführt wird, daß die Arbeitskammer im wesentlichen von der umgebenden Atmosphäre isoliert ist, während die Kinetik der Karburierungsreaktion in der Arbeitskammer im wesentlichen unbeeinflußt durch einen großen Ver-

durch dünnungsgrad gehalten wird, wie er/große Rückdiffusionen von Stickstoff von der Vorkammer.zur Arbeitskammer erhalten würde.

15· Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken in der Arbeitskammer eines Vorkammerofens mit integraler Abschreckung, der auf eine Temperatur von mindestens 732°C (» 135O⁰F) aufgeheizt wurde, dadurch gekennzeichnet , daß eine gasförmige Kohlenstoffquelle der Arbeitskammer zugeführt wird, daß ein Durchsatz von Ammoniakgas in die Arbeitskammer eingeführt wird, in der die Werkstücke karbonitriert werden und daß ein inertes Gas in die Vorkammer mit einem solchen Durchsatz eingeführt wird, daß die Arbeitskammer im wesentlichen von der umgebenden Atmosphäre isoliert wird, während die Kinetik der Karbonitrierungsreaktion in der Arbeitskammer im wesentlichen unbeeinflußt durch Rückdiffusion des Stickstoffgases von der Vorkammer zu der Arbeitskammer gehalten wird. 709842/0663