DE2710748B2

DE2710748B2 - Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken aus Eisen

Info

Publication number: DE2710748B2
Application number: DE2710748A
Authority: DE
Inventors: Robert I. Somerset N.J. Beck; Raymond L. Newtown Square Pa. Davis Ii
Original assignee: Airco Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1981-01-22
Also published as: JPS52109441A; FR2343817B1; GB1560255A; ES456738A1; BR7701518A; JPS5524500B2; DE2710748A1; US4049473A; IT1071340B; FR2343817A1; CA1084392A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken aus Eisen in der aufgeheizten Arbeitskammer eines Vorkammerofens.

Das Aufkohlen oder Karburieren von Stahlteilen ist ein wohlbekannter Vorgang, bei dem eine »Einsatzhärteschicht« an und unter der Oberfläche der Teile 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 eine gasförmige Umgebung für die Abschreckung zu schaffen, wobei die Abschreckung in der Atmosphäre und/oder in einem Ölbad stattfinden kann. Ie nach der verwendeten besonderen Ofenkonstruktion können die Werkstücke entweder direkt in eine Arbeitskammer eingebracht werden und daraufhin in eine Vorkammer überführt werden, damit eine Atmosphären- 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.

Unter dem Begriff »Trägergas« ist im folgenden ein Endogas oder ein gereinigtes Exogas, das mit einer Menge von Erdgas angereichert sein kann, zu verstehen.

Bei herkömmlichen Verfahren wird nach dem Einführen eines entsprechenden Trägergases eine Tür zu der Arbeitskammer geöffnet, und die aufzukohlenden Werkstücke werden dann in die Arbeitskammer übergeleitet, die vorher auf die benötigte Arbeitstemperatur gebracht wurde. Typischerweise wird ein Endogas, das aus 40% Stickstoff, 40% Wasserstoff und 20% Kohlenstoffmonoxid mit kleineren Anteilen oder Spuren vor 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 Endogas mit einem Zufluß von Erdgas angereichert

Zum ausreichenden Karburieren von Stahlteilen in einem solchen Vorkammerofen werden große Mengen an Erdgas verbraucht, da die Erzeugung und Verwendung von Endogas in einem Karburierungsofen Erdgas oder ein anderes Kohlenwasserstoffgas, z. B. Propan, erforderlich macht. So werden pro hundert Raumteile Endogas annähernd 45 bis 50 Raumteile Erdgas verbraucht, um das Endogas zu erzeugen, und wenn ein mit Erdgas angereichertes Endogas verwendet wird, sind für hundert Raumteile Endogas 10 bis 20 Raumteile zusätzliches Erdgas erforderlich. Es ist deshalb klar, daß ein relativ hoher und unvermeidbarer Verbrauch an Erdgas im Verlauf des normalen Karburierens von Stahlteilen in Vorkammeröfen von vornherein zu erwarten ist.

Der stetig wachsende Verbrauch von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen führt zu einer Verknappung an Erdgas. Es ist deshalb erforderlich, den Erdgasverbrauch zu reduzieren, um eine wirtschaftliche Karburierung von Stahlteilen weiterhin zu ermöglichen.

Außer der Karburierung von Stahl in Vorkammeröfen ist bekannt, diesen Vorgang in einem Ofen durchzuführen, bei dem keine getrennten Einlaß/Auslaß- und Behandlungszonen vorgesehen sind. Ein solcher Ofen wird normalerweise als Tiefofen bezeichnet, und, wenn die geeignete Hilfsausrüstung, wie Leitungen, Filter, Meßeinrichtungen und Kompressoren

so oder dgl. vorgesehen sind, kann die Ofenatmosphäre von dem Tiefofen abgezogen und in Verbindung mit einem reduzierten Durchfluß einer Aufkohlungsquelle, wie z. B. Erdgas, wieder eingebracht werden, wodurch sich im ganzen eine Erdniedrigung des Erdgasverbrauches erzielen läßt im Vergleich mit einem gleichartigen Ofen, der, wie oben beschrieben, ein Trägergas wie Endogas benutzt. Ein solcher Tiefofen ist in der US-PS 33 97 875 beschrieben. Obwohl der Verbrauch von

Aufkohlungs-Material verringert werden kann, ist das gleichzeitige Abschrecken der karburierten Stahlteile bei Tiefofen nicht durchführbar.

Bei den eingangs besprochenen üblichen Karburierungsverfahren muß die Menge des der Arbeitskammer zugeführten Erdgases (zusätzlich zu dem zur Erzeugung und Verbrennung des Endogases erforderlichen Erdgas) genügend hoch sein, um den Entkohlungseffekt von Verunreinigungen, z. B. von Sauerstoff, Wasserdampf, CO₂ oder <igL zu überwinden, die entweder durch Undichtheiten hineinkommen oder durch Raktionen innerhalb der Arbeitskammer erzeugt werden, und ebenso von Verunreinigungen, die in dem Trägergas enthalten sind, um den Kohlenstoffbedarf des Materials zu erfüllen. is

Bei bestimmten Wärmebehandlungsvorgängen, wie sie beispielsweise in der US-PS 34 67 366 beschrieben sind, wird ein zwar inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, der Vorkammer des Ofens zugeführt, um eine Trennung der Arbeitskammer von der Atmosphäre zu erreichen. Es ist jedoch nicht die Zuführung von im wesentlichen einer einzigen gasförmigen Kohlenstoffquelle zu der Arbeitskammer vorgesehen.

In der DE-OS 20 51 743 wird eine Einsatzhärtungsanlage beschrieben, bei der alle Abschnitte der Vorrichtung, nämlich Vorwärmofen, Aufkohlungsofen und Diffusionsofen, als vollständig voneinander getrennte Kammern ausgebildet sind. Zu diesem Zweck sind zwischen diesen Kammern jeweils Doppeltüren vorgesehen. Innerhalb der Doppeltüren ist jeweils ein Raum vorgesehen, der mit einem chemisch neutralen oder einem anderen Gas gefüllt ist Die Atmosphäre in dem Vorwärmofen besteht aus einem neutralen Gas, so daß auf den Werkstücken kein Zunder entsteht und die Werkstücke nicht entkohlt werden. In den Aufkohlungsofen wird immer Generatorgas und Kohlenwasserstoffgas eingeführt Der Aufkohlungsofen weist öffnungen auf zum Abführen dieser Gase aus dem Ofen. Durch diese Einsatzhärtungsanlage soll in jedem Ofenabschnitt die gewünschte Atmosphäre aufrecht erhalten werden, um die Aufkohlungstiefe der Werkstücke genau zu kontrollieren. Auch diese bekannte Vorrichtung arbeitet aber nach dem herkömmlichen Prinzip mit einem Trägergas, das durch den Aufkohlungsofen gespült wird. Dadurch wird relativ viel Aufkohlungsgas benötigt. Durch die kurze Verweilzeit des Aufkohlungsgases in der Arbeitskammer wird dieses schlecht ausgenutzt, keine ausreichend gleichmäßige Aufkohlung erreicht und außerdem viel Wärmeenergie verbraucht.

Die gleiche Aufgabe wie der oben besprochenen Druckschrift liegt der AT-PS 2 90 594 zugrunde. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht diese Druckschrift eine Vorrichtung vor, in der die einzelnen Ofenabschnitte durch Türen gegeneinander abgeschlossen sind. Insbesondere wird die Aufheizkammer durch eine normalerweise geschlossene Tür von der Aufkohlungskammer abgetrennt In der Aufheizkammer herrscht eine Atmosphäre ohne aufkohlende Eigenschaften und in der Aufkohlungskammer eine aufkohlende Atmosphäre. Die Zuführung eines inerten Gases in die Vorkammer ist bei dieser Vorrichtung nicht vorgesehen. Die Zuführung eines inerten Gases in die Vorkammer ist bei dieser Vorrichtung nicht vorgesehen. Die Zuführung eines Aufkohlungsgases ohne Trägergas in die Aufkohlungskammer ist ebenfalls nicht vorgesehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem wesentlich geringere Mengen an gasförmigen Kohlenstoffquellen zur Aufkohiung notwendig sind, und die Verweilzeit der Kohlenstoffquelle innerhalb der Arbeitskammer erhöht wird

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst

Das inerte Gas wird in die Vorkammer des Ofens mit einer möglichst geringen Fließgeschwindigkeit eingeführt, wobei sie jedoch ausreichen muß, 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 können. Die gasförmige Kohlenstoffquelle wird mit relativ niedriger Fließgeschwindigkeit der Arbeitskammer zugeführt Der gasförmigen Kohlenstoffquelle kann gasförmiges Ammoniak zugesetzt werden, um eine Karbonitrierung der Stahlteile zu erreichen. Im folgenden soll der Ausdruck »Karburieren« gleichfalls auch auf das »Karbonitrieren« 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. Bequemlichkeitshalber wird jedoch der Ausdruck »Erdgas« verwendet wobei jede der oben aufgeführten gasförmigen Kohlenstoffquellen damit: gemeint sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Verwendung gegenwärtig zur Verfügung stehender, mit Mängeln behafteter Vorkammeröfen in einer Weise, die der Verwendung von gasdichten Tiefofen nahekommt wobei relativ geringer Kapitaleinsatz zur Veränderung nötig ist Folglich kann der sparsame Umgang mit natürlichen Hilfsmitteln, der eine Eigenschaft der Karburierung in Tieföfen darstellt auch in üblichen Vorkammeröfen voll verwirklicht werden. Die Erfindung ermöglicht erstaunliche Einsparungen (bis zu 95% oder mehr) des bisherigen Erdgasverbrauches 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 in bisher üblichen Verfahren erforderliche Erdgas enthält einen ersten Anteil, der teilweise verbrannt wird, um das Endogas zu erzeugen. Da jedoch der Verbrennungsvorgang ein endothermer Vorgang ist, ist mehr Erdgas anzureichern, muß selbstverständlich zu dem bisher besprochenen Anteil zusätzlich noch Erdgas hinzugefügt werden. Dabei ist zu beachten, daß das als Brenngas zur Erzeugung der nötigen Temperaturen von 732—982° C verwendete Erdgas innerhalb des Karburierungsofens nicht mehr als Erdgas zur Verfugung steht das zur Erzeugung der »Karburierungsatmosphäre« nötig ist

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird damit nicht nur Erdgas eingespart, sondern es wird auch eine entsprechende Karburierung von Stahlteilen erreicht, ohne ein Trägergas (Endogas) zu verwenden, und damit wird auch die bisher übliche Ausrüstung zur Erzeugung diesem Trägergases unnötig.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren die Bereitstellung eines inerten Gases, beispielsweise Stickstoff, erforderlich macht, wobei Stickstoff durch übliche Lufttrennungsverfahren einfach zu erhalten ist sind die Gesamtkosten des Karburieren von Stahlteilen nicht

größer und im allgemeinen sogar kleiner als in konventionellen Vorkammeröfen, die mit angereichertem Endogas als Trägergas arbeiten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Karburieren von Stahlteilen kann in Verbindung mit üblichen Vorkammeröfen durchgeführt werden, die mit Einzelbeschickung oder im Durchlaufverfahren arbeiten. Zusätzlich wird bevorzugierweise der Fluß der gasförmigen Kohlenstoffquelle zur Arbeitskammer des jeweiligen Vorkammerofens dadurch beeinflußt, daß das C-Poten- ι ο tial der Atmosphäre in dieser Kammer gemessen und die Zuführung der gasförmigen Kohlenstoffquelle so beeinflußt wird, daß ein erwünschtes, vorbestimmtes C-Potential aufrecht erhalten bleibt Inertes Gas wird der Vorkammer des jeweiligen Ofens während der Karburierung fortlaufend zugeführt Weiterhin wird das inerte Gas der Vorkammer auch vor deren Beladung mit den Stahlteilen und während des Abschreckens oder sonstigen Abkühlens der Teile nach Herausnahme aus der Arbeitskammer zugeführt

Die optimale Flußrate des inerten Gases in die Vorkammer wird so eingestellt, daß während der Abschreckbedingungen eine Sauerstoffkonzentration aufrecht erhalten wird, die unter der niedrigsten Sauerstoffkonzentration liegt, die für eine Verbrennung der jeweiligen gasförmigen Kohlenstoffquelle erforderlich ist, die mit dem jeweiligen inerten Gas bei den Temperaturen und den Drücken innerhalb der Vorkammer eingespült wird. Auf diese Weise werden sichere Arbeitsbedingungen gewährleistet Die Durchflußrate von Erdgas zur Arbeitskammer wird auf die vorher erwähnte Weise beeinflußt und durch Aufrechterhalten des vorher erwähnten sparsamen Durchflusses an inertem Gas zur Vorkammer wird ein äußerst geringer Inertgas-Rückfluß zur Arbeitskammer erreicht. Auf S5 diese Weise ergibt das in die Vorkammer eingeführte inerte Gas einen relativ geringen Anteil an Inertgas 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 möglichst geringen Durchfluß von Erdgas möglich. Ebenso wird durch Verwendung von derartig geringen Erdgas-Durchflußraten zur Erreichung eines erwünschten C-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 Dadurch wird ein kontinuierliches Herausspülen der so Kohlenstoffquelle aus der Arbeitskammer vermieden, wie es bei den bisher üblichen Techniken der Fall war. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine annehmbare Karburierung bezüglich Einsatztiefe, Kohlenstoffkonzentration, Vermeidung von Ruß, Verfahrenszeit und Verfahrenstemperatur.

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

F i ,g. I eine schematische Teilansicht eines Vor- ω kammerofens für Einzelbeschickung, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet · wird,

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

F i g. 3 eine Teilansicht eines Aufbaues zur Erzeugung eines Flammenvorhanges, der in den in Fig. 1 oder

F i g. 2 dargestellten öfen eingesetzt werden kann,

F i g. 4 ein Diagramm der Härte gegen die Eindringtiefe, von der Werkstückoberfläche aus gerechnet, von Teilen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach einer herkömmlichen Technik karburiert wurden,

F i g. 5 ein Diagramm der Durchflußmenge des inerten Gases durch die Vorkammer gegen die Durchflußraten einer gasförmigen Kohlenstoffquelle bei verschiedenen C-Potentialen in der Arbeitskammer.

In F i g. 1 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ofens 10 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 Failtüre 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 14 und der Außenfläche des Ofens 10 gebildet wird. Dazuhin ist die Türe 13 in gleicher Art über ein Kabel 15 und eine Rolle 16 zu betätigen. Wenn hier über Zugrollen geführte Kabel zur Betätigung der Türen 13 und 17 dargestellt sind, 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 eine Fördereinrichtung 20 vorgesehen, die eine Vielzahl angetriebener bzw. freilaufender Walzen umfaßt, über die ein Gefäß 21, das die aus Stahl bestehenden Werkstücke 22 enthält ins Innere befördert wird. Ein Tragrahmen 23, der den Ofen 10 trägt und ein Abschrecktank 46 sind 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 Gefäß mit den Stahlteilen in ein solches Abschreckbad hinabzulassen und wieder heraufzuholen oder um das Gefäß in den oberen Abschnitt der Vorkammer zu heben (so daß es dem direkten Umwälzaiiteil 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 It mit allgemein weniger als 50%, vorzugsweise 25 bis 30% des empfohlenen Trägergasflusses dem Ofen 10 zugeleitet Ist beispielsweise die Tragergasmenge, die für den Ofen 10 empfohlen ist etwa 1133 m³ pro Stunde, so wird vorzugsweise Stickstoff mit einer Menge von nur 0,28 m³ pro Stunde oder weniger bis zu %25 mVh der Vorkammer dieses Ofens mit einer Beschickung

durchgeführt. 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, daß durch Aufrechterhalten des eben erwähnten Stickstoffflusses 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, ist Erdgas, obwohl Methan, Propan usw. gleich gut verwendet werden können. Erdgas kann von dem Vorrat 31 durch das Ventil 32 und die Leitung 33 der Arbeitskammer ί2 zugeführt werden. !m Rahmen des Erfindungsgedankens können auch kleinere Mengen anderer nicht entkohlender Mittel, wie beispielsweise Rohammoniak, nicht als Trägergas, aber zum !Carbonitrieren von Werkstücken 22, eingeleitet werden. So ist ein Ammoniakvorrat 43, eine Leitung 44 und ein Abschaltventil 45 vorgesehen, damit wahlweise gasförmiges NH₃ der Arbeitskammer 12 zugeführt werden kann. Da erfindungsgemäß kein Trägergas (Endogas) erforderlich ist, sondern dieses gerade vermieden wird, ist eine relativ geringe Durchflußrate der gasförmigen Kohlenstoffquelle (in der Größenordnung von 10 bis 40% der Durchflußmenge des zur Anreicherung des Endogases verwendeten Erdgases) erforderlich, um die Stahlwerkstücke 22 in der Arbeitskammer 12 ausreichend zu karburieren. Durch die Benutzung einer relativ niederen Durchflußrate von Erdgas wird nicht nur die bisher zum Anreichern des Trägergases benutzte Erdgasmenge um bis zu 90% eingespart, sondern auch das Trägergas (Endogas) (in dem bisher beträchtlich mehr Erdgas als oben erwähnt enthalten ist) und die zur Erzeugung dieses Gases benötigte Ausrüstung sind 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 waren, erreicht werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Zusätzlich können, wie bereits oben bemerkt, die Wärmebehandlungsanlagen, die der scharfen Beschränkung von Erdgasversorgungen unterworfen sind, mit 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 C-Potentials der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer 12 vorgeschlagen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein Sensor oder eine Sonde 34 zur Messung des C-Potentials in einem getrennten Ofen 41 eingesetzt, mit dem eine Probenentnahmeleitung 40 in Verbindung steht Ein Aufzeichnungs- und Steuergerät 36 ist über ein Kabel 35 mit der Sonde 34 verbunden. Vorzugsweise umfaßt die Sonde 34 einen dünnen Draht der in der Atmosphäre des getrennten Ofens 41 angebracht ist eo wobei die Atmosphäre dieses Ofens die Atmosphäre in der Arbeitskammer 12 repräsentiert Der Widerstand des Drahtes ändert sich als Funktion des C-Potentials der Atmosphäre der Arbeitskammer. Diese Widerstandsänderung erfolgt, weil der Draht selbst karburiert und dekarburiert wird, wenn das C-Potential der Atmosphäre größer oder geringer als der Kohlenstoffgehalt des Drahtes ist Ein elektrisches Signal, das den Kohlenstoffgehalt innerhalb der Arbeitskammer 12 repräsentiert, wird über ein Kabel 35 dem Aufzeichnungs- und Steuergerät 36 zugeführt, das den Wert des C-Potentials 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 C-Potential innerhalb der Arbeitskammer 12 entspricht. Durch Vergleichen des über das Kabel 35 empfangenen Signals, das dem tatsächlichen Wert des C-Potentials der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer 12 entspricht mit dem erforderlichen eingestellten C-Potential 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 damit 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 C-Potentials einer Ofenatmosphäre dar und sind im Handel erhältlich. Die Sonde 34 kann auch direkt in der Arbeitskammer 12 angebracht werden, obwohl eine Anbringung dieser Sonde in einem getrennten Ofen 41 bevorzugt wird, da dieser leichter auf der richtigen Temperatur gehalten werden kann. Übliche Umwälzlüfter (nicht gezeigt) 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 F i g. 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 aufrecht erhalten wird, die beispielsweise 25 bis 30% der empfohlenen Durchflußgeschwindigkeit für Endogas als 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 5Γ unmittelbar außerhalb des Ofens 10 entzündet wie es in Fig.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 überführt während die innere Tür 17, wie in Fig. 1 gezeigt, in geschlossener Stellung bleibt Die äußere Tür 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 die Arbeitskammer 12 im wesentlichen gegen die Umgebungsluft abgeschirmt ist Das Auftreten dieses potiven Druckes wird durch die Wirkung der Zündflamme 39 angezeigt, da bis dahin die

Flamme dieses Brenners zur öffnung 38 in der Tür 13 hingezogen wird. Wenn jedoch ein positiver Druck als Folge des fortwährenden Stickstoffeinflusses durch die Leitung 26 in die Vorkammer 11 erreicht wird, bleibt die Zündflamme 39 außerhalb der äußeren Tür 13. Wenn die Flamme in diesem Zustand eine vorbestimmte Zeitspanne, die von der Größe des jeweiligen Ofens abhängt, beobachtet werden konnte, ist der Sauerstoffgehalt der Vorkammer U unter den Wert gesunken, bei dem eine Gefahr besteht Zu diesem Zeitpunkt wird die innere Tür 17 geöffnet und das Gefäß 21 in die Arbeitskammer 12 eingebracht

Es hat sich gezeigt, daß nach dem Offnen der inneren Tür 17 und dem Einbringen des Gefäßes 21 in die Arbeitskammer 12 etwas Luft in die Vorkammer 11 und js unterhalb der inneren Tür 17 in die Arbeitskammer 12 gezogen wird, da diese Türen nur unvollkommen abdichten, und die Arbeitskammer 12 relativ gasdicht ist Damit wird das C-Potential der Atmosphäre innerhalb der Kammer 12 gesenkt, da selbstverständlich die Luft dekarburierende Mittel wie Sauerstoff, CO2-Verunreinigungen und Wasserdampf enthält Dementsprechend nimmt das C-Potential 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, C-Potentiale allgemein bei der Verfahrenstemperatur oder bei der Karburierungstemperatur des Ofens zu erfassen, und da die öffnung der inneren Tür 17 und das Einbringen der kalten Werkstücke 22 und des kalten Gefäßes 21 eine Verminderung der Temperatur in der Arbeitskammer verursachen, die die Reaktionskinetik und damit das Ausmaß der 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 verbleiben. 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 C-Potential innerhalb der Arbeitskammer 12 wird mittels Sonde 34 und Aufzeichnungs-Steuergerät 36 beeinflußt, während durch (nicht gezeigte) Umwälzgebläse 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 C-Potential (beispielsweise 1%) aufrecht zu erhalten, da das Gefälle zwischen dem C-Potential 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 Endogas kein Kohlenstoffträger aus der Arbeitskammer ausgespült wird und in die Vorkammer eindringt. Auf diese Weise wird der rargewordene Kohlenstoffträger, zum Beispiel das Erdgas, äußerst wirksam ausgenutzt, wenn das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Zusätzlich wird die Tendenz des Stickstoffes zur »Rückdiffusion« in die Arbeitskammer wesentlich verringert, da der Stickstoffdurchsatz von dem Vorrat 25 in die Vorkammer 11 auf einen Wert von beispielsweise 25 bis 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 Karburierungs- und Abschreckungsverfahrens ze^;gen, daß der Vorgang sicher, d. h. frei von Explosionen, ist, wenn ein Stickstoffdurchfluß durch die Vorkammer während des Abschreckens eingehalten wird, der 25 bis 30% des empfohlenen TrägergasdurchfluEses beträgt

Darüber hinaus hat es sich gezeigt daß nicht nur die Reaktionskinetik nicht durch Stickstoff-Rückdiffusion behindert wird, sondern daß durch die Herabsetzung des Stickstoffdurchsatzes ein noch weiter erniedrigter Durchsatz von gasförmiger Kohlenstoffquelle wirksam die Dekarburierungseffekte von in die Arbeitskammer eindringender Luft oder aus der Arbeitskammer entweichender Atmosphäre überwindet wobei trotzdem ein vorbestimmtes C-Potential innerhalb der Arbeitskammer 12 aufrecht erhalten bleibt Diese Beziehung wird in F i g. 5 dargestellt Z. B. sind zur Aufrechterhaltung eines C-Potentials von 1,30 0,595 NmVh Erdgas erforderlich, wenn 8,5 Nm³/h Stickstoff der Vorkammer des Ofens zugeführt werden. Das gleiche C-potential kann jedoch bei einem Durchsatz von annähernd 0,46 NmVh Erdgas aufrecht erhalten werden, wenn der Durchsatz von Stickstoff in der Ofen-Vorkammer auf 5,66 NmVh 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 Endogas und das zusätzliche Erdgas zur Anreicherung eingespart werden, sondern es ergibt sich sogar eine weitere Einsparung in der erforderlichen Menge der gasförmigen Kohlenstofquelle 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 vom 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 Weise stellt die vorliegende Erfindung eine beträchtliche Verbesserung gegenüber

dem Stand der Technik dar, bei dem ein Trägergas (Endogas) verwendet wird, das mit Erdgas angereichert ist, da das erfindungsgemäße Verfahren den Betrieb solcher Vorkammeröfen in einer Weise erlaubt, als ob es sich um hochwirksame Schachtofen handeln würde.

Die Karburierung von Werkstücken wird dann während einer bestimmten Zeitlänge, z. B. 2,0 bis 3,0 Stunden, fortgesetzt Daraufhin wird die Tür 17 geöffnet und das Gefäß 21 in die Vorkammer 11 zurückgebracht Obwohl durch diese Tätigkeit etwas _t0 von der karburisierenden Atmosphäre aus der Arbeitskammer 12 in die Vorkammer 11 fließt, ist sicher, daß keine Explosions- oder 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 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 Umgebungsabschreckung 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 Außentür 13 herum in die Vorkammer 11 auf. Da jedoch das Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, in die Vorkammer U während des Abschreckens der karburisierten Werkstücke weiterhin einfließt, bleibt die Menge von Sauerstoff, die in die Vorkammer 11 eingezogen wurde, dennoch unter dem Wert, bei dem eine Verbrennung eintritt Da weiterhin die oben beschriebene Einsaugwirkung erst dann auftritt, nachdem die Werkstücke in dem ölbad untergegangen sind, ergibt der eingetretene Sauerstoff keine schädliche Wirkung auf die Werkstükke 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 N2- Durchsatz benötigen, um das Eindringen von dekarburierenden Mitteln 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 Werkstücke. Dieser letztere Vorgang wird in ähnlicher Weise wie die Karburierung durchgeführt, jedoch wird eine gesteuerte Menge von Rohanunoniak 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 C-Potential von annähernd 0,9 aufrecht erhalten 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 C-Potential ermöglicht Das Aufzeichmungs- und Steuergerät 36 wird dann auf ein C-Potential von annähernd 1,2 eingestellt und ein gesteuerter Durchsatz von RoIi-NH₃ wird durch die Leitung 44 jnd das Ventil 45 in die Arbeitskammer 12 eingeleitet Das C-Potential (1, 2), das durch das Aufzeichnung»- und Steuergerät 36 erfaßt wird, bildet dann eine Kombination der Kohlenstoff- und Nitrierungspotentiale der Atmosphäre innerhalb der Arbeitskammer 12, da die Sonde 34 auch einen Wechsel im Widerstand erführt, wenn eine nitrierende Atmosphäre erfaßt wird, was in gleicher Weise geschieht wie die Erfassung des C-Potentials 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 aufrecht erhalten werden, und dadurch, daß die Werkstücke 22 einer solchen Atmosphäre in Zeitabschnitten zwischen 30 Minuten und einigen Stunden bei Temperaturen zwischen 732° C und 900⁰C ausgesetzt werden, wird ein Karbonitrieren dieser Werkstücke erreicht Das erfindungsgemäße Karbonitrierverfahren von Werkstücken 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 Verfahren benötigten Mengen erreicht werden kann, wobei die erforderlichen Karbonitrationsgrade erhalten werden.

In F ig. 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 F i g. 1 unterschiedlich sind. Ein Stickstoffvorrat 25 ist über Leitungen 26 und 42 und das Ventil 27 so verbunden, daß wahlweise Stickstoff der Vorkammer 111 zugeführt werden kann. Zusätzlich sind eine Leitung 53 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 Durchlauföfen 10' üblich ist

Der Betrieb des Durchlaufofens 10' nach der Lehre der vorligenden Erfindung wird nun kurz geschildert: Anfangs wird die Arbeitszone 12 auf die erforderliche Temperatur von beispielsweise 954° C gebracht, und der erforderliche Stickstoffdurchisatz wird bei den Vorkammern 11 und 52 eingestellt Sobald ein positiver Druck beispielsweise in der Vorkammer 11 festgestellt wird, wird die Tür 13 geöffnet, und die zu karburierenden Werkstücke können eingelassen werden. Gleicherweise wird die Tür 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 54 geöffnet, damit die Werkstücke fortlaufet unter diesen Türen hindurchtreten können. Zusätzlich wird die Gefahr, daß dekarburierende Mittel in der umgebenden Atmosphäre in die Arbeitszone 12 durch die Vorkammern eintreten können, bedeutend vermindert, wenn ein Stickstoffdurchsatz in die Kammern 11 und 52 so aufrecht erhalten wird, daß er einen leichten Oberdruck 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 C-Potentials der Arbeitskammeratmosphäre, das durch den Erdgasdurchsatz durch das Ventil 32 und die Leitung 33 in die Zone 12 erzeugt wird, dieses C-Potential genau aufrecht erhalten werden, damit die erforderliche Karburierung der Werkstücke 22 eintritt Folglich wird die in einen getrennten, auf konstanter Temperatur gehaltenen Ofen 41 angebrachte Sonde 34 die diesem Ofen durch die Entnahmeleitung 40 von der Arbeitszone 12 zugeführte Atmosphäre erfassen, und das Aufzeichnungs-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 F i g. 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 wärmebehandelten 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 Abschrecken 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 im Handel erhältlich ist Dieser Ofen ist ähnlich wie Ofen 10 in F i g. 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 45,4 kg Stahlstangen und Stahlprobenstücke der Legierungen 1020 (AiSI-SAE) und 8620 (AISI-SAE) bei 954° C fünf Stunden lang in einer Atmosphäre mit einem C-Potential von 1,28 karburiert

Durchlauf Λ

Ein Durchfluß von 113NmVh (empfohlene Durchflußrate bei diesem Ofen) von einem Endogas (40% N₂, 40% H₂,20% CO) wurde der Arbeitskammer des Ofens zugeführt, und eine Anreicherung von Erdgas mit einem durchschnittlichen Durchfluß von 037 Nm³Zh wurde zur Aufrechterhaltung eines C-Potentials von 1,28 zugesetzt. Das geschah in Übereinstimmung mit den

ίο Karburierungstechniken nach dem Stand der Technik. Die Knoop-Härte wurde in verschiedenen Tiefen von der Oberfläche des Werkstückes aus gemessen, und die Härte wurde gegen die Tiefe in Fig.4 als Kurve »Durchlauf A« aufgetragen. Eine effektive Einsatztiefe (bei einer Knoop-Härte von 540) von 1,68 mm wurde erreicht

Durchlauf ß Bei diesem Durchlauf wurde ein Durchsatz von

Stickstoff mit 2,83 NmVh der Vorkammer des Ofens zugeführt, und durchschnittlich 0,07 NmVh Erdgas wurden in die Arbeitskammer eingeführt, um das vorerwähnte C-Potential aufrecht zu erhalten. Die Knoop-Härte des karburierten Teststückes wurde durch die übliche Technik bestimmt und als Kurve »Durchlauf Ä< in F i g. 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 Härtewert 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.

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 Endogas als Trägergas weggelassen würde, und zwar ergab sich das als Folge des verminderten Stickstoffdurchflusses durch die Vorkammer, womit sich ein geringer Druck in der Arbeitskammer und ein geringerer Verlust an die Atmosphäre ergaben. Die Herstellung und Verbrennung von 113NmVh von Endogas erforderten annähernd 637 NmVh Erdgas und zusätzlich eine Spitze von 0,37 NmVh Erdgas, woraus sich ein Gesamtdurchsatz

so von 6,73 NmVh ergibt Im Gegensatz zu diesem relativ großen Verbrauch von Erdgas waren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur insgesamt 0,07 NmVh 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 Endogas als Trägergas.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken aus Eisen in der aufgeheizten Arbeitskammer eines Vorkammerofens, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes Gas mit einem Durchsatz in die Vorkammer eingeführt wird, bei dem der Sauerstoffgehalt in der Vorkammer unterhalb von Werten gehalten wird, bei denen eine Verbrennung stattfindet, und daß der Arbeitskammer zur Aufkohlung der Werkstücke eine gasförmige Kohlemtoffquellc ohne jedes Trägergas zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer auf eine Temperatur von mindestens 732° C aufgeheizt wird

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, diß zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Kohlenstoffpotentials in der Atmosphäre der Arbeitskammer das Kohlenstoffpotential in der Arbeitskammer gemessen wird, und die Zufuhr der gasförmigen Kohlenstoffquelle in Abhängigkeit von dem gemessenen Kohlenstoffpotential gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmige Kohlenstoffqueue Erdgas, Methan, Propan, Butan, Kohlenmonoxid und/oder verdampfte kohlenstoffhaltige Flüssigkeiten verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Stickstoff verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff mit einem Durchsatz, der bis zu 50% des für den betreffenden Ofen normalerweise empfohlenen Durchsatzes für das Trägergas beträgt, in die Vorkammer eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Argon verwendet wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskammer zusätzlich zu der gasförmigen Kohlenstoffquelle gasförmiges Ammoniak zur Karbonitrierung der Werkstücke zugeführt wird.