DE2837272B2 - Verfahren zur Gasaufkohlung von Werk stucken aus Stahl - Google Patents

Verfahren zur Gasaufkohlung von Werk stucken aus Stahl

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufkohlung von Werkstücken aus Stahl in einem Ofenraum, bei dem in der Anfangsphase der Behandlung mehr Kohlenstoff als gewünscht in der Werkstückoberfläche gelöst wird und in der Endphase der Behandlung auf den gewünschten Randkohlenstoffgehalt durch Änderung des Mengenstroms eines Entkohlungsgases entkohlt wird.
Zweck der Erfindung ist es, bei der Gasaufkohlung von Werkstücken in einem Ofenraum, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 100-1100°C, eine gleichmäßige Aufkohlungstiefe und einen genauen Randkohlenstoffgehalt an der gesamten Werkstückoberfläche und an allen Stellen der Charge zu erzielen. Aus wirtschaftlichen Gründen soll dies in einer kurzen Behandlungszeit und mit geringem apparativem Aufwand geschehen.
Nach dem Stand der Technik wird eine gleichmäßige Aufkohlungstiefe der aufgekohlten Werkstückoberfläche dadurch angestrebt, daß ein kohlenstoffhaltiges Gas in einer begrenzten Kohlenstoffkonzentration mit der Werkstückoberfläche in Berührung gebracht wird, so daß diese den Kohlenstoff aufnehmen kann und sich keine Rußabscheidungen an den Werkstücken und im Ofen bilden.
Trotz aller Bemühungen, den Aufkohlungsvorgang zu regeln, treten unabhängig von der Art der Regelung immer noch erhebliche Differenzen der Aufkohlungstiefe innerhalb der Charge auf. Die vom umgewälzten Aufkohlungsgas direkt angeströmten Stellen kohlen stärker auf, als die im Schatten des Umwälzgasstromes liegenden.
Werden größere Aufkohlungstiefen angestrebt (etwa über 0,5 mm), wird zur Erhöhung der Eindringgeschwindigkeit zunächst ein zu hoher Randkohlenstoffgehalt in Kauf genommen und dieser anschließend in einem geregelten Abkohlungsvorgang auf den gewünschten Wert gesenkt Unter einer Abkohlung wird nach DlN 17 014 eine den Kohlenstoffgehalt lediglich verringernde Entkohlung — im Gegensatz zur Auskohlung — verstanden. Die Abkohlung erfolgt durch Zufuhr eines kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Gasgemisches (Endo-Gas - ca. 20% CO, 40% H2 Rest N2) mit einer entsprechenden Zugabe von Luft im Rahmen der chemischen Gleichgewichte. Auch die Reproduzierbarkeit des Randkohlenstoffgehaltes ist nach vorangegangener Überkohlung in einem derartigen Gasgemisch noch nicht befriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schattenbiidungen bei der Aufkohlung zu vermeiden und in einer kurzen Behandlungszeit eine möglichst gleichmäßige Aufkohlungstiefe an allen Stellen der Werkstücke innerhalb einer nicht belegten Charge zu erreichen und anschließend den Randkohlenstoffgehalt der Werkstükke exakt und reproduzierbar auf den gewünschten Sollwert zu bringen, ohne aufwendig erzeugte Gasgemische, wie z. B. Endogas, verwenden zu müssen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Entkohlungsvorgang durch ausschließliches Einführen eines wasserstofffreien sauerstoffhaltigen Entkohlungsgases in den Ofenraum vorgenommen wird. Dabei wird der Mengenstrom des Abkohlungsgases in an sich bekannter Weise so eingeregelt, daß das beim Abkohlungsvorgang entstehende Sauerstoffpotential der Ofenatmosphäre im chemischen Gleichgewicht zu dem gewünschten Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke steht. Vorzugsweise wird als Abkohlungsgas Luft angewandt. Weiterhin wird vorzugsweise der Überkohlungsvorgang in der Anfangsphase unter Rußabscheidung durch ein über das Lösungsvermögen der Werkstückoberfläche hinausgehendes Überangebot an Kohlenstoff im Aufkohlungsgas vorgenommen.
Der Erfindung Hegen folgende neue Erkenntnisse zugrunde:
1. Der Kohlenstoffpegel der Ofenatmosphäre (DlN 17 014 BL 1) und damit der Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke wird bei dem bekannten Verfahren durch das chemische Gleichgewicht mit der kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ofenatmosphäre bestimmt Zur Ermittlung muß deren C/H- und damit der CO-Mengenanteil bekannt sein. Während des Entkohlungsvorganges verändert sich dieser jedoch laufend, da neben den bekannten Mengen der zugehörigen kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Gase eine nicht erfaßbare Menge Kohlenstoff während des Entkohlungsvorganges von der Ofenatmosphäre aufgenommen wird. Bei der erfindungsgemäßen Abkohlung der Werkstücke vorzugsweise durch Luft, entstehen im Ofenraum ausschließlich die reaktionsfähigen Gaskomponenten CO und CO2. Da keine wasserstoffhaltigen Gase vorhanden sind, liegt der gesamte durch die Luft eingebrachte Sauerstoff in Form von CO und CO2 vor.
Da der Sauerstoff-Mengenanteil der Luft konstant ist, nimmt der CO- und CO2-Mengenanteil im Ofenraum ebenfalls einen konstanten Wert an. Damit ist die Voraussetzung geschaffen, um durch alleinige Messung des CO2-Mengenanteils oder des Sauerstoffpotentials mittels eines Festkörper-Elektrolyten eindeutig den Kohlenstoffpegel der Ofenatmosphäre während der Abkohlungskinetik zu ermitteln.
An einem Zahlenbeispiel sei der Unterschied der erfindungsgemäßen Abkohlung ausschließlich mit Luft von der bekannten Abkohlung in einem Endogas-Luft-Gemisch erläutert:
Der Kohlenstoffpegel der Ofenatmosphäre ist proportional dem Verhältnis der Teildrücke p2(CO)/p(CO2).
Bei Endogas aus Erdgas liegt der CO-Wert bei konstant 20% Vol. und CO2 wird durch Zugabe von Kohlenwasserstoff oder Luft auf den gewünschten Wert eingeregelt Bei der Abkohlung erfordert die Regelung des CO2-Wertes wechselnde Luftmengen. Durch Reaktion der zugeführten Luft mit dem überschüssigen Kohlenstoff verändern sich somit die CO-Werte der Ofenatmosphären wie folgt:
10% Luftzugabe zum Endogas ergibt
21,4% COimOftnraum
20% Luftzugabe zum Endogas ergibt
22,8% CO im Ofenraum
30% Luftzugabe zum Endogas ergibt
24,2% CO im Ofenraum
=> 50% Luftzugabe zum Endogas ergibt
27% CO im Ofenraum.
Die fehlerhafte Ermittlung des Kohlenstoffpegels ist offensichtlich, wenn — wie üblich — von konstanten CO-Werten der Ofenatmosphäre ausgegangen wird. Bei der erfindungsgemäßen Abkohlung mit Luft liegt der CO-Gehalt, unabhängig von der durch Regelschritte zugeführten Luftmenge konstant bei 34% Vol. CO.
2. Die Gleichmäßigkeit der Aufkohlungstiefe an sämtlichen Oberflächen der Werkstücke einer Charge nimmt zu, wenn ein Überangebot an Kohlenstoff über die im gelösten Zustand von Stahl aufnehmbaren Mengen vorliegt Bei den direkt von Kohlungsgas angeströmten Oberflächen ist hierbei das Kohlenstoffangebot so groß, daß es das Lösungsvermögen der Stahloberfläche für Kohlenstoff übersteigt Bei den im Schatten des Umwälzgasstromes liegenden Oberflächen ist das Kohlenstoffangebot immer noch so hoch, daß es zumindest dem Aufnahmevermögen der
Werkstückoberfläche entspricht Die durch das Überangebot an Kohlenstoff entstehende Rußbildung im Ofen und an gewissen Stellen der Werkstückoberfläche ist überraschenderweise unschädlich, da entgegen vielfach geäußerter Befürchtungen durch die Kohlenstoffab-
jo scheidung an der Werkstückoberfläche keine Behinderung des Aufkohlungsvorganges eintritt.
Durch den Regelvorgang im Rahmen der Abkohlungsphase wird die zugeführte Luftmenge so dosiert, daß als Verbrennungsprodukt im Ofenraum im wesentli-
j5 chen nur CO entsteht. Bei Luft als Abkohlungsgas liegt der CO-Wert konstant bei etwa 34%. Die zulässigen CO2-Werte der Ofenatmosphäre werden gemessen und repräsentieren den Kohlenstoffpegel. Nach ihnen wird der Mengenstrom der Luft geregelt in dem Sinne, daß bei unterhalb des Sollwertes liegenden CO2-ISt-Werten der Mengenstrom der Luft erhöht wird. Die Zahlenwerte hängen vom gewünschten Randkohlenstoffgehalt der Werkstücke und von der Ofentemperatur ab. Bei getrockneter Luft als Abkohlungsgas besteht beispielsweise bei Normaldruck folgender Zusammenhang:
Kohlen- Ofenraumtemperatur
stofTpegel 900 C 920 C
940 C
9801C
lOOO'C
10200C
1040C
0,6% 0,75?% CO2 0,612 0,499 0,410 0,341 0,283 0,238 0,201% CO2
0,7% 0,626% CO2 0,509 0,414 0,341 0,283 0,235 0,198 0,168% CO2
0,8% 0,529% CO2 0,430 0,350 0,288 0,239 0,199 0,167 0,141% CO2
0,9% 0,454% CO2 0,343 0,279 0,230 0,191 0,158 0,133 0,113% CO2
1,0% 0,393% CO2 0,320 0,261 0,215 0,178 0,148 0,125 0,105% CO2
1,1% 0,346% CO2 0,264 0,215 0,176 0,147 0,122 0,103 0,087% CO2
(Volumenprozente)
Die vorgenannten CO2-Werte bei der erfindungsgemäßen Abkohlung ausschließlich mit Luft liegen knapp 3 χ so hoch, wie bei einer konventionellen Ofenatmosphäre aus sogenanntem Endogas aus Erdgas. Sie gelten nach abgeschlossenem Atmosphärenwechsel von Aufkohlungsgas zu Abkohlungsgas. Erfolgt der Atmosphärenwechsel durch Abpumpen (Vakuum), so gelten die Werte uneingeschränkt. Erfolgt der Atmosphärenwech-
sei durch Verdrängen der Aufkohlungsatmosphäre mit Luft als Abkohlungsmittel, so liegen den Werten eine 4fache Spülung des Ofenraumes mit dem Abkohlungsgas zugrunde.
Die entsprechenden Werte für die Spannung eines Sauerstoffionen leitenden Festkörper-Elektrolyten auf Zirkonoxyd-Basis betragen bei der Abkohlung mit trockener Luft:
Kohlenstoffpegel
Ofenraumtemperatur
900 C 920 C
940 C
960 C 980 C
1000 C
1020 C
1040 C
0,6% 1086 1090 1094 1099 1103 1108 1112 1117
0,7% 1095 1100 1104 1109 1113 1118 1123 1127
0,8% 1104 1108 1113 1118 1123 1127 11? 2 1137
0,9% 1111 1116 1121 Ii 26 1131 1136 1140 1145
1,0% 1119 1124 1129 1134 1138 1143 1148 !153
1,1% 1125 1131 1136 1141 1146 1151 1156 1161
Die Werte der Tabelle in Millivolt, Referenzgas Luft, Normaldruck.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine exakte Abkohlung. Dadurch ist es möglich, den vorangegangenen Aufkohlungsprozeß ungeregelt vorzunehmen. Ein ungeregeltes Überangebot von Kohlenstoff führt — falls die von den Werkstücken aufgenommene Kohlenstoffmenge schwankt — zu einem mehr oder weniger an Kohlenstoffabscheidung im Ofen oder an der Werkstückoberfläche. Für den nachfolgenden geregelten Abkohlungsvorgang bedeutet dies, daß zur Aufrechterhaltung des gewünschten Kohlenstoffpegels je nach vorhandener K> >hlenstoffmenge ein mehr oder weniger großer Mengenstrom Luft zugeführt wird.
Wie vorstehend erläutert, erfordert die Werk'tück-GleichmäPigkeit bei einer starken Übersdiuß-Aufkohlung keine Regelung des Aufkohlungsvorganges. Im praktischen Ofenbetrieb ist jedoch eine solche empfehlenswert. Der überschüssige Kohlenstoff des Aufkohlungsvorganges ist nämlich die Ausgangsbasis der Ofenatmosphäre des Abkohlungsvorganges und muß in ausreichender Menge anfallen.
Die starke Überschuß-Aufkohlung wird durch Einführen von Kohlenwasserstoffen (z. B. Erdgas oder Propan) in dem Ofenraum bewirkt. Hierbei kann die Menge des im Ofenraum abgeschiedenen Kohlenstoffes durch Verändern der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge variiert werden. Als Regelgrößen eignen sich:
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eine optische Messung der Trübung der Ofenatmosphäre oder der Werkstücke durch Rußbildung;
eine AnaJyse des im Ofenraum vorhandenen CH4 Mengenanteils.
Zur sicheren Deckung des zur Herstellung der Abkohlungsgasmenge notwendigen Kohlenstoffs kann auch ein kohlenstoffhaltiger Festkörper ir. den Ofenraum eingeführt werden, der Kohlenstoff abgibt, wenn der beim uberkohlungsvorgang abgeschiedene Kohlenstoff nicht ausreicht.
Bei besonders hohen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Aufkohlungstiefe wird der Aufkohlungsvorgang unter Überdruck oder pulsierendem Normaldruck-Uberdruck vorgenommen. Auf diese Weise kann auf die bisher für die Gasverteilung und Spülung notwendige Umwälzung des Aufkohlungsgases verzichtet werden, da die unter Druck stehende Ofenatmosphäre genügend Kohlenstoff in die enge Spalte einer dichten Charge fördert. Durch den Überdruck erfolgen mehr aktivierende Molekülzusammenstöße der Gase untereinander, die die Spaltung der Kohlenwasserstoffe u:id damit die Kohlenstoffabgabe fördert Damit wird die passivierende Wirkung von Molekülwandstößen innerhalb der Chargen überdeckt, da mit dem Gasdruck die Zahl der aktivierenden Molekülzusammenstöße untereinander im Quadrat, die Zahl der passivierenden Wandstöße jedoch nur linear ansteigt Somit verringert sich mit zunehmendem Gasdruck die durch die Werkstückform selbst bedingte Aufkohlungsschattenwirkung an konkaven Stellen, z. B. Sacklöchern oder Innenkanten.
Auch der erfindungsgemäße Abkohlungsvorgang kann unter Überdruck oder pulsierendem Normal-Überdruck vorgenommen werden.
Die Qualität der durch reine Kohlenwasserstoffe aufgekohlten und anschließend in einer wasserstofffreien Ofenatmosphäre abgekohlten Werkstücke aus Stahl ist sehr gut. Beim AufkohlungsVorgang, wird — im Gegensatz zur konventionellen Aufkohlung in CO-haltigem Endogas — kein Sauerstoff unerwünscht übertragen. Es erfolgt daher beim Aufkohlungsvorgang keine nicht mehr rückgängig zu machende Randoxidation. Beim Abkohlen in wasserstofffreiem Gas kann beim Aufkohlungsvorgang eingedrungener Wasserstoff wieder entweichen. Somit bewirkt die Abkohlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu den bekannten Verfahren keine Qualitätsminderung der Werkstücke durch aufgenommenen Sauerstoff oder Wasserstoff.
Das Verfahren sei nachstehend anhand von Beispielen erläutert:
Eine Charge (350 kg) mit dicht beieinander stehenden Nockenwellen wird bei 1020° C 3 Stunden lang durch Zufuhr von ca. Vn= Ί m3/h Erdgas in einem automatischen Kammerofen unter Rußbildung überkohlt. Anschließend wird die Erdgaszufuhr eingestellt und zunächst Vn = 8 mVh Luft zugeführt. Nach wenigen Minuten ist der CO2-Sollwert von 0,13% erreicht und ein Motorventil drosselt die zugeführte Luftmenge. Am Ende der Abkohlungszeit von 45 Minuten beträgt die zur Aufrechterhaltung des CO2-Sollwertes notwendige Luftmenge nur noch Vn = 3 mVh. Der gesamte Luftverbrauch zur Abkohlung der Charge betrug Vn = 4 m3. Damit wurden während der Abkohlungsphase 900 g Kohlenstoff vergast.
Ergebnis:
Einsatzhärtungstiefe
Randkohlenstoffgehalt
Gefüge
Aussehen
2,2 mm ±0,1 mm
O,95o/o
Martensit, auch an
Außenkanten frei von
Karbiden
blank und rußfrei
Die erzielte Aufkohlungsgeschwindigkeit ist so hoch, wie sie ansonsten nur bei der sogenannten Unterdruck-Aufkohlung erreicht wird. Die gleiche Charge weist bei konventioneller Gasaufkohlung ohne Abscheidung freien Kohlenstoffes in der Aufkohlungsphase eine geringere Einsatzhärtungstiefe (1,6 mm) mit größeren Streuwerten (± 0,3 mm) auf.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden Düsenkörper für Dieselmotoren wie folgt aufgekohlt:
Behandlungstemperatur 8500C
Überkohlung 1,75 h mit Propan,
Mengenstrom geregelt bei 35% CH4, im Ofenstrom gemessen
Abkohlung 1,5 h mit Luft,
Mengenstrom geregelt mit Festkörper-Elektrolyt 1092mV
Ergebnis:
Am Ventilsitz innen:
Aufkohlungstiefe 0,52 mm Eht 550 HVl
Randhärte 820 HVl
Ander Außenseite:
Aufkohlungstiefe 0,60 mm Eht 550 HVI
Randhärte 840 HVl
Gefüge:
Martensit, keine Karbide, kein sichtbarer Restaustenit.
Das Beispiel zeigt die Gleichmäßigkeit der Aufkohlung an einem besonders schwierigen Werkstück. Im Inneren eines Sackloches mit 6 mm Durchmesser und 50 mm Tiefe differieren die Aufkohlungstiefe und die den Randkohlenstoffgehalt repräsentierende Randhärte nur unwesentlich von den an der Außenseite des Sackloches ermittelten Werten.
Das Verfahren der Erfindung ist somit sehr vorteilhaft. Bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung wird der Bauaufwand und der Energiebedarf erheblich reduziert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keine besonderen Anforderungen an die konstante Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe gestellt werden, wie dies zur Erzeugung von endothermem Schutzgas der Fall ist.
Das Verfahren ist auch nicht naheliegend, denn es überwindet das Vorurteil der Fachleute, die Rußbildung beim Aufkohlungsvorgang verhindern zu müssen. Weiterhin überwindet es das Vorurteil, Luft ohne Beimischung von reduzierendem Gas in einen Ofenraum einzuführen. Es tritt nicht die allgemein erwartete Oxidation der Werkstücke ein. Im Gegenteil, die Werkstücke verlassen den Aufkohlungsofen mit einwandfreier blanker Oberfläche.

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Gasaufkohlung von Werkstücken aus Stahl in einem Ofenraum, bei dem in der Anfangsphase der Behandlung mehr Kohlenstoff als gewünscht in der Werkstücksoberfläche gelöst wird und in der Endphase der Behandlung auf den gewünschten Randkohlenstoffgehalt durch Änderung des 'Mengenstroms eines Entkohlungsgases entkohlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Entkohlungsvorgang durch ausschließliches Einführen eines wasserstofffreien sauerstoffhaltigen Entkohlungsgases in den Ofenraum vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überkohlungsvorgang in der Anfangsphase unter Rußabscheidung durch ein über das Lösungsvermögen der Werkstückoberfläche hinausgehendes Oberangebot an Kohlenstoff im Aufkohlungsgas vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anfangsphase ausschließlich ein Kohlenwasserstoff zur Überkohlung eingeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußabscheidung durch Veränderung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge mit einer optischen Messung der Trübung der Ofenatmosphäre oder der Werkstücke als Regelgröße geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußabscheidung durch Veränderung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge mit dem CH4-Mengenanteil der Ofenatmosphäre im Ofenraum als Regelgröße geregelt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein kohlenstoffhaltiger Festkörper in den Ofenraum eingeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Anspruch*: 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überkohlung der Werkstücke unter einem konstanten Überdruck oder pulsierendem Normaldruck-Überdruck bis 3 bar vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Atmosphärenwechsel von Überkohlungsgas zu Abkohlungsgas durch Evakuieren des Ofenraumes vorgenommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Entkohlungsgas ein Stickstoff-Sauerstoffgemisch, vorzugsweise Luft, angewandt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenstrom der Luft in Abhängigkeit von der Ofentemperatur und dem gewünschten Kohlenstoffpegel eingeregelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkohlung der Werkstücke unter einem konstanten Überdruck oder pulsierendem Normal-Überdruck bis 3 bar vorgenommen wird.
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