DE3038082A1

DE3038082A1 - Verfahren zum einsatzhaerten metallischer werkstuecke

Info

Publication number: DE3038082A1
Application number: DE19803038082
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dr. 4029 Monheim Conrad; Wolfgang Dipl.-Chem. Dr. 8000 München Danzer; Karlheinz 8952 Marktoberdorf Längerich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1980-10-08
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1982-05-06
Also published as: ES8206641A1; AU542462B2; EP0049531A1; NO813284L; BR8102151A; ES505892A0; AU6915581A; DK433081A; ATA539780A; ZA812499B; EP0049531B1; DE3170867D1

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

( G 117) G 80/73

Hm/fl 8.10.1980

Verfahren zum Einsatzhärten metallischer

Werkstücke

Die Erfindung betrifft ein·Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, bei dem diese in einem Ofen bei hohen Tempera ;uren der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden.

Das Einsatzhärten ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen bzw. stickstoffhaltigen Gasgemisches, bei dem die Randschicht eines metallischen Werkstückes mit Kohlenstoff und gegebenenfalls mit Stickstoff thermochemisch behandelt wird (Aufkohlen bzw. Carbonitrieren). Durch die Wärmebehandlung wird die chemische Zusammensetzung des Werkstückes durch Ein- oder Ausdiffundieren von Kohlenstoff bzw. Stickstoff geändert.

Der Transport des gasförmigen Aufkohlungsmittel zum Werkstück z.B. kann bei schneilaufkohlenden Gasatmosphären der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Aufkohlungsvorgangos sein. Besonders bei dicht gepackten Chargen, bei Schüttgut oder bei geometrisch ungünstigen Teilen ist dann ein ausreichend schneller Transport an benachteiligte

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Werkstückoberflächen nicht mehr gegeben, was zu ungenügender Aufkohlung (z.B. bei Zahnrädern im Zahngrund) bzw. zu Weichfleckigkeit führt.

Bisher versuchte man durch optimale Lüfterkonstruktionen bzw. durch Erhöhung des Gasdurchsatzes diese ungünstigen Aufkohlungsergebnisse zu vermeiden.

Außerdem ist es bekannt, das Kohlungsmittel, beispielsweise Methan, intervallweise der zur Wärmebehandlung dienenden Gasatmosphäre zuzugeben. Bei diesem "Intervallkohlen" wird das'Kohlungsmittel in zwei oder drei Zeitintervallen zugegeben, die von Pausen unterbrochen sind, in denen kein Kohlungsmittel zugeführt wird und die Diffusion des Kohlenstoffs ■15 bzw. Stickstoffs in den Randbereich des metallischen Werkstückes stattfindet. Bezogen auf die 2'eitspanne der Wärmebehandlung dauern diese Intervalle relativ lang (einige Minuten bis zu ca. 1 Stunde).

Mit den bekannten Maßnahmen läßt sich jedoch nicht sicher ausschließen, daß sich in der Charge Toträume ausbilden, in denen das Kohlungsmittel nur langsam ausgetauscht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, bei dem durch die Wärmebehandlung eine gleichmäßige Oberflächenqualität aller behandelten metallischen Werkstücke erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Gasgemisch Druckschwankungen mit einer.im Vergleich zur Dauer der Wärmebehandlung wesentlich kürzeren Periode erzeugt werden.

Erfindungsgemäß wird durch ständige D:-uckwechsel während des Wärmebehandlungsprozesses der gesamten Gasatmosphäre

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und somit auch xn der Nähe geometrisch ungünstiger Metallteile eine Gasbewogung erzwungen. Aufgrund der Druckwechsel stellt sich in alLen Ofenbereichen eine weitgehend homogene Gasatmosphäre ein. Der Transport des Aufkohlungsmittel bzw. des Carbonitrieru igsmittels zum Werkstück erfolgt daher an alle Stelle des zu behandelnden Werkstückes gleichmäßig und genügend schnell, so daß das Kohlenstoffpotential während des Aufkühlungsvorganges an allen Stellen der Werkstückoberfläche nahezu den gleichen Wert hat. Eine ungenügende Aufkohlung benachteiligter Werkstückoberflächen bzw. ein zu starkes Aufkohlen begünstigter Werkstückoberflache wird daher vermieden. 3a über alle Oberflächenbereiche eine gleichmäßige Aufkohlung bzw. Carbonitrierung erfolgt, muß eine Rußabscheidung an geometrisch bevorzugten Stellen nicht mehr in Kauf geno.ranen werden, wenn an ungünstigen Stellen eine bestimmte Aufkohlungs- bzw. Aufstickungstiefe erzielt werden soll. Die Randzonenbeschaffenheit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Werkstücke verbessert sich demzufolge, da es sich erübrigt, diesen Sauerstoff zur Beseitigung der Rußablagerungen zuzuführen.

Neben einer verbesserten Aufkohlung bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Verkürzung des gesamten Aufkohlungsprozesses, da ein großes Kohlenstoffpotentialgefalle zwischen Werkstückoberfläche und Werkstückkern erreicht wird und dieses Fotentialgefalle zusätzlich als treibende Diffusionkraft wirkt.

Grundsätzlich ist es möglich, die DruckSchwankungen durch geeignete Vorrichtungen, beispielsweise einen bewegten Kolben mit auf die Ofengröße abgestimmtem Hubvolumen, zu erzeugen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird jedoch das Gasgemisch aus wenigstens zwei Komponenten gebildet, wobei die Druckschwankungen durch pulsierendes Zugeben einer Komponente oder durch je-

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weils pulsierendes Zugeben von mehreren Komponenten in den Ofen erzeugt werden.

Diese Verfahrensvariante bietet sich insbesondere dann an, wenn die Ofenatmosphäre außerhalb des Ofens aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet wird, die einzeln gespeichert und unter überdruck gemischt und in den Ofen eingegeben werden. Durch einfaches öffnungen und Schließen der jeweiligen Versorgungsleitungen kann jede einzelne Gaskomponente pul-sierend den übrigen Komponenten zugemischt werden. Zu diesem Zweck ist nur je ein Absperrorgan erforderlich, das gegebenenfalls automatisch bedient werden kann.

In einer Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante, in der das Gasgemisch aus einem inerten Trägergas, einem kohlenstoff- und/oder'stickstoffhaltigen Gas und einem sauerstoffhaltigen Gas gebildet wird, werden die Druckschwankungen durch pulsierendes Zugeben des inerten Trägergases und/oder des kohlenstoff- und bzw. oder stickstoffhaltigen Gases und/oder des sauerstoffhaltigen Gases erzeugt. Hierbei ist es möglich, Amplitude und Frequenz dei Druckschwankungen der einzelnen Gaskomponenten unterschiedlich zu wählen. Beispielsweise können die Druckschwankungen des inerten Trägergases so bemessen sein, daß innerhalb des Ofens eine unter anderem von der Ofengröße abhängige stete Gasbewegung bewirkt wird, während die Druckschwankungen des kohlenstoff- bzw. stickstoffhaltigen Gases primär darauf ausgerichtet werden, den für die Einsatzhärtung erforderlichen Kohlenstoff bzw. Stickstoff in ausreichender Menge bereitzustel-

Mit Vorteil wird beim erfindungsgemäßen Verfahren als kohlenstoffhaltiges Gas ein Kohlenwasserstoff mit mehr als einem Kohlenstoffatom eingesetzt. Derartige Kohlenwasserstoffe werden bei den im Ofen herrschenden Temperaturen instabil

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und zerfallen in mehrere gasförmige Radikale. Wegen des konstanten Ofenvolumens ist mit dem Zerfall eine Druckerhöhung verbunden, die umso höher ist, je mehr Radikale gebildet werden. Dieser Effekt überlagert sich mit den durch die pulsierende Zugabe hervorgerufenen Druckschwankungen und verstärkt die:;e Schwankungen.

Nach einer vorteil haften Verfahrensweise werden im Gasgemisch, dem die zu behandelnden Werkstücke ausgesetzt werden, Druckschwankungen hervorgerufen, indem den Ofenraum dichtende Verschlüsse, beispielsweise Explosionsklappen, geöffnet und geschlossen werden. Das unter Überdruck stehende Gasgemisch im Ofen wird beim öffnen auf Atmosphärendruck entspannt und nach dem Schließen erneut auf überdruck gebracht.

Nach einem Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird • die Frequenz der Druckschwankungen in Abhängigkeit vom Methan-, und/oder Wasserstoff- und/oder Rußgehalt der Ofenatmosphäre eingestellt.

Im folgenden sollen anhand einer Skizze zwei Versuche beschrieben werden, deren Ergebnis die Verbesserungen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren (Versuch 1) gegenüber dem herkömmlichen Verfahren (Versuch 2) erreicht werden, deutlich aufzeigen.

Bei beiden Versuchen wurden folgende Paramter nicht geändert:

Ofen: Aichelin-Mehrzweckkammerofen

Ofenraumgröße: 1,5 m³

Charge: 500 kg Nettogewicht, 7m² Oberfläche

Gase: Stickstoff 25 m³/h; CO₀ 0,35 m³/h

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Dauer der Einsatzhärtung: 2 Stunden Temperatur: 945°C

Variiert wurde nur die Art der Propanzugabe: 5

Bei Versuch 1: Propanzugabe 1m³ in 2 Stunden pulsierend

15 see. Propanzugabe (Ofenüberdruck 90 m

bar)

60 see. keine Propanzugabe (Druck 30 m bar)

Bei Versuch 2: ■ Propanztigabe 1 m³ in 2 Stunden gleichmäßig
keine Druckschwankungen (Druck 40 m bar)

Die unterschiedliche Aufkohlungswirkung der erfindungsgemäßen und der herkömmlichen Verfahrensweise wird deutlich, wenn man den Härteverlauf von Doppelstirnrädern (Werkstoff 16 MCr5) betrachtet, die in Versuch 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in Versuch 2 nach der herkömmlichen Verfahrensweise einsatzgehärtet wurden. Das Bild zeigt, daß an der Meßstelle M1 die Einhärtetiefe beim Versuch größer ist (Kurve 1) als beim Versuch 2 (Kur^e 2)

Die unterschiedliche Aufkohlungswirkung der beiden Verfahren wird noch deutlicher, wenn man den Härteverlauf an der geometrisch ungünstigen Meßstelle M2 mißt. Der Härteverlauf an der Meßstelle M2 an einem Stirnrad aus Versuch 1 entspricht der Kurve 2, beim Versuch 2 wurde dagegen an der Meßstelle M2 keine Aufhärtung über 416 HV erreicht. 30

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur eine schnellere, sondern auch eine verbesserte Aufkohlung - insbesondere an geometrisch ungünstigen Stellen - erzielt wird. 35

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Claims

(G 117) G 80/73 Hm/fl 8.10.1980 Patentansprüche

1. Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, bei dem diese :.n einem Ofen bei hohen Temperaturen der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasgemisch Druckschwankungen mit einer im Vergleich zur Dauer der Wärmebehandlung wesentlich kürzeren Periode erzeuge werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch aus wenigstens zwei Komponenten gebildet wird, wobei die Druckschwankungen durch pulsierendes Zugeben einer Komponente oder durch je-veils pulsierendes Zugeben von mehreren Komponenten in den Ofer. erzeugt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch aus einem inerten Trägergas, einem kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Gas und einem sauerstoffhaltigen Gas gebildet wird und die Druckschwankungen durch pulsierendes Zumischen des inerten Trägergases und/oder des kohlenstoffhaltigen Gases und/oder des sauerstoffhaltigen Gases zu den übrigen Komponenten erzeugt werden.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kohlenstoffhaltige Gas ein Kohlenwasserstoff mit wenigstens zwei Kohlenstoffatomen ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckschwankungen in dem unter Überdruck stehenden Gasgemisch durch öffnen und Schließen von den Ofeninnenraum dichtenden Verschlüssen erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Druckschwankungen in Abhängigkeit vom Methan- und/oder Wasserstoff- und/oder Rußgehalt der Ofenatmosphäre eingestellt wird.

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