DE3139622C2

DE3139622C2 - Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl und Vorrichtung zu seiner Durchführung

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Publication number: DE3139622C2
Application number: DE19813139622
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr.-Ing. 7250 Leonberg Wünning
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-06
Filing date: 1981-10-06
Publication date: 1989-12-14
Also published as: DE3139622A1

Abstract

Mit der Erfindung wird ein Gasaufkohlungsverfahren für Stahlteile beschrieben, bei dem das Werkstück einer mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre ausgesetzt und einem Diffusionsprozeß unterworfen wird, damit sich ein bestimmter Kohlenstoffgehalt im Randbereich ergibt. Die Prozeßregelgrößen werden während des Aufkohlungsprozesses laufend erfaßt und einer Recheneinheit zugeführt, die aufgrund mathematischer Beziehungen hieraus und aus in der Recheneinheit abgespeicherten, für den Aufkohlungsprozeß relevanten Daten den zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Kohlenstoffgehalt ermittelt und Regelsignale erzeugt, mit denen während einer ersten Aufkohlungsphase der C-Pegel knapp unterhalb der Rußgrenze und während einer zweiten Aufkohlungsphase in Abstimmung zum rechnerisch ermittelten Rand-C-Gehalt des Werkstückes so eingestellt wird, daß am Rand des Werkstückes eine Karbidbildung sicher unterbleibt. Auch die Einregelung des Rand-C-Gehaltes auf einen in einem bestimmten Bereich konstanten Wert ist möglich. Das neue Verfahren erlaubt daher eine Optimierung des Aufkohlungsprozesses mit geringstmöglichem Zeitaufwand bei Vermeidung von Ruß- und Karbidbildung für Werkstücke sowohl im Chargenprozeß als auch in kontinuierlichen Prozessen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl, bei dem das Stahlteil in einer kohlenstoffangereicherten Gasatmosphäre mit einem zunächst an der Grenze der Rußbildung gehaltenen und in einer Endphase abgesenkten C-Pegel einem Diffusionsprozeß zur Bildung eines Randbereiches mit erhöhtem und abhängig vom Randabstand bestrahlen Kohlenstoffgehalt ausgesetzt wird und bei dem in gewissen Zeitabständen die für den Diffusionsvorgang wichtigen Prozeßwerte, wie Temperatur und C-Pegel gemessen und als Steuergrößen für die Beeinflussung des Diffusionsvorganges verwendet werden.

Gasaufkohlungsverfahren sind bekannt (Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung, Heft 9, September 68, Seite 456 bis 464). Aufkohlungsbehandlunpen gehen der Eins2tzhärtung von iJtahlteilen voraus, mit der die technologischen Eigenschaften eines schon bearbeiteten Bauteiles aus Stahl grundlegend verändert werden können.

Voraussetzung für den Aufkohlungsvorgang ist ein Potentialgefäiie im Kohlenstoffgehalt zwischen der Umgebung des Werkstückes u.id dem Werkstück selbst Der durch dieses Potentialgefälle, das in einer Aufkohlungskammer erzeugt werden kann, in der auch die Temperatur auf entsprechende Werte gebracht werden kann, innerhalb eines Werkstückes hervorgerufene Kohlenstofftransport läßt sich nach den Gesetzen der Diffusion berechnen. Der Aufwand für die Berechnung dieses instationärer. Kohlenstoffverlaufes ist beträchtlich. Eine schrittweise arbeitende Näherungsmethode, bei der jeweils ein für den schmalen Konzentrationsbereich eines Abschnittes gemittelter Diffusionskoeffizieni D benuizi wird, ist von E. Schmidt in Form eines Differenzverfahrens vorgeschlagen worden (Zeitschrift Forsch. Ing. Wes. 13/1942, S. 177).

Durch das Aufkohlungsverfahren wird innerhalb des Werkstückes in einem gewissen Randbereich, der durch die Angabe einer sogenannten Aufkohlungstiefe bestimmt ist. ein in Verlauf und Größe festliegender Kohlenstoffgehalt erzeugt, der zum Rand hin ansteigt. Der Randkohlenstoffgehalt bestimmt dabei die Materialeigenschaften an der Oberfläche. Bei zu niedrigen Werten fällt die Härte ab, bei zu hohen entsteht Resi-Äusienii uuer sugai Kaiuiü. insbesondere bei chromhaltigen Stählen. Da außerdem in der Regel ein Kohlenstoffprofil gewünscht wird, das in einem äußersten Randbereich konstante Werte aufweist, kommt es darauf an, den Kohlenstoffpegel in der Aufkohlungsatmosphäre so genau als möglich einzustellen und ihn in der Endphase des Aufkohlungsvorganges abzusenken. Bei den bekannten Verfahren werden meist empirisch die Prozeßregelgrößen bestimmt bzw. veränden, wobei aufgrund der bekannten Berechnungsmethoden vorher der Verlauf des Kohlenstoffgehaltes im Stahlteil berechnet und nach den hieraus sich ergebenden Zeiten die zu regelnden Größen fest eingestellt

werden. Bei diesen Verfahren läßt es sich nicht vermeiden, daß verhältnismäßig große Toleranzen auftreten. Eine Unsicherheit in der Aufkohlungstiefe von ±10% bedeutet aber wegen des quadratischen Zusammenhangs einen Zuschlag von 20% auf die für die -> untere Grenze berechnete Aufkohlungsdauer. Dieser Zeitaufwand ist in seiner Summier ung beträchtlich. Es ist zwar auch schon ein zweiphasiges Aufkohlungsverfahren der eingangs genannten Art bekanntgeworden (Härterei-Techn. MUt 23, 1968, Heft 2), bei dem zur κ, Abkürzung der Zeitdauer der Aufkohlung der Kohlenstoffpegel in der Ofenatmosphäre zunächst so hoch wie möglich, d. h. knapp unter der Rußgrenze angesetzt und anschließend in einer Endphase so abgpser.kt ■'-- daß der gewünschte Randkohlenstoffgehilt irre!..' . wird, ι -< Nachteilig ist bei diesem Verfahren aber, cia3 in der ersten Aufkohlungsphase die Gefahr d"~ Karbidbildung auftreten kann, die nur dadurch v^. ..indert wird, daß schon relativ frühzeitig der C-P-.gei der Gasatmosphäre abgesenkt wird. Auch bei diesem ^v erfahren bleibt daher in der Nachteil einer relativ großen Aufkohlungsdauer, ähnlich wie bei den vorher erwähnten Verfahren, bestehen, der aber im Hinblick auf die Gefai..- der Karbidbildung in Kauf genommen wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur 2ϊ Gasaufkohlung von StaHIteilen anzugeben, mit dem der Aufkohlungsprozeß optimiert und mit geringstmögiichem Zeitaufwand zuverlässig und genau durchgeführt werden kann, ohne daß die Nachteile der bisher bekannten Methoden auftreten. jo

Die Erfindung besteht darin, daß in einer der Endphase vorgeschalteten Zwischenphase der Kohlenstoffgehalt am Rand des Stahlleiles als Regelgröße dient und in dieser Zwischenphase, die in dem Zeitpunkt beginnt, zu dem der C-Gehalt am Rand des Stahlteiles eine vorbestimmte Grenze erreicht hat, der C-Pegel der Gasatmosphäre gerade so weit abgesenkt wird, daß diese Grenze beim weiteren Aufkohlungsvorgang nicht überschritten wird. Dieses Verfahren geht daher von der Überlegung aus, daß zur Aufkohlung zwar das maximal mögliche C-Potentialgefälie zwischen Umgebung und Werkstück zur Beschleunigung des Aufkoh lungsvorganges ausgenutzt v/erden muß, daß dieses maximale C-Potentialgefs'le aber verringert werden muß, ehe am Rand ues Werkstückes schädliche Erscheinungen infolge von Karbidbilduiig auftreten, wie das insbesondere bei chromhaltigen Stahllegierungen der Fall ist. Es wird daher iTioglichst laufend aufgrund bekannter Berechnungsmethoden und aufgrund der gemessenen und aufgrund der Materialbeschaffenheit des Werkstückes sowie abhängig von feststehenden Daten der Geometrie des Werkstückes der Randkohlenstoffgehalt Derechnet. Ehe dieser den kritischen Maximalwert übersteigt, wird das Potentialgefälle erniedrigt, aber jeweils nicht mehr als das notwendig ist. um den Randkohlenstoffgehalt an seiner Grenze zu halten. Durch dieses Verfahren wird es daher möglich, ohne die Gefahr einer Karbidbildung bei chromhaliigen Stählen die geringstmöglichste Aufkohlungszeit einzusetzen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bo vorteilhaft vorgesehen, daß die Prozeßwerte laufend erfaßt und einem Prozeßrechner zugeführt werden, die hieraus und aus für die Berechnung des Verlaufes des C-Gehaltes wichtigen abgespeicherten und vorgegebenen Daten, wie Legierungszusammensetzung, Kohlenstofrübergangskoeffizient, Geometrie des Stahlteiles und Diffusionskoeffizient den zum jeweiligen Zeitpunkt voriiegenden C-Geha!t im Stahiteil berechnet und abhängig davon Signale zur Steuerung des C-Pegels der Gasatmosphäre gibt Dazu kaiin z. B. das bekannte Differenzverfahren verwendet werden, und es wird damit möglich, eine exakte und kontinuierliche Steuerung für den Aufkohlungsvorgang zu verwirklichen, der optimiert und damit so kurz wie möglich gehalten werden kann. Es hat sich gezeigt, daß Aufkohlungsvorgänge, die mit der Erfindung durchgeführt wurden, Zeitersparnisse bis zu 20% erreichen, ohne daß ein Risiko hinsichtlich der Qualität befürchtet werden muß.

Weiterhin kann vorgesehen sein, bei der Steuerung des Aufkohlungsprozesses die Aufkohlungstiefe mit heranzuziehen. Dadurch kann sichergestellt werden, daß die geforderte Aufkohlungstiefe immer erhalten wird, ohne daß unnötige Sicherheitszuschläge hinsichtlich der Aufkohlungsdauer vorgesehen zu sein brauchen.

Um den Aufwand geringer zu halten, genügt es, den jeweiligen Kohlenstoffverlauf in bestimmten Zeitabständen während des Aufkohlungsprozesses zu ermitteln. Typische Zeitabsiände sind abhängig von der Aufkohlungsdauer und dem spezielle·- Werkstück, liegen aber üblicherweise unter fünf Minuten.

Das Verfahren kann sowohl for Chargenprozesse als auch für kontinuierliche Aufkohlungsprozesse verwendet werden. Beim Chargenprozeß ist vorgesehen, daß das Werkstück während des gesamten Aufkohlungsprozesses in einem Aufkohlungsraum liegt, in den! die Prozeßregelgröße C-Pegel und Temperatur erfaßt und der Recheneinheit zugeführt werden, wobei die zur Erreichung des gewünschten C-Verlaufes e-forderliche Prozeßsteuerung mit der Recheneinheit durch zeitlich aufeinanderfolgende Änderungen der Prozeßregelgrößen, insbesondere des Kohlenstoffpegels, im Aufkohlungsraum vorgenommen wird.

Beim kontinuierlichen Prozeß ist vorgesehen, daß das Werkstück während des Aufkohlungsprozesses nacheinander verschiedene Kohlungszonen durchläuft, in denen jeweils unterschiedliche Werte der Prozeßregelgrößen vorliegen, wobei die Prozeßregelgrößen C-Pegel und Temperatur in jeder Kohlungszone erfaßt und der recheneinheit zugeführt werden, die in Abhängigkeit der Taktzeit (Verweildauer des Werkstücks in den einzelnen Kohlungszonen) die Konstanthaltung der Prozeßregelgrößen in den Kohlungszonen überwacht und nachregelt

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen Aufkohlungsofen mit mindestens einer bsheizbaren Kammer, mit Fühlern zum Erfassen der Kammertemperatur und des Kohlenstoffpegels sowie mit einer Kohlungsmittelzuführleitung, in der ein Regelventil angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der/die Temperaturfühler und der/die Fühler zur Erfassung des Kohlenstoffpegels mit einer Retheneirh-sit verbunden sind, die in Abhängigkeit des Abiaufs des Aufkc'ilungsprozesses RegeUignale zur Ansteuerung des Kegelventil unü Steuersignale erzeugt.

Das neue Verfahren wird anhand der Figuren und eines Rechenbeispiels erläutert und beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit der ein Chargenprozeß verwirklicht «·ird,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit der ein kontinuierlicher Aufkohlungsprozeß verwirklicht wird,

Fig.3 ein Diagramm mit dem Verlauf des Kohlen-

stoffgehaltes im Randbereich eines Werkstückes, jeweils nach verschiedenen Aufkohlungszeiten und

F i g. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der verschiedenen Aufkohlungsphasen.

In der F i g. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wobei schematisch ein Aufkohlungsofen dargestellt und mit 1 bezeichnet ist, in den die zu bearbeitende Charge 2 von Werkstöcken eingebracht wird. In der Kammer 8 des Ofens wird durch Zufuhr von z.B. gasförmigen Aufkohlungsmittel ober das Regelventil 5 und die Zuführleitung 4 eine kohlenstoffangereicherte Atmosphäre erzeugt, wobei infolge einer hierdurch erzeugten Potentialdifferenz zwischen der das Werkstück 2 eingebenden Atmosphäre und dem Werkstück 2 Kohlenstoff in das Werkstück diffundiert Je größer diese Potentialdifferenz ist, desto schneller geht der Aufkohlungsprozeß vor sich. Der Kohlenstoffanteil in dem Kohlungsmittel kann aber nicht beliebig groß gemacht werden, sondern ist durch Erreichen der Rußbildungsschwelle begrenzt

Über einen Fühler 6 wird der Kohlenstcifpegel CP in der Kammer 8 erfaßt Ebenso erfaßt der Fühler 7 die dort herrschende Temperatur. Die beiden Fühler 6 und 7 sind an eine Recheneinheit 3 angeschlossen, die diese ProzeSregelgrößen CP und T sowie die Zeit d. h. die Dauer des Aufkohlungsvorganges, laufend erfaßt und in wetter unten beschriebener Weise aus den erfaßten Werten ein Regelsignal erzeugt das zur Betätigung des Regelventils 5 herangezogen wird. Unter bestimmten, ebenfalls weiter unten beschriebenen Bedingungen erzeugt die Recheneinheit Steuersignale, die beispielsweise zur Anzeige des Prozeßendes oder zur Einleitung weiterer Prozeßphasen herangezogen werden.

In F i g. 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt mit der ein kontinuierlicher Prozeßablauf erreicht wird Die gleichen Elemente sind dabei wieder mit denselben Bezugszahlen bezeichnet Im Unterschied zum Chargenprozeß nach F i g. 1 durchlaufen die Werkstücke 2 auf einem Band od. dgl.

verschiedene Kammern 8a bis id, in denen jeweils unterschiedliche Kohlenstoffatmosphären herrschen.

Im folgenden wird anhand eines Rechenbeispiels und der Figuren das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert Dabei wird zunächst das Verfahren anhand eines Chargenprozesses mit einer Vorrichtung nach der Fig. 1 beschrieben. Im Beispiel wird angenommen, daß ein Chrom-Mangan-Einsatzstahl (20 Mn Cr 5) aufgekohlt und anschließend gehärtet werden soll. Der

ίο sogenannte LegierUrtgsfaktor ist /»1.1 (=%C [leg.y %C[unleg.D. Die Aufkohlungstiefe AT soll 035% Kohlenstoff in einem Abstand von 1 Millimeter vom Rand des Werkstückes betragen. Während des Aufkohlungsprozesses soll die Temperatur 920°C betragen, vor

dem Abschrecken 860⁰C. Weiterhin darf der Kohlenstoff pegel (CP) während der Aufkohlung maximal 1,2% Kohlenstoff nicht überschreiten, um Rußbildung im Ofen zu vermeiden. Der Rand-C-Gehalt (CR) darf während der Aufkohlung maximal 1% nicht überschreiten, um eine Karbidbildung zu vermeiden. Vor dem Abschrecken soll der Rand-C-Gehalt 0,8% Kohlenstoff betrage In einem äußeren Randbereich soll der Kohlenstotfgehalt konstant sein, etwa zwischen 0 und 0.1 mm Randabstand.

2-5 Zu Beginn des Verfahrens werden die Werkstücke in den Aufkohlungsofen 1 eingebracht, der auf eine Tempei atur von 920⁰C aufgeheizt ist Nun wird Kohlung?TiitteI eingeleitet, das, vie aus Tabelle zu erkennen ist, einen Kohlenstoffanteil von 0,4% aufweist

so Diese beiden Prozeorcgelgrößen werden von den Fühlern 6 und 7 erfaßt und der Recheneinheit zugeführt Mit Hilfe eines Differenzverfahrens, beispielsweise des Schmidtschen Differenzverfahrens, wird der Kohlensioffverlauf unter Berücksichtigung weiterer Stoff- und

!·-> Materialkonstanten, die zuvor in der Recheneinheit abgespeichert werden und zu denen auch die Geometrie des Werkstückes gehört, errechnet Im Beispiel wird von einem Rundmaterial mit ca. 40 mm Durchmesser ausgegangen. Die berechneten Größen sind in der folgenden Tabelle 1 eingetragen.

Meßwerte	T	CP	berechneter Diffusionsverlaui	Cl	0,1 mm	C2	C4	AT
	⁰C	%C	CR	%C im Randabstand von	0,20			mm
Zeit	920	0,40	0 mm	0,20	OJi mm	0,4 mm	0
min	922	046	0,20	0,21	0,20	0,20	0
0	923	0,65	0,30	0,24	03	0,20	e,02
2	923	0,72	0,40	0,26	0,20	0,20	0,04
4	922	0,78	0,48	0,86	oao	0,20	0,05
6	920	1,19	0,51	0,86	0,21	0,20	0,64
8	921	UO	0,99	0,86	0,73	0^3	0,65
148	922	UO	1,00	0,87	0,74	043	0,65
150	920	149	1,00	0,87	0,74	043	0,66
152	918	1,18	1,00	0,91	0,74	043	0,66
154	921	140	1,00	0,91	0,75	044	0,94
156	920	140	1,00	0,91	0,82	0,66	0,94
268	913	1,00	1,00	0,90	0,82	0,66	0,94
270*)	907	0,91	0,97		0,82	0,66	0,95
272		034	0,82	0,66
274

I	I	Fortsct/unjj	T ⁰C	7	CP %c	. 31	39 622	0,90	8	C2 0,2 mm	C4 0,4 mm	AT mm
		Meßwerte Zeil min	901		0,86			0.83		0,82	0,66	0,95
		276	860	0.72		berechneter DiffusionsverlauT CR Cl %C im Randabstund von 0 mm 0,1 mm	0.82	0.80	0,67	0,98
		292	861	0.73	0,92	0.82	0.80	0,67	0.98
	I	294	862	0.73	0,81	0.81	0.80	0.67	0.99
	296	861	0.73	0,81	0.80	0.79	0.67	0.99
298	860	0.73	0.80		0.79	0,67	1,00
300			0.80
	0.80

♦) Beginn des AbsenLens von Temperatur und R.ind-C Gehalt.

Dieser Tabelle ist zu entnehmen, daß zu Beginn des Aufkohlungsprozesses der Kohlenstoffgehalt im Beispiel im gesamten Werkstück 0.2% beträgt Nach einer Zeit von zwei Minuten hat sich die Temperatur auf 922° erhöht, am Fühler für den Kohlenstoffpegel wird ein prozentualer Kohlenstoffgehalt von 0,56% gemessen. Unter Berücksichtigung dieser neuen, vorliegenden ProzeßregeigröDen wird nun eine erste Kurve für den Diffusionsverlauf ermittelt, wobei sich ein Rand-C-Gehalt CR von 03% errechnet. Eine Erhöhung des Kohienr ioffanteils im Abstand von 0,1 Millimeter (Cl), 0,2 Millimeter (C2) und 0,4 Millimeter (C4) vom Rand hat noch nicht stattgefunden. Nach weiteren zwei Minuten wird wiederum die Temperaturschwankung erfaßt und der Kohlenstoffpegel gemessen, wobei nun bereits in 0,1 Millimeter Abstand ein erhöhter Kohlenstoffanteil vorliegt Die Tabelle zeigt durch Punkte getrennte einzelne Zeitausschnitte während des gesamten Aufkohlungsvorganges, wobei der durchgehende Verlauf der Parameter-Aufkohlungstiefe, C-Pegel, Rand-C-Gehalt und Cl-Gehalt in Fig.4 dargestellt sind. Bei der gegebenen maximalen Kohlungsmittelzufuhr wird der C-Pegel in relativ kurzer Zeit, ca. 30 Minuten auf einen Kohlenstoffprozentanteil von 1,2% gebracht und in einer ersten Kohlungsphase konstant auf diesem Pegel gehalten. Der Ist-Wert des Kohlenstoffpegels wird laufend von dem Fühler 6 erfaßt, so daß eine zuverlässige Regelung möglich ist Die Aufkohlung findet daher ohne Rußbildung statt

Mit zunehmender Aufkohlungsdauer steigt der Rand-C-Gehali an, wie dies anhand der durchgehenden stark angezogenen linie der Fig.4 zu erkennen ist Nach 150 Minuten erreicht der Rand-C-Gehalt zum ersten Mal die Einprozentgrenze, die nicht überschritten werden soll, um Karbidbildung zu vermeiden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren schaltet der Rechner hierbei von der Regelgröße »C-Pegel« auf die Regelgröße Rand-C-Gehalt um und vermindert daher in einer Zwischenphase den C-Pegel derartig, daß der Rand-C-Gehalt konstant 1% beträgt Das Verhalten des Cl-Gehaltes (Kohlenstoffgehalt bei 0,1 mm Werkstofftiefe) ist ebenfalls in Fig.4 dargestellt, wobei zu erkennen ist, daß dieser sich auch bei konstantem Rand-C-Gehalt noch erhöht Die Kurve für die Aufkohlungstiefe, die ebenfalls in F i g. 4 eingetragen ist, zeigt, daß die Aufkohlungstiefe mit zunehmender Aufkohlungsdauer zu immer größeren Randabständen wandert (vgL auch letzte Spalte, Tabelle). Mit zunehmender Aufkohlungsdauer wandert der Punkt der Aufkohlungstiefe zum Werkstückinnern, so daß der Rechner durch Erfassen der Steigung der Aufkohiungstiefenkurve beispielsweise in der Zeit zwischen 250 und 255 Minuten ermitteln kann, wenn 035% Kohlenstoffgehalt in einem Millimeterrandabstand vorliegen (Sollwert der Aufkohlungstiefe). Es kann nun in einer Endphase in an sich bekannter Weise der Kohlenstoffpegel zunächst stark vermindert werden und dann auf einen Wert geregelt werden, der einem Rand-C-Gehalt von 0,8% Kohlenstoff entspricht In dieser letzten zeitlich relativ kurzen Phase wird noch so lange geregelt, bis der Aufkohlungstiefensollwert erreicht ist Der Aufkohlungsprozeß wird durch Abgabe eines Steuersignals beendet, wenn der Rand-C-Gehalt 0,8% beträgt und die Aufkohlungstiefe ihren Sollwert erreicht hat Der gesamte Prozeß findet daher mit geringstmöglichem Zeitaufwand statt ohne daß die Gefahr der Rußbildung oder der Karbidbildung besteht Außerdem wird zuverlässig bei Erreichen der Aufkohlungsiiefe der Prozeß ohne zeitliche Toleranzen beendet Wie sich der Kohlenstoffgehalt im Randbereich in Abhängigkeit von der Aufkohlungsdauer verändert, zeigen die Kurven in Fig.3. Dabei sind die in der Tabelle aufgelisteten Kohlenstoffprozentwerte gegen den · Randabstand in Millimetern aufgetragen, als Parameter ist der zeitliche Verlauf zu sehen. Die dicke Linie entspricht dem Verlauf des Kohlenstoffgehaltes am Ende des Aufkohlungsvorganges.

Das V.-rfahren läßt sich auch bei einer Vorrichtung nach F i g. 2 für einen kontinuierlichen Aufkohlungsprozeß anwenden, wobei der Aufkohlungsofen 1 die Kammern 8a, Sb, Sc, Sd besitzt, durch die die Werkstücke 2 mit einer konstanten Taktzeit befördert werden. In den einzelnen Kammern werden den anhand der Fig.4 beschriebenen Phasen entsprechende Kohlungszonen gebildet, wobei die Aufrechterhaltung der Werte der Prozeßregelgrößen von der Recheneinheit überwacht wird.

Im folgenden wird angenommen, daß die Aufkohlung mit demselben Ergebnis wie anhand des Chargenprozesses beschrieben, mit einem kontinuierlichen Prozeß für ein Chrom-Mangan-Werkstück erzielt werden soll. Das Werkstück wird in eine erste Kammer 8a gefördert, die zur Aufheizung dient Nach 34 Minuten (regelmäßige Taktzeit) gelangt das erhitzte Werkstück in eine Kohlungszone 1 (Kammer Sb), in der der Kohlenstoffpegel konstant auf 1,2% geregelt ist Die Kohlungszone 1 entspricht somit der ersten Phase des anhand der F i g. 4 beschriebenen Aufkohlungsprozes-

ses. Der Verlauf der Aufkohlungstiefe, des Rand-C-Gehaltes und des Cl-Gehaltes ist demnach analog der in Fig.4 gezeigten Kurven mit geringen, durch die Aufteilung in Aufkohlungszonen bedingten Unterschieden. Nach 136 Minuten (viermal die Taktzeit) verläßt das Werkstück den Kohlungsraum Sb. Der Verlauf des Kohlenstoffgehaltes im Randbereich des Werkstückes entspricht dam etwa dem in F i g. 3 mit 150 bezeichneten Verlauf. Der Randkohienstoffgehalt hat den Wert 1 angenommen. In der Kammer 8c herrscht ein verminderter Kohlenstoffpegel gegenüber der Kammer Sb, so daß der Rand-C-Gehalt nicht weiter ansteigt und etwa auf dem Wert 1 gehalten wird, wodurch der weitere Aufkohlungsverlauf entsprechend der Zwischenphase, die anhand der F i g. 4 beschrieben ist, vor sich geht. In der dritten Aufkohiungszone, die durch die Kammer Sd gebildet ist, wird die Temperatur auf 860° abgesenkt und der Kohlenstoffpegel so eingestellt, daß sich nach 34 Minuten der Randkohlenstoffgehatt auf einen Wert von 0,8 eingependelt hat. In dieser Zeit hat die Aufkohlungstiefe ihren Sollwert erreicht. Das Werkstück verläSt dann den Aufkohlungsofen mit einem Kohlenstoffgehalt im Randbereich, wie er anhand der dicken, mit 300 bezeichneten Linie in Fig.3 dargestellt ist. Die Kurven 150 und 270 stellen jeweils den Verlauf des Kohlenstoffgehaltes am Ende der einzelnen Phasen (nach 150 bzw. 270 Minuten) dar.

Das neue Verfahren weist auch den großen Vorteil auf, daß die Leerlaufzeiten beim Wechsel der Taktzeiten in kontinuierlich betriebenen Anlagen, die bei Änderung der Aüfkohlungstiefe notwendig wird, wesentlich kurzer gehalten werden können, weil sich der Diffusionsfortschritt nach dem neuen Verfahren laufend rechnerisch verfolgen läßt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

31 39 62' Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl, bei dem das Stahlteil in einer kohlensioffangereicherten Gasatmosphäre mit einem zunächst an der Grenze der Rußbildung gehaltenen und in einer Endphase abgesenkten C-Pegel einem Diffusionsprozeß zur Bildung eines Randbereiches mit erhöhtem und abhängig vom Randabstand bestimmten Kohlenstoffgehalt ausgesetzt wird und bei dem in gewissen Zeitabständen die für den Diffusionsvorgang wichtigen ProzeSwerte, wie Temperatur und C-Pegel gemessen und als Steuergrößen für die Beeinflussung des Diffusionsvorsanges verwendet werden, r> dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Endphase vorgeschalteten Zwischenphase der Kohlenstoffgehalt (CR) am Rand des Stahlteiles als Regelgröße dient und in dieser Zwischenphase, die in dem Zeitpunkt beginnt zu dem der C-Gehalt (CR) eine vorbestiumte Grenze (CR max) erreicht hat, der C-Pegel (CP) der Gasatmosphäre gerade so weit abgesenkt wird, daß diese Grenze (CR max) beim weiteren Aufkohlungsvorgang nicht überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß als Grenze der C-Gehalt (CR) am Rand des, Stahlteiles, bei dem die Karbidbildung einsetzt vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet d:^ die Prozeßwerte laufend erfaßt und einer Recheneinheit, die hieraus und aus für die Berechnung des Verlaufes des C-Gehaltes wichtigen abgespeicherten und vorgegebenen Daten, wie Legierungszusammensetzung, Kohlenstoffübergangskoeffizient an der Oberfläche des Stahlteiles, Geometrie des Stahlteiles und Diffusionskoeffizient den zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Verlauf des C-Gehaltes im Stahlteil berechnet und abhängig davon Signale zur Steuerung des C-Pegels der 4n Gasatmosphäre gibt, zugeführt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Werkstück während des gesamten Aufkohlungsprozesses in einem Äufkohiungsraum "liegt, in dem die 4ϊ Prozeßregelgrößen »C-Pegel« und »Temperatur« erfaßt und der Recheneinheit zugeführt werden, wobei die zur Erreichung des gewünschten C-Verlaufs erforderliche Prozeßsteuerung mit der Recheneinheit durch zeitlich aufeinanderfolgende Änderung der ProzeßregeigröBen im Aufkohlungsraum vorgenommen wird (Chargenprozeß).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während des Aufkohlungsprozesses nacheinander verschiedene Autkoniungszonen durchiäun, in denen jeweils unterschiedliche Werte der Prozeßregelgrößen vorliegen, wobei die Prozeßregelgrößen C-Pegel und Temperatur in jeder Aufkohlungszone erfaßt und der Recheneinheit, die in Abhängigkeit der Taktzeit die Konstanthaltung der Prozeßregelgrößen in den Aufkohlungsräumen überwacht und nachregelt, zugeführt werden (kontinuierlicher Prozeß).

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens &5 nach Anspruch 1, mit einem Aufkohlungsofen mit mindestens einer beheizbaren Kammer, mit Fühlern zum Erfassen der Kammertemperatur und des C-Pegels, sowie mit einer Kohlungsmittelzuführleitung, in der ein Regelventil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Temperaturfühler (7) und der/die Fühler zur Erfassung des C-Pegels (6) mit einer Recheneinheit (3) verbunden sind, die in Abhängigkeit des Ablaufs des Aufkohlungsprozesses Regelsignale zur Ansteuerung des Regelvenüls (5) und Steuersignale erzeugt