DE3146042A1

DE3146042A1 - Verfahren zum einsatzhaerten metallischer werkstuecke

Info

Publication number: DE3146042A1
Application number: DE19813146042
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Chem. 8000 München Dörhöfer; Thomas Dipl.-Ing. 8192 Geretsried Mahlo
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1983-05-26
Also published as: ZA828553B; AT373294B; EP0080124B1; BR8206714A; ES517532A0; GR77758B; EP0080124A2; ES8307921A1; EP0080124A3; AU548340B2; AU9040182A; DE3273483D1; ATA84282A; NO823887L

Description

O β β β 0 0

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(G 132) G 81/78

Hm/fl 19.11.81

Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, wobei die Werkstücke der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt v/erden, dem eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Gaskomponente in) während dessen Einwirkung auf die Werkstücke pulsierend zugegeben wird (werden).

Durch das pulsierende Zugeben der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente wird bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art ein großes Kohlenstoffpotentialgefälle erreicht. Pulsierendes Zugeben einer kohlenstoffhaltigen Gaskomponente bedeutet, diese während zahlreicher, sich aus zwei verschiedenen Phasen zusammensetzenden Zyklen dem Gasgemisch zuzugeben» In der ersten Phase eines Zyklus wird das kohlenstoffhaltige Gas pulsartig dem Gasgemisch zugemischt und das Kohlenstoffpotsntial der Gasatmosphäre auf ein bestimmtes Niveau gehoben. In der zweiten Phase wird die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Gas unterbrochen, d.h. dem Gasgemisch wird kein kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt. Dadurch sinkt das Kohlenstoffpotential der Gasatmosphäre.

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Bei dieser Verfahrensweise wird das Werkstück in einer 'sehr dünnen Schicht stark überkohlt.. Die in der zweiten Phase sich anschließende Diffusion verläuft nun sehr rasch und schafft in der Randschicht des Werkstückes neue Aufnahmekapazität für Kohlenstoff.

Durch pulsierende Zugabe von kohlenstoffhaltigen Gaskomponenten wird ein hoher, gleichmäßiger Kohlenstoffeintrag bis über die Sättigung hinaus möglich. Bei dieser Art des Einsatzhärtens bilden sich Karbide, die sich zu einem gewissen Teil während der zweiten Phase eines Zyklus auflösen. Eine vollständige Auflösung der sehr stabilen Karbidverbindungen war bisher innerhalb eines Zyklus jedoch nicht möglich.

Insbesondere diese Tatsache verhinderte die Anwendung des bekannten Verfahrens in einem Durchstoßofen, den die Werkstücke (Chargen) in mehreren, zeitlich konstanten Takten durchlaufen.

' Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem Werkstücke gleichmäßig aufgekohlt bzw. karbonitriert werden können, wobei gebildete Karbide weitgehend entfernt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) nach mehreren der sich jeweils aus einer Phase der pulsartigen Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas und einer darauffolgenden Phase ohne Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas zusammensetzenden Zyklen unterbrochen und erst nach Ablauf einer' im Vergleich zur Dauer eines Zyklus langen Pause wieder aufgenommen wird.

Erfindungsgemäß wird der Aufkohlungs- bzw. Karbonitrierungs-

Form. 372» 7.71

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prozeß nicht mehr ausschließlich in aus zwei Phasen bestehenden Zyklen unterteilt. Vielmehr setzt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatzhärten aus mehreren Intervallen zusammen, die jeweils aus mehreren Zyklen mit anschließender

S Pause bestehen. Unter Zyklus ist - wie beim bekannten Verfahren - die kurzzeitige Zugabe eines Kohlenwasserstoffs zum Gasgemisch mit anschließender unterbrechung der Kohlenwasserstoff zufuhr zu verstehen»

Beim herkömmlichen Verfahren sinkt das Kohlenstoffpotential während des Einsatshärte-Prozesses nie auf Null ab. Dabei wird durch die pulsierende Zugabe der Kohlenwasserstoffe ein überschreiten der Rußgrenze vermieden. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt nun die Erkenntnis zugrunde,, daß die Dauer der Phase, in der während eines Zyklus kein Kohlenwasserstoff dem Gasgemisch zugegeben wird, für eine optimale Diffusion und eine Auflösung der sehr stabilen Karbidverbindungen nicht ausreicht.

Durch die sehr große Reaktivität der aufgespaltenen Kohlenwasserstoffe ist der eigentliche Äufkohlungsprozeß äußerst kurz gegenüber den Diffusionsphasen= Ihre Länge hängt ab von der aktuellen Äufkohlungstiefe. Je größer diese wird, desto langsamer diffundiert der neueingebrachte Kohlenstoff

2S nach innen.

Erfindungsgemäß wird nun - wie beim bekannten Verfahren zu Beginn eines Intervalls ein sehr hohes Kohlenstoffpotential erreicht» Nach mehreren Zyklen wird jedoch eine SO Pause eingelegt, die im Vergleich zur Dauer eines Zyklus lang ist.

Während dieser Pause sinkt die Kohlenstoffkonzentration im Randbereich der Werkstücke in- jedem Intervall ab. Zu Beginn des nächsten Intervalls ist daher der Gradient des Koh-

Form. S7S3 7.78

lenstoffgehaltes und damit der Kohlenstoffübergang im Werkstück sehr hoch. Die in einem Zyklus zugeführte Menge kohlenstoffhaltigen Gases bzw. die Zahl der Zyklen wird so gewählt, daß die Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Gases abgestellt wird, sobald in der Randschicht der Werkstücke eine Sättigung mit Kohlenstoff erreicht.ist. Die gesamte Aufkohlungszeit setzt sich zusammen aus den Zeitabschnitten, in denen Kohlenstoff in das Werkstück eingetragen wird und den Zeitabschnitten, in denen der Kohlenstoff im Werkstück diffundiert,- Erfindungsgemäß ist die Dauer des Kohlenstoffeintrags wesentlich geringer als die der Diffusion.

Es wurde festgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren während eines Intervalls eine Auflösung der sehr stabilen Karbide bewirkt, so daß eine hervorragende, randoxidationsfreie Oberflächenqualität der Werkstücke erzielt wird. Aufgrund dieses Merkmals kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei Durchstoßöfen Anwendung finden.

Weiterhin wurde gefunden, daß im Vergleich zum bekannten Verfahren eine wesentlich geringere Zahl an Zyklen ausreicht, um die gleiche Einhärtetiefe zu erzielen. Außerdem liegt der durchschnittliche Verbrauch an kohlenstoffhaltigem Gas, beispielsweise Propan, niedriger als beim bekannten Verfahren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens, bei dem dem Gasgemisch Stickstoff zugeführt wird, wird die pro Zeiteinheit zugeführte Stickstoffmenge für die Dauer der pulsierenden Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) erhöht.

In dieser Variante wird der Ofen, in dem die Werkstücke behandelt werden, ständig mit Stickstoff begast, um im Ofenraum eine inerte Grundgasatmosphäre zu gewährleisten.

Form. 5729 7.78

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Bei Erreichen der gewählten Äufkohlungstemperatur wird für die Dauer der pulsierenden Kohlenwasserstoffzugabe die Stickstoffmenge erhöht, um die Konzentration der Kohlenwasserstoffradikale nicht zu groß x^erden zu lassen. Andernfalls wurden sie untereinander reagieren und Ruß bilden und nicht mehr zur Aufkohlung beitragen.

Nach einem Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders wirtschaftlich, wenn die Pause um einen Faktor 10 bis 100' länger als die vorangegangene Zyklen dauert. In dieser Variante werden Karbidverbindungen nach wie. vor weitgehend beseitigt, die Dauer des Einsatshärte-Prozesses ist jedoch minimal,

1S Der Diffusionsvorgang erfolgt wegen des geringer werdenden Kohlenstoffpotentialgefälles mit zunehmender Aufkohlungstiefe langsamer. Mit Vorteil werden daher die Pausen mit zunehmender Dauer des Aufkohlungsvorganges verlängert.

Sine besonders einfache Regelung ist beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, wenn nach einer vorteilhaften Variante die Dauer der Zyklen während des Einsatzhärtens konstant gehalten wird. Das kohlenstoffhaltige Gas wird folglich in konstanten Zeitabständen pulsartig in den Ofenraum ge-

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Gasatmosphäre ausschließlich aus einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, und einem kohlenstoffhaltigen Gas, insbesondere Propan, gebildet.-

Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen,ein Äusführungsbeispiel des erfindungsgexaäßen Verfahrens erläutert werden.

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Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anlage, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann,

Figur 2 den zeitlichen Verlauf des Kohlenstoffgehaltes im Aufkohlungsgas.

Ein Glühofen 1 ist über eine Leitung 2 mit einem Rußsensor 3 und einer Regeleinheit 4 verbunden. Erfindungsgemäß werden nun die Gaskomponenten Stickstoff und ein Kohlenwasserstoff, im Ausführungsbeispiel Propan, in den Glühofen 1 eingeleitet. Hierzu dienen Zuführleitungen 5 (Stickstoff) und 6 (Propan). Durch Ventile 7, 8, 9, 10 und 11 wird die Zugabe von Stickstoff und Propan, die geeigneten Tanks, in denen diese. Komponenten flüssig gespeichert werden, entnommen wurden, gesteuert. Stickstoff und Propan werden vor dem Eintritt in den Glühofen 1 vermischt und über eine Leitung 12 in den Ofen geleitet. Beim Einfahren der Charge in den Ofenraum ist Ventil 9 in einer-Leitung 13 geöffnet, während Ventile 7 und 10 geschlossen sind. Die Ofenatmosphäre besteht zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen aus Stickstoff. Der Aufkohlungs- bzw. Karbonitrierungsvorgang beginnt, sobald eine geeignete Temperatur von ca. 800 bis 1000⁰C im Ofen erreicht worden ist. Um die Werkstücke im Ofenraum einem Gasgemisch mit einem hohen Kohlenstoffpotential auszusetzen, wird erfindungsgemäß Magnetventil 10 geöffnet. Ventil 10 wird von der Regeleinheit 4 in zeitlich konstanten Abständen geöffnet und geschlossen. Erfindungsgemäß wird während des Einsatzhärtens stets eine bestimmte Menge Stickstoff pro Zeiteinheit in den Ofen geleitet. Während der Phasen, in denen Propan kurzzeitig in den Ofen eingespeist wird, wird die zugeführte Stickstoffmenge erhöht um die Konzentration der Kohlenwasserstoffradikale nicht zu groß werden zu lassen. Andernfalls würden die Radikale untereinander reagieren und Ruß bilden. Zu diesem Zweck wird Magnetventil 7 in einer Bypaß-

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leitung 14 von der Regeleinheit 4 geöffnet=

Das Propan ist bei den hohen im Glühofeninnenraum herrschenden Temperaturen instabil und zerfällt spontan. Die Spaltprodukte sind sehr reaktionsfreudig und ermgölichen eine rasch ablaufende Sättigung der Werkstückrandschicht mit Kohlenstoff. Wegen des daraus resultierenden erheblichen Kohlenstoffpotentialgefälles zwischen Werkstückoberfläche und Kern diffundiert der Kohlenstoff rasch in die Randschicht der Werkstücke.

Im Gasgemisch kann nun Euß gebildet werden. Vor Erreichen eines minimalen Rußwertes wird die Propanmenge reduziert. Der vom Sensor 3 ermittelte Werte wird an die. Regeleinheit 4 geleitet, in der der Meßv?ert mit einem vorgegebenen Sollwertsignal, verglichen wird. Eine Differenz zwischen Meßwert- und Sollwertsignal wird in ein Signal umgesetzt, durch das ein Regelventil 11 in der Zufuhrleitung β für Propan gesteuert wird.

Beim überschreiten des dem Sollwert entsprechenden Rußwertes wird die Propanmenge durch Regelventil 11 soweit vermindert, bis Ist- und Sollwert wieder übereinstimmen.

2i Nach mehreren Zyklen, in denen in einer ersten Phase kurzzeitig Propan in den Ofen geleitet bzw. in einer zweiten Phase die Propanzufuhr unterbrochen worden ist, wird Ventil 10 - ausgelöst durch Regeleinheit 4 - für eine Pause, die länger· dauert als die vorangegangenen Zyklen, geschlossen

SO und nur Stickstoff über Leitung 13 mit Ventil 9 in den Ofen geleitet. In dieser Pause sinkt die Kohlenstoffkonzentration im Randbereich des Werkstückes wieder ab, so daß bei Beginn des sich aus mehreren Zyklen mit anschließender Pause zusammensetzenden Intervalls der Gradient und damit der

3§ Kohlenstoffübergang ins Werkstück hoch ist. In den Pausen

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diffundiert der Kohlenstoff nicht nur in das Werkstück/ sondern es werden auch die unerwünschten Karbide auf der Werkstückoberfläche rückgelöst und entfernt.

Nach mehreren Intervallen werden die Ventile 7 und 10 geschlossen und die Werkstücke auf Härtetemperatur abgesenkt.

In Figur 2 ist nun der Kohlenstoffgehalt im Gasgemisch (z.B. in Vol.%) gegen die Zeit (in Sekunden) schematisch dargestellt.

Im wesentlichen ist ein Intervall des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, das vom Zeitnullpunkt bis zum Zeitpunkt T¹ dauert. Zu Beginn des Intervalls wird der Kohlenstoffgehalt des Gasgemisches in mehreren Zyklen, die -jeweils die Zeitspanne t dauern, kurzzeitig angehoben. Ein Zyklus setzt sich aus der Phase I (Dauer t..) und der Phase II (Dauer t_) zusammen. Wie bereits geschildert, wird in Phase I Propan impulsartig dem Gasgemisch zugegeben, während in Phase II kein Propan dem Gasgemisch zugegeben wird. In Phase I steigt, in Phase II sinkt daher der Kohlenstoffgehalt. Während der Zyklen sinkt der Kohlenstoffgehalt jedoch nicht auf 0. Erst in der sich an mehrere Zyklen (in der Skizze sind lediglich die ersten vier Zyklen im ersten Intervall dargestellt) anschließenden Pause (Dauer T), in der kein Propan dem Ofen zugeleitet wird, sinkt der Kohlenstoffgehalt auf 0.

Ein typisches Intervall enthält beispielsweise bis zu 15 Zyklen. Die Zugabeperioden hängen vom Ofenvolumen und der • ■ Ofendichtigkeit ab. Phase I dauert beispielsweise 5 bis 15 see, Phase II dagegen 15 bis 60 sec. An mehrere Zyklen (beispielsweise 10 mit Gesamtdauer 5 Minuten) schließt sich eine Pause von z.B. T = 30 Minuten an, so daß ein Intervall etwa 35 Minuten dauert. Bei gleicher Einhärtetiefe reduziert

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sich die Zahl der Zyklen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum bekannten Verfahren ca. um einen Faktor 3.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße S Verfahren ein rasches Einsatzhärten von Werkstücken bei geringem Verbrauch an Kohlenstoffträger ermöglicht. Da gebildete Karbide durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise rückgelöst werden? können auch Durchstoßöfen . bei diesem Verfahren eingesetzt" werden.

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Claims

3H6CK2

(G 132) . _ G 81/78

Hm/fl 19.11.81

Patentansprüche

1p Verfahren 2im EinsatshMrten metallischer Werkstücke, wobei die Werkstücke der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden, dem eine oder mehrere kohlenstoffhaltige' Gaskomponente(n) während dessen Einwirkung auf die Werkstücke pulsierend zugegeben wird (werden), dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) nach mehreren der sich jeweils -aus einer Phase der pulsartigen Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas und einer darauffolgenden Phase ohne Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas zusammensetzenden Zyklen unterbrochen und erst nach Ablauf einer im Vergleich gur Dauer eines Zyklus langen Pause wiederaufgenommen wird.

. Verfahren nach Anspruch 1, mit einem ϋί-haltigen Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit zugeführte Stickstoffmenge für die Dauer der pulsierenden Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) erhöht wird.

Poffil. 8739 7.78

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Pause um einen Faktor 10 bis 100 länger als ein Zyklus dauert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pausen mit zunehmender Dauer des Aufkohlungsvorganges verlängert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zyklen während des Einsatzhärtens konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre ausschließlich aus einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff und einem kohlenstoffhaltigen Gas oder mehreren kohlenstoffhaltigen Gasen, insbesondere Propan, gebildet wird.

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