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Verfahren zum Einsatzhärten und kohlungsneutralen
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Glühen metallischer Werkstücke Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Einsatzhärten und kohlungsneutralen Glühen metallischer
Werkstücke, die in einem Ofen bei hohen Temperaturen der Einwirkung eines aus einem
Alkohol und weiteren Komponenten gebildeten, Stickstoff und Kohlenstoff enthaltenden
Gasgemisch ausgesetzt werden.
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Bei bekannten Verfahren dieser Art finden Schutzgasatmosphären Verwendung,
deren Grundkomponenten beispielsweise Methanol und Stickstoff sind. Soll ein bestimmter
Kohlenstoffgehalt in der Oberfläche der zu behandelnden Metalle und bzw. oder eine
bestimmte Kohlenstoffverteilung in den zu behandelnden Metallen erreicht werden,
ist eine Steuerung des Kohlenstoffpotentials der Gasatmosphäre erforderlich.
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Dazu wird die Zusammensetzung der Gasatmosphäre beispielsweise durch
eine Taupunkt-, Infrarot- oder Sauerstoffmessung bestimmt und durch Zugabe eines
Kohlenwasserstoffs wie Methan oder Propan geregelt (sogenanntes Anfetten der Gasatmosphäre).
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Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß der
Kohlenstoffgehalt
der Gasatmosphäre nur innerhalb bestimmter Grenzen, d.h. zwischen o,8 % und 1,3
% verändert werden kann.
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Diese sehr engen Arbeitsgrenzen werden einerseits durch die Aufkohlungsgeschwindigkeit,
die unterhalb o,8 % Kohlenstoffgehalt zu gering ist, und andererseits durch die
oberhalb eines Kohlenstoffgehaltes von 1,3 % bestehende Gefahr der Rußbildung festgelegt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs angegebenen Art zu entwickeln, das ein rasches Einsatzhärten metallischer
Werkstücke ohne Bildung von Ruß ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Ofen als
kohlenstoffhaltige Komponente ansschließlich Athanol zugeführt und dem Athanol Wasser
zugemischt wird, wobei das Kohlenstoffpotential des Gasgemisches durch das Mengenverhältnis
von äthanol zu Wasser eingestellt wird.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird äthanol als alleinige kohlenstoffhaltige
Komponente der Gasatmosphäre zugeführt.
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Das Zumischen einer weiteren kohlenstoffhaltigen Komponente (Anfetten)
zur Regelung des Kohlenstoffpotentials entfällt.
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Zur Regelung der Gasatmosphäre, d.h. zur Einstellung eines bestimmten
Kohlenstoffpotentials, wird vielmehr dem Äthanol Wasser in dosierten Mengen zugemischt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird überraschenderweise eine Gasatmosphäre
mit einem Kohlenstoffpotential gebildet, das erheblich über demjenigen konventionell
hergestellter Gasatmosphären liegt.
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Es ist festgestellt worden, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein
rasches Einsatzhärten ohne Bildung von RuB ermöglicht.
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Dies ist vor allem dann der Fall, wenn nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
des Erfindungsgedankens dem Ofen Äthanol in einer Menge - insbesondere in einer
zeitlich konstanten Menge - zugeführt wird, bei der sich ohne Zumischung von
Wasser
ein zur Bildung von RuB führendes Kohlenstoffpotential einstellt, und dem Äthanol
Wasser in einer Menge zugemischt wird, die zu einem die Bildung von iR im Ofen vermeidenden
Kohlenstoffpotential führt.
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Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren, bei denen das Kchlenstoffpotential
einer Gasatmosphäre durch Zumischen eines Kchlenwasserstoffs wie Propan angehoben
wird, bewirkt das erfindgsgemäße Verfahren folgendes: Das Kdilenstoffpotential der
aus Äthanol und z.B. einem Inertgas gebildeten Gasatmosphäre, das über der sogenannten
"RuBgrenze" liegt, wird aufgrund der Wasserzumischung unter ein Niveau gesenkt,
bei dem sich RLiß bildet (sogenanntes Abfetten der Gasatmosphäre). Uberraschenderweise
ermcglicht das erfindungsgemäße Verfahren - wie bereits angegeben - die Bildung
einer Gasatmosphäre mit einem Kchlenstoffpotential, das erheblich über demjenigen
konventionell hergestellter Gasatmosphären liegt. Mit diesem Verfahren können Werkstücke
beispielsweise bei Kohlenstoffpegeln, die zwischen 2 z und 3 % Kchlenstoffgehalt
liegen, behandelt werden, ohne daß der Ofen verrußt. Der Grund hierfür dürfte sein,
daß die erfindungsgemäße Regelung der Gaaatmosare über die Zugabe von Wasser gegenüber
der herkommlichen Regelung über die Zugabe von Kohlenwasserstoffen sowohl die Thermodynamik
als auch die Kinetik des Aufkohlungsprozesses günstig beeinflußt, wodlich der Kohlenstoff
einer erfindungsgemäßen Gasatmosphäre dosiert auf einer hohen Verfügbarkeitsstufe
angeboten wird.
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Innerhalb eines gleichen Zeitraumes kann daher mit dem vorgeschlagenen
Verfahren mehr biaterial einsatzgehärtet werden als mit bekannten Verfahren. Neben
der Beschleunigung des Aufkohlungsprozesses besitzt das erfindungsgemäße Verfahren
weitere Vorteile: Bei bisherigen Verfahren wurde mit petrochemischen Produkten gearbeitet.
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Värmehandlungsbetriebe von Ländern, die über keine oder nur geringe
Erdöl- bzw. Erdgasquellen verfügen, sind daher von Importen abhängig.
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Erfindungsgemäß dient als Aufkchlungsmittel ausschließlich Äthanol.
Dieser Alkohol kann aber durch fermentativen Abbau von Kohlehydraten produziert
werden Das erfindur.gsgemäße Verfahren ist daher insbesondere für Wärmebehandlungsbetriebe
in Ländern
interessant, die einerseits vom Erdöl- bzw. Erdgasimport
abhängig sind, andererseits aber große Mengen an Biomasse produzieren können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bzw. werden
der Wassergehalt und/oder das Sauerstoffpotential des Gasgemisches als Maß für das
Kohlenstoffpotential bestimmt.
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Dabei wird die dem Äthanol zuzumischende, für die Einstellung eines
gewünschten Kohlenstoffpotentials erforderliche Wassermenge durch Vergleich der
Meßwerte mit vorgegebenen Sollwerten bestimmt und dem Äthanol zugemischt.
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In dieser Variante ist eine kontinuierliche Regelung der Gasatmosphärenzusammensetzung
möglich. Die Meßwerte, die beispielsweise über ein Analysengerät im Ofenabgas ermittelt
worden sind, werden mit vorgegebenen Sollwerten verglichen.
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Etwaige Abweichungen werden automatisch oder von Hand durch Regelung
der zugespeisten Wassermenge in Richtung einer Angleichung des Meßwertes an den
Sollwert korrigiert.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird dem Ofen neben Äthanol
und Wasser ein Inertgas zugeführt. Als Inertgas kommt jedes Gas in Frage, das weder
mit Werkstücken noch mit Komponenten der Gasatmosphäre reagiert. Ein billiges und
in besonders einfacher Weise zur Verfügung stehendes Inertgas ist Stickstoff.
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Bei einer besonders einfachen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
ist es von Vorteil, wenn in den Innenraum eines Ofens für das Einsatz härten oder
kohlungsneutrale Glühen metallischer Werkstücke eine an einen Inertgasspeicher angeschlossene
Zuleitung mündet, in die eine Leitung für die Zufuhr von Äthanol mündet, wobei in
diese Leitung eine Zumischvorrichtung für Wasser eingebaut ist, mit der die in diese
Leitung einzuleitende Wassermenge
einstellbar ist, und ein Analysator
zur Bestimmung der Gasatmosphärenzusammensetzung an den Ofen innenraum angeschlossen
ist.
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Die die Gas atmosphäre bildenden Komponenten werden in dieser Ausführungsform
unmittelbar vor der Einleitung in den Ofen vermischt. Dabei wird die Wassermenge
dem in konstanten Mengen strömenden Äthanol in einer Menge zugemischt, die aufgrund
der Meßergebnisse des Analysators ermittelt worden ist.
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Eine besonders einfache Zumischvorrichtung und eine sichere Regelung
ist in einer vorteilhaften Variante der Erfindung gegeben, wenn die Zumischvorrichtung
für Wasser aus einer in die Leitung für die Zufuhr von Äthanol mündenden, an einen
Wassertank angeschlossenen Leitung sowie einer Regeleinheit besteht, in der die
in diese Leitung eingeleitete Wassermenge in Abhängigkeit der Meßergebnisse des
Analysators automatisch eingestellt wird.
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Es ist allerdings festgestellt worden, daß die aus Äthanol, Wasser
und Stickstoff gebildeten Gasatmosphären einen sehr stabilen, gleichmäßigen Kohlenstoffpegel
ergeben, der sich von dem einmal eingestellten Wert nicht mehr entfernt und der
durch Fremdeinflüsse wie das Öffnen von Ofentüren und das Einfahren einer Charge
in den Ofen kaum beeinflußt wird. In diesem Fall erübrigt sich die Verwendung einer
automatisch arbeitenden Regeleinheit. Vielmehr ist das erfindungsgemäße Verfahren
dann geeignet für einen gesteuerten Prozeß: Das Kohlenstoffpotential kann hierbei
am Ofen direkt über eine geeignete Meßvorrichtung, beispielsweise eine Sauerstoffsonde
kontrolliert werden. Falls erforderlich, kann die zuzuspeisende Wassermenge manuell
verändert werden. Unter Produktionsbedingungen hat es sich
jedoch
gezeigt, daß eine Nachregulierung über Wochen hinweg nicht notwendig war.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch das erfindungsgemäße
Verfahren eine erhebliche Verkürzung der Wärmebehandlungsdauer im Vergleich zu konventionellen
Verfahren erzielt wird. Das aus Äthanol erzeugte Reaktionsgas ist ein stabiles Gas,
d.h. ein Gas mit einem hohen Wert an Kohlenwasserstoffradikalen, das selbst bei
hohem Kohlenstoffpegeln keine Tendenz zur Rußbildung hat. Aufgrund der kürzeren
Taktzeiten liegen die Kosten für das Einsatzhärten und kohlungsneutrale Glühen von
Werkstücken erheblich unter den Kosten, die bei der Herstellung der Gasatmosphäre
in einem Gasgenerator anfallen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem sehr flexibel: Durch Verringern
der dem Ofen zugeführten Alkohol-bzw.
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Stickstoffmenge kann individuell auf die jeweilige Ofenaufgabe eingegangen
werden. Dadurch verringern sich die Kosten zusätzlich.
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Ist die Versorgung bei der Herstellung der Gasatmosphäre in einem
Generator von einem störungsfreien Betrieb des Generators abhängig, so kommt das
erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzliche elektrische Installationen aus.
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Die Einspeisung der Komponenten erfolgt z.B. nur über den Druckaufbau
im Stickstofftank.
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Schließlich ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren eine optimale
Auslastung einer Ofenanlage, da der Ofen bei Unterbrechung der Wärmebehandlung,
beispielsweise am Wochenende, nicht leergefahren werden muß,sondern im vollchargierten
Zustand unter Stickstoff belassen werden kann. Die Temperatur muß lediglich soweit
abgesenkt werden, daß keine wesentliche Kohlenstoffdiffusion statt-
findet.
Nach dem Stillstand muß der Ofen lediglich aufgeheizt werden. Die Wärmebehandlung
kann dann ohne Unterbrechung fortgesetzt werden.
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Im folgenden sollen anhand schematischer Skizzen Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert werden: Es zeigen: Figur 1 ein Schema einer erfindungsgemäßen
Anlage Figur 2 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf des Kohlenstoffpotentials
dargestellt ist Figur 3 ein Schema eines erfindungsgemäßen Durchstoßofens Figur
4 und 5 jeweils ein Diagramm, in dem der Härteverlauf in Werkstücken dargestellt
ist, die erfindungsgemäß behandelt worden sind.
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In dem in Figur 1 schematisch dargestellten Ofen 1 sollen metallische
Werkstücke aufgekohlt werden. Der Ofen 1 kann 2. B. ein Durchstoß-, Kammer- oder
Schttelherdofen sein.
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Die Gasatmosphäre soll aus den Komponenten Äthanol, Stickstoff und
Wasser gebildet werden. In der Figur ist schematisch je ein Tank für Äthanol 12,
für Stickstoff 13 und für Wasser 8 dargestellt. Dem Ofen wird eine zeitlich konstante
Menge Stickstoff über eine Leitung 3 zugeführt.
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In diese von oben in den Ofen innenraum 2 mündende Stickstoffleitung
3 wird Äthanol (Industriequalität 93% bis 96%) über eine Leitung 4 eingedüst. Die
Äthanolmenge richtet sich nach der Ofenaufgabe. In die Alkoholleitung 4 wird nahe
der Eindüsstelle Wasser über eine Leitung 7 in den Äthanolstrom eingespeist. Die
Zumischvorrichtung für Wasser ist mit sezugazeichen 5 bzeichnet. Das Wasser wird
dem Wassertank 8 entnommen und z.B. über eine Dosierpumpe 9 (Wassertank steht unter
Umgebungsdruck) in die Leitung 7 gefördert. Ebensc kann das Wasser über ein Regelventil
in
die Wasserleitung 7 gefördert werden, wobei im Wassertank 8
ein konstanter Innendruck aufrecht zu erhalten ist.
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Eine weitere Alternative ist ein normales Ventil, wobei der Druck
im Wassertank regelbar verändert werden kann.
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Uber die Frequenz der Dosierpumpe, die Stellung des Regelventils oder
den Druck im Wassertank 8 bei Verwendung eines normalen Ventils kann nun die Zusammensetzung
des Äthanol-Wassergemisches beeinflußt werden.
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Im Ofeninnenraum 2 ist eine Sauerstoffsonde 11 angeordnet, über die
der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre und damit deren Kohlenstoffpotential bestimmt
wird. Der mittels Sauerstoffsonde ermittelte Meßwert wird in einem Rechner 6 verarbeitet.
Uber einen integrierten Impulsgeber wird nun die Frequenz einer Dosierpumpe in der
Wasserleitung 7, die Stellung des Regelventils 9 oder die eines normalen Ventils
gesteuert.
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Eine erfindungsgemäße Anlage kann durch eine Bypassleitung 10 mit
Ventil ergänzt werden, über die ein Grundkohlenstoffpotential vorgegeben werden
kann Regeleinheit 9 bewirkt in diesem Fall nur die Feinregulierung.
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In dem in Figur 2 dargestellten Diagramm ist der zeitliche Verlauf
des Kohlenstoffpotentials zweier Gasatmosphären kurven 2 und 3), die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt wurden, sowie einer auf konventionelle Weise in einem Gasgenerator
hergestellten Gasatmosphäre (Kurve 1) dargestellt. Die durch die Kurven 2 und 3
repräsentierten Gasatmosphären unterscheiden sich lediglich durch den Wasseranteil
im Äthanol. Der Wassergehalt des Äthanols für die Gasatmosphäre gemäß Kurve 1 bet
ua 12 %, für die gemäß Kurve 2 21 %.
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Deutlich ist zu sehen, daß in einer auf konventionelle
Weise
hergestellten Gasatmosphäre sehr rasch ein hohes Kohlenstoffpotential erreicht wird,
das jedoch nach einiger Zeit auf einem konstanten Wert bleibt. Dagegen steigt das
Kohlenstoffpotential einer erfindungsgemäß hergestellten Gasatmosphäre relativ langsam
an. Derartige Gasatmosphären haben jedoch den bereits geschilderten großen Vorteil,
daß sehr viel höhere Kohlenstoffpotential ohne Rußbildung erreicht werden können.
Die Rußgrenze einer auf herkömmliche Weise gebildeten Gasatmosphäre liegt bei einer
Temperatur von 930°C bei einem Kohlenstoffgehalt von ca. 1,38.
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In Figur 3 ist ein Durchstoß-Gasaufkohlungsofen schematisch dargestellt.
Der Ofen ist in drei Teile gegliedert: In Bewegungsrichtung der Charge folgt einer
Aufheizzone 1 eine Aufkohlungszone 2, an die sich eine Diffusionszone 3 anschließt.
Zur Einspeisung eines erfindungsgemäßen Äthanol-Wasser-Stickstoffgemisches sind
beispielsweise fünf Einspeisstellen 4 bis 8 vorgesehen: Je eine in der Aufheizzone
1 und in der Diffusionszone 3, sowie drei in der Aufkohlungszone. Dem Aufkohlungsofen
kann sich ein blwarmbad sowie ein Anlaßofen anschließen. In der Aufkohlungszone
2 sind beispielsweise zwei an einen Analysator angeschlossene Gassensoren 9 und
11 angeordnet. Je nach Einspeisstelle werden unterschiedliche Stickstoff-Äthanolmengen
in den Ofen geleitet, beispielsweise: Einspeisstelle Nr.: 1 2 3 4 5 Stickstoffmenge
(m3/h). 3 5 5 5 3 Äthanolmenge ( l/h) 0 4 4 0 0 Durch die gesteuerte Gasführung
über die fünf Einspeisstellen bilden sich im Ofen verschiedene Kohlenstoffpegel.
Die Chargen verlassen den Ofen rußfrei. Das Gefüge ist martensitisch mit bis zu
15% Restaustenit. Mit der obengenannten Einstellung wurde in einem Aichelin-Durchstoßofen
bei 930au folgen-
de Charge behandelt: 1000 Kegelräder, Werkstoff
DIN 20 MnCr 5 pro Chargenplatz: 20 Kegelräder An der Stelle des Sensors 9 wurde
folgende Zusammensetzung der Gasatmosphäre ermittelt: CO 14,5 Vol.% CO2 0,01 bis
0,02 Vol.% CH 1,4 Vol.% y H2 27 % Taupunkt - 140C In Figur 4 ist der Härteverlauf
eines Kegelrades aus dieser Charge wiedergegeben. Es ist die Oberflächenhärte in
HV gemäß DIN 6773 gegen die Einhärtetiefe in Millimetern aufgetragen. Im Vergleich
zum konventionellen Verfahren, bei dem eine Taktzeit von 38 Minuten üblich war,
wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Taktzeit von 24 Minuten erreicht.
Der Durchsatz konnte daher um 58 % gesteigert werden.
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In Figur 5 ist schließlich der Härteverlauf einer Welle (Werkstoff
SAE 8620) aus einer Charge, die erfindungsgemäß aufgekohlt worden ist, wiedergegeben.
Die Aufkohlungsdauer einer derartigen Charge betrug üblicherweise bei einem konventionellen
Verfahren mit einer aus einem Endogasgenerator stammenden Gasatmosphäre ca. 43 Minuten.
Erfindungsgemäß verkürzte sich die Aufkohlungsdauer auf 24 Minuten, so daß der Durchsatz
um 79 % gesteigert werden kann.