DE3507527C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zum Aufkohlen eines Werkstückes aus Stahl, insbesondere aus Einsatz­ stahl, in einem Wirbelschichtofen, wobei die Wirbelschicht durch eine Aufkohlungsatmosphäre mit vorgegebenem C-Pegel im fluidisierten Zustand gehalten wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens. - Es versteht sich, daß bei derartigen Aufkohlungsarbeiten die Physik und die Chemie der Zusammenhänge berücksichtigt werden müssen (vgl. Merk­ blatt 452 der Beratungsstelle für Stahlverwendung, 1981, Seiten 4, 5 und 6, Abschnitt 2.1).

Verfahren zum Aufkohlen eines Werkstückes aus Stahl im Wirbelbett­ ofen sind lange bekannt (Metal Science and Heat Treatment, No. 7-8, 1969, Seiten 899 bis 901). Die Aufkohlungsatmosphäre bestimmt die Aufkohlung und dient zugleich als Fluidisierungsmittel und für den Wärmeübergang. Für die Kühlung ersetzt man die Aufkohlungsatmos­ phäre durch ein Inertgas. Es versteht sich, daß man bei solchen Aufkohlungsmaßnahmen die Zusammensetzung der Aufkohlungsatmosphäre zweckmäßigerweise regelt und das C-Potential einstellt (FR-PS 22 40 295, GB-PS 21 32 230). Oberhalb der Rußgrenze wird dabei nicht gearbeitet. Das Verfahren wird so geführt, daß man mit stetig steigendem Kohlenstoffgehalt im Randbereich des Werkstückes dem dort vorgegebenen Sollwert möglichst nahe kommt. Die erreichbare Genauigkeit ist verbesserungsbedürftig.

Grundsätzlich ist es beim Aufkohlen eines Werkstückes aus Stahl be­ kannt, mit einem Aufkohlungsofen und einem Aufkohlungsgas-Erzeuger zu arbeiten und die Anlage mit einem Rechner auszurüsten sowie mit Hilfe des Rechners zu steuern (Firmendruckschrift Oxygen Carbon Controller, 1983, der Fa. Process-Electronic Analyse- und Regelge­ räte GmbH).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Aufkohlung eines Werkstückes aus Stahl sehr genaue Randaufkohlungswerte zu erreichen, nämlich das Verfahren einfach und mit kurzer Behandlungszeit so zu führen, daß nach einer Aufkohlung bis zu einem Rand-Istwert der Rand-Istwert danach in einer Diffusionsbehandlung bei Diffusions­ temperatur auf einen für das Werkstück vorgegebenen Rand-Sollwert in einer Inertgasatmosphäre ausgeglichen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß mit einem im C-Pegel regelbaren Aufkohlungsgas oberhalb der Rußgrenze gearbeitet und das Werkstück bis zu einem Rand-Istwert aufgekohlt wird, der zum Kern hin abfällt, daß danach in dem gleichen Wirbelschichtofen eine Diffusionsbehandlung durchgeführt wird, bei der der Rand-Ist­ wert auf einen vorgegebenen Rand-Sollwert ausgeglichen wird, und daß dazu die Aufkohlungsgasatmosphäre des Wirbelschichtofens durch eine Inertgasatmosphäre, die die Wirbelschicht im fluidisierten Zu­ stand hält, ausgetauscht wird. - Beim Aufkohlen eines Werkstückes aus Stahl ist es in der Praxis bekannt, das Werkstück in einen Auf­ kohlungsofen einzubringen, der eine im Kohlenstoffpegel regelbare Aufkohlungsgasatmosphäre vorgegebener Zusammensetzung, Rußgrenze und Temperatur aufweist, um in dieser Aufkohlungsatmosphäre eine Aufkohlungsschicht zu erzeugen, deren Kohlenstoffgehalt von einem für die Aufkohlungsbehandlung vorgegebenen Rand-Istwert zum Kern des Werkstückes hin abfällt, um danach den Rand-Istwert in einer Diffusionsbehandlung bei Diffusionstemperatur und durch Diffusion auf einen für das Werkstück vorgegebenen Rand-Sollwert in einer Inertgasatmosphäre abzusenken. Dabei muß die Diffusionsbehandlung in einem zweiten Ofen durchgeführt werden, was erhebliche Schwierig­ keiten bereitet. In dem Aufkohlungsofen muß der C-Pegel sorgfältig unterhalb der Rußgrenze gehalten werden, wenn anders störende Ruß­ bildung auftritt.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in bezug auf die Aufkohlungsatmosphäre ohne Schwierigkeiten oberhalb der Ruß­ grenze gearbeitet werden. Das ermöglicht es, die Aufkohlungsbehand­ lung in besonders kurzen Zeiten durchzuführen. Zwar fällt Ruß an, er stört jedoch nicht. Im übrigen wird erfindungsgemäß nach Been­ digung der Aufkohlungsbehandlung die Gasatmosphäre des Wirbel­ schichtofens in extrem kurzer Zeit, praktisch augenblicklich, ausge­ tauscht gegen die Inertgasatmosphäre. Das bedeutet, daß weiterer Kohlenstoff in das Werkstück nicht hineindiffundieren kann, daß aber auch kein Kohlenstoff aus dem Werkstück in eine umgebende Atmo­ sphäre abgegeben wird. Im Ergebnis kann der Rand-Istwert einem vorgegebenen Rand-Sollwert sehr genau angepaßt werden und zwar durch Vorgabe entsprechender Zeiten für die Diffusionsbehandlung bei konstant gehaltener Temperatur.

Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß mit einer einfachen und funktionssicheren Vorrichtung gearbeitet werden kann, die einen Aufkohlungsofen und einen Aufkohlungsgas-Erzeuger aufweist und mit einem Rechner ausgerüstet sowie mit Hilfe des Rechners gesteuert ist. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Wirbelschicht­ ofen als Aufkohlungsofen, eine Einrichtung zur Einführung des Auf­ kohlungsgases oder des Inertgases als Trägergas in den Wirbel­ schichtofen und eine Steuereinrichtung für den Aufkohlungsgas-Er­ zeuger, die Aufkohlungsbehandlung und die Diffusionsbehandlung, wobei der Rechner auf die Steuereinrichtung arbeitet, die Werkstück­ daten aufnimmt, sowie den Aufkohlungs-Erzeuger und die Aufkohlungs­ gas-Atmosphäre einschließlich der Aufkohlungsgas-Behandlung steuert und außerdem eine Umschalteinrichtung betätigt, die nach zeitlichem Ablauf der Aufkohlungsbehandlung auf die Inertgasatmosphäre um­ schaltet, sowie die Diffusionsbehandlung nach zeitlichem Ablauf be­ endet und zusätzlich eine Temperatursteuerung vornimmt.

Die Erfindung nutzt die bekannte Tatsache, daß eine Aufkohlungs­ gasatmosphäre in einem Wirbelschichtofen auch die Wirbelschicht im fluidisierten Zustand halten kann. Ein aufzukohlendes Werkstück oder deren mehrere können einfach in den Wirbelschichtofen einge­ bracht werden. Die Erfindung nutzt darüber hinaus die Tatsache, daß die Aufkohlungsgasatmosphäre gegen eine Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise gegen Stickstoff, kurzfristig ausgetauscht werden. Dazu bedarf es einer bloßen Umschaltung. Folglich können sowohl die Auf­ kohlungsbehandlung als auch die Diffusionsbehandlung ohne weiteres in dem gleichen Wirbelschichtofen ausgeführt werden. Im übrigen erreicht man sehr definierte Verhältnisse in bezug auf die Aufkoh­ lungsbehandlung sowie in bezug auf den zeitlichen Ablauf der Diffu­ sionsvorgänge. Das ermöglicht es, mit einem Rechner zu arbeiten, der sehr einfach programmiert ist, weil nämlich mit zeitlicher Steue­ rung gefahren werden kann. Es versteht sich, daß der Rechner so programmiert ist, daß er eingespeiste Werkstückparameter in die er­ forderlichen Steuerungsimpulse umsetzt, und zwar in bezug auf Auf­ kohlungsgas-Erzeuger, Aufkohlungsgasatmosphäre, Zeit für die Auf­ kohlungsbehandlung und Zeit für die Diffusionsbehandlung. Zwar wird man die Zusammensetzung der Aufkohlungsgasatmosphäre meß­ technisch verfolgen, aufwendige regeltechnische Maßnahmen sind jedoch nicht erforderlich. - Von besonderem Vorteil ist die über­ raschende Tatsache, daß in bezug auf die Thermodynamik der Auf­ kohlungsgasatmosphäre oberhalb der Rußgrenze gearbeitet wird. Das ermöglicht es, die Aufkohlungsbehandlung in besonders kurzen Zeiten durchzuführen. Zwar fällt Ruß an, er stört jedoch in keiner Weise. Er wird ausgetragen.

Ausführungsbeispiel

Die zu behandelnde Charge wird in einen Wirbelschichtofen einge­ bracht und dieser erwärmt die Charge in für Wirbelschichtöfen typischer Art. Während der Chargierung befindet sich der Ofen im vorgewärmten Grundzustand, d. h. die erwärmte Wirbelschicht wird mit einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, fluidisiert. Nach Schlie­ ßen der Anlage übernimmt ein Steuerungsrechner den weiteren Char­ genablauf. Abhängig von der Programmvorwahl wird entweder nach Temperaturausgleich oder nach vorgegebener Zeit die inerte Ofen­ atmosphäre des Erwärmungsvorganges durch die Aufkohlungsatmo­ sphäre ersetzt. Die Aufkohlungsatmosphäre muß den Kriterien einer Gleichgewichtsaufkohlungsatmosphäre mit definiertem Kohlenstoffpegel und Kohlenstoffübergangskoeffizienten Beta genügen. Während der Erwärmphase hat der Rechner den Aufkohlungsvorgang entsprechend den vorgegebenen Zielgrößen mit Aufkohlungstiefe, Randkohlenstoff­ gehalt, Aufkohlungstemperatur, abgesenkte Temperatur vor dem Ab­ schrecken simuliert und die notwendigen Parameter gespeichert. Die Aufkohlungs- und Diffusionsbehandlung wird durch den Rechner auto­ matisch gesteuert und berücksichtigt die beiden definierten Atmo­ sphärenzustände Aufkohlen mit einer Kohlenstoffaktivität Ac = 1 und Diffusion unter inertem Stickstoff. Zwischenzustände müssen nicht berücksichtigt werden.

Um sicherzustellen, daß der vom Rechner berechnete Aufkohlungsab­ lauf auch tatsächlich im Wirbelschichtofen abläuft, werden die Auf­ kohlungsgase vor Einspeisung in den Wirbelbett-Ofen durchflußüber­ wacht. Eventuelle Störungen in der Gaszufuhr erkennt die Anlage als Störung, was bei einer Aufkohlungsatmosphäre immer zur Folge hat, daß sofort inert gespült wird. Hierdurch wird selbst bei Störungs­ einflüssen ein Zwischenzustand vermieden und die Steuerbarkeit auf­ rechterhalten.

Das Verfahren berücksichtigt gleichermaßen die bei allen Einsatz­ stählen auftretende Carbidgrenze als Kenngröße zur Vermeidung von Carbid in der Randschicht. Wird ein vorzugebender Schwellwert der Carbidgrenze erreicht (vorzugsweise 80 bis 95% unterhalb der theo­ retisch berechneten Carbidgrenze), erfolgt ein Zwischendiffundieren unter Inertgas-Atmosphäre, um eine irreversible Carbidbildung zu vermeiden. Nach einer derartigen Zwischendiffusion kann es durchaus notwendig sein, ein nochmaliges Aufkohlen unter Aufkohlungsatmo­ sphäre mit neuerlicher Inertgasdiffusion durchzuführen. Diese Vor­ gänge werden vom Rechner simuliert und in logischer Reihenfolge als Steuergrößen dem Ofen zugeführt. Der gesamte Ablauf ist ständig vom Rechner kontrolliert.

Kurz vor Erreichen der Zielgröße hinsichtlich des Randkohlenstoffge­ haltes und der Aufkohlungstiefe kann es zweckmäßig sein, die Ofen­ temperatur zu erniedrigen. Bei entsprechender Vorgabe wird dies ebenfalls vom Rechner eingeleitet. Die simulierten Aufkohlungs- und Diffusionsbehandlungen können vor jeder Charge neu berechnet wer­ den oder auf einen Datenträger abgelegt und bei Bedarf erneut auf­ gerufen werden. Das Prozeßende wird über eine akustische Meldung signalisiert, und die Charge kann abgeschreckt werden. Der Prozeß­ ablauf wird mittels Drucker (siehe Figuren) dokumentiert und nach Ende eines jeden Prozesses wird das berechnete C-Profil der aufzu­ kohlenden Charge sowie der Temperatur - Kohlenstoffpegel - Zeitver­ lauf - ausgedruckt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Aufkohlen eines Werkstückes aus Stahl, insbesondere aus Einsatzstahl, in einem Wirbelbettschichtofen, wobei die Wirbel­ schicht durch eine Aufkohlungsatmosphäre mit vorgegebenem C-Pegel im fluidisierten Zustand gehalten wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit einem im C-Pegel regelbaren Aufkohlungsgas oberhalb der Rußgrenze gearbeitet und das Werk­ stück bis zu einem Rand-Istwert aufgekohlt wird, der zum Kern hin abfällt, daß danach in dem gleichen Wirbelschichtofen eine Diffu­ sionsbehandlung durchgeführt wird, bei der der Rand-Istwert auf einen vorgegebenen Rand-Sollwert ausgeglichen wird, und daß dazu die Aufkohlungsgasatmosphäre des Wirbelschichtofens durch eine Inertgasatmosphäre, die die Wirbelschicht im fluidisierten Zustand hält, ausgetauscht wird.

2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen Aufkohlungsofen und einen Aufkohlungsgas-Erzeuger aufweist, und mit einem Rechner ausgerüstet sowie mit Hilfe des Rechners ge­ steuert ist, gekennzeichnet durch

• einen Wirbelschichtofen als Aufkohlungsofen,
• eine Einrichtung zur Einführung des Aufkohlungsgases oder des Inertgases als Trägergas in den Wirbelschichtofen und
• eine Steuereinrichtung für den Aufkohlungsgas-Erzeuger, die Aufkohlungsbehandlung und die Diffusionsbehandlung,

wobei der Rechner auf die Steuereinrichtung arbeitet, die Werkstück­ daten aufnimmt sowie den Aufkohlungsgas-Erzeuger und die Aufkoh­ lungsgasatmosphäre einschließlich der Aufkohlungsgas-Behandlung steuert sowie außerdem eine Umschalteinrichtung betätigt, die nach zeitlichem Ablauf der Aufkohlungsbehandlung auf die Inertgaszufüh­ rung umschaltet sowie die Diffusionsbehandlung nach zeitlichem Ab­ lauf beendet und zusätzlich eine Temperatursteuerung vornimmt.