DE3540282C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkohlung von eisenhaltigen Metallprodukten der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Eisenhaltige Metallprodukte, insbesondere Stahl-Produkte, werden aufgekohlt, um die Härte ihrer Oberfläche gezielt zu verändern. Zu diesem Zweck werden die eisenhaltigen Metallprodukte in eine Gasatmosphäre eingebracht, die Kohlenstoff auf der Oberfläche des Metallproduktes ablagern kann; dieser Kohlenstoff dringt dann in die Oberfläche der Metallprodukte ein und führt, im allgemeinen durch Reaktionen, zur angestrebten Erhöhung der Randhärte.

Die Theorie der Kohlenstoffübertragung wird in einem Artikel von Kaspersma und Shay mit dem Titel "A Model For Carbon Transfer in Gas-Phase Carburization of Steel" im "Journal of Heat Treating", Vol. 1, Nr. 4, Seite 27, beschrieben.

Es ist weiterhin bekannt, Methanol in Verbindung mit einer Gasatmosphäre zumindest für eine Stufe des Aufkohlungsverfahrens einzusetzen, wie in dem Artikel von Peartree mit dem Titel "Two-Step Accelerated Carburizing Shortens Cycle, Saves Energy" in "Heat Treating", Juli 1981, Seite 36 beschrieben wird.

Weitere Details von Aufkohlungsverfahren gehen aus der US-PS 43 17 687, der US-PS 41 45 232 und der US-PS 43 22 255 hervor.

In der AT-PS 2 39 293 wird ein Verfahren zum regelbaren Aufkohlen der Oberflächenschicht von Werkstücken aus Stahl beschrieben, bei dem sich in einem Ofen, bestehend aus einer Ausmauerung und Heizelementen, eine Retorte befindet, die mit einem isolierten Deckel gasdicht abgeschlossen ist. In dem Retortenraum ist ein Chargiergestell angeordnet, welches die zu behandelnden Metallprodukte trägt, die allseitig von einem Gas umspült werden, das durch einen Ventilator stark umgewälzt wird. Die Gaszirkulation wird durch die räumliche Anordnung des Ventilators in Verbindung mit Leitblechen festgelegt.

In dem Deckel ist mindestens ein Zuführungsrohr zur Einspeisung von flüssigen Substanzen zur Erzeugung der Gasatmosphäre vorgesehen, nämlich beispielsweise ein Gemisch von Methanol, Ethylazetat oder eine Mischung von Isopropylalkohol mit Wasser oder Aceton oder reinem Isopropylalkohol.

In der US-PS 23 29 896 wird ein Verfahren zur Aufkohlung von Metallprodukten beschrieben, mit dem die Verringerung der Rußbildung angestrebt wird. Dies soll dadurch erreicht werden, daß die Ofenatmosphäre neben einem kohlenstoffhaltigem Material noch eine sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffverbindung aufweist.

Weiterhin geht aus der DE-AS 24 50 750 ein Verfahren zur Aufkohlung der Randschichten metallischer Werkstücke hervor, bei dem das Aufkohlungsgas mit mindestens Schallgeschwindigkeit in den Ofenraum geblasen wird, um die Aufkohlungsgeschwindigkeit zu erhöhen, also entweder die Einsatztiefe zu vergrößern oder bei gleichbleibender Einsatztiefe einen erhöhten Ofendurchsatz zu ermöglichen.

Ein Verfahren zur Aufkohlung von eisenhaltigen Metallprodukten der angegebenen Gattung geht aus der US-PS 43 06 918 hervor; dabei werden die Metallprodukte in einem Ofen mit einer Heizeinrichtung erwärmt und in den Ofen ein Inert-Gas und ein sauerstoffhaltiges, Kohlenwasserstoff enthaltendes Aufkohlungsgas eingeführt; nämlich beispielsweise ein Aufkohlungsgas aus Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methanol, dem manchmal noch Erdgas zugesetzt wird.

Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, da zunächst das Aufkohlungsgas zugeführt, auf einer bestimmten Konzentration gehalten und dann die Menge an Aufkohlungsgas verringert wird, während die Menge an Inert-Gas, insbesondere Stickstoff aufrechterhalten wird.

Schließlich wird noch in den Patent Abstracts of Japan C 245 4. 10. 84, Vol. 8, No. 218 eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von eisenhaltigen Metallprodukten mit einem Drehrohrofen beschrieben, der vom Heizraum gasdicht abgetrennt ist und mit dem eigentlichen Aufkohlungsgas beschickt wird; der eigentliche Aufkohlungsbereich wird also nur indirekt, nämlich unter Zwischenschaltung einer stationären Wand, über die Heizeinrichtung beheizt. Dadurch kommen zwar die Heizelemente der Heizeinrichtung nicht direkt in Berührung mit der Aufkohlungsatmosphäre, können also nicht verrußt oder beschädigt werden; diese indirekte Erwärmung hat jedoch verschiedene Nachteile, nämlich einen schlechten Heiz-Wirkungsgrad, aber auch die fehlende Zugänglichkeit der Heizelemente, die bei Reparatur und/oder Wartungsarbeiten zu Schwierigkeiten führt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufkohlung von eisenhaltigen Metallprodukten der angegebenen Gattung zu schaffen, das sich verfahrenstechnisch einfach realisieren läßt und gleichzeitig das Verrußen der empfindlichen Heizeinrichtung verhindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen einerseits auf der Ausnutzung der Direktheizung, die einen guten Wärmeübergang und damit die effektive Erwärmung der eisenhaltigen Metallprodukte gewährleistet, in Verbindung mit der Verwendung eines "Schutzvorhangs" aus Inert-Gas, der die empfindliche Heizeinrichtung gegen das aggresive Aufkohlungsgas schützt. Zu diesem Zweck werden in dem Drehrohrofen zwei diskrete Gasbeschickungsbereiche ausgebildet, nämlich einmal der eigentliche Aufkohlungsbereich, dem das Aufkohlungsgas zugeführt wird, und zum anderen ein radial äußerer Heizbereich mit der Heizeinrichtung, die ständig von dem Inert-Gas umspült und dadurch gegen die aggressive Wirkung des Aufkohlungsgases abgeschirmt wird.

Auf diese Weise läßt sich weitgehend das Verrußen der Heizeinrichtung verhindern, das sich bisher sehr nachteilig auf die Produktivität der Aufkohlung auswirkte. Denn die Verrußung der Heizeinrichtung führt zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs, damit zu einer Verringerung der Temperatur und damit schließlich zu einer Verringerung der Aufkohlungsgeschwindigkeit, die dadurch ausgeglichen werden mußte, daß zusätzlich Aufkohlungsgas zugeführt wird. Dadurch wird jedoch gleichzeitig die Verrußung beschleunigt, so daß in aller Regel der Ofen mehrmals pro Monat ausgebrannt und dadurch der Ruß entfernt werden mußte. Im Extremfall mußte sogar der Ofen demontiert werden, um die Verrußung zu beseitigen. Der hierfür erforderliche Aufwand verringert die Produktivität und erhöht die Betriebskosten für die Aufkkohlung.

Das hier beanspruchte Verfahren bewirkt eine relevante Verringerung des Verrußens und damit der erforderlichen Wartungsarbeiten, so daß sich eine Verbesserung der Produktivität ergibt.

Gleichzeitig kann man den Anteil des Inert-Gases in dem eigentlichen Aufkohlungsbereich des Drehrohrofens verringern, so daß sich dort eine höhere Aufkohlungsgeschwindigkeit (ohne Gefahr einer Rußbildung) und damit ebenfalls eine Erhöhung der Produktivität ergibt; denn die aufzukohlenden, eisenhaltigen Metallprodukte kommen nur mit dem reinen Aufkohlungsgas, das in konzentrierter Form vorliegt, in Berührung, so daß die Ablagerungs- und die Diffusionsgeschwindigkeit des Aufkohlungsgases pro Zeiteinheit in Vergleich mit den bisher üblichen Maßnahmen bei denen das Aufkohlungsgas in verdünnter Form eingesetzt werden mußte, wesentlich verbessert ist.

Und schließlich ist die beanspruchte Trennung zwischen Heizeinrichtung und Aufkohlungsbereich auch aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, da bei einer Störung sofort das Aufkohlungsgas abgezogen und weiteres Inert-Gas zugeführt werden können, das ebenfalls als Schutzgas dient und die problemlose Abschaltung des Drehrohrofens ermöglicht.

Durch Versuche wurde festgestellt, daß die gegebenenfalls auftretende Vermischung von Aufkohlungsgas und Inert-Gas in den Grenzbereichen die oben erläuterten Wirkungen nur unwesentlich beeinflußt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt längs der Längsachse eines Drehrohrofens, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Drehrohrofen nach Fig. 1 längs der Linie 2-2.

Der aus den Fig. 1 und 2 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 10 angedeutete Drehrohrofen weist eine äußere, mit feuerfesten Steinen ausgekleidete Wand 12 auf, die im allgemeinen einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt hat. Eine Trommel 14 ist innerhalb der Wand 12 des Drehrohrofens 10 etwa horizontal angeordnet. Die Trommel 14 ist so abgestützt, daß sie sich in dem von der Wand 12 gebildeten Raum um ihre horizontale Achse drehen kann.

Eisenhaltige Metallprodukte, die aufgekohlt werden sollen, werden durch eine Öffnung 22 in einen Beschickungs- oder Halte-Bereich 16 des Drehrohrofens 10 eingeführt. Mit zunehmender Zahl der Metallprodukte fallen einige in den Hauptbereich der Trommel 14 und werden von der Trommel mit Hilfe von wendelförmigen Rippen 20 weitertransportiert, die an der inneren Oberfläche der Trommel 14 ausgebildet sind und zumindest einen Teil des inneren Aufkohlungsbereiches der Trommel 14 einnehmen. Beim Passieren der Zone 18 der Trommel 14 werden die eisenhaltigen Metallprodukte aufgekohlt und verlassen anschließend die Trommel 14 durch Öffnungen 26 in der Nähe der Stirnfläche 24 der Trommel 14. Die ausgegebenen, eisenhaltigen Metallprodukte werden in einem Schacht 34 gesammelt und einem Abschrecktank 36 zugeführt, der mit einem Ölbad 38 gefüllt ist. Die aufgekohlten und abgeschreckten Metallprodukte werden dannn über ein Förderband 40 der weiteren Behandlung zugeführt.

Das Aufkohlungsgas, beispielsweise Methanol und Methan sowie der als Trägergas dienende Stickstoff werden über einen Einlaß 28 in der Stirnwand 24 der Trommel 14 eingeführt. Das als Schutzgas dienende Inert-Gas im allgemeinen Stickstoff, das die Rußbildung auf den rohrförmigen Heizelementen 32 und auf der Oberfläche12 des Drehrohrofens 10 verhindern soll, wird über Öffnungen 42 in der Seitenwand des Drehrohrofens 10 zugeführt. Dadurch ergibt sich eine im wesentlichen reine Stickstoff-Atmosphäre im Bereich der Heizeinrichtung 30 der Ofenwand 12. Diese Stickstoffatmosphäre schützt die rohrförmigen Heizelemente 32, die an jeder Seite der Trommel 14 an der Innenseite der Wand 12 des Drehrohrofens 10 angebracht sind, vor dem Verrußen, also vor der Ablagerung von Graphit.

Als Alternative zu den dargestellten, rohrförmigen Heizelementen 32 können auch elektrische Heizelemente eingesetzt werden.

Die räumliche Anordnung der Heizelemente ist aus Fig. 2 ersichtlich, die einen Querschnitt durch den Ofen 10, seine Wand 12 und die Trommel 14 zeigt; dabei stehen die wendelförmigen Rippen 20 nur teilweise in die Innenzone der Trommel 14 vor, während sich die rohrförmigen Heizelemente 32 außerhalb der Trommel 14, jedoch in dem durch die Wand 12 gebildeten Raum befinden.

Wie man aus den Zeichnungen erkennen kann, sind die auf hoher Temperatur befindlichen Oberflächen der rohrförmigen Heizelemente 32 von dem eigentlichen Aufkohlungsbereich 18 im Inneren der Trommel 14 getrennt, so daß keine Verbindung zwischen diesen Oberflächen und den aufzukohlenden, eisenhaltigen Metallprodukten besteht.

Es wurden Versuche mit Gleitstücken und Schrauben aus AISI-SAE 10-18 Stahl durchgeführt, die in einem Drehrohrofen aufgekohlt wurden. Bei "Gleitstücken" handelt es sich um eisenhaltige Metallprodukte, die üblicherweise am Boden von Möbelstücken angebracht werden um die Hauptlast der Möbelstücke aufnehmen, jedoch gleichzeitig die leichte Verschiebung der Möbelstücke gewährleisten. Bei den Schrauben handelte es sich um Halbzoll-Schrauben Nr. 8-18 mit einer speziellen Waffelkerbung.

Die Versuche wurden in einem Drehrohrofen durchgeführt, und zwar mit einem homogenen, herkömmlichen Gasgemisch Stickstoff/Methanol einerseits, das in alle Bereiche eines Drehrohrofens gelangt, sowie mit der getrennten Zuführung des Aufkohlungsgases zu dem Aufkohlungsbereich des Drehrohrofens und dem Umspülen der Heizeinrichtung des Drehrohrofens zur Abschirmung gegen das Aufkohlungsgas mit Inert-Gas andererseits.

Die üblichen Strömungsgeschwindigkeiten für einen solchen Ofen betragen:

Stickstoff:4,531 m³/h Methanol:6,796 m³/h Ammoniak:1,4158 m³/h Erdgas:4,248 m³/h

Der Zweck dieser Untersuchungen lag darin, die Aufkohlung identischer Teile zu vergleichen, wobei einmal dem gesamten Drehrohrofen ein homogenes Gasgemisch und zum anderen dem Aufkohlungsbereich des Drehrohrofens das Aufkohlungsgas und der Heizeinrichtung das Inertgas zugeführt wurden. Der einzige Unterschied in den beiden Versuchsserien bestand also in der räumlichen Anordnung der Gaseinlässe zu dem Drehrohrofen. Alle anderen Parameter wurden konstant gehalten, nämlich die Temperatur des Drehrohrofens, die Strömungsgeschwindigkeit für das jeweilige Gas, die Drehgeschwindigkeit des Drehrohrofens, die aufzukohlenden Metallprodukte sowie die Temperatur des Abschreckbades.

Zur Kontrolle wurden Vergleichsversuche durchgeführt, und zwar unter Verwendung einer üblichen, endothermen Atmosphäre; hierbei wurden alle Gase über den hinteren Einlaß des Drehrohrofens zugeführt. Die Strömungsgeschwindigkeit war ausreichend, um in dem Drehrohrofen einen Überdruck aufrechtzuerhalten, während die endothermen Gasbedingungen verdoppelt wurden.

Bei der Realisierung des hier beschriebenen Verfahrens wurde der als Inert-Gas dienende Stickstoff über die Einlässe in der Seitenwand des Drehrohrofens zugeführt, während das Aufkohlungsgas über den hinteren Einlaß des Drehrohrofens zugeführt wurde. Die zu untersuchenden eisenhaltigen Metallprodukte wurden alle 15 Minuten von dem aus dem Abschreckungsbad führenden Förderband am Ende des Drehrohrofens, beginnend mit dem ersten, den Drehrohrofen verlassenden Metallprodukt, abgenommen.

Die Versuchsergebnisse sind aus den folgenden Tabellen 1 und 2 ersichtlich, welche die Rockwell-Härte C-Skala in Abhängigkeit von der Tiefe der Aufkohlungsschicht für jedes untersuchte Metallprodukt zeigen. Die Versuche wurden bei einer Ofentemperatur von etwa 840°C bis 927°C durchgeführt. Für die aufzukohlenden Schrauben betrug die Temperatur am Beginn des Ofens 898°C, in der mittleren Zone des Ofens 927°C und im Endbereich des Ofens 840°C. Bei der Aufkohlung der Gleitstücke wurden die jeweiligen Zonen des Drehrohrofens längs seiner Achse auf Temperaturen von 898°C, 927°C bzw. 998°C gehalten. Die Strömungsgeschwindigkeiten für die verschiedenen Gase wurden oben angegeben. Selbstverständlich wurden Methanol, Ammoniak und Erdgas nur der Aufkohlungszone und Stickstoff nur dem Wandbereich des Drehrohrofens zugeführt, so daß er die Heizeinrichtung umspült.

Dieses Verfahren ist in den Tabellen als "ADP" oder als Behandlung mit beschleunigter Aufkohlung (ACP = Accelerated Carburization Process) bezeichnet. Die verschiedenen Proben werden durch fortlaufende Ziffern bezeichnet, nämlich ADP 1, ADP 2, usw.

Die Proben, die mit dem konventionellen Verfahren, also mit einem homogenen Gasgemisch, behandelt worden sind, sind in den Tabellen durch EDP und einer zusätzlichen Ziffer, also EDP 1, EDP 2, usw. gekennzeichnet; es wurde ein endothermes Behandlungsverfahren eingesetzt.

Die aufzukohlenden, eisenhaltigen Metallprodukte wurden mit einer Geschwindigkeit, die eine Aufenthaltsdauer von 45 +/- 2 Minuten ergab, durch den Drehrohrofen transportiert.

Die Versuchsergebnisse zeigen, daß sich im Vergleich mit dem Stand der Technik die Eindringtiefe der Aufkohlung wesentlich erhöht. Gleichzeitig konnte beobachtet werden, daß während der Versuche keine merkliche Rußbildung an der Innenseite der Ofenwand, der Außenseite der Trommel, den rohrförmigen Heizelementen oder auf dem Boden des Ofens auftrat.

Basierend auf den Meßergebnissen nach den Tabellen 1 und 2 wurde im Vergleich mit der herkömmlichen, synthetischen, homogenen endothermen Gasatmosphäre eine statisch signifikante Erhöhung der effektiven Tiefe der Aufkohlungsschicht sowohl für die Gleitstücke als auch für die Schrauben erzielt. Die durchschnittliche Erhöhung der effektiven Tiefe der Aufkohlungsschicht für die Gleitstücke betrug 0,0359 mm und für Schrauben 0,0255 mm. Daraus berechnet sich eine durchschnittliche prozentuale Erhöhung der wirksamen Tiefe der Aufkohlungsschicht bei Verwendung von zwei getrennten Gasatmosphären, verglichen mit der herkömmlichen endothermen, homogenen Gasatmosphäre für die Gleitstücke um 33,7 Prozent und für die Schrauben um 16,34 Prozent.

Die Versuche wurden in einem handelsüblichen Drehrohrofen durchgeführt, wobei für die Beaufschlagung der Trommel mit Methanol und Methan sowie ihrer Wandbereiche mit Stickstoff der Kohlenmonoxid- und Wassergehalt im Bereich der Heizeinrichtung der Ofenwand untersucht wurden. Basierend auf den über einen bestimmten Zeitraum an verschiedenen Punkten der Wand durchgeführten Messungen lag der Kohlenmonoxidgehalt im Bereich von 7 bis 8% und der Stickstoff-Gehalt im Bereich von 4 bis 10%. Hieraus kann man ableiten, daß sich das Aufkohlungsgas im wesentlichen nur im Aufkohlungsbereich des Drehrohrofens befindet, also weder die Heizeinrichtung noch die Wand des Drehrohrofens erreicht. Dies ist mit den Meßergebnissen beim Verfahren nach dem Stand der Technik zu vergleichen, bei dem bei Verwendung einer homogenen, endothermen Atmosphäre Kohlenmonoxid-Gehalte von bis zu 20% und Wasserstoff-Gehalte von bis zu 40% gemessen wurden. Auch hieraus kann man die auftretende Verringerung der unerwünschten Ruß-Ablagerung ableiten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Aufkohlung von eisenhaltigen Metallprodukten

• a) durch Erwärmung der Metallprodukte in einem Ofen mit einer Heizeinrichtung und
• b) durch Einführung eines Inert-Gases und eines sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe enthaltenden Aufkohlungsgases in den Ofen,

dadurch gekennzeichnet, daß

• c) das Aufkohlungsgas dem Aufkohlungsbereich eines Drehrohrofens zugeführt wird,
• d) während gleichzeitig die Heizeinrichtung des Drehrohrofens zur Abschirmung gegen das Aufkohlungsgas mit Inertgas umspült wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Aufkohlungsgas Methan, Äthan oder Propan eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffhaltiger Kohlenwasserstoff Alkohole, Aldehyde, Ester und Äther mit bis zu 3 Kohlenstoffatomen oder deren Mischungen verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Methanol verwendet wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufkohlungsgas eine Mischung aus Methanol, Methan und bis zu 10 Vol.-% eines Inertgases eingesetzt wird.