DE3614444A1 - Verfahren zum oxydieren von sintereisenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer harten Oxydschicht ( Fe₃O₄ ) auf der Oberfläche in den Poren von Sintereisenteilen.

Zu diesem Zweck ist ein Dampfbehandlungsverfahren bekannt, (das in einem Aufsatz in der Zeitschrift "Werkstoff und Betrieb", 96. Jahrgang 1963, Seite 497-500 beschrieben ist). Darin ist für die Oxydation von Eisen unter überhitztem Wasserdampf das Diagramm in der Fig. 1 angegeben. Um die erwünscht harte, blaue Oxydschicht von Fe₃O₄ zu erhalten, ist ein Temperaturbereich von etwa 370°C bis 570°C einzuhalten. Bei niedrigerer Temperatur verläuft die Oxydation sehr langsam und bei höherer Temperatur entsteht das Oxyd FeO, das unterhalb von 570°C in Fe₃O₄ und freies Eisen Fe zerfällt. Dies ist zu vermeiden, denn das freie Eisen würde in Luft rosten, wobei das rote Oxyd Fe₂O₃ entsteht. Das Oxyd Fe₃O₄ ist in Luft beständig.

Die Oxydation zu Fe₃O₄ verläuft am schnellsten in der Nähe der zulässigen oberen Grenztemperatur und einem hohen Verhältnis K von Wasserdampf ( H₂O ) zu Wasserstoff ( H₂ ) in der Umgebung der Sinterteile. Die obere Kurve in der Fig. 1 darf aber nicht nach oben überschritten werden, weil sonst Rost (Fe₂O₃) entsteht, der unter praktisch realisierbaren Betriebsbedingungen selbst in einem Gasgemisch mit kleinem Verhältnis H₂O/H₂ nicht oder nicht vollständig zu Fe₃O₄ zurückgebildet wird.

Rost (Fe₂O₃) entsteht auch, wenn auf den zu behandelnden Eisenteilen Wasserdampf kondensiert und freier Sauerstoff (Luft) vorhanden ist. Das wird bei dem bekannten Dampfbehandlungsverfahren von Sintereisenteilen vermieden. Nachdem diese in einem gasdicht verschließbaren Ofenraum auf etwa 370°C aufgeheizt sind, wird der Ofenraum bei geöffnetem Auslaßventil etwa 1 1/2 Stunden lang mit überhitztem ständig umgewälztem Wasserdampf ausgespült, um den Luftsauerstoff bis auf etwa 0,1% zu entfernen. Dann werden die Sintereisenteile bei geschlossenem Auslaßventil und einer Ofen­ temperatur von etwa 550°C mindestens eine Stunde lang mit über­ hitztem Wasserdampf behandelt. Dabei entsteht auf der Oberfläche und in den Poren der Sintereisenteile eine harte Oxydschicht von Fe₃O₄ und freier Wasserstoff, von dem durch ein Überdruckventil so viel abgelassen wird, daß K = H₂O/H₂ einen günstigen Wert hat. Die Behandlung einer Charge dauert einschließlich Aufheizen ungefähr fünf Stunden. Außer der langen Behandlungszeit hat das bekannte Dampfbehandlungsverfahren den schwerwiegenden Nachteil, daß es nur in einem gasdicht verschließbaren Ofenraum, der zum größten Teil mit Sintereisenteilen gefüllt ist, durchgeführt werden kann. Wenn zu wenig Eisenteile im Ofen sind, wird beim Beginn der Dampfbehandlung der Wasserdampf zu langsam in zu geringer Menge erzeugt, so daß Fe₂O₃ entsteht, das nicht wieder zu Fe₃O₄ zurück­ gebildet wird.

Unter Punkt 5 in der letzten Spalte des erwähnten Aufsatzes ist gesagt, daß die Sinterteile selbstverständlich in reinem Zustand in den Ofen eingesetzt werden müssen. Zum Entfetten und zum Beseitigen von Schmiermitteln bei mechanisch nachbehandelten Teilen wird Waschen mit Trichloräthylen und anschließendes Verdampfen dieses Waschmittels durch Erwärmen der Teile empfohlen. Das dabei in die Atmosphäre abgesaugte Trichloräthylen ist eine unerwünschte Umwelt­ belastung.

In dem Lehrbuch "Pulvermetallurgie Sinter-und Verbundwerkstoffe", herausgegeben von Prof. Dr. Ing. habil Werner Schott beim VEB Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1979 ist auf der Seite 242 ohne Angabe von Verfahrenseinzelheiten erwähnt, daß Sintereisenteile zunächst unter Wasserstoff und danach in einer Atmpsphäre mit Wasserdampf auf 370°C bis 550°C erhitzt werden, um eine harte Oxyd­ schicht (Fe₃O₄) auf der Oberfläche und in den Poren der behandel­ ten Teile zu erzeugen.

Durch die Erfindung ist die Aufgabe gelöst, eine harte Oxydschicht (Fe₃O₄) auf der Oberfläche und in den Poren von Sintereisentei­ len, die vor der Behandlung nicht z. B. mit Trichloräthylen gewaschen werden müssen, mit einer beträchtlich verkürzten Behand­ lungszeit zu erzeugen. Außerdem sind die Betriebsbedingungen zum Erreichen einer möglichst dicken harten Oxydschicht in einfacher Weise zuverlässig einzustellen.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Verfahren zum Erzeugen einer harten Oxydschicht (Fe₃O₄) auf der Oberfläche und in den Poren von Sintereisenteilen, diese in einem Durchlaufofen auf 370° bis 570°C erhitzt und durch ein Gasgemisch mit freiem Sauerstoff, vorzugsweise Luft, geführt werden.

Wie aus dem zitierten Aufsatz bekannt ist, wird eine möglichst große Härte erreicht, wenn die harte Oxydschicht nicht nur auf der äußeren Oberfläche der Sintereisenteile, sondern auch auf den ganzen Porenflächen möglichst dick ist.

Versuche haben zu dem unerwarteten und völlig überraschenden Ergebnis geführt, daß die größte Härte der Oxydschicht von Fe₃O₄ sich auf Sintereisenteilen ergeben hat, die bei einer Temperatur von ungefähr 500°C ungefähr 15 Minuten lang in einem Ofenkanal einem Luftstrom ohne jeden Zusatz ausgesetzt worden sind. Da die Versuche im Winter bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt gemacht worden sind, hat die verwendete Luft nur wenige Gewichts­ prozente Wasserdampf enthalten. Deshalb ist anzunehmen, daß die Oxydation des Eisens zu Fe₃O₄ auch in den Poren durch den freien Sauerstoff der Luft erfolgt ist. Dabei ist es offensichtlich nicht erforderlich, sondern sogar ungünstig, den Luftsauerstoff in den Poren durch langwierige Behandlung auszutreiben und durch Wasserdampf und Wasserstoff zu ersetzen.

Die Umsetzung von Fe₃O₄ in Fe₂O₃, die nach dem erwähnten Aufsatz zu befürchten ist, wenn der Wasserdampf im Behandlungsofen noch freien Sauerstoff enthält, ist bei den erwähnten Versuchen nicht einge­ treten, vermutlich weil die Luftfeuchtigkeit dazu zu gering war. Es könnte deshalb vorteilhaft sein, feuchte Luft vor dem Einleiten in den Durchlaufofen zu trocknen. Bei den Versuchen ist bei der Behandlung mit Abgasen von mit zu hohem Luftüberschuß (λ = 2 . . .3) verbrannten Kohlenwasserstoffen (Wasserdampfgehalt ca 15%) nur eine deutlich geringere Oberflächenhärte erreicht worden.

Die Versuchsergebnisse lassen vermuten, daß in einem weiten Bereich der prozentualen Anteile von freiem Sauerstoff und Wasserdampf in der Behandlungsatmosphäre in den Poren der Sintereisenteile statt Fe₃O₄ mehr oder weniger die Härte verringerndes Oxyd Fe₂O₃ entsteht, das von einer äußeren Schicht Fe₃O₄ abgedeckt wird.

Es ist allerdings noch nicht untersucht worden, ob eine geringe Luftfeuchtigkeit für die Oxydation zu Fe₃O₄ erforderlich ist und ob es dafür ein Optimum gibt.

Bei einer zweckmäßigen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gasgemisch mit freiem Sauerstoff am Ofenende in den Behandlungskanal eingeleitet und am Ofenanfang abgesaugt.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, eine obere Temperaturgrenze von etwa 370°C im vorderen Ofenteil einzuhalten, der so lang ist, daß die Durchlaufzeit der Sintereisenteile zum vollständigen Verdampfen von daran haftenden Schmiermitteln ausreicht, bevor die Oxydation an den Teilen beginnt. Dabei ist es vorteilhaft, das Verbrennen von Schmiermitteln auf den Sintereisenteilen zu vermeiden, weil darauf verbleibende Verbrennungsrückstände Verunreinigungen der Oxydober­ fläche der gehärteten Sintereisenteile verursachen. Die erreichbare Härte wird dadurch nicht verringert. Zu diesem Zweck ist im vorderen Ofenteil die obere Temperaturgrenze von 370°C nicht zu überschreiten und eine starke Gasströmung zum Eingang hin zu er­ zeugen, damit verdampfte Schmiermittel schnell von den Sintereisen­ teilen weggeblasen werden. Das Verdampfen der Schmiermittel wird durch steigende Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit im Behandlungskanal beschleunigt.

Bei vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird am Ende des vorderen Ofenteils ein Luftstrom oder ein Gas­ gemisch mit brennbaren Anteilen eingeleitet. Dadurch wird die Strö­ mungsgeschwindigkeit im vorderen Ofenteil größer als im folgenden und die Temperatur des von hinten kommenden Luftstroms kann auf einer kurzen Strecke von annähernd 570°C auf unter 360°C abgesenkt werden.

Das Verbrennen von verdampften Schmiermitteln unterbleibt bei Luft­ zufuhr wegen relativ niedriger Temperaturen und Mangel an nicht brennbaren Bestandteilen, beim Einleiten eines Gasgemischs mit brennbaren Anteilen wegen Mangel an Sauerstoff, wenn der Sauerstoff der von hinten einströmenden Luft zum großen Teil zum Oxydieren der Sintereisenteile verbraucht worden ist.

Die übliche gleichmäßig blaue Farbe der Sintereisenteile kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine Nachbehandlung der Teile in einem Gasgemisch mit brennbaren Anteilen und einer Behandlungsdauer unter 15 Minuten wiederhergestellt werden.

Zum Einsparen von Heizenergie ist es vorteilhaft, das am Ofenein­ gang abgesaugte Gasgemisch in einem zum Behandlungskanal parallel verlaufenden und dicht daran anliegenden Heizkanal zum Aufheizen des Ofens einem Brenner zuzuleiten, dem selbstverständlich noch zusätzliches Heizgas zugeführt werden kann. Mit Hilfe von Temperaturfühlern und einer dadurch gesteuerten Gaszufuhr können gewünschte Betriebstemperaturen selbsttätig eingehalten werden. Auf diese Weise sind die einfachen Betriebsbedingungen zum Erzeugen harter Oxydschichten von Fe₃O₄ mit sauberer Oberfläche besonders leicht einzuhalten.

Wenn der erwähnte Brenner mit Sauerstoffmangel betrieben wird, so daß seine Abgase noch brennbare Anteile enthalten, können diese auch zur Nachbehandlung der Sintereisenteile verwendet werden.

Fig. 2 ist eine Prinzipskizze, in der die beschriebenen Durch­ führungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschau­ licht sind.

Die Sintereisenteile werden auf einem nicht dargestellten Förder­ band von links nach rechts durch einen Behandlungskanal 1 geführt, der an beiden Enden wegen des durchlaufenden Förderbandes nicht gasdicht abgeschlossen werden kann. In der Nähe des hinteren Ofenendes wird in den Behandlungskanal bei 2 Luft eingeleitet, die darin nach vorne strömt, wie es in der Skizze durch Pfeile angedeutet ist.

Am Ende eines vorderen Ofenteils 3 kann bei 4 zusätzlich Luft oder ein Gasgemisch mit brennbaren Anteilen eingeleitet werden. Bei 5 wird das Gasgemisch aus dem vorderen Ofenteil 3 abgesaugt und im Heizkanal 6 dem Brenner 7 zugeleitet, dem noch in nicht darge­ stellter Weise Heizgas und Luft zugeführt wird. Abgas mit brenn­ baren Anteilen kann von Brenner 7 bei 8 in den Endteil 9 des Behandlungskanals 1 zur Nachbehandlung der Sintereisenteile einge­ leitet werden und von dort durch den Kamin 10 abziehen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erzeugen einer harten Oxydschicht (Fe₃O₄) auf der Oberfläche und in den Poren von Sintereisenteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintereisenteile in einem Durchlaufofen auf 370° bis 570°C erhitzt und durch ein Gasgemisch mit freiem Sauerstoff geführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas­ gemisch Luft ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch am Ofenende in den Behandlungskanal eingeleitet und am Ofenanfang abgesaugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Temperaturgrenze von etwa 370°C im vorderen Ofenteil eingehalten wird, der so lang ist, daß die Durchlaufzeit der Sintereisenteile zum vollständigen Verdampfen von daran haftenden Schmiermitteln ausreicht, bevor die Oxydation an den Teilen beginnt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des vorderen Ofenteils ein Luftstrom eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des vorderen Ofenteils ein Gasgemisch mit brennbaren Anteilen eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintereisenteile nach der Behandlung im Gasgemisch mit freiem Sauerstoff durch ein Gasgemisch mit brennbaren Anteilen geführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das abgesaugte Gasgemisch in einem zum Behandlungskanal parallel verlaufenden und dicht daran liegenden Heizkanal einem Brenner zum Aufheizen des Ofens zugeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Brenners im Heizkanal zur Nachbehandlung der Sinter­ eisenteile verwendet werden.