DE4211395A1 - Verfahren zum Nitrocarburieren oder Carbonitrieren von Werkstücken und Ofen hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrocarburieren oder Carbonitrieren von Werkstücken in einem Ofen, welchem Stick­ stoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂), Ammoniak (NH₃) und ENDO-Gas oder andere CO-H₂-CO₂-Gemische in geregelten Mengen zugeführt wer­ den, die eine definierte Ofenatmosphäre bilden, der die Werk­ stücke ausgesetzt sind.

Um die Eigenschaften von Werkstücken aus Eisenwerkstoffen be­ züglich Festigkeit, Formänderung bei Belastung und Korrosions­ verhalten zu verbessern, ist es bekannt, ein Nitrocarburieren oder ein Carbonitrieren in Gasatmosphären durchzuführen, wobei Stickstoffatome und Kohlenstoffatome in die Randschichten der Werkstücke eindiffundiert. Beim Nitrocarburieren überwiegt das Eindiffundieren von Stickstoffatomen, während beim Carbonitrie­ ren das Eindiffundieren von Kohlenstoffatomen überwiegt. Um ei­ nen Aufbau dieser Randschichten zu ermöglichen und zu kontrol­ lieren, muß die Ofenatmosphäre bestimmte Eigenschaften besitzen. Darüber hinaus muß sichergestellt werden, daß diese Ofenatmos­ phäre während des Produktionsbetriebes von störenden Verände­ rungen und sonstigen Einflüssen freigehalten wird. Hierzu ist es bekannt, die Elemente der Ofenatmosphäre in vorgegebenen, bestimmten Mengenverhältnissen zuzuführen. Ebenso ist es be­ kannt, Konzentrationsmessungen der Bestandteile der Ofenatmos­ phäre durchzuführen und zur Konstanthaltung der Verhältnisse die Mengen entsprechend zuzuführen. Diese Konzentrationsmessun­ gen erfolgen bisher an dem den Ofen verlassenden Abgas oder an einer dem Ofen entnommenen Probe der Ofenatmosphäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches eine den Ver­ fahrensablauf verbessernde Ofenatmosphäre eingeregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anteile der Elemente der Ofenatmosphäre on-line mittels einer optischen Analyse er­ faßt werden, und daß dabei auch sich in der Ofenatmosphäre bil­ dende Blausäure (HCN) mengenmäßig erfaßt und als Regelgröße zum Bestimmen der zuzuführenden Gasmengen ausgewertet wird.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Zusammenset­ zung der Ofenatmosphäre innerhalb eines Ofens nicht immer exakt mit einer entnommenen Probe der Ofenatmosphäre oder auch mit dem Abgas übereinstimmen, da sich thermodynamische Gleichge­ wichte einerseits im kalten Gas anders darstellen und da auch von den Werkstücken ausgelöste Reaktionsabläufe nicht mehr im Abgas oder bei entnommenen Proben vorhanden sind. Dies wurde bereits früher aufgrund von Modellvorstellungen über den Pro­ zeßablauf vermutet. Es sind theoretische Überlegungen bekannt (Veröffentlichung "On the Mechanism of Gaseous Nitriding and Nitrocarburising" von Jan Slyke und Lars Sproge, verteilt auf der Tagung "Nitrieren und Nitrocarburieren, Darmstadt 1991"), nach welchen sich in der Ofenatmosphäre Blausäure (HCN) bildet, die an dem Verfahrensablauf beteiligt ist und die Stickstoff­ atome und Kohlenstoffatome an die Oberfläche der Werkstücke abgeben kann. Aufgrund von der vorliegenden Erfindung zugrunde­ liegenden Versuchen wurde diese Vermutung verifiziert. Dies ist durch eine on-line durchgeführte optische Analyse möglich, die mit dem Ziel des Detektierens von Blausäure (HCN) ausgerichtet wurde. Mittels der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen wurde weiter gefunden, daß das Vorhandensein von Blausäure einen wesentlichen Einfluß auf ein qualitativ hochwertiges Nitro­ carburieren oder Carbonitrieren hat, so daß deshalb erfindungs­ gemäß der Anteil an Blausäure als Regelgröße vorgegeben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil,daß direkt die Ofenatmosphäre im Innern des Ofens erfaßt wird, d. h. während der tatsächlich ablaufenden Reaktionen.

In Ausgestaltung der Erfindung wird ein Ofen zum Nitrocarburie­ ren oder Carbonitrieren von Werkstücken mit Mitteln zum Zufüh­ ren von Stickstoff (N₂) Kohlendioxid (CO₂), Ammoniak (NH₃) und ENDO-Gas oder anderen CO-H₂-CO₂-Gemischen vorgesehen, die zum Aufrechterhalten einer definierten Ofenatmosphäre aus diesen Gasen an eine Regeleinrichtung angeschlossen sind, die mit ei­ ner Sensoreinrichtung zum Erfassen der Anteile der Elemente der Ofenatmosphäre verbunden ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sensoreinrichtung eine on-line die Ofenatmosphäre im Ofeninnern überwachende, optische Analyseeinrichtung vorge­ sehen ist, die auch von der Menge von sich im Innern des Ofens bildender Blausäure (HCN) abhängige Signale erzeugt und in die Regeleinrichtung als Regelgröße eingeht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ofens.

Der in der Zeichnung im Schnitt dargestellte Ofen (10) besitzt in seinem Ofeninnern eine Muffel (11), in welche Chargen von Werkstücken (12) mittels geeigneter Trageinrichtungen einge­ bracht werden. Die Muffel (11) ist an ihrer Unterseite mit Ein­ strömöffnungen (14) und an ihrer Oberseite mit einer Abström­ öffnung (15) versehen. Der Abströmöffnung (15) ist ein Ventila­ tor (16) zugeordnet, der mittels eines außerhalb des Ofens (10) angeordneten Motors (17) angetrieben ist. Der Ventilator (16) zieht die Ofenatmosphäre durch die Muffel (11), die von der Ab­ strömöffnung (15) zu den Zuführöffnungen (14) zurückströmt, wo­ bei sie von im Bereich der Seitenwandungen des Ofeninnenraums angeordneten Heizeinrichtungen (18) auf die gewünschte Tempera­ tur aufgeheizt wird. Die Temperatur beträgt je nach dem ver­ folgten Zweck zwischen etwa 500°C und 1100°C.

In das Innere des Ofens (10) ragt eine Zuführ- und Verteilein­ richtung (19), mit welcher Gase zugeführt werden, die die Ofen­ atmosphäre bilden. Die Zuführ- und Verteileinrichtung (19) mün­ det außerhalb der Muffel (11).

Die Zuführ- und Verteileinrichtung (19) ist an steuerbare Do­ siereinrichtungen (20, 21, 22, 23) angeschlossen, die beispiels­ weise als Elektromagnetventile ausgebildet sind. Die Dosierein­ richtungen (20 bis 22) führen unter Druck die Gase zu, aus de­ nen die Ofenatmosphäre gebildet wird. Hierbei werden in einem vorgegebenen Mengenverhältnis Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂), ENDO-Gas und Ammoniak (NH₃) zugeführt. Anstelle eines ENDO-Gases können auch andere Kohlendioxid-Wasserstoff-Kohlen­ monoxid-Gasgemische zugeführt werden. Die zugeführten Gasmengen werden von einer einen Rechner enthaltenen Regeleinrichtung (24) bestimmt.

Die Regeleinrichtung (24) enthält eine Eingabeeinheit (25), mit der die Regelkriterien vorgegeben werden, bzw. mit der ein die Regelkriterien enthaltendes Programm aufgerufen wird. Die Re­ geleinrichtung (24) regelt außerdem die Heizeinrichtungen (18) zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur der Ofen­ atmosphäre. Eine wesentliche Aufgabe der Regeleinrichtung (24) ist, in die Ofenatmosphäre Mengen der einzelnen Anteile der Ofenatmosphäre nachzuführen, die benötigt werden, um die Ofen­ atmosphäre in der gewünschten Zusammensetzung aufrecht zu er­ halten.

Die Regeleinrichtung (24) ist mit einer optischen Analyseein­ richtung (26) verbunden, die die Bestandteile der Ofenatmos­ phäre innerhalb der Muffel (11) analysiert. Diese optische Ana­ lyseeinrichtung (26), die entsprechend der EP-Patentanmeldung Nr. 92 102 499.8 ausgebildet ist, mißt on-line die Zusammenset­ zung der Ofenatmosphäre bezüglich der einzelnen Bestandteile. Die Analyseeinrichtung mißt die Anteile von Kohlenmonoxyd (CO), Kohlendioxyd (CO₂), Wasserdampf (H₂O) und Ammoniak (NH₃), die als Signale in die Regeleinrichtung (24) eingegeben werden und dort auf einem Monitor (27) in Prozent über der Zeit (t) zur Anzeige gebracht werden. Darüber hinaus erfaßt die Analyseein­ richtung (26) auch die innerhalb der Ofenatmosphäre in der Muffel (11) vorhandenen Anteile an Blausäure (HCN), wobei ent­ sprechende Signale ebenfalls an die Regeleinrichtung (24) wei­ tergegeben und dort auf dem Monitor (27) zur Anzeige gebracht werden.

Die Anteile von Blausäure (HCN), die nur in der Ofenatmosphäre innerhalb des Ofens vorhanden ist, ist eine wesentliches Krite­ rium für die Qualität des Prozeßablaufes, d. h. für das Carboni­ trieren oder Nitrocarburieren, was aufgrund von Versuchen ge­ funden wurde. Es wird deshalb vorgesehen, daß die Regeleinrich­ tung (24) den Anteil von Blausäure (HCN) als Regelgröße in der Regeleinrichtung (24) auswertet, nach der die mittels der Dosiereinrichtungen (20, 21, 22, 23) zuzuführenden Gasmenge während der Betriebszeit bestimmt werden. Diese Regelung er­ folgt so, daß der Anteil von Blausäure in der Ofenatmosphäre auf einem möglichst konstanten Wert gehalten wird, der etwa in dem Bereich von 0,05% bis 0,5% liegt. Darüber hinaus erfolgt die Regelung so, daß weitere Randbedingungen eingehalten werden, nämlich daß insbesondere die Kohlenstoffaktivität (a_c) zwischen etwa 1,5 und etwa 2,5 liegt und die Nitrierkennzahl (N) größer 1,5 ist.

Claims (2)

1. Verfahren zum Nitrocarburieren oder Carbonitrieren von Werkstücken in einem Ofen, welchem Stickstoff (N₂), Kohlen­ dioxyd (CO₂), Ammoniak (NH₃) und Endo-Gas oder andere Gasge­ mische aus Kohlenmonoxyd (CO), Wasserstoff (H₂) und Kohlen­ dioxyd (CO₂) in geregelten Mengen zugeführt werden, die eine definierte Ofenatmosphäre bilden, der die Werkstücke ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der Elemente der Ofenatmosphäre on-line mittels einer optischen Analyse erfaßt werden, und daß dabei auch sich in der Ofenatmosphäre bildende Blausäure (HCN) mengenmäßig erfaßt und als Regelgröße zum Be­ stimmen der während des Betriebes zuzuführenden Gasmengen aus­ gewertet wird.

2. Ofen zum Nitrocarburieren oder Carbonitrieren von Werkstücken mit Mitteln zum Zuführen von Stickstoff (N₂), Koh­ lendioxyd (CO₂), Ammoniak (NH₃) und Endo-Gas oder Gasgemischen aus Kohlenmonoxyd (CO), Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxyd (CO₂), die zum Aufrechterhalten einer definierten Ofenatmos­ phäre an eine Regeleinrichtung angeschlossen sind, die mit einer Sensoreinrichtung zum Erfassen der Anteile der Elemente der Ofenatmosphäre verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoreinrichtung eine on-line die Ofenatmosphäre im Ofen­ inneren überwachende, optische Analyseeinrichtung (26) vorge­ sehen ist, die auch von der Menge von sich im Innern des Ofens (10, 11) bildender Blausäure (HCN) abhängige Signale erzeugt und in die Regeleinrichtung (24) als Regelgröße eingibt.