-
Die
Erfindung betrifft ein Gasaufkohlungsverfahren.
-
In
einem üblichen,
heute weit verbreiteten Gasaufkohlungsverfahren wird die Wärmebehandlung
bei 900–930°C unter Verwendung
von Aufkohlungsgas durchgeführt,
das in einem Umwandlungsofen gebildet ist.
-
Ein
neues Gasaufkohlungsverfahren ist vom Anmelder dieser Erfindung
vorgeschlagen worden (siehe beispielsweise JP-A-89/38870, JP-A-94/51904, etc.),
welches eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beabsichtigt, indem
man das Herstellungsverfahren des Aufkohlungsgases im Umwandlungsofen
beseitigt und indem man direkt sowohl Kohlenwasserstoff- als auch
Oxidationsgase als Rohgas in den Ofen zuführt.
-
Die
beim herkömmlichen
Gasaufkohlungsverfahren verwendete Behandlungstemperatur von 900–930°C war eingestellt
im Hinblick auf die Vermeidung einer Bildung von groben Kristallkörnern in
dem momentan behandelten Material und auf die Wirksamkeit der Behandlungszeit.
-
Wenn
nämlich
die Behandlungstemperatur bei einer Temperatur eingestellt ist,
die die Obergrenze von 900–930°C übersteigt,
ist das Erhalten einer zufrieden stellend aufgekohlten Struktur
wegen der Bildung grober Kristallkörner im momentan behandelten
Material sehr schwierig, obwohl die erforderliche aufgekohlte Schicht
in kurzer Zeit erhalten werden kann.
-
Wenn
andererseits die Behandlungstemperatur unter der Untergrenze von
900–930°C ist, so dauert
es lange Zeit, um eine erforderliche aufgekohlte Tiefe zu erhalten,
obwohl eine gute aufgekohlte Struktur erhalten wird.
-
Eine
Verkürzung
der Behandlungszeit bei der Gasaufkohlung trägt stark zu Kosteneinsparungen
bei, da sowohl der Energie- als auch der Gasverbrauch verringert
werden.
-
Folglich
wäre es äußerst vorteilhaft,
ein Gasaufkohlungsverfahren und eine Vorrichtung hierfür bereitzustellen,
welche verbesserte Wirksamkeit aufweisen, ohne die Qualität des Produkts
zu vermindern.
-
Die
US-A-3950192, die US-A-4495004 und die EP-A-0105138 offenbaren weitere
Gasaufkohlungsverfahren.
-
Hochtemperaturaufkohlungsverfahren
werden außerdem
in einem Artikel mit dem Titel „Gasaufkohlen bei Temperaturen
oberhalb 950°C
in konventionellen Öfen
und in Vakuumöfen", (Podiumsdiskussion
beim 36. Härtereikolloquium,
1980), von I. Grosch, et. al., diskutiert.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Gasaufkohlungsverfahren bereit,
umfassend die aufeinander folgenden Schritte:
Vorheizen des
zu behandelnden Materials (W) auf eine Temperatur von 750–950°C in einer
Vorheizkammer;
Heizen des zu behandelnden Materials (W) auf 1000–1100°C in einer
direkt zugeführten
Aufkohlungsatmosphäre
aus Kohlenwasserstoff und Oxidationsgasen in einer Aufkohlungskammer;
Zwangsabkühlen des
momentan behandelten Materials (W) auf eine Temperatur unter 600°C in einer Kühlkammer;
Wiederaufheizen
des Materials (W) auf 750–850°C in einer
Wiederaufheizkammer, und Härten
des Materials (W) in einer Härtungskammer,
wobei jede dieser Kammern ihre eigenen Transfermittel aufweist und sie
durch Öffnungs-/Schließtüren in Reihe
verbunden sind, um das aufzuheizende Material (W) zu überführen.
-
Somit
liefert die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass die Behandlungszeit
verkürzt
ist, mit den zugeordneten Wirksamkeitsvorteilen. Ferner wird bei der
vorliegenden Erfindung ein Umwandlungsofen oder die Bildung von
Aufkohlungsgas in einem Aufkohlungsofen nicht benötigt.
-
Im
Gegensatz zu den Methoden des Standes der Technik wird gemäß der vorliegenden
Erfindung die Wärmebehandlung
in einer Aufkohlungsatmosphäre
durchgeführt,
der das Aufkohlungsgas zugeführt
wird und die auf 1000–1100°C aufgeheizt
wird, wobei die Aufkohlungsatmosphäre direkt im Ofen erzeugt wird.
Die direkt im Ofen erzeugte Aufkohlungsatmosphäre wirkt stark reduzierend.
Somit ist die Korngrenzenoxidation sehr gering. Ferner kann wegen
der Vermeidung des Aufkohlungsgases Wärmeenergie (fühlbare Gaswärme) eingespart
werden. Ferner können
eine Variation der Aufkohlungsschicht und der Aufkohlungszeit verringert
werden.
-
Zusätzlich können durch
die Hochtemperaturaufkohlung gebildete grobe Kristallkörner während der
Kühl- und
Wiederaufheizschritte auf bestimmte Korngrößen eingestellt werden, um
die Korngrenzenoxidation somit weiter zu verringern. Ferner kann eine
gleichförmige
Kristallisation von Karbiden leicht erhalten werden, um die Verschleißfestigkeit
und Dauerfestigkeit etc. zu verbessern, und ein Produkt mit gleicher
oder sogar besserer Qualität
als Produkte des Standes der Technik kann erhalten werden.
-
Da
die Laminarströmungshärtung verwendet wird,
kann ferner ein Produkt von überragender
Qualität
mit weniger Härtungsverzerrungen
in einer kurzen Zeit hergestellt werden.
-
Vorzugsweise
ist die bei dem Verfahren verwendete Härtungskammer als Laminarströmungshärtungskammer
aufgebaut.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
-
1 eine Seitenansicht ist,
die die Hauptteile einer Vorrichtung für das Gasaufkohlungsverfahren
im Schnitt zeigt;
-
2 eine schematische geschnittene
Seitenansicht der Härtungskammer
ist;
-
3 ein Graph ist, der die
Temperatur des momentan behandelten Materials und die Temperatur
des Abschrecköls
während
des Härtens
zeigt;
-
4 ein Diagramm ist, das
eine bevorzugte Verfahrensfolge zum erfindungsgemäßen Aufkohlen zeigt;
und
-
5 ein Diagramm ist, das
eine typische Verfahrensfolge zum Aufkohlen gemäß dem Stand der Technik ist.
-
In 1 bezeichnet Ziffer 1 eine
Vorheizkammer, 2 ist eine Aufkohlungskammer, 3 ist
eine Kühlkammer, 4 ist
eine Wiederaufheizkammer, 5 ist eine Härtungskammer, und 6 ist
eine Spülkammer.
-
Ferner
bezeichnet in 1 Ziffer 7 eine
Einlasstür, 8–12 sind Öffnungs-
bzw. Schließtüren, 13 ist eine
Ausgangstür, 14 bezieht
sich auf die bei jeder dieser Kammern vorgesehenen Transfermitteln,
und W ist ein momentan behandeltes Material.
-
In
der Vorheizkammer 1 wird das zu behandelnde Material von
Raumtemperatur auf die Aufkohlungstemperatur vorgeheizt, beispielsweise 750–950°C, vorzugsweise
930°C. Der
Aufbau der Vorheizkammer 1 ist grundsätzlich ähnlich einer Heizkammer eines
herkömmlichen
Einsatzofens. In der Vorheizkammer 1 ist ein Anhalten eines
Lüfters 15 in
der anfänglichen
Zufuhrphase oder ein Schuß-Spülen möglich, um
die Anfangsatmosphäre zu
schützen.
-
Ferner
ist die Vorheizkammer 1 derart aufgebaut, daß eine Steuerung/Regelung
des Heizgradienten ermöglicht
wird, damit keine Verzerrung aufgrund von thermischen Spannungen
während
des Vorheizverfahrens in dem momentan behandelten Material W auftritt.
-
In
der Aufkohlungskammer 2 wird das momentan behandelte Material
von der Vorheizkammer 1 durch die Transfermittel 14 durch
die geöffnete Öffnungs-/Schließtür 8 transferiert,
wird auf eine geeignete Temperatur von mehr als 1000°C, insbesondere auf
1050°C aufgeheizt
und wird gleichzeitig aufgekohlt, indem Kohlenwasserstoffgas (Methan,
Propan, Butan etc.) und Oxidationsgas (reiner Sauerstoff, Luft,
Kohlendioxid etc.) zugeführt
werden. Alle in der Aufkohlungskammer 2 eingebauten Vorrichtungen, wie
zum Beispiel die Transfermittel 14, ein Lüfter 16, eine
Lüfterwelle 17,
die Öffnungs-/Schließtüren 8 und 9 etc.
sind aus hochtemperaturbeständigen
Materialien aufgebaut.
-
In
der Aufkohlungskammer 2 kann die Aufkohlung in kurzer Zeit
eine effektive Zieltiefe erreichen, da der Diffusionskoeffizient
von Kohlenstoff aufgrund einer höheren
Aufkohlungstemperatur als im Stand der Technik doppelt so groß ist wie
im Stand der Technik.
-
In
der Kühlkammer 3 wird
das Material W, welches in der Aufkohlungskammer 2 auf
1050°C aufgeheizt
worden ist, auf eine Temperatur unter 600°C zwangsabgekühlt, vorzugsweise
auf 500°C.
In der Kühlkammer 3 werden
eine Kühlmethode
mit Verwendung der latenten Wärme
beim Wasserkochen (siehe JP-A-89/255619), eine Gaskühlmethode mit
Verwendung von unter hohen Druck gesetzter (ungefähr 5 kg/cm2 ) Stickstoff- oder Kohlendioxidgasströmung, eine
Konvektionskühlmethode
mit einem gekühlten
Scirocco-Lüfter
etc. gemeinsam verwendet.
-
In
der Wiederaufheizkammer 4 wird das momentan behandelte
Material W, welches in der Kühlkammer 3 auf
500°C abgekühlt worden
ist, auf eine Austenitisierungstemperatur von 850°C wiederaufgeheizt.
Wenn erforderlich, kann Ammoniakgas in die Wiederaufheizkammer 4 zugeführt werden,
um eine ungleichmäßige Oberflächenschicht
zu verringern und um den Widerstand gegen ein Weichwerden beim Temperieren
zu verbessern. Ähnlich
der Vorheizkammer 1 ist auch die Wiederaufheizkammer 4 derart
aufgebaut, daß sie
eine Steuerung/Regelung des Heizgradienten erlaubt, so daß während des Wiederaufheizverfahrens
in dem momentan behandelten Material W keine Verzerrung durch thermische Spannungen
auftritt.
-
Während der
Hochtemperaturaufkohlung in der Aufkohlungskammer 2 gebildete
grobe Kristallkörner
werden während
des Kühlverfahrens
in der Kühlkammer 3 und
durch das Wiederaufheizverfahren in der Wiederaufheizkammer 4 auf
die bestimmte Größe eingestellt.
-
In
der Härtungskammer 5 sind
wie bei herkömmlichen
Methoden ein Abschreckgefäß 18 und ein
Elevator 19 bereitgestellt.
-
Anstelle
einer Verwendung von gerührtem Abschrecköl 20 wird
jedoch in der Härtungskammer 5 vorzugsweise
die in 2 gezeigte Laminarströmungshärtung verwendet.
-
Wie
in 2 gezeigt, ist ein
Härtungsrahmen 21 zur
Aufnahme eines abwärts
fahrenden Elevators 19 ungefähr in der Mitte des Abschreckgefäßes 18 angeordnet.
Eine horizontale Staudruckbeseitigungsplatte 22 ist etwas
unter der Mitte des Außenumfangs
des Abschreckrahmens 21 angeordnet. Eine vertikale Trennwand 23 ist
zwischen dem Umfangsrand der Staudruckbeseitigungsplatte 22 und dem
Boden des Abschreckgefäßes 18 angeordnet. Die
vertikale Trennwand 23 stützt den Abschreckrahmen 21 durch
die Staudruckbeseitigungsplatte 22. Das untere Ende des
Abschreckrahmens 21 steht nicht in Kontakt mit dem Boden
des Abschreckgefäßes 18.
Eine Unterkammer 24 ist unter dem Abschreckrahmen 21 durch
die vertikale Trennwand 23 und die Staudruckbeseitigungsplatte 22 gebildet.
-
Eine
geeignete Anzahl von Führungsrohren 25 treten
in gleichmäßigen Abständen durch
die vertikale Trennwand 23 ein. Die Innenöffnungen
der Führungsrohre 25 sind
zur Staudruckbeseitigungsplatte 22 hin gekrümmt, d.h.
nach oben. Das Abschrecköl 20 im
Abschreckbehälter 18 wird
den Führungsrohren 25 gleichmäßig durch
eine nach oben abgebende Pumpe 26 zugeführt.
-
Ziffer 27 in 2 bezeichnet eine Umwälzpumpe
zum Umwälzen
des Abschrecköls 20 in
den oberen und unteren Abschnitten des Abschreckrahmens 21,
und 28 ist ein Umwälzrohr
hierfür.
-
In
dem oben genannten Aufbau wird das Abschrecköl 20 im Abschreckbehälter 18 durch
die Führungsrohre 25 durch
den Betrieb der nach oben abgebenden Pumpe 26 in die Unterkammer 24 zugeführt. Das
in die Unterkammer 24 zugeführte Abschrecköl 20 stößt mit der
Staudruckbeseitigungsplatte 22 zusammen und wandelt sich
in eine laminare Strömung
um, d.h. das Öl
strömt
in Schichten ohne Wirbel (laminare Strömung), und strömt dann
von seinem unteren Ende her in den Abschreckrahmen 21.
Das momentan behandelte Material W fährt durch den Elevator 19 in
das Innere des Abschreckrahmens 21 hinab. Das Material
W wird dort durch das in den Abschreckrahmen 21 strömende Abschrecköl 20 gekühlt.
-
Man
sagt, daß das
Prinzip der Härtung schnell,
aber langsam erfolgen soll. Insbesondere, um das Härten perfekt
mit weniger Verzerrungen durchzuführen, sollte das momentan behandelte
Material W rasch abgekühlt
werden, bis die Temperatur des Materials W einen sogenannten Nasenpunkt
der S-Kurve erreicht (der Zeit-Temperatur-Umwandlungskurve) und
sollte danach für
eine bestimmte Zeit beim Ms-Punkt (dem martensitischen Startpunkt,
bei ungefähr
210°C) gehalten
werden, um die Temperatur im gesamten momentan behandelten Material
W auszugleichen, bevor man zur martensitischen Umwandlung weitergeht.
-
Gleichmäßige Härtung ohne
irgendeine Unregelmäßigkeit
kann in der Laminarströmungshärtungskammer 5 erreicht
werden, da im Gegensatz zu im Stand der Technik verwendeten Methoden
unter Verwendung von Schaufeln zum Umrühren des Abschrecköls, im Abschrecköl keine
Blasen erzeugt werden und außerdem
keine turbulente Strömung auftritt.
-
3 zeigt ein Beispiel der
Temperaturveränderung
des momentan behandelten Materials W (Kurve X) und der Temperaturveränderung
des Abschrecköls
(Kurve Y) während
des eigentlichen Härtungsverfahrens
in der Härtungskammer 5 mit
dem oben beschriebenen Aufbau.
-
In 3 ist der Bereich zwischen
0 und A entlang der Zeitachse ein sogenannter kritischer Bereich,
in dem das momentan behandelte Material W durch Betreiben der nach
oben abgebenden Pumpe 26 schnell gekühlt werden muß.
-
Der
Bereich zwischen A und B ist ein Abschnitt verhältnismäßig langsamen Kühlens des
Materials W, sobald die Pumpe 26 angehalten worden ist.
-
Wenn
nämlich
die nach oben abgebende Pumpe 26 angehalten wird, steigt
die Temperatur des Abschrecköls 20 aufgrund
der Wärme,
die vom momentan behandelten Material W übertragen wird. Folglich wird
das Material W langsam abgekühlt.
-
Der
Bereich zwischen B und C ist ein Abschnitt zum Verringern der Temperaturdifferenz
zwischen den oberen und den unteren Teilen des momentan behandelten
Materials W durch Betreiben der Umwälzpumpe 27. Die Umwälzpumpe 27 führt das
Abschrecköl
in den Abschreckrahmen 21 zu, wobei sie vom oberen Teil
absaugt und zum unteren Teil zuführt.
-
Somit
zirkuliert das Abschrecköl
im Abschreckrahmen 21 vertikal und verringert die Temperaturdifferenz
zwischen dem oberen und dem unteren Teil des momentan behandelten
Materials W.
-
Der
Bereich zwischen C und D ist ein Abschnitt zur Verstärkung der
martensitischen Umwandlung durch Absenkung der Temperatur des Materials
W und der Temperatur des Abschrecköls 20 durch ein erneutes
Starten der Pumpe 26. Der Bereich zwischen D und E ist
ein Slingerverfahren.
-
Ein
Wechselrichter wird zum Betrieb der nach oben abgebenden Pumpe 26 verwendet,
um eine Veränderung
der Strömungsgeschwindigkeit durch
Einstellen ihrer Frequenz auf einen geeigneten Wert zu ermöglichen.
Durch Verwendung eines Zeitgebers kann die Betriebsdauer der Pumpe 26 auf vorbestimmte
Intervalle eingestellt werden.
-
In
die der Härtungskammer 5 benachbarte Spülkammer 6 kann
Stickstoff oder Kohlendioxidgas gespült werden, um eine abgeschirmte
Umgebung während
des Transports des behandelten Materials W zu bilden.
-
4 zeigt eine Verfahrensfolge
während
einer Aufkohlungsbehandlung unter Verwendung der oben genannten
Gasaufkohlungsvorrichtung.
-
In
einem Beispiel wurde ein Gesamtgewicht von 300 kg zu behandelnden
Materials W in der Vorheizkammer 1 in 1,2 Stunden auf 930°C vorgeheizt. In
dem dem Laden des zu behandelnden Materials W folgenden Anfangsabschnitt
wurde das Heizen durch Anhalten des Lüfters 15 und Schuß-Spülen mit
Butan gesteuert/geregelt. Dann wurde das Material W, welches auf
930°C vorgeheizt
worden war, zur Aufkohlungskammer 2 transferiert, um in
0,43 Stunden auf 1050°C
aufgeheizt zu werden und um in 1,18 Stunden eine Aufkohlungsbehandlung
in einer Aufkohlungsatmosphäre
durchzuführen,
die bei der Strömungsrate
von 1–5
l/min als Kohlenwasserstoffgas zugeführtes Butan und bei der Strömungsrate
von 0,5–2,0
l/min als Oxidationsgas zugeführtes
Kohlendioxid enthält.
-
Danach
wurde das momentan behandelte Material W in 0,17 Stunden in der
Kühlkammer 3 auf 500°C abgekühlt, dann
in der Wiederaufheizkammer 4 in 0,6 Stunden auf die bevorzugte
Härtungstemperatur
von 850°C
wieder aufgeheizt, worauf ein Härten mit
der Laminarströmungsmethode
folgte, was zu einer Aufkohlungsschicht mit einer Dicke von mehr
als 1,3 mm führte.
-
Die
für das
Aufkohlen einschließlich
des Härtens
erforderliche Gesamtzeit betrug 3,35 Stunden, und die sogenannten
Zykluszeit entspricht der längsten
Verweilzeit, d.h. der Vorheizzeit von 1,2 Stunden. Die stündliche
Produktionsrate kann daher bis zu 300 kg/1,2 Stunden = 250 kg/Stunde
betragen.
-
Zum
Vergleich mit dem bevorzugten Aufkohlungsverfahren der vorliegenden
Erfindung ist eine Verfahrensfolge für eine herkömmliche Aufkohlungsbehandlung
des Stands des Technik (Aufkohlungstemperatur: 930°C) in 5 gezeigt.
-
In
diesem Vergleich wurde eine Aufkohlungsbehandlung unter Verwendung
von 550 kg Material in einem Einsatzofen durchgeführt. Bei
diesem Vergleich waren das momentan behandelte Material W und die
Aufkohlungsatmosphäre
die gleiche wie die in der vorliegenden Erfindung verwendeten. Bei diesem
Vergleich betrug die für
das Aufkohlungsverfahren bis zum Härten erforderliche Gesamtzeit
7,5 Stunden, und die stündliche
Produktionsrate war 550 kg/7,5 Stunden = 73 kg/Stunde.
-
Ein
Vergleich der stündlichen
Produktionsraten der zwei Verfahren ergibt 250 kg/73 kg = 3,4, und daher
ist die Stundenproduktionseffizienz für das bevorzugte Aufkohlungsverfahren
der vorliegenden Erfindung 3,4mal größer. Dies bedeutet, daß die Behandlungszeit
verkürzt
werden kann. Da der Gasverbrauch durch die Verkürzung der Behandlungszeit verringert
wird, ist das erläuterte
erfindungsgemäße Aufkohlungsverfahren
wirtschaftlicher.
-
Durch
Vergrößern der
Einsatzkomponenten in der Vorheizkammer, der Aufkohlungskammer und der
Wiederaufheizkammer im Falle der vorliegenden Erfindung, kann die
stündliche
Produktionsrate weiter erhöht
werden. Als Heizmittel können
entweder elektrische Energie oder Gas verwendet werden.
-
Ferner
betrug die Korngrenzenoxidation bei einem SCM420-Typ-Material 20–25 μm in dem
in 5 gezeigten Vergleich,
aber sie konnte auf weniger als 15 μm in dem in 4 gezeigten erläuterten Beispiel der vorliegenden
Erfindung verringert werden.