DE69608652T2

DE69608652T2 - Verfahren zum Aufkohlen von Metallen

Info

Publication number: DE69608652T2
Application number: DE69608652T
Authority: DE
Inventors: Fumitaka Abukawa; Hitoshi Goi; Toshiyuki Kawamura
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-23
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: EP0781858B2; ES2148693T3; EP0781858B1; EP0781858A1; JPH09184057A; DE69608652T3; JP3460075B2; ES2148693T5; US5795406A; DE69608652D1; KR970043264A; KR100432956B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Aufkohlverfahren für Metalle, und insbesondere ein Aufkohlverfahren für Metalle, bei welchem ein gasförmiger Kohlenwasserstoff und ein gasförmiges Oxidationsmittel in einen Wärmebehandlungsofen eingeführt werden, um unter Verkürzung der Behandlungs- bzw. Vergütungsdauer und Steigerung der Reproduzierbarkeit eine (massenhafte) Ansammlung von abgelagertem Carbid und unter Verminderung der Wartungskosten ein Verrußen bzw. eine Versottung zu verhindern.
Fig. 3 zeigt einen üblichen Kammerofen. In Fig. 3 bezeichnen die Bezugszahlen 1 einen Wärmeraum, 2 einen Kühlraum, 3 eine Einlaßtüre für den Heizraum 1, 3a einen an der Einlaßtüre 3 gebildeten Öffnungs- und Verschlußkopf, 4 eine Zwischentüre, 4a einen an der Zwischentüre 4 gebildeten Auslaß, 5 eine Auslaßtüre für den Kühlraum 2, 6 einen Kühlöltank, 7 eine Ausblasvorrichtung für überschüssige Luft, 8 eine beim Öffnen der Auslaßtüre 5 zu zündende Vorhangflamme, 9 und 10 Gaszufuhrleitungen, 11 und 12 in den Gaszufuhrleitungen 9 bzw. 10 vorgesehene Ventile 11 bzw. 12 und 19 einen Rührflügel.
Fig. 4 zeigt einen üblichen Ofen für einen kontinuierlichen Betrieb. Teile dieses Ofens, die den entsprechenden Teilen des in Fig. 3 dargestellten Ofens ähnlich sind, sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet und brauchen nicht weiter beschrieben zu werden.
In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszahlen 15 einen Raum zur Aufnahme eines Werkstücks, 16 eine Türe für den Raum 15 zur Aufnahme des Werkstücks, 17 eine CO&sub2;-Zufuhrleitung, 18 ein in der CO&sub2;-Zufuhrleitung 17 vorgesehenes Ventil und 20 ein Zufuhrrohr für einen gasförmigen Werkstoff.
Beim üblichen Aufkohlen wird als Trägergas ein in einem Veredelungs- bzw. Konverterofen gewonnenes Konvertgas verwendet. Zur Qualitätssteigerung und zur Verminderung der Behandlungsdauer und Betriebskosten wird seit kurzem auf den Veredelungs- bzw. Konverterofen verzichtet. Statt dessen wurde vorgeschlagen, einen gasförmigen Kohlenwasserstoff und ein oxidierendes Gas direkt in den Ofen einzuleiten, um im diesem den Metamorphismus und die Aufkohlung durchzuführen. Ferner ist beispielsweise aus den offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. 128577/1980 und 49621/1994 sowie den japanischen Patentschriften Nr. 21866/1987, 38870/1989 und 51904/1994 ein Aufkohlverfahren bekannt, bei welchem zur Verkürzung der Behandlungsdauer das Kohlenstoffpotential in der Ofenatmosphäre wiederholt erhöht und gesenkt wird.
Fig. 5 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen einer Temperaturkurve a und einer Kohlenstoffpotentialkurve b für ein Beispiel eines üblichen Aufkohlverfahrens. Bei diesem Verfahren wird ein in den Ofen zur Behandlung eingebrachtes Werkstück in Aufkohlatmosphäre auf eine Temperatur des Austenitbereichs, z. B. 930ºC, erwärmt und bei dieser Temperatur gehalten. Das Werkstück wird eine gegebene Zeit lang bei einem Kohlenstoffpotential von etwa 0,8% aufgekohlt, bei einem Kohlenstoffpotential von etwa 0,7% einem Diffusionsverfahren unterworfen und schließlich auf 850ºC abgekühlt und bei dieser Temperatur gehärtet.
Fig. 6 zeigt ein Aufkohlverfahren gemäß der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 49621/1994. Bei diesem Verfahren wird während des Aufkohlens das Kohlenstoffpotential zur Verkürzung der Aufkohldauer und zur Verhinderung eines Verrußens bzw. einer Versottung des Ofens abwechselnd zwischen etwa 1, 1% und etwa 0,8% variiert.
Die Aufkohldauer kann verkürzt werden, wenn die Aufkohlung in einer Atmosphäre höheren Kohlenstoffpotentials durchgeführt wird. In den meisten Fällen enthält jedoch das zu behandelnde Werkstück spezielle chemische Elemente, die leicht Carbide abscheiden. Wenn folglich das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre ohne besondere Sorgfalt auf einen hohen Wert eingestellt wird, sammeln sich die abgeschiedenen Carbide unter Verschlechterung der Dauerschwingfestigkeit des Werkstücks (massenhaft) an. Gleichzeitig kann auch die Aufkohldauer nicht verkürzt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Vermeidung der geschilderten Nachteile des üblichen Aufkohlverfahrens.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Aufkohlverfahren für Metalle, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß in einen Wärmebehandlungsofen ein Werkstück eingetragen, ein gasförmiges Oxidationsmittel unter einem Druck von 2 kg/cm² bis 10 kg/cm², vorzugsweise 5 kg/cm², zum Austreiben von im Ofen befindlicher Luft eingeführt und ein gasförmiger Kohlenwasserstoff unter einem Druck von 0,025 kg/cm² bis 0,1 kg/cm², vorzugsweise 0,07 kg/cm², mit einer Geschwindigkeit von 10 l/min bis 200 l/min. vorzugsweise 40 l/min. eingeleitet wird, wobei die Menge des gasförmigen Kohlenwasserstoffs zur wiederholten Veränderung des Kohlenstoffpotentials der Ofenatmosphäre zwischen etwa 1,2% CP und etwa 0,8% CP jeweils neu eingestellt wird, die Atmosphäre eine gegebene Zeit lang bei 1,2% CP gehalten wird, um eine (massenhafte) Ansammlung von in dem Werkstück abgeschiedenem Carbid zu verhindern, und die Atmosphäre eine gegebene Zeit lang bei etwa 0,8% CP gehalten wird, um eine Lösungsglühbehandlung des abgeschiedenen Carbids durchzuführen.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufkohlverfahren für Metalle, bei welchem in den Wärmebehandlungsofen ein gasförmiger Kohlenwasserstoff und ein gasförmiges Oxidationsmittel eingeführt werden, wird in den Wärmebehandlungsofen zur Ausbildung einer anfänglichen Atmosphäre eine geringe Menge eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs unter geringem Druck eingeführt. Weiterhin werden erfindungsgemäß die Umschaltdauer und der Gradient des gegen unterschiedliche Niveaus hin variierenden Kohlenstoffpotentials durch Erhöhen oder Erniedrigen der Mengen an gasförmigem Kohlenwasserstoff und gasförmigem Oxidationsmittel gesteuert.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre eine gegebene Zeit lang auf einem so hohen Niveau gehalten, daß sich bei Ausführung des Aufkohlverfahrens die massenhafte Ansammlung von in einem zu behandelnden Werkstück abgeschiedenem Carbid verhindert wird. Andererseits wird das Kohlenstoffpotential eine gegebene Zeit lang auf einem so niedrigen Niveau gehalten, daß bei Ausführung des Aufkohlverfahrens die Lösungsglühbehandlung des abgeschiedenen Carbids durchgeführt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner ein gasförmiges Oxidationsmittel bei dazwischenliegendem Druck in eine Gaszufuhrleitung einströmen gelassen, um ein Verrußen bzw. eine Versottung der Gaszufuhrleitung zu verhindern.
Erfindungsgemäß werden weiterhin ein gasförmiger Kohlenwasserstoff und ein gasförmiges Oxidationsmittel jeweils bei dazwischenliegendem Druck in ein Umwandlungs- bzw. Konverterrohr in einer Vorwärmzone eingeleitet, um eine Störung der Komponenten der Ofenatmosphäre zu verhindern. Bei dem dazwischenliegenden Druck handelt es sich um einen Druck zwischen niedrigem Druck (nicht höher als 0,025 kg/cm²) und hohem Druck (nicht weniger als 10 kg/cm²).
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung CO&sub2; bei dazwischenliegendem Druck gleichzeitig in sämtliche Gaszufuhrleitungen eingeblasen, um Ruß aus den einzelnen Gaszufuhrleitungen zu entfernen und ein CO-Defizit im Ofen zu verhindern.
Die geschilderten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden spezielleren Beschreibung einer in den beigefügten Zeichnungen veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Aufkohlverfahrens für Metalle;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines in Fig. 1 dargestellten Bereichs;
Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung eines üblichen Kammerofens;
Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung eines üblichen Ofens für einen kontinuierlichen Betrieb bzw. Dauerbetrieb;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines üblichen Aufkohlverfahrens für Metalle, und
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren üblichen Aufkohlverfahrens für Metalle.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung der in Fig. 3 dargestellte Kammerofen benutzt wird, wird die Eingangstüre 3 für den Heizraum 1 geöffnet, die Drehung des Rührflügels 19 im Heizraum 1 gestoppt, um ein Eindringen von Außenluft in den Heizraum 1 zu verhindern, und durch die Eingangstüre 3 in den Heizraum 1 ein zu behandelndes Werkstück, z. B. Stahl und dgl., eingebracht.
Danach wird die Eingangstüre 3 geschlossen und ein gasförmiges Oxidationsmittel, wie CO&sub2;, bei dazwischenliegendem Druck in den Heizraum 1 eingeleitet. Gleichzeitig wird der Öffnungs- und Verschlußkopf 3a geöffnet, um beim Eintrag des Werkstücks in den Heizraum 1 eingeschleppte Luft auszutreiben.
Danach wird eine geringe Menge eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs, wie C&sub4;H&sub1;&sub0;, bei dazwischenliegendem Druck (0,025 kg/cm² bis 0,1 kg/cm², vorzugsweise 0,07 kg/cm²) mit einer Geschwindigkeit von 10-200 l/min. vorzugsweise 40 l/min. in den Heizraum 1 eingeleitet und der Öffnungs- und Verschlußkopf 3a geschlossen. Nachdem der Rührflügel 10 in Bewegung versetzt wurde, wird das Werkstück ohne Zusatz irgendeines Katalysators zur Durchführung der Aufkohl- und Diffusionsprozesse auf etwa 930ºC erwärmt.
Nach dem Abkühlen des Werkstücks auf die Härtungstemperatur von etwa 850ºC wird die Zwischentüre 4 geöffnet und das Werkstück in den Kühlraum 2 überführt. Danach wird das Werkstück mittels eines (nicht dargestellten) Aufzugs in den Kühlöltank 6 abgesenkt, um es etwa 15 min lang aushärten zu lassen. Anschließend wird das Werkstück aus dem Kühlöltank 6 herausgehoben und etwa 10 min lang liegen gelassen, um das Öl vom Werkstück abtropfen zu lassen. Nach Öffnen der Auslaßtüre 5 wird das Werkstück aus dem Ofen entnommen. Wenn die Zwischentüre 4 geöffnet und das Werkstück in den Kühlraum 2 transportiert wird, dehnt sich die Luft im Kühlraum 2 infolge Wärmestrahlung aus dem Heizraum 1 und dem erwärmten Werkstück aus. Beim Schließen der Zwischentüre 4 wird die Wärmestrahlung aus dem Heizraum 1 in den Kühlraum 2 unterbrochen. Wenn folglich das Werkstück in das Kühlöl im Kühlöltank 6 getaucht wird, wird der Druck im Kühlraum 2 ne gativ. Um zu verhindern, daß der Druck im Kühlraum 2 negativ wird, wird das Ventil 12 geöffnet und durch die Gaszufuhrleitung 10 dem Kühlraum 2 CO&sub2; bei dazwischenliegendem Druck zugeführt.
Im Falle der Verwendung eines Ofens für den Dauerbetrieb wird in die Aufkohl- und Diffusionszonen eine gegebene Menge eines gasförmigen Oxidationsmittels und in die Vorwärm-, Aufkohl-, Diffusions- und Härtungszonen ein gasförmiger Kohlenwasserstoff eingeleitet.
Im Rahmen der Erfindung wird die Menge an in die einzelnen Zonen eingeführtem gasförmigem Kohlenwasserstoff entsprechend den Meßwerten eines O&sub2;-Fühlers, eines CO&sub2;-Infrarotanalysegeräts, einer CP-Spule und dem Taupunkt der jeweiligen Zone so eingestellt, daß ein gegebenes Kohlenstoffpotential (Aktivität) erreicht werden kann.
Wie bereits ausgeführt, läßt sich durch Steuern der Gasmenge und nicht der Luftmenge die Bildung von Ruß unterdrücken.
Wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht, wird das Kohlenstoffpotential im Laufe der Aufkohlung wiederholt von etwa 1, 2 auf etwa 0,8% und umgekehrt variiert und eine gegebene Zeit lang bei 1, 2 bzw. 0,8% gehalten. Die Gradienten der Kurve b zwischen den Stellen B-C und D-E und die Werte der Haltezeiten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;, --- werden in geeigneter Weise so eingestellt, daß sich das abgeschiedene Carbid nicht (massenhaft) ansammelt, daß die Aufkohldauer verkürzt wird und daß wirksam das Entstehen von Ruß im Ofen verhindert wird.
Tabelle 1 zeigt einen Außenring von SCM 420H (Außendurchmesser: 75 mm; Innendurchmesser: 57 mm), der zum Vergleich nach dem in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Aufkohlverfahren behandelt wurde. In diesem Falle wurde die Temperatur für die Aufkohlung und die Diffusion auf 930ºC eingestellt. Das Ziel der Härtungsdicke der effektiven Schicht ist auf einen Wert zwischen 1,45 mm und 1,90 mm (Hv 513) eingestellt. Tabelle 1
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, kann man bei Durchführung der erfindungsgemäßen Ausführungsform die Gesamtbehandlungsdauer im Vergleich zu dem in Fig. 5 dargestellten üblichen Verfahren um 235 min und im Vergleich zu dem Verfahren gemäß der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 49621/1994 um 30 min verkürzen. Wenn ein solcher Steuerzustand, bei dem das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre über die Mischkristallgrenze von Kohlenstoff bei der Temperatur des Austenitbereichs hinaus fortgesetzt wird, kommt es zu einer (massenhaften) Ansammlung des in dem Werkstück abgeschiedenen Carbids. Folglich werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Umschaltzeit und der Gradient des in Richtung auf ein gegebenes hohes Niveau variierenden Kohlenstoffpotentials durch Erhöhen der Menge des dem Ofen zuzuführenden Aufkohlgases oder Senken der Menge des dem Ofen zuzuführenden gasförmigen Oxidationsmittels gesteuert: Nachdem das Kohlenstoffpotential das (gewünschte) hohe Niveau erreicht hat, wird es eine gegebene Zeit lang (auf diesem Wert) gehalten, um eine (massenhafte) Ansammlung des in dem Werkstück ausgeschiedenen Carbids zu verhindern. Danach wird das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre auf ein gegebenes niedriges Niveau gesenkt, um die Lösungsglühbehandlung des abgeschiedenen Carbids zu dem Austenit durchzuführen. In dieser Stufe wird die Aufkohldauer übermäßig lang, wenn das Kohlenstoffpotential ohne sorgfältige Überwachung auf einen Wert unter dem erforderlichen Wert gesenkt wird. Folglich werden im Rahmen der Erfindung die Umschaltzeit und der Gradient des in Richtung auf ein gegebenes niedriges Niveau variierenden Kohlenstoffpotentials durch Vermindern der Menge an dem Ofen zuzuführendem Aufkohlgas oder durch Erhöhen der Menge an dem Ofen zuzuführendem gasförmigem Oxidationsmittel gesteuert. Nachdem das Kohlenstoffpotential den (gewünschten) niedrigen Wert erreicht hat, wird es eine gegebene Zeit lang auf diesem Wert gehalten. Diese Stufen werden wiederholt. Die Diffusion erfolgt in üblicher bekannter Weise eine geeignete Zeit lang, um die Oberflächenkohlenstoffdichte einzustellen. Die Umschaltzeit und der Gradient des Kohlenstoffpotentials sowie der Zeitraum, während dessen das Kohlenstoffpotential auf hohem oder niedrigem Niveau gehalten wird, können in geeigneter Weise mit der Zeit variiert werden, da die Diffusion von Kohlenstoff in das Werkteil im Laufe der Zeit absinkt.
Um eine Verengung der Gaszufuhrleitung durch Kohlenwasserstoffruß zu verhindern, wird gasförmiges Oxidationsmittel bei dazwischenliegendem Druck (2-10 kg/cm², vorzugsweise 5 kg/cm²) rechtzeitig in die Gaszufuhrleitung eingeblasen.
Zur Verhinderung von Schwankungen der Komponenten der Ofenatmosphäre infolge Änderung im Ofendruck beim Öffnen oder Schließen der Türe werden mittels eines Gebläses in das Umwandlungsrohr bzw. Konverterrohr in der Vorwärmzone gasförmiger Kohlenwasserstoff unter dazwischenliegendem Druck (0,025 kg/cm² bis 0,1 kg/cm², vorzugsweise 0,07 kg/cm²) und gasförmiges Oxidationsmittel unter dazwischenliegendem Druck (2-10 kg/cm², vorzugsweise 5 kg/cm²) eingeleitet.
Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Gaszufuhrleitung gleichzeitig CO&sub2; unter dazwischenliegendem Druck zugeführt, um in den einzelnen Gaszufuhrleitungen enthaltenen Ruß zu entfernen. Im Gegensatz dazu wird bei dem üblichen Verfahren das CO&sub2; den einzelnen Gaszufuhrleitungen in jedem Zyklus nach und nach zugeführt.
Erfindungsgemäß läßt sich das Problem eines Defizits an in den Ofen einzuleitendem CO lösen und die Dauer der Aufkohlung deutlich verringern.
Wie bereits ausgeführt, läßt sich erfindungsgemäß die Behandlungsdauer einer Aufkohlung von Metallen vermindern und damit die Aufkohlung von Metallen wirtschaftlich durchführen.
Die Erfindung wurde anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen detailliert dargestellt und beschrieben. Für den Fachmann dürfte es selbstverständlich sein, daß ohne Abweichung vom Umfang der durch die beigefügten Patentansprüche definierten Erfindung verschiedene Änderungen der Form und in den Details möglich sind.

Claims

1. Aufkohlverfahren für Metalle, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Wärmebehandlungsofen ein Werkstück eingetragen, ein gasförmiges Oxidationsmittel unter einem Druck von 2 kg/cm² bis 10 kg/cm², vorzugsweise 5 kg/cm², zum Austreiben von im Ofen befindlicher Luft eingeführt und ein gasförmiger Kohlenwasserstoff unter einem Druck von 0,025 kg/cm² bis 0,1 kg/cm², vorzugsweise 0,07 kg/cm², mit einer Geschwindigkeit von 10 l/min bis 200 l/min. vorzugsweise 40 l/min. eingeleitet werden, wobei die Menge des gasförmigen Kohlenwasserstoffs zur wiederholten Änderung des Kohlenstoffpotentials der Ofenatmosphäre zwischen etwa 1,2% CP und etwa 0,8% CP neu eingestellt wird, die Atmosphäre eine gegebene Zeit lang bei 1,2% CP gehalten wird, um eine (massenhafte) Ansammlung von in dem Werkstück abgeschiedenem Carbid zu verhindern, und die Atmosphäre eine gegebene Zeit lang bei etwa 0,8% CP gehalten wird, um eine Lösungsglühbehandlung des abgeschiedenen Carbids durchzuführen.

2. Aufkohlverfahren für Metalle nach Anspruch 1, wobei ein gasförmiges Oxidationsmittel unter einem Druck von 2 kg/cm² bis 10 kg/cm², vorzugsweise 5 kg/cm², in ein Gaszufuhrrohr einströmen gelassen wird, um eine Verengung desselben durch Kohlenwasserstoffruß zu verhindern.

3. Aufkohlverfahren für Metalle nach Anspruch 1 oder 2, wobei in ein Umwandlungsrohr bzw. Konverterrohr in einer Vorwärmzone, um eine Störung der Komponenten der Ofenatmosphäre zu verhindern, gasförmiger Kohlenwasserstoff unter einem Druck von 0,025 kg/cm² bis 0,1 kg/cm², vorzugsweise 0,07 kg/cm², und ein gasförmiges Oxidationsmittel unter einem Druck von 2 kg/cm² bis 10 kg/cm², vorzugsweise 5 kg/cm², eingeleitet werden.

4. Aufkohlverfahren für Metalle nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei gleichzeitig in sämtliche Gaszufuhrrohre zur Entfernung von Ruß aus den einzelnen Gaszufuhrrohren und zur Verhinderung eines CO-Defizits im Ofen ein gasförmiges Oxidationsmittel unter einem Druck von 2 kg/cm² bis 10 kg/cm², vorzugsweise 5 kg/cm², eingeleitet wird.