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Diese
Erfindung betrifft ein Auf kohlverfahren für Metalle, und insbesondere
ein Auf kohlverfahren 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.
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3 zeigt
einen üblichen
Kammerofen. In 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.
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4 zeigt
einen üblichen
Ofen für
einen kontinuierlichen Betrieb. Teile dieses Ofens, die den entsprechenden
Teilen des in 3 dargestellten Ofens ähnlich sind,
sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet und brauchen nicht weiter
beschrieben zu werden.
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In 4 bezeichnen
die Bezugszahlen 15 einen Raum zur Aufnahme eines Werkstücks, 16 eine
Türe für den Raum 15 zur
Aufnahme des Werkstücks, 17 eine
CO2-Zufuhrleitung, 18 ein in der
CO2-Zufuhrleitung 17 vorgesehenes
Ventil und 20 ein Zufuhrrohr für einen gasförmigen Werkstoff.
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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.
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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. 930°C, 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 850°C
abgekühlt
und bei dieser Temperatur gehärtet.
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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.
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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.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Vermeidung der
geschilderten Nachteile des üblichen
Aufkohlverfahrens.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist somit ein Aufkohlverfahren für Metalle
gemäß Anspruch
1.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Auf
kohlverfahren 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.
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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 ver hindert 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.
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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.
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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).
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Schließlich wird
im Rahmen der vorliegenden Erfindung CO2 bei
dazwischenliegendem Druck gleichzeitig in sämtliche Gaszufuhrleitungen
eingeblasen, um Ruß aus
den einzelnen Gaszufuhrleitungen zu entfernen und ein CO-Defizit
im Ofen zu verhindern.
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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.
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1 ist
eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Aufkohlverfahrens
für Metalle;
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2 ist
eine vergrößerte Darstellung
eines in 1 dargestellten Bereichs;
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3 ist
eine Querschnittsdarstellung eines üblichen Kammerofens;
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4 ist
eine Querschnittsdarstellung eines üblichen Ofens für einen
kontinuierlichen Betrieb bzw. Dauerbetrieb;
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5 ist
eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines üblichen
Aufkohlverfahrens für
Metalle, und
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6 ist
eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren üblichen
Aufkohlverfahrens für Metalle.
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Wenn
im Rahmen der vorliegenden Erfindung der in 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.
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Danach
wird die Eingangstüre 3 geschlossen
und ein gasförmiges
Oxidationsmittel, wie CO2, 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.
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Danach
wird eine geringe Menge eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs,
wie C4H10, 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 ir gendeines
Katalysators zur Durchführung
der Auf kohl- und Diffusionsprozesse auf etwa 930°C erwärmt.
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Nach
dem Abkühlen
des Werkstücks
auf die Härtungstemperatur
von etwa 850°C
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 negativ.
Um zu verhindern, daß der
Druck im Kühlraum 2 negativ
wird, wird das Ventil 12 geöffnet und durch die Gaszufuhrleitung 10 dem
Kühlraum 2 CO2 bei dazwischenliegendem Druck zugeführt.
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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.
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Im
Rahmen der Erfindung wird die Menge an in die einzelnen Zonen eingeführtem gasförmigem Kohlenwasserstoff
entsprechend den Meßwerten
eines O2-Fühlers, eines CO2-Infrarotanalysegeräts, einer CP-Spule
und dem Taupunkt der jeweiligen Zone so eingestellt, daß ein gegebenes
Kohlenstoffpotential (Aktivität)
erreicht werden kann.
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Wie
bereits ausgeführt,
läßt sich
durch Steuern der Gasmenge und nicht der Luftmenge die Bildung von
Ruß unterdrücken.
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Wie
aus 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 t1, t2,
t3, ––– 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.
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Tabelle
1 zeigt einen Außenring
von SCM 420H (Außendurchmesser:
75 mm; Innendurchmesser: 57 mm), der zum Vergleich nach dem in 1 gezeigten
erfindungsgemäßen Auf
kohlverfahren behandelt wurde. In diesem Falle wurde die Temperatur
für die
Aufkohlung und die Diffusion auf 930°C eingestellt. Das Ziel der Härtungsdicke
der effektiven Schicht ist auf einen Wert zwischen 1,45 mm und 1,90
mm (Hv 513) eingestellt.
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Wie
aus Tabelle 1 hervorgeht, kann man bei Durchführung der erfindungsgemäßen Ausführungsform die
Gesamtbehandlungsdauer im Vergleich zu dem in 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.
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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.
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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.
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Weiterhin
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Gaszufuhrleitung
gleichzeitig CO2 unter dazwischenliegendem
Druck zugeführt,
um in den einzelnen Gaszufuhrleitungen enthaltenen Ruß zu entfernen.
Im Gegensatz dazu wird bei dem üblichen
Verfahren das CO2 den einzelnen Gaszufuhrleitungen
in jedem Zyklus nach und nach zugeführt.
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Erfindungsgemäß läßt sich
das Problem eines Defizits an in den Ofen einzuleitendem CO lösen und die
Dauer der Aufkohlung deutlich verringern.
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Wie
bereits ausgeführt,
läßt sich
erfindungsgemäß die Behandlungsdauer
einer Aufkohlung von Metallen vermindern und damit die Aufkohlung
von Metallen wirtschaftlich durchführen.
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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.