EP0031034B1 - Process for the adjustable carburizing or heating in a protective gas of steel work pieces - Google Patents

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EP0031034B1
EP0031034B1 EP80107178A EP80107178A EP0031034B1 EP 0031034 B1 EP0031034 B1 EP 0031034B1 EP 80107178 A EP80107178 A EP 80107178A EP 80107178 A EP80107178 A EP 80107178A EP 0031034 B1 EP0031034 B1 EP 0031034B1
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EP
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carburizing
gas
nitrogen
furnace
level
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EP80107178A
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Urs Dipl. Chem. Wyss
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Maag Zahnrader und Maschinen AG
Original Assignee
Maag Zahnrader und Maschinen AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/76—Adjusting the composition of the atmosphere

Definitions

  • the invention relates to a method for controllable gas carburizing of steel workpieces at a predetermined C level in an oven atmosphere of carrier gas obtained from methanol and nitrogen and a carburizing agent consisting of oxygen derivatives of hydrocarbons.
  • the method is also suitable for heating workpieces made of steel, whereby it is ensured that the carbon content of the material neither increases nor decreases, but is kept constant with the aid of the set C level.
  • a carrier gas is formed in a generator from natural gas, propane or other hydrocarbons and air in an endothermic reaction and this gas is then introduced into the carburizing furnace or heat treatment furnace.
  • a carburizing agent for setting the desired C level propane, natural gas or other hydrocarbons are introduced directly into the furnace atmosphere.
  • Such a method offers the possibility of automatically regulating the supply of carburizing agent according to the current need to maintain the predetermined C level via a gas component of the furnace atmosphere which is critical for this; steam (dew point), CO 2 or O 2 is suitable for this.
  • Disadvantages of this method are the necessity of a generator for producing the carrier gas outside the heat treatment or carburizing furnace and the thermal energy required for the operation of the generator.
  • a generatorless gas carburizing process is also known, in which methanol and nitrogen are introduced directly into the furnace in a corresponding ratio and the carrier gas is thus formed within the furnace.
  • a carrier gas of a composition similar to that obtained from natural gas and air in the generator by the above method is obtained (“HeatTreatmentof Metals”, 1979, pages 53 to 58).
  • the equilibrium-low levels of carbon dioxide, water vapor and methane in the carrier gas are neglected in these equations for the sake of clarity.
  • the generator process requires 5 volumes of air for 2 volumes of natural gas.
  • the methanol process requires 0.14 m 3 s of nitrogen per 100 g of methanol.
  • the content of water vapor in the furnace atmosphere can be determined continuously or from time to time, in particular by determining the dew point or the CO 2 content, and the feed of the substance (s) can be regulated via this gas component.
  • suitable carburizing agents are ethyl acetate, acetone, isopropanol or a mixture of isopropanol with water. If acetone is used as the carburizing agent, a mixture of methanol and isopropanol is suitable as the carrier gas supplying substance.
  • a disadvantage of this method is that with a low hardening temperature and / or a low C level, the dew point is relatively high, even in the region of room temperature, so that water can condense in the measuring lines, which in turn falsifies the Control size and thus incorrect feeding of carburizing agents can result.
  • the object of the invention is now a method for controllable gas carburizing or heating the surface of workpieces made of steel at a predetermined C level, which allows simple and reliable control and which is characterized by a substantial reduction in the amount of carrier gas required.
  • the process according to the invention is now based on gas carburizing in a furnace atmosphere of carrier gas obtained from methanol and nitrogen and a carburizing agent and is characterized in that, in addition to the carburizing agent, so much nitrogen is fed in that the gases after the carburizing reaction are essentially the same and essentially have constant gas composition and the supply of the carburizing agent and / or the additional nitrogen is controlled in a manner known per se via the continuously determined content of a gas component of the furnace atmosphere which is critical for the C level.
  • Ethyl acetate, acetone, ethanol or isopropanol is preferably used as the carburizing agent.
  • the control is expediently carried out either via the oxygen potential or via the water vapor content of the furnace atmosphere, ie by determining the dew point.
  • the gases after the coaling reaction contain 10 to 25% CO, 20 to 50% H 2 and 70 to 20% N 2 .
  • Essential to the invention is the matching of the additionally fed nitrogen to the amount of carburizing agent supplied, so that in the furnace atmosphere the gas composition corresponding to the carrier gas (2 CO + 4 H 2 + 4 N 2 ) does not change or changes only insignificantly, whereby the controllability is critical Gas component of the furnace atmosphere ensured and the required volume of carrier gas or in other words methanol can be significantly reduced compared to the known method.
  • the process according to the invention has the great advantage that the carrier gas generated endothermally in the generator and “consumed” during the carburizing is not only replaced by methanol and nitrogen in the appropriate ratio, but that the required amount of gas can be kept considerably smaller, since the supply of Carburizing agent with an appropriate amount of nitrogen together a shift in the gas composition is avoided.
  • hydrocarbons as carbonizing agents for example in a carrier gas generator or when methanol or nitrogen is introduced, results in an even greater amount of hydrogen in the furnace due to the carbonization reaction (for example CH 4 -jC + 2 H 2 ), the larger the surface to be carburized.
  • the composition of the furnace atmosphere can shift very quickly with large surfaces.
  • the endothermic carrier gas had to be supplied in large excess, so that not only a sufficient overpressure is guaranteed, but above all a constant gas composition.
  • the CO content must be constant for proper control of the C level via the CO 2 content or via the oxygen potential of the furnace gas.
  • Acetone as a carbonizing agent or for regulating the C level If 100 g of methanol and nitrogen (0.14 m 3 s ) are used to generate the carrier gas, acetone alone as a carbonating agent would lead to a slight increase in the CO content , so that if the amount of carrier gas was greatly reduced or the acetone was fed at a high rate when the C level was controlled via a constant CO 2 content or constant O 2 potential, the C level would be too high.
  • a change in the gas composition which disrupts the exact control process can be avoided in the manner of the additional nitrogen supply which is adapted to the coaling agent requirement and is described in A, B and C. According to the invention, there is therefore the possibility of reducing the amount of carrier gas to be supplied in the unit of time very greatly, in extreme cases to the amount necessary to maintain a slight excess pressure.
  • the method according to the invention can be used both for carburizing and for heating to hardening temperature at a set C level. In both cases the principle of regulation is the same.
  • a carburizing furnace 1 is connected to a C-level control device 2 via a control gas line 1a.
  • the carburizing furnace 1 can be a pot furnace, shaft furnace, chamber furnace or continuous furnace.
  • the C level control device 2 can be a device which works as a controlled variable via the CO 2 content determined by IR spectrometry, via the dew point or the oxygen potential.
  • the carburizing furnace 1 is connected to a methanol feed line 6 with a first sight glass 6a and a first pump 5 with adjustable output with a methanol container 3 and with a storage vessel 4 for carburizing agent via a line 8 with a second sight glass 8a and a second pump 7 with adjustable power.
  • the second pump is operated by the control device 2.
  • the nitrogen feed line 13 to the carburizing furnace 1 is connected via a first flow meter 12 to a first control valve 11 and a second flow meter 15 to a second control valve 14 via a common pressure regulator 10 to a nitrogen tank 9.
  • a solenoid valve 16 is provided, which can be actuated by the control device 2 and ensures that the nitrogen supply only takes place when the second pump 7 also feeds coaling agent into the furnace.
  • the proportion of the nitrogen proportional to the methanol and the amount of nitrogen to be supplied together with the carburizing agent is set.
  • the furnace can be, for example, such as is shown in DE-PS 1 192 486. It has a lining 17 with heating elements 18. In the lining there is a retort 19 with an insulated cover 20, which is sealed gas-tight at point 21.
  • a charging frame 22 which carries the workpieces 23 to be treated, is located within the retort. These are flushed on all sides by the furnace gas circulated by a fan 24.
  • the arrangement of the fan 24, an upper guide plate 25 and a lateral guide plate 26 results in a gas flow, as indicated by the arrows.
  • Furnace gas can be vented at 27.
  • a batch of 20 sprockets made of 17CrNiMo6 should be carburized to a depth of 1 mm in a pot oven.
  • the pinions were inserted into the oven preheated to approx. 750 ° C in a conventional rack, the oven was closed and the oven chamber was immediately flushed with nitrogen in order to displace the air.
  • the furnace temperature was set to the carburizing temperature (on the temperature controller).
  • the amount of nitrogen was set to 0.63 m 3 s / h with the aid of the manually operated valve 11 and the amount of methanol via the pump 5 to 450 g / h, so that when the carburizing temperature of 920 ° C. was reached had set the desired basic composition of the furnace atmosphere of 18-20% CO, 38-40% H 2 and approx. 40% N.
  • the additional amount of nitrogen was set to 0.574 m 3 s / h and the acetone pump to a delivery rate of 700 g / h via valve 14.
  • the control unit now controlled the supply of acetone and additional nitrogen necessary to maintain the desired C level.
  • the methanol pump 5 could now be set to a lower delivery rate of 300 g / h and the nitrogen supply via the manually operable valve 14 and the flow meter 15 to 0.420 m 3 s / h.
  • the dew point, the CO 2 content and the oxygen potential decreased; these were now kept at a constant value with controller 2, ie 1% C.
  • the carburization was complete after 6.25 h.
  • the basic procedure in a double-chamber furnace was the same as for carburizing.
  • the pinions were fed through the pre-chamber in the loading basket into the oven chamber, which was preheated to approx. 750 ° C.
  • the furnace chamber and pre-chamber were immediately flushed with nitrogen in order to displace the air, the oven temperature was set to 800 ° C and, during heating, the amount of nitrogen to 0.630 m 3 s fh and the amount of methanol to 450 g / h set so that the desired base gas composition of 18-20% CO, 38-40% H 2 and approx. 49% N 2 was reached when the hardening temperature of 800 ° C was reached.
  • the additional amount of nitrogen was set to 0.155 m 3 s / h and the acetone pump to a delivery rate of 400 g / h via the manual valve 14.
  • the control unit 2 now took over the supply of acetone and nitrogen necessary to maintain the C level of 0.80%.
  • the methanol pump 5 was set to a delivery rate of 300 g / h and the nitrogen supply to 0.420 m 3 s fh.
  • the methanol pump 5 and the acetone pump 7 were switched off, while the nitrogen supply for flushing out the furnace chamber and prechamber was set to a much higher value.
  • the pinions in the prechamber were then quenched.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum regelbaren Gasaufkohlen von Werkstücken aus Stahl bei vorbestimmtem C-Pegel in einer Ofenatmosphäre von aus Methanol und Stickstoff erhaltenem Trägergas und einem Aufkohlungsmittel bestehend aus Sauerstoffderivaten von Kohlenwasserstoffen. In gleicher Weise eignet sich das Verfahren auch zum Erwärmen von Werkstücken aus Stahl, wobei gewährleistet ist, dass der Kohlenstoffgehalt des Werkstoffs weder ab- noch zunimmt, sondern mit Hilfe des eingestellten C-Pegels konstantgehalten wird.The invention relates to a method for controllable gas carburizing of steel workpieces at a predetermined C level in an oven atmosphere of carrier gas obtained from methanol and nitrogen and a carburizing agent consisting of oxygen derivatives of hydrocarbons. In the same way, the method is also suitable for heating workpieces made of steel, whereby it is ensured that the carbon content of the material neither increases nor decreases, but is kept constant with the aid of the set C level.

Es sind verschiedene Gasaufkohlungsverfahren bekannt. Nach einem bekannten Verfahren wird ein Trägergas in einem Generator aus Erdgas, Propan oder anderen Kohlenwasserstoffen und Luft in einer endothermen Reaktion gebildet und dieses Gas dann in den Aufkohlungsofen bzw. Wärmebehandlungsofen eingeführt. Als Aufkohlungsmittel zur Einstellung des gewünschten C-Pegels werden Propan, Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffe direkt in die Ofenatmosphäre eingeleitet. Ein solches Verfahren bietet die Möglichkeit, die Zufuhr an Aufkohlungsmittel nach dem momentanen Bedarf zur Einhaltung des vorgegebenen C-Pegels über eine für diesen kritische Gaskomponente der Ofenatmosphäre automatisch zu regeln; dafür eignet sich Wasserdampf (Taupunkt), CO2 oder O2. Nachteilig an diesem Verfahren ist die Notwendigkeit eines Generators zur Herstellung des Trägergases ausserhalb des Wärmebehandlungs- bzw. Aufkohlungsofens und die für den Betrieb des Generators erforderliche Wärmeenergie.Various gas carburizing processes are known. According to a known method, a carrier gas is formed in a generator from natural gas, propane or other hydrocarbons and air in an endothermic reaction and this gas is then introduced into the carburizing furnace or heat treatment furnace. As a carburizing agent for setting the desired C level, propane, natural gas or other hydrocarbons are introduced directly into the furnace atmosphere. Such a method offers the possibility of automatically regulating the supply of carburizing agent according to the current need to maintain the predetermined C level via a gas component of the furnace atmosphere which is critical for this; steam (dew point), CO 2 or O 2 is suitable for this. Disadvantages of this method are the necessity of a generator for producing the carrier gas outside the heat treatment or carburizing furnace and the thermal energy required for the operation of the generator.

Es ist auch ein generatorloses Gasaufkohlungsverfahren bekannt, bei dem direkt in den Ofen Methanol und Stickstoff in einem entsprechenden Verhältnis eingeführt und somit innerhalb des Ofens das Trägergas gebildet wird. Man erhält auf diese Weise ein Trägergas ähnlicher Zusammensetzung wie das, welches man nach obigem Verfahren im Generator aus Erdgas und Luft erhält («HeatTreatmentof Metals», 1979, Seite 53 bis 58).A generatorless gas carburizing process is also known, in which methanol and nitrogen are introduced directly into the furnace in a corresponding ratio and the carrier gas is thus formed within the furnace. In this way, a carrier gas of a composition similar to that obtained from natural gas and air in the generator by the above method is obtained (“HeatTreatmentof Metals”, 1979, pages 53 to 58).

Diesen beiden bekannten Verfahren liegen folgende Gleichungen zugrunde:

  • 2 CH4 + Luft -> 2 CO + 4 Hz + 4 N2
  • 2 CH3OH + 4 N2→ 2 CO + 4 H2 + 4 N2
These two known methods are based on the following equations:
  • 2 CH 4 + air -> 2 CO + 4 H z + 4 N 2
  • 2 CH 3 OH + 4 N 2 → 2 CO + 4 H 2 + 4 N 2

Die gleichgewichtsbedingten geringen Gehalte an Kohlendioxid, Wasserdampf und Methan im Trägergas sind in diesen Gleichungen der Übersichtlichkeit halber vernachlässigt. Bei dem Generator-Verfahren benötigt man auf 2 Volumina Erdgas 5 Volumina Luft. Bei dem Methanol-Verfahren benötigt man auf 100 g Methanol 0,14 m3 s Stickstoff.The equilibrium-low levels of carbon dioxide, water vapor and methane in the carrier gas are neglected in these equations for the sake of clarity. The generator process requires 5 volumes of air for 2 volumes of natural gas. The methanol process requires 0.14 m 3 s of nitrogen per 100 g of methanol.

Aus der DE-PS 1 192 486 ist ein Verfahren zum regelbaren Aufkohlen von Werkstücken aus Stahl bekannt, wozu 2 Arten von Substanzen angewandt werden; die eine vermag ein einen Überdruck erzeugendes Trägergas zu bilden und die andere ist das eigentliche Aufkohlungsmittel. Nach der Aufkohlungsreaktion besitzen die gasförmigen Produkte der Ofenatmosphäre im wesentlichen die gleiche und im wesentlichen gleichbleibende Gaszusammensetzung. Dieses Verfahren ermöglicht die automatische Regelung der Zufuhr einer oder beider Substanzen, insbesondere der das Aufkohlungsgas liefernden Substanz, wobei der Gehalt einer der Gaskomponenten der Ofenatmosphäre als Regelgrösse herangezogen wird. So lässt sich nach dem bekannten Verfahren dauernd oder von Zeit zu Zeit der Gehalt der Ofenatmosphäre an Wasserdampf, insbesondere über die Bestimmung des Taupunktes oder der CO2-Gehalt bestimmen und über diese Gaskomponente die Einspeisung der Substanz (en) regeln. Wird als die das Trägergas liefernde Substanz Methanol angewandt, so eignet sich als Aufkohlungsmittel Äthylacetat, Aceton, Isopropanol oder ein Gemisch von Isopropanol mit Wasser. Wird Aceton als Kohlungsmittel angewandt, so eignet sich als Trägergas liefernde Substanz ein Gemisch von Methanol und Isopropanol.From DE-PS 1 192 486 a method for controllable carburizing of steel workpieces is known, for which two types of substances are used; one is able to form a carrier gas which generates an overpressure and the other is the actual carburizing agent. After the carburization reaction, the gaseous products of the furnace atmosphere have essentially the same and essentially constant gas composition. This method enables the automatic control of the supply of one or both substances, in particular the substance supplying the carburizing gas, the content of one of the gas components of the furnace atmosphere being used as a control variable. Thus, according to the known method, the content of water vapor in the furnace atmosphere can be determined continuously or from time to time, in particular by determining the dew point or the CO 2 content, and the feed of the substance (s) can be regulated via this gas component. If methanol is used as the substance supplying the carrier gas, then suitable carburizing agents are ethyl acetate, acetone, isopropanol or a mixture of isopropanol with water. If acetone is used as the carburizing agent, a mixture of methanol and isopropanol is suitable as the carrier gas supplying substance.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass bei niedriger Härtetemperatur und/oder niedrigem C-Pegel der Taupunkt relativ hoch liegt, ja sogar im Bereich der Raumtemperatur, sodass es zu einer Kondensation von Wasser in den Messleitungen kommen kann, was seinerseits zu einer Verfälschung der Regelgrösse und damit fehlerhafter Zuspeisung von Kohlungsmittel führen kann.A disadvantage of this method, however, is that with a low hardening temperature and / or a low C level, the dew point is relatively high, even in the region of room temperature, so that water can condense in the measuring lines, which in turn falsifies the Control size and thus incorrect feeding of carburizing agents can result.

Aus «Metal Progress», Band 114, November 1978, Seite 24-31, ist es bekannt, Methanol als Trägergas und Aceton oder Äthylacetat als Aufkohlungsmittel zu verwenden und dabei auch Stickstoff zuzugeben, wobei dieser als Verdünnung der Gasatmosphäre eingesetzt wird, um hohe Taupunkte zu vermeiden.From "Metal Progress", Volume 114, November 1978, pages 24-31, it is known to use methanol as the carrier gas and acetone or ethyl acetate as the carburizing agent, and also to add nitrogen, this being used as a dilution of the gas atmosphere in order to achieve high dew points to avoid.

Aufgabe der Erfindung ist nun ein Verfahren zum regelbaren Gasaufkohlen oder Erwärmen der Oberfläche von Werkstücken aus Stahl bei vorbestimmtem C-Pegel, welches eine einfache und zuverlässige Steuerung gestattet und welches sich durch eine wesentliche Herabsetzung der benötigten Trägergasmenge auszeichnet.The object of the invention is now a method for controllable gas carburizing or heating the surface of workpieces made of steel at a predetermined C level, which allows simple and reliable control and which is characterized by a substantial reduction in the amount of carrier gas required.

Das erfindungsgemässe Verfahren geht nun aus von einer Gasaufkohlung in einer Ofenatmosphäre von aus Methanol und Stickstoff erhaltenem Trägergas und einem Aufkohlungsmittel und ist dadurch gekennzeichnet, dass man zusätzlich zu dem Aufkohlungsmittel soviel Stickstoff einspeist, dass die Gase nach der Kohlungsreaktion eine im wesentlichen gleiche und im wesentlichen gleichbleibende Gaszusammensetzung aufweisen und man die Zufuhr des Aufkohlungsmittels und/oder des zusätzlichen Stickstoffs in an sich bekannter Weise über den laufend bestimmten Gehalt an einer für den C-Pegel kritischen Gaskomponente der Ofenatmosphäre steuert.The process according to the invention is now based on gas carburizing in a furnace atmosphere of carrier gas obtained from methanol and nitrogen and a carburizing agent and is characterized in that, in addition to the carburizing agent, so much nitrogen is fed in that the gases after the carburizing reaction are essentially the same and essentially have constant gas composition and the supply of the carburizing agent and / or the additional nitrogen is controlled in a manner known per se via the continuously determined content of a gas component of the furnace atmosphere which is critical for the C level.

Bevorzugt wird als Aufkohlungsmittel Äthylacetat, Aceton, Äthanol oder Isopropanol verwendet. Die Steuerung erfolgt zweckmässigerweise entweder über das Sauerstoffpotential oder über den Wasserdampfgehalt der Ofenatmosphäre, d.h. über die Bestimmung des Taupunkts. Die Gase nach der Kohlungsreaktion enthalten 10 bis 25% CO, 20 bis 50% H2 und 70 bis 20% N2.Ethyl acetate, acetone, ethanol or isopropanol is preferably used as the carburizing agent. The control is expediently carried out either via the oxygen potential or via the water vapor content of the furnace atmosphere, ie by determining the dew point. The gases after the coaling reaction contain 10 to 25% CO, 20 to 50% H 2 and 70 to 20% N 2 .

Erfindungswesentlich ist die Abstimmung des zusätzlich eingespeisten Stickstoffs auf die zugeführte Menge an Aufkohlungsmittel, so dass sich in der Ofenatmosphäre die Gaszusammensetzung entsprechend dem Trägergas (2 CO + 4 H2 + 4 N2) nicht oder nur unwesentlich ändert, wodurch die Regelbarkeit über eine kritische Gaskomponente der Ofenatmosphäre sichergestellt und das benötigte Volumen an Trägergas oder mit anderen Worten an Methanol gegenüber dem bekannten Verfahren wesentlich herabgesetzt werden kann.Essential to the invention is the matching of the additionally fed nitrogen to the amount of carburizing agent supplied, so that in the furnace atmosphere the gas composition corresponding to the carrier gas (2 CO + 4 H 2 + 4 N 2 ) does not change or changes only insignificantly, whereby the controllability is critical Gas component of the furnace atmosphere ensured and the required volume of carrier gas or in other words methanol can be significantly reduced compared to the known method.

Das erfindungsgemässe Verfahren hat den grossen Vorteil, dass das endotherm im Generator erzeugte und bei der Aufkohlung «verbrauchte» Trägergas nicht nur durch Methanol und Stickstoff im entsprechenden Verhältnis ersetzt, sondern dass die benötigte Gasmenge wesentlich kleiner gehalten werden kann, da durch die erfindungsgemässe Zufuhr des Aufkohlungsmittels mit einer entsprechenden Stickstoffmenge zusammen eine Verschiebung der Gaszusammensetzung vermieden wird.The process according to the invention has the great advantage that the carrier gas generated endothermally in the generator and “consumed” during the carburizing is not only replaced by methanol and nitrogen in the appropriate ratio, but that the required amount of gas can be kept considerably smaller, since the supply of Carburizing agent with an appropriate amount of nitrogen together a shift in the gas composition is avoided.

Zur Aufrechterhaltung eines Überdruckes oder auch nur zur Verhinderung des Eindringens von Luft in die Ofenkammer ist nur ein geringer Gaszufluss notwendig. Dies bedeutet also, dass die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens in erster Linie in der geringeren benötigten Trägergasmenge liegt.Only a small gas inflow is necessary to maintain an overpressure or only to prevent air from entering the furnace chamber. This means that the economic viability of the method according to the invention lies primarily in the lower amount of carrier gas required.

Durch den Zusatz von Kohlenwasserstoffen als Kohlungsmittel nach obigem Stand der Technik, z.B. im Trägergas-Generator oder bei der Einleitung von Methanol oder Stickstoff, entwickelt sich aufgrund der Kohlungsreaktion (z.B. CH4-jC + 2 H2) im Ofen eine umso grössere Wasserstoffmenge, je grösser die aufzukohlende Oberfläche ist. Dadurch kann bei grossen Oberflächen sehr schnell eine Verschiebung der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre eintreten. Um dies zu verhindern, musste das endotherm erzeugte Trägergas in grossem Überschuss zugeführt werden, damit nicht nur ein ausreichender Überdruck gewährleistet ist, sondern vor allem auch eine konstante Gaszusammensetzung. Nach dem Massenwirkungsgesetz muss für eine einwandfreie Regelung des C-Pegels über den CO2-Gehalt oder über das Sauerstoffpotential des Ofengases der CO-Gehalt konstant sein.The addition of hydrocarbons as carbonizing agents according to the above prior art, for example in a carrier gas generator or when methanol or nitrogen is introduced, results in an even greater amount of hydrogen in the furnace due to the carbonization reaction (for example CH 4 -jC + 2 H 2 ), the larger the surface to be carburized. As a result, the composition of the furnace atmosphere can shift very quickly with large surfaces. To prevent this, the endothermic carrier gas had to be supplied in large excess, so that not only a sufficient overpressure is guaranteed, but above all a constant gas composition. According to the law of mass action, the CO content must be constant for proper control of the C level via the CO 2 content or via the oxygen potential of the furnace gas.

Bei der bekannten Regelung über den Taupunkt müssen die Produkte der Partialdrücke von H2 und CO konstant sein. Alle diese Voraussetzungen für eine einwandfreie Regelung des C-Pegels konnten bisher nur mit einem entsprechend grossen Überschuss an Trägergas eingehalten werden. Dies aber bedeutet einen enormen Verbrauch an Erdgas und damit eine unwirtschaftliche Aufkohlung.In the known regulation via the dew point, the products of the partial pressures of H 2 and CO must be constant. Up to now, all of these requirements for a perfect control of the C level could only be met with a correspondingly large excess of carrier gas. However, this means enormous consumption of natural gas and therefore uneconomical carburization.

Andererseits hat man festgestellt, dass nach dem Stand der Technik bei Verringerung der Trägergasmenge sich die Kohlungsreaktionen nur sehr schwer beherrschen lassen. Bei der Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Kohlungsmittel wird bekanntlich bei der Kohlungsreaktion nur Wasserstoff erzeugt; bei zu kleinen Trägergasmengen tritt eine wesentliche Verschiebung der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre ein, so dass der C-Pegel durch Regelung über die hierfür kritischen Gaskomponenten (CO2, H2O, O2) nicht mehr zuverlässig beherrschbar ist. Beim erfindungsgemässen Verfahren werden diese Schwierigkeiten vermieden, weil

  • a) dem Trägergas als Kohlungsmittel anstelle von reinen Kohlenwasserstoffen deren Sauerstoffderivate zugeführt werden, z. B. Alkohole, Ester, Ketone oder Aldehyde - dadurch wird eine zu starke Veränderung des CO-Gehaltes der Ofenatmosphäre vermieden - und
  • b) gleichzeitig mit der geregelten intermittierenden oder kontinuierlichen Zufuhr des Kohlungsmittels eine an die Kohlungsmittelmenge angepasste Stickstoffmenge in den Ofen geleitet wird, so dass das beim Aufkohlungsvorgang entstehende Gasgemisch der Zusammensetzung des Trägergases entspricht oder dieser sehr nahe kommt.
On the other hand, it has been found that, according to the prior art, the carbonization reactions are very difficult to control when the amount of carrier gas is reduced. When hydrocarbons are used as carburizing agents, it is known that only hydrogen is produced in the carburizing reaction; if the carrier gas quantities are too small, the composition of the furnace atmosphere is significantly shifted, so that the C level can no longer be reliably controlled by regulating the critical gas components (CO 2 , H 2 O, O 2 ). In the method according to the invention, these difficulties are avoided because
  • a) the carrier gas as a carbonating agent instead of pure hydrocarbons whose oxygen derivatives are supplied, for. As alcohols, esters, ketones or aldehydes - this avoids an excessive change in the CO content of the furnace atmosphere - and
  • b) at the same time as the controlled intermittent or continuous supply of the carburizing agent, an amount of nitrogen adapted to the amount of carburizing agent is passed into the furnace, so that the gas mixture formed during the carburizing process corresponds to the composition of the carrier gas or comes very close to it.

Anhand folgender Beispiele werden die Grundlagen des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert:

  • A.) Methanol und Stickstoff zur Erzeugung des Trägergases:
    • CH3OH + 2 N2→ CO + 2 H2 + 2 N2 CO-Gehalt des Gases ca. 20%. Es wird Isopropanol als Kohlungsmittel bzw. zur Einstellung des C-Pegels eingeführt, wodurch man bei der Kohlungsreaktion ebenfalls ein Gas mit einem CO-Gehalt von 20% erhält:
      • C3H7OH → 2 C + CO + 4 H,
The basics of the method according to the invention are explained in more detail using the following examples:
  • A.) Methanol and nitrogen to generate the carrier gas:
    • CH 3 OH + 2 N 2 → CO + 2 H 2 + 2 N 2 CO content of the gas approx. 20%. Isopropanol is introduced as a carburizing agent or to adjust the C level, which also gives a gas with a CO content of 20% in the carburizing reaction:
      • C 3 H 7 OH → 2 C + CO + 4 H,

Bei der Regelung des C-Pegels über den CO2-Gehalt ist auch bei sehr geringen Trägergasmengen kein Stickstoffzusatz erforderlich, da der CO-Gehalt auch bei hohem Isopropanol-Anteil konstant bleibt.When regulating the C level via the CO 2 content, no nitrogen addition is required even with very small amounts of carrier gas, since the CO content remains constant even with a high proportion of isopropanol.

Da hingegen das Produkt PH2 · Pco durch Isopropanol stark erhöht wird, muss bei Regelung über den Taupunkt, insbesondere bei grösserem Kohlungsmittelbedarf und verringerter Trägergasmenge, gleichzeitig mit der Isopropanolzugabe auch Stickstoff zugeführt werden.On the other hand, since the product P H2 · P co is greatly increased by isopropanol, when regulating the dew point, in particular when larger amounts of carbon dioxide are required and the amount of carrier gas is reduced, nitrogen must also be added when the isopropanol is added.

B.) Aceton als Kohlungsmittel bzw. zur Regelung des C-Pegels: Werden zur Erzeugung des Trägergases 100 g Methanol und Stickstoff (0,14 m3 s) angewandt, so würde Aceton allein als Kohlungsmittel zu einer leichten Erhöhung des CO-Gehaltes führen, so dass bei starker Verringerung der Trägergasmenge oder hoher Zufuhrgeschwindigkeit des Acetons bei Regelung des C-Pegels über konstanten CO2-Gehalt oder konstantes O2-Potential sich ein zu hoher C-Pegel einstellen würde.B.) Acetone as a carbonizing agent or for regulating the C level: If 100 g of methanol and nitrogen (0.14 m 3 s ) are used to generate the carrier gas, acetone alone as a carbonating agent would lead to a slight increase in the CO content , so that if the amount of carrier gas was greatly reduced or the acetone was fed at a high rate when the C level was controlled via a constant CO 2 content or constant O 2 potential, the C level would be too high.

Werden aber gleichzeitig mit der geregelten Aceton-Zufuhr auf 100 g Aceton zusätzlich 0,0386 m3 s Stickstoff zugeführt, so bleibt der CO-Gehalt und - bei gleicher Regler-Stellung - auch der C-Pegel konstant. Damit andererseits bei der Regelung des C-Pegels über den Taupunkt das Produkt PH2 · Pco praktisch konstant bleibt, müssen bei gleichem Trägergas zusammen mit 100 g Aceton noch 0,082 m3 s Stickstoff zugeführt werden.However, if 0.0386 m 3 s of nitrogen are added to 100 g of acetone at the same time as the controlled supply of acetone, the CO content and - with the same regulator setting - the C level also remain constant. On the other hand, to ensure that the product P H2 · P co remains practically constant when regulating the C level via the dew point, 0.082 m 3 s of nitrogen must be added together with 100 g of acetone with the same carrier gas.

C.) Wird nun in Abwandlung von B Äthylacetat als Kohlungsmittel angewandt, würden sich durch alleinige Zufuhr von Äthylacetat stark erhöhte CO-und H2-Gehalte ergeben, was bei gleicher Einstellung der Regelgeräte zu überhöhten C-Pegeln führt. Bei einer verringerten Trägergasmenge ist es nun erforderlich, je 100 g Äthylacetat gleichzeitig 0,102 m3 s Stickstoff zuzuführen, damit der CO-Gehalt und das Produkt der Partialdrücke von CO und H2 konstant bleiben. Auf diese Weise kann über das Sauerstoffpotential oder den Taupunkt der C-Pegel zuverlässig geregelt werden. Die Regelung über CO2 ist infolge des sich bei der Spaltung intermediär bildenden CO2 nicht geeignet.C.) If, in a variation of B, ethyl acetate is used as the carburizing agent, the addition of ethyl acetate alone would result in greatly increased CO and H 2 contents, which leads to excessive C levels with the same setting of the control devices. With a reduced amount of carrier gas, it is now necessary to simultaneously feed 0.102 m 3 s of nitrogen per 100 g of ethyl acetate so that the CO content and the product of the partial pressures of CO and H 2 remain constant. In this way, the C level can be reliably controlled via the oxygen potential or the dew point. Control over CO 2 is not suitable due to the intermediate formation of CO 2 during the splitting.

Auf die in A, B und C beschriebene Art der zusätzlichen an den Kohlungsmittelbedarf angepassten Stickstoff-Zufuhr kann eine den exakten Regelvorgang störende Veränderung der Gaszusammensetzung vermieden werden. Es besteht somit erfindungsgemäss die Möglichkeit, die in der Zeiteinheit zuzuführende Trägergasmenge sehr stark herabzusetzen, im Extremfall auf die zur Aufrechterhaltung eines leichten Überdruckes notwendige Menge.A change in the gas composition which disrupts the exact control process can be avoided in the manner of the additional nitrogen supply which is adapted to the coaling agent requirement and is described in A, B and C. According to the invention, there is therefore the possibility of reducing the amount of carrier gas to be supplied in the unit of time very greatly, in extreme cases to the amount necessary to maintain a slight excess pressure.

Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich sowohl zum Aufkohlen als auch zum Erhitzen auf Härtetemperatur bei eingestelltem C-Pegel anwenden. In beiden Fällen ist das Prinzip der Regelung dasselbe.The method according to the invention can be used both for carburizing and for heating to hardening temperature at a set C level. In both cases the principle of regulation is the same.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann mit einer Anlage, wie sie beispielsweise schematisch in beiliegender Zeichnung dargestellt ist, durchgeführt werden:The method according to the invention can be carried out with a system such as is shown schematically, for example, in the accompanying drawing:

Ein Aufkohlungsofen 1 ist über eine Kontrollgasleitung 1a mit einem C-Pegel-Regelgerät 2 verbunden. Bei dem Aufkohlungsofen 1 kann es sich dabei um einen Topfofen, Schachtofen, Kammerofen oder Durchlaufofen handeln. Das C-Pegel-Regelgerät 2 kann ein Gerät sein, welches über den IR-spektrometrisch bestimmten CO2-Gehalt, über den Taupunkt oder das Sauerstoff-Potential als Regelgrösse arbeitet. Der Aufkohlungsofen 1 steht mit einer Methanol-Zufuhrleitung 6 mit einem ersten Schauglas 6a und einer ersten Pumpe 5 mit einstellbarer Leistung mit einem Methanolbehälter 3 in Verbindung sowie mit einem Vorratsgefäss 4 für Kohlungsmittel über eine Leitung 8 mit einem zweiten Schauglas 8a und einer zweiten Pumpe 7 mit einstellbarer Leistung. Die zweite Pumpe wird von dem Regelgerät 2 betätigt. Die Stickstoff-Zuleitung 13 zu dem Aufkohlungsofen 1 ist über einen ersten Durchflussmesser 12 mit einem ersten Regelventil 11 und einem zweiten Durchflussmesser 15 mit einem zweiten Regelventil 14 über einen gemeinsamen Druckregler 10 mit einem Stickstoffbehälter 9 verbunden. Zwischen dem zweiten Durchflussmesser 15 und der Stickstoffleitung 13 ist ein Magnetventil 16 vorgesehen, welches durch das Regelgerät 2 betätigbar ist und dafür sorgt, dass die Stickstoffzufuhr nur dann erfolgt, wenn auch die zweite Pumpe 7 Kohlungsmittel in den Ofen fördert. Am ersten Regelventil 11 wird also die dem Methanol proportionale und am zweiten Regelventil 14 die zusammen mit dem Kohlungsmittel zuzuführende Stickstoffmenge eingestellt.A carburizing furnace 1 is connected to a C-level control device 2 via a control gas line 1a. The carburizing furnace 1 can be a pot furnace, shaft furnace, chamber furnace or continuous furnace. The C level control device 2 can be a device which works as a controlled variable via the CO 2 content determined by IR spectrometry, via the dew point or the oxygen potential. The carburizing furnace 1 is connected to a methanol feed line 6 with a first sight glass 6a and a first pump 5 with adjustable output with a methanol container 3 and with a storage vessel 4 for carburizing agent via a line 8 with a second sight glass 8a and a second pump 7 with adjustable power. The second pump is operated by the control device 2. The nitrogen feed line 13 to the carburizing furnace 1 is connected via a first flow meter 12 to a first control valve 11 and a second flow meter 15 to a second control valve 14 via a common pressure regulator 10 to a nitrogen tank 9. Between the second flow meter 15 and the nitrogen line 13, a solenoid valve 16 is provided, which can be actuated by the control device 2 and ensures that the nitrogen supply only takes place when the second pump 7 also feeds coaling agent into the furnace. At the first control valve 11, the proportion of the nitrogen proportional to the methanol and the amount of nitrogen to be supplied together with the carburizing agent is set.

Bei dem Ofen kann es sich beispielsweise um einen solchen handeln, wie er in der DE-PS 1 192 486 dargestellt ist. Er weist eine Ausmauerung 17 mit Heizelementen 18 auf. In der Ausmauerung befindet sich eine Retorte 19 mit einem isolierten Deckel 20, welcher an der Stelle 21 gasdicht verschlossen ist. Innerhalb der Retorte steht bei Betrieb des Ofens ein Chargiergestell 22, welches die zu behandelnden Werkstücke 23 trägt. Diese werden allseitig von dem mit einem Ventilator 24 umgewälzten Ofengas umspült. Durch die Anordnung des Ventilators 24, eines oberen Leitblechs 25 und eines seitlichen Leitblechs 26 ergibt sich eine Gasströmung, wie sie durch die Pfeile angedeutet ist. Ofengas kann bei 27 abgelassen werden.The furnace can be, for example, such as is shown in DE-PS 1 192 486. It has a lining 17 with heating elements 18. In the lining there is a retort 19 with an insulated cover 20, which is sealed gas-tight at point 21. When the furnace is operating, a charging frame 22, which carries the workpieces 23 to be treated, is located within the retort. These are flushed on all sides by the furnace gas circulated by a fan 24. The arrangement of the fan 24, an upper guide plate 25 and a lateral guide plate 26 results in a gas flow, as indicated by the arrows. Furnace gas can be vented at 27.

Im folgenden wird das Aufkohlen in einer Anlage entsprechend der Zeichnung erläutert:In the following, carburizing is explained in a system according to the drawing:

Beispiel 1example 1 In einem Topfofen soll eine Charge von 20 Ritzeln aus 17CrNiMo6 auf eine Einsatztiefe von 1 mm aufgekohlt werden.A batch of 20 sprockets made of 17CrNiMo6 should be carburized to a depth of 1 mm in a pot oven.

Die Ritzel wurden in einem üblichen Gestell in den auf ca. 750°C vorgewärmten Ofen eingeführt, der Ofen verschlossen und der Ofenraum sofort mit Stickstoff gespült, um die Luft zu verdrängen. Die Ofentemperatur wurde (am Temperaturregler) auf die Aufkohlungstemperatur eingestellt. Schon während des Aufheizens wurde die Stickstoffmenge mit Hilfe des von Hand betätigten Ventils 11 auf 0,63 m3 s/h und die Methanolmenge über die Pumpe 5 auf 450 g/h eingestellt, so dass sich beim Erreichen der Aufkohlungstemperatur von 920 °C bereits die gewünschte Grundzusammensetzung der Ofenatmosphäre von 18-20% CO, 38-40% H2 und ca. 40% N, eingestellt hatte. Nun wurde über das Ventil 14 die zusätzliche Stickstoffmenge auf 0,574 m3 s/h und die Acetonpumpe auf eine Fördermenge von 700 g/h eingestellt. Das Regelgerät steuerte nun die zur Aufrechterhaltung des gewünschten C-Pegels notwendige Zufuhr von Aceton und Zusatzstickstoff. Die Methanolpumpe 5 konnte jetzt auf eine niedrigere Fördermenge von 300 g/h und die Stickstoffzufuhr über das von Hand betätigbare Ventil 14 und den Durchflussmesser 15 auf 0,420 m3 s/h eingestellt werden. Es sanken der Taupunkt, der CO2-Gehalt und das Sauerstoffpotential; diese wurden nun mit dem Regler 2 auf einem konstanten Wert gehalten, d.h. 1% C. Nach 6,25 h war die Aufkohlung beendet.The pinions were inserted into the oven preheated to approx. 750 ° C in a conventional rack, the oven was closed and the oven chamber was immediately flushed with nitrogen in order to displace the air. The furnace temperature was set to the carburizing temperature (on the temperature controller). Already during the heating, the amount of nitrogen was set to 0.63 m 3 s / h with the aid of the manually operated valve 11 and the amount of methanol via the pump 5 to 450 g / h, so that when the carburizing temperature of 920 ° C. was reached had set the desired basic composition of the furnace atmosphere of 18-20% CO, 38-40% H 2 and approx. 40% N. Now the additional amount of nitrogen was set to 0.574 m 3 s / h and the acetone pump to a delivery rate of 700 g / h via valve 14. The control unit now controlled the supply of acetone and additional nitrogen necessary to maintain the desired C level. The methanol pump 5 could now be set to a lower delivery rate of 300 g / h and the nitrogen supply via the manually operable valve 14 and the flow meter 15 to 0.420 m 3 s / h. The dew point, the CO 2 content and the oxygen potential decreased; these were now kept at a constant value with controller 2, ie 1% C. The carburization was complete after 6.25 h.

Beispiel 2Example 2

Beim Erwärmen einer Charge von 6 Ritzeln aus Stahl 14NiCr14 Wiedererwärmen nach dem Aufkohlen und Abkühlen auf eine Härtetemperatur von 800°C musste die Ofenatmosphäre so eingestellt werden, dass ein C-Pegel von 0,80% gewährleistet war. Dadurch wird einerseits eine Entkohlung vermieden und andererseits werden teilweise entkohlte Oberflächenbereiche auf den Sollwert des Rand-Kohlenstoffgehaltes wieder aufgekohlt.When heating a batch of 6 pinions made of 14NiCr14 steel, reheating after carburizing and cooling to a hardening temperature of 800 ° C, the furnace atmosphere had to be set so that a C level of 0.80% was guaranteed. Decarburization is avoided on the one hand, and partially decarburized surface areas on the other Set point of the marginal carbon content carburized again.

Dabei ging man grundsätzlich in einem Doppelkammerofen in gleicher Weise vor wie bei der Aufkohlung. Die Ritzel wurden im Beschickungskorb durch die Vorkammer in die auf ca. 750°C vorgewärmte Ofenkammer geführt. Nach dem Schliessen der Zwischentür und der Vorkammertür wurden Ofenraum und Vorkammer sofort mit Stickstoff gespült, um die Luft zu verdrängen, die Ofentemperatur auf 800°C eingestellt und während des Aufheizens die Stickstoffmenge auf 0,630 m3 sfh und die Methanolmenge auf 450 g/h eingestellt, so dass beim Erreichen der Härtetemperatur von 800°C bereits die gewünschte Grundgaszusammensetzung von 18-20% CO, 38-40% H2 und ca. 49% N2 erreicht war. Nun wurde über das Handventil 14 die zusätzliche Stickstoffmenge auf 0,155 m3 s/h und die Acetonpumpe auf eine Fördermenge von 400 g/h eingestellt. Das Regelgerät 2 übernahm nun die zur Aufrechterhaltung des C-Pegels von 0,80% notwendige Zufuhr von Aceton und Stickstoff. Die Methanolpumpe 5 wurde auf eine Fördermenge von 300 g/h und die Stickstoffzufuhr auf 0,420 m3 sfh eingestellt. Nach einer Durchwärmezeit von 2 h wurden die Methanolpumpe 5 und die Acetonpumpe 7 abgestellt, während die Stickstoffzufuhr zum Ausspülen von Ofenraum und Vorkammer auf einen wesentlich höheren Wert eingestellt wurde. Anschliessend erfolgte das Abschrecken der Ritzel in der Vorkammer.The basic procedure in a double-chamber furnace was the same as for carburizing. The pinions were fed through the pre-chamber in the loading basket into the oven chamber, which was preheated to approx. 750 ° C. After closing the intermediate door and the pre-chamber door, the furnace chamber and pre-chamber were immediately flushed with nitrogen in order to displace the air, the oven temperature was set to 800 ° C and, during heating, the amount of nitrogen to 0.630 m 3 s fh and the amount of methanol to 450 g / h set so that the desired base gas composition of 18-20% CO, 38-40% H 2 and approx. 49% N 2 was reached when the hardening temperature of 800 ° C was reached. Now the additional amount of nitrogen was set to 0.155 m 3 s / h and the acetone pump to a delivery rate of 400 g / h via the manual valve 14. The control unit 2 now took over the supply of acetone and nitrogen necessary to maintain the C level of 0.80%. The methanol pump 5 was set to a delivery rate of 300 g / h and the nitrogen supply to 0.420 m 3 s fh. After a soaking time of 2 hours, the methanol pump 5 and the acetone pump 7 were switched off, while the nitrogen supply for flushing out the furnace chamber and prechamber was set to a much higher value. The pinions in the prechamber were then quenched.

Claims (3)

1. A method for the conrtollable gas carburization or heating in a protective gas of workpieces of steel with a predetermined C-level in a furnace atmosphere of carrier gas containing methanol and nitrogen and a carburizing agent consisting of oxygen derivatives of hydrocarbons, characterised in that, in addition to this carburizing agent, so much nitrogen is fed in that, after the carburization reaction, the gases have a substantially identical and substantially constant gas composition and the supply of the carburizing agent and/or of the additional nitrogen is controlled, in a manner known per se, via the continuously determined content of a gas component of the furnace atmosphere which is critical for the C-level.
2. A method as claimed in Claim 1, characterised in that ethyl acetate, acetone, ethanol or isopropanol is used as a carburizing agent.
3. A method as claimed in Claim 1 or 2, charac-. terised in that control is effected via the oxygen potential, the CO2 content or water-vapour content of the furnace atmosphere, particularly by determining the dew point.
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