EP0288680B1 - Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl - Google Patents

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EP0288680B1
EP0288680B1 EP88102679A EP88102679A EP0288680B1 EP 0288680 B1 EP0288680 B1 EP 0288680B1 EP 88102679 A EP88102679 A EP 88102679A EP 88102679 A EP88102679 A EP 88102679A EP 0288680 B1 EP0288680 B1 EP 0288680B1
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EP
European Patent Office
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carbon
carburization
phase
level
curve
Prior art date
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EP88102679A
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French (fr)
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EP0288680A3 (en
EP0288680A2 (de
Inventor
Bernd Dr. Mont. Edenhofer
Hans Dipl.-Ing. Pfau
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Ipsen International GmbH
Original Assignee
Ipsen International GmbH
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Publication of EP0288680A3 publication Critical patent/EP0288680A3/de
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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

Definitions

  • the invention relates to a method for gas carburizing steel, in which the workpiece to be carburized is exposed to the highest possible carbon supply at the soot limit in a carbon-rich gas atmosphere in a first carburizing phase, and in the subsequent diffusion phase a correspondingly reduced one, corresponding to the desired marginal carbon content C-range is set, the control of carburizing t at least via the target quantities surface carbon content C R, carburization depth a and a further target value is carried out.
  • the C R and carburization depth A t is directed solely to the two target quantities surface carbon content through such a process control during the carburization, the desired S-curve shape of the carbon profile in the edge layer of the carburized workpiece not exactly and reproducibly fixed.
  • This is due to the fact that the time of switching from the carbonization phase to the diffusion phase has a decisive influence on the shape of the carbon profile in the workpiece. If this point in time is chosen too early, C-profiles will drop off very quickly from the edge towards the inside, whereas if the point in time is chosen too late, carbon profiles with over-carbonization (graphically: hump shape) appear.
  • the object of the invention is to propose a regulation, regardless of the carbide limit, with which it is possible to achieve the desired carbon profile curve (carbon profile) in the workpiece reliably and reproducibly in a simple manner.
  • the invention is intended to make it possible to set the ratio of carbonation duration and diffusion duration in the two-stage process control in such a way that the desired carbon content and case hardening depth are achieved as a result and the carbon profile curve is as horizontal as possible at the edge.
  • a further target variable which is characteristic of the carbon curve, is a carbon content C V with edge distance x on the calculated carbon curve, which is between 15% and 90% of the carburization depth A t and when it reaches a carbonization level the soot limit, for example at 1.2% by weight C, is switched to the diffusion phase with, for example, 0.8% by weight & C, the size of the carbon content C V being determined by comparing the contents of two areas F 1 and F 2, which are determined by the areas between the actual C-profile achieved at the respective time and the desired C-profile are given, with F1 as that area that lies above the desired C-target profile, and F2 as that area that below desired target C profile.
  • the proposal to base the carburization control on another target in the form of the carbon content C V with edge distance x on the calculated carbon curve, which is characteristic of the desired S-shaped carbon curve, has made it possible to find the optimal ratio of To obtain carbonation duration to diffusion duration, so that the end result is the desired marginal carbon content, the desired case hardening depth and also a carbon curve in the workpiece, which has a largely horizontal curve at the edge.
  • the carbon content C V has an edge distance x on the calculated carbon curve, which is between 15% and 90% of the carburization depth A t and when it reaches a carbonization level at the soot limit, for example at 1.2% by weight C, on the diffusion phase is switched with, for example, 0.8% by weight of C. It can also be useful several carbon contents C V 1 to C V n with corresponding edge distances x 1 to x n on the carbon curve as an additional target variable of the regulation, in order to achieve greater safety and accuracy.
  • the carbon content C V is determined by comparing the contents of two areas F 1 and F 2, which are given by the areas between the actual C profile achieved at the respective time and the desired C profile, the area being defined with F 1 , which is above the target C target profile and with F2 the area that lies below the target C target profile.
  • the switch from the carbonation phase to the diffusion phase is then carried out as soon as F1 ⁇ K x F2, where the factor K can have values between 1.0 and 1.3.
  • the C-profile control according to the invention is preferably carried out by arithmetically defining the desired carbon profile curve, the additional target variable or target variables C V being determined on the basis of empirical values which are stored in the process computer, in which case in the carburizing phase of the carburizing process with the highest possible C- Level just below the soot limit of the carburizing process is begun, the carbon diffusing into the workpiece is followed mathematically by the process computer via the increase in the marginal carbon content C R and the C level is kept constant as long as the calculated carbon curve does not affect the predetermined target value C V , that when the target size is reached C V is reduced by the carbon curve of the C level to a value which corresponds to the predetermined marginal carbon content C R and that the C process is continued with this reduced C level in the diffusion phase until the desired carburization depth is reached.
  • the carburization is expediently only ended when, in addition to reaching the marginal carbon content C R , the carburization depth A t and the additional target variable C V, there are also no carbon contents higher than C R in the curve between C R and C V. As a result, a completely straight carbon curve is achieved in the outermost boundary layer and even the smallest curvature of the carbon curve upwards is prevented in this area.
  • a point on the desired carbon curve (curve 2), which lies between 15% and 90% of the desired carburization depth A t and is designated as C V , is selected as the third target variable in addition to the marginal carbon content C R and the carburization depth A t , as shown schematically in Fig. 2 of the drawing. 2 shows the position of the target variable C V for small carburizing depths A t ⁇ 1 mm, compared to FIG. 3, while with a schematically identical S-shaped profile, FIG. 3 illustrates a carburizing curve with a target variable C V that is for large carburizing depths A t > 1 mm can be used with advantage.
  • the carburization process is controlled by means of a process computer so that all three parameters C R, C and V A t and thus the predetermined S-shaped curve C can be achieved.
  • the desired target curve of the C-profile is defined and the additional target point C V is specified in the named area of the profile.
  • the point C V is determined on the basis of empirical values which are suitably stored in the process computer.
  • the first phase of the carburizing process takes place in a conventional manner by setting and regulating the highest possible C level just below the soot limit.
  • the diffusing carbon, along with the increase in the marginal carbon content C R, is mathematically monitored by the process computer and the C level is kept constant as long as the calculated C curve does not yet affect the predetermined target value C V.
  • the C-level setpoint is reduced to a value that corresponds to the specified marginal carbon content C R and is regulated there until the C-curve again falls below the value of the target C V.
  • the process computer When or shortly before the carburization depth A t is reached , the process computer maintains the C level at the lower target value so that the marginal carbon content C R is set.
  • the process computer is given an additional condition that the carburization only ends when, in addition to reaching C R , A t and C V , no carbon contents higher than C R in the curve curve exist between C R and C V.
  • This additional condition is suitable to prevent even the smallest curvature of the carbon curve upwards.
  • the C-profile control according to the invention is explained below for three different carburizing depths of 0.2 mm, 0.9 mm and 2.0 mm.
  • the position of the control point C V on the C profile curve is defined as 0.65% C with a 0.08 mm edge distance in the workpiece.
  • the process computer then carries out the carburization at the C level of 1.10% C until the calculated carbon curve reaches the point C V.
  • the C level is then reduced to the value 0.8% C, namely the target quantity of the marginal carbon content. Further values result from the drawing.
  • Treatment is the marginal carbon content with 0.79% C, the carburization depth A t with 0.20 mm and C V with 0.66% C.
  • the carbonization temperature is chosen to be 940 ° C and the carbonization C level is 1.20% C.
  • the position of the third target variable C V on the desired S-shaped C profile is specified as 0.68% C at 0.40 mm.
  • the process control according to the invention reaches the three target quantities C R, A t, V C after a total carburizing of exactly 188 min.
  • the carbonization temperature is chosen to be 950 ° C. and the carbonization C level is 1.20% C.
  • the position of the third target variable C V on the desired S-shaped C profile is specified as 0.60% C at 1.20 mm.
  • the process control according to the invention achieves these values after a total carburizing time of 847 minutes.
  • the target values A t and C V are slightly exceeded with 2.01 mm (instead of 2.00 mm) and with 0.62% C (instead of 0.60% C). This is due to that the process computer has continued carburization until between C R and C V no higher C-value than C R was more.
  • Fig. 8 of the drawing shows a C-profile control by area comparison.
  • the carburizing is carried out at a high C level in the carburizing phase until the area is F 1 ⁇ K x F 2, where the K values can be between 1.0 and 1.3.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl, bei dem das aufzukohlende Werkstück in einer kohlenstoffreichen Gasatmosphäre in einer ersten Kohlungsphase einem möglichst hohen C-Angebot an der Rußgrenze ausgesetzt wird und bei dem in einer sich anschließenden Diffusionsphase ein demgegenüber abgesenktes, dem angestrebten Randkohlenstoffgehalt entsprechendes C-Angebot eingestellt wird, wobei die Regelung der Aufkohlung zumindest über die Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR, Aufkohlungstiefe At sowie eine weitere Zielgröße erfolgt.
  • Bei der Aufkohlung von Stählen besteht grundsätzlich die Zielsetzung, in einer Randschicht des aufzukohlenden Werkstücks eine Kohlenstoffanreicherung dadurch vorzunehmen, daß in der Werkstücksumgebung, insbesondere einer Ofenatmosphäre, ein erhöhtes Kohlenstoffangebot bei einer entsprechenden Temperatur vorliegt. Der Kohlenstoff aus der Umgebung diffundiert in des Werkstück und innerhalb des Werkstücks selbst aus der Randschicht heraus in das Werkstücksinnere hinein, wo sich in einer Entfernung vom Werkstücksrand bis zu einer Aufkohlungstiefe von etwa 3 mm die Aufkohlung durch einen gegenüber dem Grundwerkstoff deutlich erhöhten Kohlenstoffgehalt bemerkbar macht. Die Kohlenstoffverteilung in Werkstück vom Rand hin bis zum Kern läßt sich graphisch in form eines sogenannten Kohlenstoffprofils darstellen. Zielsetzung ist es, einen S-förmi-gen Kohlenstoffverlauf mit einsm vorbestimmten Randkohler stoffgehalt und möglichst breitem Horizontalbereich am Rande durch die Prozeßführung zu erreichen.
  • Es ist bekannt, bei der Aufkohlung von Stählen die Prozeßführung auf die beiden Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und die Aufkohlungstiefe At auszurichten. Praktisch wird dies derart durchgeführt, daß zunächst in einer ersten Behandlungsphase der C-Pegel auf einen Wert kurz unterhalb der Rußgrenze eingestellt und gehalten wird (Kohlungsphase) und anschließend in einer Endstufe (Diffusionsphase) ein niedrigerer Kohlenstoff-Pegel zur Erzielung des gewünschten Kohlenstoffprofils verwendet wird. Hierzu werden Rechner eingesetzt, denen zumindest in gewissen Zeitabständen die für den Aufkohlungsvorgang beachtlichen Prozeßwerte, wie Temperatur, Sauerstoffpotential, C-Pegel, C-Strom und dgl. eingegeben und als Steuergrößen für die Regelung des Aufkohlungsvorgangs verwertet werden. Nachteiligerweise ist durch eine derartige Prozeßführung beim Aufkohlen, die allein auf die beiden Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und Aufkohlungstiefe At ausgerichtet ist, die gewünschte S-Kurvenform des Kohlenstoffprofils in der Randschicht des aufgekohlten Werkstückes nicht exakt und reproduzierbar festlegbar. Dies beruht darauf, daß der Zeitpunkt des Umschaltens von der Kohlungsphase in die Diffusionsphase entscheidenden Einfluß auf die Form des Kohlenstoffprofils im Werkstück hat. Wird dieser Zeitpunkt zu früh gewählt, erhält man von Rand nach innen sehr schnell abfallende C-Profile, wohingegen bei zu spät gewähltem Zeitpunkt Kohlenstoffprofile mit Überkohlung (zeichnerisch: Buckelform) auftreten. Es wird versucht, durch mehrmalige Simulationsrechnungen den optimalen Umschaltzeitpunkt zu bestimmen, der zu dem gewünschten S-förmigen Kohlenstoffprofil führt. Trotz dieses zusätzlichen Rechnungs- und Versuchsaufwandes können in der Praxis Abweichungen, insbesondere bei Störungen im Kohlenstoffangebot, nicht vermieden werden, da die Steuerung nur die Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und Aufkohlungstiefe At berücksichtigt.
  • Gemäß der DE-PS 31 39 622 wird als Weiterentwicklung dieses Verfahrens zur Gasaufkohlung von Stahlteilen vorgeschlagen, in der Kohlungsphase in Form einer der Endphase vorgeschalteten Zwischenphase den Kohlenstoffpegel langsam und geringfügig abzusenken, und zwar zu dem Zeitpunkt, zu dem der Randkohlenstoffgehalt CR eine bestimmte Grenze CR max erreicht. Als Grenze CR max wird das Einsetzen der Carbidbildung vorgegeben.
  • Trotz dieser die Durchführung der Kohlungsphase zur Vermeidung einer Carbidbildung hinzugefügten Regelgröße CR max ist das geschilderte Problem des richtigen Zeitpunkts der Umschaltung von der Kohlungsphase auf die Diffusionsphase hiermit nicht gelöst. Weiterhin können Unter- bzw. Überkohlungen auftreten und ist die Einstellung des gewünschten S-förmigen Kohlenstoffprofils nicht gewährleistet.
  • Eine Weiterentwicklung des eingangs beschriebenen Verfahrens findet sich ferner in der EP 0 156 378 A3. Dieses Verfahren erbeitet neben den Zielgrößen "Randkohlenstoffgehalt" und "Aufkohlungstiefe" mit einer dritten Zielgröße in Form des Kohlenstoffverlaufs am Werkstückrand. Dabei dient der durch die Oberfläche des Werkstücks diffundierende Kohlenstoff-Strom als Meßgröße, in deren Abhängigkeit die Zufuhr des Kohlenstoffs gesteuert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unabhängig von der Carbidgrenze eine Regelung vorzuschlagen, mit der es möglich ist, die gewünschte Kohlenstoffverlaufskurve (Kohlenstoffprofil) in Werkstück sicher und reproduzierbar in einfacher Weise zu erreichen. Insbesondere soll es mit der Erfindung ermöglicht werden, bei der zweistufigen Prozeßführung das Ver` hältnis von Kohlungsdauer und Diffusionsdauer derart einzustellen, daß als Endresultat der gewünschte Kohlenstoffgehalt und Einsetzhärtetiefe erreicht werden und dabei die Kohlenstoffverlaufskurve einen möglichst horizontalen Verlauf am Rand erhält.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als weitere, für die Kohlenstoffverlaufskurve charakteristische Zielgröße ein Kohlenstoffgehalt CV mit Randabstand x auf der berechneten Kohlenstoffverlaufskurve vorgegeben wird, der zwischen 15 % und 90 % der Aufkohlungstiefe At liegt und bei dessen Erreichen von einem Kohlungspegel an der Rußgrenze, beispielsweise bei 1,2 Gew. % C, auf die Diffusionsphase mit beispielsweise 0,8 Gew. & C umgeschaltet wird, wobei die Größe des Kohlenstoffgehaltes CV durch den Vergleich des Inhalts zweier Flächen F₁ und F₂ bestimmt wird, die durch die Flächen zwischen dem zum jeweiligen Zeitpunkt erzielten Ist-C-Profil und dem angestrebten Soll-C-Profil gegeben sind, mit F₁ als jener Fläche, die oberhalb des angestrebten C-Soll-Profils liegt, und F₂ als jener Fläche, die unterhalb des angestrebten C-Soll-Profils liegt.
  • Durch den Vorschlag, neben den bisherigen Zielgrößen der Regelung der Aufkohlung eine weitere Zielgröße in Form des Kohlenstoffgehaltes CV mit Randabstand x auf der berechnteten Kohlenstoffverlaufskurve zugrundezulegen, die charakteristisch für die gewünschte S-förmige Kohlenstoffverlaufskurve ist, ist es möglich geworden, das optimale Verhältnis von Kohlungsdauer zu Diffusionsdauer zu erhalten, damit als Endresultat der gewünschte Randkohlenstoffgehalt, die gewünschte Einsatzhärtetiefe und außerdem eine Kohlenstoffverlaufskurve im Werkstück erreicht werden, die einen weitgehend horizontalen Verlauf am Rand aufweist.
  • Der Kohlenstoffgehalt CV weist einen Randabstand x auf der berechneten Kohlenstoffverlaufskurve auf, der zwischen 15 % und 90 % der Aufkohlungstiefe At liegt und bei dessen Erreichen von einem Kohlungspegel an der Rußgrenze, beispielsweise bei 1,2 Gew. % C, auf die Diffusionsphase mit beispielsweise 0,8 Gew. % C umgeschaltet wird. Es kann auch zweckmäßig sein, mehrere Kohlenstoffgehalte CV¹ bis CV n mit entsprechenden Randabständen x₁ bis xn auf der Kohlenstoffverlaufskurve als zusätzliche Zielgröße der Regelung zugrundezulegen, um eine größere Sicherheit und Genauigkeit zu erzielen. Der Kohlenstoffgehalt CV wird durch den Vergleich des Inhalts zweier Flächen F₁ und F₂ bestimmt, die durch die Flächen zwischen dem zum jeweiligen Zeitpunkt erzielten Ist-C-Profil und dem angestrebten Soll-C-Profil gegeben sind, wobei mit F₁ die Fläche definiert ist, die oberhalb des angestrebten C-Soll-Profils und mit F₂ die Fläche, die unterhalb des angestrebten C-Soll-Profils liegt. Das Umschalten von der Kohlungsphase in die Diffusionsphase wird dann vorgenommen, sobald F₁ ≧ K x F₂ ist, wobei der Faktor K Werte zwischen 1,0 und 1,3 aufweisen kann.
  • Es kann zweckmäßig sein, mehrere, vorzugsweise drei für die Kohlenstoffverlaufskurve charakteristische Zielgrößen der Regelung zusätzlich vorzugeben, um die Übereinstimmung zwischen Soll- und Ist-Kohlenstoffprofil sicherzustellen.
  • Hierzu kann es ebenfalls von Vorteil sein, die Aufkohlung aus der Diffusionsphase heraus erneut in die Kohlungsphase zu fahren, sobald die Kohlenstoffverlaufskurve unter die zusätzliche Zielgröße fällt, wobei bei derem erneuten Erreichen wieder auf die Diffusionsphase zurückgeschaltet wird. Häufig kann eine mehrmalige zyklische Umschaltung zwischen Kohlungsphase und Diffusionsphase zu einer kürzeren und genaueren Aufkohlung führen.
  • Die erfindungsgemäße C-Profilregelung wird vorzugsweise durchgeführt, indem die angestrebte Kohlenstoffverlaufskurve rechnerisch definiert wird, die zusätzliche Zielgröße bzw. Zielgrößen CV aufgrund von Erfahrungswerten festgelegt wird, die im Prozeßrechner abgelegt sind, wobei dann in der Kohlungsphase des Aufkohlungsprozesses mit einem möglichst hohen C-Pegel kurz unterhalb der Rußgrenze der Aufkohlungsprozeß begonnen wird, dabei der in das Werkstück eindiffundierende Kohlenstoff über die Zunahme das Randkohlenstoffgehalts CR durch den Prozeßrechner rechnerisch verfolgt wird und der C-Pegel solange konstantgehalten wird, solange die errechnete Kohlenstoffverlaufskurve die vorgegebene Zielgröße CV noch nicht tangiert, daß bei Erreichen der Zielgröße CV durch die Kohlenstoffverlaufskurve der C-Pegel auf einen Wert herabgesetzt wird, der dem vorgegebenen Randkohlenstoffgehalt CR entspricht und daß mit diesem herabgesetzten C-Pegel in der Diffusionsphase der Kohlungsprozeß solange fortgesetzt wird, bis die gewünschte Aufkohlungstiefe erreicht ist. Fällt im Rahmen dieses Kohlungsprozesses die ermittelte Kohlenstoffverlaufskurve in der Diffusionsphase wieder unter den Wert der Zielgröße CV, wird vorgeschlagen, den C-Pegel wieder auf den Wert der Kohlungsphase anzuheben, wobei dieser Vorgang der zyklischen Schaltung des C-Pegels zwischen den zwei Zielgrößen CR und CV solange fortgesetzt wird, bis die vorgegebene Aufkohlungstiefe erreicht ist. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Kohlenstoffverlaufskurve in einem Punkt immer nahe der zusätzlichen Zielgröße CV zu halten, während die Eindringtiefe des Kohlenstoffs immer mehr zunimmt, bis die vorgegebene Aufkohlungstiefe erreicht ist.
  • Zweckmäßigerweise wird die Aufkohlung erst beendet, wenn neben dem Erreichen des Randkohlenstoffgehalts CR, der Aufkohlungstiefe At und der zusätzlichen Zielgröße CV auch keine höheren Kohlenstoffgehalte als CR im Kurvenverlauf zwischen CR und CV vorhanden sind. Hierdurch wird ein völlig gerader Kohlenstoffverlauf in der äußersten Randschicht erzielt und wird auch die kleinste Wölbung der Kohlenstoffverlaufskurve in diesem Bereich nach oben verhindert.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich zu bekannten Verfahren zur Gasaufkohlung erreicht und erstmals sichergestellt, daß die rechnerisch festgelegte Kohlenstoffverlaufskurve durch ein Regalverfahren am Werkstück eingehalten wird. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der das erfindungsgemäße Verfahren schematisch unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1
    verschiedene Kohlenstoffverlaufskurven (Kohlenstoffprofile) mit Prozeßführung nach dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    eine Kohlenstoffverlaufskurve nach der Erfindung mit der Regelgröße CV für Aufkohlungstiefen At < 1,0 mm,
    Fig. 3
    eine Kohlenstoffverlaufskurve mit der Regelgröße CV für große Aufkohlungstiefen At > 1 mm,
    Fig. 4
    ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß durchgeführte Gasaufkohlung eines Stahles 20 Mn Cr 5,
    Fig. 5
    eine zu einem weiteren Ausführungsbeispiel gehörende Kohlenstoff-Verteilung,
    Fig. 6
    eine zu einem dritten Ausführungsbeispiel gehörende Kohlenstoff-Verteilung,
    Fig. 7
    eine C-Profilregelung über mehrere zusätzliche Zielgrößen und
    Fig. 8
    eine C-Profilregelung durch Flächenvergleich.
  • In Fig. 1 der Zeichnung ist gemäß Stand der Technik verdeutlicht, daß Kohlenstoffprofile sehr unterschiedliche Formen bei falscher Prozeßführung, insbesondere bei falscher Wahl der Zykluszeiten von Kohlungs- und Diffusionsphasen bei zweistufigen Aufkohlungs-Behandlungen annehmen können. Dabei treten Kohlenstoffprofile ähnlich den Verlaufskurven 1 und 3 beim Aufkohlen in nicht geringer Häufigkeit auf. Sie haben zur Folge, daß die Qualität der Einsatzhärteschicht solcher Teile durch zu hohen Restaustenitgehalt (Kurve 3) oder Unterhärtung, d.h. zu geringe Härtung (Kurve 1) erheblich gemindert ist. Aus diesem Grund ist ein S-förmiges Kohlenstoffprofil mit einem möglichst breiten horizontalen Bereich am Rand, wie ihn die Kohlenstoffverlaufskurve 2 in Fig. 1 der Zeichnung zeigt, bei der Aufkohlung prozeßtechnisch anzustreben.
  • Zur Erreichung dieses Ziels wird als dritte Zielgröße neben dem Randkohlenstoffgehalt CR und der Aufkohlungstiefe At ein Punkt auf der angestrebten Kohlenstoffverlaufskurve (Kurve 2) ausgewählt, der zwischen 15 % und 90 % der gewünschten Aufkohlungstiefe At liegt und mit CV bezeichnet ist, wie in Fig. 2 der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Dabei verdeutlicht Fig. 2 im Vergleich zu Fig. 3 die Lage der Zielgröße CV für kleine Aufkohlungstiefen At < 1 mm, während bei schematisch gleichem S-förmigen Verlauf Fig. 3 eine Aufkohlungskurve mit einer Zielgröße CV verdeutlicht, die für große Aufkohlungstiefen At > 1 mm mit Vorteil angewandt werden kann. In beiden Fällen wird der Aufkohlungsprozeß mit Hilfe eines Prozeßrechners so gesteuert, daß alle drei Zielgrößen CR, CV und At und damit der vorgegebene S-förmige C-Verlauf erreicht werden.
  • Dazu wird die angestrebte Zielkurve des C-Profils definiert und der zusätzliche Zielpunkt CV im genannten Bereich des Profils festgelegt. Die Festlegung des Punktes CV erfolgt aufgrund von Erfahrungswerten, die geeigneterweise im Prozeßrechner abgelegt sind. Im Falle der C-pegelgesteuerten Gasaufkohlung erfolgt dann die erste Phase des Aufkohlungsprozesses auf konventionelle Art durch Einstellung und Regelung eines möglichst hohen C-Pegels knapp unterhalb der Rußgrenze. Der eindiffundierende Kohlenstoff wird zusammen mit der Zunahme des Randkohlenstoffgehaltes CR durch den Prozeßrechner rechnerisch verfolgt und der C-Pegel solange konstantgehalten, solange die errechnete C-Verlaufskurve den vorgegebenen Zielgrößenwert CV noch nicht tangiert.
  • Bei Erreichen des Zielgrößenwertes CV durch die errechnete C-Verlaufskurve wird der C-Pegel-Sollwert auf einen Wert herabgesetzt, der dem vorgegebenen Randkohlenstoffgehalt CR entspricht und dort geregelt, bis die C-Verlaufskurve wieder unter den Wert der Zielgröße CV fällt.
  • Ab diesem Moment wird der C-Pegel wieder auf seinen ursprünglichen Sollwert, d.h. knapp unterhalb der Rußgrenze, angehoben. Dadurch steigt die C-Verlaufskurve wieder an. Erreicht sie in einem Punkt wieder den Wert der Zielgröße CV, so wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang.
  • Durch die zyklische Schaltung des C-Pegels zwischen zwei Sollwerten in dieser Phase der Behandlung gelingt es, die C-Verlaufskurve immer nahe dem Zielgrößenwert CV zu halten, während die Eindringtiefe des Kohlenstoffs immer mehr zunimmt, bis die vorgegebene Aufkohlungstiefe At erreicht ist.
  • Bei oder kurz vor Erreichen der Aufkohlungstiefe At hält der Prozeßrechner den C-Pegel auf dem unteren Sollwert, damit der Randkohlenstoffgehalt CR eingestellt wird.
  • Um einen völligen horizontalen Kohlenstoffverlauf in der äußersten Randschicht des Werkstücks zu erzielen, wird dem Prozeßrechner als zusätzliche Bedingung aufgegeben, die Aufkohlung erst zu beenden, wenn neben dem Erreichen von CR, At und CV auch keine höheren Kohlenstoffgehalte als CR im Kurvenverlauf zwischen CR und CV vorhanden sind. Diese Zusatzbedingung ist geeignet, auch die kleinste Wölbung der Kohlenstoffverlaufskurve nach oben zu verhindern.
  • Am Beispiel der C-pegelgesteuerten Gasaufkohlung eines Werkstückes aus Stahl 20 Mn Cr 5 sei die erfindungsgemäße C-Profilregelung nachfolgend für drei verschiedene Aufkohlungstiefen von 0,2 mm, 0,9 mm und 2,0 mm erläutert.
    • 1. Ausführugsbeispiel gemäß Fig. 4:
  • Die Figur zeigt den Fall der niedrigen Aufkohlungstiefe von 0,2 mm. Die Kohlungstemperatur ist mit 900° C und der C-Pegel mit 1,10 % C unterhalb der Rußgrenze zu Beginn des Prozesses eingestellt. Die vorgegebenen Zielgrößen sind:
    • a. CR = 0,80 % C
    • b. At = 0,2 mm bei 0,35 % C
    • c. S-förmige Kohlenstoffverlaufskurve.
  • Zur Durchführung des Gasaufkohlungsverfahrens mit obigen Zielgrößen wird die Lage des Regelpunktes CV auf der C-Verlaufskurve mit 0,65 % C bei 0,08 mm Randabstand im Werkstück festgelegt. Anschließend führt der Prozeßrechner die Aufkohlung bei dem C-Pegel von 1,10 % C solange durch, bis der errechnete Kohlenstoffverlauf den Punkt CV erreicht. Es wird dann der C-Pegel auf den Wert 0,8 % C, nämlich der Zielgröße des Randkohlenstoffgehalts, erniedrigt. Weitere Werte ergeben sich aus der Zeichnung.
  • Nach insgesamt 21 min. Behandlung ist der Randkohlenstoffgehalt mit 0,79 % C, die Aufkohlungstiefe At mit 0,20 mm und CV mit 0,66 % C erreicht.
    • 2. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5:
  • Die Figur zeigt den Fall der mittleren Aufkohlungstiefe von 0,9 mm. Die vorgegebenen Zielgrößen sind:
    • a. CR = 0,80 % C
    • b. At = 0,90 mm
    • c. S-förmiges C-Profil.
  • Die Kohlungstemperatur wird zu 940° C und der Kohlungs-C-Pegel zu 1,20 % C gewählt. Die Lage der dritten Zielgröße CV auf dem angestrebten S-förmigen C-Profil wird mit 0,68 % C bei 0,40 mm vorgegeben.
  • Die erfindungsgemäße Prozeßführung erreicht die drei Zielgrößen CR, At, CV nach einer gesamten Aufkohlungsdauer von genau 188 min.
    • 3. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6:
  • Die Figur zeigt den Fall der großen Aufkohlungstiefe von 2,0 mm. Die vorgegebenen Zielgrößen lauten:
    • a. CR = 0,80 % C
    • b. At = 2,00 mm
    • c. S-förmiges C-Profil.
  • Die Kohlungstemperatur wird zu 950° C und der Kohlungs-C-Pegel zu 1,20 % C gewählt. Die Lage der dritten Zielgröße CV auf dem angestrebten S-förmigen C-Profil wird mit 0,60 % C bei 1,20 mm vorgegeben.
  • Die erfindungsgemäße Prozeßführung erreicht diese Werte nach einer gesamten Aufkohlungsdauer von 847 min. Die Zielgrößen At und CV sind mit 2,01 mm (statt 2,00 mm) und mit 0,62 % C (statt 0,60 % C) leicht überschritten. Dies kommt daher, daß der Prozeßrechner die Aufkohlung solange weitergeführt hat, bis zwischen CR und CV kein höherer C-Wert als CR mehr war.
  • Fig. 7 der Zeichnung zeigt eine C-Profilregelung über mehrere zusätzliche Zielgrößen CV¹, CV² und CV³, die auf der Kohlenstoffverlaufskurve liegen. Dabei wird die Steuerung des Aufkohlungsprozesses wie folgt vorgenommen:
    • a. Aufkohlen bei hohen Werten CP¹ solange, bis die Zielgröße CV¹ erreicht ist.
    • b. Absenken des Kohlenstoffpegels von CP¹ auf CP² ungefähr gleich CR + 1/2 x (CP¹ - CR), d.h. auf einen Wert, der > CRP¹ ist und Aufkohlen solange, bis die zusätzliche Zielgröße CV² erreicht ist.
    • c. Absenken des Kohlenstoffpegels von CP² auf CP³ = CR und Aufkohlen, bis die zusätzliche Zielgröße CV³ erreicht ist, womit gleichzeitig auch die Aufkohlungstiefe At eingestellt ist.
    • d. Fällt das C-Profil vorher unter eine der Zielgrößen CV¹ und CV² wird der Kohlenstoffpegel CP noch einmal auf das nächsthöhere Niveau heraufgesetzt, z.B. von CP³ auf CP² (oder von CP² auf CP¹), je nachdem welches CV als zusätzliche Zielgröße unterschritten wurde. Auf diesem CP-Wert wird solange gehalten, bis das vorher unterschrittene CV wieder überschritten ist. Anschließend wird die Aufkohlung nach obiger Anweisung fortgesetzt, bis die Endwerte erreicht sind.
  • Fig. 8 der Zeichnung zeigt eine C-Profilregelung durch Flächenvergleich. Dabei wird die Kohlung bei hohem C-Pegel in der Kohlungsphase durchgeführt bis die Fläche F₁ ≧ K x F₂ ist, wobei die K-Werte zwischen 1,0 und 1,3 liegen können. Es erfolgt dann das Umschalten auf die Diffusionsphase mit abgesenktem Kohlenstoffpegel CP (z. B.: CP = CR). DIe Diffusionsphase wird durchgeführt bis F₁ = 0 und F₂ = 0 eingestellt sind. Dies wird durch den Prozeßrechner ermittelt.
  • Wird F₁ = 0, ohne daß F₂ ungefähr gleich 0 ist, d.h. wenn F₂ noch deutlich > 0 ist, dann soll der Kohlenstoffpegel CP noch einmal etwas erhöht werden, womit auch F₁ wieder > 0 wird. Die Kohlung bei hohem C-Pegel wird dann gemäß Aufangsphase fortgesetzt.
  • Wird dagegen F₂ = 0, ohne daß F₁ bereits ungefähr gleich 0 ist, d.h. wenn F₁ noch deutlich > 0 ist, dann wird noch solange in der Diffusionsphase weiter gearbeitet, bis F₁ ungefähr gleich 0 eingestellt ist.
  • Mit den beschriebenen 2-stufigen Prozeßführungen, bestehend aus Kohlungsphase und Diffusionsphase ist es über die zusätzliche Zielgröße möglich, das optimale Verhältnis von Kohlungsdauer zu Diffusionsdauer zu erhalten oder im Kohlungsprozeß zu korrigieren, damit als Endresultat der gewünschte Randkohlenstoffgehalt bei der vorgegebenen Einsatzhärtetiefe erreicht wird, wobei die Kohlenstoffverlaufskurve einen horizontalen Randverlauf aufweist.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl, bei dem das aufzukohlende Werkstück in einer kohlenstoffreichen Gasatmosphäre in einer ersten Kohlungsphase einem möglichst hohen C-Angebot an der Rußgrenze ausgesetzt wird und bei dem in einer sich anschließenden Diffusionsphase ein demgegenüber abgesenktes, dem angestrebten Randkohlenstoffgehalt entsprechendes C-Angebot eingestellt wird, wobei die Regelung der Aufkohlung zumindest über die Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR, Aufkohlungstiefe At sowie eine weitere Zielgröße erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als weitere, für die Kohlenstoffverlaufskurve charakteristische Zielgrüße ein Kohlenstoffgehalt CV mit Randabstand x auf der berechneten Kohlenstoffverlaufskurve vorgegeben wird, der zwischen 15 % und 90 % der Aufkohlungstiefe At liegt und bei dessen Erreichen von einen Kohlungspegel an der Rußgrenze, beispielsweise bei 1,2 Gew. % C, auf die Diffusionsphase mit beispielsweise 0,8 Gew. % C umgeschaltet wird, wobei die Größe des Kohlenstoffgehaltes CV durch den Vergleich des Inhalts zweier Flächen F₁ und F₂, bestimmt wird, die durch die Flächen zwischen dem zum jeweiligen Zeitpunkt erzielten Ist-C-Profil und dem angestrebten Soll-C-Profil gegeben sind, mit F₁ als jener Fläche, die oberhalb des angestrebten C-Soll-Profils liegt und mit F₂ als jener Fläche, die unterhalb des angestrebten C-Soll-Profils liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise drei, für die Kohlenstoffverlaufskurve charakteristische Zielgrößen der Regelung zusätzlich vorgegeben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung aus der Diffusionsphase heraus erneut in die Kohlungsphase gefahren wird, sobald die Kohlenstoffverlaufskurve unter die zusätzliche Zielgröße fällt, wobei bei deren erneutem Erreichen wieder auf die Diffusionsphase zurückgeschaltet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine mehrmalige zyklische Umschaltung zwischen Kohlungsphase und Diffusionsphase.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kohlenstoffgehalte CV¹ bis CV n mit entsprechenden Randabständen x₁ bis xn auf der Kohlenstoffverlaufskurve als zusätzliche Zielgröße der Regelung zugrundegelegt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die angestrebte Kohlenstoffverlaufskurve rechnerisch definiert wird, die zusätzliche Zielgröße bzw. Zielgrößen CV aufgrund von Erfahrungswerten festgelegt wird, die im Prozeßrechner abgelegt sind, wobei dann in der Kohlungsphase des Aufkohlungsprozesses mit einem möglichst hohen C-Pegel kurz unterhalb der Rußgrenze der Aufkohlungsprozeß begonnen wird, dabei der in das Werkstück eindiffundierende Kohlenstoff über die Zunahme des Randkohlenstoffgehalts CR durch den Prozeßrechner rechnerisch verfolgt wird und der C-Pegel konstantgehalten wird, solange die errechnete Kohlenstoffverlaufskurve die vorgegebene Zielgröße CV noch nicht tangiert, daß bei Erreichen der Zielgröße CV durch die Kohlenstoffverlaufskurve der C-Pegel auf einen Wert herabgesetzt wird, der dem vorgegebenen Randkohlenstoffgehalt CR entspricht und daß mit diesem herabgesetzten C-Pegel in der Diffusionsphase der Kohlungsprozeß solange fortgesetzt wird, bis die gewünschte Aufkohlungstiefe erreicht ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Fallen der Kohlenstoffverlaufskurve in der Diffusionsphase unter den Wert der Zielgröße CV der C-Pegel wieder auf den Wert der Kohlungsphase angehoben wird, wobei dieser Vorgang dem zyklischen Schaltung des C-Pegels zwischen den zwei Zielgrößen CR und CV solange fortgesetzt wird, bis die vorgegebene Aufkohlungstiefe At erreicht ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung erst beendet wird, wenn neben dem Erreichen von CR, At und CV keine höheren Kohlenstoffgehalte als CR in der Kohlenstoffverlaufskurve zwischen CR und CV vorhanden sind, insbesondere die Abbruchbedingung % CR ≧ % Cx₁ ≧ % Cx₂ ... ≧ % CV gegeben ist.
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