EP0695807A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere Aufkohlung, metallischer Werkstücke - Google Patents

Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere Aufkohlung, metallischer Werkstücke Download PDF

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EP0695807A1
EP0695807A1 EP95112146A EP95112146A EP0695807A1 EP 0695807 A1 EP0695807 A1 EP 0695807A1 EP 95112146 A EP95112146 A EP 95112146A EP 95112146 A EP95112146 A EP 95112146A EP 0695807 A1 EP0695807 A1 EP 0695807A1
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atmosphere
oxygen
treatment
carburizing
gas
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EP95112146A
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English (en)
French (fr)
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Alexander Dipl.-Ing. Jurmann
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • 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
    • 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
    • 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
    • C21D1/763—Adjusting the composition of the atmosphere using a catalyst

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treatment, in particular carburizing, of metallic workpieces in a furnace in a treatment atmosphere at high temperatures, in which the atmosphere is converted by reacting at least one compound containing carbon and hydrogen and a further medium containing elemental oxygen (for example air). is produced.
  • the so-called generator endogas process for carburizing, carbon-neutral and, in certain cases, decarburizing heat treatment of goods
  • the required treatment gas is generated with large amounts of air, for example, under-stoichiometric combustion of natural gas, methane or propane with air at temperatures of around 1000 ° C Amounts of auxiliary energy generated.
  • an identical treatment gas is produced by a catalyst retort arranged in the heat treatment furnace and by supplying the same starting materials (see, for example, technical article "Basic requirements for reducing gas consumption in controlled gas carburizing" from HTM 35/1980 No. 5, page 230 to 237, in particular point 1.1 and, for example, DE 36 32 577).
  • nitrogen is often additionally provided as an atmospheric component, which leads to additional process engineering advantages, such as the possibility leads to the atomization of the often liquid, oxygen-bearing hydrocarbon compounds and also brings with it the general availability of an inert admixing and rinsing medium (see again technical article "Basic requirements for reducing gas consumption with regulated gas carburizing" from HTM 35/1980 No. 5, Pages 230 to 237, especially points 1.3 and 1.4).
  • the invention was therefore based on the object of specifying a cost-acceptable and easy to implement option with which a treatment gas with a CO-to-H2 ratio of approximately 1 to 1 can be produced.
  • gaseous alkenes ie hydrocarbon gases with a double bond
  • This atmosphere can optionally be diluted with an inert gas - usually nitrogen - this being particularly the case with carburizing in the beginning
  • Treatment part preferably does not happen or only to a small extent.
  • Pure oxygen is preferably used as the oxygen-containing medium, but oxygen-containing gases, in particular air or O2-enriched air, or also oxygen-containing, gaseous compounds are also suitable.
  • it is primarily thought of carbon gases (CO2, CO), nitrogen dioxide (NO2) or nitrous oxide (N2O).
  • Propylene or ethylene are the most important alkenes of the invention.
  • the figure shows a chamber furnace 1 in which a batch 2 of steel parts to be carburized is located.
  • a double jacket converter K consisting essentially of two concentric tubes, the external dimensions of which correspond to a conventional radiant tube.
  • the converter K is connected with its inner tube 3 to feed lines 4 and 5, which are used to supply the starting media for atmospheric formation, the atmosphere essentially formed in the inner tube finally flowing into the furnace interior via a nozzle 7.
  • the free space 6 between the outer and inner tube of the converter K is connected to a feed line 8, with which a heating medium for heating the inner tube 3 can optionally be supplied.
  • the furnace is equipped with - but not shown - jet pipes for its heating and with a fan 10 which serves to circulate the treatment gas.
  • a gas analyzer 11 here in particular a so-called C-flow probe, is connected to the furnace interior, which regulates the oxygen supply quantity via the associated signal processing unit 12 via an adjusting element 14 arranged in the oxygen supply line 4b.
  • a quantity control unit 13 is arranged in the feed line 4a, which serves to supply the propylene to the line 4.
  • their setting remains largely constant in the running process.
  • the workpiece batch 2 - as shown in the figure - is placed in the chamber furnace 1 and the batch is heated up via the feed line 5 and the converter K started supplying nitrogen to the furnace.
  • the final temperature for the carburizing treatment that is ultimately to be achieved is approximately 900 to 950 ° C - the nitrogen supply is terminated and a stoichiometrically coordinated propylene-oxygen mixture is fed to the double-jacket converter K via the feed line 4 started and thus the formation of a treatment gas atmosphere according to C3H6 + 3/2 O2 ---> 3 CO + 3 H2 initiated.
  • the starting temperature for this reaction is about 450 ° C., so that the reaction proceeds above 500 ° C. and in particular at normal carburizing temperatures without any problems.
  • the converter heating takes place from the interior of the furnace and is supported by the fact that hot combustion exhaust gases originating from the radiant heat pipes are introduced via line 8 into the free space 6 between the inner and outer pipes of the converter.
  • the conversion taking place in converter K and its inner tube 3 provides, according to the reaction equation shown, an approximately 50% CO and 50% H2 treatment gas, that is to say a treatment gas whose CO-to-H2 ratio is exactly "1".
  • This carbon transition number ⁇ of an atmosphere is of great importance for a carburizing process and especially its initialization phase, since in this initial phase the respective workpieces still have relatively low C components in the surface layers and therefore the C absorption of these workpieces in this phase is very important depends on the C delivery, for which in turn the said C transition number is a measure.
  • the importance of this C delivery increasingly takes a back seat, since the outer layers of the workpieces to be carburized have reached a saturated carbon content and then the carburization speed is essentially dominated by the diffusion of carbon from the surface into the interior of the workpiece.
  • the C transition number ⁇ of an atmosphere is no longer relevant for the carburization rate so pervasive meaning, and it can, as also partially provided according to the invention, then be converted to an atmosphere with a lower ⁇ number.
  • This is accomplished, for example, by a correspondingly arranged reduction in the propylene and oxygen supply according to the invention, with the simultaneous start of an adapted nitrogen supply.
  • nitrogen proportions of more than 20% up to 50% in the resulting atmosphere, it being important to ensure that no unacceptable decarburization of the workpieces occurs with this final phase atmosphere.
  • their C level - as well as the C level of the initial atmosphere - must be set appropriately.
  • an edge carbon content of approximately 0.9% is achieved in the present example case in particular in an approximately 90-minute treatment period (in the example case considered in more detail here with a relative low hardening depth of 0.5 mm and a relatively short treatment time, the maintenance of the pure propylene-oxygen atmosphere is basically justifiable over the entire treatment time without nitrogen dilution in the final phase).
  • the C level setting of the atmosphere according to the invention can be carried out in the usual way by an independent and controlled supply of an enrichment gas, e.g. of natural gas or acetylene, with the usual indicator of the C level being e.g. the dew point or the CO2 content of the atmosphere are applicable.
  • an enrichment gas e.g. of natural gas or acetylene
  • the usual indicator of the C level being e.g. the dew point or the CO2 content of the atmosphere are applicable.
  • Acetylene has the advantage that the CO to H2 ratio of the atmosphere is not “detuned". There is also the possibility of regulating the C level via the addition of propylene and / or oxygen via lines 4a and 4b with the setting members 12 and 14. If the addition ratio of propylene and oxygen differs from "one", the C level can be set via the O2 partial pressure of the atmosphere. The amount of the O2 excess determines the C level.
  • the excess propylene content does not contribute directly to the formation of CO-H2 carrier gas, but rather leads to an increase in the carbon level of the atmosphere which is formed.
  • the gas analyzer designated 11 in the figure, is used to regulate this process.
  • the O2 potential of the atmosphere that is to say all the O ions contained in the atmospheric constituents CO, CO2 and H2O, is determined and on this basis together with the processing unit 12 determines the appropriate amount of oxygen and adjusts this by means of the volume controller 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere Aufkohlung, metallischer Werkstücke in einem Ofen in einer Behandlungsatmosphäre unter hohen Temperaturen, bei dem die Atmosphäre durch Umsetzung von zumindest einer, Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Verbindung sowie eines weiteren, Sauerstoff enthaltenden Mediums (insbesondere reinem Sauerstoffgas) erzeugt wird, wobei die Umsetzung gegebenenfalls unterstützt durch eine Generator- oder Katalysatoreinrichtung beim oder im Ofen durchgeführt wird und wobei gegebenenfalls der Atmosphäre zusätzlich ein Anreicherungsmittel zugeführt wird und ist dadurch gekennzeichnet, daß als C- und H-haltige Verbindungen gasförmige Alkene eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere Aufkohlung, metallischer Werkstücke in einem Ofen in einer Behandlungsatmosphäre unter hohen Temperaturen, bei dem die Atmosphäre durch Umsetzung von zumindest einer, Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Verbindung sowie eines weiteren, elementaren Sauerstoff enthaltenden Mediums (z.B. Luft) erzeugt wird.
  • Bei einem bereits klassischen Standardverfahren, dem sogenannten Generator-Endogasverfahren, zum Aufkohlen, kohlungsneutralen und in bestimmten Fällen auch entkohlenden Wärmebehandeln von Gut wird das benötigte Behandlungsgas durch z.B. unterstöchiometrische Verbrennung von Erdgas, Methan oder Propan mit Luft bei Temperaturen von etwa 1000 °C mit großen Mengen an Hilfsenergie erzeugt. Bei anderen gängigen Verfahren wird ein identisches Behandlungsgas durch eine im Wärmebehandlungsofen angeordnete Katalysatorretorte und durch Zuleitung der gleichen Ausgangsstoffe hergestellt (siehe hierzu z.B. Fachartikel "Grundsätzliche Voraussetzungen für die Verringerung des Gasverbrauchs bei der geregelten Gasaufkohlung" aus HTM 35/ 1980 Nr.5, Seiten 230 bis 237, insbesondere Punkt 1.1 und z.B. DE 36 32 577). Bei höheren Verfahrenstemperaturen ist es auch bekannt, die besagten Medien direkt in den Ofen einzuleiten, wo sie wiederum in ein entsprechendes Behandlungsgas umgesetzt werden
    Wieder andere Verfahren gehen von abweichenden Ausgangsstoffen, nämlich insbesondere sauerstofftragenden Kohlenwasserstoffverbindungen wie beispielsweise Alkoholen, aus und kommen dann dadurch zu einer Wärmebehandlungsatmosphäre, daß diese sauerstofftragenden Verbindungen unmittelbar in aufgeheizte Wärmebehandlungöfen eingebracht werden und diese sich dort - aufgrund der herrschenden, hohen Temperaturen (T > 800°C) -in die gewünschten Behandlungsgase umsetzen. Häufig wird bei diesen Verfahren zusätzlich Stickstoff als Atmosphärenbestandteil vorgesehen, was zu zusätzlichen verfahrenstechnischen Vorteilen, wie der Möglichkeit der Verdüsung der häufig flüssigen, sauerstofftragenden Kohlenwasserstoffverbindungen führt und außerdem die generelle Verfügbarkeit eines inerten Zumisch- und Spülmediums mit sich bringt (siehe hierzu wiederum Fachartikel "Grundsätzliche Voraussetzungen für die Verringerung des Gasverbrauchs bei der geregelten Gasaufkohlung" aus HTM 35/ 1980 Nr.5, Seiten 230 bis 237, insbesondere Punkt 1.3 und 1.4).
  • Betrachtet man die oben beschriebenen Verfahrenskategorien, unter die weitgehend alle, in der Praxis verbreiteten Verfahren fallen und analysiert sie insbesondere hinsichtlich der jeweiligen Atmosphärenbildungsreaktion, also anhand der Gleichungen

            CH₄ + 0,5 O₂ + 2 N₂ ---> CO + 2 H₂ + 2 N₂ und



            CH₃OH + 2 N₂ ---> CO + 2 H₂ + 2 N₂,

    so ist festzustellen, daß diese Atmosphären ein CO-zu-H₂-Anteilsverhältnis von 1 zu 2 aufweisen. Hierbei sei darauf hingewiesen, daß für Aufkohlungsprozesse insbesondere Atmosphären mit einem CO-zu-H₂-Verhältnis von etwa 1 zu 1 besonders vorteilhaft sind (siehe nochmals obiges Zitat, Seite 231), denn diese Atmosphären weisen eine extremal hohe Kohlenstoffübergangszahl auf. Atmosphären mit dem genannten CO-zu-H₂-Verhältnis auf einfache und für die Praxis geeignete Weise und auf der Basis günstig verfügbarer Ausgangsstoffe auszubilden ist jedoch eine bislang nicht befriedigend gelöste Aufgabe (siehe z.B. DE 41 10 361 A1).
  • Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der Kosten annehmbare und einfach realisierbare Möglichkeit anzugeben, mit der ein Behandlungsgas mit einem CO-zu-H₂-Verhätnis von annähernd 1 zu 1 hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Ausgangsstoff für die Atmosphärenbildung gasförmige Alkene (d.h. Kohlenwasserstoffgase mit einer Doppelbindung) eingesetzt werden und diese mit entsprechenden, sauerstoffenthaltenden Medien gemäß

            CnH2n + n O --> n CO + n H₂ (n = 2,3,4)

    zu einer wie beschrieben vorteilhaften Atmosphäre umgesetzt (CO : H₂ = 1:1) werden. Diese Atmosphäre kann optionsweise durch ein Inertgas - in aller Regel Stickstoff - verdünnt werden, wobei dies insbesondere bei Aufkohlungen im anfänglichen Behandlungsteil bevorzugt nicht oder nur in geringem Umfang geschieht. Als sauerstoffenthaltendes Medium kommt bevorzugt reiner Sauerstoff zum Einsatz, jedoch kommen auch sauerstoffhaltige Gase, insbesondere Luft oder O₂-angereicherte Luft, oder auch sauerstoffhaltige, gasförmige Verbindungen in Frage. Erfindungsgemäß ist dabei vor allem an Kohlengase (CO₂,CO), Stickstoffdioxid (NO₂) oder Distickstoffoxid (N₂O) gedacht. Propylen oder Ethylen sind die erfindungswesentlichsten Alkene.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Figur näher erläutert:
    Die Figur zeigt einen Kammerofen 1 in dem sich eine aufzukohlende Charge 2 aus Stahlteilen befindet. Im Kammerofen 1 ist ferner ein im wesentlichen aus zwei konzentrischen Rohren bestehender Doppelmantelkonverter K angeordnet, der in seinen äußeren Abmessungen einem üblichen Heizstrahlrohr entspricht. Der Konverter K ist mit seiner innenliegenden Röhre 3 an Zuleitungen 4 und 5 angeschlossen, die der Zufuhr der Ausgangsmedien zur Atmosphärenbildung dienen, wobei die im wesentlichen in der Innenröhre gebildete Atmosphäre schließlich über einen Stutzen 7 in den Ofeninnenraum einfließt. Der zwischen Außen- und Innenrohr des Konverters K bestehende Freiraum 6 ist mit einer Zuleitung 8 verbunden, mit der gegebenenfalls ein Heizmedium zur Beheizung der Innenrohrs 3 zugeführt werden kann. Des weiteren ist der Ofen mit - allerdings nicht dargestellten - Strahlrohren für seine Beheizung ausgestattet sowie mit einem Ventilator 10, der zur Umwälzung des Behandlungsgases dient. Ferner steht mit dem Ofeninnenraum ein Gasanalysator 11, hier insbesondere eine sogenannte C-Strom-Sonde, in Verbindung, die über die zugehörige Signalverarbeitungseinheit 12 die Sauerstoffzufuhrmenge über ein in der Sauerstoffzuleitung 4b angeordnetes Einstellglied 14 regelt. Ebenso ist in der Zuleitung 4a, die der Propylenzufuhr zur Leitung 4 dient, eine Mengenregeleinheit 13 angeordnet. Deren Einstellung bleibt jedoch im laufenden Prozeß weitgehend konstant.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr in dem beschriebenen Kammerofen eine Wärmebehandlung wie folgt durchgeführt: Werkstücke aus 16Mn5Cr-Stahl mit einem Gehalt an Kohlenstoff von etwa 0,16 Gew.% sollen auf einen Randkohlenstoffgehalt von etwa 0,9 % C aufgekohlt werden, wobei eine Einhärtetiefe von 0,5 mm (C-Gehalt dort = 0,35%) erreicht werden soll. Dazu wird die Werkstückcharge 2 - wie in der Figur gezeigt - im Kammerofen 1 plaziert und die Aufheizung der Charge unter über die Zuleitung 5 und den Konverter K ausgeführter Stickstoffzufuhr zum Ofen begonnen. Bei Erreichen einer Temperatur von etwa 500 °C - die Endtemperatur für die letzlich zu bewerkstelligende Aufkohlungsbehandlung liegt bei ca. 900 bis 950 °C - wird die Stickstoffzufuhr beendet und mit der Zufuhr eines stöchiometrisch abgestimmten Propylen-Oxygen-Gemisches zum Doppelmantelkonverter K über die Zuleitung 4 begonnen und damit die Bildung einer Behandlungsgasatmosphäre gemäß

            C₃H₆ + 3/2 O₂ ---> 3 CO + 3 H₂

    eingeleitet. Die Starttemperatur für diese Reaktion liegt bei etwa 450 °C, so daß die Reaktion oberhalb 500°C und insbesondere bei üblichen Aufkohlungstemperaturen problemlos abläuft. Die Konverterheizung erfolgt vom Ofeninnenraum her und wird dadurch unterstützt, daß von den Heizstrahlrohren stammende, heiße Verbrennungsabgase über Leitung 8 in den Freiraum 6 zwischen Innen- und Außenrohr des Konverters eingeleitet werden. Die im Konverter K und dessen Innenrohr 3 ablaufende Umsetzung liefert gemäß der gezeigten Reaktionsgleichung ein etwa zu 50 % aus CO und zu 50 % H₂ bestehendes Behandlungsgas, also ein Behandlungsgas, dessen CO-zu-H₂-Verhältnis exakt bei "1" liegt.
  • Dies ist - wie eingangs besprochen - das für eine Aukohlung optimale CO-zu-H₂-Verhältnis, weil damit die größtmögliche Kohlenstoffübergangszahl β von etwa 310 * 10 ⁻⁷ cm/s vorhanden ist (vgl. eingangs angesprochener Artikel, Seite 231).
  • Diese Kohlenstoffübergangszahl β einer Atmosphäre ist für einen Aufkohlungsprozeß und vor allem dessen Inititalisierungsphase von großer Bedeutung, da in dieser anfänglichen Phase die jeweiligen Werkstücke noch relativ niedrige C-Anteile in den Oberflächenschichten aufweisen und daher die C-Aufnahme dieser Werkstücke in dieser Phase sehr wesentlich von der C-Anlieferung abhängt, für die wiederum die besagte C-Übergangszahl ein Maß ist. In zeitlich später liegenden Abschnitten einer Aufkohlung - im Regelfall spätestens nach Ablauf von ca. 70 % der Behandlungsdauer - tritt die Bedeutung dieser C-Anlieferung allerdings zunehmend in den Hintergrund, da dann die Randschichten der aufzukohlenden Werkstücke einen abgesättigten Kohlenstoffgehalt erreicht haben und die Aufkohlungsgeschwindigkeit dann im wesentlichen von der Abdiffusion des Kohlenstoffs von der Oberfläche ins Werkstückinnere dominiert wird. Daher ist in späteren Phasen einer Aufkohlung die C-Übergangszahl β einer Atmophäre für die Aufkohlungsgeschwindigkeit nicht mehr von so durchgreifender Bedeutung, und es kann, wie auch erfindungsgemäß teilweise vorgesehen, dann auf eine Atmosphäre mit niedigerer β-Zahl umgestellt werden. Dies wird beispielsweise durch eine zeitlich entsprechend angeordnete Absenkung der erfindungsgemäßen Propylen- und Sauerstoff-Zufuhr unter gleichzeitigem Beginn einer angepaßten Stickstoffzuleitung bewerkstelligt. Dabei ist es günstig, Stickstoffanteile von mehr als 20 % bis hin zu 50 % in der resultierenden Atmosphäre vorzusehen, wobei darauf zu achten ist, daß mit dieser Endphasenatmosphäre keine unzulässige Entkohlung der Werkstücke eintritt. Dazu ist deren C-Pegel - wie auch der C-Pegel der Initialatmosphäre - geeignet einzustellen. Mit einer durchgängig auf einen C-Pegel von etwa 1,0 % eingestellten Atmosphäre gemäß der Erfindung wird insbesondere im vorliegenden Beispielfall in einer etwa 90-minütigen Behandlungsdauer ein Randkohlenstoffgehalt von etwa 0,9 % erzielt (bei dem hier näher betrachteten Beispielfall mit einer relativ geringen Einhärtetiefe von 0,5 mm und relativ kurzer Behandlungsdauer ist grundsätzlich auch die Aufrechterhaltung der reinen Propylen-Oxygen-Atmosphäre über die gesamte Behandlungsdauer ohne Stickstoffverdünnung in der Endphase vertretbar).
  • Zum Vergleich: In einer Aufkohlung mit einer aus Erdgas erzeugten Endogas-Atmosphäre (Zusammensetzung: etwa 20% CO, 40% H₂, 40% N₂) war für ein entsprechendes Aufkohlungsergebnis nach Erfahrungen der Anmelderin eine Behandlungszeit von etwa 110 Minuten erforderlich.
  • Im übrigen kann die C-Pegeleinstellung der erfindungsgemäßen Atmosphäre in üblicher Weise durch eine eigenständige und geregelte Zufuhr eines Anreicherungsgases, z.B. von Erdgas oder auch Acetylen erfolgen, wobei als indizierende Größe für den C-Pegel wie üblich z.B. der Taupunkt oder der CO₂-Gehalt der Atmophäre anwendbar sind.
  • Acetylen hat hierbei den Vorteil, daß das CO-zu-H₂-Verhältnis der Atmosphäre nicht "verstimmt" wird. Ferner besteht die Möglichkeit, den C-Pegel über die Propylen- und/oder Sauerstoffzugabe über die Leitungen 4a und 4b mit den Einstellgliedern 12 und 14 zu regeln. Bei einem von "eins" abweichenden Zugabeverhältnis von Propylen und Sauerstoff kann über den O₂-Partialdruck der Atmosphäre der C-Pegel eingestellt werden. Die Höhe des O₂-Überschusses bestimmt hierbei den C-Pegel.
  • Wird nämlich eine vom stöchiometrischen Verhältnis abweichende und einen Propylenüberschuß aufweisende Mischung aus Propylen und Sauerstoff in den Konverter 3 eingeleitet, so trägt der überschüssige Propylenanteil nicht unmittelbar zur Bildung von CO-H₂-Trägergas bei, sondern führt zu einer Erhöhung des Kohlenstoffpegels der entstehenden Atmosphäre. Zur Regelung dieses Vorgangs dient der in der Figur mit 11 bezeichnete Gasanalysator, der z.B. das O₂-Potential der Atmosphäre, also alle in den Atmosphärenbestandteilen CO, CO₂ und H₂O enthaltenen O-Ionen, feststellt und auf dieser Basis zusammen mit der Verarbeitungseinheit 12 die jeweils passende Sauerstoffmenge ermittelt und diese mittels des Mengenreglers 14 einstellt.
  • Abschließend soll eine Erfindungsvariante auf der Basis von NO näher beschrieben werden: Die atmosphärenbildende Reaktion ist hierbei mit

            C₂H₄ + 2 NO ---> 2 CO + 2 H₂ + N₂

    gegeben. Es wird also wiederum eine Behandlungsatmosphäre erhalten, die ein vorteilhaftes CO-zu-H₂-Verhältnis von ca. 1 : 1 aufweist. Mit dieser Atmosphäre sind unter geeigneter Anreicherung beliebige Aufkohlungen nach obigem Muster durchführbar.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mit den hier beschriebenen Verfahren neuartige und effektive Aufkohlungen gegeben sind, die auf der Basis bislang nicht angewandter Ausgangsstoffe - Ethylen, Propylen, Butylen arbeiten. Diese Verfahren sind nicht auf den oben beschriebenen, diskontinuierlichen Kammerofen beschränkt, sondern können auch bei anderen Öfen, beipielsweise auch bei Durchlauf- und Durchstoßöfen, zum Einsatz kommen.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere Aufkohlung, metallischer Werkstücke in einem Ofen in einer Behandlungsatmosphäre unter hohen Temperaturen, bei dem die Atmosphäre durch Umsetzung von einer zumindest Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Verbindung mit einem Sauerstoff enthaltenden Medium (z.B. Luft) erzeugt wird,
       wobei die Umsetzung gegebenenfalls, unterstützt durch eine Generator- oder Katalysatoreinrichtung, beim oder im Ofen durchgeführt wird
       und wobei gegebenenfalls der Atmosphäre zusätzlich ein Anreicherungsmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
       daß als kohlenstoff- und wasserstoffhaltige Verbindungen gasförmige Alkene eingesetzt werden
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffenthaltendes Medium ein sauerstoffhaltiges Gas oder eine sauerstoffhaltige, gasförmige Verbindung zugeführt wird, wobei diese Sauerstoffmedien mit den Alkenen gemäß

            CnH2n + n O --> n CO + n H₂ (n = 2,3,4)

    zur Reaktion gebracht werden und so die Basis der Behandlungs-Atmosphäre gebildet wird, wobei diese optionsweise mit einem Inertgas, insbesondere Stickstoff, verdünnt werden kann.
  3. Verfahren nach den Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als sauerstoffenthaltendes Medium reines Sauerstoffgas eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als C- und H-haltige Verbindung Propylen oder Ethylen eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Aufkohlungsbehandlung nach Ablauf einer anfänglichen, ca. 10 bis 70 % der Gesamtbehandlungsdauer umfassenden Zeitperiode mit hohem CO- und H2-Gehalt eine mit Inertgas verdünnte bzw.- falls bereits verdünnt - weiter verdünnte Atmosphäre ausgebildet und mit dieser die Aufkohlungsbehandlung vervollständigt wird.
EP95112146A 1994-08-03 1995-08-02 Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere Aufkohlung, metallischer Werkstücke Withdrawn EP0695807A1 (de)

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