EP0779376A1 - Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen, wobei die Ofenatmosphäre einen Kohlenstoff-Träger enthält, der unter den Prozeßbedingungen der Plasmaaufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird. Um bei einem solchen Plasmaaufkohlungsverfahren die Kohlenstoff-Massenstromdichte ohne die Gefahr der Ofenverrußung deutlich zu erhöhen, wird vorgeschlagen, daß als Kohlenstoff-Träger ein Gemisch aus Methan und Propan verwendet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen, wobei die Ofenatmosphäre einen Kohlenstoff-Träger enthält, der unter den Prozeßbedingungen der Plasmaaufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird.
• Unter den thermochemischen Behandlungsverfahren zur Einsatzhärtung metallischer Werkstücke haben sich in den letzten Jahren neben der konventionellen Gasaufkohlung immer mehr die Aufkohlungsprozesse in Vakuumanlagen durchgesetzt, da nur mit diesen Verfahren eine randoxidationsfreie Aufkohlung realisierbar ist. Bei diesen Aufkohlungsprozessen in Vakuumanlagen handelt es sich um die Niederdruck- und die Plasmaaufkohlung. Da bei diesen Aufkohlungsverfahren ohne sauerstoffhaltige Reaktionsgase gearbeitet wird, kann keine C-Pegelregelung erfolgen; die entscheidende Kenngröße für den Kohlenstoffübergang ist bei diesen Verfahren die Kohlenstoff-Massenstromdichte, die als Kohlenstoffmenge definiert ist, die pro Zeit- und Flächeneinheit in den Werkstoff übergeht. Dieser zur Aufkohlung benötigte Kohlenstoff wird von einem in der Ofenatmosphäre befindlichen Kohlenstoff-Träger - meist einem Kohlenwasserstoff - zur Verfügung gestellt, der bei den gegebenen Prozeßbedingungen unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird.
• Bei den bekannten Niederdruck-Aufkohlungsverfahren wird als Kohlenstoff-Träger in der Regel Propan (C₃H₈) verwendet, welches im Laufe der sogenannten Propanpyrolyse nach folgenden Reaktionsgleichungen gespalten wird: $${\text{C}}_{\text{3}}{\text{H}}_{\text{8}}{\text{→ CH}}_{\text{4}}{\text{+ C}}_{\text{2}}{\text{H}}_{\text{4}}$$

  

  $${\text{C}}_{\text{2}}{\text{H}}_{\text{4}}{\text{→ 2C + 2H}}_{\text{2}}$$

  

  $${\text{CH}}_{\text{4}}{\text{→ C + 2H}}_{\text{2}}$$

  
• Bei der Plasmaaufkohlung wird als Kohlenstoff-Träger meist Methan (CH₄) verwendet, welches im Wege der Methanpyrolyse nach der Gleichung $${\text{CH}}_{\text{4}}{\text{→ C + 2H}}_{\text{2}}$$

  

  gespalten wird. Bei der Plasmaaufkohlung ist es jedoch auch möglich, anstelle von Methan Propan zu verwenden.
• Die Verwendung von Methan oder Propan als Kohlenstoff-Träger ist jeweils mit verschiedenen Vor- und Nachteilen verbunden. So ist beispielsweise Propan aufgrund seiner größeren Anzahl von Kohlenstoffatomen - 3 C-Atome beim Propan gegenüber 1 C-Atom beim Methan - ein wirksamerer Kohlenstoff-Träger als Methan. Andererseits weist Propan jedoch den Nachteil auf, daß Propan bereits im Temperaturbereich über 600°C thermisch gespalten wird, wodurch bereits im Ofen eine Aufkohlung stattfindet, die zum Verrußen des Ofens führt. Methan hingegen weist zwar nur ein C-Atom auf, jedoch ist das Methan-Molekül so stabil, daß es nicht bereits bei der notwendigen Aufkohlungstemperatur gespalten wird. Die Spaltung erfolgt vielmehr erst im Plasma und somit wirklich nur an der Werkstückoberfläche. Da die Kohlenstoff-Massenstromdichte bei der Spaltung von Methan nur sehr gering ist, lassen sich großflächige Chargen nur sehr schwer gleichmäßig mit Methan aufkohlen.
• In Anbetracht des voranstehend geschilderten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke bereitzustellen, das eine Aufkohlung mit einer hohen Kohlenstoff-Massenstromdichte gewährleistet, ohne daß gleichzeitig die Gefahr der Verrußung des Ofens besteht.
• Überraschenderweise hat sich im Laufe der Versuche herausgestellt, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst wird, daß als Kohlenstoff-Träger ein Gemisch aus Methan und Propan verwendet wird.
• Das Erreichen der hohen Kohlenstoff-Massenstromdichte einerseits und das Vermeiden der Verrußung des Ofens andererseits kommt dabei dadurch zustande, daß Propan aufgrund seiner drei C-Atome bei der thermischen und elektrischen Spaltung im Plasma viel mehr Kohlenstoff zur Verfügung stellen kann als Methan. Das Methan auf der anderen Seite spaltet sich bei den Aufkohlungstemperaturen zwischen 800°C und 1000°C fast gar nicht. Die Spaltung des Methans findet erst im Plasma, also wirklich nur an der Werkstückoberfläche statt, so daß diese frei werdenden Kohlenstoff-Atome nur zum Aufkohlen der Werkstücke, nicht jedoch zur Verrußung des Ofens beitragen können.
• Bei den Versuchen hat sich herausgestellt, daß ein Methan-Propan-Gemisch mit bis zu 60 Vol.-% Propan, insbesondere einem Propan-Anteil von 5 bis 50 Vol.-% besonders geeignet ist, um ohne Rußbildung eine hohe Kohlenstoff-Massenstromdichte bzw. Kohlenstoff-Übertragungsrate zu erhalten.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Gasdruck in der Ofenatmosphäre unter 10 mbar, da in diesem Druckbereich eine thermische Spaltung des Methans nahezu unmöglich ist.
• Neben dem Methan-Propan-Gemisch kann die Ofenatmosphäre zusätzlich noch weitere Gase, insbesondere Wasserstoff und/oder Argon enthalten, welche als Inertgase zusätzlich die Oxidation der Werkstücke verhindern sollen.
• In der Zeichnung ist für den Werkstoff 27 CrMo 4 der Härteverlauf nach dem Plasmaaufkohlungsverfahren mit einem Methan-Propan-Gemisch als Kohlenstoff-Träger dargestellt.
• Die Prozeßparameter für den in der Abbildung dargestellten Plasmaaufkohlungsprozeß waren:
• zehnminütiges Aufkohlen bei einer Aufkohlungstemperatur von 940°C.
• Die anschließende Diffusionsphase betrug 51 Minuten,
• woran anschließend nach dem Absenken auf die Härtetemperatur von 860°C die Charge mittels Hochdruckgasabschreckung abgeschreckt wurde.
• Als Ergebnis dieses Prozesses wurde eine Einsatzhärtungstiefe (550 HV 1) von 0,7 mm auf der Zahnflanke erzielt.
• Mit dem voranstehend dargestellten Verfahren ist es somit möglich, durch die Verwendung des Methan-Propan-Gemisches als Kohlenstoff-Träger die Kohlenstoff-Massenstromdichte bei der Plasmaaufkohlung deutlich zu erhöhen, ohne daß die Gefahr der Verrußung des Ofens besteht.

Claims (6)

1. Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen, wobei die Ofenatmosphäre einen Kohlenstoff-Träger enthält, der unter den Prozeßbedingungen der Plasmaaufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß als Kohlenstoff-Träger ein Gemisch aus Methan und Propan verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Methan-Propan-Gemisch bis zu 60 Vol.-% Propan enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Propan-Anteil in dem Methan-Propan-Gemisch 5 bis 50 Vol.-% beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck der Ofenatmosphäre unter 10 mbar beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ofenatmosphäre neben dem Kohlenstoff-Träger noch andere Gase enthalten sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenatmosphäre zusätzlich noch Wasserstoff und/oder Argon enthält.

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