EP1050592A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke - Google Patents

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EP1050592A1
EP1050592A1 EP00109379A EP00109379A EP1050592A1 EP 1050592 A1 EP1050592 A1 EP 1050592A1 EP 00109379 A EP00109379 A EP 00109379A EP 00109379 A EP00109379 A EP 00109379A EP 1050592 A1 EP1050592 A1 EP 1050592A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
quenching
hydrogen
gas
helium
heat treatment
Prior art date
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Ceased
Application number
EP00109379A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ernst Dr.-Ing. Habil. Dipl.-Ing. Wandke
Paul Dipl.-Ing. Heilmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde Gas AG
Linde Technische Gase GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde Gas AG, Linde Technische Gase GmbH filed Critical Linde Gas AG
Publication of EP1050592A1 publication Critical patent/EP1050592A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material
    • 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 the heat treatment of metallic workpieces by heating up the workpieces and then quenching, the Quenching is performed with a cooling gas.
  • a generic method for the heat treatment of metallic workpieces is known from DE-PS 37 36 501. This is done in the furnace where the heat treatment takes place during quenching with helium, hydrogen or a Mixture of helium and hydrogen as cooling gas a cooling gas pressure p between 1 and 4 MPa set.
  • the cooling gas velocity v is set so that the product of the cooling gas pressure p and the cooling gas speed v between 10 and 250 MPa m / sec.
  • the heat treatment in a heat treatment furnace for example in a vacuum furnace, downstream quenching can either be in the furnace itself or a gas-tight chamber.
  • EP-A 0 869 189 describes a method for quenching metallic workpieces after a heat treatment, in which a cooling gas pressure p in the furnace or Quench chamber greater than 4 MPa (40 bar), preferably greater than 4 MPa and up to 5.5 MPa. This method also comes as cooling gas the gases or gas mixtures listed, and nitrogen or nitrogen-containing ones Mixtures for use.
  • the object of the present invention is a method for heat treatment specify metallic workpieces, especially with regard to the quenching process is optimized and by means of which the quality of the heat-treated metallic workpieces can be increased.
  • this is achieved by using CO, CO 2 , O 2 , H 2 S, H 2 O vapor, H 3 N, NO 3 , methanol, a saturated and / or unsaturated hydrocarbon as the cooling gas.
  • the method according to the invention is proposed that the Cooling gas nitrogen, helium, hydrogen or a mixture of helium and hydrogen is added.
  • the cold chamber coupled to a carburizing furnace particularly advantageous with a gas mixture consisting of half each Hydrogen and carbon monoxide.
  • a gas mixture consisting of half each Hydrogen and carbon monoxide.
  • excellent quenching behavior is not only achieved, it also arises during quenching itself a reducing effect on the quenched Workpiece.
  • This has not only improvements in terms of purity and Functionality of the workpiece surface, but also offers the advantage that the gas or gas mixture used for quenching without aftertreatment can be fed directly to a furnace as carbonization gas.
  • the H 2 / CO gas mixture mentioned is to be regarded as advantageous not only with regard to the quenching process but also with regard to the carburizing process, since this gas mixture represents an optimal atmosphere for carburizing case-hardening steels.
  • thermochemical treatment required reactive gas component in a concentration up to 50 vol .-%, preferably up to 15 vol .-% is added.
  • Carbon dioxide / helium cooling gas mixture has a reducing effect and through that Add 10 vol.% Carbon dioxide to nitrogen or 4 vol.% Oxygen to Hydrogen has an oxidizing effect.
  • the quenching process can be optimized and the quality of the heat treated metallic workpieces can be improved.
  • the required plant engineering Effort compared to the prior art processes not significantly enlarged.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken, wobei das Abschrecken mit einem Kühlgas durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird als Kühlgas CO, CO2, O2, H2S, H2O-Dampf, H3N, NO3, Methanol, ein gesättigter und/oder ungesättigter Kohlenwasserstoff verwendet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann dem Kühlgas Stickstoff, Helium, Wasserstoff oder ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff zugesetzt werden. Hierbei wird der für die thermochemische Behandlung erforderliche reaktive Gasbestandteil in einer Konzentration bis zu 50 Vol.-%, vorzugsweise bis zu 15 Vol.-%, zugesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken, wobei das Abschrecken mit einem Kühlgas durchgeführt wird.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke ist aus der DE-PS 37 36 501 bekannt. Bei diesem wird in dem Ofen, in dem die Wärmebehandlung erfolgt, während des Abschreckens mit Helium, Wasserstoff oder einem Gemisch aus Helium und Wasserstoff als Kühlgas ein Kühlgasdruck p zwischen 1 und 4 MPa eingestellt. Zudem wird die Kühlgasgeschwindigkeit v so eingestellt, daß das Produkt aus Kühlgasdruck p und Kühlgasgeschwindigkeit v zwischen 10 und 250 MPa m/sec liegt.
Die der Wärmebehandlung in einem Wärmebehandlungsofen, beispielsweise in einem Vakuumofen, nachgeschaltete Abschreckung kann entweder im Ofen selbst oder einer gasdichten Kammer durchgeführt werden.
Aus der EP-A 0 869 189 ist ein Verfahren zur Abschreckung metallischer Werkstücke nach einer Wärmebehandlung bekannt, bei dem ein Kühlgasdruck p im Ofen oder der Abschreckkammer von mehr als 4 MPa (40 bar), vorzugsweise von mehr als 4 MPa und bis zu 5,5 MPa, eingestellt wird. Als Kühlgas kommen auch bei diesem Verfahren die angeführten Gase bzw. Gasgemische sowie Stickstoff oder Stickstoff-enthaltende Gemische zum Einsatz.
Neben den erwähnten Abschreckverfahren sind seit längerem Abschreckprozesse bekannt, bei denen das Behandlungsgut in einem Salz- oder Ölbad abgeschreckt wird. Diese Prozesse sind jedoch insbesondere aus Umweltschutzgründen als nachteilig anzusehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke anzugeben, das insbesondere hinsichtlich des Abschreckprozesses optimiert ist und mittels dessen die Qualität der wärmebehandelten metallischen Werkstücke erhöht werden kann.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß als Kühlgas CO, CO2, O2, H2S, H2O-Dampf, H3N, NO3, Methanol, ein gesättigter und/oder ungesättigter Kohlenwasserstoff verwendet wird.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß mit den genannten Gasen bzw. Gasgemischen der Abschreckprozeß positiv beeinflußt wird. Derartige Gase bzw. Gasgemische wirken im wesentlichen in zwei Richtungen. Zum einen wird die Abschreckwirkung nach einem ähnlichen Mechanismus, wie er von der Zugabe von Inertgasen bekannt ist, verbessert; zum anderen bewirken die genannten Gase bzw. Gasgemische eine Verstärkung bzw. Unterstützung der beabsichtigten chemischen Wirkung, die beispielsweise oxidierend, reduzierend, nitrierend, etc. sein kann. Des weiteren können schädigende Einflüsse auf während der Wärmebehandlung oder zuvor auf die abzuschreckenden Werkstücke aufgebrachte Schichten, Diffusionszonen, etc. verhindert, zumindest jedoch verringert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, daß dem Kühlgas Stickstoff, Helium, Wasserstoff oder ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff zugesetzt wird.
Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren dann besonders vorteilhaft anwendbar ist, wenn der Abschreckprozeß bzw. die dafür erforderliche Vorrichtung in den sog. Gasbereich der Wärmebehandlungsanlage integriert werden kann. In diesen Fällen muß zu der Luft bzw. Umgebungsatmosphäre keine zusätzlich aufwendige Abschottung erfolgen.
Weiterhin läßt sich beispielsweise die an einen Aufkohlungsofen gekoppelte Kaltkammer besonders vorteilhaft mit einem Gasgemisch, bestehend jeweils zur Hälfte aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, betreiben. Bei Verwendung dieses Gasgemisches wird nicht nur ein ausgezeichnetes Abschreckverhalten erzielt, es stellt sich auch während des Abschreckens selbst eine reduzierende Wirkung auf das abzuschreckende Werkstück ein. Dies hat nicht nur Verbesserungen bzgl. der Reinheit sowie der Funktionalität der Werkstückoberfläche zur Folge, sondern bietet zudem den Vorteil, daß das zur Abschreckung verwendete Gas bzw. Gasgemisch ohne Nachbehandlung unmittelbar als Kohlungsgas einem Ofen zugeführt werden kann.
Im Zusammenhang mit diesem Beispiel ist anzumerken, daß das erwähnte H2/CO-Gasgemisch nicht nur im Hinblick auf den Abschreckprozeß, sondern auch im Hinblick auf den Aufkohlungsprozeß als vorteilhaft anzusehen ist, da diese Gasmischung eine optimale Atmosphäre zum Aufkohlen von Einsatzstählen darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke weiterbildend wird vorgeschlagen, daß der für die thermochemische Behandlung erforderliche reaktive Gasbestandteil in einer Konzentration bis zu 50 Vol.-%, vorzugsweise bis zu 15 Vol.-%, zugesetzt wird.
Abhängig von den jeweiligen Kombinationen aus reaktivem Gas und Kühlgas(gemisch) können oftmals bereits durch die Zugabe geringer Mengen an reaktivem Gas - gemeint sind hier Mengen im Bereich von Bruchteilen von Prozenten bis zu wenigen Prozenten - die geschilderten Vorteile erreicht werden.
Beispielsweise wird durch die Zugabe von 0,5 bis 5 Vol.-% Kohlenmonoxid zu einem Kohlendioxid/Helium-Kühlgasgemisch eine reduzierende Wirkung und durch die Zugabe von 10 Vol.-% Kohlendioxid zu Stickstoff oder von 4 Vol.-% Sauerstoff zu Wasserstoff eine oxidierende Wirkung erzielt.
Es ist zudem denkbar, daß die gewünschte Wirkung der Zugabe von reaktivem Gas erst während des Abschreckprozesses zum Tragen kommt. Dies wird z. B. durch die Zugabe von 5 Vol.-% Methan erreicht. Das Methan zersetzt sich bei Härtetemperaturen von ca. 1100°C beim Auftreffen auf die Oberfläche des abzuschreckenden Werkstückes zu Kohlenstoff und Wasserstoffatomen und entfaltet erst dann seine reduzierende Wirkung.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke kann der Abschreckprozeß optimiert und die Qualität der wärmebehandelten metallischen Werkstücke verbessert werden. Hierbei wird der erforderliche anlagentechnische Aufwand gegenüber den zum Stand der Technik zählenden Verfahren nicht wesentlich vergrößert.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken, wobei das Abschrecken mit einem Kühlgas durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas CO, CO2, O2, H2S, H2O-Dampf, H3N, NO3, Methanol, ein gesättigter und/oder ungesättigter Kohlenwasserstoff verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlgas Stickstoff, Helium, Wasserstoff oder ein Gemisch aus Helium und Wasserstoff zugesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der für die thermochemische Behandlung erforderliche reaktive Gasbestandteil in einer Konzentration bis zu 50 Vol.-%, vorzugsweise bis zu 15 Vol.-%, zugesetzt wird.
EP00109379A 1999-05-03 2000-05-02 Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke Ceased EP1050592A1 (de)

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