Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Niederdruck-Carbonitrierung
von Stahlteilen, bei dem die Teile in einem Temperaturbereich
von etwa 780 °C bis 1050 °C mit einem Kohlenstoffspendergas
bei einem Druck unterhalb von 500 mbar aufgekohlt
werden und anschließend mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt
werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Behandlung
von Stahlteilen, mit der ein solches Verfahren durchgeführt
werden kann, mit mindestens einer Behandlungskammer, die mit
einer Vakuumpumpe koppelbar ist und mindestens einen Einlaß für
ein Kohlenstoffspendergas und für ein Stickstoffspendergas aufweist,
mit einer Heizeinrichtung zur Beheizung der mindestens
einen Behandlungskammer, und mit einer Steuerung zur Steuerung
der Temperatur und der Atmosphäre innerhalb der mindestens einen
Behandlungskammer.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind
aus der DE 199 09 694 A1 bekannt.
Danach ist ein Verfahren zum Carbonitrieren bei Unterdruckprozessen
bekannt, wonach zunächst eine Unterdruckaufkohlung
durchgeführt wird und anschließend bei Verwendung von molekularem
Stickstoff als Spendergas oder von Ammoniak bei höherem
Druck von bis zu einigen bar eine Aufstickung durchgeführt
wird. Das bekannte Verfahren stellt demnach eine Kombination
eines Unterdruck-Aufkohlens mit einem anschließenden Aufsticken
bei Überdruck dar.
Wie das Verfahren jedoch im einzelnen ausgeführt werden soll,
um günstige Behandlungsergebnisse zu erzielen, bleibt völlig
offen.
Abgesehen von der' vorgenannten Veröffentlichung, die dem Fachmann
keinen Hinweis dafür liefert, wie denn ein solcher Carbonitrierprozeß
in der Praxis tatsächlich durchgeführt werden
kann, wird es in der Fachwelt bislang als nicht möglich angesehen,
ein Unterdruck-Carbonitrieren ohne eine Plasmaanregung
durchzuführen, womit ausreichende Stickstoffgehalte und Kohlenstoffgehalte
in der Randzone der behandelten Teile erzielt werden.
Begründet wird dies durch das sogenannte Sievertsche Gesetz,
das besagt, daß mit abnehmendem Stickstoffpartialdruck
der Atmosphäre die Stickstofflöslichkeit im Bauteil sinkt und
Stickstoff aus dem Bauteil herausdiffundiert.
Die aus der DE 199 09 694 A1 bekannte Lösung, die Aufstickung
im Überdruckbereich durchzuführen, erfordert eine aufwendige
Anlagentechnik einer als Druckbehälter ausgeführten Heizkammer
sowie einen erheblichen Gasverbrauch, der zum Befüllen derselben
erforderlich ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur thermochemischen Behandlung von Stahlteilen
anzugeben, durch die bei Unterdruck eine Aufkohlung und
eine Aufstickung auf die gewünschten Werte in der Randzone der
Teile auf möglichst einfache und kostengünstige Weise erzielbar
sind. Ferner soll bei einer anschließenden Härtung der Teile
eine ausreichende Einsatzhärtetiefe über einen gewünschten Bereich
erzielbar sein.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß zum Ende der Aufkohlungsphase
oder nach einer Abkühlung auf einen Temperaturbereich von etwa
780 °C bis 950 °C ein Stickstoffspendergas, das Ammoniak enthält,
ausgehend von einem Unterdruck bis zu einem Druck von weniger
als 1000 mbar, in die mindestens eine Behandlungskammer
eingelassen wird, um die Teile aufzusticken.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei Einlaß eines Stickstoffspendergases,
das zumindest Ammoniak enthält oder überwiegend
aus Ammoniak besteht, bei Unterdruck in die mindestens eine Behandlungskammer
und bei anschließendem Druckanstieg des Stickstoffspendergases
auf einen Partialdruck von weniger als
1000 mbar in einem Temperaturbereich von etwa 780 °C bis etwa
950 °C gute Behandlungsergebnisse erzielbar sind.
Hierbei erfolgt die Aufkohlung in vorteilhafter Weiterbildung
der Erfindung bei etwa 850 °C bis etwa 1000 °C, vorzugsweise
bei etwa 850 °C bis 950 °C, wobei vorzugsweise ein Druck von
weniger als 200 mbar, vorzugsweise von weniger als 50 mbar,
eingehalten wird.
Die Aufkohlungsphase kann hierbei in bevorzugter Weiterbildung
der Erfindung eine Mehrzahl von Begasungszyklen umfassen, während
derer Kohlenstoffspendergas in die mindestens eine Behandlungskammer
eingelassen wird, und wobei eine Mehrzahl von Diffusionszyklen
verwendet wird, während derer kein Kohlenstoffspendergas
zugeführt wird.
Hierbei wird vorzugsweise als Kohlenstoffspendergas Propan,
Acetylen oder Ethylen verwendet.
In weiter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die.
Temperatur vor oder während der Aufstickung auf etwa 780 °C bis
900 °C, vorzugsweise auf etwa 830 °C bis 870 °C, abgesenkt.
Zur Behandlung des Stahles Ck45 und des Stahles 16MnCr5 hat es
sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Aufkohlung in
einem Temperaturbereich von etwa 850 °C bis 950 °C mit einer
Mehrzahl von Begasungszyklen bei einem Teildruck von weniger
als 50 mbar und einer Gesamtdauer von etwa 10 bis 90 min, mit
anschließenden Diffusionszyklen bei Teildruck durchgeführt
wird, wobei sich an den letzten Begasungszyklus ein längerer
Diffusionszyklus von mindestens 5 min bei einem verringerten
Teildruck von weniger als 10 mbar anschließt.
Mit einer derartigen Verfahrensführung läßt sich für die beiden
zuvor genannten Stähle und für Stähle mit ähnlichen Eigenschaften
eine ausreichende Aufkohlung der Randzone gewährleisten.
Die Aufstickung wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich
von etwa 820 °C bis 950 °C durchgeführt. Je nach der Art des
verwendeten Ausgangsmaterials, insbesondere dessen Affinität zu
Stickstoff, die durch die Legierungselemente beeinflußt wird,
je nach erforderlicher Einsatzhärtetiefe und der verwendeten
Temperatur wird die Zeitdauer entsprechend angepaßt. Hierbei
ergeben sich meistens mit einer Behandlungsdauer von etwa 15
bis 60 min gute Ergebnisse.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird bereits während
des letzten Diffusionszyklus der Aufkohlungsphase mit einem
Einlaß des Stickstoffspendergases in die mindestens eine
Behandlungskammer begonnen, bevor mit der Abkühlung bis auf die
Temperatur der Aufstickungsphase begonnen wird.
Auf diese Weise kann eine besonders zeit- und damit kostensparende
Behandlung der Teile erzielt werden.
Vorzugsweise wird das Stickstoffspendergas während der Aufstickungsphase
beginnend von einem Teildruck von höchstens
500 mbar, vorzugsweise von höchstens 50 mbar, bis zum Erreichen
des Maximaldrucks von weniger als 1000 mbar ständig zugeführt.
Hierbei kann das Stickstoffspendergas über die gesamte Dauer
der Aufstickungsphase zugeführt werden oder aber der Druck nach
Erreichen des Maximaldrucks konstant gehalten werden.
Es hat sich gezeigt, daß sich besonders dann, wenn der Druck
des Stickstoffspendergases während der gesamten Dauer der Aufstickungsphase
durch ständigen Gaszutritt bei ansonsten geschlossener
Behandlungskammer ständig erhöht wird, bevorzugte
Stickstoffgehalte von ca. 0,2 - 0,4 Gew.-% in den Randzonen erzielen
lassen.
Gleichwohl ist eine sinnvolle Behandlung auch dann möglich,
wenn der Druck bei Erreichen des Maximaldrucks von weniger als
1000 mbar konstant gehalten wird. Dabei wird als Stickstoffspendergas
vorzugsweise ein Gas verwendet, das überwiegend Ammoniak
enthält. Dabei kann gegebenenfalls noch molekularer
Stickstoff mit einem geringen Teildruck enthalten sein.
Die Aufstickung kann vorteilhaft in derselben Behandlungskammer
wie die Aufkohlung durchgeführt werden.
Jedoch ist es bei größeren Anlagen auch möglich, verschiedene
Behandlungskammern für die Aufstickung und die Aufkohlung zu
verwenden.
Die Teile werden vorzugsweise nach Beendigung der Aufstickung
abgeschreckt, was bevorzugt bei Hochdruck durch Gasabschreckung
erfolgt.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn eine separate Abschreckkammer
verwendet wird. Dadurch ist es möglich, durch eine kalte
Abschreckkammer sehr hohe Abschreckraten zu erreichen, was für
niedrig legierte und unlegierte C-Stähle besonders günstig ist,
die für Carbontrierprozesse bevorzugt verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vor der Aufkohlung eine teilweise Aufstickung
(Voraufstickung) mit einem Stickstoffspendergas durchgeführt,
das Ammoniak enthält.
Dies kann beispielsweise während der ersten Haltephase im Temperaturbereich
von etwa 780 bis 1050 °C durchgeführt werden,
vorzugsweise bei einem Partialdruck von weniger als 1000 mbar,
etwa indem ausgehend von einem niedrigen Partialdruck wie etwa
50 mbar oder darunter über einen gewissen Zeitraum (z.B. 10 Minuten)
Stickstoffspendergas mit z.B. 3 m3/h zugeführt wird.
Es hat sich gezeigt, daß durch diese Voraufstickung in kurzer
Zeit eine deutliche Stickstoffanreicherung in der Randschicht
auftritt. Dieser Stickstoff diffundiert während der anschließenden
Aufkohlung teiweise in den Werkstoff, effundiert jedoch
auch teilweise aufgrund des niedrigen Prozeßdruckes
(Partialdruckes). Die im Werkstoff verbleibende Stickstoffkonzentration
reicht jedoch aus, um während der anschließenden
Aufkohlung die Kohlenstoffaufnahme zu verbessern und die Diffusionsgeschwindigkeit
zu erhöhen. Somit können in kürzeren Zeiten
größere Aufkohlungstiefen erzielt werden. Auf diese Weise
kann die Prozeßführung weiter verbessert verbessert werden.
Die Aufkohlung wird vorzugsweise so gesteuert, daß sich in den
oberflächennahen Schichten ein Kohlenstoffgehalt von etwa 0,5
bis 1,0 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 0,7 bis 0,9 Gew.-%, einstellt.
Auf diese Weise wird das Entstehen von Restaustenit bei Stickstoffeinlagerung
vermieden.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung bei
einer Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß die Steuerung dazu ausgebildet ist, zunächst für eine
Aufkohlung bei einer Temperatur von etwa 780 °C bis 1050 °C
Kohlenstoffspendergas bis zu einem Druck von weniger als
500 mbar in die mindestens eine Behandlungskammer einzulassen
und für eine anschließende Aufstickung bei einer Temperatur von
780 °C bis 950 °C Stickstoffspendergas, das Ammoniak enthält,
bis zu einem Partialdruck von weniger als 1000 mbar in die mindestens
eine Behandlungskammer einzulassen.
Diese Vorrichtung weist ferner vorzugsweise Mittel zur Hochdruckgasabschreckung
der Teile auf.
Eine derartige Vorrichtung ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet, wobei Temperatur und Atmosphäre
programmgesteuert vollautomatisch eingehalten werden können, um
so eine hohe Reproduzierbarkeit der Behandlung zu gewährleisten.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, daß ammoniakhaltiges Gas
nur bis zu einem Teildruck zugeführt wird, der unterhalb des
Atmosphärendruckes liegt.
Hierdurch werden die sonst notwendigen Sicherheitsmaßnahmen bei
Verwendung von Ammoniak erheblich vereinfacht, was zur kostengünstigen
Ausgestaltung der Vorrichtung und zu einer kostengünstigen
Verfahrensführung beiträgt. Auch wird der Verbrauch von
Prozeßgas auf ca. 5 - 30 % der bislang notwendigen Volumina gesenkt.
Eine aufwendige Ausführung der Heizkammer als Druckbehälter
wird ebenfalls vermieden.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den
Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Vorrichtung,
die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist;
- Fig. 2a), b)
- ein schematisiertes Temperaturprofil und Druckprofil
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung einer Mehrkammer-Behandlungsanlage
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
- Fig. 4a), b)
- ein schematisiertes Temperaturprofil und Druckprofil
bei einer leicht gegenüber Fig. 2a), b)
abgewandelten Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Niederdruck-Carbonitrier-Behandlung
von Stahlteilen 24 schematisch
dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die
Vorrichtung 10 umfaßt eine Behandlungskammer 12, die gasdicht
von einem Gehäuse 20 umschlossen ist und die allseits von einer
Kühlung (z.B. Wasserkühlung) umschlossen ist und an der Vorderseite
durch einen Deckel 68 gasdicht verschließbar ist. Innerhalb
der Behandlungskammer 12 ist eine Heizkammer 13 vorgesehen,
die an ihrer dem Deckel 68 zugewandten Vorderseite durch
eine Tür 70 verschließbar ist und deren Oberseite und Unterseite
durch verfahrbare Türen 64, 66 verschlossen ist.
In die Heizkammer 13 ist eine Teilehalterung 22 einfahrbar, in
der die Teile 24 aufgenommen werden können. In der Heizkammer
ist eine Mehrzahl von Heizelementen 26 vorgesehen. Seitlich neben
der Heizkammer 13 sind ein von einem Motor 72 angetriebener
Ventilator 30 sowie ein davor befindlicher Kühlwasser-Wärmeaustauscher
28 für eine Gasabschreckung unter Hochdruck
vorgesehen.
Die Vorrichtung 10 weist ferner eine Vakuumpumpe 14 auf, die
über ein Ventil 16 und eine Leitung 18 mit der Behandlungskammer
12 koppelbar ist, um diese zu evakuieren.
Ferner weist die Behandlungskammer 12 eine Reihe von Gaseinlässen
auf, um verschiedene Gase, insbesondere Stickstoff, Propan,
Acetylen oder Eythylen und Ammoniak, in geeigneter Weise zuführen
zu können. Hierzu ist ein unter Druck stehender Stickstofftank
48 über einen Druckminderer (nicht dargestellt) und ein
Ventil 46 mit einem Einlaß 44 verbunden, der in die Behandlungskammer
12 mündet.
Ferner ist ein unter Druck stehender Behälter 42 zur Aufnahme
von Propan wiederum über einen Druckminderer (nicht dargestellt)
und ein Ventil 40 mit einem Einlaß 34 verbunden, der in
die Behandlungskammer 12 mündet. Schließlich ist ein unter
Druck stehender Behälter 38 zur Aufnahme von Ammoniak wiederum
über einen Druckminderer (nicht dargestellt) und ein Ventil 36
mit einem Einlaß 32 verbunden, der in die Behandlungskammer 12
mündet.
Ferner weist die Vorrichtung 10 eine zentrale Steuerung 50,
vorzugsweise in Form einer programmierbaren Steuerung auf, die
über eine Reihe von Steuerleitungen 52, 54, 56, 58, 60, 62 mit
den betreffenden Ventilen 46, 40, 36 bzw. den damit gekoppelten
Druckminderern für die Behälter 48, 42, 38 sowie mit dem Ventil
16 und der Vakuumpumpe 14, sowie mit den Heizelementen 26 gekoppelt
ist, um die Temperatur, den Druck und die Gasatmosphärenzusammensetzung
innerhalb der Behandlungskammer 12 gezielt
beeinflussen zu können. Ferner ist die Steuerung mit einem Betätigungsmechanismus
67 für die obere und untere Tür 64, 66 der
Heizkammer 13 und dem Ventilator 30 über Leitungen 63, 60 gekoppelt,
um eine Hochdruckgasabschreckung durchführen zu können.
Zur Durchführung einer Gasabschreckung werden die oberen und
unteren Türen 64, 66 der Heizkammer 13 geöffnet, Kühlgas in die
Behandlungskammer 12 eingelassen und über den Wärmetauscher 28
mittels des Ventilators 30 umgewälzt.
Eine abgewandelte Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung
der Niederdruck-Carbonitrier-Behandlung ist in Fig. 3 äußerst
schematisch skizziert und insgesamt mit der Ziffer 100 bezeichnet.
Hierbei ist die Vorrichtung als Mehr-Kammeranlage ausgeführt,
bei der der Carbonitrierprozeß in einer Behandlungskammer
102 und die Abschreckung in einer davon getrennten Abschreckkammer
103 durchgeführt werden können.
Die Vorrichtung 100 ist wiederum von einem gasdichten Gehäuse
101 umschlossen, in dem die Behandlungskammer 102 zur Carbonitrier-Behandlung
von Teilen 24 über eine Tür 104 verschließbar
angeordnet ist. Davor ist eine Abschreckkammer 103 vorgesehen,
die über Türen 105, 106 verschließbar ist und die mit einer
Abschreckluftführung 107 mit Gebläse und Wärmetauscher zum
Abschrecken der Teile versehen ist.
Auf die Darstellung der zusätzlichen Teile wie Gasleitungen,
Steuerleitungen, Ventile, Steuerungen u. dgl. wurde bei Fig. 3
der Einfachheit halber verzichtet.
Für einen bestimmten Werkstoff, eine gegebene Geometrie der zu
behandelnden Teile 24 und für bestimmte Zielwerte betreffend
den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt in der Randzone sowie für
eine gewünschte Einsatzhärtetiefe erfolgt der gesamte Verfahrensablauf
vorzugsweise programmgesteuert, so daß der Ablauf
vollautomatisch erfolgen kann, sofern die Behandlungsparameter
für den jeweiligen Einsatzfall zuvor optimiert wurden.
Die Behandlungskammer 12 ist ausreichend druckfest ausgebildet,
um auch eine Hochdruckgasabschreckung bei einem Gasdruck von
15 bar oder mehr durchführen zu können.
Im folgenden wird der Behandlungsablauf, der typischerweise zur
Niederdruck-Carbonitrierung und anschließenden Gasabschreckhärtung
durchgeführt werden kann, näher anhand von Fig. 2a) und b)
erläutert.
Nach einer Entfettung der Teile, die durch einen Waschprozeß
oder lediglich auf thermische Weise erfolgen kann, folgt eine
Aufheizung der Teile auf eine Temperatur T1, bei der eine Aufkohlung
durchgeführt wird. Die Temperatur zur Aufkohlung kann
grundsätzlich in einem Bereich von 780 °C bis 1050 °C liegen,
vorzugsweise in einem Bereich von etwa 900 °C bis 1000 °C gearbeitet
wird, und wobei im dargestellten Fall eine Temperatur
von 930 °C gewählt wurde. Eine Aufheizung auf die Temperatur T1
kann beispielsweise innerhalb von 30 min erfolgen. Gleichzeitig
wird der Druck P vom Atmosphärendruck zunächst so weit wie möglich
erniedrigt, um Restsauerstoff zu entfernen und sodann auf
einen Druck P1, der unterhalb von 50 mbar liegt, vorzugsweise
bei etwa 1 oder 0,8 mbar, erhöht. Es wird sodann eine Haltestufe
bei konstantem Druck P1 und konstanter Temperatur T1 eingelegt,
die beispielsweise 1 bis 2 h, z.B. 1,5 h, dauern kann.
Während nun die Temperatur T1 weiter konstant gehalten wird,
erfolgt eine Aufkohlung mit einer Folge von Begasungszyklen,
während derer Kohlenstoffspendergas, z.B. Propan, in die Behandlungskammer
12 eingelassen wird. An jeden Begasungszyklus
schließt sich vorzugsweise eine kurze Diffusionszeit ohne Gaszufuhr
an, während sich an den letzten Begasungszyklus eine
längere Diffusionszeit ohne Gaszufuhr anschließt. Die Anzahl
der Begasungszyklen, die Dauer der jeweiligen Gaszufuhr und die
Gasflußrate hängen von der verwendeten Stahlsorte und der gewünschten
Kohlenstoffkonzentration ab, die in der Randzone angestrebt
wird.
Bei dem Stahl Ck45 oder 16MnCr5 können beispielsweise 4 Zyklen
à 3 min Gaseinlaß mit 600 l/h Propan mit 20 mbar durchgeführt
werden, die jeweils von einem Diffusionszyklus von 1 min gefolgt
sind, woran sich beispielsweise 6 Zyklen ä 3 min Gaseinlaß
mit 400 l/h Propan bei 20 mbar anschließen, die jeweils
von einem Diffusionszyklus von 1 min gefolgt sind, wobei sich
an den letzten Begasungszyklus ein längerer Diffusionszyklus
bei dem Teildruck P3, der etwa dem Teildruck P1 entsprechen
kann, und der z.B. 0,5 bis 2 h, beispielsweise 65 min, dauern
kann, anschließt.
Am Ende dieses Diffusionszyklus wird die Temperatur T1 auf eine
niedrigere Temperatur T2 abgesenkt, bei der die Aufstickung
durchgeführt wird. Die Aufstickung kann grundsätzlich in einem
Temperaturbereich von etwa 780 °C bis 950 °C unter Verwendung
eines Stickstoffspendergases erfolgen, das überwiegend Ammoniak
enthält, wobei bevorzugt ein Temperaturbereich zwischen etwa
800 °C und 900 °C gewählt wird, oder von etwa 860 °C, wie im
dargestellten Fall.
Mit Erreichen der Temperatur T2 wird ausgehend von dem Druck P3
Stickstoffspendergas, also beispielsweise Ammoniak mit 1 m3/h,
bei geschlossenem Vakuumventil 16 zugeführt. Bei einem Volumen
der Behandlungskammer 12 von z.B. 5,3 m3 steigt der Druck über
eine Zeitdauer von 30 min auf den Druck P4 an, der knapp
400 mbar in dargestelltem Beispiel beträgt.
Gemäß einer Verfahrensvariante ist es möglich, die Behandlungskammer
zunächst mit einem Inertgas, etwa mit N2, z.B. bis auf
500 mbar zu fluten und erst dann NH3 einzulassen.
Daran schließt sich vorzugsweise eine Gashochdruckabschreckung
mit Stickstoff an, wozu der Druck kurzzeitig beispielsweise auf
etwa 15 bar erhöht werden kann und sodann eine Schnellabkühlung
mit Unterstützung des Ventilators 30 innerhalb von etwa 5 min
auf Raumtemperatur erfolgen kann. Alternativ kann zunächst der
Druck durch Evakuieren abgesenkt werden und anschließend mit
Kühlgas (N;) geflutet werden.
Es versteht sich, daß die in Fig. 2a) und b) dargestellten Temperatur-
und Druckprofile vereinfacht sind, um lediglich den
idealen Verlauf zu erläutern, während in der Realität naturgemäß
nicht immer ein Aufheizen bzw. Abkühlen mit konstanter
Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit erfolgt und auch die Druckänderungen
in der Regel nicht geradlinig erfolgen.
Jedoch ist das Prinzip anhand von Fig. 2a) und b) ohne weiteres
erkennbar.
Die besten Aufstickungsergebnisse in der Randzone wurden mit
der zuvor dargestellten stetigen Zufuhr von Ammoniak bei geschlossenem
Vakuumventil 16 über die gesamte Aufstickungsphase
erzielt.
Im Durchfluß, d.h. bei einer stetigen Zufuhr von Stickstoffspendergas
bei gleichzeitig geöffnetem Vakuumventil 16, ist bei
sonst gleichen Randbedingungen mit einem Zufluß von 1m3 NH3
über 30 min während der Temperaturhaltephase auf Temperatur T2,
gleichfalls eine wunschgemäße Einlagerung von Stickstoff in die
Randschicht erreichbar, wobei jedoch höhere NH3-Begasungsmengen
notwendig sind.
Es ist denkbar, wie mit der strichpunktierten Linie in Fig. 2b)
angedeutet, die Ammoniakzufuhr schon vor dem Ende des letzten
Diffusionszyklus, d.h. also noch während der Aufkohlungsphase,
bei Temperatur T1 zu beginnen und stetig fortzusetzen, bis nach
dem Ende des Diffusionszyklus die Temperatur von T1 auf T2 auf
die Haltetemperatur für die Aufstickungsphase abgesenkt wird.
Bekanntlich dissoziiert bei höherer Temperatur der Ammoniak
schneller in N2 und H2, wodurch der Stickstoff bei der höheren
Temperatur nicht so schnell in den Austenit eingelagert werden
kann, da die Zwischenprodukte NH2, NH, N und H sich schneller
zu den Endprodukten H2 und N2 umbilden. Insoweit sind die Aufstickungsergebnisse
bei niedrigerer Temperatur T2 besser als
bei höherer Temperatur T1. Jedoch kann durch die Vorverlegung
der Begasung mit NH3 die notwendige Gesamtzeit bis zum Erreichen
der gewünschten Endstickstoffkonzentration verkürzt werden.
Als weitere Möglichkeit ist in Fig. 2b) der Gasdurchfluß mit
der doppelstrichpunktierten Linie angedeutet, der zu einem
niedrigeren, konstanten Enddruck P4'' führt und der insgesamt
jedoch nicht zu gleichermaßen vorteilhaften Ergebnissen für die
stetige Druckerhöhung bei konstanter Gaszufuhr mit geschlossenem
Vakuumventil 16 führt.
Ferner wurde festgestellt, daß die Stickstoffaufnahmefähigkeit
des Stahls durch den vorliegenden Rand-Kohlenstoffgehalt beeinflußt
wird. So ergab eine Aufstickung einer Fe-Folie (0,01 % C)
bei 930 °C durch NH3-Begasung über 10 Minuten einen Stickstoffgehalt
von 0,78 %. Dagegen ergab unter sonst gleichen Bedingungen
eine Aufstickung einer Fe-Folie mit 0,76 % C nur einen
Stickstoffgehalt von 0,31 %. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt
bis zur Sättigung verringert sich die Stickstoffaufnahmefähigkeit
weiter. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß auch das
Aufsticken im Anschluß an die Diffusionsphase (bzw. während der
Diffusion) mit bereits abgesenktem Rand-Kohlenstoffgehalt
durchgeführt, und nicht schon während der Kohlungszyklen.
Eine weitere günstige Art der Prozeßführung besteht nun darin,
eine Aufstickung zu Prozeßbeginn (Voraufstickung) durchzuführen,
d.h. nach Erreichen der Behandlungstemperaturen vor dem
Beginn der Niederdruck-Aufkohlung. Dadurch kann in kurzer Zeit
von z.B. 10 Minuten eine deutliche Stickstoffanreicherung in
der Randschicht auftreten. Dieser Stickstoff diffundiert während
des anschließenden Kohlungsprozesses teilweise in den
Werkstoff, er effundiert auch teilweise aufgrund des niedrigen
Partialdrucks. Die im Werkstoff verbleibende Stickstoffkonzentration
reicht jedoch aus, um die Kohlenstoffaufnahme sowie die
Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff in den Werkstoff zu
beschleunigen. Somit können in kürzeren Zeiten größere Aufkohlungstiefen
erzielt werden.
Ausführungsbeispiel 1
In einer Behandlungskammer 12 mit einem Volumen von ca. 5,3 m3
wurden ca. 50 Stäbe mit einem Durchmesser von 20 mm und 500 mm
Länge aus Ck15 (Ballast) und 2 polierten Proben aus Ck45 und
zwei polierten Proben aus 16MnCr5 behandelt.
Hierbei erfolgte zunächst über eine Zeitdauer von 30 min eine
Aufheizung auf eine Temperatur T1 von 930 °C bei weitgehender
Evakuierung, woran sich eine Haltestufe bei 930 °C und einem
Teildruck von 0,8 mbar über 70 min anschloß. Daran schloß sich
eine Aufkohlungsphase über eine Gesamtdauer von 104 min an, mit
4 Zyklen von je 3 min Gaseinlaß (Propan) mit 600 l/h bei
20 mbar, jeweils gefolgt von einem Diffusionszyklus von einer
min. Daran schlossen sich 6 Zyklen zu jeweils 3 min Gaseinlaß
mit 400 l/h Propan bei 20 mbar an, gefolgt von einem Diffusionszyklus
von jeweils 1 min. An den letzten Begasungszyklus
schloß sich ein Diffusionszyklus weiterhin bei der Temperatur
T1 von 930 °C von 65 min bei einem Teildruck von 0,8 mbar an.
Danach erfolgte eine Abkühlung auf die Temperatur T2 von
860 °C, worauf sich eine Aufstickungsphase bei T2 über 30 min
anschloß, und zwar mit 1 m3/h NH3-Begasung bei geschlossenem
Vakuumventil 16.
Daran schloß sich eine Gasabschreckung mit 15 bar N2 an.
An den so hergestellten Proben wurde der Kohlenstoffgehalt und
der Stickstoffgehalt in der Randzone mittels GDOS-Analysen bestimmt.
Es ergab sich ein Gehalt von etwa 0,75 % C und von etwa
0,5 % N, beim Stahl 16MnCr5 bis zu einer Tiefe von ca. 0,3 mm.
Bei Ck 45 wurde ein Kohlenstoffgehalt von 0,77 % C und ein
Stickstoffgehalt von etwa 0,3 % N in der Randzone ermittelt,
bis zu einer Tiefe von ca. 0,4 mm. Dabei ergab sich bei Ck 45
eine Oberflächenhärte von etwa 600 HV.
Die stärkere Einlagerung von Stickstoff bei 16MnCr5 mit etwa
0,5 % N im Vergleich zu etwa 0,3 % N bei Ck45 ist auf die höhere
Affinität der Legierungselemente zu Stickstoff und die Bildung
von fein verteilten Cr-Nitriden zurückzuführen.
Übliche Rand-Stickstoffgehalte von 0,25 bis 0,4 % lassen sich
bevorzugt durch Gaseinlaß bei gleichzeitigem Druckanstieg erzielen.
Vergleichsversuche zeigten, daß sich bei Gasdurchfluß
eine Gleichgewichtskonzentration in Abhängigkeit vom NH3-Durchsatz
und Temperatur einstellt, die zum Teil erheblich niedriger
als bei Gaseinlaß ist.
Ein Diffundieren von Stickstoff aus der randnahen Zone wurde
trotz Evakuierung (und Transport der Charge in der evakuierten
Anlage gemäß Fig. 3) nicht festgestellt.
Eine Aufstickung lediglich mit 1 bar N2 führte dagegen nicht zu
dem gewünschten Stickstoffgehalt im Werkstoff.
Ausführungsbeispiel 2
Bei gleicher Verfahrensführung wie beim Ausführungsbeispiel 1
wurden Proben aus CK45 und 16MnCr5 zunächst auf 930 °C bei
weitgehender Evakuierung aufgeheizt und sodann bei 930 °C und
bei einem Teildruck von 0,8 mbar 70 min gehalten. In Abweichung
zum Ausführungsbeispiel 1 wurde während der Haltephase bei 930
°C noch vor Beginn der Niederdruck-Aufkohlung eine kurze Aufstickung
(Voraufstickung) durchgeführt, indem 10 Minuten lang
eine NH3-Begasung mit 3 m3/h erfolgte. Anschließend wurde der
Prozeß wie beim Ausführungsbeispiel 1 beschrieben fortgesetzt.
Bei den so hergestellten Proben wurde wiederum der Kohlenstoffgehalt
bestimmt. Es ergaben sich höhere Kohlenstoffgehalte, die
in der Randzone von etwa 0,77 % C auf 0,85 % C anstiegen und
eine um etwa 0,1 mm erhöhte Aufkohlungstiefe gegenüber Ausführungsbeispiel
1 aufwiesen.
Auf diese Weise lassen sich somit in kürzeren Zeiten größere
Aufkohlungstiefen oder gleiche Aufkohlungstiefen bei kürzerer
Behandlungsdauer erzielen.