EP1424402A1 - Verfahren zum kleberfreien Glühen von Metallteilen - Google Patents

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EP1424402A1
EP1424402A1 EP03027065A EP03027065A EP1424402A1 EP 1424402 A1 EP1424402 A1 EP 1424402A1 EP 03027065 A EP03027065 A EP 03027065A EP 03027065 A EP03027065 A EP 03027065A EP 1424402 A1 EP1424402 A1 EP 1424402A1
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    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/002—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr

Definitions

  • the invention relates to a method for glue-free annealing of metal parts, especially of steel parts containing chrome and manganese, according to Features of the preamble of claim 1.
  • Annealing steel parts containing chrome or manganese in one Treatment furnace is during the Heating phase on the surface of the annealing material a thin layer of chrome oxide (Cr2O3) and / or spinel layer (FeCr2O4).
  • This top layer created by oxidation prevents during the Hold phase performed recrystallization annealing from local Diffusion welding, so-called glue, resulting gluing of the annealing parts on their contact surfaces and thus the quality of the Finished product reducing surface defects.
  • the pure one usually used as a protective gas when annealing alloy steel Hydrogen with a dew point below minus 70 degrees Celsius only contains up to to 2 vpm (0.002 vol%) water in the form of water vapor.
  • the water vapor-hydrogen content is so far during the glow the protective gas atmosphere using oxygen or lambda sensors or with continuously measuring dew point measuring devices.
  • the optimal water vapor content for the respective glow phase Furnace atmosphere can be increased by adding oxygen-containing media, such as for example water, nitrous oxide, air, oxygen or carbon dioxide
  • oxygen-containing media such as for example water, nitrous oxide, air, oxygen or carbon dioxide
  • Additives that do not cause undesired reactions, e.g. an embroidery and Carburize in the annealing material can be adjusted.
  • the invention is therefore based on the object of a method for adhesive-free Annealing metal parts, especially those containing chromium and manganese Steel parts, under a protective gas atmosphere containing hydrogen To provide that is reproducible and for the further processing of the Annealing leads not impairing oxide layers.
  • the object of the invention is achieved by a method with the in claim 1 specified features solved.
  • the actual signal is fed to a control unit and in this with a Control unit compared to the target signal formed from the stored target values.
  • the Water vapor content in the hydrogen atmosphere by adding changed media containing oxygen until the actual signal corresponds to the target signal.
  • oxygen-containing media i.a. Water, carbon dioxide, nitrous oxide, air or pure oxygen - i.e. Media that do not like undesirable reactions for example embroidering or carburizing in the annealing material, - in the Treatment room of the furnace can be introduced.
  • To measure the water content in the furnace atmosphere find measuring devices such as for example, commercially available oxygen or lambda sensors or continuously measuring dew point meters use.
  • the target signal is empirically determined as the target value, the respective one Process conditions optimally corresponding process parameters, for example the Process temperature and the composition of the annealing material.
  • annealing metal parts in particular chromium and Steels containing manganese can be a clean, scale, temper and Quality products with decarburization-free annealing surface provided become.
  • dew point corresponds to: -30 ° C, -40 ° C, - 50 ° C, -60 ° C.
  • the dew point is a practical measure of water concentration and can therefore be used as a concentration.
  • the temperatures and holding times adapted to the respective heat treatment cause the formation of different chromium oxide layer thicknesses on the Metal parts.
  • the transparency of the surface of a metal part is with a chromium oxide layer thickness guaranteed up to about 0.030 microns. With a chromium oxide layer thickness The surface of the metal part changes color if it is larger than approx. 0.030 micrometer yellowish and with increasing chrome oxide layer thickness blue-violet-green and loses its transparency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kleberfreien Glühen von Metallteilen, insbesondere von Chrom und Mangan enthaltenden Stählen, in einer Wasserstoff-Wasserdampf-Atmosphäre mit den Phasen Aufheizen, Halten und Abkühlen, bei dem die auf der Öberfläche des Glühguts während der Aufheizphase gebildete, das Zusammenkleben der Glühgutteile verhindernde Oxidschicht während der Abkühlphase erhalten bleibt. Erfindungsgemäß können dadurch, dass der Taupunkt der Wasserstoff-Wasserdampf-Ofenatmosphäre während der Halte- und Abkühlphase erfasst und in Abgleichung mit empirisch ermittelten Sollwerten automatisch geregelt wird, eine saubere zunder-, anlass- und entkohlungsfreie Glühgutoberfläche aufweisende Qualitätserzeugnisse bereitgestellt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kleberfreien Glühen von Metallteilen, insbesondere von Chrom- und Mangan enthaltenden Stahlteilen, nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Beim in einer definierten Wasserstoff-Wasserdampf- Atmosphäre stattfindendem Glühen von Chrom oder Mangan enthaltenden Stahlteilen in einem Behandlungsofen, wie beispielsweise in einem Haubenofen, wird während der Aufheizphase auf der Oberfläche des Glühguts eine dünne Chromoxidschicht (Cr2O3) und/oder Spinellschicht (FeCr2O4) gebildet.
Diese durch Oxidation entstandene Deckschicht verhindert während des in der Haltephase durchgeführten Rekristallisationsglühen ein, aus lokalen Diffusionsverschweißungen, sogenannten Klebern, resultierendes Zusammenkleben der Glühgutteile an ihren Berührungsflächen und damit die Qualität des Fertigerzeugnisses vermindernde Oberflächenfehler.
Die durch selektive Oxidation des Chroms in einem chromreichen Stahl nach der Gleichung: 2Cr + 3 H2O = Cr2O3 + 3H2 an der Oberfläche des Glühguts in Abhängigkeit von der Temperatur, Zeit und Gasund Glühteil-Zusammensetzung ausgebildete Oxidschicht kann während des Glühens durch einen zu geringen Wasser-Gehalt des Wasserdampf-Wasserstoff-Schutzgases zersetzt werden.
Der beim Glühen von Legierungsstahl üblicherweise als Schutzgas eingesetzte reine Wasserstoff mit einem Taupunkt kleiner minus 70 Grad Celsius, enthält lediglich bis zu 2 vpm (0,002 Vol.-%) Wasser in Form von Wasserdampf.
Der minimale Wassergehalt in einem derartigen Wasserstoff-Schutzgas kann dazu führen, dass während der Halte- oder Abkühlphase des Glühprozesses die oxidische Deckschicht des Glühteils entsprechend der Gleichung: Cr2O3 + 3 H2 = 2Cr + 3H2O soweit bzw. vollständig zersetzt werden kann, wodurch deren gewünschte Sperr- und Isolationsfunktion entfällt.
Um eine saubere, metallisch blanke Stahloberfläche zu erhalten, darf der von der Glühtemperatur und der Zusammensetzung (Legierungsbestandteil/e) des Glühguts abhängige Taupunkt des als Schutzgas eingesetzten Wasserdampf-Wasserstoff-Gemisches (PH2O/PH2-Verhältnis) nicht überschritten werden.
Aus diesem Grund wird bisher während des Glühens der Wasserdampf-Wasserstoff-Gehalt der Schutzgasatmosphäre mittels Sauerstoff- oder Lambdasonden oder mit kontinuierlich messenden Taupunkt-Messgeräten ermittelt.
Der für die jeweilige Glühphase optimale Wasserdampf-Gehalt in der Ofenatmosphäre kann durch Zugabe von sauerstoffhaltigen Medien, wie beispielsweise Wasser, Lachgas, Luft, Sauerstoff oder Kohlendioxid also durch Zusatzstoffe, die keine unerwünschten Reaktionen, wie z.B. ein Aufsticken und Aufkohlen im Glühgut bewirken, eingestellt werden.
Bei dem bekannten Verfahren zum kleberfreien Glühen von Metallteilen, insbesondere von Chrom und Mangan enthaltenden Stahlteilen, wäre es wünschenswert, wenn die Zusammensetzung des Wasserstoff-Wasserdampf-Schutzgases während der Halte- und Abkühlphase so geregelt werden könnte, dass die während der Aufheizphase durch Oxidation gebildete, ein Verkleben der Glühgutteile verhindernde und keine unerwünschte Oberflächenverfärbung hervorrufende Oxidschicht erhalten bleibt.
Weiterhin wäre es vorteilhaft, wenn beim in einer Wasserstoff-Wasserdampf-Ofenatmosphäre erfolgendem Glühen von Stahl die bisher notwendige, kostenaufwendige Nachreinigung des Ofengases entfallen könnte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum kleberfreien Glühen von Metallteilen, insbesondere von Chrom- und Mangan enthaltenden Stahlteilen, unter einer Wasserstoff enthaltenden Schutzgasatmosphäre zur Verfügung zu stellen, das reproduzierbar ist und zu die weitere Bearbeitung des Glühguts nicht beeinträchtigenden Oxidschichten führt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in dem Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Taupunkt des in dem Behandlungsraums des Ofens eingebrachten Wasserstoff-Schutzgases während der Halt- und Abkühlphase des Glühprozesses mittels Messgeräten erfasst und aus dem erfassten Taupunkt des Wasserstoff-Wasserdampf-Gemisches ein Ist-Signal erzeugt.
Das Ist-Signal wird einer Regeleinheit zugeführt und in dieser mit einem in der Regeleinheit aus den abgespeicherten Soll-Werten gebildetes Soll-Signal verglichen.
Bei zwischen dem Ist- und Soll-Signal bestehenden Abweichungen wird der Wasserdampfgehalt in der Wasserstoffatmosphäre durch Zugabe von sauerstoffhaltigen Medien so verändert, bis das Ist-Signal dem Soll-Signal entspricht.
Als sauerstoffhaltige Medien können u.a. Wasser, Kohlendioxid, Lachgas, Luft oder reiner Sauerstoff - d.h. Medien, die keine unerwünschten Reaktionen, wie beispielsweise ein Aufsticken oder Aufkohlen im Glühgut, bewirken - in den Behandlungsraum des Ofens eingebracht werden.
Zur Erfassung des Wassergehalts in der Ofenatmosphäre finden Messgeräte, wie beispielsweise handelsübliche Sauerstoff- oder Lambdasonden bzw. kontinuierlich messende Taupunktmessgeräte Verwendung.
Dem Soll-Signal werden als Soll-Wert empirisch ermittelte, den jeweiligen Prozessbedingungen optimal entsprechende Prozessparameter, beispielsweise die Prozesstemperatur und die Glühgut-Zusammensetzung, zu Grunde gelegt.
Durch das erfindungsgemäße Glühen von Metallteilen, insbesondere von Chrom und Mangan enthaltenden Stählen, können eine saubere, zunder-, anlass- und entkohlungsfreie Glühgutoberfläche aufweisende Qualitätserzeugnisse bereitgestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
eine Diagramm-Darstellung der Stabilität von Chromoxid in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck der Wasserstoffatmosphäre und der Temperatur;
Fig. 2
eine Diagramm-Darstellung der Stabilität von Chromoxid in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck der Wasserstoffatmosphäre und der Temperatur;
Fig. 3
eine Diagramm-Darstellung der Kinetik der Chromoxidbildung einer Fe-20%Cr-Legierung im Wasserstoff/Wasser-Gemisch in Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit;
Fig. 4
eine Diagramm-Darstellung der Kinetik der Chromoxidschichtbildung einer Fe-20%Cr-Legierung im Wasserstoff/Wassergemisch in Abhängigkeit von der Temperatur und Zeit.
In Fig. 1 ist die Stabilität von Chromoxid in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck im Temperaturintervall von 600°C bis 800°C dargestellt: 2Cr + 1,5 O2 = Cr2O3
Die chemische Aktivität von Chrom ist von der Konzentration in der Legierung, sowie anderen Einflussgrößen abhängig. Es besteht der Zusammenhang, das je weniger Chrom in der Legierung enthalten ist, desto geringer ist auch die Chromaktivität. Demzufolge ist auch der benötigte Sauerstoffpartialdruck, der in der Gasatmosphäre herrschen muss, größer, um gerade noch Chromoxid zu bilden: PO2 * = (KP1*acr 2/aCr2O3)1,5
Es sind drei Legierungen mit Chromkonzentrationen von 1, 10 und 20 Gewichtsprozent Chrom dargestellt, wobei angenommen ist, dass der Massenanteil an Chrom auch den Aktivitäten entsprechen (acr = 0,01 ; 0,10 und 0,20). Die Chromoxidaktivität wurde immer als 1, d.h., es bildet sich reines Oxid, angenommen.
Ein konstantes Wasserstoff/Wasser- Gasgemisch besitzt bei einer jeweiligen Temperatur einen bestimmten Sauerstoffpartialdruck: 2H2O = 2H2 + O2
Es wurden 4 realistische Gemische zu Grunde gelegt, die in der Wärmebehandlungspraxis auftreten können (Taupunkt entspricht: -30°C, -40°C, - 50°C, -60°C). Der Taupunkt ist bekanntlich ein praktisches Maß für die Wasserkonzentration und kann somit als Konzentration herangezogen werden.
Liegt der Sauerstoffpartialdruck eines Wasserstoff-/Wasser-Gemisches oberhalb der Chromoxidstabilitätslinie einer Chromlegierung, bildet sich Chromoxid auf der Legierungsoberfläche. Wird diese Aktivitätslinie jedoch unterschritten, erfolgt eine Reduzierung des Chromoxids. Somit gibt es für jedes vorherrschende System und für jede Legierung/Gasatmosphäre einen Schnittpunkt, der durch eine Temperatur und einen Sauerstoffpartialdruck gekennzeichnet ist. Eine Legierung mit einer Chromaktivität von 0,10 besitzt z. B. folgende Schnittpunkte:
  • 1.) log PO2 * = -30 atm und 660°C bei Taupunkt -60°C
  • 2.) log PO2 * = -26 atm und 765°C bei Taupunkt -50°C
    • An den beiden Schnittpunkten sieht man, dass je höher die Behandlungstemperatur ist, desto höher kann auch der Taupunkt und somit die Wasserkonzentration sein, um eine Chromoxidation zu behindern.
    Eine weitere Kurve ist eingetragen, hierbei handelt es sich um eine Wasserstoffatmosphäre, die 1 Vol.-% Kohlenmonoxid enthält und eine Kohlenstoffaktivität von 1 besitzt:
  • 3.) log PO2 * = -24,3 atm und 787°C bei 1 Vol.-%CO
    • Der Schnittpunkt der beiden Aktivitätskurven Gas/Legierung liegt bei der mit 1 Gew.-% Cr Legierung, die beiden anderen Chromlegierungen werden nur oberhalb dieser Temperatur von 787°C reduziert.
    In Fig. 2 ist die Stabilität von Chromoxid in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck im Temperaturintervall von 750°C bis 950°C dargestellt: 2Cr + 1,5 O2 = Cr2O3
    Folgende Schnittpunkte ergeben sich in diesem Temperaturbereich, bei denen die Chromoxidschichten auf den Legierungen reduziert werden:
  • 4.) log PO2 * = -21,4 atm und 874°C bei Taupunkt -30°C mit 1 Gew.-% Cr
  • 5.) log PO2 * = -22,5 atm und 883°C bei Taupunkt -40°C mit 10 Gew.-% Cr
  • 6.) log PO2 * = -21,7 atm und 923°C bei Taupunkt -40°C mit 20 Gew.-% Cr
  • 7.) log PO2 * = -23,7 atm und 835°C bei 1 Vol.-%CO mit 10 Gew.-% Cr
  • 8.) log PO2 * = -23,6 atm und 850°C bei 1 Vol.-%CO mit 20 Gew.-% Cr
    • Anhand der aufgeführten Schnittpunkte erkennt man deutlich, das mit steigenden Betriebstemperaturen der Feuchtigkeitsgehalt der Wasserstoffatmosphären größer werden kann und trotzdem die Chromoxidschicht reduziert werden. Oberhalb von 1000°C werden alle 3 Legierungen mit einer Wasserstoffatmosphäre, deren Taupunkt -30°C beträgt, blankgeglüht. Die Rekristallisationstemperatur von hochlegierten Chromstählen beträgt in der Regel ca. 1050°C, so dass die Metallteile blankgeglüht werden. Ein Taupunkt von minus 30°C oder höher ist in technischen Ofenanlagen leicht zu erzielen.
    In Fig. 3 und 4 sind die Wachstumsgeschwindigkeiten der Chromoxidbildung in Abhängigkeit von der Oxidationszeit im Temperaturintervall von 500°C bis 1070°C dargestellt: 2Cr + 1,5 O2 = Cr2O3
    Die der jeweiligen Wärmebehandlung angepassten Temperaturen und Haltezeiten bedingen die Ausbildung von unterschiedlichen Chromoxid-Schichtdicken auf den Metallteilen. Die Transparenz der Oberfläche eines Metallteils ist bei einer Chromoxid-Schichtdicke von bis zu ca. 0,030 Mikrometer gewährleistet. Bei einer Chromoxid-Schichtdicke von größer ca. 0,030 Mikrometer verfärbt sich die Metallteiloberfläche gelblich und bei weiter zunehmender Chromoxid-Schichtdicke blau-violettgrün und verliert ihre Transparenz.
    Bei mit einer Temperatur von ca. 700°C geglühten chromhaltigen Stählen beträgt die gesamte Haltephase ungefähr 10 Stunden, in der sich bei einer Temperatur von 660°C eine 0,030 Mikrometer dicke Oxidschicht bilden kann. Die sich bildende Chromschichtdicke liegt - bei geringen Haltezeiten - innerhalb der eine transparente Glühteil-Oberfläche gewährleistenden Schichtdicke. Derart wärmebehandelte Stähle besitzen also eine metallisch blanke Oberfläche.
    In Fig. 4 ist die Wachstumsgeschwindigkeit der Chromoxidbildung in Abhängigkeit von der Oxidationszeit im Temperaturintervall von 750°C bis 1070°C dargestellt: 2Cr + 1,5 O2 = Cr2O3
    Bei einer Gesamthaltezeit von 0,5 Stunden und einer Temperatur von kleiner 960°C bleiben die Legierungsoberflächen noch blank, sind aber dennoch leicht passiviert, wodurch ein Diffusionsverschweißen verhindert wird. Wird die Stabilitätsgrenze des Chromoxids unterschritten, dann wird die sich während der Aufheizphase gebildete Oxidschicht wieder reduziert. Da die Bildungs- und Zersetzungskinetik in diesem Schichtdickenbereich von Chromoxid fast gleich groß sind, ist die Reduktionszeit aufgrund der höheren Temperaturen merklich kleiner, so dass die Reduktion nach kurzer Zeit abgeschlossen ist und genügend Zeit für die Bildung von Verschweißungen gegeben ist.
    In kontinuierlich betriebenen Durchlauföfen stellen sich oftmals sehr niedrige Taupunkte von -50°C ein, so dass die Chromoxidbildung schon bei ca. 800°C abgeschlossen ist und mit der Reduktion des Oxids begonnen wird. Hat sich bis zu diesem Zeitpunkt eine Chromoxidschicht von beispielsweise 0,10 Mikrometer gebildet, kann die Chromoxidschicht schon vor Erreichen der Haltetemperatur von 1050°C wieder reduziert sein.

    Claims (6)

    1. Verfahren zum kleberfreien Glühen von Metallteilen, insbesondere von Chrom und Mangan enthaltenden Stählen, in einer Wasserstoff-Wasserdampf-Atmosphäre mit den Phasen Aufheizen, Halten und Abkühlen, bei dem die auf der Oberfläche des Glühguts während der Aufheizphase gebildete, das Zusammenkleben der Glühgutteile verhindernde Oxidschicht während der Abkühlphase erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Taupunkt der Wasserstoff-Wasserdampf-Atmosphäre während der Phasen Halten und Abkühlen erfasst und in Abgleichung mit empirisch ermittelten Sollwerten automatisch geregelt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      als Sollwert die Prozesstemperatur erfasst wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      als Sollwert die Glühgut-Zusammensetzung erfasst wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert die eingetragene Menge an Wasserstoff-Wasserdampf-Ofengas erfasst wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      als Sollwert die Dosierzeit des Wasserstoff-Wasserdampf-Ofengases erfasst wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Sauerstoffpartialdruck der Wasserstoff-Wasserdampf-Atmosphäre als Messgröße erfasst wird.
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