EP2627795A1 - Method and arrangement for carburizing and carbonitriding metallic materials - Google Patents

Method and arrangement for carburizing and carbonitriding metallic materials

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Publication number
EP2627795A1
EP2627795A1 EP10793142.0A EP10793142A EP2627795A1 EP 2627795 A1 EP2627795 A1 EP 2627795A1 EP 10793142 A EP10793142 A EP 10793142A EP 2627795 A1 EP2627795 A1 EP 2627795A1
Authority
EP
European Patent Office
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furnace
gas
content
carburizing
flow rate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10793142.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hendrik Grobler
Bernd Edenhofer
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.)
Ipsen International GmbH
Original Assignee
Ipsen International GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23C8/30Carbo-nitriding
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    • C23C8/30Carbo-nitriding
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    • C23C8/80After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for carburizing and
  • Carbonitriding of metallic materials in particular for a rapid and uniform process in atmospheric furnaces in the temperature range from 800 to 1150 ° C using hydrocarbon gases and gases such as nitrogen, hydrogen and ammonia.
  • the desired C-level control - based solely on the supplied gas mixture and not the analysis of the atmosphere in the furnace - is empirical and not reliable.
  • EP 049 530 dealt with a method and a
  • DE 19523956 describes a method for carburizing and carbonitriding of steels, in which also the carburizing and carbide layer formation takes place uncontrolled, analogous to EP 0408511.
  • the lack of measurement of the C-activity or the C-stream causes a completely uncontrolled carburization in the supercritical phase.
  • Adherence to the saturation limit is theoretically (computationally), but practically impossible.
  • Carburizing layers are not RO free.
  • the applicant has already developed a method and a device according to EP 1 160 349 (see, comparatively in FIG. 1), in which a heating with IM 2 and KW feed quantity control takes place in 4 steps 1, so that the C edge is in the predetermined range, 2. a compensation phase in the predetermined range is, 3. an enrichment and diffusion phase is set to an upper and lower limit of the C-rim by varying the N2-KW rivers and 4. cooling to room temperature. It has been found that the heating in N2 and KW to adjust the low C content only small amounts of reducing
  • the outlook for a remote process for case hardening of metallic materials discloses a pulse-like addition of HC, followed by a short break.
  • a longer pause interval is inserted, which is 10 to 100 times longer than the pulse / pause cycle of the addition of N-containing gas, the amount of which increases during the HC pulse addition becomes.
  • the duration of the interval interval increases with the increasing carburization time.
  • the pulse / pause cycles comprise a constant short period of time. Inert gases, such as N 2 and hydrocarbons, in particular propane, are used.
  • Air mixture (p 1 10) set forth;
  • Aichelin was converted to a new fumigation station with the gases N 2 , H 2 , acetylene and propane for the process of N 2 - methanol and only the gas mixture was changed, all other treatment data remained the same.
  • the invention is based on the new object, the procedural
  • Carburizing temperature of a hydrocarbon gas preferably natural gas, ethane, propane, propylene, ethylene or acetylene is added, with a flow rate corresponding to a 1- to 10-fold change of the furnace chamber volume per hour until the residual CH 4 content in the oven and / or the C-stream in the Workpiece surface has reached a predetermined value, which ensures a high C transfer rate in the oven, and third step, the HC gas flow and the N 2 , H 2 or NH 3 - split gas flow off and in the furnace atmosphere, at least temporarily completely without gas flow in the Kiln is carburized until the CH 4 content or the C-stream has reached a predetermined second value corresponding to a much lower C-transfer rate, in which phase the furnace pressure is controlled to a predetermined value between 1 and 10 mbar overpressure.
  • a hydrocarbon gas preferably natural gas, ethane, propane, propylene, ethylene or acetylene
  • steps 2 and 3 calculate the C transfer rate several times using a mathematical model and controlling the edge C content at or near the maximum C saturation limit of the respective metallic alloy of materials are repeated, the fifth step, the C-activity of the furnace atmosphere by
  • H 2 or an H2-N 2 gas mixture advantageously ammonia cracked gas
  • a C activity essentially defined by the partial pressure ratio of p (CH 4 ) to p (H 2 ) 2 , which corresponds to the desired edge C content of the workpiece is held at the same time possibly necessary redispersion of the KW and / or sixth step, this gas atmosphere, until, according to a mathematical boundary C content model calculation, the desired edge C content and the desired carburization depth have been reached. It is essential that this inventive process control by a C activity, essentially defined by the partial pressure ratio of p (CH 4 ) to p (H 2 ) 2 , which corresponds to the desired edge C content of the workpiece is held at the same time possibly necessary redispersion of the KW and / or sixth step, this gas atmosphere, until, according to a mathematical boundary C content model calculation, the desired edge C content and the desired carburization depth have been reached. It is essential that this inventive process control by a
  • the C-current can be detected, for example, by measuring the change in the electrical resistance of an iron wire located in the furnace atmosphere.
  • it may also be useful to measure the amount of soot in the furnace with the aid of a corresponding soot sensor for improved process reliability.
  • uncleaved ammonia is added to the process gas in an amount corresponding to a flow rate between 1 and 20% of the flow rate of the N 2 -H 2 mixture in the fifth and / or sixth process step.
  • a device is used, the first means for detecting and controlling the flow rate of the respective gas mixture according to the structural
  • second carburizing temperature detecting means c) third means for measuring the residual CH 4 content.
  • D) fourth means for measuring the H 2 content e) Fifth means for C current measurement f) sixth means for furnace pressure measurementAregelung g) seventh means for detecting the amount of soot h) eighth means for closing the furnace exhaust gas i) ninth means for controlling the carburization process comprises, which means with a control / regulation for process control
  • FIG. 1 is a graph of the carburizing process according to the prior art according to EP 1160349
  • FIG. 2 is a graph showing the carburizing process on a
  • Fig. 3 is a schematic representation of a block diagram of
  • Fig. 1 shows the continuously flowing gas quantities of acetylene, nitrogen and hydrogen and the more or less empirically made temporal variations of these gas flow rates for adjusting various marginal C contents.
  • Fig. 2 shows the scheme of the process, according to the method of the invention, the supply of constant amounts of gas within the individual process steps and the temporary interruption of the gas flow in the furnace and the use of gas analysis (CH 4 and H 2 ) and the pressure control for the Control of carburizing.
  • CH 4 and H 2 gas analysis
  • Process step 1 heating the batch in the heating chamber of the chamber furnace under rinsing the
  • Chamber with a hydrogen-nitrogen gas mixture eg 75% H 2 and 25% N 2 , with a flow rate of 15 Nm 3 / h.
  • Process step 2 After reaching the carburizing temperature of 930 ° C, feed natural gas into the furnace at a flow rate of 4 Nm 3 / h, until the concentration of methane in the furnace has risen to 6% by volume.
  • Process step 3 stopping the natural gas flow and closing the burn-off valve, ie carburizing substantially in "stationary" gas, the furnace pressure being maintained between 2 and 5 mbar by a temporary addition of H 2 / N 2 gas the methane content in the furnace has dropped to 0.5%.
  • Process Step 4 Stop the natural gas flow and closing the burn-off valve, ie carburizing substantially in "stationary" gas, the furnace pressure being maintained between 2 and 5 mbar by a temporary addition of H 2 / N 2 gas the methane content in the furnace has dropped to 0.5%.
  • Hydrogen p (H 2 ) has fallen to the value of 0.75.
  • a program for controlling / regulating the process control is integrated into the device for the atmospheric oven, which program is designed according to the Method steps 1 to 3 of FIG. 2, the parameters for receiving, regulating and output of at least one of the criteria, such as a) ratio or the flow rate of the
  • the atmosphere furnace is assigned the configuration of a device according to FIG. 3, which essentially comprises: a) first means for detecting and controlling the flow rate of the gas mixture in question according to the structural dimensions, b) second means for recording the carburizing temperature, c) third means for measuring the residual CH 4 content d) fourth means for measuring the H 2 content e) Fifth means for C current measurement f) sixth means for furnace pressure measurement g) seventh means for detecting the amount of soot h) eighth means for closing the furnace exhaust gas i) ninth means for controlling the carburization process which means with the control / regulation for process control are functionally linked according to the parameters of the program.
  • the process and device according to the invention execution provides the furnace operator in the heat treatment of metallic workpieces an efficient edge oxidation free (RO-free) carburizing with precise adjustment of the edge C content and the carburizing ungestiefe ready, wherein the carburizing
  • H3diss dissociated ammonia
  • N 2 nitrogen gas
  • T 2 temperature of the diffusion process (before quenching)
  • V H2 volumetric flow H 2 (m 3 / h)
  • H2 / N2 volume flow H 2 / N 2 mixture (m 3 / h)
  • V2 H2 volume flow C 2 / H 2 mixture (m 3 / h)
  • V N 2 volume flow N 2 (m 3 / h)
  • VNH3 volume flow NH 3 (m 3 / h)
  • V «w volumetric flow of a hydrocarbon gas (m 3 / h)
  • CCH 4 concentration of methane in the furnace atmosphere (vol%)

Abstract

The invention relates to a method for the carburizing and carbonitriding of metallic materials, which is performed rapidly and uniformly in atmospheric furnaces and using hydrocarbon gases and gases such as nitrogen, hydrogen and ammonia. Heating is performed in a first method step; a hydrocarbon gas is added in a second method step; and the gas flow is turned off in a third method step. The method can be completed with fourth to sixth method steps.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Aufkohlen und Carbonitrieren von metallischen Werkstoffen  Method and device for carburizing and carbonitriding metallic materials
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Aufkohlen und The invention relates to a method and a device for carburizing and
Carbonitrieren von metallischen Werkstoffen, insbesondere für einen schnellen und gleichmäßigen Prozess in Atmosphärenöfen im Temperaturbereich von 800 bis 1150°C unter Verwendung von Kohlenwasserstoffgasen sowie Gasen, wie Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak. Carbonitriding of metallic materials, in particular for a rapid and uniform process in atmospheric furnaces in the temperature range from 800 to 1150 ° C using hydrocarbon gases and gases such as nitrogen, hydrogen and ammonia.
Stand der Technik State of the art
In der US 4,049,472 wurde schon ein gattungsgemäßes Verfahren mit einer In the US 4,049,472 already a generic method with a
Gasmischung mit CO2 beschrieben, bei dem die Atmosphäre ein gewisses Gas mixture with CO2 described in which the atmosphere a certain
Oxidationspotential besitzt. Ein randoxidationsfreies (RO-freies) Aufkohlen ist damit nicht möglich. Die in den Ofen eingespeisten Gasmischungen mit CH4/CO2- Verhältnissen von 1 :1 bis 4:1 ergeben im Ofen Gasatmosphären, die auf Eisen und seine Legierungselemente wie Cr, Mn, Si oxidierend wirken. Derartige  Has oxidation potential. An edge oxidation free (RO-free) carburizing is therefore not possible. The gas mixtures fed into the furnace with CH 4 / CO 2 ratios of 1: 1 to 4: 1 give in the furnace gas atmospheres which have an oxidizing effect on iron and its alloying elements such as Cr, Mn, Si. such
Gasmischungen reichen daher für eine RO-freie Aufkohlung nicht aus. Gas mixtures are therefore not sufficient for a RO-free carburizing.
Außerdem ist die angestrebte C-Pegelregelung - basierend allein auf der zugeführten Gasmischung und nicht der Analyse der Atmosphäre im Ofen - empirisch und nicht prozesssicher. In addition, the desired C-level control - based solely on the supplied gas mixture and not the analysis of the atmosphere in the furnace - is empirical and not reliable.
Identische, in den Ofen eingeführte Gasmischungen ergeben deshalb je nach Ofenzustand (Leckage, Rußanfall, etc.) unterschiedliche C-Pegel im Ofen. Identical gas mixtures introduced into the kiln therefore result in different C-levels in the kiln, depending on the condition of the kiln (leakage, soot accumulation, etc.).
Eine Analyse der Ofenatmosphäre, d.h. der Gasbestandteile, wie insbesondere CO und CO2, wird zwar für eine hohe Prozesssicherheit angestrebt, ist aber i.d.R. bzw. mit diesem Verfahren nicht vorgesehen. An analysis of the furnace atmosphere, ie, the gas constituents, in particular CO and CO 2 , although sought for a high process reliability, but is usually not provided or with this method.
Im Weiteren befasste sich die EP 049 530 mit einem Verfahren und einer In addition, EP 049 530 dealt with a method and a
Vorrichtung, bei denen das Aufheizen der Charge von zu behandelnden Werkstoffen Device in which the heating of the batch of materials to be treated
BESTÄTIGUNGSKOPIE in normalen, retortenlosen Aufkohlungsöfen unter N2-Fluss wegen fehlender reduzierender Gasbestandteile wie H2 eine Oxidation von Eisen und seinen CONFIRMATION COPY in normal, retortless carburizing furnaces under N 2 flow due to lack of reducing gas components such as H 2 an oxidation of iron and its
Legierungselementen bewirkt. Auch dieses Verfahren ist für eine RO-freie Alloy elements causes. Again, this procedure is for a RO-free
Aufkohlung nicht geeignet. Carburization not suitable.
Gleiches gilt für das offenbarte Aufkohlen in Atmosphären, welches durch N2-Fluß und CO2 mit gepulst zugegebenen Anreicherungsgas (Kohlenwasserstoffe) erzeugt wird. Auch hierbei stellt sich im Ofen ein hohes Oxidationspotential ein, das The same applies to the disclosed carburization in atmospheres produced by N 2 flow and CO 2 with pulsed added enrichment gas (hydrocarbons). Here, too, sets in the oven a high oxidation potential, the
Randoxidation erzeugt. Edge oxidation produced.
Außerdem besteht bei diesem Verfahren eine starke Überkohlungs- und In addition, there is a strong Überkohlungs- and
Carbidbildungsgefahr, da in der Kohlungsphase die C-Aktivität der Ofenatmosphäre nicht erfasst und gesteuert, sondern nur nach indirekten Messgrößen wie die im Ofen erzeugte Rußmenge (Russ-Sensor) empirisch eingestellt wird. Gemäß der EP 0408511 ist ein Verfahren mit empirischer Mengendosierung von N2, H2 und Propan zur schnellen Erzeugung einer Carbidschicht offenbart, welches jedoch nicht den Ofen- und Werkstückzustand berücksichtigt und zu Danger of formation of carbide, since in the carbon phase the C-activity of the furnace atmosphere is not detected and controlled, but only empirically adjusted by indirect measured variables such as the amount of soot produced in the furnace (soot sensor). According to EP 0408511 a method with empirical quantity metering of N 2 , H 2 and propane for the rapid production of a carbide layer is disclosed, which however does not take into account the furnace and workpiece state and to
unterschiedlichen Carbidschichtdicken führt. different carbide layer thickness leads.
Eine exakte Einstellung des Rand-C-Gehalts ist somit nicht möglich, und es besteht eine starke Überkohlungs- und Carbidbildungsgefahr.  An exact adjustment of the edge C content is thus not possible, and there is a strong Überkohlungs- and carbide formation danger.
Somit ist auch dies ein rein empirischer Prozess, der nicht prozesssicher und reproduzierbar ist.  Thus, even this is a purely empirical process that is not process-safe and reproducible.
Die DE 19523956 beschreibt ein Verfahren zum Carburieren und Carbonitrieren von Stählen, bei dem ebenfalls die Aufkohlung und Carbidschichtbildung unkontrolliert erfolgt, analog der EP 0408511. Die fehlende Messung der C-Aktivität oder des C- Stromes bewirkt eine völlig unkontrollierte Aufkohlung in der Überkohlungsphase. Die Einhaltung der Sättigungsgrenze ist zwar theoretisch (rechnerisch), jedoch praktisch nicht möglich. DE 19523956 describes a method for carburizing and carbonitriding of steels, in which also the carburizing and carbide layer formation takes place uncontrolled, analogous to EP 0408511. The lack of measurement of the C-activity or the C-stream causes a completely uncontrolled carburization in the supercritical phase. Adherence to the saturation limit is theoretically (computationally), but practically impossible.
Bei der in dieser Schrift dargelegten Variante 3b wird ein CO-H2-Gasgemisch verwendet, mit dem sich zwar bei entsprechender Gasanalyse eine reproduzierbare Aufkohlung mit geregeltem C-Pegel durchführen lässt. Sie besitzt aber den Nachteil, dass bei ihr infolge des hohen CO-Gehaltes der Atmosphäre die erzeugten In the variant 3b set forth in this document, a CO-H 2 gas mixture is used with which a reproducible carburizing with controlled C level can be carried out with appropriate gas analysis. But it has the disadvantage that in her due to the high CO content of the atmosphere generated
Aufkohlungschichten nicht RO-frei sind. Auch die Anmelderin hat schon gemäß der EP 1 160 349 (siehe vergleichsweise in Fig. 1) ein Verfahren und eine Vorrichtung entwickelt, bei denen in 4 Schritten 1. ein Erwärmen mit IM2- und KW-Zufuhrmengenregelung erfolgt, so dass der C-Rand im vorgegebenen Bereich liegt, 2. eine Ausgleichsphase im vorgegebenen Bereich liegt, 3. eine Anreicherungs- und Diffusionsphase zu einer oberen und unteren Grenze des C-Rands durch Variation der N2-KW-Flüsse eingestellt wird und 4. ein Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgt. Es hat sich herausgestellt, daß das Aufheizen in N2 und KW zur Einstellung des nur geringen Rand-C-Gehaltes nur zu geringen Mengen an reduzierenden Carburizing layers are not RO free. The applicant has already developed a method and a device according to EP 1 160 349 (see, comparatively in FIG. 1), in which a heating with IM 2 and KW feed quantity control takes place in 4 steps 1, so that the C edge is in the predetermined range, 2. a compensation phase in the predetermined range is, 3. an enrichment and diffusion phase is set to an upper and lower limit of the C-rim by varying the N2-KW rivers and 4. cooling to room temperature. It has been found that the heating in N2 and KW to adjust the low C content only small amounts of reducing
Gasbestandteilen (H2) in der Ofenatmosphäre führt. Somit wird bei herkömmlichen Aufkohlungsöfen (Kammeröfen und kontinuierliche Öfen) wegen des naturgemäß eindringenden Luftsauerstoffs (Türöffnungen etc.) eine gewisse RO erzeugt. Gas components (H2) leads in the furnace atmosphere. Thus, in conventional carburizing furnaces (chamber furnaces and continuous furnaces), a certain amount of RO is generated because of the naturally penetrating atmospheric oxygen (door openings, etc.).
Das Aufkohlen in N2 mit KW zur Einstellung eines hohen Rand-C-Gehaltes und in der Ausgleichsphase eines niedrigen Rand-C-Gehaltes ist ungenau und nicht The carburizing in N 2 with KW to set a high edge C content and in the balancing phase of a low edge C content is inaccurate and not
reproduzierbar. Eine eventuell mögliche Gegenregelung mit H2 zur schnellen reproducible. A possible counter-regulation with H 2 for fast
Absenkung der C-Aktivität ist nicht obligatorisch. Lowering the C activity is not mandatory.
Da das Verfahren immer unter der Sättigungsgrenze arbeitet, sind die Zykluszeiten verhältnismäßig lang. Since the process always operates below the saturation limit, the cycle times are relatively long.
Bei der angesprochenen Prozessregelung wird lediglich die Steuerung der In the mentioned process control, only the control of
Gasflussmengen eingesetzt. Gas flow rates used.
Die Bestimmung des Rand-C-Gehaltes allein auf Basis der einströmenden The determination of the edge C content based solely on the inflowing
Gasmengen und nicht auf Basis der direkten Analyse der Gasbestandteile im Ofen ist ungenau und fehlerhaft und berücksichtigt nicht den jeweiligen Ofenzustand. Gas quantities and not on the basis of the direct analysis of the gas components in the oven is inaccurate and faulty and does not take into account the respective furnace condition.
Der Ausblick auf ein entfernt liegendes Verfahren zur Einsatzhärtung metallischer Werkstoffe nach der EP 0080124 offenbart eine pulsartige Zugabe von KW, gefolgt von einer kurzen Pause. Dabei wird nach mehreren Puls/Pause Zyklen eine längere Intervallpause eingelegt, die 10 bis 100 mal länger ist als der Puls/Pausenzyklus der Zugabe von N-haltigem Gas, dessen Menge während der KW-Pulszugabe erhöht wird. Die Dauer der Intervallpause verlängert sich mit der zunehmenden Aufkohlungsdauer. Die Puls/Pausenzyklen umfassen eine konstante kurze Zeitdauer. Es kommen inerte Gase, wie N2 und Kohlenwasserstoffe, insbesondere Propan, zum Einsatz. The outlook for a remote process for case hardening of metallic materials according to EP 0080124 discloses a pulse-like addition of HC, followed by a short break. In this case, after several pulse / pause cycles a longer pause interval is inserted, which is 10 to 100 times longer than the pulse / pause cycle of the addition of N-containing gas, the amount of which increases during the HC pulse addition becomes. The duration of the interval interval increases with the increasing carburization time. The pulse / pause cycles comprise a constant short period of time. Inert gases, such as N 2 and hydrocarbons, in particular propane, are used.
Analog zu EP 049 530 hat auch dieses Verfahren Nachteile. Die neu eingeführten Intervallpausen sollen zwar den Nachteil der unkontrollierten Carbidbildung beheben und die gebildeten Carbide auflösen; sie wirken aber als rein empirisches Instrument ohne Kenntnis der Menge und Größe der erzeugten Carbide. Die Intervallpausen erweisen sich als ungeeignet, weil je nach Carbidmengenanfall die Länge der Analogously to EP 049 530, this method also has disadvantages. Although the newly introduced Intervallpausen should indeed eliminate the disadvantage of uncontrolled carbide formation and dissolve the carbides formed; but they act as a purely empirical instrument without knowledge of the amount and size of the carbides produced. The interval breaks prove to be unsuitable, because depending on the amount of carbide the length of the
Intervallpause eingestellt werden muss, was aber nicht ohne Messung des Interval break must be set, but not without measurement of the
Carbidanfalles machbar ist. Carbide attack is feasible.
Somit schält sich nach dieser Analyse des Standes der Technik die Kritik Thus, according to this analysis of the prior art, the criticism peels off
dahingehend heraus, daß das Aufkohlen und Carbonitrieren von metallischen to the effect that the carburizing and carbonitriding of metallic
Werkstoffen für einen schnellen und gleichmäßigen Prozess in Atmosphärenöfen intensiv weiterzuentwickeln ist, um insgesamt zu einer weitgehend RO-freien Intensive further development of materials for a fast and uniform process in atmospheric furnaces is necessary to achieve a largely RO-free overall
Aufkohlung zu gelangen. Darüber hinaus wurde schon in Veröffentlichungen, wie To reach carburization. In addition, it has been in publications, such as
• W. Göhring in„Heiß in den Ofenraum eingeführte Gasgemische als • W. Göhring in "Gas mixtures introduced hot into the furnace chamber as
Atmosphäre bei der Wärmebehandlung von Stahl" (HTM 30(1975)2,107- 1 1 1 ) die ungeregelte Aufkohlung in einem Spaltgas-Erdgasgemisch bei 920°C, gefolgt von einer geregelten Aufkohlung in einem Erdgas- Atmosphere in the heat treatment of steel "(HTM 30 (1975) 2,107-1 1 1) the unregulated carburizing in a fission gas-natural gas mixture at 920 ° C, followed by a controlled carburizing in a natural gas
Luftgemisch (S. 1 10) dargelegt; Air mixture (p 1 10) set forth;
• J. Wünning et al. in "Gesteuerte Aufkohlung in CO-freien Atmosphären" (HTM 31 (1976)3,132-137 die Sättigungs-Ausgleichsverfahrens-Steuerung mittels mathematischen Modells zur Festlegung der Zeitanteile für• J. Wünning et al. in "controlled carburizing in CO-free atmospheres" (HTM 31 (1976) 3,132-137, the saturation compensation method control using a mathematical model for the determination of the time shares for
Sättigungs- und Ausgleichsphase und den Geometrieeinfluß von Kanten und Spitzen entsprechend einer Formel für einen C-Massenstrom beschrieben; • F. Nestor et al. in " Carburization of a high manganese, low carbon steel by methane - nitrogen gas mixtures" (J. Heat Treating 1(1979)1 , 58-63) eine funktionale Beziehung des Carburisierens in CHVNfe-Gemischen entwickelt und Saturation and compensation phase and the geometry influence of edges and peaks according to a formula for a C mass flow described; • F. Nestor et al. in "Carburization of a high manganese, low carbon steel by methane - nitrogen gas mixtures" (J. Heat Treating 1 (1979) 1, 58-63) developed a functional relationship of carburization in CHVNfe mixtures and
• ALNAT-HC in„Deutliche Verminderung der Randoxidation bei der • ALNAT-HC in "Significant reduction in edge oxidation in the
Wärmebehandlung" (Portal Ausgabe 7 (2010)) beschrieben, daß Acetylen wegen großer Verrußung als Anreicherungsgas nicht geeignet sei, diesbezügliche Versuche mit N2, H2 und Propan gemacht wurden, ein Gasgemisch aus N2, H2 und Propan gemeinsam mit Kern-Liebers zurHeat treatment "(Portal Edition 7 (2010)) described that acetylene is not suitable because of large carbon fouling as enrichment gas, related experiments were made with N2, H 2 and propane, a gas mixture of N 2 , H 2 and propane together with Kern-Liebers to
Marktreife entwickelt wurde und von Aichelin für das Verfahren von N2- Methanol auf eine neue Begasungstation mit den Gasen N2, H2, Acetylen und Propan umgerüstet wurde und allein die Gasmischung verändert wurde, alle anderen Behandlungsdaten gleich blieben. Aichelin was converted to a new fumigation station with the gases N 2 , H 2 , acetylene and propane for the process of N 2 - methanol and only the gas mixture was changed, all other treatment data remained the same.
Da in dem so analysierten Stand der Technik in erster Linie Angaben zu den Since in the state of the art analyzed in this way primarily information on the
Gasmengenströmen (ansatzweise nur in der EP 0408511 behandelt) und dem Ofendruck fehlen, die jedoch für die Optimierung der Prozessführung an Bedeutung gewinnen, fordert der Markt für den Betrieb effizienter einsetzbare Gas flow rates (rudimentary only in EP 0408511 treated) and the furnace pressure missing, but which gain in importance for the optimization of litigation, the market calls for operation more efficient
Weiterentwicklungen von Verfahren und Einrichtungen zum Aufkohlen und Further developments of methods and devices for carburizing and
Carbonitrieren von metallischen Werkstoffen in Atmosphärenöfen. Carbonitriding of metallic materials in atmospheric furnaces.
Darlegung des Wesens der Erfindung Explanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die neue Aufgabe zugrunde, die verfahrensgemäße The invention is based on the new object, the procedural
Prozessführung zum Aufkohlen und Carbonitrieren von metallischen Werkstoffen zeitweise ganz ohne Gasfluß zu ermöglichen und insbesondere den Ofendruck als zusätzlichen wichtigen Verfahrensparameter zu nutzen, um die Nachteile aus den wie oben zitierten Verfahren mit unterschiedlichen Gasmischungen von vorn herein auszuschließen, wobei diese Aufgabe im Einzelnen so zu lösen ist, dass To allow process control for carburizing and carbonitriding of metallic materials temporarily without gas flow and in particular to use the furnace pressure as an additional important process parameters to exclude the disadvantages of the above-cited method with different gas mixtures from the outset, to solve this task in detail so is that
• ein randoxidationsfreies (RO-freies) Aufkohlen bzw. eine exakte Einstellung des Rand-C-Gehalts und der Aufkohlungstiefe erreicht wird, • an edge oxidation-free (RO-free) carburizing or an exact adjustment of the edge C content and the carburization depth is achieved,
• dabei Angaben zu den Gasmengenströmen und dem Ofendruck • information on the gas flow rates and the furnace pressure
berücksichtigt werden und  be considered and
• die Aufkohlung und Carbidschichtbildung kontrolliert/reproduzierbar und nicht nach empirischen Erkenntnissen abläuft, so dass · das Aufkohlen und Carbonitrieren von metallischen Werkstoffen in einem • the carburizing and carbide layer formation controlled / reproducible and not according to empirical findings, so that · the carburizing and carbonitriding of metallic materials in one
schnellen und gleichmäßigen Prozess in den Atmosphärenöfen erfolgen kann.  fast and even process can be done in the atmosphere furnaces.
Erfindungsgemäß wird dies nach dem Verfahren in 6 funktional According to the invention, this becomes functional by the method in FIG
zusammenhängenden Teilschritten gelöst, wobei in einem ersten Verfahrensschritt ein Aufheizen in N2 und/oder H2, vorteilhaft in NH3- Spaltgas, mit einer Durchflußmenge, die einem Ofenkammervolumenaustausch von 1- bis 10-mal pro Stunde entspricht, erfolgt, zweiten Verfahrensschritt nach Erreichen der vorgesehenen resolved sub-steps, wherein in a first process step, a heating in N 2 and / or H 2 , advantageously in NH3-cracked gas, with a flow rate corresponding to a furnace chamber volume exchange of 1 to 10 times per hour takes place, second step after reaching the intended
Aufkohlungstemperatur ein KW-Gas, vorteilhaft Erdgas, Ethan, Propan, Propylen, Äthylen oder Acetylen zugegeben wird, und zwar mit einer Durchflußmenge entsprechend einem 1- bis 10-maligen Wechsel des Ofenkammervolumens pro Stunde so lange, bis der Rest-CH4-Gehalt im Ofen und/oder der C-Strom in die Werkstückoberfläche einen vorgegebenen Wert erreicht hat, der eine hohe C- Übertragungsrate im Ofen sicherstellt, und dritten Verfahrensschritt der KW-Gasfluss und der N2-, H2- oder NH3- Spaltgasfluss abgestellt und in der Ofenatmosphäre zumindest zeitweise völlig ohne Gasfluß in den Ofen aufgekohlt wird, bis der CH4-Gehalt oder der C-Strom einen vorgegebenen zweiten Wert erreicht hat, der einer deutlich geringeren C- Übertragungsrate entspricht, wobei in dieser Phase der Ofendruck auf einen vorgegebenen Wert zwischen 1 und 10 mbar Überdruck geregelt wird. Carburizing temperature of a hydrocarbon gas, preferably natural gas, ethane, propane, propylene, ethylene or acetylene is added, with a flow rate corresponding to a 1- to 10-fold change of the furnace chamber volume per hour until the residual CH 4 content in the oven and / or the C-stream in the Workpiece surface has reached a predetermined value, which ensures a high C transfer rate in the oven, and third step, the HC gas flow and the N 2 , H 2 or NH 3 - split gas flow off and in the furnace atmosphere, at least temporarily completely without gas flow in the Kiln is carburized until the CH 4 content or the C-stream has reached a predetermined second value corresponding to a much lower C-transfer rate, in which phase the furnace pressure is controlled to a predetermined value between 1 and 10 mbar overpressure.
Weiter wird die Erfindung ausgebildet, wenn in einem vierten Verfahrensschritt die Schritte 2 und 3 unter Berechnung der C- Übertragunsrate mit Hilfe eines mathematischen Modells und Steuerung des Rand-C-Gehaltes an oder nahe der maximalen C-Sättigungsgrenze der jeweiligen metallischen Legierung der Werkstoffe mehrmals wiederholt werden, fünften Verfahrensschritt die C-Aktivität der Ofenatmosphäre durch Further, the invention is embodied if, in a fourth process step, steps 2 and 3 calculate the C transfer rate several times using a mathematical model and controlling the edge C content at or near the maximum C saturation limit of the respective metallic alloy of materials are repeated, the fifth step, the C-activity of the furnace atmosphere by
Zudosierung von H2 oder einer H2-N2-Gasmischung, vorteilhaft Ammoniak- Spaltgas, mit einer Flußrate entsprechend einem 1- bis 10-maligem Wechsel des Ofenkammervolumens in der Stunde abgesenkt wird, so dass sich im Ofen eine C- Aktivität, im Wesentlichen definiert durch das Partialdruckverhältnis von p(CH4) zu p(H2)2, einstellt, das dem angestrebten Rand-C-Gehalt Werkstückes entspricht des bei gleichzeitig ggf. nötig werdender Nachdosierung des KW und/oder sechsten Verfahrensschritt diese Gasatmosphäre gehalten wird, bis gemäß einer mathematischen Rand-C-Gehalt-Modellberechnung der gewünschte Rand- C-Gehalt und die angestrebte Aufkohlungstiefe erreicht sind. Wesentlich ist, dass diese erfindungsgemäße Prozessführung durch eine Addition of H 2 or an H2-N 2 gas mixture, advantageously ammonia cracked gas, is lowered at a flow rate corresponding to a 1- to 10-fold change of the furnace chamber volume per hour, so that in the furnace a C activity, essentially defined by the partial pressure ratio of p (CH 4 ) to p (H 2 ) 2 , which corresponds to the desired edge C content of the workpiece is held at the same time possibly necessary redispersion of the KW and / or sixth step, this gas atmosphere, until, according to a mathematical boundary C content model calculation, the desired edge C content and the desired carburization depth have been reached. It is essential that this inventive process control by a
kontinuierliche Gasanalyse von H2 und CH4 bzw. der Messung des C-Stromes in die Werkstückoberfläche unterstützt wird. Hierbei kann der C-Strom z.B. durch Messung der Änderung des elektrischen Widerstandes eines sich in der Ofenatmosphäre befindlichen Eisendrahtes erfasst werden. Zum Schutz des Ofens vor zu starker Verrußung kann auch die Messung der Menge des im Ofen befindlichen Rußes mit Hilfe eines entsprechenden Rußsensors für eine verbesserte Prozesssicherheit sinnvoll sein. Continuous gas analysis of H 2 and CH 4 and the measurement of the C-stream is supported in the workpiece surface. In this case, the C-current can be detected, for example, by measuring the change in the electrical resistance of an iron wire located in the furnace atmosphere. To protect the furnace against excessive sooting, it may also be useful to measure the amount of soot in the furnace with the aid of a corresponding soot sensor for improved process reliability.
Für die Prozessvariante der Carbonitrierung wird im fünften und/oder sechsten Verfahrensschritt dem Prozessgas ungespaltenes Ammoniak mit einer Menge entsprechend einer Flußrate zwischen 1 und 20% der Flußrate des N2-H2- Gemsiches zugegeben. For the process variant of carbonitriding, uncleaved ammonia is added to the process gas in an amount corresponding to a flow rate between 1 and 20% of the flow rate of the N 2 -H 2 mixture in the fifth and / or sixth process step.
Mit der Erfindung wird für den Betreiber von Atmosphärenöfen ein hocheffizientes Verfahren bereitgestellt, welches sowohl eine sparsame Verwendung der With the invention, a highly efficient method is provided for the operator of atmospheric ovens, which is both an economical use of the
Prozeßgase gewährleistet als auch ein randoxidationsfreies (RO-freies) und außerdem sehr schnelles Aufkohlen sicherstellt. Process gases ensured as well as a randoxidationsfreies (RO-free) and also ensures very fast carburizing.
Damit wird die Aufkohlung kontrollierbar und reproduzierbar, weil sie nicht nach empirischen Erkenntnissen und weitgehend unabhängig von subjektiven Einflüssen abläuft. Das Aufkohlen und Carbonitrieren von metallischen Werkstoffen kann - bei differenziert gesteuerten Einzelschritten - insgesamt in einem schnellen und gleichmäßigen Prozess in den Atmosphärenöfen ablaufen. This makes carburization controllable and reproducible because it does not run according to empirical findings and largely independent of subjective influences. The carburizing and carbonitriding of metallic materials can - in the case of differentiated controlled individual steps - take place overall in a fast and even process in the atmospheric furnaces.
Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Einrichtung, die erste Mittel zur Erfassung und Steuerung der Durchflußmenge des betreffenden Gasgemischs entsprechend den baulichen To carry out the method, a device is used, the first means for detecting and controlling the flow rate of the respective gas mixture according to the structural
Dimensionen, b) zweite Mittel zur Erfassung der Aufkohlungstemperatur c) dritte Mittel zur Messung des Rest CH4-Gehalt.es d) vierte Mittel zur Messung des H2-Gehaltes e) fünfte Mittel zur C-Strommessung f) sechste Mittel zur OfendruckmessungAregelung g) siebte Mittel zur Erfassung der Rußmenge h) achte Mittel zum Schließen der Ofenabgasleitung i) neunte Mittel zur Steuerung des Aufkohl ungsprozesses umfasst, welche Mittel mit einer Steuerung/Regelung zur Prozeßführung Dimensions, b) second carburizing temperature detecting means c) third means for measuring the residual CH 4 content. D) fourth means for measuring the H 2 content e) Fifth means for C current measurement f) sixth means for furnace pressure measurementAregelung g) seventh means for detecting the amount of soot h) eighth means for closing the furnace exhaust gas i) ninth means for controlling the carburization process comprises, which means with a control / regulation for process control
entsprechend den Parametern des Programms funktionell verknüpft sind. are functionally linked according to the parameters of the program.
Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel in einer/mit Anwendungsvariante/n beschrieben. The invention will be described with reference to an exemplary embodiment in an application variant (s).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen In den Zeichnungen zeigen Brief Description of the Drawings In the drawings show
Fig. 1 eine Grafik des Aufkohlungsprozesses entsprechend dem Stand der Technik gemäß EP 1160349 und Fig. 2 eine Grafik der Darstellung des Aufkohlungsprozesses an einem1 is a graph of the carburizing process according to the prior art according to EP 1160349, and FIG. 2 is a graph showing the carburizing process on a
Werkstoff im Ergebnis der erfindungsgemäßen Schritte sowie Material as a result of the steps according to the invention as well
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes der Fig. 3 is a schematic representation of a block diagram of
erfindungsgemäßen Einrichtung.  inventive device.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Best way to carry out the invention
Fig. 1 zeigt die kontinuierlich fließenden Gasmengen von Acetylen, Stickstoff und Wasserstoff und die mehr oder weniger empirisch vorgenommenen zeitlichen Variationen dieser Gasflußmengen zur Einstellung verschiedener Rand-C-Gehalte. Demgegenüber zeigt die Fig. 2 das Schema des Prozessverlaufs, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Einspeisung konstanter Gasmengen innerhalb der einzelnen Verfahrensschritte und auch das zeitweilige Unterbrechen des Gasflusses in den Ofen sowie die Nutzung der Gasanalyse (CH4 und H2) und der Druckregelung für die Steuerung der Aufkohlung. Fig. 1 shows the continuously flowing gas quantities of acetylene, nitrogen and hydrogen and the more or less empirically made temporal variations of these gas flow rates for adjusting various marginal C contents. In contrast, Fig. 2 shows the scheme of the process, according to the method of the invention, the supply of constant amounts of gas within the individual process steps and the temporary interruption of the gas flow in the furnace and the use of gas analysis (CH 4 and H 2 ) and the pressure control for the Control of carburizing.
Auf diese Weise wird eine kontrollierte und reproduzierbare Aufkohlung mit KW- Gasen (ohne Einsatz von CO und CO2 oder H2O) erreicht bei gleichzeitig völliger Randoxidationsfreiheit der aufgekohlten metallischen Randschichten. In this way, a controlled and reproducible carburization with HC gases (without the use of CO and CO2 or H 2 O) is achieved at the same time complete absence of edge oxidation of the carburized metallic surface layers.
Diese positiven Wirkungen werden erreicht, wenn an einem bevorzugten These positive effects are achieved when, at a preferred
Verfahrensbeispiel bei der Prozessvariante einer Aufkohlung und Abhärtung in einem Atmosphärenofen, wie Mehrzweckkammerofen mit einem Volumen einer Process example in the process variant of a carburizing and hardening in an atmosphere furnace, such as multi-purpose chamber furnace with a volume of a
Heizkammer von 4 m3 und Heating chamber of 4 m 3 and
einer einsatzzuhärtenden Charge von Getriebeteilen aus einem Stahl 16MnCr5 auf eine CD von 0,8 mm die folgenden Schritte ausgeführt werden: a case-hardening batch of gear parts made of 16MnCr5 steel on a CD of 0.8 mm the following steps are carried out:
I. Verfahrensschritt 1 : Aufheizen der Charge in der Heizkammer des Kammerofens unter Spülung derI. Process step 1: heating the batch in the heating chamber of the chamber furnace under rinsing the
Kammer mit einem Wasserstoff-Stickstoff-Gasgemisch, z.B. 75% H2 und 25% N2, mit einer Flußrate von 15 Nm3/h. Chamber with a hydrogen-nitrogen gas mixture, eg 75% H 2 and 25% N 2 , with a flow rate of 15 Nm 3 / h.
II. Verfahrensschritt 2: Nach Erreichen der Aufkohlungstemperatur von 930°C Zuführen von Erdgas in den Ofen mit einer Flußrate von 4 Nm3/h, so lange bis im Ofen die Konzentration von Methan auf 6 Vol. -% angestiegen ist. II. Process step 2: After reaching the carburizing temperature of 930 ° C, feed natural gas into the furnace at a flow rate of 4 Nm 3 / h, until the concentration of methane in the furnace has risen to 6% by volume.
III. Verfahrensschritt 3: Abstellen des Erdgasflusses und Schliessen des Abbrandventils, d.h. Aufkohlen im wesentlichen in„stehendem" Gas, wobei der Ofendruck zwischen 2 und 5 mbar gehalten wird durch eine zeitweise Zugabe von H2/N2-Gas. Dauer des 3. Schrittes bis der Methangehalt im Ofen auf 0,5% abgesunken ist. IV. Verfahrensschritt 4: III. Process step 3: stopping the natural gas flow and closing the burn-off valve, ie carburizing substantially in "stationary" gas, the furnace pressure being maintained between 2 and 5 mbar by a temporary addition of H 2 / N 2 gas the methane content in the furnace has dropped to 0.5%. IV. Process Step 4:
Öffnen des Abbrandventils und Zugabe von Erdgas in den Ofen mit einer Flußrate von 4 Nm3/h, so lange bis der berechnete Rand-Kohlenstoffgehalt des Stahles 16MnCr5 den Wert der maximalen Sättigungsgrenze für Kohlenstoff bei 930°C erreicht. Opening the burn-off valve and adding natural gas to the furnace at a flow rate of 4 Nm 3 / h until the calculated marginal carbon content of the 16MnCr5 steel reaches the maximum carbon saturation limit at 930 ° C.
V. Verfahrensschritt 5: V. Process Step 5:
Absenken der Kohlenstoffaktivität der Ofenatmosphäre durch Schliessen des Erdgasflusses in den Ofen und Öffnen des H2-/N2-Gasflusses in den Ofen mit einer Flussrate von 10 Nm3/h bei gleichzeitiger Absenkung der Ofentemperatur auf 850°C. Dauer dieses Schrittes, bis sowohl die Ofentemperatur von 850°C erreicht ist als auch die Kohlenstoffaktivität der Ofenatmosphäre, definiert durch das Verhältnis des Partialdruckes von Methan p(CH4) zum quadratischen Partialdruck von Lowering the carbon activity of the furnace atmosphere by closing the flow of natural gas into the furnace and opening the H 2 / N 2 gas flow into the furnace at a flow rate of 10 Nm 3 / h while lowering the furnace temperature to 850 ° C. Duration of this step until both the furnace temperature of 850 ° C is reached and the carbon activity of the furnace atmosphere, defined by the ratio of the partial pressure of methane p (CH 4 ) to the square partial pressure of
Wasserstoff p(H2), auf den Wert von 0,75 abgesunken ist. Hydrogen p (H 2 ) has fallen to the value of 0.75.
VI. Verfahrensschritt 6: VI. Process step 6:
Halten der Charge bei 850°C unter Regelung der Kohlenstoffaktivität der  Holding the batch at 850 ° C while controlling the carbon activity of the
Ofenatmosphäre auf den Wert 0,75 durch gepulste Erdgaszugabe bei gleichzeitiger Ofendruckregelung auf einen Druckwert zwischen 2 und 5 mbar durch zeitweise Zugabe von H2 und N2, so lange bis der berechnete Rand-Kohlenstoffgehalt des Stahles seinen Zielwert von 0,75-Gew.% und die berechnete Aufkohlungstiefe ihre Zielgröße von 0,8 mm erreicht haben. Diese erfindungsgemäße Prozessführung wird durch eine kontinuierliche und integrierte Gasanalyse von H2 und CH4 bzw. der Messung des C-Stromes im jeweiligen Ofen begleitet. Dabei erfolgt die direkte Messung des C-Stromes mittels der Änderung des elektrischen Widerstandes eines Eisendrahtes. Auch die Messung der Menge des im Ofen gebildeten Rußes kann zur Erhöhung der Prozesssicherheit herangezogen werden. Oven atmosphere to the value 0.75 by pulsed natural gas addition with simultaneous furnace pressure control to a pressure value between 2 and 5 mbar by temporarily adding H 2 and N 2 , until the calculated edge carbon content of the steel reaches its target value of 0.75 wt. % and the calculated carburization depth have reached their target size of 0.8 mm. This process according to the invention is accompanied by a continuous and integrated gas analysis of H 2 and CH 4 or the measurement of the C-stream in the respective furnace. In this case, the direct measurement of the C-current by means of the change in the electrical resistance of an iron wire. Also, the measurement of the amount of soot formed in the furnace can be used to increase the process reliability.
Gemäß Fig. 3 ist für den Atmosphärenofen in der Einrichtung ein Programm zur Steuerung/Regelung der Prozessführung integriert, welches entsprechend den Verfahrensschritten 1 bis 3 nach der Fig. 2 die Parameter zur Aufnahme, Regelung und Ausgabe mindestens eines der Kriterien, wie a) Verhältnis oder die Durchflußmenge des According to FIG. 3, a program for controlling / regulating the process control is integrated into the device for the atmospheric oven, which program is designed according to the Method steps 1 to 3 of FIG. 2, the parameters for receiving, regulating and output of at least one of the criteria, such as a) ratio or the flow rate of the
Ofenkammervolumenaustauschs der Prozeßgase pro Stunde, b) Werte des Ofendrucks, c) Aufkohlungstemperatur und Zugabe des KW-Gases entsprechend dem Rest-CH4-Gehalt oder dem C-Strom nach einem vorgegebenen Wert, d) Abstellung des Spaltgasflusses in der Ofenatmosphäre entsprechend dem Erreichen des CH4-Gehalts oder des C-Stromes, e) Berechnung der C-Übertragungsrate mittels eines mathematischen Modells zur Steuerung des Rand-C-Gehaltes und der Aufkohlungstiefe, f) Absenkung der C-Aktivität der Ofenatmosphäre, g) kontinuierliche Gasanalyse, h) Messung des C-Stroms durch Änderung des elektrischen Widerstandes oder i) Zugabe von ungespaltenem Ammoniak entsprechend einer Furnace chamber volume exchange of the process gases per hour, b) furnace pressure values, c) carburizing temperature and addition of the HC gas according to the residual CH 4 content or C current to a predetermined value, d) shutdown of the fission gas flow in the furnace atmosphere according to reaching of the CH 4 content or the C-stream, e) calculating the C-transmission rate by means of a mathematical model to control the edge-C content and the carburizing depth, f) reduction of the C-type of furnace atmosphere, g) continuous gas analysis, h Measuring the C-current by changing the electrical resistance or i) adding uncleaved ammonia according to one
erforderlichen Flußrate steuert.  required flow rate controls.
Zur Durchführung des Verfahrens wird dem Atmosphärenofen die Konfiguration einer Einrichtung gemäß Fig. 3 zugeordnet, die im Wesentlichen umfasst: a) Erste Mittel zur Erfassung und Steuerung der Durchflußmenge des betreffenden Gasgemischs entsprechend den baulichen Dimensionen, b) zweite Mittel zur Erfassung der Aufkohlungstemperatur , c) dritte Mittel zur Messung des Rest CH4-Gehaltes d) vierte Mittel zur Messung des H2-Gehaltes e) fünfte Mittel zur C-Strommessung f) sechste Mittel zur Ofendruckmessung/-regelung g) siebte Mittel zur Erfassung der Rußmenge h) achte Mittel zum Schließen der Ofenabgasleitung i) neunte Mittel zur Steuerung des Aufkohlungsprozesses welche Mittel mit der Steuerung/Regelung zur Prozessführung entsprechend den Parametern des Programms funktionell verknüpft sind. For carrying out the method, the atmosphere furnace is assigned the configuration of a device according to FIG. 3, which essentially comprises: a) first means for detecting and controlling the flow rate of the gas mixture in question according to the structural dimensions, b) second means for recording the carburizing temperature, c) third means for measuring the residual CH 4 content d) fourth means for measuring the H 2 content e) Fifth means for C current measurement f) sixth means for furnace pressure measurement g) seventh means for detecting the amount of soot h) eighth means for closing the furnace exhaust gas i) ninth means for controlling the carburization process which means with the control / regulation for process control are functionally linked according to the parameters of the program.
Gewerbliche Anwendbarkeit Die Verfahrens- und einrichtungsgemäße Ausführung nach der Erfindung stellt für den Ofenbetreiber bei der Wärmebehandlung metallischer Werkstücke ein effizientes randoxidationsfreies (RO-freies) Aufkohlen mit genauer Einstellung des Rand-C- Gehalts und der Aufkohl ungstiefe bereit, wobei die Aufkohlung Industrial Applicability The process and device according to the invention execution provides the furnace operator in the heat treatment of metallic workpieces an efficient edge oxidation free (RO-free) carburizing with precise adjustment of the edge C content and the carburizing ungestiefe ready, wherein the carburizing
kontrolliert/reproduzierbar und nicht nach empirischen Erkenntnissen abläuft, so dass das Aufkohlen und Carbonitrieren von metallischen Werkstoffen in einem schnellen und gleichmäßigen Prozess erfolgen kann. Bezugszeichen liste controlled / reproducible and not according to empirical findings, so that the carburizing and carbonitriding of metallic materials can be done in a fast and even process. Reference number list
1 = Atmosphärenofen 1 = atmosphere oven
2 = Erste Mittel zur Messung und Steuerung der Gasflussmengen 3 = Zweite Mittel zur Temperaturmessung  2 = First means of measuring and controlling gas flow rates 3 = Second means of measuring temperature
4 = Dritte Mittel zur Messung des Rest CH4-Gehaltes 4 = Third means for measuring the residual CH 4 content
5 = Vierte Mittel zur Messung des H2-Gehaltes 5 = Fourth means for measuring the H 2 content
6 = Fünfte Mittel zur C-Strommessung  6 = fifth means for C current measurement
7 = Sechste Mittel zur Ofendruckmessung/-regelung  7 = Sixth means of furnace pressure measurement / control
8 = Siebte Mittel zur Erfassung der Rußmenge  8 = Seventh means for detecting the amount of soot
9 = Achte Mittel zum Schließen der Ofenabgasleitung  9 = Eighth means for closing the furnace exhaust gas line
10 = Neunte Mittel zur Steuerung des Aufkohlungsprozesses  10 = Ninth means for controlling the carburization process
I = Verfahrensschritt 1 I = process step 1
11 = Verfahrensschritt 2  11 = method step 2
III = Verfahrensschritt 3  III = process step 3
IV = Verfahrensschritt 4  IV = process step 4
V = Verfahrensschritt 5  V = method step 5
VI = Verfahrensschritt 6  VI = method step 6
Legende Legend
KW = Kohlenwasserstoff KW = hydrocarbon
NH3 = Ammoniakgas NH3 = ammonia gas
H3diss = dissoziierter Ammoniak  H3diss = dissociated ammonia
H2 = Wasserstoffgas H 2 = hydrogen gas
N2 = Stickstoffgas N 2 = nitrogen gas
Ti = Temperatur des Aufkohlungsprozesses  Ti = temperature of the carburization process
T2 = Temperatur des Diffusionsprozesses (vor dem Abschrecken) T 2 = temperature of the diffusion process (before quenching)
VH2 = Volumenstrom H2 (m3/h)V H2 = volumetric flow H 2 (m 3 / h)
H2/N2 = Volumenstrom H2/N2-Gemisch (m3/h) H2 / N2 = volume flow H 2 / N 2 mixture (m 3 / h)
VC2 H2 = Volumenstrom C2/H2-Gemisch (m3/h) VN2 = Volumenstrom N2 (m3/h) VC2 H2 = volume flow C 2 / H 2 mixture (m 3 / h) V N 2 = volume flow N 2 (m 3 / h)
VNH3 = Volumenstrom NH3 (m3/h) VNH3 = volume flow NH 3 (m 3 / h)
Wc = Kohlenstoffpegel (Gew.-%)  Wc = carbon level (wt%)
V«w = Volumenstrom eines Kohlenwasserstoffgases (m3/h) CCH4 = Konzentration von Methan in der Ofenatmosphäre (Vol-%)V «w = volumetric flow of a hydrocarbon gas (m 3 / h) CCH 4 = concentration of methane in the furnace atmosphere (vol%)
CRand = Konzentration des Kohlenstoffes am Rand des metallischen CRand = concentration of carbon at the edge of the metallic
Werkstückes (Gew-%)  Workpiece (% by weight)
P = Ofendruck (mbar)  P = furnace pressure (mbar)
t/h = Zeitdauer in Stunden t / h = time in hours

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zum Aufkohlen und Carbonitrieren von metallischen Method of carburizing and carbonitriding of metallic
Werkstoffen, insbesondere für einen schnellen und gleichmäßigen Prozess in Atmosphärenöfen (1) im Temperaturbereich von 800 bis 1150°C unter Verwendung von Kohlenwasserstoffgasen sowie Gasen, wie Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, daß in einem a) ersten Verfahrensschritt (I) ein Aufheizen mit mindestens einem der Gase N2 oder H2 mit einer Durchflußmenge entsprechend einem erforderlichen Ofenkammervolumenaustausch erfolgt, b) zweiten Verfahrensschritt (II) nach Erreichen der vorgesehenen Aufkohlungstemperatur ein KW-Gas so lange zugegeben wird, bis der Rest-CH4-Gehalt im Ofen oder der gemessene C-Strom in die Werkstückoberflächen einen vorgegebenen Wert erreicht hat, der eine hohe C-Übertragungsrate im Ofen sicherstellt und c) drittenVerfahrensschritt (III) der KW-Gasfluss und der N2-, H2- oder NH3-Spaltgasfluss abgestellt und in der Ofenatmosphäre zumindest zeitweise völlig ohne Gasfluß in den Ofen aufgekohlt wird, bis der CH4-Gehalt der Ofenatmosphäre oder der gemessene C-Strom in die Werkstückoberflächen einen vorgegebenen zweiten Wert erreicht hat, der einer deutlich geringeren C-Übertragungsrate entspricht. Materials, in particular for a rapid and uniform process in atmospheric furnaces (1) in the temperature range from 800 to 1150 ° C using hydrocarbon gases and gases, such as nitrogen, hydrogen and ammonia, characterized in that in a) first method step (I) a Heating with at least one of the gases N 2 or H 2 is carried out with a flow rate corresponding to a required furnace chamber volume exchange, b) second process step (II) after reaching the intended carburizing temperature, a HC gas is added until the residual CH 4 content in Furnace or the measured C-stream has reached a predetermined value in the workpiece surfaces, which ensures a high C-transfer rate in the furnace and c) third process step (III) the HC gas flow and the N 2 , H 2 or NH 3 gap gas flow turned off and carburized in the furnace atmosphere at least temporarily completely without gas flow into the furnace until the CH 4 content the furnace atmosphere or the measured C-current in the workpiece surfaces has reached a predetermined second value, which corresponds to a significantly lower C transfer rate.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in einem vierten Verfahrensschritt (IV) die Schritte b) und c) unter Berechnung der C-Übertragungsrate mit Hilfe eines mathematischen Modells und Method according to Claim 1, characterized in that, in a fourth method step (IV), steps b) and c) are calculated by calculating the C transmission rate using a mathematical model and
Steuerung des Rand-C-Gehaltes an oder nahe der maximalen C- Sättigungsgrenze der jeweiligen metallischen Legierung der Werkstoffe mehrmals wiederholt werden. Control the edge C content at or near the maximum C saturation limit of the respective metallic alloy of the materials are repeated several times.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem fünften Verfahrensschritt (V) die C-Aktivität der Ofenatmosphäre durch Zudosierung von Hb oder einer H2/N2-Gasmischung mit einer Flußrate entsprechend einem Austausch des Ofenkammervolumens abgesenkt wird, so dass sich im Ofen eine C-Aktivität, im Wesentlichen definiert durch das Partialdruckverhältnis von p(CH ) zu p(H2)2, einstellt, das dem angestrebten Rand-C-Gehalt Werkstückes entspricht, bei gleichzeitig ggf. erforderlich werdender Nachdosierung des 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in a fifth method step (V) the C-activity of the furnace atmosphere is lowered by adding Hb or a H 2 / N 2 gas mixture at a flow rate corresponding to a replacement of the furnace chamber volume so that in the oven, a C-activity, essentially defined by the partial pressure ratio of p (CH) to p (H 2 ) 2 , adjusts, which corresponds to the desired edge C content workpiece, with possibly simultaneously becoming necessary replenishment of the
Kohlenwasserstoffs.  Hydrocarbon.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem sechsten Verfahrensschritt (VI) diese Gasatmosphäre so lange gehalten wird, bis gemäß einer mathematischen Modellberechnung die gewünschte Aufkohl ungstiefe erreicht ist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in a sixth step (VI), this gas atmosphere is maintained until, according to a mathematical model calculation, the desired carburizing ungestiefe is reached.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt (I) NH3-Spaltgas mit einer 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in the first process step (I) NH 3 -gaping gas with a
Durchflußmenge, die einem Ofenkammervolumenaustausch von 1- bis 10- mal pro Stunde entspricht, verwendet wird.  Flow rate corresponding to a furnace chamber volume exchange of 1 to 10 times per hour is used.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Verfahrensschritt (II) Erdgas, Ethan, Propan, Propylen, Äthylen oder Acetylen mit einer Durchflußmenge entsprechend einem 1- bis 10-maligen Austausch des Ofenkammervolumens pro Stunde zugegeben wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that in the second process step (II) natural gas, ethane, propane, propylene, ethylene or acetylene is added at a flow rate corresponding to a 1- to 10-times replacement of the furnace chamber volume per hour ,
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Phase des dritten Verfahrensschritts (III) der Ofendruck auf einen vorgegebenen Wert zwischen 1 und 10 mbar Überdruck geregelt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the phase of the third process step (III) the furnace pressure is regulated to a predetermined value between 1 and 10 mbar pressure.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im fünften Verfahrensschritt (V) entsprechend einem 1- bis 10-maligen Austausch des Ofenkammervolumens in der Stunde Ammoniak-Spaltgas verwendet wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that in the fifth method step (V) corresponding to a 1- to 10-times Replacement of the furnace chamber volume in the hour ammonia cracking gas is used.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im sechsten Verfahrensschritt (VI) der Rand-C-Gehalt nach einer mathematischen Modellrechnung berechnet wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that in the sixth method step (VI) the edge C content is calculated according to a mathematical model calculation.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessführung der Schritte durch eine kontinuierliche Gasanalyse von H2 und CH4 oder Messung des C-Stromes im jeweiligen Ofen erfolgt. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the process control of the steps by a continuous gas analysis of H 2 and CH 4 or measurement of the C-stream is carried out in the respective furnace.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der C-Strom direkt durch eine Änderung des elektrischen 11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the C-current directly by a change of the electric
Widerstandes mittels eines Eisendrahtes gemessen wird.  Resistance is measured by means of an iron wire.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Rußsensor zur Erfassung einer Rußmenge verwendet wird. 12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that a soot sensor is used to detect a soot amount.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Prozessvariante der Carbonitrierung im fünften 13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that for a process variant of carbonitriding in the fifth
Verfahrensschritt (V) und/oder sechsten Verfahrensschritt (VI) dem  Process step (V) and / or sixth process step (VI) the
Prozessgas ungespaltenes Ammoniak mit einer Menge entsprechend einer Flußrate zwischen 1 und 20% der Flußrate des N2/H2-Gemisches zugegeben wird. Process gas is added uncleaved ammonia with an amount corresponding to a flow rate between 1 and 20% of the flow rate of the N 2 / H 2 mixture.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Programms für die Prozessführung in einem jeweiligen Atmosphärenofen, aufweisend mindestens ein Parameter zur Aufnahme/Steuerung/Regelung/Ausgabe a) des Verhältnisses/der Durchflußmenge des 14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized by the use of a program for the process control in a respective atmospheric furnace, comprising at least one parameter for receiving / control / output a) of the ratio / the flow rate of the
Ofenkammervolumenaustauschs der Prozeßgase pro Stunde, b) der Werte des Ofendrucks, c) der Aufkohlungstemperatur und Zugabe des KW-Gases entsprechend dem Rest-CH4-Gehalt und/oder dem C-Strom nach einem vorgegebenen Wert sowie ggfs. unter Einbeziehung eines Signalwertes vom Rußsensor. d) der Abstellung des Spaltgasflusses in der Ofenatmosphäre Furnace chamber volume exchange of the process gases per hour, b) the values of the furnace pressure, c) the carburizing temperature and the addition of the HC gas corresponding to the residual CH 4 content and / or the C flow to a predetermined value and, if necessary, including a signal value from the soot sensor. d) the shutdown of the fission gas flow in the furnace atmosphere
entsprechend dem Erreichen des CH4-Gehalts oder des C-Stroms, e) der Berechnung der C-Übertragungsrate mittels eines mathematischen Modells zur Steuerung des Rand-C-Gehaltes und der Aufkohlungstiefe f) der Absenkung der C-Aktivität der Ofenatmosphäre, g) der kontinuierlichen Gasanalyse, h) der Messung des C-Stroms durch Änderung des elektrischen e) the calculation of the C transfer rate by means of a mathematical model for the control of the marginal C content and the carburizing depth f) of the reduction of the C activity of the furnace atmosphere, g) according to the achievement of the CH 4 content or the C stream; h) the measurement of the C-current by changing the electrical
Widerstandes und i) der Zugabe von ungespaltenem Ammoniak entsprechend einer erforderlichen Flußrate.  Resistance and i) the addition of uncleaved ammonia according to a required flow rate.
15. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, gekennzeichnet durch einen Atmosphärenofen (1) mit einem Abbrandventil (9), erste Mittel zur Messung und Steuerung der Gasflussmengen einer Gasdosier- und -regelvorrichtung (2) für die Prozessgase H2/H2 und KW sowie NH3, zweite Mittel zur 15. Device for carrying out the method, characterized by an atmosphere furnace (1) with a burn-off valve (9), first means for measuring and controlling the gas flow amounts of a gas metering and control device (2) for the process gases H 2 / H 2 and KW and NH3, second means to
Temperaturmessung für eine Erfassung der Aufkohlungstemperatur (3), dritte Mittel zur Messung des Rest CH4-Gehaltes (4), vierte Mittel zur Messung des H2-Gehaltes (5), fünfte Mittel zur Messung des C-Stromes (6), sechste Mittel zur Ofendruckmessung/-regelung (7), siebte Mittel zur Erfassung der im Ofen gebildeten Rußmenge mittels eines Rußsensors (8), achte Mittel zum Temperature measurement for carburizing temperature detection (3), third CH 4 content measuring means (4), fourth H 2 content measuring means (5), fifth C current measuring means (6), sixth Means for measuring furnace pressure (7), seventh means for detecting the amount of soot formed in the furnace by means of a soot sensor (8), eighth means for
Schließen der Ofenabgasleitung (9), neunte Mittel zur Steuerung des  Close the furnace exhaust pipe (9), ninth means for controlling the
Aufkohlungsprozesses und Regelung der Prozeßparameter (10) inkl der Berechnung der C-Aktivität und des C-Stromes sowie zur Modellberechnung des Rand-C-Gehalts und der Aufkohlungstiefe.  Carburization process and control of the process parameters (10) including the calculation of the C activity and the C flow as well as for the model calculation of the edge C content and the carburization depth.
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