NO813283L - Fremgangsmaate og apparat for oppkulling av metalliske arbeidsstykker - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et apparat

for oppkulling av metalliske arbeidsstykker, hvor arbeidsstykkene oppvarmes til høy temperatur i en glødeovn og utsettes for innvirkning av en carbonholdig gassblanding og herdes.

Blant de kjente oppkullingsprosesser får gassopp-kullingen og carbonLtreringen stadig økende betydning. Frem-gangsmåtene utføres i glødeovner av lukket konstruksjon som gjør det mulig å tilveiebringe og opprettholde en regulert atmosfære ved en bestemt reaksjonstemperatur. Det vesentlige problem ved gassoppkullingsprosessen består i å kunne over-føre kullstoffet fra gassatmosfæren til arbeidsmaterialet, f.eks. stål, på regulert måte for å oppnå reproduserbare oppkullingsresultater for arbeidsstykker med forskjellig grunncarboninnhold, forskjellige legeringer og spesielt med forskjellig form.

Det er kjent for tilveiebringelse av en oppkullings-gassatmosfære å innføre en gassblanding av de tre komponenter nitrogen, hydrocarbon og oxygenavgivningsmateriale i ovnsrommet (vest-tyske publiserte patentsøknader 24-50 879 og 28 18 558). Som hydrocarboner nevnes paraffin eller paraf-finiske hydrocarboner, methan, ethan, propan, butan eller jordgass med en andel av 57,5 - 38 gramatomer carbon. Som oxygenavgivende materiale kan oxygen, luft, carbondioxyd, carbonmonoxyd, vanndamp eller blandinger derav anvendes. Gasskomponentene tilføres til ovnen adskilt eller i blandning med hverandre. Målingen og reguleringen av gassatmosfæren skjer ved hjelp av duggpunkt-, infrarød- (Ct^) eller oxygen-målinger.

Det har imidlertid vist seg at den ovennevnte sammenheng mellom carbondioxydinnholdet, oxygeninnholdet og dugg-punktet på den ene side og carbonpotensialet på den annen side ikke uten videre kan utnyttes for regulering da de gasser som innføres i ovnen, ikke befinner seg i reaksjons-likevekt.

Det er i denne sammenheng også kjent å tilsette methan som carbonholdig gass til en gassatmosfære. Ved denne fremgangsmåte blir oppkullingsprosessen oppdelt i to eller tre intervaller i løpet av hvilke oppkullingsmidlet innføres i ovnen (intervalloppkulling). Intervallene er tidsmessig adskilt fra hverandre ved to eller tre faser i løpet av hvilke intet oppkullingsmiddel innføres<*>i ovnen. Under opp-kullingsintervallene øker carbonpotensialet i ovnen sterkt og det oppstår sotdannelse. I den etterfølgende fase i løpet av hvilken intet oppkullingsmiddel, men luft, innføres i ovnen, synker carbonpotensialet igjen til null. Ved denne metode kan imidlertid vilkårlige oxydasjoner ikke unn-gås. Dersom imidlertid andelen av oppkullingsmidlet i gassblandingen reduseres for å unngå en for sterk sotdannelse, øker oppkullingstiden betraktelig.

Det tas derfor ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte for jevn oppkulling av arbeidsstykket og som kan utføres på en pålitelig og hurtig og dermed økonomisk måté.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved at én eller flere av de carbonholdige gasskomponenter i gassblandingen tilføres pulserende mens gassblandingen innvirker på arbeidsstykkenes overflate.

Oppfinnelsen beror på den erkjennelse at et stort fall i carbonpotensial mellom arbeidsstykkeoverflate og kjerne i seg selv sterkt gjør seg gjeldende som ytterligere drivende diffusjonskraft fra begynnelsen av oppkullingen. For å oppnå dette fall i carbonpotensial blir de carbonholdige gasskomponenter i gassblandingen pulserende tilført. Dette innebærer at gassblandingens carbonandel under oppkullingen i løpet av tallrike faser hver gang heves til et bestemt nivå, idet disse faser er adskilt i tidsintervaller

i løpet av hvilke carbonandelen~ikke forandres ved til-førsel av carbonholdige gasskomponenter, slik at carbonan-delen i gassblandingen synker. Gassblandingen oppviser i det minste atmosfæretrykk, og dens trykk stiger hurtig i løpet av en støtvis tilførsel av en carbonholdig gasskom-ponent. Denne trykkøkning er spesielt utpreget når hydrocarboner med to eller flere carbonatomer innføres i ovnen da hvert av deres molekyler spaltes i flere gassmolekyler med tilsvarende trykkøkning. Gassatmosfærens trykk varierer i den samme takt som den pulserende tilførsel av de carbonholdige gasskomponenter har ("pusting" av gassatmosfæren)..

Hovedfordelen ved den foreliggende fremgangsmåte er

en reduksjon av glødetiden på inntil 60% sammenlignet med . endogassprosessen, idet med glødetid varigheten av oppkullingen og diffusjonen skal forstås. Dessuten fås store herdedybder. Ved hjelp av den foreliggende fremgangsmåte fås en jevn oppkulling som dessuten fører til sot- og rand-oxydasjonsfrie arbeidsstykker. Dessuten er fremgangsmåten vesentlig mer driftssikker. På grunn av det lave I^-inn-hold er eksplosjonsfaren mindre, og ovnene kan ved tomgang og under weekenden tilføres gass uten risiko.

Det er dessuten heller ikke lenger nødvendig med gass-generatorer.

Det har vist seg spesielt fordelaktig pulserende å tilføre ett eller flere hydrocarboner, idet varigheten av tilførselsperioden er kort sammenlignet med intervallene mellom to tilførselsperioder (diffusjonsfase). Tilførsels-perioden er da 2-200 s, fortrinnsvis 15-60 s, mens varigheten av diffusjonsfasen er 10-500 s, fortrinnsvis 50-200 s.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte blir methan- og/eller sotandelen i gassblandingen målt, og målestørrelsene blir tilført til en styreenhet og tilførselen av ett eller flere av hydrocarbonene inn-stilt av styreenheten efter sammenligning av verdiene for methan- og/eller sotinnholdet med en på forhånd gitt skal-verdi.

Ifølge oppfinnelsen velges skalverdiene slik at

en overkulling, dvs. sotdannelse, ikke finner sted. De metalliske arbeidsstykkers overflate holder seg derfor hele tiden sotfri. Dessuten holdes carbonpotensialet nesten konstant på en verdi, arbeidslinjen, rundt hvilken carbonpotensialet svinger. Carbonpotensialet stiger kortvarig i løpet av den pulslignende tilførsel av hydrocarboner og synker i løpet av den påfølgende dif f us jonsf ase til under den ovenfor angitte, nærmest konstante middelverdi. Carbonpotensialet synker imidlertid aldri til null. Det er i den forbindelse av avgjørende betydning at fremgangsmåtens arbeidslinje ligger over den klassiske sotgrense ved et høyt carbonpotensial uten at sot produseres da oppholdet

innen sotområdet bare er meget kortvarig. Denne kjens-gjerning har vist seg å utgjøre et vesentlig særtrekk ved den foreliggende fremgangsmåte og som den høye oppkullings-hastighet kan tilbakeføres til.

Den foreliggende fremgangsmåte kan også anvendes

for carbonitrering av arbeidsstykkene. For dette formål blir i tillegg ammoniakk pulserende tilført til gassblandingen mens denne innvirker på arbeidsstykkenes overflate.

En glødeovn for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte oppviser i det vesentlige en innretning for til-førsel og vekkledning av gasser til hhv. fra glødeovnen og en tilknyttet styreinnretning. Styreinnretningen er med fordel forbundet med en sotføler og en gassanalysator for å bestemme methaninnholdet i gassblandingen, idet styreenheten reagerer på forskjellen mellom måleverdisignaler og et skalverdisignal for sot- og/eller methaninnholdet og som kan innstilles i én hhv. to skalyerdigivere, og står i forbindelse med en ventil for tilførsel av hydrocarboner.

Ved en slik glødeovn er det dessuten fordelaktig at innretningen for tilførsel av de carbonholdige gasskomponenter munner ut i det nedre område og i umiddelbar nærhet av de i glødeovnen forekommende arbeidsstykker som skal oppkulles i glødeovnens innerrom.

Forløpet av den foreliggende fremgangsmåte vil bli nærmere beskrevet under henvisning til tegningene. Av disse viser

Fig. 1 skjematisk et apparat for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte, Fig. 2 det tidsmessige forløp for forandringen av carboninnholdet i oppkullingsgassen, Fig. 3 et skjematisk snitt gjennom et dobbelttannhjul,

Fig. 4 herdeforløpet ifølge eksempel 1,

Fig. 5 herdeforløpet ifølge eksempel 2 og

Fig. 6 forløpet for herdedybden som funksjon av tiden.

En glødeovn 1 er via en ledning 2 forbundet med en styreenhet som består av en sotføler 3, en gassanalysator 4 og en reguleringsinnretning 5. Gasskomponentene nitrogen, carbondioxyd og hydrocarbon som kommer direkte fra lager- flasker, føres via ventilene 7, 8 og 9 og en tilførsel 6 inn i glødeovnen som står i forbindelse med en utløpsled-ning 10 for avgassene. For igangkjøring og oppvarming av chargen i ovnsrommet er ventilen 7 som regulerer tilførselen av nitrogen, åpen, mens ventilen 8 (carbondioxyd) og ventilen 9 (hydrocarbon, f.eks. propan) er lukket. Når en temperatur av 800-1000°C er blitt nådd i glødeovnen alt efter leger-ingen for arbeidsstykkene og den ønskede herdedybde, begynner oppkullingen av chargen. For dette formål er ventilene 7 og 8 åpne, og dessuten ventilen 9 i kort tid,_ f.eks. i 20 s. Gassblandingen som ledes inn i ovnsrommet, består i overensstemmelse hermed av inert nitrogen, CC^ og propan.

Propanet er ustabilt ved de høye temperaturer og spaltes i delvis sterkt reaktive radikaler som bevirker en hurtig overmetning av carbon i arbeidsstykkeoverflaten.

På grunn av det derved forårsakede vesentlige carbonpoten-sialfall mellom arbeidsstykkets overflate og kjerne vil dette potensialfall som sådant bli sterkt fremherskende som en ytterligere drivende diffusjonskraft fra begynnelsen av oppkullingen.

På grunn av carbonovermetningen på arbeidsstykkets overflate dannes nu både methan og sot i gassblandingen.

En del av denne gassblanding fjernes via ledningen 2, og sotandelen blir målt i sotmåleren og methaninnholdet i gass-analysatoren 4, f.eks. en infrarødtanalysator. I reguler-ingsinnretningen 5 blir utgangsverdiene for de to måle-apparater sammenlignet med på forhånd gitte : skalyerdier,

og når disse .skalverdier overskrides, lukkes ventilen 9

via et relé 11, dvs. at tilførselen av f.eks. propan av-brytes. Tilførselsperioden for propanet er da f.eks. 20 s.

Under den derpå følgende diffusjonsfase som f.eks.

har en varighet av 60 s, blir overmetningen i arbeidsstykkets overflate kontinuerlig redusert ved at carbonet diffunderer videre i retning mot arbeidsstykket kjerne. Samtidig blir de jerncarbider som dannes på grunn av den høye overmetning, gjenoppløst av arbeidsmaterialet. Små mengder av amorf sot blir igjen fjernet fra arbeidsstykkets

overflate ved reaksjon med CC^under dannelse av CO. I løpet av denne periode synker igjen verdiene for methanet hhv. sotinnholdet i gassblandingen. Når en på forhånd gitt minimumsskalverdi- er blitt nådd, åpner reguleringsinnret-ningen 5 igjen ventilen 9 via releet 11, og en ny syklus begynner.

Efter en på forhånd gitt oppkullingstid hhv. efter at en på forhånd gitt herdedybde er blitt nådd, lukkes ventilene 8 og 9, og chargen avkjøles til herdetemperatur.

På Fig. 2 er carboninnholdet i gassblandingen i volum% angitt som funksjon av tiden i sekunder. På dette diagram er arbeidslinjen "dynamisk likevekt" for den foreliggende fremgangsmåte blitt inntegnet ved hjelp av en stiplet linje, mens den klassiske sotgrense ved termodynamisk likevekt er vist ved hjelp av en heltrukken linje.

Et sylindrisk dobbelttannhjul av 20 MnCr,., modul 5, er vist ved hjelp av et snitt på Fig. 3. Den brede strek-punkterte linje utenfor legemets kanter kjennetegner det randskiktherdede område og den smale strékpunkterte linje dets stilling og forløp. Det herdede randskikts forløp nødvendiggjør fastslåelse av målestedene, som er betegnet med Ml og M2, for herdedybden.

Eksempel 1

2

En produksjonscharge med en overflate av ca. 11 m og en vekt av ca. 500 kg.blir oppkulleti en Aichelin-fler-formålskammerovn i 130 minutter ved en glødetemperatur av 945°C. Tilførselsperioden for propan er da ca. 20 s og diffusjonsfasens varighet ca. 60 s.

På Fig. 4 er herdeforløpet for et sylindrisk dobbelttannhjul (arbeidsmateriale 16 MnCr,-) fra denne charge gjen-gitt. Overflatehardheten i HV ifølge DIN 6773 er avsatt i forhold til herdedybden i mm. Kurven 1 gjelder målestedet 1 og kurven 2 målestedet 2. Arbeidsstykket er fritt for carbider og rest^ustenitt og det oppkullede stål foreligger som martensitt. Det fremgår tydelig at en konstant overflateherding foreligger inntil en herdedybde av ca. 0,45 mm. Denne overflateherding avtar imidlertid med herdedybden, på grunn av arbeidsstykkets form, langsommere ved målestedet Ml enn ved målestedet M2. En på forhånd gitt overflatehardhet av 610 HV (heltrukken linje) svarer til en herdedybde på målestedet Ml av 0,83 mm og på målestedet M2 av 0,68 mm. Dette innebærer at også innbuktningen i arbeidsstykket er tilstrekkelig herdet til å unngå deforma-sjoner.

Eksempel 2

Dette eksempel utføres på lignende måte som eksempel 1, men med den forskjell at glødetemperaturen er 960°C, gløde-tiden 30 minutter, tilførselsperioden for propan gjennom-snittlig 90 s og diffusjonsvarigheten ca. 200 s.

På Fig. 5 er herdeforløpet vist. En overflatehardhet av 610 HV svarer i dette tilfelle til en herdedybde av 0,45 mm ved målestedet Ml og 0,36 mm ved målestedet M2. Allerede i løpet av kort tid (30 minutter) fås således en betraktelig herdedybde.

På Fig. 6 er forløpet for settherdedybden ved en grensehardhet av 610 HVI vist i avhengighet av glødetiden ved forskjellige glødetemperaturer. Det er bemerkelses-verdig at kurven har et nestent lineært forløp fra en herdedybde av ca. 0,45 mm. Kurvene for glødetemperaturer mellom 930 og 960°C ligger mellom de to inntegnede kurver. For kurvene er resultatene av 60 forsøk under produksjonsbe-tingelser blitt avsatt.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved settherding av metalliske arbeidsstykker, hvor arbeidsstykkene oppvarmes i en glødeovn til høy temperatur og utsettes for innvirkning av en carbonholdig gassblanding og herdes, karakterisert vedat én eller flere av de carbonholdige gasskomponenter i gassblandingen tilsettes pulserende til gassblandingen mens denne innvirker på over-flaten av arbeidsstykkene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat ett eller flere hydrocarboner, spesielt hydrocarboner med to eller flere carbonatomer, tilføres pulserende, idet varigheten av tilførsels-perioden er kort sammenlignet med intervallene mellom to tilførselsperioder (diffusjonsfaser).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat tilførselsperioden er 2-200 s, fortrinnsvis 15-60 s, og tidsrommet fra slutten av en-tilførselsperiode til begynnelsen av den neste (diffusjonsfase) er 10-500 s, fortrinnsvis 50-200 s.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3,karakterisert vedat methan- og/eller sotandelen i gassblandingen måles kontinuerlig, målestørrelsene tilføres til en styreenhet, og tilførselen av ett eller flere av hydrocarbonene reguleres av styreenheten efter sammenligning av verdiene for methan- og/eller sotinnholdet med en på forhånd gitt skalyerdi.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4,karakterisert vedat i tillegg ammoniakk blir pulserende tilsatt til blandingen mens denne innvirker på arbeidsstykkenes overflate.

6. Glødeovn for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1-5, omfattende innretninger for tilførsel og vekkledning av gasser til hhv. fra glødeovnens innerrom, og en tilknyttet styreinnretning, karakterisert vedat styreinnretningen står i forbindelse med en sotføler og en gassanalysator for å bestemme methaninnholdet i gassblandingen, idet styreinnretningen reagerer på forskjellen mellom måleverdisignaler og et i enskalverdigiver hhv. to skalyerdigivere innstillbart•skalverdisignal for sot- og/eller methaninnholdet og står i forbindelse med en ventil for tilførsel av carbonholdige gasskomponenter.

7. Glødeovn ifølge krav 6, karakterisert vedat innretningen for til-førselen av de carbonholdige gasskomponenter munner ut i det nedre område og i umiddelbar nærhet av de i glødeovnen forekommende arbeidsstykker som skal oppkulles i gløde-ovnens innerrom.