PL186662B1

PL186662B1 - Sposób i urządzenie do jednoczesnego utleniania iobróbki cieplnej elementów

Info

Publication number: PL186662B1
Application number: PL98338737A
Authority: PL
Inventors: Hans-Peter Schmidt
Original assignee: Messer Griesheim Gmbh
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2004-02-27
Also published as: SK1852000A3; WO1999010556A1; DE19736514C1; CZ2000569A3; CZ298967B6; PL338737A1; SK285403B6; EP1019561B1; BR9811979A; DE19736514C5; ZA987331B; ES2190812T3; ATE230039T1; EP1019561A1; DE59806753D1; US6383297B1

Abstract

1. Sposób jednoczesnego utleniania i ob- róbki cieplnej elementów przy temperaturach ponizej lub równych 1300°C w przestrzeni obróbczej pieca zawierajacej gaz neutralny lub gaz reakcyjny, poprzez wprowadzenie lub przedmuchanie co najmniej jednego utleniaja- cego srodka reakcyjnego przy temperaturze powyzej 570°C, znam ienny tym, ze po zmia- nie struktury elementów wystepujacej w tem- peraturze otoczenia, do struktury pozadanej przy obróbce cieplnej, w przestrzeni obróbczej ustala sie tak stosunek PH2 O/PH2, ze zelazo utlenia sie do FeO i tworzy sie warstwa tlenku o grubosci ponizej 10 µm skladajaca sie z FeO. 10. Urzadzenie do jednoczesnego utle- niania i obróbki cieplnej elementów, znam ien- ne tym, ze posiada srodki doprowadzajace (18, 19, 21, 22, 20, 2 6 , 2 3 , 27) dla srodka reakcyjnego znajdujace sie w przestrzeni obróbczej (10) i jed- nostke sterujaca (15) do sterowania i/lub regula- cji srodków (18, 19, 21, 22, 20, 26, 23, 27). F iG . 1 PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób jednoczesnego utleniania i obróbki cieplnej elementów przy temperaturach poniżej lub równych 1300°C w przestrzeni obróbczej pieca zawierającej gaz neutralny lub gaz reakcyjny, poprzez wprowadzenie lub przedmuchanie co najmniej jednego utleniającego środka reakcyjnego przy temperaturze powyżej 570°C.

Istota wynalazku polega na tym, że po zmianie struktury elementów występującej w temperaturze otoczenia, do struktury pożądanej przy obróbce cieplnej, w przestrzeni obróbczej ustala się tak stosunek PH2O/PH2, że żelazo utlenia się do FeO i tworzy się warstwa tlenku o grubości poniżej 10 pm składająca się z FeO.

Korzystnie, utlenianie elementów przeprowadza się w okresie czasu krótszym niż 20 min, a nawet krótszym niż 14 min.

W przestrzeni obróbczej ustala się stosunek PH2O/PH2 > 0,3 i < 250, a korzystnie < 10.

Według wynalazku, żelazo utlenia się do FeO w ciągu okresu czasu krótszym niż 3 min, a korzystnie krótszym niż 1 min.

Jako środek reakcyjny wprowadza się do przestrzeni obróbczej związek zawierający tlen, a korzystnie wdmuchuje się go, który to środek tworzy odpowiedni stosunek PH2O/PH2, przy czym woda utleniająca stosowana jako środek reakcyjny, korzystnie jest wodą odsoloną.

Wraz ze środkiem reakcyjnym, do przestrzeni obróbczej wprowadza się lub wdmuchuje się azot, i/lub gaz endotermiczny, i/lub wodór, i/lub węglowodory.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do jednoczesnego utleniania i obróbki cieplnej elementów posiadające środki doprowadzające dla środka reakcyjnego znajdujące się w przestrzeni obróbczej i jednostkę sterującą do sterowania i/lub regulacji tych środków.

Korzystnie, środki doprowadzające obejmują przewody sięgające do przestrzeni obróbczej, w których usytuowane są elementy sterujące, przy czym elementy sterujące połączone są z jednostką sterującą.

186 662

W przestrzeni obróbczej urządzenia usytuowana jest sonda tlenowa wykrywająca rzeczywiste sygnały, przy czym korzystne jest gdy sondę tlenową stanowi sonda typu Lambda, wykrywająca rzeczywiste sygnały.

Sposób jednoczesnego utleniania i obróbki-cieplnej elementów, według wynalazku daje powtarzalne efekty, i prowadzi do wytworzenia równomiernej warstwy tlenków, odpornej na korozję.

Dzięki temu, że stosunek PH2O/PH2 ustalony jest w przestrzeni obróbczej zaraz po zmianie struktury elementów występującej w temperaturze otoczenia, do struktury pożądanej przy obróbce cieplnej, w przestrzeni obróbczej podczas obróbki cieplnej elementów, nie występują żadne utleniające środki reakcyjne. Obróbka cieplna i utlenianie elementów przebiega w oddzielnych etapach sposobu, we wspólnej przestrzeni obróbczej, względnie w usytuowanej za nią przestrzeni utleniającej, dzięki czemu obróbka cieplna elementów i ich utlenianie mogą być sterowane oddzielnie. W związku z tym możliwe jest powtarzalne przeprowadzenie sposobu, ponieważ obróbka cieplna i utlenianie nie wpływają na siebie wzajemnie.

Przy ustaleniu temperatury granicznej > 570°C i stosunku PH2O/PH2 ustalonym w przestrzeni obróbczej, linia FeO+H2 = Fe+ILO jest przekroczona.

Ponieważ proces prowadzony jest w warunkach izotermicznych i żelazo znajduje się w stanie równowagi z utworzonym tlenkiem żelaza, tworzy się tlenek żelaza-(FeO) czyli wustyt. W zaskakujący sposób okazało się, że warstwa tlenku FeO utworzona przy tak wysokich temperaturach ma równomierną strukturę, która ma dobre właściwości przyczepne, nie wykazuje pęcherzyków, jest odporna na zarysowania i nie posiada pól kontaktowych.

Warstwa tlenku o grubości poniżej 10 pm nie ulega oderwaniu w procesie końcowego chłodzenia, zaproponowanego według przedmiotowego wynalazku, względnie nie powstają żadne pęcherzyki ani zarysowania.

Taka warstwa tlenku ma również pozytywny wpływ na prędkość chłodzenia przy hartowaniu, ponieważ zmienia się współczynnik przejmowania ciepła.

Przy tym okazało się, że współczynnik przejmowania ciepła zmniejsza się, tak że następuje bardziej powolne ochładzanie obrabianych elementów i w ten sposób w trakcie hartowania dyfuzyjnego tworzą się mniejsze ziarna austenitu resztkowego w obszarach krawędziowych obrabianych elementów. Ponieważ w ciągu okresu czasu, określonego według wynalazku, przy zwykle stosowanych temperaturach hartowania sięgających od 800 do 900°C tworzy się warstwa FeO o pożądanej grubości wynoszącej poniżej 10 pm. Przy tym warstwa o grubości między 2 i 6 pm wydaje się być najbardziej korzystna. Takie warstwy są szczelne i zwarte, dobrze związane z podłożem, i mają niebiesko-czarną, przechodzącą w czarną barwę powierzchni zewnętrznej. Ze względu na nadzwyczaj krótki czas utleniania, nie obserwuje się zjawiska odwęglania w obszarze krawędzi elementów.

Utworzona warstwa tlenku zapobiega w ten sposób odwęglającemu działaniu gromadzącej się wody, ponieważ działa ona jak warstwa blokująca, a prędkość reakcji narastania tworzącej się warstwy tlenku jest większa niż prędkość odwęglania zachodzącego zgodnie z reakcją (rozpuszczony w Fe) + H₂O = CO + H

Ponieważ w przestrzeni obróbczej, przy wprowadzaniu lub przedmuchiwaniu środka reakcyjnego przy temperaturach >570°C ustala się stosunek PH₂O/PH₂, korzystnie < 20, szczególnie < 10, tworzy się wyłącznie tlenek żelaza (FeO), (wustyt). W nieoczekiwany sposób okazało się przy tym, że przy wyższym stosunku PH2O/PH2 nie tworzy się Fety. Przy tym przypuszcza się, że przy wyższym stosunku PH₂O/PH2, FeO tworzy się w dalszym ciągu, ponieważ prędkości dyfuzji jonów są tak duże, że nie jest zachowana równowaga między fazą gazową i tlenkiem żelaza i nie tworzy się magnetyt FesCty

Ze względu na wysoki stosunek PH2O/PH2 i wynikającą stąd dużą zawartość pary wodnej w reagującym gazie przestrzeni obróbczej, nie powstają lokalne zubożenia atmosfery w reakcyjne środki utleniające, skutkiem czego, nie powstają również różnice w grubości warstwy. Również przy bardzo skomplikowanej konstrukcji elementów, w których występują

186 662 nieprzelotowe otwory, tworzyły się warstwy pokrywające w 100% ich powierzchnię. Należy dalej zauważyć, że ze względu na dużą dostępność wody, małe elementy mogą być utleniane bezkontaktowo.

Ponieważ tworzenie się FeO następuje w ciągu okresu czasu krótszego niż 3 min, a korzystnie krótszego niż 1 min, zachodzi wymiana faz gazowych, właściwie w sposób uderzeniowy, tak że podczas pierwszej fazy utleniania nie może nastąpić odwęglenie.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku tworzy się bezpośrednio błyszcząca metalowa powierzchnia blokująca warstwę pokrywającią która zapobiega reakcji między parą wodną i rozpuszczonym węglem. Warstwa tlenku nie może rozpuszczać węgla, w wyniku czego zostaje zahamowana dyfuzja węgla przez warstwę tlenku.

Ponieważ do wytworzenia warstwy tlenku potrzebne jest żelazo, obszar krawędziowy w łatwy sposób wzbogaca się na granicy fazy tlen-metal w rozpuszczony węgiel, którego ilość podczas krótkiego okresu czasu utleniania wyrównuje się. W szczególnie korzystnym przypadku, jako utleniający środek reakcyjny stosuje się odsoloną wodę, którą w postaci płynnej wtryskuje się do przestrzeni obróbczej pieca, ponieważ woda przy wysokich temperaturach bardzo szybko paruje i ustala bezpośrednio stosunek PH2O/PH2. Z tego wynika, że utleniający środek reakcyjny w postaci wody przede wszystkim stanowi optimum gospodarcze dla użytkowników. Gdy stosuje się wodę jako reakcyjny środek utleniający, uzyskuje się powierzchnię elementów, o równomiernym, czarnym kolorze. Do przestrzeni obróbczej pieca można wprowadzić lub wdmuchać również inne związki chemiczne zawierające tlen, pełniące rolę środków reakcyjnych i w ten sposób ustalić aktywność tlenową. która jest potrzebna aby utlenić żelazo do FeO.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia diagram, na którym zostały naniesione pola stabilizacji poszczególnych materiałów - żelaza, tlenku żelaza, i magnetytu, fig. 2 - badaną pod mikroskopem optycznym strukturę materiału wyjściowego, fig. 3 - w powiększeniu fotografie różnych struktur elementów, które zostały poddane utwardzeniu i utlenianiu zgodnie ze sposobem według wynalazku, fig. 4 - urządzenie według wynalazku w ujęciu schematycznym, fig. 5 - wykres z zaznaczonym obszarem pracy, w którym następuje utlenianie.

Na fig. 5 przedstawiono obszar pracy, w którym następuje utlenianie. Na współrzędnej rzędnej oznaczono ciśnienie cząstkowe tlenu w MPa, a na osi odciętych oznaczono odwrotność temperatury w stopniach Kelvina. Poza tym zaznaczono numerami 41 i 44 obydwa punkty utleniania obydwu przykładów wykonania. Oznaczenie 41 odnosi się do stosunku PH2O/PH2 wynoszącego około 3, a oznaczenie cyfrowe 44 odnosi się do stosunku PH2O/PH2 wynoszącego około 140.

Przy wykorzystaniu korzystnego środka reakcyjnego w postaci wody, jako dodatkowe gazy, do przestrzeni obróbczej, wprowadza się lub wdmuchuje azot i/lub gaz endotermiczny, wodór i/lub węglowodory, przy czym przynajmniej jeden z tych gazów-; korzystnie azot wykorzystywany jest jako środek nośny dla wtryskiwanej wody. Gazy te służą do podtrzymywania odpowiedniego ciśnienia i/lub do ustalenia potrzebnej atmosfery gazowej w przestrzeni obróbczej pieca. Ustalają one również w odpowiednich pożądanych granicach stosunek PH2O/PH2.

Elementy wyposażone w warstwę tlenku FeO, po osiągnięciu grubości warstwy tlenku <10 pm chłodzone są w ten sposób w medium chłodzącym, że zwiększanie się grubości warstwy tlenku jest znacznie spowolnione, a korzystnie zahamowane, i istniejąca warstwa tlenku jest zakonserwowana. Ochłodzenie następuje przy końcu procesu jednoczesnego utleniania i obróbki cieplnej, i zapobiega dalszemu narastaniu warstwy tlenku powyżej grubości wynoszącej 10 pm. Tworzenie się warstwy tlenku, dzięki chłodzeniu w medium szybkoschładząjącym, jest natychmiast przerwane. Po procesie odpuszczania obrabianych elementów, warstwa tlenku przylega szczelnie przy temperaturze do 500°C, a wygląd zewnętrzny powierzchni się nie zmienia.

Proces utleniania jest powtarzalny, to znaczy, że utworzone warstwy tlenku w drugim procesie hartowania są redukowane, a następnie mogą być tworzone od nowa, bez występowania negatywnych skutków w zakresie właściwości materiału.

186 662

Szczególnie korzystne urządzenie do przeprowadzania sposobu według wynalazku charakteryzuje się środkami doprowadzającymi 18,19, 21,22, 20, 26, 23, 27 to znaczy dla środka reakcyjnego zostały one oznaczone 18, 19, dla węglowodorów 21, 22, dla azotu 20, 26, oraz dla gazu endotermicznego - 23, 27, przy czym środki te usytuowane są w przestrzeni obróbczej 10 pieca 25, a poza tym urządzenie posiada jednostkę sterującą 15 służącą do sterowania i/lub regulacji dopływu gazów. Środki doprowadzające 18, 19, 21, 22, 20, 26, 27, 23, obejmują przewody 18, 21, 23, 26, w których usytuowane są elementy sterujące 19, 22, 20, 27, przy czym elementy sterujące redukowane są automatycznie poprzez przewody sterujące 14, 16, 17, 28, 29, z jednostki sterującej 15. Jednostka sterująca 15 ustawia elementy sterujące w położeniu „otwarte” i „zamknięte” w zależności od wykrytych w przestrzeni obróbczej sygnałów rzeczywistych lub sygnałów czasowych emitowanych w jednostce sterowania 15, tak że wprowadzenie lub wdmuchiwanie środków reakcyjnych do przestrzeni obróbczej 10 jest uruchamiane lub blokowane. Wentylator usytuowany w przestrzeni obróbczej 10 pieca 25 jest oznaczony oznaczeniem 24.

Dzięki automatycznemu prowadzeniu procesu, zapewnione jest powtarzalne utlenianie i obróbka cieplna elementów. Za pomocą regulacji stosunku PH₂O/PH₂, aktywność tlenowa utrzymywana jest na stałym poziomie i zagwarantowana jest prędkość narastania i morfologia warstwy tlenku w każdej chwili procesu. Dla jego regulacji tworzone są sygnały rzeczywiste, w zależności od stosunku PH₂O/Ph₂, które to sygnały w jednostce sterującej porównywane są z sygnałami zadanymi. Przy występowaniu odchyleń sygnałów rzeczywistych od zadanych, zmienia się położenie elementów sterujących. W korzystnym rozwiązaniu według wynalazku, sygnały rzeczywiste wykrywane są za pomocą sondy tlenowej 13 lub za pomocą sondy Lambda, ponieważ za pomocą tych czujników określona jest rzeczywista, skuteczna aktywność tlenowa na powierzchni tlenku.

Przykład I

W okresowo działającym wielozadaniowym piecu komorowym 25, stale do nawęglania względnie stale do ulepszania załadowane są bez sortowania, w postaci materiału sypkiego 12 do koszy obróbczych 11 i są nawęglane w temperaturze między 800 i 950°C, węgloazotowane lub ulepszane. Jako gaz ochronny, względnie gaz nośny stosowany jest gaz endotermiczny (20% CO, 40% H₂, reszta N₂) który produkowany jest z gazu ziemnego, lub propanu i powietrza, względnie z metanolu i azotu, który przepływa w sposób ciągły przez wielozadaniowy piec komorowy 25 podczas obróbki cieplnej. Poziom węgla fazy gazowej jest regulowany tak długo poprzez dodawanie węglowodorów, aż zostanie osiągnięta pożądana zawartość brzegowa węglowodorów względnie głębokość hartowania dyfuzyjnego. Krótko przed zakończeniem procesu obróbki, jeden z środków reakcyjnych, na przykład odsolona woda, przy temperaturze około 860°C jest wtryskiwana do przestrzeni obróbczej pieca w ciągu 1 min wspólnie z azotem. Strumienie objętości środka utleniającego i azotu są tak ustawne, że stosunek PH₂O/PH₂ w przestrzeni obróbczej pieca ustala się na poziomie większym niż 0,3 i mniejszym niż 150. W przedziale czasu < 20 min utworzyła się cienka, dobrze przyczepna warstwa FeO o grubości < 10 pm, posiadająca niebiesko-czarną barwę.

Na fig. 5 (przykład I) przedstawiony jest całościowy proces obróbki cieplnej ze względu na aktywność tlenową. Ustalenie brzegowej zawartości węgla na poziomie 0,7% C (42) leży w obszarze stabilizacji i dzięki temu powierzchnia zewnętrzna w tych warunkach ma metaliczny blask. Przy przełączeniu na warunki utleniające, linia stabilizacji FeO zostaje przekroczona po 0,5 min (43) i po dalszych 12 min czas utleniania osiąga końcową aktywność tlenową o wartości 10 g pO2=-12,75.

Utworzone warstwy tlenkowe, powstałe na obrabianych elementach dzięki sposobowi według wynalazku były bez zarzutu. Punkt rosy fazy utleniania leżał przy około +80°C do zakończenia obróbki.

Z optycznego badania wynika, że narosła warstwa tlenku jest absolutnie równomierna i bez zarysowań. Widoki powierzchni szlifowanej pokazują wolną od odwęglenia strefę krawędziową, która składa się z tlenku żelaza FeO i przylegającego do niego obszaru przejściowego.

186 662

Przykład II

Utlenianie elementów przeprowadza się na zakończenie obróbki cieplnej, jak na przykład ulepszania, hartowania dyfuzyjnego, węgloazotowania i tak dalej, przy temperaturze powyżej 570°C. Czas prowadzenia procesu obróbki cieplnej nie zmienia się gdy zastosuje się dodatkowo utlenianie elementów.

Przykład: ulepszanie stali 58CrV4 w temperaturze 830° C w wielozadaniowym piecu komorowym

Ładunek przedmuchiwanego gazu endotermicznego o składzie:

m³ gazu endotermicznego/h (propan) + 5 m³ azotu/h + 1501 propanu/h (regulacja poziomu węgla) (11% CO, 19% H2, 1 % do 2% CH4, reszta N₂) ogrzewa się i przy temperaturze 830°C wygrzewa się i austenizuje. Całkowity czas przetrzymywania wynosi około 20 min a poziom węgla atmosfery gazowej utrzymywany jest stale przy wartości 0,58% C.

Około 10 min przed końcem czasu wygrzewania wprowadza się do gorącej przestrzeni obróbczej poprzez lancę, „uderzeniowo” około 5 l/h odsolonej wody wraz z azotem. Z 5 l wody/h powstaje 6,2 m3 pary wodnej na godzinę, tak że przez przestrzeń obróbczą przepływa całkowity strumień objętości w ilości około 16 m3 gazu/h. Skład gazu świeżego jest następujący: 40% H₂O (punkt rosy = + 75°C), 10% H₂, 6% CO, reszta N₂, i stosunek PH₂O/PH₂ wynosi około 3. Jak to pokazano na fig. 3, to działanie mieszaniny gazu ma tak silny wpływ utleniający.

Figura 1 pokazuje diagram, na którym zostały naniesione pola stabilizacji poszczególnych materiałów - żelaza, tlenku żelaza, i magnetytu - w zależności od temperatury i stosunku PH2O/PH2. Na diagramie tym został przedstawiony cały proces obróbki cieplnej, jak również warunki związane z fazą gazową i zastosowanym materiałem. Przy nagrzewaniu i wygrzewaniu materiałów zawierających żelazo, górne powierzchnie obrabianych elementów pozostają metalicznie błyszczące. Najpierw, gdy gaz utleniający zostanie wdmuchnięty do przestrzeni obróbczej, w ten sposób zmienia się aktywność tlenowa, że możliwa jest najpierw stabilność tlenku żelaza. W ten sposób, na powierzchni zewnętrznej tworzy się pożądana warstwa tlenku. Podczas tej fazy utleniania ustala się jednocześnie stosunek PCO2/PCO, który przy końcu procesu utleniania odpowiada granicy faz żelazo/FeO. Większy stosunek PCO2/PCO nie jest możliwy ze względu na utworzony tlenek żelaza, to znaczy, że woda jest odpowiedzialna tylko za utworzenie FeO. Stosunek PCO2/PCO na granicy fazy żelazo/FeO, przy temperaturze równej 830°C ma wartość 0,5, a stosunek PH2O/PH2, powstający dzięki napływającym gazom wynosi około 3.

W stosowanej sondzie X, względnie sondzie tlenowej powstąją następujące napięcia:

- 973 mV (sonda λ, 600°C)

- 889 mV (sonda O₂, 830°C)

Duży strumień objętości wynoszący około 16 m3/h powoduje, że po relatywnie krótkim czasie (1 minuta) w przestrzeni pieca (około 0,3 m3) osiąga się stacjonarny stan gazów ochronnych i elementy są utleniane. Zewnętrzna powierzchnia elementów, po kilku minutach pokryta jest zamkniętą warstwą tlenku żelaza, która podczas dalszego przebiegu procesu utleniania narasta w kierunku na zewnątrz. Przyrost grubości warstwy zależny jest od panującej temperatury, czasu i stosunków PH2O/PH2 i koncentracji węglowodorów. Ponieważ tlenek żelaza nie może rozpuszczać substancji węglowych, odwęglenie strefy krawędziowej można pominąć, (patrz fig 2 i 3). Na fig. 2 przedstawiono badaną pod mikroskopem optycznym strukturę materiału wyjściowego (3 mm kod sześciokątny/58CrV4). Struktura w obszarze krawędziowym i w obszarze rdzenia nie zawiera stref odwęglonych, jest drobnoziarnista i jednorodna. Na fig. 3 przedstawiono w powiększeniu fotografie różnych struktur elementów, które zostały poddane utwardzeniu i utlenianiu zgodnie ze sposobem według wynalazku. Zdjęcia pokazują że nie występują strefy odwęglenia w obszarach krawędziowych elementów. Przejście między metaliczną warstwą martenzytową i zewnętrzną warstwą tlenku jest ostre i zawiera dobre połączenie warstwy tlenku z metalem, co ma duże znaczenie dla przyczepności tlenku. Grubość warstwy tlenku jest dobrze widoczna i wynosi 3-4 pm FeO.

186 662

Pewne odwęglenie może nastąpić jedynie poprzez pory lub rysy warstwy tlenku żelaza. Po tym jak upłynie ustalony czas utleniania, dopływ wody zostaje zahamowany i wsad pieca jest chłodzony w oleju. Materiał wsadowy układany jest w trzech, jeden na drugim ustawianych koszach ładunkowych i nie zawiera braków po obróbce cieplnej.

Zostały spełnione następujące kryteria:

1. dobrze przyczepna czarna warstwa tlenku

2. żadnych jasnych miejsc w punktach kontaktowych

3. brak pęcherzy i odprysków tlenku

4. twardość powierzchni zewnętrznej przed odpuszczaniem - 57 - 58 HRC

5. warstwa tlenku utrzymuje się również po odpuszczeniu (200 do 280°C)

6. twardość po odpuszczeniu wynosi: 52 - 54 HRC

7. nie zauważa się odwęglenia krawędziowego

8. ogólna charakterystyka: braki nie występują.

Pożądany poziom węgla w gazowej atmosferze pieca osiągany jest ponownie po krótkim czasie, tak że nie występuje zjawisko odwęglenia następnego wsadu. Nie obserwuje się również kondensacji wody na zimnych elementach komory wstępnej i kanałów odprowadzających gazy z pieca. Powtarzalność wyników utleniania jest bez zarzutu.

Odporność na korozję elementów utlenianych sposobem według wynalazku jest większa niż elementów pokrywanych warstwami za pomocą znanych metod, takich jak czernienie chemiczne, czy fosforanowanie, w związku z czym czas składowania tych elementów może być znacznie przedłużony, bez tworzenia się rdzy na ich powierzchni. Zanurzanie elementów w oleju względnie nanoszenie odpowiedniego płynu, co następuje w przypadku czernienia chemicznego, przy stosowaniu sposobu według wynalazku można pominąć, bez niebezpieczeństwa pojawienia się nalotu rdzy. Dzięki temu, że nie stosuje się cieczy aktywnych powierzchniowo, obrabiane elementy nie wymagają dalszej obróbki mechanicznej, która jest dość kosztowna, przy czym dzięki temu, że na powierzchni elementów obrabianych sposobem według wynalazku, nie występują resztki tych cieczy, czas stosowania emulsji wiertarskich jest znacznie wydłużony, ponieważ nie może nastąpić jej zanieczyszczenie. Przed procesem czernienia chemicznego, zahartowane bezpośrednio elementy muszą być poddane obróbce w strumieniach piasku, aby mogło nastąpić elektrolityczne wydzielenie antymonu. Ziarna piasku i cząstki osadzają się bardzo łatwo w nieprzelotowych otworach i powodują zarysowania, które uszkadzają wiertła i narzędzia tnące, w wyniku czego okres ich użytkowania znacznie skraca się, tak, że obróbka ta wymaga stosowania kosztownych i pracochłonnych procesów oczyszczania obrabianych tym sposobem elementów. Koszty te i obciążenia czasowe mogą być zredukowane dzięki zastosowaniu sposobu pokrywania warstwami według wynalazku, który również przyczynia się do przyspieszenia dalszych procesów obróbczych.

186 662

100:1

500:1

1000:1

Fig. 22

186 662

Π

.15

FIG. 4

186 662 ciśnienie czatowe -tlenu

Fig. 5

9 10 11 io^Ł/r K*’

186 662 ca cx o

-u

X3

O

CT

o

LH

O

LTl f4

O* o

o

i_n o

o

CtO o

□y

CL

CL [ Do ] OJniDJadiuajDepartament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób jednoczesnego utleniania i obróbki cieplnej elementów przy temperaturach poniżej lub równych 1300°C w przestrzeni obróbczej pieca zawierającej gaz neutralny lub gaz reakcyjny, poprzez wprowadzenie lub przedmuchanie co najmniej jednego utleniającego środka reakcyjnego przy temperaturze powyżej 570°C, znamienny tym, że po zmianie struktury elementów występującej w temperaturze otoczenia, do struktury pożądanej przy obróbce cieplnej, w przestrzeni obróbczej ustala się tak stosunek PH2O/PH2, że żelazo utlenia się do FeO i tworzy się warstwa tlenku o grubości poniżej 10 pm składająca się z FeO.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utlenianie elementów przeprowadza się w okresie czasu krótszym niż 20 min.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że utlenianie elementów przeprowadza się w okresie czasu krótszym niż 14 min.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przestrzeni obróbczej ustala się stosunek PH2O/PH2 >0,3.
5. Sposób według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że w przestrzeni obróbczej ustala się stosunek PH2O/PH2 <250, a korzystnie <10.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że żelazo utlenia się do FeO w ciągu okresu czasu krótszym niż 3 min, a korzystnie krótszym niż 1 min.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako środek reakcyjny wprowadza się do przestrzeni obróbczej związek zawierający tlen, a korzystnie wdmuchuje się go, który to środek tworzy odpowiedni stosunek PH₂O/PH₂.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że woda utleniająca jako środek reakcyjny, korzystnie jest wodą odsoloną.
9. Sposób według zastrz. 1 albo 8, znamienny tym, że wraz ze środkiem reakcyjnym, do przestrzeni obróbczej wprowadza się lub wdmuchuje się azot, i/lub gaz endotermiczny, i/lub wodór, i/lub węglowodory.
10. Urządzenie do jednoczesnego utleniania i obróbki cieplnej elementów, znamienne tym, że posiada środki doprowadzające (18,19, 21, 22, 20, 26, 23, 27) dla środka reakcyjnego znajdujące się w przestrzeni obróbczej (10) i jednostkę sterującą (15) do sterowania i/lub regulacji środków (18,19, 21, 22, 20, 26, 23, 27).
11. Urządzanie według zastrz. 10, znamienne tym, że środki doprowadzające (18, 19, 21,22,20,26,23, 27) obejmują przewody (18.21, 23, 26) sięgające do przestrzeni obróbczej (10), w których usytuowane są elementy sterujące (19, 22, 20, 27), przy czym elementy sterujące (19, 22, 20, 27) połączone są z jednostką sterującą (15).
12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że w przestrzeni obróbczej (10) usytuowana jest sonda tlenowa (13) wykrywająca rzeczywiste sygnały.
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że sondę tlenową stanowi sonda typu Lambda, wykrywająca rzeczywiste sygnały.

Przedmiot wynalazku dotyczy sposobu i urządzenia do jednoczesnego utleniania i obróbki cieplnej elementów. Przy obróbce metalowych elementów zwykle atmosfera gazowa jest tak wprowadzana do przestrzeni obróbczej pieca, że elementy te uzyskują czystą i błyszczącą powierzchnię zewnętrzną. Utlenianie jest w związku z tym niepożądane, ponieważ powstające na powierzchni warstwy tlenków mogą negatywnie wpływać na kolejne procesy obróbcze. Pojawiają się jednak specjalne przypadki zastosowania tych elementów, w których jest

186 662 konieczne i pożądane wytworzenie na ich powierzchni tlenkowej warstwy pokrywającej. Pożądany skład chemiczny i grubość tych narastających warstw tlenkowych stawia zupełnie szczególne wymagania dla atmosfery gazowej w przestrzeni obróbczej pieca jak i prowadzenia samego procesu. Poprzez tak, w określony sposób wytwarzane warstwy tlenków, można uzyskać powierzchnie dekoracyjne, które jednocześnie służą ochronie przed korozją, oraz jako warstwy izolacyjne lub absorbujące.

Ulepszanie, względnie hartowanie dyfuzyjne czy węgloazotowanie masowo wytwarzanych elementów przeprowadzane są w instalacjach piecowych, przez których przestrzenie obróbcze przepływają gazy ochronne lub reakcyjne.

Obrabiane elementy pod działaniem azotu w połączeniu ze składnikami reakcyjnymi lub z gazem endotermicznym podgrzewane są każdorazowo do temperatury austenityzacji, obrabiane cieplno-chemicznie i poprzez szybkie wychładzanie w oleju lub wodzie, lub w płynnej soli, poddawane są hartowaniu. W drugim, końcowym etapie obróbki cieplnej, poprzez odpuszczanie zahartowanych elementów uzyskuje się odpowiednią ich twardość. Przy tym odpuszczanie następuje z reguły przy temperaturach między 150° i 570°, w atmosferze powietrza lub azotu. W tych warunkach odbywa się utlenianie żelaza do postaci magnetytu (Fe.fU). Warstwa tlenku nie posiada wystarczającej grubości, aby powstała dekoracyjna, spełniająca wymagania optyczne, równomierna powierzchnia zewnętrzna.

Nanoszenie trwałych warstw na powierzchnię zewnętrzną elementów uzyskuje się dzięki czernieniu chemicznemu, fosforowaniu, lakierowaniu i tym podobnym procesom. Takie dodatkowe sposoby nakładania warstw powodują zwiększenie nakładów pracy i kosztów przy tylko częściowym ujednorodnieniu warstwy pokrywającej. W związku z tym zaproponowano już hartowanie i niebieszczenie wykonywane w jednym etapie procesu (opis DE 43 33940). Dzięki temu sposobowi można byłoby znacznie obniżyć koszty nanoszenia warstw, poprawić przebieg procesu, poszerzyć zakres zastosowania obrabianych elementów, jak również zmniejszyć ilość chemikaliów emitowanych podczas procesu obróbki do atmosfeiy.

Według znanego postępowania, byłoby pożądane zwiększenie powtarzalności powstawania równomiernej warstwy i dalsze obniżenie odwęglania.