WO2005098056A1 - Verfahren zur wärmebehandlung von metallen - Google Patents

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WO2005098056A1
WO2005098056A1 PCT/EP2005/051524 EP2005051524W WO2005098056A1 WO 2005098056 A1 WO2005098056 A1 WO 2005098056A1 EP 2005051524 W EP2005051524 W EP 2005051524W WO 2005098056 A1 WO2005098056 A1 WO 2005098056A1
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furnace
gas
annealing
protective gas
carbon
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PCT/EP2005/051524
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Thomas Braun-Klabunde
Birgit KÖTZING
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L'AIR LIQUIDE Société Anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et l'Exploitation
Air Liquide Deutschland Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/76—Adjusting the composition of the atmosphere
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire

Definitions

  • the invention relates to a method for the heat treatment of metals in a furnace system with the features of the preamble of claim 1.
  • furnace fumigation used in the conventional heat treatment of metals is not or only insufficiently able to meet the requirements placed on flexible production.
  • the invention has for its object to provide a method for the heat treatment of metals in sluice or open continuous furnaces under a protective gas atmosphere, with which all heat treatments required for the different requirements in terms of product quality and process effectiveness are possible easily and inexpensively in a furnace system.
  • FIG. 1 shows a continuous furnace with a gas supply, by means of which a protective gas atmosphere corresponding to the respective requirements can be set in the inlet and hot areas and in the cooling section of the continuous furnace.
  • inert nitrogen (N 2 ) 1 and / or oxidizing carbon dioxide (CO 2 ) 2 and the hot area of the furnace are reduced by methanol 3, 5 and / or oxidizing water (H 2 O) 4 and / or oxidizing by the inlet area of the continuous furnace
  • the base gas 6 used is an endogas blended with nitrogen or a pure endogas (20% CO, 40% H2, rest N2) or a similar gas which is generated by conventional endogas or monogas generators present on site.
  • synthetic gas in a composition corresponding to the endogas as base gas 6.
  • the furnace atmosphere is continuously checked to carry out the heat treatment.
  • the parameters are set with the aid of the theoretically necessary values, but an exact adaptation of the gassing profile to the existing furnace system is necessary, since the draft behavior of the furnace system has a decisive influence on the parameters.
  • any residues of rolling or drawing agents that may be present on the annealing material must be ensured by oxidation before cracking products form on their surfaces.
  • a protective gas atmosphere After cleaning the surface of the annealing material, a protective gas atmosphere must be set which largely removes the oxide layers on the surface of the annealing material - and in the further course of the process - largely prevents the surface of the annealing material from re-oxidizing.
  • the diffusion of carbon out of the annealing material must be prevented.
  • the furnace atmosphere must have a carbon activity that corresponds to the carbon content of the annealing material.
  • the diffusion of carbon from the atmosphere into the annealing material must be made possible.
  • the surface of the " annealing material must be prepared, for this the furnace atmosphere must contain sufficient carbon, ie the carbon activity must be higher than the carbon content of the annealing material.
  • the cracking temperature is the usual lubricants at about 400 C C. Before the annealing material reaches this temperature, is remaining on the surface of annealing material impurities must be oxidized and evaporated. If this does not happen, black, firmly adhering residues remain on the annealing material. For this purpose, an atmosphere must be ensured in the inlet area of the furnace, which provides enough oxygen-containing components to enable the formation of CO or CO 2 .
  • oxygen-containing media such as carbon dioxide (C0 2 ) and / or water (H 2 O) are metered into the inlet area of the furnace system.
  • the oxides present on the surface of the heat treatment material must be reduced.
  • the free oxygen in the furnace atmosphere is adjusted by two partial equilibria:
  • a sufficiently low oxygen partial pressure is required within the furnace atmosphere to allow reaction (1) to take place, i.e. a sufficiently high H2 / H2O or CO / CO 2 ratio must be set depending on the temperature.
  • a sufficiently high H2 / H2O or CO / CO 2 ratio must be set depending on the temperature.
  • the maximum water or carbon dioxide contents are fixed in order to enable a reduction in the material or to prevent renewed oxidation.
  • the required C level C L is determined by the carbon content% C and the content of alloying elements in the material:
  • the heterogeneous water gas most accurately reflects the conditions in furnace atmospheres containing hydrogen and carbon monoxide.
  • the link between the carbon activity, the atmosphere ac and the resulting C level follows the following equation:
  • the distribution of the gas quantities and concentrations over the entire furnace system is of crucial importance, because if a constant concentration profile is set, the simultaneous bare and carbon-neutral / carburizing annealing of iron materials can no longer be achieved.
  • an oxidizing furnace atmosphere is created in the inlet area of the furnace, depending on the degree of soiling, by adding oxidizing carbon dioxide 2 and inert nitrogen 1, if these are not sufficient Dimensions by mixing with atmospheric oxygen in the inlet area of the furnace.
  • the base gas 6 is adapted in terms of the amount and the concentration of reactive constituents to the conditions with regard to the reduction of iron materials. These conditions are primarily determined by the temperature (material temperature).
  • an atmosphere is set in the hot area of the furnace system by the modification of the feed base gas 6 and the addition of reducing methanol 3, 5 and carbon-containing natural gas 8, which limits the diffusion of the carbon present in the material to be annealed to the desired minimum.
  • an atmosphere is set in the hot area of the furnace system by the modification of the base gas 6 fed in and the addition of reducing methanol 3, 5 and carbon-containing natural gas 8, which completely prevents the carbon present in the annealing material from diffusing out and prepares the annealing surface so that Can diffuse carbon from the atmosphere into the annealing material.
  • oxidizing annealing of ferrous materials in the hot area of the furnace system by modifying the supplied base gas 6 and adding oxidizing carbon dioxide 4 and / or water 4, an furnace atmosphere is set up " which builds up defined oxide layers on the annealing material. These must not exceed a certain thickness, a certain reduction / oxidation potential must therefore be set in the furnace atmosphere. Under these conditions, the annealing material is decarburized at the same time.
  • a protective gas with combustible components of less than 5 vol% ( Modification of the base gas 6) is used in a suitable composition and amount, a gas mixture with the main components hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water and nitrogen being used in different concentrations as the base gas 6.
  • the base gas 6 can be produced in different ways are made, for example by means of endogas generators, the endogas generated is blended with nitrogen in accordance with the respective requirements for the material and the process temperature.
  • the endogas was conventionally generated by the reaction of atmospheric oxygen and methane using a nickel catalyst, which can be varied over a wide range in concentration and the amount produced by changing the control parameters on the in-house production system.
  • the protective gas atmosphere set in the cooling section of continuous furnaces must maintain the annealing condition set in the hot area, i.e. the diffusion of carbon from the annealing material or an oxidation of the surface of the annealing material must, especially in the first, i.e. in the cooling zone of the cooling section immediately adjacent to the hot area.
  • a sufficiently high amount of base gas 6 is therefore fed into the hot area and additionally inert nitrogen 9 into the cooling section of the furnace system.
  • the material 34MnB5 had a decarburization of more than 100 ⁇ m after the heat treatment at 870 ⁇ .
  • Table 3a Aeration profile for the carbon-neutral bright annealing in open continuous furnaces
  • Table 3b Base gas composition for carbon-neutral annealing (Variocarb ® -erg)
  • the material 34MnB5 had a decarburization of less than 30 ⁇ m after the heat treatment at 870O.
  • Table 4a Fumigation profile for carburizing bright annealing in open continuous furnaces H 2 C02- H 2 0 C0 2 CF N 2 [vol%] purification [vol%] [vol%] [vol%] [vol%] 14.5 7.6 k.
  • Table 4b Base gas composition for carburizing annealing (Variocarb ® -erg)
  • the material 34MnB5 after the heat treatment at 870O had a carburization depth of 60-130 ⁇ m to a carbon content of 0.55.
  • Table 5a Fumigation profile for bright annealing below 750 ⁇ O in open continuous furnaces
  • Table 5b Composition of base gas for bright annealing below 750 ° C (Variocarb ® -erg)
  • Table 6b Base gas composition for oxidizing annealing (Variocarb ® -erg)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallteilen in einer Ofenanlage, insbesondere zum randentkohlungsarmen und/oder auf kohlenden Blankglühen von Stahlteilen in einem geschleusten oder offenen Durchlaufofen mit mindestens einem Einlauf- und Heißbereich sowie mit mindestens einer Kühlstrecke unter einer Schutzgasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasatmosphäre in Abhängigkeit von produkt- und prozesstechnischen Parametern im gesamten Ofenbereich eingestellt wird. Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung ist in jedem herkömmlichen, geschleusten oder offenen Durchlaufofen problemlos und kostengünstig einsetzbar und entspricht den stetig steigenden Anforderungen an die Produktqualität und Prozesseffektivität.

Description

Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen in einer Ofenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Die an die Wärmebehandlung von Metallen hinsichtlich der Produkte, Ofenanlagen und Schutzgasatmosphären bezüglich einer höheren Flexibilität in der Fertigung verschiedener Halbzeuge gestellten Anforderungen nehmen stetig zu.
Diese Anforderungen unterscheiden sich hinsichtlich der Werkstoffzusammensetzung, der Oberflächenverschmutzung vor der Wärmebehandlung und den Anforderungen an das Produkt nach der Wärmebehandlung.
Die bei der herkömmlichen Wärmebehandlung von Metallen eingesetzte Ofen- begasung ist aber nicht oder nur unzureichend in der Lage, die gestellten Anforderungen hinsichtlich einer flexiblen Produktion zu erfüllen.
Die Anforderungen an das Produkt nach der Wärmebehandlung betreffen im
Wesentlichen deren Oberflächen; hier sind fünf Hauptgebiete zu nennen:
a Blank b Oxidiert c Entkohlungsarm d Aufgekohlt e Entkohlt
Gleichzeitig müssen Wärmebehandlungen bei Temperaturen zwischen 450O und θδO' D möglich sein, um die gesamte Werkstoffpalette und Wärmebehandlungsschritte zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für die Wärmebehandlung von Metallen in geschleusten als auch in offenen Durchlauföfen.
Das Ziel einer jeden Wärmebehandlung ist die Erfüllung einer den Forderungen a-e oder deren Kombinationen, unabhängig vom Verschmutzungsgrad der Werkstoffoberflächen vor der Wärmebehandlung. Neue, höhere Anforderungen, insbesondere randentkohlungsarmes bzw. aufkohlendes Blankglühen in offenen Ofenanlagen, an das Wärmebehandlungsgut können mit der herkömmlichen Wärmebehandlung nicht oder nur unzureichend erfüllt werden. Das stellt derzeit insbesondere die Zulieferindustrie der Automobilindustrie, vor die schwierige Aufgabe, mit den vorhandenen
Produktionsmitteln die ständig steigenden Qualitätsansprüche ihrer Kunden zufrieden stellen zu müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen in geschleusten oder offenen Durchlauföfen unter einer Schutzgasatmosphäre zu schaffen, mit dem alle an die unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich der Produktqualität und der Prozesseffektivität erforderlichen Wärmebehandlungen problemlos und kostengünstig in einer Ofenanlage möglich sind.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Durchlaufofen mit einer Gasversorgung, mittels der eine, den jeweiligen Erfordernisse entsprechende Schutzgasatmosphäre im Einlauf- und Heißbereich sowie in der Kühlstrecke des Durchlaufofens eingestellt werden kann.
Dazu wird dem Einlaufbereich des Durchlaufofens inerter Stickstoff (N2) 1 und/oder oxidierendes Kohlendioxid (CO2) 2 und dem Heißbereich des Ofens reduzierendes Methanol 3, 5 und/oder oxidierendes Wasser (H2O) 4 und/oder oxidierendes
Kohlendioxid (C02) 4 und/oder Basisgas 6 und/oder inerter Stickstoff (isy 7 und/oder kohlenstoffhaltiges Erdgas 8 sowie der Kühlstrecke des Ofens inerter Stickstoff (N2) 9 zugeführt. Erfindungsgemäß wird als Basisgas 6 ein mit Stickstoff verschnittenes oder ein reines Endogas (20%CO, 40%H2, Rest N2) bzw. ein ähnliches Gas eingesetzt, welches durch herkömmliche, vor Ort vorhandene Endogas- oder Monogas- generatoren erzeugt wird. Es ist aber auch möglich, als Basisgas 6 synthetisches Gas in einer dem Endogas entsprechenden Zusammensetzung zu verwenden.
Die erfindungsgemäße Begasung des in Fig. 1 dargestellten Durch lauf ofens erfolgt mit den in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten Gasmengen:
Figure imgf000005_0001
Durch das gezielte Dosieren der einzelnen Medien und der Modifikation des Basisgases können - unter Beachtung von Formierzeiten und Sicherheitsaspekten - Eisenwerkstoffe allen erforderlichen Wärmebehandlungen in einer offenen Ofenanlage unterzogen werden.
Zur Durchführung der Wärmebehandlung wird die Ofenatmosphäre kontinuierlich überprüft. Die Einstellung der Kenngrößen erfolgt unter Zuhilfenahme der theoretisch notwenigen Werte, jedoch ist eine genaue Anpassung des Begasungsprofils an die vorhandene Ofenanlage erforderlich, da das Zugverhalten der Ofenanlage die Kenngrößen entscheidend beeinflusst.
Daher muss dieses Zugverhalten untersucht werden. Im Anschluss daran werden die Parameter festgelegt, welche in der Produktion halbautomatisch durch die Auswahl von verschiedenen Wärmebehandlungsprogrammen durch das Bedienpersonal eingestellt werden.
Um blanke Oberflächen beim Glühgut zu erhalten, muss die Entfernung von evtl. auf dem Glühgut vorhandenen Resten von Walz- oder Ziehmitteln durch Oxidation sichergestellt sein, bevor sich Crackprodukte auf deren Oberflächen bilden.
Nach der Säuberung der Glühgutoberfläche muss eine Schutzgasatmosphäre eingestellt werden, welche die auf der Glühgutoberfläche vorhandenen Oxidschichten weitestgehend entfernt - und im weiteren Prozessverlauf - die erneute Oxidation der Oberfläche des Glühguts weitestgehend verhindert.
Zum kohlungsneutralen Glühen von Metallen muss das Ausdiffundieren von Kohlenstoff aus dem Glühgut verhindert werden. Dazu muss die Ofenatmosphäre eine Kohlenstoffaktivität aufweisen, die dem Kohlenstoffgehalt des Glühgutwerkstoffes entspricht.
Zum aufkohlenden Glühen von Metallen muss das Eindiffundieren von Kohlenstoff aus der Atmosphäre in das Glühgut ermöglicht werden. Dazu muss die Oberfläche des" Glühguts vorbereitet werden, dazu muss die Ofenatmosphäre ausreichend Kohlenstoff enthalten, d.h. die Kohlenstoffaktivität muss höher sein als der Kohlenstoffgehalt des Glühgutwerkstoffes.
Die Entfernung der Zieh- bzw. Walzmittel von der Glühgutoberfläche erfolgt durch Abdampfprozesse der Kohlenwasserstoffe unter CO-, C02- und CH4-Bildung. Diese Prozesse müssen bis zu der Cracktemperatur der verwendeten Schmiermittel abgeschlossen sein, da die Crack-Rückstände auf deren Oberflächen während der weiteren Wärmebehandlung nicht entfernt werden können.
Die Crack-Temperatur liegt bei den gängigen Schmiermitteln bei etwa 400CC. Bevor das Glühgut diese Temperatur erreicht, müssen die noch auf der Oberfläche des Glühguts vorhandenen Verunreinigungen oxidiert und abgedampft sein. Geschieht dies nicht, verbleiben auf dem Glühgut schwarze, fest haftende Rückstände. Hierfür muss eine Atmosphäre im Einlaufbereich des Ofens sicher gestellt sein, welche genügend sauerstoffhaltige Komponenten zur Verfügung stellt, um die Bildung von CO bzw. C02 zu ermöglichen.
Der dazu benötigte Sauerstoff kann bei einer offenen Ofenanlage dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass Umgebungsluft in den Ofeneinlauf bereich einströmt. Diese Verfahrensweise weist jedoch erhebliche Sicherheitsrisiken auf und ist somit in der Praxis nicht reproduzierbar. Daher müssen in diesem Fall im Ofeneinlaufbereich Luftsauerstoff verdrängende inerte Medien, wie z.B. Stickstoff (Ny, eingespeist werden.
Zur Schaffung einer oxidierenden Ofenatmosphäre bei der Wärmebehandlung von Metallen in einem offenen oder geschleusten Durchlaufofen werden sauerstoffhaltige Medien, wie z.B. Kohlendioxid (C02) und/oder Wasser (H2O), in den Einlauf bereich der Ofenanlage dosiert eingespeist.
Im Anschluss an das Abdampfen der Zieh- bzw. Walzmittel müssen die auf der Oberfläche des Wärmebehandlungsguts vorhandenen Oxide reduziert werden.
Die Reduktion von Metallen erfolgt nach folgender Reaktionsgleichung:
MexOy = x Me + y/2 O2 (1)
Der freie Sauerstoff in der Ofenatmosphäre wird durch zwei Teilgleichgewichte eingestellt:
H2O = H2 + V2 02 LOG [PH2 *P1/2O2/PH2O] = -13027/T + 2,951
CO2 = CO + V2 O2 LOG [Pco2/Pco*P1 /2o2] = +14744/T - 4,526
Innerhalb der Ofenatmosphäre ist ein hinreichend niedriger Sauerstoff-Partialdruck notwendig, um Reaktion (1) ablaufen zu lassen, das heißt es muss in Abhängigkeit von der anliegenden Temperatur ein ausreichend hohes Verhältnis H2/H2O bzw. CO/CO2 eingestellt werden. Somit liegen in Abhängigkeit vom absoluten Wasserstoff- bzw. Kohlenmonoxidgehalt der Ofenatmosphäre die maximalen Wasser- bzw. Kohlendioxidgehalte fest, um eine Reduktion des Materials zu ermöglichen bzw. eine erneute Oxidation zu verhindern.
Über die homogene Wassergasreaktion sind diese beiden Reaktionen miteinander verknüpft:
CO + H2O = CO2 + Hs LOG [PCO2*PH2/PCO*PH2O] = +1717/T - 1 ,575
Aus der vorgenannten Reaktionsgleichung ist ersichtlich, dass das Produkt aus (Pco2/Pco) * (PH2/PH2O) konstant bleibt. Bei einer gegebenen Temperatur ergibt sich aus dem Verhältnis Ft/^O direkt das Verhältnis C02/CO.
Für kohlungsneutrale/aufkohlende Glühungen von Metallen muss - abhängig von der anliegenden Prozesstemperatur - das Kohlungspotenzial der Ofenatmosphäre an den Kohlenstoffgehalt und die Anforderungen an das Glühprodukt angepasst werden.
Der erforderliche C-Pegel CL wird durch den Kohlenstoffgehalt %C und die Gehalte an Legierungselementen des Werkstoffes bestimmt:
%C/CL = 0,055%Si + 0,011%Ni - 0,012%Mn - 0,09%Mo - 0,043%Cr
Die Kohlenstoff aktivität der Ofenatmosphäre ac wird durch folgende Reaktionen eingestellt:
2CO = C + C02 LOG [P2co / Pco2 *ac] = - 8871 T + 9,071
CO = C + 1/202 LOG [Pco / P1 Vac] = +5927/T + 4,545 CH4 = C + 2H2 LOG PCH4 / P2 H2 *ac] = +4791 /T - 5,789
CO + hl, = C + H20 LOG [PH2 *Pco / PH2o*ac] = -7100/T + 7,496
Das heterogene Wassergas spiegelt die Verhältnisse in Wasserstoff- und Kohlen- monöxidhaltigen Ofenatmosphären am genauesten wieder. Die Verknüpfung zwischen der Kohlenstoffaktivität, der Atmosphäre ac und dem sich einstellenden C- Pegel erfolgt nach folgender Gleichung:
LOG ac = 2296,28/T + 0,15%C + LOG[%C/0,785%C + 21 ,5] - 0,864
Damit liegen die theoretischen Grenzen für die Verhältnisse der reaktiven Bestandteile bei einer gegebenen Größe in der Ofenatmosphäre fest, welche ein gleichzeitiges Blank- und kohlungsneutrales/aufkohlendes Glühen eines Eisenwerkstoffes bei einer gegebenen Temperatur ermöglichen, sofern die Feuerfest-Auskleidung des Ofens dies aufgrund des Eisengehaltes zulässt (Fe < 1%).
Die Einstellung der benötigten Schutzgasatmosphäre im Heißbereich der Ofenanlage, die sich aus den in der Literatur hinreichend bekannten Zusammen- hängen ergibt, führt jedoch nicht immer zu dem gewünschten Ergebnis der Wärmebehandlung.
Für das Ergebnis der Wärmebehandlung ist die Verteilung der Gasmengen und - konzentrationen über die gesamte Ofenanlage von entscheidender Bedeutung, da bei der Einstellung eines konstanten Konzentrationsprofiles unter Umständen das gleichzeitige Blank- und kohlungsneutral/aufkohlende Glühen von Eisenwerkstoffen nicht mehr erfüllt werden kann.
Um das Abdampfen von Walz- bzw. Ziehmittelrückständen von der Glühgutober- fläche zu ermöglichen, wird im Einlaufbereich des Ofens, in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad, durch die Zugabe von oxidierendem Kohlendioxid 2 und inertem Stickstoff 1 eine oxidierende Ofenatmosphäre geschaffen, falls sich diese nicht in ausreichendem Maße durch die Vermischung mit Luftsauerstoff im Einlaufbereich des Ofens einstellt.
Zum Blankglühen von Metallen wird das Basisgas 6 hinsichtlich der Menge und der Konzentration an reaktiven Bestandteilen an die Verhältnisse bezüglich der Reduktion von Eisenwerkstoffen angepasst. Diese Verhältnisse werden in erster Linie durch die anliegende Temperatur (jeweilige Materialtemperatur) bestimmt.
Zum kohlungsneutralen Glühen von Metallteilen wird durch die Modifikation des eingespeisten Basisgases 6 und der Zugabe von reduzierendem Methanol 3, 5 sowie kohlenstoffhaltigem Erdgas 8 im Heißbereich der Ofenanlage eine Atmosphäre eingestellt, welche ein Ausdiffundieren des im Glühgut Werkstoff vorhandenen Kohlenstoffes auf das gewünschte Minimum beschränkt. Zum aufkohlenden Glühen von Eisenwerkstoffen wird durch die Modifikation des eingespeisten Basisgases 6 und Zugabe von reduzierendem Methanol 3, 5 sowie kohlenstoffhaltigem Erdgas 8 im Heißbereich der Ofenanlage eine Atmosphäre eingestellt, welche ein Ausdiffundieren des im Glühgutwerkstoff vorhandenen Kohlenstoffes vollständig verhindert und die Glühgutoberfläche so vorbereitet, dass Kohlenstoff aus der Atmosphäre in das Glühgut eindiffundieren kann.
Zum oxidierenden Glühen von Eisenwerkstoffen wird im Heißbereich der Ofenanlage durch die Modifikation des eingespeisten Basisgases 6 und die Zugabe von oxidierendem Kohlendioxid 4 und/oder Wasser 4 eine Ofenatmosphäre eingestellt, " welche definierte Oxidschichten auf dem Glühgut aufbaut. Diese dürfen eine bestimmte Stärke nicht überschreiten, daher muss ein bestimmtes Reduktions- / Oxidationspotential in der Ofenatmosphäre eingestellt werden. Unter diesen Bedingungen tritt gleichzeitig eine Entkohlung des Glühguts ein. Zum Glühen von Eisenwerkstoffen bei einer Temperatur unterhalb von 750°C wird ein Schutzgas mit brennbaren Bestandteilen von weniger als 5 Vol% (Modifikation des Basisgases 6) in zweckentsprechender Zusammensetzung und Menge eingesetzt. Als Basisgas 6 findet ein Gasgemisch mit den Hauptkomponenten Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff in unterschiedlichen Konzentrationen Verwendung. Das Basisgas 6 kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden, z.B. mittels Endogasgeneratoren, wobei das erzeugte Endogas entsprechend den jeweiligen Anforderungen an das Material und der Prozesstemperatur mit Stickstoff verschnitten wird.
Bei den Versuchen wurde das Endogas herkömmlich durch Reaktion von Luftsauerstoff und Methan mittels eines Nickel-Katalysator erzeugt, welches durch Veränderung der Regelparameter an der Eigenerzeugungsanlage in weiten Bereichen in der Konzentration und der erzeugten Menge verändert werden kann.
Die in der Kühlstrecke von Durchlauföfen eingestellte Schutzgasatmosphäre muss den im Heißbereich eingestellten Glühgut zustand erhalten, d.h. das Diffundieren von Kohlenstoff aus dem Glühgut bzw. eine Oxidation der Oberfläche des Glühguts muss, insbesondere in der ersten, d.h. in der unmittelbar an den Heißbereich anschließenden Kühlzone der Kühlstrecke, verhindert werden. Deshalb wird eine ausreichend hohe Menge von Basisgas 6 in den Heißbereich und zusätzlich inerter Stickstoff 9 in die Kühlstrecke der Ofenanlage eingespeist.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmebehandlung von Metallen in geschleusten oder offenen Durchlauföfen sind den nachstehend aufgeführten Versuchsergebnissen zu entnehmen:
Begasung zum entkohlenden Blankglühen von C-Stahl in offenen Durchlauf Öfen:
Figure imgf000011_0001
Durch lauf Öfen
Figure imgf000012_0001
Tabelle 2b: Zusammensetzung Basisgas zum entkohlenden Glühen (Variocarb®-erg)
Figure imgf000012_0002
offenen Durch lauf Öfen
Bei einer mit den vorstehend aufgeführten Parametern durchgeführten Wärmebehandlung wies der Werkstoff 34MnB5 nach der Wärmebehandlung bei 870^ eine Entkohlung von mehr als 100 μm auf.
Begasung zum kohlungsneutralen Blankglühen von C-Stahl in offenen Durchlauföfen:
Figure imgf000012_0003
Tabelle 3a: Begasungsprofil zum kohlungsneutralen Blankglühen in offenen Durchlauföfen
Figure imgf000013_0001
Tabelle 3b: Zusammensetzung Basisgas zum kohlungsneutralen Glühen (Variocarb®-erg)
Figure imgf000013_0002
Blankglühen in offenen Durchlauföfen
Bei einer mit den vorgenannt aufgeführten Parametern durchgeführten Wärmebehandlung wies der Werkstoff 34MnB5 nach der Wärmebehandlung bei 870O eine Entkohlung von weniger als 30 μm auf.
Begasung zum aufkohlenden Blankglühen von C-Stahl in offenen Durchlauföfen:
Figure imgf000013_0003
Tabelle 4a: Begasungsprofil zum aufkohlenden Blankglühen in offenen Durchlauföfen H2 C02- H20 C02 CF N2 [Vol%] Reinigung [Vol%] [Vol%] [Vol%] [Vol%] [Vol%] 14,5 7,6 k. A. 0,24 0,08 Rest Tabelle 4b: Zusammensetzung Basisgas zum aufkohlenden Glühen (Variocarb®-erg)
Figure imgf000014_0001
offenen Durchlauföfen
Bei einer mit den vorstehend aufgeführten Parametern durchgeführten Wärmebehandlung wies der Werkstoff 34MnB5 nach der Wärmebehandlung bei 870O eine Aufkohlungstiefe von 60 - 130 μm auf einen Kohlenstoff geh alt von 0,55 auf.
Begasung zum Blankglühen von C-Stahl in offenen Durchlauföfen unterhalb von 750 °C
Figure imgf000014_0002
Tabelle 5a: Begasungsprofil zum Blankglühen unterhalb 750<O in offenen Durchlauföfen
Figure imgf000015_0001
Tabelle 5b: Zusammensetzung Basisgas zum Blankglühen unterhalb 750°C (Variocarb®-erg)
Figure imgf000015_0002
offenen Durchlauföfen
Begasung zum oxidierenden Glühen von un- und niedrig legiertem Stahl in offenen Durchlauföfen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 N2 C02 N2/Meth H20 N2/Meth Basis N2 Erdgas N2 [Nnf/h] [Nπf/h] [Nm3/h] [L/h] [Nπf/h] [Nnf/h] [Nπf/h] [Nnf/h] [Nnf/h] 5,6 370 Tabelle l 3a: Begas ungsprotil zum o xidierende n Glühen in offene n Durchla uföfen
Figure imgf000015_0003
Tabelle 6b: Zusammensetzung Basisgas zum oxidierenden Glühen (Variocarb®-erg)
Figure imgf000016_0001
offenen Durch lauf Öfen
Bei einer mit den vorstehend aufgeführten Parametern durchgeführten Wärmebehandlung wurde bei dem Werkstoff Ck55 eine definierte Oxidation sowie eine Entkohlung von 100-120 μm und eine Auskohlung von 10-15μm erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallteilen in einer Ofenanlage, insbesondere zum randentkohlungsarmen und/oder aufkohlenden Blankglühen von Stahlteilen in einem geschleusten oder offenen Durchlaufofen mit mindestens einem Einlauf- und Heißbereich sowie mindestens einer Kühlstrecke unter einer Schutzgasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasatmosphäre in Abhängigkeit von den produkt- und prozesstechnischen Parametern im gesamten Ofenbereich eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine in Menge, Konzentration und Temperatur im Einlauf- und Heißbereich sowie in der Kühlstrecke der Ofenanlage einstellbaren Schutzgasatmosphäre.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasatmosphäre in Abhängigkeit von der zeitlichen Abfolge, den Prozesstemperaturen und der geforderten Produktqualität eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Einlaufbereich des Ofens eingestellte Schutzgasatmosphäre inerten Stickstoff (1) und/oder oxidierenden Kohlendioxid (2) enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Heißbereich des Ofens die Schutzgasatmosphäre aus Methanol (3, 5) und/oder
Wasser und/oder Kohlendioxid (4) und/oder Basisgas (6) und/oder Stickstoff (7) und/oder Erdgas (8) besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlstrecke des Ofens als Schutzgas Stickstoff (9) eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Blankglühen von Metallteilen im Heißbereich des Ofens ein aus dem Basisgas (6) bestehendes Schutzgas eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum kohlungsneutralen Glühen von Metallteilen im Heißbereich des Ofens ein Schutzgas bestehend aus modifiziertem Basisgas (6) und einem reduzierendem Gas wie Methanol (3, 5) sowie einem kohlenstoffhaltigen Gas wie Erdgas (8) Verwendung findet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum aufkohlenden Glühen von Metallteilen im Heißbereich des Ofens ein Schutzgas aus modifiziertem Basisgas (6) und einem reduzierendem Gas wie
Methanol (3, 5) sowie einem kohlenstoffhaltigen Gas wie Erdgas (8) eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum oxidierenden Glühen von Metallteilen im Heißbereich des Ofens ein Schutzgas aus modifiziertem Basisgas (6) und oxidierendem Kohlendioxid (4) und/oder oxidierendem Wasser (4) Verwendung findet.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Glühen von Metallteilen mit Temperaturen unterhalb von 750<C im Heiß- bereich des Ofens als Schutzgas modifiziertes Basisgas (6) mit einem brennbaren Anteil von weniger als 5 Vol% eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Heißbereich des Ofens ein in variabler Menge und Konzentration einsetzbares, aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff bestehendes Basisgas (6) Verwendung findet.
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