CZ197695A3 - Heat treatment, particularly carburization of metal workpieces - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu tepelného zpracování, obzvláště nauhličování, kovových obrobků v peci v pracovní atmosféře za vysokých teplot, při kterém se tato atmosféra vyrobí reakcí alespoň jedné, uhlík a vodík obsahující sloučeniny, jakož i dalšího, elementární kyslík obsahujícího media, například vzduchu.

Dosavadní stav techniky

Při již klasickém standardním postupu nauhličování, takzvaném generátorovém endoplynovém postupu, karbonisačně neutrálním a v určitých případech také dekarbonisačním tepelným zpracováním, se potřebný plyn pro zpracování vyrábí například podstechiometrickým spalováním zemního plynu, methanu nebo propanu se vzduchem při teplotách asi 1000 °C s velkým množstvím pomocné energie. Při jiných běžných postupech se identický pracovní plyn vyrábí pomocí katalysátorové retorty, umístěné v peci pro tepelné zpracování a přiváděním stejných výchozích látek (viz například odborný článek Grundsátzliche Vóraussetzungen⁼fůr die Ver-= =-.- = ringerung des Gasverbrauchs bei der geregelten Gasaufkohlung” z HTM 35/1980 č. 5, str. 230 až 237, obzvláště bod 1.1 a například DE 36 32 577) . Při vyšších pracovních teplotách je také známé, že se uvedená media zavádějí přímo do pece, kde se opět nechají zreagovat na odpovídající pracovní plyn.

Opět jiné způsoby vycházejí z odlišných výchozích látek, totiž obzvláště kyslík nesoucích uhlíkatých sloučenin, jako jsou například alkoholy a dochází se potom tím k atmosféře pro tepelné zpracování, přičemž tyto kyslík nesoucí sloučeniny se vnášejí přímo do zahřáté pece pro tepelné zpracování a zde na základě panuj ících vysokých teplot (> 800 °C) zreagují na požadovaný plyn pro zpracování. Často se při těchto postupech přidává dusík jako součást atmosféry, což dodatečně vede k provozně technickým výhodám, jako je možnost vstřikování často kapalných, kyslík nesoucích uhlovodíkových sloučenin a kromě toho sebou přináší generální použitelnost inertního přídavného a proplachovacího media (viz opět odborný článek

Grundsátzliche Voraussetzungen fůr die Verringerung des Gasverbrauchs bei der geregelten Gasaufkohlung z HTM 35/1980 č. 5, str. 230 až 237, obzvláště bod 1.1 a například DE 36 32 577) .

Když se vezmou v úvahu výše popsané kategorie způsobu, pod které spadají prakticky všechny v praxi provozované postupy, a analysují se obzvláště se zřetelem na odpovídající reakce pro tvorbu atmosféry, tedy na základě rovnic

CH₄ + 0,5 0₂ + 2 N₂ -> CO + 2H₂ + 2 N₂ a

CH₃OH + 2 N₂ -> CO + 2H₂ + 2 N₂ , tak se zjistí, že tyto atmosféry mají poměr oxidu uhelnatého k vodíku 1:2. Při tom je třeba vzít zřetel na to, že pro proces nauhličování jsou obzvláště výhodné zvláště atmo3 sféry s poměrem oxidu uhelnatého k vodíku asi 1 : 1 (viz opět výše citovaný článek, str. 231) , neboť tyto atmosféry mají extrémně vysoké přechodové číslo uhlíku. Vytvoření atmosféry s uvedeným poměrem oxidu uhelnatého k vodíku jednoduchým a pro praxi vhodným způsobem a na basi dobře | dostupných výchozích látek je však dosud neuspokojivě vyfi,

I řešený úkol (viz například DE 41 10 361 Al) .

Podstata vynálezu

Úkolem předloženého vynálezu je tedy dát k disposici se zřetelem na cenu přijatelnou a jednoduše realisovatelnou možnost vyrobit plyn pro zpracování obrobků s poměrem oxidu uhelnatého k vodíku přibližně 1:1.

Uvedený úkol byl podle předloženého vynálezu vyřešen tím, že se jako výchozí látky pro tvorbu atmosféry použijí plynné alkeny, tedy uhlovodíky s jednou dvojnou vazbou, a tyto se nechají reagovat s odpovídajícími, kyslík obsahujícími medii podle rovnice ^n^2n ^{+ n} θ -^{> n} CO + η H2 , přičemž n = 2, 3, 4) na výše popsanou výhodnou atmosféru (CO : H2 =1 : 1) .

Tato atmosféra se může popřípadě zředit inertním plynem, zpravidla dusíkem, přičemž toto se výhodně neprovádí při nauhličování v počáteční části zpracování nebo se to provádí ί pouze v nepatrném rozsahu. Jako kyslík obsahující medium jt přichází v úvahu výhodně čistý kyslík, ovšem v úvahu přicházejí také kyslík obsahující plyny, obzvláště vzduch, kyslíkem obohacený vzduch nebo také kyslík obsahující’ plynné sloučeniny. Podle předloženého vynálezu se tím myslí

i.

především uhlíkové plyny (oxid uhličitý, oxid uhelnatý) , oxid dusičitý nebo oxid dusný. Pro vynález nejdůležitější alkeny jsou propylen a ethylen.

V následujícím je vynález blíže objasněn pomocí příkladu provedení za použití obrázku.

Vysvětlení obrázku na výkrese

Na obr. 1 je znázorněna komorová pec i , ve které se nachází nauhličovaný obrobek 2 . V této komorové peci Í je dále uspořádán v podstatě ze dvou koncentrických trubek vytvořený dvouplášfový konvertor K , který svými vnějšími rozměry odpovídá obvyklé sálavé topné trubce. Konvertor K je svojí uvnitř ležící trubkou 3 napojen na přívody 4 a 5 , které slouží pro přívod výchozích medií pro tvorbu atmosféry, přičemž atmosféra, vytvořená v podstatě ve vnitřní trubce konečně proudí přes hrdlo 7 do vnitřního prostoru pece. Prázdný prostor 6 , nacházející se mezi vnější a vnitřní trubkou konvertoru K , je napojen na přívod 8. , pomocí kterého se může případně přivádět topné medium pro vyhřívání uvnitř ležící trubky 3. . Dále je pec vybavena zde neznázorněnými topnými trubkami pro jej vyhřívání, jakož i ventilátorem 10 , který slouží pro promíchávání pracovního plynu. Dále je ve spojení s vnitřním prostorem pece plynový analysátor 11 , zde se jedná obzvláště o takzvanou C-sondu , který přes příslučnou jednotku 12 pro zpracování signálu ovládá regulační člen 14 -přívodu —4b —kyslíku.—-Stejně - tak-j e-v-pří vodu—- 4a—.— který— slouží pro přivádění propylenu do přívodu 4 , uspořádána regulační jednotka 13 množství propylenu. Její nastavení však zůstává v průběhu procesu většinou prakticky konstantní .

Příklad provedeni vynálezu

Podle předloženého vynálezu se ve výše popsané komorové peci provede tepelné zpracování následuj ícím způsobem :

Obrobky z oceli 16Mn5Cr s obsahem uhlíku asi 0,16 % hmotnostních mají být nauhličeny na obsah okrajového uhlíku asi 0,9 % C , přičemž se má dosáhnout hloubky vytvrzení 0,5 mm (obsah uhlíku zde 0,35 %j . K tomu se obrobky 2 umístí, jak je na obr. 1 znázorněno, do komorové pece A a začne se jejich vyhřívání přiváděním dusíku přes přívod 5. a konvertor K . Při dosažení teploty asi 500 °C (konečná teplota pro nakonec prováděný proces nauhličování je asi 900 až 950 °C) se přívod dusíku zastaví a začne se s přívodem stechiometricky stanovené směsi propylenu a kyslíku do dvouplášfového konvertoru K přes přívod 4 , čímž se tvoří atmosféra plynu pro zpracovávání podle rovnice ^C3^H6 ^{+ 3}/² °2 -> 3 CO + 3 H₂ .

Startovací teplota pro tuto reakci je asi 450 °C , takže reakce při teplotách nad 500 °C a obzvláště při obvyklých teplotách při nauhličování probíhá bez problémů. Vyhřívání konvertoru probíhá od vnitřního prostoru pece a je podporováno tím, že se přívodem 8. zavádějí do prázdného prostoru 6. mezi vnitřní a vnější trubkou konvertoru horké spaliny, pocházející z topných trubek. Reakce, probíhající v konvertoru K a jeho vnitřní trubce 3. poskytuje podle uvedeného reakčního schéma pracovní plyn, sestávající z asi % oxidu uhelnatého a 50 % vodíku, tedy pracovní plyn jehož poměr CO/H2 je exaktně okolo 1.

Toto je, jak již bylo řečeno, optimální poměr CO/H2 pro nauhličování, neboť tím je dosaženo maximálního možného ..... .................. ............ ‘ ............... ........... ' ~ přechodového čísla uhlíku β asi 310 . 10' cm/s (viz výše citovaná publikace, str. 231) .

Toto přechodové číslo uhlíku β má pro proces nauhličování a především pro jeho počáteční fázi veliký význam, neboť v této počáteční fázi mají odpovídající obrobky ještě relativně nízké podípy uhlíku v povrchových vrstvách a proto je pojímání uhlíku těmito obrobky v této fázi velmi podstatně závislé na dodávce uhlíku, pro kterou je mírou opět řečené přechodové číslo uhlíku. V časově pozdějších úsecích nauhličování, zpravidla po uplynutí asi 70 % doby zpracování, se pozvolna odsouvá význam této dodávky uhlíku do pozadí, neboť potom okrajové vrstvy nauhličovaného obrobku dosáhnou nasyceného stavu a rychlost nauhličování potom závisí hlavně na difusi uhlíku z povrchových vrstev do vnitřku obrobku. Proto v pozdějších fázích nauhličování nemá přechodové číslo uhlíku β v atmosféře pro rychlost nauhličování již zásadní význam a může se, jak je také podle předloženého vynálezu předpokládáno, potom použít atmosféra s nižším číslem β . Toto se může zajistit například časovým odpovídajícím způsobem sníženým přívodem propylenu a kyslíku za současně začínajícího přívodu dusíku. Při tom je vhodné udržovat podíl dusíku v resultující atmosféře vyšší než 20 % až 50 % , přičemž je třeba dbát na to, aby vli vem - této atmosféry- v-konečné-fázi- nenastávalo nepřípustné oduhličování obrobků. K tomu je vhodné nastavit jejich úroveň nauhličení, jakož i hladinu uhlíku v iniciační atmosféře. Pomocí atmosféry podle předloženého vynálezu, nastavené průběžně na hladinu uhlíku asi 1 % , se obzvláště v předloženém příkladném případě dosáhne při asi devadesátiminutové době zpracování obsahu uhlíku v okrajových částech asi 0,9 % (při zde blíže uvažovaném příkladném případě s relativně nepatrnou hloubkou nauhličení 0,5 mm a relativně krátkou dobou zpracování je v zásadě možné zachování atmosféry, obsahující čistě propylen a kyslík, po celou dobu zpracování bez ředění dusíkem) .

Pro srovnání :

Při nauhličování pomocí atmosféry, vyrobené ze zemního plynu (složení : asi 20 % oxidu uhelnatéhom, 40 % vodíku a 40 % dusíku)m je potřebná pro dosažení požadovaného výsledku nauhličivání podle zkušeností přihlašovatele

- doba zpracování asi 110 minut.

Jinak se může nastavení obsahu uhlíku v atmosféře podle předloženého vynálezu provádět obvyklým způsobem odděleného a regulovaného přívodu obohacovacího plynu, například zemního plynu nebo také acetylenu, přičemž jako iniciující veličina pro úroveň uhlíku je použitelný jako obvykle například rosný bod nebo obsah oxidu uhličitého v atmosféře.

Acetylen má při tom tu výhodu, že se poměr CO/H2 atmosféry nerozladí. Dále je možné úroveň uhlíku regulovat dávkou propylenu a/nebo kyslíku přívody 4a a 4b s regulačními členy 13 a 14 . Při poměru přídavku propylenu a kyslíku, odchylujícím se od jedné, se může přes parciální tlak kyslíku nastavit hladina uhlíku v atmosféře. Výška přebytku kyslíku při tom určuje úroveň uhlíku.

Když se totiž do konvertoru 3 zavádí směs propylenu a kyslíku, mající od stechiometrie odchylný poměr a přebytek propylenu, potom nepřispívá přebytečný podíl propylenu bezprostředně ke tvorbě nosného plynu CO-H₂ , ale vede ke zvýšení hladiny uhlíku vznikající atmosféry. Pro regulaci pohoto procesu slouží plynový analysátor 11 , znáz orněný na obr. 1 , který například zjišťuje kyslíkový potenciál atmosféry, tedy všechny kyslíkové ionty, obsažené v součástech atmosféry (CO , C0₂ a H₂0) a na této basi se společně s příslušnou jednotkou 12 pro zpracování signálu zjistí patřičné množství kyslíku a toto se nastaví pomocí regulačního členu 14 .

Nakonec je možno blíže popsat variantu podle vynálezu na basi oxidu dusnatého :

Atmosféru tvořící reakce je při tom dána rovnicí

C₂H₄ + 2 NO -> 2C0 + 2.H₂ + N₂ .

Získá se tedy opět atmosféra pro zpracování obrobků, která má výhodný poměr CO/H₂ asi 1:1. Pomocí této atmosféry jsou proveditelná za vhodného obohacení libovolná nauhličení podle výše uvedeného vzoru.

Závěrem může být konstatováno, že použitím popsaného postupu je možno provádět nově a efektivně nauhličení, které probíhá na basi dosud nevyužívaných výchozích látek, totiž ethylenu, propylenu a butylenu. Tento způsob není omezen pouze na výše popsanou diskontinuální komorovou pec, ale je možno-použít—jaké-jiné’pece7~například“také průběžné-pece-astrkací pece.

Claims (5)

1. Způsob tepelného zpracování, obzvláště nauhličování kovových obrobků v pracovní atmosféře za vysokých teplot, při kterém se atmosféra vyrábí reakcí alespoň uhlík a vodík obsahující sloučeniny s kyslík obsahujícím mediem, například vzduchem, přičemž reakce se popřípadě provádí za podpory generátorového nebo katalysátorového zařízení u pece nebo v peci, přičemž se do atmosféry popřípadě přivádí obohacovací prostředek, vyznačující se tím, že se jako uhlík a vodík obsahující sloučeniny použijí plynné alkeny.

2. Způsob podle nároku 1 , vyznačující se tím, že se jako kyslík obsahující medium přivádí kyslík obsahující plyn nebo kyslík obsahující plynná sloučenina, přičemž toto kyslík obsahující medium se nechá reagovat s alkeny podle rovnice ·> n CO + η H2 přičemž n = 2, 3 a 4 , a jtak se vytvoří základ této pracovní atmosféry, která se popřípadě může zředit inertním plynem, obzvláště dusíkem.

3. Způsob podle nároku 2 , vyznačující se tím, že se jako kyslík obsahující medium použije čistý plynný kyslík.

4. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 3 , vyznačující se t í tn , že se jako uhlík a vodík obsahující sloučenina použije propylen nebo ethylen.

5. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 4 , vyznačující se tím, že v případě nauhličovacího zpracování po proběhnutí počáteční časové periody, která činí asi 10 až 70 % celkové doby zpracování a používá se zde vysoký obsah oxidu uhelnatého a vodíku, se vytváří inertním plynem zředěná atmosféra a pokud byla tato již naředěná, tak ještě dále zředěná a pomocí této se nauhličovací zpracování dokončí.