DE10221605A1

DE10221605A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke

Info

Publication number: DE10221605A1
Application number: DE2002121605
Authority: DE
Inventors: Thomas Mahlo
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2003-12-04
Also published as: AU2003240237A1; WO2003097893A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Wärmebehandlung von metallischem Werkstück unter hohen Temperaturen in einem Glühofen, bei dem das metallische Werkstück der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gases oder Gasgemisches ausgesetzt wird, wobei das durchschnittliche Kohlenstoffpotential der Atmosphäre in dem Glühofen stets unterhalb oder an der Rußgrenze liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Gas oder Gasgemisch Acetylen enthält, wobei dem Gas oder Gasgemisch die kohlenstoffhaltige Komponente bevorzugt pulsierend zugegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Werkstück unter hohen Temperaturen in einem Glühofen, bei dem das metallische Werkstück der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gases oder Gasgemisches ausgesetzt wird, wobei das durchschnittliche Kohlenstoffpotential der Atmosphäre in dem Glühofen stets unterhalb oder an der Rußgrenze liegt. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Glühofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wärmebehandlungsverfahren, inbesondere Aufkohl- und Härtungsprozesse von metallischem Werkstück, laufen im Regelfall unter hohen Temperaturen - vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1100°C ab. Aber auch andere Wärmebehandlungsprozesse mit Temperaturen über 500°C werden in CO- und H₂- beinhaltenden Atmosphären durchgeführt. Dabei wird üblicherweise auf der Grundlage der katalytischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Kohlendioxid das erforderliche Behandlungsgas gebildet.

Es ist bekannt, CO- und H₂-haltige Schutz- oder Reaktionsgase aus Luft und einem Kohlenwasserstoffgas(gemisch) - beispielsweise Erdgas oder Propan - mittels katalytischer Umsetzung der reaktiven Bestandteile - also Sauerstoff und beispielsweise Methan - zu bilden. Die typische Bildungsreaktion, die eine unvollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoffgas(gemisch)es darstellt, lautet hierbei wie folgt:

(O₂ + 4N₂) oder (Luft) + 2CH₄ → 2CO + 4H₂ + 4N₂

Diese Reaktion wird üblicherweise mit einem neben dem oder den Wärmebehandlungsöfen angeordneten oder direkt an das Glühofengehäuse montierten, im Kernstück aus einem Katalysator bestehenden Gasgenerator bewerkstelligt. Das im Gasgenerator gebildete sog. Endogas wird im Regelfall - ggf. noch nach einem Abkühlschritt - ohne weitere Behandlung der zugehörigen Wärmebehandlungsanlage zugeführt.

Ferner ist es bekannt, CO- und H₂-haltige Behandlungs- oder Reaktionsgase aus Kohlendioxid und wiederum einem Kohlenwasserstoffgas(gemisch) zu bilden. Typische Bildungsreaktionen für die Atmosphärenbereitstellung auf CO₂-Basis lauten beispielsweise:

2CO₂ + 2CH₄ → 4CO + 4H₂

3CO₂ + C₃H₈ → 6CO + 4H₂

Diese Reaktionen ergeben Atmosphären, die verglichen mit dem vorgenannten Endogas deutlich erhöhte Anteile an Kohlenmonoxid und zudem keinen Stickstoffgehalt aufweisen. Insbesondere für Aufkohlungsprozesse bietet dies Vorteile, nämlich eine hohe Kohlenstoffübergangszahl.

Unter den bekannten Aufkohlungsverfahren sind hier die Verfahren von besonderem Interesse, die in Glühöfen mit geschlossener Bauweise durchgeführt werden. Die wesentliche Problematik der bekannten Aufkohlungsverfahren besteht darin, die Übertragung des Kohlenstoffs von dder Gasatmosphäre auf das Werkstück, z. B. den Stahl, geregelt durchzuführen, um reproduzierbare Aufkohlungsergebnisse an Werkstücken verschiedenen Grundkohlenstoffgehaltes, verschiedener Legierungen und verschiedener Gestalt zu erzielen.

Aus der Druckschrift GB-A-527 081 ist ein Verfahren zum Aufkohlen bekannt, bei dem außerhalb eines Glühofens ein Gasgemisch vorbereitet, auf einen Druck über Umgebungsdruck verdichtet und nachfolgend in den Glühofeninnenraum entspannt wird.

Aus der europäischen Patentschrift 0 080 124 ist ein Verfahren zum Einsatzhärten metallische Werkstücke bekannt, wobei die Werkstücke der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden, dem eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Gaskomponente(n) während dessen Einwirkung auf die Werkstücke pulsierend zugegeben wird (werden).

Gemäß der europäischen Patentschrift 0 049 530 ist es bekannt, zur Ausbildung einer Aufkohlungsgasatmosphäre ein Gasgemisch aus den drei Komponenten Stickstoff Kohlenwasserstoff und einem Sauerstoffspender in den Glühofenraum einzuführen (vgl. DE-A-24 50 879 und DE-A-28 18 558). Als Kohlenwasserstoffe werden genannt: Paraffin oder paraffinische Kohlenwasserstoffe, Methan, Äthan, Propan, Butan oder Erdgas. Als Sauerstoffspender dienen dabei Sauerstoff, Luft, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserdampf oder Mischungen davon. Die Gaskomponenten werden getrennt oder in Mischungen dem Glühofen zugeführt. Die Messung und Regelung der Gasatmosphäre erfolgt über eine Taupunkt-, Infrarot-(CO₂)- oder Sauerstoffmessung.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass der oben genannte Zusammenhang zwischen Kohlendioxidgehalt, Sauerstoffgehalt und Taupunkt einerseits und Kohlenstoffpotential andererseits nicht ohne weiteres zur Kontrolle herangezogen werden kann, da in den Glühofen eingeleitete Gase sich nicht im Reaktionsgleichgewicht befinden.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, einer Gasatmosphäre Methan als kohlenstoffhaltiges Gas zuzugeben. Bei diesem Verfahren wird der Aufkohlungsprozess in zwei oder drei Intervalle geteilt, in welchen das Kohlungsmittel in den Glühofen geleitet wird. Die Intervalle sind zeitlich durch zwei oder drei Phasen getrennt, in denen ein Kohlungsmittel in de Glühofen geleitet wird. Während der Kohlungsintervalle steigt das Kohlenstoffpotential im Glühofen stark an und es kommt zu Rußbildung. In der nachfolgenden Phase, in der kein Kohlungsmittel sondern Luft in den Glühofen geleitet wird, sinkt das Kohlenstoffpotential wieder auf Null. Bei dieser Verfahrensweise sind jedoch Randoxidationen nicht zu vermeiden, wodurch die Gleichmäßigkeit der Aufkohlung eines Werkstücks nicht gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden, insbesondere Randoxidationen zu vermeiden und eine gleichmäßige Aufkohlung und Härtung von metallischem Werkstück zu erzielen, sowie das Wärmebehandlungsverfahren zur Aufkohlung und Härtung von metallischem Werkstück effizient zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig dadurch gelöst, dass das kohlenstoffhaltige Gas oder Gasgemisch Acetylen enthält.

Mit der Erfindung wurden Vorturteile überwunden, die gegen den Einsatz von Acetylen in diesem Bereich weit verbreitet sind. Überraschender Weise wurden eine Reihe von Vorteilen gefunden, die die aufwendigen Maßnahmen, die im Umgang mit Acetylen bekanntermaßen erforderlich sind, bei weitem überwiegen: Zum einen liegt ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass der durchschnittliche Verbrauch an kohlenstoffhaltigem Gas durch die Verwendung von Acetylen bei gleichbleibender Einhärtetiefe sinkt. Weiterhin treten keine Randoxidationen auf und es wird eine gleichmäßig Aufkohlung über die gesamte Oberfläche des metallischen Werkstücks erzielt, besonders auch für unregelmäßig geformte metallische Werkstücke.

Die Vorbehalte gegen Acetylen beruhten jedoch nicht nur auf seiner schwierigen Handhabung, sonder auch auf der Tatsache, das üblicherweise gesättigte Kohlenwasserstoffe als kohlenstoffhaltige Komponente zur Wärmebehandlung eingesetzt werden. Acetylen (chemische Summenformel C₂H₂) weist im Unterschied zu gesättigten Kohlenwasserstoffen, die durch Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen und den Wasserstoffatomen gekennzeichnet sind, eine Dreifachbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen auf. Daher ist bekannt, dass Acetylen weitaus reaktionsreudiger ist als gesättigte Kohlenwasserstoffe und sich entsprechend in einer Gasatmosphäre in Gegenwart von Reaktionspartnern anders verhält, was sich überraschenderweise in einer Verbesserung der Ergebnisse einer Aufkohlung und Härtung eines metallischen Werkstücks äußert.

Besonders bevorzugt wird dem Gas oder Gasgemisch eine kohlenstoffhaltige Komponente pulsierend zugegeben. Bevorzugt erfolgt die pulsierende Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente unter Konstanthaltung der anderen Komponenten im Glühofen. Dabei wird das durchschnittliche Kohlenstoffpotential der Glühofenatmosphäre stets über der Rußgrenze des thermodynamischen Gleichgewichts gehalten.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält das Gas oder Gasgemisch im wesentlichen Acetylen, insbesondere enthält die kohlenstoffhaltige Komponente im wesentlichen Acetylen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch den Einsatz von Acetylen ein besonders großes Kohlenstoffpotentialgefälle zwischen der Oberfläche des Werkstücks, das der Wärmebehandlung zum Zwecke einer Aufkohlung und Härtung unterzogen wird, und dem Kern des Werkstücks selbst als zusätzliche treibende Diffusionskraft mit Beginn der Aufkohlung in den Vordergrund tritt. Bevorzugt wird dieses Potentialgefälle durch die pulsierende Zugabe von Acetylen erreicht.

Zweckmäßigerweise enthält das Gas oder Gasgemisch Stickstoff, um im Glühofen eine inerte Grundgasatmosphäre zu gewährleisten. Dadurch werden unerwünschte Reaktionen der Gasatmosphäre mit dem metallischem Werkstück verhindert.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Stickstoffgehalt des Gases oder Gasgemisches für die Dauer jeder einzelnen Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente erhöht. Dabei ist die Dauer einer pulsierenden Zugabe gegenüber einem Zeitraum zwischen zwei Zugaben bevorzugt kurz. Die Erhöhung des Stickstoffgehalts des Gases oder Gasgemisches für die Dauer jeder einzelnen Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente bewirkt u. a. dass die Konzentration der Kohlenwasserstoffradikale unterhalb der Rußgrenze bleibt, so dass Reaktionen der Kohlenwassrstoffe untereinander weitgehend vermieden werden, die zur Rußbildung beitragen würden. Dadurch steht vorteilhaft der gesamte Gehalt an Kohlenwasserstoffen für die Aufkohlung zur Verfügung.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die inerte Grundgasatmosphäre durch Einsatz eines Edelgases, insbesondere durch Einsatz von Argon, gebildet. Es hat sich herausgestellt, dass z. B. Argon den Stickstoff in den oben beschriebenen positiven Eigenschaften bei weitem übertrifft. Allerdings muss der Anwender zwischen den technischen Vorteilen und dem im Vergleich zu Stickstoff deutlich höheren Preis von Edelgasen abwägen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente nach mehreren Zyklen unterbrochen und erst nach Anlauf einer Pause, die um einen Faktor 10 bis 100 länger ist als die Dauer eines Zykluses, wieder aufgenommen, wobei sich ein Zyklus jeweils aus einer Phase der pulsartigen Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente und einer darauf folgenden Phase ohne Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente zusammensetzt. Diese Vorgehensweise hat sich als besonders wirtschaftlich erwiesen.

Vorteilhaft werden die Pausen mit zunehmender Dauer des Wärmebehandlungsvorgangs verlängert. Ebenso ist es zweckmäßig, die Dauer der Zyklen während der Wärmebehandlung konstant zu halten.

Mit besonderem Vorteil wird die auf das metallische Werkstück einwirkende Gasatmosphäre ausschließlich aus einem Inertgas und einem kohlenstoffhaltigen Gas gebildet, insbesondere aus Stickstoff und Acetylen. Bei dieser Ausführungsform addieren sich die bereits beschriebenen Vorteile der Verwendung von Stickstoff und Acetylen, wodurch ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Verfügung gestellt wird.

Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass alle zur Durchleitung der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) für die Durchleitung von Acetylen geeignet ausgebildet sind.

Die Erfindung sowie weitere Eizelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt die
Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Ein Glühofen 1 ist über eine Leitung 2 mit einer Regeleinheit bestehend aus einem Rußsensor 3, einem Gasanalysator 4 und einem Regler 5 verbunden. Die Gaskomponenten Stickstoff, Kohlendioxid und Acetylen, die direkt aus Vorratsflaschen stammen, werden über die Ventile 7, 8 und 9 und eine Zuführung 6 in den Glühofen 1 geleitet, der mit einer Ausströmleitung 10 für die Abgase verbunden ist. Zum Einfahren und Aufheizen einer Charge an metallischen Werkstücken im Glühofenraum ist ein Ventil 7, das die Stickstoffzufuhr regelt, geöffnet, während ein Ventil 8 für die Zufuhr von Kohlendioxid und ein Ventil 9 für die Zufuhr von Acetylen geschlossen ist.
Ist im Glühofen 1 eine Temperatur im Bereich von 800°C bis 1000°C erreicht, so beginnt das Aufkohlen der Charge. Die Temperatur wird dabei je nach Legierung der Werkstücke und gewünschter Einhärtetiefe aus dem angegebenen Bereich gewählt. Zum Beginn des Aufkohlens sind die Ventile 7 und 8 geöffnet und kurzzeitig, beispielsweise 20 Sekunden lang, wird auch Ventil 9 geöffnet. Das in den Glühofenraum geleitete Gasgemischbesteht demgemäß aus inertem Stickstoff, Kohlendioxid und Acetylen.
Das Acetylen ist zerfällt bei der herrschende Temperatur sofort in sehr reaktionsfreudige Radikale, die rasch eine Sättigung der Werkstückoberfläche mit Kohlenstoff bewirken. Wegen des daraus resultierenden erheblichen Kohlenstoffpotentialgefälles zwischen Werkstückoberfläche und Kern tritt diese Potentialgefälle selbst als zusätzliche treibende Diffusionskraft von Beginn der Kohlung an stark in den Vordergrund.
Ein Teil des Gasgemisches wird über Leitung 2 abgezogen und dem Rußsensor 3 und dem Gasanalysator 4 zugeführt. Als Gasanalysator wird beispielsweise ein Infrarotanalysator eingesetzt. In dem Regler 5 werden die Ausgangswerte dieser beiden Meßgeräte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und bei Überschreiten dieser Sollwerte das Ventil 9 über ein Relais 11 geschlossen, also die Zufuhr von Acetylen unterbrochen.
Während der nun anschließenden Diffusionsphase, die beispielsweise 60 Sekunden beträgt, wird die Sättigung der Werkstückoberfläche kontinuierlich abgebaut, indem der Kohlenstoff weiter in Richtung Kern des Werkstücks diffundiert. Bei Erreichen von vorgegeben Werten für die Zusammensetzung der Glühofenatmosphäre öffnet der Regler 5 über das Relais 11 das Ventil 9 wieder und ein neuer Zyklus beginnt.
Nach einer vorgegebenen Aufkohlungszeit bzw. nach Erreichen einer gewünschten Einhärtetiefe werden die Ventile 8 und 9 geschlossen und die Charge wird auf Härtetemperatur abgesenkt.

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Werkstück unter hohen Temperaturen in einem Glühofen (1), bei dem das metallische Werkstück der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gases oder Gasgemisches ausgesetzt wird, wobei das durchschnittliche Kohlenstoffpotential der Atmosphäre in dem Glühofen (1) stets unterhalb oder an der Rußgrenze liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Gas oder Gasgemisch Acetylen enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gas oder Gasgemisch eine kohlenstoffhaltige Komponente pulsierend zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder Gasgemisch im wesentlichen Acetylen enthält, insbesondere dass die kohlenstoffhaltige Komponente im wesentlichen Acetylen enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder Gasgemisch Stickstoff enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt des Gases oder Gasgemisches für die Dauer jeder einzelnen Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer einer pulsierenden Zugabe gegenüber einem Zeitraum zwischen zwei Zugaben kurz ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder Gasgemisch Edelgas, insbesondere Argon, enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente nach mehreren Zyklen unterbrochen und erst nach Anlauf einer Pause, die um einen Faktor 10 bis 100 länger ist als die Dauer eines Zykluses, wieder aufgenommen wird, wobei sich ein Zyklus jeweils aus einer Phase der pulsartigen Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente und einer darauf folgenden Phase ohne Zugabe der kohlenstoffhaltigen Komponente zusammensetzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pausen mit zunehmender Dauer des Wärmebehandlungsvorgangs verlängert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Zyklen während der Wärmebehandlung konstant gehalten werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf das metallische Werkstück einwirkende Gasatmosphäre ausschließlich aus einem Inertgas und einem kohlenstoffhaltigen, insbesondere aus Stickstoff und Acetylen, gebildet wird.

12. Glühofen (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit Einrichtungen zur Zuführung und Ableitung von Gasen in bzw. aus dem Glühofeninnenraum, einem Gasanalysator (4), einer Regeleinrichtung (5), die mit einem Rußsensor (3) und/oder dem Gasanalysator (4) über eine Steuerleitung in Verbindung steht und ein Ventil (9) für die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) ansteuert, das die Zufuhr von (einer) kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) zur Zuführung (6) öffnet oder schließt, die im unteren Bereich das Glühofens (1) in unmittelbarer Nähe zu den metallischen Werkstücken im Glühofen (1) in den Glühofeninnenraum mündet, dadurch gekennzeichnet, dass alle zur Durchleitung der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) für die Durchleitung von Acetylen geeignet ausgebildet sind.