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Mit Hilfe von Plasmastrahlen durchgeführtes Schnellaufkohlverfahren
In den benannten Aufkohlverfahren schreitet die Aufkohlreaktion nur langsam fort,
so daß das Verfahren viel Zeit erfordert. Werner muß das Verfahren satzweise in
einem großen Ofen durchgeführt werden Es war bisher nicht möglich, diese Schwierigkeiten
zu überwinden, welche die Massenproduktion von aufgekohlten Wérkstücken verhindern.
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Ferner kann keines der üblichen Verfahren zum örtlichen Aufkohlen
mit hoher Produktionsleistung durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß kann man dagegen auch jeden gewünschten Teil des
Werkstückes aufkohlen, chne daß eine Vorbehandlung eines anderen Teils notwendig
ist.
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Die Erfindung ermöglicht ferner die kontinuierliche Durchführung
von mehreren Arbeitsvorgängen, beispielsweise des Schmiedens, Zahnschneidens und
Einsatzhärtehs von Kraftfahrzeugteilen, z.B. Getrieberädern.
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Die Erfin@ung schafft daher ein neues Aufkchlverfahren zur Verwendung
in der Rraftfahrzeugindustrie.
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Das Kracken von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe eines Plasmastrahls
wurde zuerst von h. W. Leutner und C. C. Stokes behandelt. Diese haben in ihrem
1953 erschienenen Werk "lndus trial Engineering Chemistry" auf S. 341 ein Verfahren
zum Erzeugen von Acetylen aus Methan beschrieben. Seit damals hat jedoch riemand
ein dem Erfindungsgegenstand ähnliches Verfahren veröffentlicht.
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Das übliche Aufkohlen von Eisen und Stahl mit Gas hat zahlreiche
Nachteile. Insbesondere dauert das Verfahren sehr lang. Diese Hachteile sind z.B.
von F. E. Harris in der Zeitschrift "Hetal Progress", August 1943, angeführt worden.
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Die Erfindung schafft nun ein neuartiges Verfahren zun Aufkohlen
von Werkstücken aus Eisen oder Stahl mit hilfe eines Plasmastrahls.
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Insbesondere schafft die Erfindung zum schnellen Aufkohlen von Werkstücken
aus Eisen oder Stahl ein Verfahren, in dem als Wärmequelle ein Plasmastrahl in Anwesenheit
einer Aufkohlgasatmosphäre verwendet wird, die von einem Gasgemisch er° halten wird,
das ein Inertgas und einen niederen Kohlenwasserstoff enthält und aus einem Plasmabrenner
auf die in einer Äufkohlzone aufzukchlenden Werkstücke abgegeben wird.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken
aus Eisen oder Stahl wird daher als Wärmaquelle ein Plasmastrahl verwendet und ein
hocherhitstes Plaemagas, z.B.
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aus Stickstoff, Helium oder Argon, gegen die aufzukohlenden Werkstücke
geblasen, um deren Randschicht schnell auf eine Temperatur zu erhitzen, die um etwa
200-300° C über der üblichen Aufkchltemperatur liegt. Dem in dem Lichtbogenplasmastrahl
befindlichen Plasmagas wird ein Kohlenwasserstoff zugesetzt, der dadurch gekrackt
wird und ein sehr reaktionsfähiges Aufkchlgas bildet, das zusammen mit dem Plasmagas
gegen die Werkstücke
geblasen wird, so daß eine Härtung in der gewünschten
Tiefe in sehr kurzer zGeit erzielt wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wirci
das gewöhnlich sehr teure Plasmagas umgewälzt, wobei es nach dem Aufkohlvorgang
durch eine Reinigungsvorrichtung gefürt wird.
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Im Rahmen der Erfindung Wird als Inertgas Argon, Helium oder Stickstoff
verwendet. Der als Kohlenstoffquelle zugeführte, niedere Kohlenwasserstoff besteht
aus Methan, Äthan, Propan, Butan oder einela Gemisch derselben.
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Die Menge des niederen Kohlenwasserstoffs beträgt 0.05-5.0 Volumenprozent
des Inertgases.
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Dieses als Plasmagas bezeichnete Gemisch der genannten Gase wird
theriaisch gekractt, wobei Wasserstoff und sehr reaktionsfähige, zur schnellen Aufkohlung
geeignete Verbindungen mit der allgemeinen Formel CnHm gebildet werden.
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Im allgemeinen wird man mindestens zwei einander gegenüberliegende
Plasmabrenner in dem Ofen anordnen. Allgemein ist jedoch die Anzahl der Brenner
nur von der Größe der aufzukohlenden Fläche abhängig, so daß gegebenenfalls auch
ein Brenner genügen kann.
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Die aufzukohlenden Werkstücke aus Eisen oder Stahl werden aufeinanderfolgend
mit einer solchen Geschwindigkeit durch eine Aufkohlzone bewegt, daß jedes Werkstück
höchstens drei Minuten lang in dieser Zone bleibt.
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Erfindungsgemäß wird das eisenhaltige Werkstück mit einer hohen Geschwindigkeit
von 1670 C pro Minute erhitzt. Dies ist mit Hilfe der Harrisschen Formel
erklärbar, in der Dt die Gesamttiefe der Härtung in mm, t die Aufkohlzeit in Sekunden
und K einen Koeffizienten bedeutet.
Man kann nachweisen, daß die
in dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Aufkohlgeschwihdigkeit
während sie in dem üblichen, mit elektrischer Widerstandserhitzung durchgeführten
Verfahren nur
wenn beide Verfahren bei einer Temperatur von 10000 C durchgeführt werde.
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Das zum Aufkohlen verwendete Gas strömt in die der Aufkohlzone benachbarte
Diffusionszone und dient als eine Warmequelle, welche die Temperatur in der Diffusionszone
auf 800-850°C hält.
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Das aus den Diffusionezonen abströmende Gas wird durch eine Reinigungsanlage
geführt, die aus einer Einrichtung zum Oxydieren der Reste an Wasserstoff und CnHm
und einer Einrichtung zur gemeinsamen Adsorption von CO2 und H20 besteht, so daß
das Inertgas, -z.B. Argon, zurückgewonnen wird.
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Die üblichen Verfahren, in denen ein elektrisch oder mit Brennstoff
geheizter Ofen verwendet wird, unterliegen Beschränkungen infolge der verwendeten
Wärmequelle. Mit den genannten Wärmequellen kann man bei einem gegebenen Volumen
der hufkohlzone höchstens eine Energiemenge von 500.000 Kcal/m3.h erzeugen. Daher
dauert das Aufkohlen der Werkstücke aus Eisen oder Stahl in einer Tiefe von 0.5
mm gewöhnlich eine halbe Stunde oder mehr.
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Dagegen kann der als Wärmequelle verwendete Plasmastrahl ohne weiteres
eine Wärmemenge von 50 000.000 Kcal/m3.h oder mehr erzeugen, so daß die Temperatur
der aufzukohlenden Fläche schnell erhöht und eine Aufkohlung bei einer hohen 'l'emperatur
im Bereich von 900-1200° a und daher in kurzer Zeit durchgeführt- werlen kann. Durch
die hohe Temperatur des Plasmastrahls kann der niedere Kohlenwasserstoff zur Erzeugung
der Åufkohlatmesphäre zersetzt werden.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Härtung fast
in derselben Tiefe erzielt werden wie bei den üblichen Verfahren.
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Außerdem unterscheidet sich der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
aufgekchlte Stahl in seinem Gefüge nicht von dem nach den üblichen Verfahren aufgekchlten
Stählen, obwchl die üblichen Verfahren bei viel niedrigcren Temperaturen von 900-925°
C durchgeführt werden. Zum Gefügevergleich wurden die beigefügten SchIiffbilder
herangezogen.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Verwirklichung wird
der Erfindungsgegenstand nachstehend anhand der beigefügten zeichnungen beschrieben.
In diesen zeigt Fig. 1 in einer vereinfachten schaubildlichen Darstellung eine Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Iig. 2 in einem
schaubild den Temperaturverlauf am Rand und im Innern eines Werkstücks aus Cr-Mo-Stahl
und Fig. 3 einen Satz ven Schliffbildern zum Vergleich der metallograp-hischen Gefüge,
die nach dem üblichen Verfahren (A) und dem erfindungsgemäßen Verfahren (B) erhalten
wurden.
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Fig.- 4 und 5 zeigen die Abhängigkeit der Brinellhärte (Hv) von dem
Oberflächenabstand.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Plasmabrenner bezeichnet, in dem der Plasma-strahl
aus einem Gemisch aus dem von einer Inertgasflasche 7 abgezogenen Inertgas und dem
niederen Kohlenwasserstoff gebildet wird. Das in einer Reinigungsanlage 8 surückgewcnnene
Inertgas kann zu dem vorstehend erwähnten Inertgas zugesetzt werden. Die von der
Gasflasche 7 abgegebene Inertgasmenge entspricht daher den Inertgas-Leckverlusten
der Anlage.
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Das kohlenstoffhaltige Haterial 9, z.B. ein gasförmiger, niederer
Kohlenwasserstoff, besteht aus Methan, Äthan, Propan oder Butan und wird zur Bildung
einer Aufkohlatmosphäre dem Inertgas in einer Menge von 0,05-5 VoLumenprozent zugesetzt.
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Durch die hohe Temperatur des Plasmastrahls wird das kohlenstoffhaltige
Material 9 in H2 und Verbindungen CnHm zersetzt, die so reaktionsfähig sind, daß
sie eine schnelle Aufkohlung bewirken können, und die zusammen mit einem auf hoher
Temperatur befindlichen Inertgas gegen die Werkstücke 2 aus Eisen oder Stahl geblasen
werden. Diese werden nacheinander auf Rollen, Wagen oder anderen stetig bewegten
Fördermitteln mit einer solchen Geschwindigkeit durch die Aufkohlzone bewegt, daß
die Werkstücke 2 mindestens drei Minuten lan in der Aufkohlzone bleiben, so daß
die Randschicht der Werkstücke 2 aufgekohlt wird.
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Die Werkstücke 2 treten durch den Eingang 3 in den Ofen ein und werden
von den Fördermitteln bis zu der Hitte der Aufkohlzone 4 bewegt und dabei in der
vorstehend beschriebenen Weise aufgekohit. Zu diesem Zweck werden die Werkstücke
mit den Plasmastrahlen beaufschlagt, die von mindestens zwei einander gegenüberliegend
angeordneten Plasmabrennern 1 mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 m/sek oder
mehr abgegeben werden. Danach bewegen sich die einwandfrei aufgekohlten Werkstücke
2' in eine Diffusionszone 5, in welcher der in dem aufgekohlten Mate-rial befindLiche
Kohlenstoff unter der Wirkung der femperatur des aus der Aufkohlzone 4 kommenden
Gases diffundiert. Die Werkstücke verlassen jetzt den Ofen durch eine Austrittsöffnung
6, worauf sie gegebenenfalls in Öl oder Wasser abgeschreckt werden können.
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Das aus der Diffusionszone 5 abströmende Das kann in der Reinigungsanlage
8 gereinigt werden. Das in dem Abgas enthaltene Gas kann rückgewonnen und zur Erzeugung
des Plasmagases wie derverwendet werden. ;
Da die von einem Plasmastrahl
erz-eugte iiufkohlatrnosphäre sehr reaktionsfähig ist, kann in dem erfindungsgemäßen
Verfahron eine Aufkohlgeschwindigkeit erzielt werden, die mindestens doppe-lt s-o
hoch ist wie in dem üblichen Verfahren, wie aus den vorstehend angegebenen Formeln
hervorgeht, und zwar auch bei hinsichtlich des Kohlenstoffpotentials gleichen Bedingungen.
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Da die in dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Aufkohltemperatur-urn
etwa 200-300° C höher ist als in dem üblichen Verfahren, ist die Diffusionsgeschwindigkeit
des Kohlenstoffs in dem aufgeköhlten Teil der Werkstücke ebenfalls viel höher. Die
Aufkohlzeit beträgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren daher nur etwa ein zehntel
der in dem üblichen Verfahren erforderlichen Zeit, d.-h., man benötigt für eine
Härtung bis zu einer Tiefe von 0,5 mm nur etwa drei Minuten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher ein Aufkohlen und
Härten der einzelnen Werkstücke, wie beim Hochfrequenzhärten. Die Aufkohltemperatur
ist zwar um etwa 200-300° C höher als in dem üblichen Verfahren, doch ist die Erhitzungszeit
so kurz, daß gemäß Fig. 2 das Werkstück im Innern nicht überhitzt wird. Ferner braucht
die Randschicht nur annähernd-auf dieselbe Temperatur erhitzt zu werden wie in dem
üblichen Verfahren, so daß das unerwünschte Kornwachstum vermieden werden kann,
das bei der üblichen Aufkohlung bei hohen Temperaturen oft zu Schwierigkeiten führt.
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Die Erfindung ist in den nachstehenden Ausführungsbeispielen erläutert,
aber nicht auf sie eingeschränkt.
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Beispiel 1 Ein aus -Chrommolybdänstahl nach SAE 4119, mit 0,2 % C,
0,7 % Mn, 0-,2 % Si, 0,6 % Cr und 0,23 % flo, bestehender Prüfkörper von 15 mm Durchmesser
und 10 mm Dicke wurde mit einem Plasmabrenner 1 von 10 kW fünf Minuten Lang auf
eine Temperatur erhitzt, die von 8300 C zu Beginn auf 12000 O am Ende anstieg, und
danach in der Diffusionszone 5 30 Minuten lang einer Diffusionsbehandlung bei 8000
a unterworfen. Dann wurde der Prüfkörper in Öl abgeschredzt. In diesem Beispiel
wurde eine htmosphäre
aus Argon und 0,8 Volumenprozent Methan verwendet.
Die Härteverteilung des Prüflings ist in der Kurve nach Fig. 4 dargestellt.
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Beispiel 2 Ein aus Kohlenstoffstahl nach SAE 1033, mit 0,3 % C und
0,7 % Mn, bestehender Prüfkörper von 15 mm Durchmesser und 10 mm Dicke wurde mit
einem Plasmabrenner 1 von 10 kW drei Minuten lang auf eine Temperatur erhitzt, die
zu Beginn 8300 C und am Ende 12000 a betrug, in der Diffusionszone 5 30 Minuten
lang einer Diffusionsbehandlung bei 8500 C unterworfen und danach in Öl abgeschreckt.
Die Atmosphäre bestand aus Argon + 0,3 Volumenprozent Propan. Es wurde eine Härtung
in einer iefe von 0,5 mm erzielt. Die Härteverteilung des Prüflings ist in der Kurve
in Fig. 5 dargestellt.