-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von
Stählen
durch Druckluft, mit dem identische metallurgische Merkmale wie
mit der Härtung
mit Öl
gewährleistet
werden können
und mit dem insbesondere die Oberflächenentkohlung nach einer bei
atmosphärischem
Druck vorgenommenen Zementierungs- oder Carbonitrierungsbehandlung vermieden
werden kann.
-
Die
Härtungsverfahren
mit Druckgas besitzen zahlreiche Vorteile gegenüber den Härtungsverfahren durch Flüssigkeiten,
und zwar vor allem da die Werkstücke
nach der Härtung
sauber und trocken sind.
-
Zahlreiche
Artikel wurden der Härtung
von Stählen
mit Druckgas gewidmet, und es gibt heute mehrere Vorrichtungen,
die sich durch den Aufbau der Härtungszelle
und die Natur der verwendeten Gase unterscheiden, wobei das Ziel
darin besteht, die höchstmögliche Härtungswirksamkeit
zu erhalten, d.h. die höchste
Kühlgeschwindigkeit,
um die Kühlgeschwindigkeiten
zu erreichen, die mit Flüssigkeiten
wie Ölen,
wässrigen
Lösungen
oder geschmolzenen Salzen erreicht werden. Zu diesem Zweck erhöht man den
Massedurchsatz des an der Oberfläche
des zu kühlenden
Werkstücks
strömenden
Gases, indem seine Geschwindigkeit und sein Druck erhöht werden.
-
Das
am häufigsten
verwendete Gas ist Stickstoff, da es chemisch inert ist und seine
relativ akzeptablen Kosten es erlauben, es nicht nach jedem Härtungsgang
zu rezyklieren. Meistens wird es unter Drücken zwischen 1 und 10 bar
verwendet.
-
Es
wurden auch andere Inertgase vorgeschlagen. So schlägt das europäische Patent
0 313 888 vor, Leichtgase wie Helium oder Wasserstoff mit höheren Drücken (20
bar und mehr) zu verwenden. Die Verwendung dieser Leichtgase hat
bei gleichwertigen Leistungen zur Folge, dass die Leistung der Motoren,
die ihren Umlauf gewährleisten,
begrenzt werden. Diese Gase sind jedoch entweder besonders kostspielig,
was, wie bei Helium, eine Rezyklierung erfordert, oder besonders
gefährlich,
wie Wasserstoff.
-
Alle
im Stand der Technik vorgeschlagenen Gase unterscheiden sich durch
ihre physikalischen Merkmale: molare Masse, Wärmeleitfähigkeit usw., aber sie sind alle
gegenüber
einem Stahl, der vor der Härtung
auf hohe Temperatur gebracht wurde, chemisch inert. Das Ziel ist,
die Oberflächenoxidation und
-entkohlung des Stahls zu vermeiden.
-
Die
zur Durchführung
einer Härtung
mit Druckgas eingesetzten Vorrichtungen umfassen alle eine Turbine,
die das Strömen
des Gases auf den Werkstücken
gestattet. Das Gas wird dann durch Durchgang über einen Wärmetauscher gekühlt und dann
zur Werkstückcharge
rückgeleitet.
-
Die
Anmelderin hat sich zum Ziel gesetzt, zur Durchführung der Härtung aufgrund ihrer niedrigen Kosten
und ihrer Verfügbarkeit
Druckluft zu verwenden. Ihre Verwendung verursacht jedoch ein größeres Problem.
Der Sauerstoff ist chemisch sehr reaktiv gegenüber Stahl hoher Temperatur
und bewirkt gewöhnlich
eine Oberflächenentkohlung,
die industriell unannehmbar ist.
-
Bekanntlich
bilden sich, wenn Stähle
auf hoher Temperatur und insbesondere zwischen 700 und 1100°C gehalten
werden, Oxidschichten, häufig "Zunder" genannt, deren Wachstum
sehr schnell ist. Ihre Dicke kann nach einigen Minuten Aussetzung
an die Luft mehrere 10 Mikrometer erreichen. Diese Oxidschichtbildung
ist auch von einer Oberflächenentkohlung
des Stahls begleitet, die für
seine metallurgischen Merkmale und seine mechanischen Eigenschaften
nachteilig ist.
-
Die
Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren und seine Durchführungsmodalitäten, die
die Durchführung
einer Härtung
von Stählen
nach einer bei atmosphärischem
Druck durchgeführten
Zementierungs- oder Carbonitrierungsbehandlung mit Druckluft von
Temperaturen zwischen 700 und 1100°C an gestatten, wobei eine solche
Härtung
zu denselben metallurgischen Merkmalen wie eine Ölhärtung führt, und zwar von der Oberfläche des
Stahls an, d.h. indem jede Oberflächenentkohlung vermieden wird.
-
Erfindungsgemäß ist das
Verfahren zum Härten
einer Stahlcharge, umfassend die folgenden Schritte:
- – Extraktion
der Charge aus einem mit atmosphärischem
Druck arbeitenden Zementierungs- oder Carbonitrierungsbehandlungsofen
mit einer Temperatur zwischen 750°C
und 110°C,
- – Übertragung
der Charge zu einer Härtungszelle,
- – Einführung eines
Härtungsfluids
unter einem Druck, der höher
als der atmosphärische
Druck ist, und In-Umlauf-Bringen des Fluids in der Zelle,
- – Kühlung der
Charge bis zu einer Temperatur unter 400°C, dadurch gekennzeichnet, dass
das Fluid vorwiegend aus Luft mit einem Druck zwischen 3 und 40
bar besteht und das Werkstück
mit einer Temperatur von höchstens
400°C in
einer solchen Zeit nach Austritt aus dem Ofen zugeführt wird, dass
sich eine Wüstitschicht
mit einer Dicke kleiner als 12 μm
bildet, die eine Sperre gegen die Entkohlung des Stahls bildet.
-
In
der vorliegenden Beschreibung gilt, dass keine Entkohlung des Stahls
stattgefunden hat, wenn der auf einer Dicke von 60 μm von der
Oberfläche
an gemessene Kohlenstoffgehalt konstant bleibt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
gestattet insbesondere die Härtung
von Kohlenstoffstählen, zementierten
Stählen,
carbonitrierten Stählen
und Werkzeugstählen
mit Druckluft.
-
Die
Schrift
DE 299137514 beschreibt
ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken aus Stahl, das die Schritte
der Behandlung in einem Ofen, des Austritts der Werkstücke mit
940°C und Aussetzung
an die Umgebungsluft, der Härtung
unter einer Luftdusche, um in 10 Sekunden eine Temperatur von 60-70°C zu erreichen,
umfasst. Diese Technik gestattet die Bildung von Fe
3O
4 und Fe
2O
3, aber nicht von FeO.
-
Die
Erfindung beruht auf der folgenden Beobachtung. Die Oxidation eines
Kohlenstoffstahls bei Temperaturen von nahe 900°C führt zur Bildung einer Oxidschicht
vom Typ Wüstit
(unterstöchiometrisches FeO).
Die Dicke dieser Schicht nimmt mit der Zeit regelmäßig zu,
um nach einer Minute in ruhiger Luft 10 bis 12 μm zu erreichen. Man schätzt, dass
eine Wüstitoxidschicht
mit einer Dicke von 1 μm
in der Luft nach 5 Sekunden gebildet wird. Ihre Dicke beträgt etwa
4 μm nach 20
Sekunden bei 870°C,
der gewöhnlichen
Temperatur bei Beginn der Härtung
von zementiertem oder carbonitrierten Stählen.
-
Man
stellt ferner nach 20 Sekunden und in Gegenwart einer Atmosphäre, deren
Kohlenstoffpotential bei 870°C
unter 0,1 % liegt, fest, dass die von der Entkohlung betroffene
Schicht etwa 20 μm
beträgt.
Diese Entkohlungserscheinung tritt auf, wenn das Kohlenstoffoxid
sich in die Atmosphäre
freisetzen kann. Aus der Reaktion ergibt sich 1/2 O2 +
C → CO,
worin C der im Stahl gelöste
Kohlenstoff ist.
-
Man
vermeidet nun die Entkohlung der Oberflächenschichten des Stahls, indem
man eine Sperre bildet, die sich jeder Kohlenstoffoxidfreisetzung
widersetzt. Aufgrund der kurzen Zeit, über die man verfügt, muss
diese Sperre schnell gebildet werden.
-
Die
Erfindung bestand darin, dass man erkannte, dass die Oxidschicht
vom Typ Wüstit
diese Rolle in dem Maße
spielen kann, in dem sie an der Oberfläche des Stahls ausreichend
haftet.
-
Eine
Dicke von 1 μm
genügt,
um die Bildung von CO beträchtlich
zu verhindern.
-
Bei
Fehlen einer schnellen Temperaturänderung (thermischer Schock)
wird eine gute Haftung der Oxidschicht erhalten, solange ihre Dicke
kleiner als 10-12 μm
bleibt, und vorzugsweise wenn die Dicke kleiner als 4 bis 5 μm ist. Man
verfügt
also in Nähe
der gebräuchlichen
Härtungstemperaturen über einen Zeitraum
von 20 bis 40 Sekunden, während
dessen die gebildete Eisenoxidschicht sich wie eine Sperre verhält, die
sich jeder Kohlenstoffoxidfreisetzung widersetzt, wodurch jede beträchtliche
Entkohlung der Oberfläche
des Stahls vermieden werden kann.
-
Gemäß einem
anderen Merkmal der erfindungsgemäß wird die Charge, die aus
Stahlstücken besteht,
die auf der Härtungsanfangstemperatur
gehalten werden, an der Luft übertragen,
in die Härtungszelle
eingeführt
und wird die Härtung
so begonnen, dass die Oberfläche
der Werkstücke
in einer Zeit von weniger als 40 Sekunden, vorzugsweise weniger
als 20 Sekunden, auf eine Temperatur unter 600°C gebracht wird.
-
Das
Härtungsfluid
in der Zelle steht unter einem Druck, der 40 bar erreichen kann
und wird mit Geschwindigkeiten in Bewegung gesetzt, die 20 m/s erreichen
können,
und zwar in einigen Sekunden. Das Härtungsfluid besteht im Wesentlichen
aus Luft. Man kann ihm andere Bestandteile zusetzen, die dazu bestimmt
sind, die Wärmeübertragungen
zu verbessern.
-
Man
hat die Temperatur der Oberfläche
der Werkstücke
bei der Härtung
gemessen. Sie sinkt auf einen Wert unter 700°C in weniger als 2 Sekunden und
auf einen Wert unter weniger als 600°C in weniger als 4 Sekunden
und weniger als 400°C
in weniger als 10 Sekunden. Bei einer Temperatur unter 600°C ist die
Geschwindigkeit der Diffusion des Kohlenstoffs im Stahl derart langsam,
dass die Entkohlungserscheinung nicht mehr beobachtet wird.
-
Andere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
eines nicht begrenzenden Ausführungsbeispiels
der Erfindung, die von der beiliegenden Zeichnung begleitet wird.
In dieser zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung der
Erfindung,
-
2 ein
Diagramm, das die Profile der Kohlenstoffkonzentration von Oberflächenschichten
von zementierten und einerseits erfindungsgemäß gehärteten und andererseits mit Öl gehärteten Stählen zeigt,
-
3 ein
Diagramm, das die Mikrohärteprofile
von Oberflächenschichten
von zementierten und einerseits erfindungsgemäß gehärteten und andererseits mit Öl gehärteten Stählen zeigt.
-
Die
Vorrichtung von 1 umfasst einen an sich bekannten
Behandlungsofen.
-
Es
kann sich um einen Ofen 1 zur Zementierung oder Carbonitrierung
in einem kontinuierlichen Verfahren oder in einem Batchverfahren
handeln, um einen Schachtofen, einen Glockenofen, wobei diese Öfen die
thermochemischen Behandlungen bei atmosphärischem Druck durchführen.
-
Auf
derselben Platte in einigem Abstand ist eine Zelle 3 zur
Härtung
durch ein Gasfluid dargestellt. Diese Zelle ist durch eine Tür 31 luftdicht
geschlossen. Im Inneren wird ein mit Blättern 33, beispielsweise
Zentrifugal- oder Schraubenblättern,
versehener Rotor, Turbine genannt, durch einen Elektromotor 35 in
Drehung versetzt. Die Turbine hat die Aufgabe, das in der Kammer
enthaltene gasförmige Härtungsfluid
in Bewegung zu setzen. Dieses wird durch Leitorgane 37 in
der mit den Pfeilen dargestellten Richtung oder in der entgegengesetzten
Richtung geführt.
Das Gas passiert ein Wärmetauschmittel 39.
Zur Durchführung
der Härtung
setzt man die mit dem Block A4 dargestellte Charge in die Zelle,
die man luftdicht verschließt,
wie mit unterbrochener Linie dargestellt ist. Man füllt die
Zelle mit Gas bis zu dem gewünschten
Druck, zwischen 1 und 40 bar, und setzt es durch die Turbine 33 in
Bewegung. Der Druck ist vorzugsweise höher als 3 bar und liegt insbesondere
je nach der Natur der zu behandelnden Stücke zwischen 5 und 20 bar.
Geeignete Ablenkorgane leiten das relativ kalte Gas zur Charge A4. Nachdem
der Charge Wärme
entzogen wurde, wird es zur Turbine geleitet. Es passiert den Wärmetauscher,
wo es auf die Härtungstemperatur
zurückgebracht
wird.
-
Bei
dem Beispiel von 1 sind der Wärmetauscher und die Turbine
im Inneren der Zelle angeordnet. Sie können jedoch auch außerhalb
von dieser angeordnet sein.
-
Die
zu behandelnde Charge kann beispielsweise aus Zahnrädern oder
Ritzelwellen bestehen.
-
Ein
Manipulator 40 ist zwischen dem Ofen und der Zelle angeordnet.
Er hat die Aufgabe, die Charge aus dem Ofen aufzunehmen und sie
auf den Halter der Zelle zu setzen. Es sind die einzelnen Stellungen
der Charge zwischen A0, in der sie noch im Ofen ist, und A4, in
der sie sich auf ihrem Halter während
der Härtung
befindet, dargestellt.
-
Der
Manipulator umfasst eine Platte 41, die sich um eine vertikale
Achse drehen und in der Höhe bewegt
werden kann. Die Platte 41 trägt einen Arm 43, der
sich in einer horizontalen Ebene bewegen kann und eine zu behandelnde
Charge aufnehmen kann. Der Arm 43 ist zwischen einer äußeren Stellung,
in der er die Charge aufnimmt oder ablegt, und einer inneren Stellung
beweglich, in der die Charge in einer Schutzglocke 45 untergebracht
ist.
-
Der
Arbeitszyklus ist der folgende:
- – Die Charge
befindet sich bei A0 im Inneren des Ofens 1 auf ihrer Behandlungstemperatur.
Man öffnet
die Tür
des Ofens.
- – Der
Arm 43 befindet sich gegenüber der Öffnung. Man fährt den
Arm aus, auf den die Charge aufgesetzt wird. Man fährt den
Arm ein. Die Charge gelangt in die Stellung A1 unter der Glocke 45.
- – Die
Platte verschwenkt sich, um die Charge in die Stellung A2 gegenüber dem
Halter 31 zu bringen.
- – Man
fährt den
Arm aus, der die Charge auf dem Halter 31 in Stellung A3
absetzt.
- – Der
Halter bewegt sich, bis er in das Innere der Zelle gelangt. Die
Charge gelangt in die Stellung A4. Ihre Temperatur hat seit ihrem
Austritt aus dem Ofen nicht wesentlich abgenommen.
- – Die
Härtung
wird in Gang gesetzt.
-
Erfindungsgemäß beträgt die Zeit,
die zwischen dem Beginn des Zyklus und der ersten Phase der Härtung, die
die Oberflächentemperatur
der Charge auf 600°C
bringt, abgelaufen ist, weniger als 40 Sekunden, eine Zeit, während der
sich eine Oxidschicht gebildet hat und eine Sperre gegen die Entkohlung
der Charge bildet. Insbesondere gestattet die Manipulation die Übertragung
zwischen dem Ofen und der Zelle in weniger als dreißig Sekunden.
-
Es
wurden Werkstücke
geprüft,
die der erfindungsgemäßen Härtungsbehandlung
unterzogen worden waren. Die metallurgischen Untersuchungen, die
an den unter den oben beschriebenen Bedingungen an der Luft gehärteten carbonitrierten
Zahnrädern
und Ritzelwellen durchgeführt
wurden, zeigen:
- – dass die an der Zahnflanke
und am Zahnfuß durchgeführten Mikrohärteprofile
denjenigen gleichwertig sind, die nach einer direkten Härtung bei
870°C in Öl erhalten
wurden. Das Diagramm von 3 zeigt, dass die in VICKERS
ausgedrückten
Mikrohärtewerte,
die in verschiedenen Tiefen an einem mit einer Lufthärtung behandelten
Werkstück
einerseits und an einem mit Öl
behandelten Werkstück
andererseits gemessen wurden, quasi identisch sind.
- – dass
die mit Druckluft gehärteten
Werkstücke keine
Entkohlung zeigen. 2 zeigt die Kohlenstoffkonzentrationsprofile,
die an einem Zahnrad auf Höhe
einer Zahnflanke und von Zahnfüßen erstellt
wurden. Die Profile sind zwischen der Ölhärtung und der Lufthärtung gleichwertig.
Sie sind charakteristisch für
eine gehärtete
zementierte Schicht ohne Oberflächenentkohlung.
Eine erste Serie von Messungen bezieht sich auf ein Werkstück, das
einer Carbonitrierungsbehandlung unterzogen wurde, worauf eine Lufthärtung bei 870°C folgte.
Eine zweite Serie von Messungen bezieht sich auf ein Werkstück, das
einer Carbonitrierungsbehandlung unterzogen wurde, auf die eine Ölhärtung folgte.
- – dass
die Härtung
unter Druckluft die Bildung einer Oxidschicht bewirkt, deren Dicke
6 μm beträgt.
-
Die
vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren, bei dem die Übertragung
unter einer Schutzatmosphäre
durchgeführt
wird und dessen Härtung
mit Luft unter einem höheren
Druck als dem atmosphärischen
Druck durchgeführt
wird. In diesem Fall wird die Entkohlung im Wesentlichen auf dem
Niveau der Härtung
durch die Bildung einer Oxidschicht während der ersten Phasen der
Härtung
vermieden.
-
Die
vorliegende Erfindung deckt auch ein Verfahren, bei dem das Härtungsfluid
Luft ist, der man ein seine Dichte und/oder seine Wärmeleitfähigkeit
modifizierendes Gas zugesetzt hat.
-
Die
vorliegende Erfindung deckt auch ein Verfahren, bei dem das Härtungsfluid
Luft ist, der man eine zerstäubte
Flüssigkeit
zugesetzt hat, die das Kühlen
der Werkstücke
durch ein Zweiphasengemisch gestattet.