EP0288680A2 - Process for carburizing steel - Google Patents
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- EP0288680A2 EP0288680A2 EP88102679A EP88102679A EP0288680A2 EP 0288680 A2 EP0288680 A2 EP 0288680A2 EP 88102679 A EP88102679 A EP 88102679A EP 88102679 A EP88102679 A EP 88102679A EP 0288680 A2 EP0288680 A2 EP 0288680A2
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/20—Carburising
- C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces
Definitions
- the C R and carburization depth A t is directed solely to the two target quantities surface carbon content through such a process control during the carburization, the desired S-curve shape of the carbon profile in the edge layer of the carburized workpiece not exactly and reproducibly fixed.
- This is due to the fact that the time of switching from the carbonization phase to the diffusion phase has a decisive influence on the shape of the carbon profile in the workpiece. If this point in time is chosen too early, C-profiles will drop off very quickly from the edge inwards, whereas if the point in time is chosen too late, carbon profiles with over-carbonization (graphically: hump shape) appear.
- a point on the desired carbon curve (curve 2), which lies between 15% and 90% of the desired carburization depth A t and is designated as C V , is selected as the third target variable in addition to the marginal carbon content C R and the carburization depth A t , as shown schematically in Fig. 2 of the drawing. 2 shows the position of the target variable C V for small carburizing depths A t ⁇ 1 mm, compared to FIG. 3, while with a schematically identical S-shaped profile, FIG. 3 illustrates a carburizing curve with a target variable C V that is for large carburizing depths A t > 1 mm can be used with advantage.
- the carburization process is controlled by means of a process computer so that all three parameters C R, C and V A t and thus the predetermined S-shaped curve C can be achieved.
- the C-level setpoint is reduced to a value that corresponds to the specified marginal carbon content C R and is regulated there until the C-curve again falls below the value of the target C V.
- Treatment is the marginal carbon content with 0.79% C, the carburization depth A t with 0.20 mm and C V with 0.66% C.
- the process control according to the invention reaches the three target quantities C R, A t, V C after a total carburizing of exactly 188 min.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl, bei dem das aufzukohlende Werkstück in einer kohlenstoffreichen Gasatmosphäre in einer ersten Kohlungsphase einem möglichst hohen C-Angebot an der Rußgrenze ausgesetzt wird und bei dem in einer sich anschließenden Diffusionsphase ein demgegenüber abgesenktes, dem angestrebten Randkohlenstoffgehalt entsprechendes C-Angebot eingestellt wird, wobei die Aufkohlung über die beiden Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und die Aufkohlungstiefe At geregelt wird.The invention relates to a method for gas carburizing steel, in which the workpiece to be carburized is exposed to the highest possible carbon supply at the soot limit in a carbon-rich gas atmosphere in a first carburizing phase, and in the subsequent diffusion phase a correspondingly reduced one, which corresponds to the desired marginal carbon content C supply is set, the carburization being regulated via the two target parameters of marginal carbon content C R and the carburization depth A t .
Bei der Aufkohlung von Stählen besteht grundsätzlich die Zielsetzung, in einer Randschicht des aufzukohlenden Werkstücks eine Kohlenstoffanreicherung dadurch vorzunehmen, daß in der Werkstücksumgebung, insbesondere einer Ofenatmosphäre, ein erhöhtes Kohlenstoffangebot bei einer entsprechenden Temperatur vorliegt. Der Kohlenstoff aus der Umgebung diffundiert in das Werkstück und innerhalb des Werkstücks selbst aus der Randschicht heraus in das Werkstücksinnere hinein, wo sich in einer Entfernung vom Werkstücksrand bis zu einer Aufkohlungstiefe von etwa 3 mm die Aufkohlung durch einen gegenüber dem Grundwerkstoff deutlich erhöhten Kohlenstoffgehalt bemerkbar macht. Die Kohlenstoffverteilung im Werkstück vom Rand hin bis zum Kern läßt sich graphisch in Form eines sogenannten Kohlenstoffprofils darstellen. Zielsetzung ist es, einen S-förmigen Kohlenstoffverlauf mit einem vorbestimmten Randkohlenstoffgehalt und möglichst breitem Horizontalbereich am Rande durch die Prozeßführung zu erreichen.When carburizing steels, the basic objective is to carry out carbon enrichment in an edge layer of the workpiece to be carburized in that there is an increased supply of carbon at a corresponding temperature in the workpiece environment, in particular in an oven atmosphere. The carbon from the environment diffuses into the workpiece and inside the workpiece itself out of the surface layer into the interior of the workpiece, where at a distance from the edge of the workpiece to a carburizing depth of about 3 mm the carburizing is noticeable due to a significantly higher carbon content compared to the base material . The carbon distribution in the workpiece from the edge to the core can be graphically represented in the form of a so-called carbon profile. The aim is to achieve an S-shaped carbon profile with a predetermined marginal carbon content and the widest possible horizontal area at the edge through the process control.
Es ist bekannt, bei der Aufkohlung von Stählen die Prozeßführung auf die beiden Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und die Aufkohlungstiefe At auszurichten. Praktisch wird dies derart durchgeführt, daß zunächst in einer ersten Behandlungsphase der C-Pegel auf einen Wert kurz unterhalb der Rußgrenze eingestellt und gehalten wird (Kohlungsphase) und anschließend in einer Endstufe (Diffusionsphase) ein niedrigerer Kohlenstoff-Pegel zur Erzielung des gewünschten Kohlenstoffprofils verwendet wird. Hierzu werden Rechner eingesetzt, denen zumindest in gewissen Zeitabständen die für den Aufkohlungsvorgang beachtlichen Prozeßwerte, wie Temperatur, Sauerstoffpotential, C-Pegel, C-Strom und dgl. eingegeben und als Steuergrößen für die Regelung des Aufkohlungsvorgangs verwertet werden. Nachteiligerweise ist durch eine derartige Prozeßführung beim Aufkohlen, die allein auf die beiden Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und Aufkohlungstiefe At ausgerichtet ist, die gewünschte S-Kurvenform des Kohlenstoffprofils in der Randschicht des aufgekohlten Werkstückes nicht exakt und reproduzierbar festlegbar. Dies beruht darauf, daß der Zeitpunkt des Umschaltens von der Kohlungsphase in die Diffusionsphase entscheidenden Einfluß auf die Form des Kohlenstoffprofils im Werkstück hat. Wird dieser Zeitpunkt zu früh gewählt, erhält man vom Rand nach innen sehr schnell abfallende C-Profile, wohingegen bei zu spät gewähltem Zeitpunkt Kohlenstoffprofile mit Überkohlung (zeichnerisch: Buckelform) auftreten. Es wird versucht, durch mehrmalige Simulationsrechnungen den optimalen Umschaltzeitpunkt zu bestimmen, der zu dem gewünschten S-förmigen Kohlenstoffprofil führt. Trotz dieses zusätzlichen Rechnungs- und Versuchsaufwandes können in der Praxis Abweichungen, insbesondere bei Störungen im Kohlenstoffangebot, nicht vermieden werden, da die Steuerung nur die Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und Aufkohlungstiefe At berücksichtigt.It is known to align the process control in the carburization of steels to the two target values of the marginal carbon content C R and the carburization depth A t . In practice, this is carried out by first setting and maintaining the C level in a first treatment phase just below the soot limit (carbonization phase) and then using a lower carbon level in a final stage (diffusion phase) to achieve the desired carbon profile . For this purpose, computers are used, to which the process values, such as temperature, oxygen potential, C level, C current and the like, which are notable for the carburizing process, are input at least at certain time intervals and used as control variables for regulating the carburizing process. Disadvantageously, the C R and carburization depth A t is directed solely to the two target quantities surface carbon content through such a process control during the carburization, the desired S-curve shape of the carbon profile in the edge layer of the carburized workpiece not exactly and reproducibly fixed. This is due to the fact that the time of switching from the carbonization phase to the diffusion phase has a decisive influence on the shape of the carbon profile in the workpiece. If this point in time is chosen too early, C-profiles will drop off very quickly from the edge inwards, whereas if the point in time is chosen too late, carbon profiles with over-carbonization (graphically: hump shape) appear. Attempts are made to determine the optimum changeover time which leads to the desired S-shaped carbon profile by means of repeated simulation calculations. In spite of this additional calculation and experimentation effort, deviations, in particular in the event of disruptions in the carbon supply, cannot be avoided in practice, since the control only takes into account the target parameters of marginal carbon content C R and carburization depth A t .
Gemäß der DE-PS 31 39 622 wird als Weiterentwicklung dieses Verfahrens zur Gasaufkohlung von Stahlteilen vorgeschlagen, in der Kohlungsphase in Form einer der Endphase vorgeschalteten Zwischenphase den Kohlenstoffpegel langsam und geringfügig abzusenken, und zwar zu dem Zeitpunkt, zu dem der Randkohlenstoffgehalt CR eine bestimmte Grenze CRmax erreicht. Als Grenze CRmax wird das Einsetzen der Carbidbildung vorgegeben.According to DE-PS 31 39 622, as a further development of this method for gas carburizing steel parts, it is proposed to slowly and slightly lower the carbon level in the carburizing phase in the form of an intermediate phase preceding the final phase, at the point in time at which the marginal carbon content C R determined a certain amount Limit C R max reached. As a boundary C R max, the insertion of the carbide formation is given.
Trotz dieser die Durchführung der Kohlungsphase zur Vermeidung einer Carbidbildung hinzugefügten Regelgröße CRmax ist das geschilderte Problem des richtigen Zeitpunkts der Umschaltung von der Kohlungsphase auf die Diffusionsphase hiermit nicht gelöst. Weiterhin können Unter- bzw. Überkohlungen auftreten und ist die Einstellung des gewünschten S-förmigen Kohlenstoffprofils nicht gewährleistet.Despite this control variable C R max, which is added to carry out the carburizing phase to avoid carbide formation, this does not solve the described problem of the correct time for switching from the carburizing phase to the diffusion phase. Undercarburization or overcarburization can also occur and the setting of the desired S-shaped carbon profile is not guaranteed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unabhängig von der Carbidgrenze eine Regelung vorzuschlagen, mit der es möglich ist, die gewünschte Kohlenstoffverlaufskurve (Kohlenstoffprofil) im Werkstück sicher und reproduzierbar in einfacher Weise zu erreichen. Insbesondere soll es mit der Erfindung ermöglicht werden, bei der zweistufigen Prozeßführung das Verhältnis von Kohlungsdauer und Diffusionsdauer derart einzustellen, daß als Endresultat der gewünschte Kohlenstoffgehalt und Einsatzhärtetiefe erreicht werden und dabei die Kohlenstoffverlaufskurve einen möglichst horizontalen Verlauf am Rand erhält.The object of the invention is to propose a regulation, regardless of the carbide limit, with which it is possible to achieve the desired carbon profile curve (carbon profile) in the workpiece reliably and reproducibly in a simple manner. In particular, the invention is intended to make it possible, in the two-stage process control, to set the ratio of carbonation duration and diffusion duration in such a way that the desired carbon content and case hardening depth are achieved as the end result and the carbon profile curve is as horizontal as possible at the edge.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich zu den Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und Aufkohlungstiefe At der Regelung der Aufkohlung zumindest eine weitere, für die Kohlenstoffverlaufskurve charakteristische Zielgröße vorgegeben wird, bei deren Erreichen der für die Kohlungsphase kennzeichnende Kohlenstoffpegel abgesenkt und die Diffusionsphase eingeleitet wird.The object is achieved according to the invention in that, in addition to the target values of the marginal carbon content C R and carburization depth A t of the carburization control, at least one further target variable, which is characteristic of the carbon curve, is specified, upon reaching which the carbon level characteristic of the carbonization phase is lowered and the diffusion phase is initiated .
Durch den Vorschlag, neben den bisherigen Zielgrößen der Regelung der Aufkohlung eine weitere Zielgröße zugrundezulegen, die charakteristisch für die gewünschte S-förmige Kohlenstoffverlaufskurve ist, ist es möglich geworden, das optimale Verhältnis von Kohlungsdauer zu Diffusionsdauer zu erhalten, damit als Endresultat der gewünschte Randkohlenstoffgehalt, die gewünschte Einsatzhärtetiefe und außerdem eine Kohlenstoffverlaufskurve im Werkstück erreicht werden, die einen weitgehend horizontalen Verlauf am Rand aufweist. Dabei kann es zweckmäßig sein, mehrere, vorzugsweise drei für die Kohlenstoffverlaufskurve charakteristische Zielgrößen der Regelung zusätzlich vorzugeben, um die Übereinstimmung zwischen Soll- und Ist-Kohlenstoffprofil sicherzustellen.The proposal to base the carburization control on a further target variable that is characteristic of the desired S-shaped carbon curve, in addition to the previous target values, has made it possible to obtain the optimal ratio of carburizing duration to diffusion duration, so that the end result is the desired marginal carbon content, the desired case hardness depth and also a carbon curve can be achieved in the workpiece, which has a largely horizontal course at the edge. In this case, it can be expedient to additionally specify a plurality of, preferably three, target variables of the control characteristic of the carbon curve in order to ensure the correspondence between the target and actual carbon profiles.
Hierzu kann es ebenfalls von Vorteil sein, die Aufkohlung aus der Diffusionsphase heraus erneut in die Kohlungsphase zu fahren, sobald die Kohlenstoffverlaufskurve unter die zusätzliche Zielgröße fällt, wobei bei deren erneutem Erreichen wieder auf die Diffusionsphase zurückgeschaltet wird. Häufig kann eine mehrmalige zyklische Umschaltung zwischen Kohlungsphase und Diffusionsphase zu einer kürzeren und genaueren Aufkohlung führen.For this purpose, it can also be advantageous to drive the carburization out of the diffusion phase into the carburization phase as soon as the carbon curve falls below the additional target value, and when it is reached again, the system switches back to the diffusion phase. Frequently, repeated cyclical switching between the carbonation phase and the diffusion phase can lead to a shorter and more precise carburization.
Gemäß einem bevorzugten Lösungsvorschlag der Erfindung ist die zusätzliche Zielgröße ein Kohlenstoffgehalt CV mit Randabstand = x auf der berechneten Kohlenstoffverlaufskurve, der zwischen 15 % und 90 % der Aufkohlungstiefe At liegt und bei dessen Erreichen von einem Kohlungspegel an der Rußgrenze, beispielsweise bei 1,2 Gew. % C, auf die Diffusionsphase mit beispielsweise 0,8 Gew. % C umgeschaltet wird. Es kann auch zweckmäßig sein, mehrere Kohlenstoffgehalte CV¹ bis CV n mit entsprechenden Randabständen x₁ bis xn auf der Kohlenstoffverlaufskurve als zusätzliche Zielgröße der Regelung zugrundezulegen, um eine größere Sicherheit und Genauigkeit zu erzielen.According to a preferred proposed solution of the invention, the additional target quantity is a carbon content C V with edge distance = x on the calculated carbon curve, which lies between 15% and 90% of the carburization depth A t and when it reaches a carbonization level at the soot limit, for example 1 2 wt.% C, is switched to the diffusion phase with, for example, 0.8 wt.% C. It may also be expedient to use a plurality of
Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise die erfindungsgemäße C-Profilregelung durchgeführt, indem die angestrebte Kohlenstoffverlaufskurve rechnerisch definiert wird, die zusätzliche Zielgröße bzw, Zielgrößen CV aufgrund von Erfahrungswerten festgelegt wird, die im Prozeßrechner abgelegt sind, wobei dann in der Kohlungsphase des Aufkohlungsprozesses mit einem möglichst hohen C-Pegel kurz unterhalb der Rußgrenze der Aufkohlungsprozeß begonnen wird, dabei der in das Werkstück eindiffundierende Kohlenstoff über die Zunahme des Randkohlenstoffgehalts CR durch den Prozeßrechner rechnerisch verfolgt wird und der C-Pegel solange konstantgehalten wird, solange die errechnete Kohlenstoffverlaufskurve die vorgegebene Zielgröße CV noch nicht tangiert, daß bei Erreichen der Zielgröße CV durch die Kohlenstoffverlaufskurve der C-Pegel auf einen Wert herabgesetzt wird, der dem vorgegebenen Randkohlenstoffgehalt CR entspricht und daß mit diesem herabgesetzten C-Pegel in der Diffusionsphase der Kohlungsprozeß solange fortgesetzt wird, bis die gewünschte Aufkohlungstiefe erreicht ist. Fällt im Rahmen dieses Kohlungsprozesses die ermittelte Kohlenstoffverlaufskurve in der Diffusionsphase wieder unter den Wert der Zielgröße CV, wird vorgeschlagen, den C-Pegel wieder auf den Wert der Kohlungsphase anzuheben, wobei dieser Vorgang der zyklischen Schaltung des C-Pegels zwischen den zwei Zielgrößen CR und CVsolange forgesetzt wird, bis die vorgegebene Aufkohlungstiefe erreicht ist. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Kohlenstoffverlaufskurve in einem Punkt immer nahe der zusätzlichen Zielgröße CV zu halten, während die Eindringtiefe des Kohlenstoffs immer mehr zunimmt, bis die vorgegebene Aufkohlungstiefe erreicht ist.In this method, the C profile control according to the invention is preferably carried out by arithmetically defining the desired carbon profile curve, the additional target variable or target variables C V being determined on the basis of empirical values which are stored in the process computer, in which case, in the carburizing phase of the carburizing process, as far as possible high C level is started shortly below the soot limit of the carburizing process, the carbon diffusing into the workpiece is tracked by the process computer via the increase in the marginal carbon content C R by the process computer and the C level is kept constant as long as the calculated carbon curve shows the predetermined target value C V has not yet affected that when the target variable C V is reached, the carbon level curve reduces the C level to a value which corresponds to the predetermined marginal carbon content C R , and that with this reduced C level in the diffusion phase, the Koh tion process is continued until the desired carburization depth is reached. If the determined carbon curve in the diffusion phase falls below the value of the target variable C V in the course of this coaling process, it is proposed to raise the C level back to the value of the carbon phase, this process of cyclically switching the C level between the two target variables C. R and C V are continued until the specified carburization depth is reached. With this method, it is possible to keep the carbon curve at one point always close to the additional target variable C V , while the depth of penetration of the carbon increases more and more until the predetermined carburization depth is reached.
Zweckmäßigerweise wird die Aufkohlung erst beendet, wenn neben dem Erreichen des Randkohlenstoffgehalts CR, der Aufkohlungstiefe At und der zusätzlichen Zielgröße CV auch keine höheren Kohlenstoffgehalte als CR im Kurvenverlauf zwischen CR und CV vorhanden sind. Hierdurch wird ein völlig gerader Kohlenstoffverlauf in der äußersten Randschicht erzielt und wird auch die kleinste Wölbung der Kohlenstoffverlaufskurve in diesem Bereich nach oben verhindert.The carburization is expediently only ended when, in addition to reaching the marginal carbon content C R , the carburization depth A t and the additional target variable C V , no higher ones Carbon contents as C R are present in the curve between C R and C V. As a result, a completely straight carbon curve is achieved in the outermost boundary layer and even the smallest curvature of the carbon curve upwards is prevented in this area.
Anstelle der Regelung über einen oder mehrere zusätliche Profilpunkte des Kohlenstoffprofils kann auch derart vorgegangen werden, daß die zusätzliche Zielgröße durch den Vergleich des Inhalts zweier Flächen F₁ und F₂ bestimmt ist, die durch die Flächen zwischen dem zum jeweiligen Zeitpunkt erzielten Ist-C-Profil und dem angestrebten Soll-C-Profil gegeben sind, wobei mit F₁ die Fläche definiert ist, die oberhalb des angestrebten C-Soll-Profils und mit F₂ die Fläche, die unterhalb des angestrebten C-Soll-Profils liegt, wobei das Umschalten von der Kohlungsphase in die Diffusionsphase vorgenommen wird, sobald F₁ ≧ K x F₂ ist, wobei der Faktor K Werte zwischen 1,0 und 1,3 aufweisen kann.Instead of the regulation of one or more additional profile points of the carbon profile can also be proceeded in such a way that the additional target size is determined by comparing the content of two areas F₁ and F₂, which is determined by the areas between the actual C-profile achieved at the respective time and the desired target C profile are given, with F₁ the area is defined which is above the desired C target profile and with F₂ the area which is below the desired C target profile, the switching from the carbonation phase is made in the diffusion phase as soon as F₁ ≧ K x F₂, where the factor K can have values between 1.0 and 1.3.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich zu bekannten Verfahren zur Gasaufkohlung erreicht und erstmals sichergestellt, daß die rechnerisch festgelegte Kohlenstoffverlaufskurve durch ein Regelverfahren am Werkstück eingehalten wird. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der das erfindungsgemäße Verfahren schematisch unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt ist. In der Zeichnung ziegt:
- Fig. 1 verschiedene Kohlenstoffverlaufskurven (Kohlenstoffprofile) mit Prozeßführung nach dem Stand der Technik,
- Fig. 2 eine Kohlenstoffverlaufskurve nach der Erfindung mit der Regelgröße CV für Aufkohlungstiefen At < 1,0 mm,
- Fig. 3 eine Kohlenstoffverlaufskurve mit der Regelgröße CV für große Aufkohlungstiefen At > 1 mm,
- Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß durchgeführte Gasaufkohlung eines Stahles 20 Mn Cr 5,
- Fig. 5 eine zu einem weiteren Ausführungsbeispiel gehörende Kohlenstoff-Verteilung,
- Fig. 6 eine zu einem dritten Ausführungsbeispiel gehörende Kohlenstoff-Verteilung,
- Fig. 7 eine C-Profilregelung über mehrere zusätzliche Zielgrößen und
- Fig. 8 eine C-Profilregelung durch Flächenvergleich.
- 1 different carbon profile curves (carbon profiles) with process control according to the prior art,
- 2 shows a carbon curve according to the invention with the controlled variable C V for carburizing depths A t <1.0 mm,
- 3 shows a carbon curve with the controlled variable C V for large carburizing depths A t > 1 mm,
- 4 shows an exemplary embodiment of a gas carburization of a steel 20
Mn Cr 5 carried out according to the invention, - 5 shows a carbon distribution belonging to a further exemplary embodiment,
- 6 shows a carbon distribution belonging to a third exemplary embodiment,
- Fig. 7 shows a C-profile control over several additional target variables and
- Fig. 8 is a C-profile control by area comparison.
In Fig. 1 der Zeichnung ist gemäß Stand der Technik verdeutlicht, daß Kohlenstoffprofile sehr unterschiedliche Formen bei falscher Prozeßführung, insbesondere bei falscher Wahl der Zykluszeiten von Kohlungs- und Diffusionsphasen bei zweistufigen Aufkohlungs-Behandlungen annehmen können. Dabei treten Kohlenstoffprofile ähnlich den Verlaufskurven 1 und 3 beim Aufkohlen in nicht geringer Häufigkeit auf. Sie haben zur Folge, daß die Qualität der Einsatzhärteschicht solcher Teile durch zu hohen Restaustenitgehalt (Kurve 3) oder Unterhärtung, d.h. zu geringe Härtung (Kurve 1) erheblich gemindert ist. Aus diesem Grund ist ein S-förmiges Kohlenstoffprofil mit einem möglichst breiten horizontalen Bereich am Rand, wie ihn die Kohlenstoffverlaufskurve 2 in Fig. 1 der Zeichnung zeigt, bei der Aufkohlung prozeßtechnisch anzustreben.1 of the drawing shows in accordance with the prior art that carbon profiles can take very different forms in the case of incorrect process control, in particular in the case of incorrect selection of the cycle times of carburizing and diffusion phases in two-stage carburizing treatments. Carbon profiles, similar to
Zur Erreichung dieses Ziels wird als dritte Zielgröße neben dem Randkohlenstoffgehalt CR und der Aufkohlungstiefe At ein Punkt auf der angestrebten Kohlenstoffverlaufskurve (Kurve 2) ausgewählt, der zwischen 15 % und 90 % der gewünschten Aufkohlungstiefe At liegt und mit CV bezeichnet ist, wie in Fig. 2 der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Dabei verdeutlicht Fig. 2 im Vergleich zu Fig. 3 die Lage der Zielgröße CV für kleine Aufkohlungstiefen At < 1 mm, während bei schematisch gleichem S-förmigen Verlauf Fig. 3 eine Aufkohlungskurve mit einer Zielgröße CV verdeutlicht, die für große Aufkohlungstiefen At > 1 mm mit Vorteil angewandt werden kann. In beiden Fällen wird der Aufkohlungsprozeß mit Hilfe eines Prozeßrechners so gesteuert, daß alle drei Zielgrößen CR, CV und At und damit der vorgegebene S-förmige C-Verlauf erreicht werden.In order to achieve this goal, a point on the desired carbon curve (curve 2), which lies between 15% and 90% of the desired carburization depth A t and is designated as C V , is selected as the third target variable in addition to the marginal carbon content C R and the carburization depth A t , as shown schematically in Fig. 2 of the drawing. 2 shows the position of the target variable C V for small carburizing depths A t <1 mm, compared to FIG. 3, while with a schematically identical S-shaped profile, FIG. 3 illustrates a carburizing curve with a target variable C V that is for large carburizing depths A t > 1 mm can be used with advantage. In both cases, the carburization process is controlled by means of a process computer so that all three parameters C R, C and V A t and thus the predetermined S-shaped curve C can be achieved.
Dazu wird die angestrebte Zielkurve des C-Profils definiert und der zusätzliche Zielpunkt CV im genannten Bereich des Profils festgelegt. Die Festlegung des Punktes CV erfolgt aufgrund von Erfahrungswerten, die geeigneterweise im Prozeßrechner abgelegt sind. Im Falle der C-pegelgesteuerten Gasaufkohlung erfolgt dann die erste Phase des Aufkohlungsprozesses auf konventionelle Art durch Einstellung und Regelung eines möglichst hohen C-Pegels knapp unterhalb der Rußgrenze. Der eindiffundierende Kohlenstoff wird zusammen mit der Zunahme des Randkohlenstoffgehaltes CR durch den Prozeßrechner rechnerisch verfolgt und der C-Pegel solange konstantgehalten, solange die errechnete C-Verlaufskurve den vorgegebenen Zielgrößenwert CV noch nicht tangiert.For this purpose, the desired target curve of the C-profile is defined and the additional target point C V is specified in the named area of the profile. The point C V is determined on the basis of empirical values which are suitably stored in the process computer. In the case of C-level controlled gas carburizing, the first phase of the carburizing process takes place in a conventional manner by setting and regulating the highest possible C level just below the soot limit. The diffusing carbon, along with the increase in the marginal carbon content C R, is tracked by the process computer and the C level is kept constant as long as the calculated C curve does not yet affect the predetermined target value C V.
Bei Erreichen des Zielgrößenwertes CV durch die errechnete C-Verlaufskurve wird der C-Pegel-Sollwert auf einen Wert herabgesetzt, der dem vorgegebenen Randkohlenstoffgehalt CR entspricht und dort geregelt, bis die C-Verlaufskurve wieder unter den Wert der Zielgröße CV fällt.When the target value C V is reached by the calculated C-curve, the C-level setpoint is reduced to a value that corresponds to the specified marginal carbon content C R and is regulated there until the C-curve again falls below the value of the target C V.
Ab diesem Moment wird der C-Pegel wieder auf seinen ursprünglichen Sollwert, d.h. knapp unterhalb der Rußgrenze, angehoben. Dadurch steigt die C-Verlaufskurve wieder an. Erreicht sie in einem Punkt wieder den Wert der Zielgröße CV, so wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang.From this moment on, the C level is raised to its original setpoint, ie just below the soot limit. This causes the C curve to rise again. If it reaches the value of the target variable C V at one point, the process described above is repeated.
Durch die zyklische Schaltung des C-Pegels zwischen zwei Sollwerten in dieser Phase der Behandlung gelingt es, die C-Verlaufskurve immer nahe dem Zielgrößenwert CV zu halten, während die Eindringtiefe des Kohlenstoffs immer mehr zunimmt, bis die vorgegebene Aufkohlungstiefe At erreicht ist.By cyclically switching the C level between two setpoints in this phase of the treatment, it is possible to keep the C curve always close to the target value C V , while the depth of penetration of the carbon increases more and more until the predetermined carburization depth A t is reached.
Bei oder kurz vor Erreichen der Aufkohlungstiefe At hält der Prozeßrechner den C-Pegel auf dem unteren Sollwert, damit der Randkohlenstoffgehalt CR eingestellt wird.When or shortly before the carburization depth A t is reached , the process computer maintains the C level at the lower target value so that the marginal carbon content C R is set.
Um einen völligen horizontalen Kohlenstoffverlauf in der äußersten Randschicht des Werkstücks zu erzielen, wird dem Prozeßrechner als zusätzliche Bedingung aufgegeben, die Aufkohlung erst zu beenden, wenn neben dem Erreichen von CR, At und CV auch keine höheren Kohlenstoffgehalte als CR im Kurvenverlauf zwischen CR und CV vorhanden sind. Diese Zusatzbedingung ist geeignet, auch die kleinste Wölbung der Kohlenstoffverlaufskurve nach oben zu verhindern.In order to achieve a complete horizontal carbon curve in the outermost boundary layer of the workpiece, the process computer is given an additional condition that the carburization only ends when, in addition to reaching C R , A t and C V , no carbon contents higher than C R in the curve curve exist between C R and C V. This additional condition is suitable to prevent even the smallest curvature of the carbon curve upwards.
Am Beispiel der C-pegelgesteuerten Gasaufkohlung eines Werkstückes aus Stahl 20 Mn Cr 5 sei die erfindungsgemäße C-Profilregelung nachfolgend für drei verschiedene Aufkohlungstiefen von 0,2 mm, 0,9 mm und 2,0 mm erläutert.Using the example of the C-level-controlled gas carburization of a workpiece made of 20
Die Figur zeigt den Fall der niedrigen Aufkohlungstiefe von 0,2 mm. Die Kohlungstemperatur ist mit 900° C und der C-Pegel mit 1,10 % C unterhalb der Rußgrenze zu Beginn des Prozesses eingestellt. Die vorgegebenen Zielgrößen sind:
- a. CR = 0,80 % C
- b. At = 0,2
mm bei 0,35 % C - c. S-förmige Kohlenstoffverlaufskurve.
- a. C R = 0.80% C
- b. A t = 0.2 mm at 0.35% C
- c. S-shaped carbon curve.
Zur Durchführung des Gasaufkohlungsverfahrens mit obigen Zielgrößen wird die Lage des Regelpunktes CV auf der C-Verlaufskurve mit 0,65 % C bei 0,08 mm Randabstand im Werkstück festgelegt. Anschließend führt der Prozeßrechner die Aufkohlung bei dem C-Pegel von 1,10 % C solange durch, bis der errechnete Kohlenstoffverlauf den Punkt CV erreicht. Es wird dann der C-Pegel auf den Wert 0,8 % C, nämlich der Zielgröße des Randkohlenstoffgehalts, erniedrigt. Weitere Werte ergeben sich aus der Zeichnung.In order to carry out the gas carburizing process with the above target values, the position of the control point C V on the C profile curve is defined as 0.65% C with a 0.08 mm edge distance in the workpiece. The process computer then carries out the carburization at the C level of 1.10% C until the calculated carbon curve reaches the point C V. The C level is then reduced to the value 0.8% C, namely the target quantity of the marginal carbon content. Further values result from the drawing.
Nach insgesamt 21 min. Behandlung ist der Randkohlenstoffgehalt mit 0,79 % C, die Aufkohlungstiefe At mit 0,20 mm und CV mit 0,66 % C erreicht.After a total of 21 min. Treatment is the marginal carbon content with 0.79% C, the carburization depth A t with 0.20 mm and C V with 0.66% C.
Die Figur zeigt den Fall der mittleren Aufkohlungstiefe von 0,9 mm. Die vorgegebenen Zielgrößen sind:
- a. CR = 0,80 % C
- b. At = 0,90 mm
- c. S-förmiges C-Profil.
- a. C R = 0.80% C
- b. A t = 0.90 mm
- c. S-shaped C-profile.
Die Kohlungstemperatur wird zu 940° C und der Kohlungs-C-Pegel zu 1,20 % C gewählt. Die Lage der dritten Zielgröße CV auf dem angestrebten S-förmigen C-Profil wird mit 0,68 % C bei 0,40 mm vorgegeben.The carbonization temperature is chosen to be 940 ° C and the carbonization C level is 1.20% C. The position of the third target variable C V on the desired S-shaped C profile is specified as 0.68% C at 0.40 mm.
Die erfindungsgemäße Prozeßführung erreicht die drei Zielgrößen CR, At, CV nach einer gesamten Aufkohlungsdauer von genau 188 min.The process control according to the invention reaches the three target quantities C R, A t, V C after a total carburizing of exactly 188 min.
Die Figur zeigt den Fall der großen Aufkohlungstiefe von 2,0 mm. Die vorgegebenen Zielgrößen lauten:
- a. CR = 0,80 % C
- b. At = 2,00 mm
- c. S-förmiges C-Profil.
- a. C R = 0.80% C
- b. A t = 2.00 mm
- c. S-shaped C-profile.
Die Kohlungstemperatur wird zu 950° C und der Kohlungs-C-Pegel zu 1,20 % C gewählt. Die Lage der dritten Zielgröße CV auf dem angestrebten S-förmigen C-Profil wird mit 0,60 % C bei 1,20 mm vorgegeben.The carbonization temperature is chosen to be 950 ° C. and the carbonization C level is 1.20% C. The position of the third target variable C V on the desired S-shaped C profile is specified as 0.60% C at 1.20 mm.
Die erfindungsgemäße Prozeßführung erreicht diese Werte nach einer gesamten Aufkohlungsdauer von 847 min. Die Zielgrößen At und CV sind mit 2,01 mm (statt 2,00 mm) und mit 0,62 % C (statt 0,60 % C) leicht überschritten. Dies kommt daher, daß der Prozeßrechner die Aufkohlung solange weitergeführt hat, bis zwischen CR und CV kein höherer C-Wert als CR mehr war.The process control according to the invention achieves these values after a total carburizing time of 847 minutes. The target values A t and C V are slightly exceeded with 2.01 mm (instead of 2.00 mm) and with 0.62% C (instead of 0.60% C). This is due to that the process computer has continued carburization until between C R and C V no higher C-value than C R was more.
Fig. 7 der Zeichnung zeigt eine C-Profilregelung über mehrere zusätzliche Zielgrößen CV¹, CV² und CV³, die auf der Kohlenstoffverlaufskurve liegen. Dabei wird die Steuerung des Aufkohlungsprozesses wie folgt vorgenommen:
- a. Aufkohlen bei hohen Werten
C P¹ solange, bis dieZielgröße C V¹ erreicht ist. - b. Absenken des
Kohlenstoffpegels von C P¹auf C P² ungefähr gleich CR + 1/2 x (CP¹ - CR), d.h. auf einen Wert, der > CR ist und <C P¹ ist und Aufkohlen solange, bis die zusätzliche ZielgrößeC V² erreicht ist. - c. Absenken des
Kohlenstoffpegels von C P²auf C P³ = CR und Aufkohlen, bis die zusätzliche ZielgrößeC V³ erreicht ist, womit gleichzeitig auch die Aufkohlungstiefe At eingestellt ist. - d. Fällt das C-Profil vorher unter eine der Zielgrößen
C V¹ undC V² wird der Kohlenstoffpegel CP noch einmal auf das nächsthöhere Niveau heraufgesetzt, z.B.von C P³ auf CP² (oder von C P² auf CP¹), je nachdem welches CV als zusätzliche Zielgröße unterschritten wurde. Auf diesem CP-Wert wird solange gehalten, bis das vorher unterschrittene CV wieder überschritten ist. Anschließend wird die Aufkohlung nach obiger Anweisung fortgesetzt, bis die Endwerte erreicht sind.
- a. Carburizing at
high values C P ¹ until thetarget size C V ¹ is reached. - b. Lowering the carbon level from
C P ¹ toC P ² approximately equal to C R + 1/2 x (C P ¹ - C R ), ie to a value that is> C R and <C P ¹ and carburizing until the additionaltarget value C V ² has been reached. - c. Lowering the carbon level from
C P ² toC P ³ = C R and carburizing until the additionaltarget value C V ³ is reached, which also sets the carburizing depth A t . - d. If the C profile falls below one of the target values
C V ¹ andC V ², the carbon level C P is raised again to the next higher level, e.g. fromC P ³ to C P ² (or fromC P ² to C P ¹) , depending on which C V was undershot as an additional target. This C P value is maintained until the C V is below the previous value. Then the carburization is continued according to the above instruction until the end values are reached.
Fig. 8 der Zeichnung zeigt eine C-Profilregelung durch Flächenvergleich. Dabei wird die Kohlung bei hohem C-Pegel in der Kohlungsphase durchgeführt bis die Fläche F₁ ≧ K x F₂ ist, wobei die K-Werte zwischen 1,0 und 1,3 liegen können. Es erfolgt dann das Umschalten auf die Diffusionsphase mit abgesenktem Kohlenstoffpegel CP (z. B.: CP = CR). DIe Diffusionsphase wird durchgeführt bis F₁ = 0 und F₂ = 0 eingestellt sind. Dies wird durch den Prozeßrechner ermittelt.Fig. 8 of the drawing shows a C-profile control by area comparison. The carburizing is carried out at a high C level in the carburizing phase until the area is
Wird F₁ = 0, ohne daß F₂ ungefähr gleich 0 ist, d.h. wenn F₂ noch deutlich > 0 ist, dann soll der Kohlenstoffpegel CP noch einmal etwas erhöht werden, womit auch F₁ wieder > 0 wird. Die Kohlung bei hohem C-Pegel wird dann gemäß Aufangsphase fortgesetzt.If F₁ = 0 without F₂ being approximately equal to 0, ie if F₂ is still clearly> 0, then the carbon level C P should be increased again somewhat, so that F₁ again becomes> 0. The carbonization at high C level then continues according to the initial phase.
Wird dagegen F₂ = 0, ohne daß F₁ bereits ungefähr gleich 0 ist, d.h. wenn F₁ noch deutlich > 0 ist, dann wird noch solange in der Diffusionsphase weiter gearbeitet, bis F₁ ungefähr gleich 0 eingestellt ist.On the other hand, if F₂ = 0 without F₁ already being approximately equal to 0, i.e. if F₁ is still clearly> 0, work continues in the diffusion phase until F₁ is set approximately equal to 0.
Mit den beschriebenen 2-stufigen Prozeßführungen, bestehend aus Kohlungsphase und Diffusionsphase ist es über die zusätzliche Zielgröße möglich, das optimale Verhältnis von Kohlungsdauer zu Diffusionsdauer zu erhalten oder im Kohlungsprozeß zu korrigieren, damit als Endresultat der gewünschte Randkohlenstoffgehalt bei der vorgegebenen Einsatzhärtetiefe erreicht wird, wobei die Kohlenstoffverlaufskurve einen horizontalen Randverlauf aufweist.With the described two-stage process control, consisting of carbonation phase and diffusion phase, it is possible, via the additional target size, to obtain the optimal ratio of carbonation duration to diffusion duration or to correct it in the carbonation process, so that the desired result is the desired carbon content at the specified case hardness depth, whereby the carbon curve has a horizontal edge curve.
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zu den Zielgrößen Randkohlenstoffgehalt CR und Aufkohlungstiefe At der Regelung der Aufkohlung zumindest eine weitere, für die Kohlenstoffverlaufskurve charakteristische Zielgröße vorgegeben wird, bei deren Erreichen der für die Kohlungsphase kennzeichnende Kohlenstoffpegel abgesenkt und die Diffusionsphase eingeleitet wird.1. Method for gas carburizing steel, in which the workpiece to be carburized is exposed to the highest possible carbon supply at the soot limit in a carbon-rich gas atmosphere in a first carburizing phase and in which in a subsequent diffusion phase a C-, which is lower than the target carbon content, is reduced. The offer is discontinued, the carburization being regulated via the two target parameters of marginal carbon content C R and carburization depth A t ,
characterized by
that, in addition to the target values of the marginal carbon content C R and carburization depth A t of the carburization control, at least one further target variable, which is characteristic of the carbon curve, is specified, upon reaching which the carbon level characteristic of the carburization phase is lowered and the diffusion phase is initiated.
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