METHOD OF CASE-HARDENING METALLIC PIECES

Abstract: 1. A method of case-hardening metallic workpieces, in which the latter are subjected to the action of a carbon-containing gas atmosphere at high temperatures in a furnace, in which gas atmosphere pressure fluctuations are produced, characterised in that the gas atmosphere is formed from at least two components and the pressure fluctuations are produced by the pulsating charging into the furnace of at least two components having different amplitudes and frequencies of pressure fluctuations for the individual gas components.

Description: Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, bei dem diese in einem Ofen bei hohen Temperaturen der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden. Das Einsatzhärten ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen bzw. stickstoffhaltigen Gasgemisches, bei dem die Randschicht eines metallischen Werkstückes mit Kohlenstoff und gegebenenfalls mit Stickstoff thermochemisch behandelt wird (Aufkohlen bzw. Carbonitrieren). Durch die Wärmebehandlung wird die chemische Zusammensetzung des Werkstückes durch Ein- oder Ausdiffundieren von Kohlenstoff bzw. Stickstoff geändert. Der Transport des gasförmigen Aufkohlungsmittels zum Werkstück z.B. kann bei schnellaufkohlenden Gasatmospha- ren der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Aufkohlungsvorganges sein. Besonders bei dicht gepackten Chargen, bei Schüttgut oder bei geometrisch ungünstigen Teilen ist dann ein ausreichend schneller Transport an benachteiligte Werkstückoberflächen nicht mehr gegeben, was zu ungenügender Aufkohlung (z.B. bei Zahnrädern im Zahngrund) bzw. zu Weichfleckigkeit führt. Bisher versuchte man durch optimale Lüfterkonstruktionen bzw. durch Erhöhung des Gasdurchsatzes diese ungünstigen Aufkohlungsergebnisse zu vermeiden. Ausserdem ist es bekannt, das Kohlungsmittel, beispielsweise Methan, intervallweise der zur Wärmebehandlung dienenden Gasatmosphäre zuzugeben. Bei diesem "Intervallkohlen" wird das Kohlungsmittel in zwei oder drei Zeitintervallen zugegeben, die von Pausen unterbrochen sind, in denen kein Kohlungsmittel zugeführt wird und die Diffusion des Kohlenstoffs bzw. Stickstoffs in den Randbereich des metallischen Werkstückes stattfindet. Bezogen auf die Zeitspanne der Wärmebehandlung dauern diese Intervalle relativ lang (einige Minuten bis zu ca. 1 Stunde). Mit den bekannten Massnahmen lässt sich jedoch nicht sicher ausschliessen, dass sich in der Charge Toträume ausbilden, in denen das Kohlungsmittel nur langsam ausgetauscht wird. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, bei dem durch die Wärmebehandlung eine gleichmäBige Oberflächenqualität aller behandelten metallischen Werkstücke erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in dem Gasgemisch Druckschwankungen mit einer im Vergleich zur Dauer der Wärmebehandlung wesentlich kürzeren Periode erzeugt werden. Erfindungsgemäss wird durch ständige Druckwechsel während des Wärmebehandlungsprozesses der gesamten Gasatmosphäre und somit auch in der Nähe geometrisch ungünstiger Metallteile eine Gasbewegung erzwungen. Aufgrund der Druckwechsel stellt sich in allen Ofenbereichen eine weitgehend homogene Gasatmosphäre ein. Der Transport des Aufkohlungsmittels bzw. des Carbonitrierungsmittels zum Werkstück erfolgt daher an alle Stelle des zu behandelnden Werkstückes gleichmässig und genügend schnell, so dass das Kohlenstoffpotential während des Aufkohlungsvorganges an allen Stellen der Werkstückoberfläche nahezu den gleichen Wert hat. Eine ungenügende Aufkohlung benachteiligter Werkstückoberflächen bzw. ein zu starkes Aufkohlen begünstigter Werkstückoberfläche wird daher vermieden. Da über alle Oberflächenbereiche eine gleichmässige Afkohlung bzw. Carbonitrierung erfolgt, muss eine Russabscheidung an geometrisch bevorzugten Stellen nicht mehr in Kauf genommen werden, wenn an ungünstigen Stellen eine bestimmte Aufkohlungs- bzw. Aufstickungstiefe erzielt werden soll. Die Randzonenbeschaffenheit der nach dem er findungsgemssen Verfahren behandelten Werkstücke verbessert sich demzufolge, da es sich erübrigt, diesen Sauerstoff zur Beseitigung der Russablagerungen zuzuführen. Neben einer verbesserten Aufkohlung bewirkt das erfindungsgemässe Verfahren auch eine Verkürzung des gesamten Aufkohlungsprozesses, da ein grosses Kohlenstoffpotentialgefälle zwischen Werkstückoberfläche und Werkstückkern erreicht wird und dieses Potentialgefälle zusätzlich als treibende Diffusionkraft wirkt. Grundsätzlich ist es möglich, die Druckschwankungen durch geeignete Vorrichtungen, beispielsweise einen bewegten Kolben mit auf die Ofengrösse abgestimmtem Hubvolumen, zu erzeugen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindun'gsgedankens wird jedoch das Gasgemisch aus wenigstens zwei Komponenten gebildet, wobei die Druckschwankungen durch pulsierendes Zugeben einer Komponente oder durch je weils pulsierendes Zugeben von mehreren Komponenten in den Ofen erzeugt werden. Diese Verfahrensvariante bietet sich insbesondere dann an, wenn die Ofenatmosphäre ausserhalb des Ofens aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet wird, die einzeln gespeichert und unter Uberdruck gemischt und in den Ofen eingegeben werden. Durch einfaches Öffnungen und Schliessen der jeweiligen Versorgungsleitungen kann jede einzelne Gaskomponente pulsierend den übrigen Komponenten zugemischt werden. Zu diesem Zweck ist nur Je ein Absperrorgan erforderlich, das gegebenenfalls automatisch bedient werden kann. In einer Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante, in der das Gasgemisch aus einem inerten Trägergas, einem kohlenstoff- und/oder stickstoffhaltigen Gas und einem sauerstoff- haltigen Gas gebildet wird, werden die Druckschwankungen durch pulsierendes Zugeben des inerten Trägergases und/oder des kohlenstoff- und bzw. oder stickstoffhaltigen Gases und/oder des sauerstoffhaltigen Gases erzeugt. Hierbei ist es möglich, Amplitude und Frequenz der Druckschwankungen der einzelnen Gaskomponenten unterschiedlich zu wählen. Beispielsweise können die Druckschwankungen des inerten Trägergases so bemessen sein, dass innerhalb des Ofens eine unter anderem von der Ofengrösse abhängige stete Gasbewegung bewirkt wird, während die Druckschwankungen des kohlenstoffbzw. stickstoffhaltigen Gases primär darauf ausgerichtet werden, den für die Einsatzhärtung erforderlichen Kohlenstoff bzw. Stickstoff in ausreichender Menge bereitzustellen. Mit Vorteil wird beim erfindungsgernässen Verfahren als kohlenstoffhaltiges Gas ein Kohlenwasserstoff mit mehr als einem Kohlenstoffatom eingesetzt. Derartige Kohlenwasserstoffe werden bei den im Ofen herrschenden Temperaturen instabil und zerfallen in mehrere gasförmige Radikale. Wegen des konstanten Ofenvolumens ist mit dem Zerfall eine Druckerhöhung verbunden, die umso höher ist, je mehr Radikale gebildet werden. Dieser Effekt überlagert sich mit den durch die pulsierende Zugabe hervorgerufenen Druckschwankungen und verstärkt diese Schwankungen. Nach einer vorteilhaften Verfahrensweise werden im Gasgemisch, dem die zu behandelnden Werkstücke ausgesetzt werden, Druckschwankungen hervorgerufen, indem den Ofenraum dichtende Verschlüsse, beispielsweise Explosionsklappen, geöffnet und geschlossen werden. Das unter Uber- druck stehende Gasgemisch im Ofen wird beim Oeffnen auf Atmosphärendruck entspannt und nach dem Schliessen erneut auf überdruck gebracht. Nach einem Merkmal des erfindungsge:nässen Verfahrens wird die Frequenz der Druckschwankungen in Abhängigkeit vom Methan-, und/oder Wasserstoff- und/oder Russgehalt der Ofenatmosphäre eingestellt. Im folgenden sollen anhand einer Skizze zwei Versuche beschrieben werden, deren Ergebnis die Verbesserungen, die durch das erfindungsgemässe Verfahren (Versuch 1) gegenüber dem herkömmlichen Verfahren (Versuch 2) erreicht werden, deutlich aufzeigen. Bei beiden Versuchen wurden folgende Paramter nicht ge ändert: Ofen: Aichelin-Mehrzweckkainmerofen Ofenraumgrösse: 1,5 m3 Charge: 500 kg Nettogewicht, 7m2 Oberfläche Gase: Stickstoff 25 m/h; CO2 0,35 m3/h Dauer der Einsatzhärtung: 2 Stunden Temperatur: 945"C Variiert wurde nur die Art der Propanzugabe: Bei Versuch 1: Propanzugabe 1mJ in 2 Stunden pulsierend 15 sec. Propanzugabe (Ofenüberdruck 90 m bar) 60 sec. keine Propanzugabe (Druck 30 m bar) Bei Versuch 2: Propanzugabe 1 m3 in 2 Stunden gleich mässig keine Druckschwankungen (Druck 40 m bar) Die unterschiedliche Aufkohlungswirkung der erfindungsgemässen und der herkömmlichen Verfahrensweise wird deutlich, wenn man den Härteverlauf von Doppelstirnrädern (Werkstoff 16 MCr5) betrachtet, die in Versuch 1 nach dem erfindur.gsge- massen Verfahren bzw. in Versuch 2 nach der herkömmlichen Verfahrensweise einsatzgehärtet wurden. Das Bild zeigt, dass an der Messstelle M1 die Einhärtetiefe beim Versuch grösser ist (Kurve 1) als beim Versuch 2 (Rurve 2) Die unterschiedliche Aufkohlungswirkung der beiden Verfahren wird noch deutlicher, wenn man den Härteverlauf an der geometrisch ungünstigen Messstelle M2 misst. Der Härteverlauf an der Messstelle M2 an einem Stirnrad aus Versucn 1 entspricht der Kurve 2, beim Versuch 2 wurde dagegen an der MessstelleM2keine Aufhärtung über d16 HV erreicht. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit dem erfindungsgemässen Verfahren nicht nur eine schnellere, sondern auch eine verbesserte Aufkohlung - insbesondere an geometrisch ungünstigen Stellen - erzielt wird.

Claims: patentansprüche 1. Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, bei dem diese in einem Ofen bei hohen Temperaturen der Einwirkung eines kohlenstoffhaltigen Gasgemisches ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gasgemisch Druckschwankungen mit einer im Vergleich zur Dauer der Wärmebehandlung wesentlich kürzeren Periode erzeugt werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch aus wenigstens zwei Komponenten gebildet wird, wobei die Druckschwankungen durch pulsierendes Zugeben einer Komponente oder durch je weils pulsierendes Zugeben von mehreren Komponenten in den Ofen erzeugt werden. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch aus einem inerten Trägergas, einem kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Gas und einem sauerstoffhaltigen Gas gebildet wird und die Druckschwankungen durch pulsierendes Zumischen des inerten Trägergases und/oder des kohlenstoffhal tigen Gases und/oder des sauerstoffhaltigen Gases zu den übrigen Komponenten erzeugt werden. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass das kohlenstoffhaltige Gas ein Kohlen wasserstoff mit wenigstens zwei Kohlenstoffatomen ist. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Druckschwankungen in dem unter Überdruck stehenden Gasgemisch durch Öffnen und Schliessen von den Ofeninnenraum dichtenden Verschlüssen erzeugt werden. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Druckschwankungen in Abhängigkeit vom Methan- und/ouer Wasserstoff- und/oder Russgehalt der Ofenatmosphäre eingestellt wird.

Inventors: CONRAD, RUDIGER, DR., DANZER, WOLFGANG, DR., LANGERICH, KARLHEINZ, Conrad, Rüdiger, Dr., Längerich, Karlheinz
Applicants: LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: C23C8
IPC codes: C23C8