PROCESS FOR CASE HARDENING METALLIC ARTICLES

Abstract: 1. A method of case-hardening metallic workpieces, in which the workpieces are subjected to the action of a carbonaceous gas mixture, to which one or more carbonaceous gas component(s) is (are) added in pulsating manner during the action on the workpieces, characterised in that the addition of the carbonaceous gas component(s) is interrupted after a plurality of cycles which in each case consist of a phase of the pulsating addition of carbonaceous gas and a subsequent phase without the addition of carbonaceous gas, and is only resumed after the expiry of a pause which lasts longer than a cycle by a factor of 10 to 100.

Description: Verfahren zum Einsatz härten metallischer Werkstücke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einsatz härten metallischer Werkstücke, 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). Durch das pulsierende Zugeben der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente wird bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art ein grosses Xohlenstoffpotentialgefälle erreicht. Pulsierendes Zugeben einer kohlenstoffhaltigen Gaskomponente bedeutet, diese während zahlreicher, sich aus zwei verschiedenen Phasen zusammensetzenden Zyklen dem Gasgemisch zuzugeben. In der ersten Phase eines Zyklus wird das kohlenstoffhaltige Gas pulsartig dem Gasgemisch zugemischt und das Kohlenstoffpotential der Gasatmosphäre auf ein bestimmtes Niveau gehoben. In der zweiten Phase wird die Zufuhr von kohlenstoffhaltigem Gas unterbrochen, d.h. dem Gasgemisch wird kein kohlenstoffhaltiges Gas zugeführt. Dadurch sinkt das Kohlenstoffpotential der Gasatmosphäre. Bei dieser Verfahrensweise wird das Werkstück in einer'sehr dünnen Schicht stark überkohlt. Die in der zweiten Phase sich anschliessende Diffusion verläuft nun sehr rasch und schafft in der Randschicht des Werkstückes neue Aufnahmekapazität für Kohlenstoff. Durch pulsierende Zugabe von kohlenstoffhaltigen Gaskomponenten wird ein hoher, gleichmässiger Kohlenstoffeintrag bis über die Sättigung hinaus möglich. Bei dieser Art des Einsatzhärtens bilden sich Karbide, die sich zu einem gewissen Teil während der zweiten Phase eines Zyklus auflösen. Eine vollständige Auflösung der sehr stabilen Karbidverbindungen war bisher innerhalb eines Zyklus jedoch nicht möglich. Insbesondere diese Tatsache verhinderte die Anwendung des bekannten Verfahrens in einem Durchstossofen, den die Werkstücke (Chargen) in mehreren, zeitlich konstanten Takten durchlaufen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem Werkstücke gleichmässig aufgekohlt bzw. karbonitriert werden können, wobei gebildete Karbide weitgehend entfernt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) nach mehreren der sich-jeweils aus einer Phase der pulsartigen Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas und einer darauffolgenden Phase ohne Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas zusammensetzenden Zyklen unterbrochen und erst nach Ablauf einer im Vergleich zur Dauer eines Zyklus langen Pause wieder aufgenommen wird. Erfindungsgemäss wird der Aufkohlungs- bzw. Karbonitrierungs prozess nicht mehr ausschliesslich in aus zwei Phasen bestehenden Zyklen unterteilt. Vielmehr setzt sich das erfindungsgemässe Verfahren zum Einsatzhärten aus mehreren Intervallen zusammen, die jeweils aus mehreren Zyklen mit anschliessender Pause bestehen. Unter Zyklus ist - wie beim bekannten Verfahren - die kurzzeitige Zugabe eines Kohlenwasserstoffs zum Gasgemisch mit anschliessender Unterbrechung der Kohlenwasserstoffzufuhr zu verstehen. Beim herkömmlichen Verfahren sinkt das Kohlenstoffpotential während des Einsatzhärte-Prozesses nie auf Null ab. Dabei wird durch die pulsierende Zugabe der Kohlenwasserstoffe ein Überschreiten der Russgrenze vermieden. Dem erfindungsgemässen Verfahren liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass die Dauer der Phase, in der während eines Zyklus kein Kohlenwasserstoff dem Gas gemisch zugegeben wird, für eine optimale Diffusion und eine Auflösung der sehr stabilen Karbidverbindungen nicht ausreicht. Durch die sehr grosse Reaktivität der aufgespaltenen Kohlenwasserstoffe ist der eigentliche Aufkohlungsprozess äusserst kurz gegenüber den Diffusionsphasen. Ihre Länge hängt ab von der aktuellen Aufkohlungstiefe. Je grösser diese wird, desto langsamer diffundiert der neueingebrachte Kohlenstoff nach innen. Erfindungsgemäss wird nun - wie beim bekannten Verfahren zu Beginn eines Intervalls ein sehr hohes Kohlenstoffpotential erreicht. Nach mehreren Zyklen wird jedoch eine Pause eingelegt, die im Vergleich zur Dauer eines Zyklus lang ist. Während dieser Pause sinkt die Kohlenstoffkonzentration im Randbereich der Werkstücke in jedem Intervall ab. Zu Beginn des nächsten Intervalls ist daher der Gradient des Koh lenstoffgehaltes und damit der Kohlenstoffübergang im Werkstück sehr hoch. Die in einem Zyklus zugeführte Menge kohlenstoffhaltigen Gases bzw. die Zahl der Zyklen wird so gewählt, dass die Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Gases abgestellt wird, sobald in der Randschicht der Werkstücke eine Sättigung mit Kohlenstoff erreicht ist. Die gesamte Aufkohlungszeit setzt sich zusammen aus den Zeitabschnitten, in denen Kohlenstoff in das Werkstück eingetragen wird und den Zeitabschnitten, in denen der Kohlenstoff im Werkstück diffundiert. Erfindungsgemäss ist die Dauer des Kohlenstoffeintrags wesentlich geringer als die der Diffusion. Es wurde festgestellt, dass das erfindungsgemässe Verfahren während eines Intervalls eine Auflösung der sehr stabilen Karbide bewirkt, so dass eine hervorragende, randoxidationsfreie Oberflächenqualität der Werkstücke erzielt wird. Aufgrund dieses Merkmals kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei Durchstossöfen Anwendung finden. Weiterhin wurde gefunden, dass im Vergleich zum bekannten Verfahren eine wesentlich geringere Zahl an Zyklen ausreicht, um die gleiche Einhärtetiefe zu erzielen. Ausserdem liegt der durchschnittliche Verbrauch an kohlenstoffhaltigem Gas, beispielsweise Propan, niedriger als beim bekannten Verfahren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens, bei dem dem Gasgemisch Stickstoff zugeführt wird, wird die pro Zeiteinheit zugeführte Stickstoffmenge für die Dauer der pulsierenden Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gas komponente (n) erhöht. In dieser Variante wird der Ofen, in dem die Werkstücke behandelt werden, ständig mit Stickstoff begast, um im Ofenraum eine inerte Grundgasatmosphäre zu gewährleisten. Bei Erreichen der gewählten Aufkohlungstemperatur wird für die Dauer der pulsierenden Kohlenwasserstoffzugabe die Stickstoffmenge erhöht, um die Konzentration der Kohlenwasserstoffradikale nicht zu gross werden zu lassen. Andernfall8 würden sie untereinander reagieren und Russ bilden und nicht mehr zur Aufkohlung beitragen. Nach einem Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens ist es besonders wirtschaftlich, wenn die Pause um einen Faktor 10 bis 100 länger als die vorangegangenen Zyklen dauert. In dieser Variante werden Karbidverbindungen nach wie vor weitgehend beseitigt, die Dauer des Einsatzhärte-Prozesses ist jedoch minimal. Der Diffusionsvorgang erfolgt wegen des geringer werdenden Kohlenstoffpotentialgefälles mit zunehmender Aufkohlungstiefe langsamer. Mit Vorteil werden daher die Pausen mit zunehmender Dauer des Aufkohlungsvorganges verlängert. Eine besonders einfache Regelung ist beim erfindungsgemässen Verfahren möglich, wenn nach einer vorteilhaften Variante die Dauer der Zyklen während des Einsatzhärtens konstant gehalten wird. Das kohlenstoffhaltige Gas wird folglich in konstanten Zeitabständen pult artig in den Ofenraum gegeben. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Gasatmosphäre ausschliesslich aus einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, und einem kohlenstoffhaltigen Gas, insbesondere Propan, gebildet. Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein AusfUh- rungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anlage, in der das erfi'ndungsgemässeerfahrendu{rch- geführt werden kann, Figur 2 den zeitlichen Verlauf des Xohlenstoffgehaltes im Aufkohlungsgas. Ein Glühofen 1 ist über eine Leitung 2 mit einem Russsensor 3 und einer Regeleinheit 4 verbunden. Erfindungsgemäss werden nun die Gaskomponenten Stickstoff und ein Kohlenwasserstoff, im Ausführungsbeispiel Propan, in den Glühofen 1 eingeleitet. Hierzu dienen Zuführleitungen 5 (Stickstoff) und 6 (Propan). Durch Ventile 7, 8, 9, 10 und 11 wird die Zugabe von Stickstoff und Propan, die geeigneten Tanks, in denen diese Komponenten flüssig gespeichert werden, entnommen wurden, gesteuert. Stickstoff und Propan werden vor dem Eintritt in den Glühofen 1 vermischt und über eine Leitung 12 in den Ofen geleitet. Beim Einfahren der Charge in den Ofenraum ist Ventil 9 in einer-Leitung 13 geöffnet, während Ventile 7 und 10 geschlossen sind. Die Ofenatmosphäre besteht zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen aus Stickstoff. Der Aufkohlungs- bzw. Karbonitrierungsvorgang beginnt, sobald eine geeignete Temperatur von ca. 800 bis 10000C im Ofen erreicht worden ist. Um die Werkstücke im Ofenraum einem Gas gemisch mit einem hohen Kohlenstoffpotential auszusetzen, wird erfindungsgemäss Magnetventil 10 geöffnet. Ventil 10 wird von der Regeleinheit 4 in zeitlich konstanten Abständen geöffnet und geschlossen. Erfindungsgemäss wird während des Einsatzhärtens stets eine bestimmte Menge Stickstoff pro Zeiteinheit in den Ofen geleitet. Während der Phasen, in denen Propan kurzzeitig in den Ofen eingespeist wird, wird die zugeführte Stickstoffmenge erhöht um die Konzentration der Kohlenwasserstoffradikale nicht zu gross werden zu lassen. Andernfalls würden die Radikale untereinander reagieren und Russ bilden. Zu diesem Zweck wird Magnetventil 7 in einer Bypass leitung 14 von der Regeleinheit 4 geöffnet. Das Propan ist bei den hohen im Glühofeninnenraum herrschenden Temperaturen instabil und zerfällt spontan. Die Spaltprodukte sind sehr reaktionsfreudig und ermgölichen eine rasch ablaufende Sättigung der Werkstückrandschicht mit Kohlenstoff. Wegen des daraus resultierenden erheblichen Kohlenstoffpotentialgefälles zwischen Werkstückoberfläche und Kern diffundiert der Kohlenstoff rasch in die Randschicht der Werkstücke. Im Gasgemisch kann nun Russ gebildet werden. Vor Erreichen eines minimalen Russwertes wird die Propanmenge reduziert. Der vom Sensor 3 ermittelte Werte wird an die Regeleinheit 4 geleitet, in der der Messwert mit einem vorgegebenen Sollwertsignal verglichen wird. Eine Differenz zwischen Messwertund Sollwertsignal wird in ein Signal umgesetzt, durch das ein Regelventil 11 in der Zufuhrleitung 6 für Propan gesteuert wird. Beim Überschreiten des dem Sollwert entsprechenden Russwertes wird die Propanmenge durch Regelventil 11 soweit vermindert, bis Ist- und Sollwert wieder übereinstimmen. Nach mehreren Zyklen, in denen in einer ersten Phase kurzzeitig Propan in den Ofen geleitet bzw. in einer zweiten Phase die Propanzufuhr unterbrochen worden ist, wird Ventil 10 - ausgelöst durch Regeleinheit 4 - für eine Pause, die länger dauert als die vorangegangenen Zyklen, geschlossen und nur Stickstoff über Leitung 13 mit Ventil 9 in den Ofen geleitet. In dieser Pause sinkt die Kohlenstoffkonzentration im Randbereich des Werkstückes wieder ab, so dass bei Beginn des sich aus mehreren Zyklen mit anschliessender Pause zusammensetzenden Intervalls der Gradient und damit der Kohlenstoffübergang ins Werkstück hoch ist. In den Pausen diffundiert der Kohlenstoff nicht nur in das Werkstueck, sondern es werden auch die unerwünschten Karbide auf der Werkstückoberfläche rückgelöst und entfernt. Nach mehreren Intervallen werden die Ventile 7 und 10 geschlossen und die Werkstücke auf Härtetemperatur abgesenkt. In Figur 2 ist nun der Kohlenstoffgehalt im Gasgemisch (z.B. in Vol.%) gegen die Zeit (in Sekunden) schematisch dargestellt. Im wesentlichen ist ein Intervall des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt, das vom Zeitnullpunkt bis zum Zeitpunkt T' dauert. Zu Beginn des Intervalls wird der Kohlenstoffgehalt des Gasgemisches in mehreren Zyklen, die jeweils die Zeitspanne t dauern, kurzzeitig angehoben. Ein Zyklus setzt sich aus der Phase I (Dauer t1) und der Phase II (Dauer t2) zusammen. Wie bereits geschildert, wird in Phase I Propan impulsartig dem Gasgemisch zugegeben, während in Phase II kein Propan dem Gasgemisch zugegeben wird. In Phase I steigt, in Phase II sinkt daher der Kohlenstoffgehalt. Während der Zyklen sinkt der Kohlenstoffgehalt jedoch nicht auf 0. Erst in der sich an mehrere Zyklen (in der Skizze sind lediglich die ersten vier Zyklen im ersten Intervall dargestellt) anschliessenden Pause (Dauer T), in der kein Propan dem Ofen zugeleitet wird, sinkt der Kohlenstoffgehalt auf 0. Ein typisches Intervall enthält beispielsweise bis zu 15 Zyklen. Die Zugabeperioden hängen vom Ofenvolumen und der Ofendichtigkeit ab. Phase I dauert beispielsweise 5 bis 15 sec., Phase II dagegen 15 bis 60 sec. An mehrere Zyklen (beispielsweise 10 mit Gesamtdauer 5 Minuten) schliesst sich eine Pause von z.B. T - 30 Minuten an, so dass ein Intervall etwa 35 Minuten dauert. Bei gleicher Einhärtetiefe redvzie-t sich die Zahl der Zyklen des erfindungsgemässen Verfahrens im Vergleich zum bekannten Verfahren ca. um einen Faktor 3. Zusammenfassend ist festzustellen, dass das erfindungsgemässe Verfahren ein rasches Einsatz härten von Werkstücken bei geringem Verbrauch an Kohlenstoffträger ermöglicht. Da gebildete Karbide durch die erfindungsgemässe Verfahrensweise rückgelöst werden, können auch Durchstossöfen bei diesem Verfahren eingesetzt werden.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke, wo bei die Werkstücke der Einwirkung eines kohlenstoffhal tigen Gasgemisches ausgesetzt werden, dem eine oder meh rere kohlenstoffhaltige Gaskomponente(n) während dessen Einwirkung auf die Werkstücke pulsierend zugegeben wird (werden), dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der koh lenstoffhaltigen Gaskomponente(n) nach mehreren der sich jeweils aus einer Phase der pulsartigen Zugabe von koh lenstoffhaltigem Gas und einer darauffolgenden Phase ohne Zugabe von kohlenstoffhaltigem Gas zusammensetzen den Zyklen unterbrochen und erst nach Ablauf einer im Vergleich zur Dauer eines Zyklus langen Pause wiederauf genommen wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, mit einem N-haltigen Gasge misch, dadurch gekennzeichnet, dass die pro Zeiteinheit zugeführte Stickstoffmenge für die Dauer der pulsieren den Zugabe der kohlenstoffhaltigen Gaskomponente(n) erhöht wird. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pause um einen Faktor 10 bis 100 länger als ein Zyklus dauert. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Pausen mit zunehmender Dauer des Aufkohlungsvorganges verlängert werden. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Dauer der Zyklen während des Ein satzhärtens konstant gehalten wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Gasatmosphäre ausschliesslich aus einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff und einem kohlenstoffhaltigen Gas oder mehreren kohlenstoffhal tigen Gasen, insbesondere Propan, gebildet wird.

Inventors: DORHOFER, KARL, DIPL.-CHEM, MAHLO, THOMAS, DIPL.-ING., Dörhöfer, Karl, Dipl.-Chem
Applicants: LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: C23C8
IPC codes: C23C8