DE3110488A1

DE3110488A1 - Process and arrangement for carburizing the edge layers of metallic workpieces

Info

Publication number: DE3110488A1
Application number: DE19813110488
Authority: DE
Inventors: Fritz Andreas 6751 Weilerbach Plank
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Deutschland Holdings GmbH
Priority date: 1981-03-18
Filing date: 1981-03-18
Publication date: 1982-09-30
Also published as: DE3110488C2

Abstract

In a process with an arrangement for carburizing the edge layers of metallic workpieces at reduced pressure by a carburizing gas, which serves as the carbon carrier, for the purpose of surface-hardening, the workpieces are heated in a furnace to carburizing temperature, while the carburizing gas flows round them. In a box furnace (batch furnace) shown and described as an example, this involves injecting endothermic gas as the carburizing gas in constant circulation and, as known per se, with at least the speed of sound into the furnace chamber and drawing it off again from the furnace chamber, while maintaining a reduced pressure, the furnace atmosphere - as known per se - being continuously analysed and, if required, enrichment gas being admixed to the endothermic gas circulation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Anordnung zur Auf-The invention relates to a method with an arrangement for

kohlung der Randschichten metallischer Werkstücke im Unterdruck durch ein als Kohlenstoffträger dienendes Aufkohlungsgas zum Zwecke der Oberflächenhärtung, bei dem die Werkstücke in einem Ofen auf Kohlungstemperatur aufgeheizt und vom Aufkohlungsgas umströmt werden.carbonization of the surface layers of metallic workpieces in negative pressure a carburizing gas serving as a carbon carrier for the purpose of surface hardening, in which the workpieces are heated in a furnace to the carburizing temperature and by the carburizing gas are flowed around.

Die bekanntlich in Kammer-, Schacht- oder Stoßöfen durchführbare Unterdruckaufkohlung bietet im Vergleich zu herkömmlichen, mit normaler Ofenatmosphäre arbeitenden Anlagen eine Reihe von Vorteilen, insbesondere die Vermeidung unerwünschter Randoxidationen an den Werkstücken wegen der Verwendung von Propan- oder Erdgas als Aufkohlungsgas. Nachteilig bei der Unterdruckaufkohlung ist jedoch die Neigung zur Rußbildung, bedingt durch Kohlenstoffausfall in den kalten Ofenbereichen.As is well known, vacuum carburization can be carried out in chamber, shaft or pusher furnaces offers compared to conventional systems that work with a normal furnace atmosphere a number of advantages, in particular the avoidance of undesired edge oxidation on the workpieces due to the use of propane or natural gas as the carburizing gas. However, the disadvantage of vacuum carburizing is the tendency to form soot due to carbon failure in the cold furnace areas.

Ein weiterer Nachteil, vornehmlich bei dichter Chargenverteilung, besteht in der nicht homogenen Verteilung des Kohlenstoffangebots über die Werkstückcharge als Folge der geringen Dichte des Aufkohlungsgases und der schlechten Spaltbarkeit.Another disadvantage, especially with dense batch distribution, consists in the non-homogeneous distribution of the carbon supply over the workpiece batch as a result of the low density of the carburizing gas and poor fissibility.

Letzteres verhindert insbesondere auch die Herstellung geringer, etwa unter 1 mm liegender Einsatztiefen und läßt somit eine zuverlässige Randaufkohlung relativ dünnwandiger, verzugsempfindlicher Werkstücke nicht zu. Da auch durch herkömmliche Umwälzeinrichtungen hier kaum eine Verbesserung erreichbar ist, versucht man diese Nachteile zu verringern, in dem man das Aufkohlungsgas zyklisch abpumpt und abfackelt und durch neues Gas ersetzt.The latter in particular also prevents the production of less, for example Depths of less than 1 mm and thus allows reliable edge carburization relatively thin-walled, warp-sensitive workpieces are not acceptable. Since also through conventional Circulation devices is hardly an improvement can be achieved here, one tries this Reduce disadvantages by pumping out the carburizing gas cyclically and flaring it off and replaced with new gas.

Dies verursacht aber nicht nur einen hohen Gasverbrauch sondern führt auch wieder zu vermehrter Rußbildung, was letztlich das Verfahren in Frage stellt. Die Verwendung von Endogas als Aufkohlungsgas galt bisher als ungeeignet, weil es zu unerwünschten Randoxidationen der Werkstücke, bedingt durch den CO2-, CO- und H2O-Anteil des Reaktionsgases führt.However, this not only causes high gas consumption but also leads to it also again to increased soot formation, which ultimately calls the process into question. The use of endogas as a carburizing gas was previously considered unsuitable because it to undesired edge oxidation of the workpieces, caused by the CO2, CO and H2O portion of the reaction gas leads.

Hier setzt die Erfindung ein. Sie stellt sich die Aufgabe, das Verfahren der Unterdruckaufkohlung der Randschichten metallischer Werkstücke so zu verbessern, daß eine gleichmäßige Kohlenstoffverteilung innerhalb der Chargen auch bei geringen Einsatztiefen unter 1 mm bei Vermeidung von Rußbildung und Einsparung von Aufkohlungsgas erreicht wird und bei dem Randoxidationen weitgehend vermieden werden.This is where the invention comes in. She sets herself the task, the procedure to improve the negative pressure carburization of the surface layers of metallic workpieces so that an even distribution of carbon within the batches, even at low levels Use depths of less than 1 mm while avoiding soot formation and saving carburizing gas is achieved and are largely avoided in the edge oxidations.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Unterdruck-Aufkohlungsverfahren der eingangs erläuterten Art dadurch gelöst, daß als Aufkohlunsgas Endogas im ständigen Kreislauf und mit mindestens Schallgeschwindigkeit in den Ofenraum geblasen und unter Aufrechterhaltung eines Unterdruckes aus dem Ofenraum wieder abgesaugt wird, wobei die Ofenatmosphäre ständig analysiert und ggf. Anreicherungsgas dem Endogaskreislauf zugemischt wird.According to the invention, this object is achieved with a vacuum carburizing process of the type explained at the outset in that endogas is used as the carburizing gas in the constant Circulation and blown into the furnace chamber with at least the speed of sound and is sucked out of the furnace chamber while maintaining a negative pressure, whereby the furnace atmosphere is constantly analyzed and, if necessary, enrichment gas is added to the endogas cycle is admixed.

Durch dieses Verfahren werden folgende Vorteile erreicht: Die'Werkstückcharge wird allseitig gleichmäßig vom Aufkohlungsgas umströmt, wobei durch die hohe Einblasgeschwindigkeit und den durch Absaugung erzielten Strömungskreislauf für eine hinreichende Gaszirkulation im Ofenraum und einen ständigen Gasaustausch an den Materialoberflächen der Charge gesorgt ist. Der geringe Verbrauch von Kohlungsbestandteilen (etwa 10 %) in diesem Prozeß kann über eine Kohlenstoffpotentialregelung durch Beimischung eines Anreicherungsgases, beispielsweise Propangas, in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden. Durch die Verwendung von Endogas als Aufkohlungsgas kann mit niedrigeren Ofentemperaturen als bei Erdgas gefahren werden, so daß sich Einsatztiefen unter 1 mm auf diese Weise zuverlässig und reproduzierbar erreichen lassen. Auch die Gasanalyse im Ofenraum wird angesichts der vorhandenen Meßparameter wie Sauerstoff (02) -, Wasser (H2O)- oder Kohlendioxidgehalt (cm2) wesentlich verbessert und damit die Potential-2 regelung optimiert. Durch den ständigen Gaskreislauf wird der Verbrauch an Aufkohlungsgas um nahezu die Hälfte gesenkt.This process achieves the following advantages: Die'Workstückcharge Carburizing gas flows evenly around all sides, due to the high injection speed and the flow circuit achieved by suction for adequate gas circulation in the furnace chamber and a constant gas exchange on the material surfaces of the charge is taken care of. The low consumption of carbon components (about 10%) in this The process can be controlled via a carbon potential control by adding an enrichment gas, for example propane gas, are balanced in an advantageous manner. Through the Use of endogas as a carburizing gas can result in lower furnace temperatures than with natural gas, so that depths of use are less than 1 mm in this way can be achieved reliably and reproducibly. Also the gas analysis in the furnace room in view of the existing measurement parameters such as oxygen (02) -, water (H2O) - or carbon dioxide content (cm2) significantly improved and thus the potential-2 regulation optimized. The constant gas cycle reduces the consumption of carburizing gas reduced by almost half.

Rußbildung und damit eine Ofenverunreinigung sind vermieden.Soot formation and thus furnace contamination are avoided.

Ein weiterer Vorteil aus der Verwendung von Endogas als Aufkohlungsgas besteht darin, daß die Analyse der Ofenatmosphäre nach dem 02, H2O oder CO2-Gehalt erfolgen kann und als Anreicherungsgas Endogas oder Propangas über eine bypass-Leitung in den Endogaskreislauf eingespeist wird. Weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens und seiner Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen und anhand eines Ausführungsbeispieles, welches in der Zeichnung dargestellt und anschließend erläutert ist.Another benefit from using endogas as a carburizing gas consists in analyzing the furnace atmosphere for the 02, H2O or CO2 content can be done and as enrichment gas endogas or propane gas via a bypass line in is fed into the endogas cycle. More details and advantages of the procedure and its arrangement result from the subclaims and on the basis of an exemplary embodiment, which is shown in the drawing and explained below.

Es zeigen: Fig. 1 - die erfindungsgemäße Anordnung als Blockschaubild mit einem Unterdruck-Kammerofen in schematischer Darstellung und Fig. 2 + 3 - jeweils ein Härte-Schaubild von mehreren Werkstücken.1 shows the arrangement according to the invention as a block diagram with a vacuum chamber furnace in a schematic representation and Fig. 2 + 3 - each a hardness diagram of several workpieces.

Der allgemein mit 10 bezeichnete Kammerofen besitzt den Ofenraum 11 und den Schleusenraum 13. Beide sind durch eine Zwischentür 12 voneinander getrennt. Innerhalb des durch die Schleusentür 15 verschließbaren Schleusenraumes 13 befindet sich der Abschreckbehälter 14, in welchem die Werkstücke 18 (Härtegut) mit Hilfe des hydraulisch (17) betätigbaren Elevators 16 absenkbar sind. Eine bei 19 angedeutete Ofenheizung schafft.The chamber furnace, generally designated 10, has the furnace space 11 and the lock chamber 13. Both are separated from one another by an intermediate door 12. Located within the lock space 13 that can be closed by the lock door 15 the quenching container 14, in which the workpieces 18 (hardened material) with the help of the hydraulically (17) operable elevator 16 can be lowered. One indicated at 19 Furnace heating creates.

im Ofenraum 11 eine Glühtemperatur von fast 10000 C.in the furnace chamber 11 an annealing temperature of almost 10,000 C.

Aus einer Versorgungsleitung 20, die durch ein elektromagnetisch wirkendes Absperrventil 21 verschließbar ist, strömt Endogas als Aufkohlunsgas über einen Speicher 22 in eine Ringleitung, die über einen Strömungsmesser 23 zu einem Kompressor 24 führt, welcher bei geöffnetem Magnetventil 25 das Gas mit einer Geschwindigkeit von etwa 350 m/s über ein aus 12 Düsen 26 .bestehende Düsenanordnung in den Ofenraum 11 drückt. Die Düsen sind jeweils in Dreierreihen im Ofenraum angeordnet, so daß sie von oben und unten (Zeichnungsebene) sowie von vorne und hinten (senkrecht zur Zeichnungsebene, nicht dargestellt ) gegen die Werkstückcharge 18 gerichtet sind.From a supply line 20, which is operated by an electromagnetically Shut-off valve 21 can be closed, endogas flows over a carburizing gas Storage 22 in a ring line, which via a flow meter 23 to a compressor 24 leads, which, when the solenoid valve 25 is open, the gas with a Speed of about 350 m / s via a nozzle arrangement consisting of 12 nozzles 26 presses into the furnace chamber 11. The nozzles are arranged in rows of three in the furnace chamber, so that they can be seen from above and below (plane of the drawing) and from the front and back (vertical to the plane of the drawing, not shown) directed against the workpiece charge 18 are.

Durch diese Düsenanordnung, die im Bedarfsfalle noch erweitert werden kann, ist eine homogene Gasverteilung und -umwälzung im Ofenraum sichergestellt. Das Gas wird über eine Rückleitung 27 durch eine Saugpumpe 28 in solcher Menge aus dem Ofenraum 11 abgezogen, daß stets ein Unterdruck im Ofenraum aufrechterhalten bleibt und es wird bei geschlossenem elektromagnetisch wirkenden Absperrventil 29 in der Abfackelleitung 30 und geöffnetem Absperrventil 31 sich in der Rückleitung 27 dem Speicher 22 und damit dem Gaskreislauf der Versorgungsleitung 20 wieder zugeführt. Kohlenstoffverluste in der Ofenatmosphäre werden durch Gasprobenentnahme über die Leitung 32 mit Absperrventil 33 in einem Analysegerät 34 bekannter Bauart ständig festgestellt und zum Ausgleich wird über eine bypass-Leitung- 35 mit Hilfe des vom Regler des Analysegerätes gesteuerten Motorventils 36 und dem Strömungsmesser 37 Propangas oder Erdgas in die Versorgungsleitung 20 eingespeist.This nozzle arrangement, which can be expanded if necessary homogeneous gas distribution and circulation in the furnace chamber is ensured. The gas is discharged in such an amount via a return line 27 by a suction pump 28 deducted from the furnace chamber 11 that a negative pressure is always maintained in the furnace chamber remains and it is closed with the electromagnetically acting shut-off valve 29 in the flare line 30 and open shut-off valve 31 are in the return line 27 is fed back to the memory 22 and thus to the gas circuit of the supply line 20. Carbon losses in the furnace atmosphere are determined by gas sampling via the Line 32 with shut-off valve 33 in an analyzer 34 of known design constantly determined and to compensate for a bypass line 35 with the help of the from Regulator of the analyzer controlled motor valve 36 and the flow meter 37 Propane gas or natural gas fed into the supply line 20.

Zur Beschcikung des Vacuum-Kammerofens wird das Härtegut 18 bei geöffneten Türen 15' und 12' über den Elevator 16 in den Ofenraum 11 transportiert. Anschließend werden die Türen wieder geschlossen. Bei geschlossenen Magiietventilen 21, 25, 31, 33 und geöffnetem Magnetventil 29 wird danach der Ofenraum 11 durch die Pumpe 27 evakuiert. Nach Erreichen eines vorgegebenen Unterdruckes schließt das Ventil 29 die Abfackelleitung 30. Die Flutung kann beginnen. Dazu werden die Ventile 21, 25, 31, 33 wieder geöffnet und der Kompressor 24 drückt Endogas aus der Versorgungsleitung 20 mit Schallgeschwindigkeit über die Düsenanordnung 26 in den Ofenraum 11. Gleichzeitig saugt die Pumpe 28 das Gas aus dem Ofenraum unterhalb des atmosphärischen Druckes ab und bringt es über das geöffnete Magnetventil 31 in den Speicher 22 und damit über Strömungsmesser 23 und Kompressor 24 in den Kreislauf zurück. Die Ventile 21 und 29 sind hierbei geschlossen. Fehlmengen an Endogas werden durch kurzzeitiges Öffnen des Magnetventils 21 ersetzt.To load the vacuum chamber furnace, the hardened material 18 at Opened doors 15 'and 12' are transported via the elevator 16 into the furnace chamber 11. The doors are then closed again. With closed magic valves 21, 25, 31, 33 and open solenoid valve 29, the furnace chamber 11 is then through the pump 27 is evacuated. It closes after a given negative pressure has been reached the valve 29 the flare line 30. The flooding can begin. To do this, the Valves 21, 25, 31, 33 open again and the compressor 24 expresses endogas of the supply line 20 at the speed of sound via the nozzle assembly 26 in FIG the furnace chamber 11. At the same time, the pump 28 sucks the gas from the furnace chamber below of the atmospheric pressure and brings it through the opened solenoid valve 31 into the memory 22 and thus into the circuit via the flow meter 23 and compressor 24 return. The valves 21 and 29 are closed here. Shortages of endogas will be replaced by briefly opening the solenoid valve 21.

Mehrmengen werden durch kurzzeitiges Öffnen des Magnetventils 29 abgefackelt. Mit Hilfe der über die Leitung 32 entnommenen Gasproben der Ofenatmosphäre wird der Kohlenstoffgehalt im Ofenraum laufend überwacht und durch die Regelung im Analysegerät 34 über die bypass-Leitung 35 mit Hilfe des Motorstellventils 36 Propan- oder Erdgas als Anreicherungsgas in den Ofenraum gegeben. Der Aufkohlungsprozeß wird nach verlangter Aufkohlungstiefe in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit durchgeführt.Excess amounts are flared off by briefly opening the solenoid valve 29. With the aid of the gas samples taken via line 32, the furnace atmosphere is the carbon content in the furnace chamber is continuously monitored and controlled by the analyzer 34 via the bypass line 35 with the aid of the motor control valve 36 propane or natural gas given as an enrichment gas in the furnace chamber. The carburizing process is more requested Carburization depth performed as a function of temperature and time.

Nach Beendigung der Aufkohlung wird bei geschlossenen Magnetventilen 21, 25, 31, 33 und bei geöffnetem Ventil 29 der Ofenraum 11 mit Hilfe der Pumpe 28 über die Fackel 30 vom Endogas evakuiert. Nach Flutung des Ofenraumes mit Stickstoff (nicht dargestellt) kann das Härtegut 18 bei geöffneter Tür 12' auf den Elevator 16 transportiert und im Ölbehälter 14 abgehärtet werden. Nach völligem Druckausgleich mit der Atmosphäre wird die Ofentür 15 geöffnet (15') und das Härtegut 18 dem Ofen 10 entnommen.After completion of the carburization, the solenoid valves are closed 21, 25, 31, 33 and, with the valve 29 open, the furnace chamber 11 with With the aid of the pump 28, the endogas is evacuated via the torch 30. After flooding the furnace room with nitrogen (not shown) the hardened material 18 can open with the door 12 'open the elevator 16 is transported and hardened in the oil tank 14. After complete The furnace door 15 is opened (15 ') and the material to be hardened is equalized with the atmosphere 18 taken from the furnace 10.

Das Ergebnis der Aufkohlung an einem Ausführungsbeispiel ist in dem Schaubild nach Fig. 3 in Form von Härtekurven von Werkstücken oberhalb einer Ofenladung dargestellt, demgegenüber zum Vergleich Fig. 2 Aufkohlunsgergebnisse an den gleichen Werkstücken unter herkömmlichen Bedingungen, also bei der Aufkohlung mit Erdgas zeigt. Auf der Abszyssenachse ist jeweils die Aufkohlungstiefe als Abstand vom Rand gemessen in mm und auf der Ordinatenachse die Vickers-Härte aufgetragen.The result of the carburization in one embodiment is shown in Diagram according to FIG. 3 in the form of hardness curves of workpieces above a furnace charge shown, on the other hand for comparison Fig. 2 carburizing results on the same Workpieces under conventional conditions, i.e. when carburizing with natural gas shows. The carburization depth is the distance from the edge on the abscissus axis measured in mm and the Vickers hardness plotted on the ordinate axis.

Der im Ofenraum befindliche Rost besitzt die Abmessungen 600 mm Breite, 900 mm Länge und 500 mm Höhe und ist mit Kugellager-Käfigen von jeweils 50 mm Durchmesser und 18 mm Wandungsbreite auf Vorrichtungen gestapelt bestückt. Diese Werkstücke bestehen aus Stahl SAE 8617 H der folgenden Zusammensetzung: C 0,14 % bis 0,20 %, Mn 0,60 % bis 0,95 %, Si /,15 % bis 0,30 %, Ni 0,35 % bis 0,75 %, Cr 0,35 % bis 0,65 %, Mo 0,15 % bis 0,25 %.The grate in the furnace chamber is 600 mm wide, 900 mm in length and 500 mm in height and has ball bearing cages of 50 mm in diameter each and 18 mm wall width stacked on devices. These workpieces consist of steel SAE 8617 H with the following composition: C 0.14% to 0.20%, Mn 0.60% to 0.95%, Si /, 15% to 0.30%, Ni 0.35% to 0.75%, Cr 0.35% to 0.65%, Mo 0.15% to 0.25%.

Bei einer Kohlungszeit von 70 Minuten und einem Druck im Ofen -2 raum von 320 mbar liegt die bei 540 kp/mm2 nach Vickers gemessene Härte (HV ) - wie die Härtekurven von drei Werkstücken in Fig. 3 zeigen - in einer sehr geringen Streubreite S zwischen etwa 0,9 mm und 0,95 mm Abstand vom Rand.With a charring time of 70 minutes and a pressure in the furnace -2 room of 320 mbar, that measured according to Vickers is 540 kp / mm2 hardness (HV) - as the hardness curves of three workpieces in Fig. 3 show - in a very small spread S between about 0.9 mm and 0.95 mm distance from the edge.

Demgegenüber verdeutlicht der Kurvenverlauf in Fig. 2 eine wesentlich größere Streubreite S auch über den gesamten Kurvenverlauf, was auf die unkontrollierte Erdgasatmosphäre im Ofenraum als Folge der Rußneigung der Kohlungsatmosphäre und seiner mangelnden Umwälzung zurückzuführen ist.In contrast, the curve profile in Fig. 2 illustrates a significant larger spread S also over the entire curve, which is due to the uncontrolled Natural gas atmosphere in the furnace chamber as a result of the carbonization atmosphere's tendency to soot and is due to its lack of upheaval.

Claims

Claims 11 method and arrangement for carburizing the surface layers metallic workpieces in negative pressure through a carbon carrier Carburizing gas for the purpose of surface hardening, in which the workpieces in one The furnace is heated to the carbonization temperature and the carbonization gas flows around it, thereby characterized in that as the carburizing gas endogas in the continuous cycle (20, 27) and as is known per se, blown into the furnace chamber (11) with at least the speed of sound and sucked out of the furnace chamber again while maintaining a negative pressure where - as is known - the furnace atmosphere is constantly analyzed and, if necessary, Enrichment gas is added to the end gas circuit (20, 27).

2. The method according to claim 1, characterized in that the analysis the furnace atmosphere - as is known per se - takes place according to the O2, H2O or CO2 content and natural gas or propane gas as enrichment gas via a bypass line into the endogas cycle (20, 27) is fed.

3. Arrangement for performing the method according to claims 1 and 2, characterized in that an endogas supply line (20) via a memory (22) and a compressor (24) with an upstream flow meter (23) to the furnace chamber (11) and to a large number of injection nozzles (26) in the furnace chamber connected and the one from the furnace chamber (11), via a suction pump (28) and a shut-off valve (31) to the accumulator (22) guided gas return line (27) is provided is.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that twelve injection nozzles (26) provided in an even distribution within the furnace chamber (11) and on are arranged in each case opposite sides of the furnace chamber.

5. Arrangement according to claim 3, characterized in that in the endogas supply line (20) between the compressor (24) and the furnace chamber (11) an electromagnetically acting Shut-off valve (25) is provided.

6. Arrangement according to claim 3, characterized in that one through an electromagnetically acting shut-off valve (29) controllable flare line (30) connected to the gas return line (27) between pump (28) and shut-off valve (31) is.

7. Arrangement according to one or more of the preceding claims, characterized in that the furnace chamber (11) - as known per se - has a gas sampling line closable by an electromagnetically acting shut-off valve (33) (32) to a gas analysis and control device (34) for analyzing the furnace atmosphere and for Control of the shut-off valves (21, 25, 29, 31, 36) is connected.

8. Arrangement according to claims 1 to 3 and 7, characterized in that that the bypass Leituny (35) for admixing an enrichment gas via an engine valve (36) and a flow meter (37) to the endogas supply line (20) between Flow meter (23) and compressor (24) is connected.