DE3718240C1

DE3718240C1 - Verfahren zur Waermebehandlung von metallischen Werkstuecken in einer gasdurchstroemten Wirbelschicht

Info

Publication number: DE3718240C1
Application number: DE3718240A
Authority: DE
Inventors: Ewald Schwing; Peter Dr Sommer; Horst Uhrner
Original assignee: Individual
Current assignee: SCHWING, EWALD, 4133 NEUKIRCHEN-VLUYN, DE UHRNER,
Priority date: 1987-05-30
Filing date: 1987-05-30
Publication date: 1988-01-14
Also published as: GB2205110B; GB2205110A; GB8810692D0; IT8820108A0; IT1218060B; FR2615868A1; US5022934A

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken in einer gasdurchströmten Wirbelschicht aus feuerfesten Partikeln, bei dem das Werkstück in der Wirbelschicht unter Inertgasatmosphäre auf eine Behandlungstemperatur von 500 bis 650°C aufgeheizt wird und das aufgeheizte Werkstück mit einem Gemischgasstrom, bestehend aus Stickstoff, Ammoniak sowie einem kohlenstoffreichen Gas, beaufschlagt und dabei in der Wirbelschicht nitrocarburiert wird. - Bei der Wärmebehandlung in einer gasdurchströmten Wirbelschicht definiert das Fluidisierungsgas zugleich die Ofenatmosphäre. Die Wärmebehandlung in der Wirbelschicht zeichnet sich durch einen guten Wärme- und Stoffübergang aus, so daß sich kurze Behandlungszeiten ergeben.

Durch Wechsel des Fluidisierungsgases ist die Gasatmosphäre in äußerst kurzer Zeit austauschbar. Hierdurch sind die Inertgasatmosphären während des Aufheizens und die thermochemische Atmosphäre während der eigentlichen Wärmebehandlung klar trennbar (Gaswärme international 33 (1984), S. 290 bis 295). Die Nitrocarburierung ist eine mit Kohlenstoffaufnahme verbundene Gasnitrierung. Dabei bildet sich auf dem Werkstück eine (auch als Verbindungsschicht bezeichnete) Randschicht, die bis zu 10 Massen-% Stickstoff und bis zu 2 Massen-% Kohlenstoff aufweisen kann und in der Regel eine Mindestdicke von 5 bis 15 µm besitzt. Die durch Nitrocarburierung gebildete Verbindungsschicht zeichnet sich durch eine gegenüber dem Grundwerkstoff des Werkstückes verbesserte Verschleißfestigkeit und verbesserte Korrosionsbeständigkeit aus.

Bei dem bekannten gattungsgemäßen Verfahren (DE-OS 33 45 946) wird die Gaszusammensetzung während der Nitrocarburierung konstant gehalten. Eine die Nitrocarburierung unterstützende Vorbehandlung des Werkstücks in der Wirbelschicht wird nicht durchgeführt. Im Ergebnis weist die durch Nitrocarburierung gebildete Randschicht in beachtlichem Umfange Poren auf, die an der Oberfläche der Randschicht einen Porensaum bilden sowie in geringer Zahl auch über den ganzen Querschnitt der Randschicht auftreten. Die Poren reduzieren die Härte und Abriebsfestigkeit der durch Nitrocarburierung gebildeten Randschicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, daß sich eine porenarme und dadurch verschleißfeste Randschicht auf dem Werkstück bildet.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das auf die Behandlungstemperatur aufgeheizte Werkstück vor der Nitrocarburierung mit einem Oxidationsmittelgasstrom in der Wirbelschicht oxidiert wird und daß während der sich anschließenden Nitrocarburierung der Ammoniak-Volumenanteil des Gemischgasstromes stetig oder in mehreren Stufen reduziert sowie der Stickstoff-Volumenanteil vergrößert wird, wobei der Volumenanteil des kohlenstoffreichen Gases im Gemischgasstrom während der Nitrocarburierung konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird als Oxidationsmittelgasstrom Luft verwendet und wird das Werkstück zwei bis zehn Minuten lang in der Wirbelschicht oxidiert. Als kohlenstoffreiches Gas sind Erdgas oder Propangas geeignet, die in konventionellen Wärmebehandlungsanlagen infolge Rußbildung nicht verwendet werden können. Durch Versuche hat man festgestellt, daß sich bei der Nitrocarburierung besonders verschleißfeste und porenarme Randschichten dann bilden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Gemischgasstrom durchgeführt wird, der zu Beginn der Nitrocarburierung 75 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 60 Vol.-%, Ammoniak und 20 bis 55 Vol.-%, vorzugsweise 35 Vol.-%, Stickstoff, Rest Propan aufweist und dessen Ammoniak-Volumenanteil während der Nitrocarburierung stufenweise auf 10 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 30 Vol.-%, reduziert wird. Es hat sich bewährt, wenn das Werkstück für die Dauer von zwei Stunden mit dem Gemischgasstrom in der Wirbelschicht nitrocarburiert wird, wobei der Ammoniak-Volumenanteil des Gemischgasstromes in Abständen von 30 Minuten um jeweils gleiche Volumenanteile reduziert wird. Eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelten Werkstückes ist möglich, wenn das Werkstück im Anschluß an die Nitrocarburierung mit angefeuchteter Luft oxidiert wird.

Aus der Wärmebehandlung in konventionellen Wärmebehandlungsöfen ist an sich bekannt, daß eine Voroxidierung des Werkstücks vor der Nitrocarburierung zu einer Verbesserung der Stickstoffaufnahme beiträgt (Beratungsstelle für Stahlverwendung, Merkblatt 447, S. Auflage 1983). Überraschenderweise führt die Kombination dieser Maßnahmen mit der stufenweisen oder stetigen Reduzierung des Ammoniak-Volumenanteils im Gemischgasstrom während der Nitrocarburierung bei einem gattungsgemäßen, in der Wirbelschicht durchgeführten, Verfahren zu Randschichten auf dem Werkstück, die sich durch geringen Porenanteil und hohe Abriebsfestigkeit auszeichnen. Unter wirtschaftlichem Gesichtspunkt hat das erfindungsgemäße Verfahren fernerhin den Vorteil, daß das sehr teure Ammoniak äußerst sparsam eingesetzt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken in einer gasdurchströmten Wirbelschicht aus feuerfesten Partikeln. Das Fluidisierungsgas definiert zugleich die Gasatmosphäre. In einem ersten Verfahrensschritt wird das Werkstück in der Wirbelschicht unter Inertgasatmosphäre auf eine Behandlungstemperatur von 500 bis 650°C aufgeheizt. Die Fluidisierung der feuerfesten Partikel und Bildung der Wirbelschicht erfolgt mit einem Stickstoffstrom. Das auf die Behandlungstemperatur aufgeheizte Werkstück wird anschließend im gleichen Ofen in der Wirbelschicht mit einem Oxidationsmittelgasstrom oxidiert. Die Fluidisierung der feuerfesten Partikel erfolgt bei diesem Verfahrensschritt mit einem Luftstrom, dem das Werkstück zwei bis zehn Minuten lang ausgesetzt wird. In einem dritten Verfahrensschritt wird das aufgeheizte und im Luftstrom oxidierte Werkstück mit einem Gemischgasstrom, bestehend aus Stickstoff, Ammoniak sowie einem kohlenstoffreichen Gas, beaufschlagt und dabei in der Wirbelschicht nitrocarburiert. Der Gemischgasstrom bildet das Fluidisierungsgas. Während der Nitrocarburierung wird der Ammoniak-Volumenanteil des Gemischgasstromes stetig oder in mehreren Stufen reduziert sowie der Stickstoff-Volumenanteil vergrößert. Dabei wird der Stickstoff-Volumenanteil jeweils so eingestellt, daß der Volumenanteil des kohlenstoffreichen Gases im Gemischgasstrom während der Nitrocarburierung konstant bleibt. Nach bevorzugter Ausführung gemäß Ausführungsbeispiel wird das Werkstück zwei Stunden lang nitrocarburiert, wobei die Gemischgaszusammensetzung während der Behandlungszeit gemäß nachfolgender Tabelle eingestellt wird.

Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird das Werkstück im Anschluß an die Nitrocarburierung mit angefeuchteter Luft erneut oxidiert.

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken in einer gasdurchströmten Wirbelschicht aus feuerfesten Partikeln, bei dem das Werkstück in der Wirbelschicht unter Inertgasatmosphäre auf eine Behandlungstemperatur von 500 bis 650°C aufgeheizt wird und das aufgeheizte Werkstück mit einem Gemischgasstrom, bestehend aus Stickstoff, Ammoniak sowie einem kohlenstoffreichen Gas, beaufschlagt und dabei in der Wirbelschicht nitrocarburiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Behandlungstemperatur aufgeheizte Werkstück vor der Nitrocarburierung mit einem Oxidationsmittelgasstrom in der Wirbelschicht oxidiert wird und daß während der sich anschließenden Nitrocarburierung der Ammoniak-Volumenanteil des Gemischgasstromes stetig oder in mehreren Stufen reduziert sowie der Stickstoff-Volumenanteil vergrößert wird, wobei der Volumenanteil des kohlenstoffreichen Gases im Gemischgasstrom während der Nitrocarburierung konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidationsmittelgasstrom Luft verwendet und das Werkstück zwei bis zehn Minuten lang in der Wirbelschicht oxidiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffreiches Gas Erdgas oder Propan verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gemischgasstrom zu Beginn der Nitrocarburierung 75 bis 40 Vol.-% Ammoniak und 20 bis 55 Vol.-% Stickstoff, Rest Propan aufweist und daß der Ammoniak-Volumenanteil während der Nitrocarburierung stufenweise auf 10 bis 30 Vol.-% reduziert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück für die Dauer von 0,5 bis 10 Stunden mit dem Gemischgasstrom in der Wirbelschicht nitrocarburiert wird, wobei der Ammoniak-Volumenanteil des Gemischgasstromes in Abständen von 10 bis 60 Minuten um jeweils gleiche Volumenanteile reduziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück im Anschluß an die Nitrocarburierung mit angefeuchteter Luft oxidiert wird.