WO2001055471A1 - Method for carbonitriding high-carbon and high-alloy steels - Google Patents
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- C23C8/30—Carbo-nitriding
- C23C8/32—Carbo-nitriding of ferrous surfaces
Definitions
- the invention relates to a method for carbonitriding metallic workpieces by treating the workpieces in a carbonitriding atmosphere which is produced using a carbon-containing substance and ammonia
- carbonitriding uses so-called "endogas” into which ammonia is added.
- the ammonia content is in the range from 4 to 15% by volume of NH 3 .
- Methane or Propane - It is also known to produce suitable gas mixtures using an oxygen-containing organic liquid, such as methanol.
- the carburizing process is reversible when using endogas, so that there is the possibility of carburizing or decarburizing the materials.
- Atomic nitrogen is required for nitriding.
- the molecular nitrogen present in the endogas does not dissociate at the treatment temperatures sufficient in atomic nitrogen.
- ammonia is added to the embroidery, which partially decomposes into atomic nitrogen at the high treatment temperatures, which can be absorbed by the metal.
- the ammonia embroidery process is irreversible. The denitrification only takes place via the molecular nitrogen formation on the material surface:
- the carbon level of the gas phase must be set to high values. This is only possible if a carbon activity of 1 (graphite) or greater is set.
- Treatment temperatures of e.g. The levels of carbon dioxide and
- Chromium-rich alloys (chromium content> 5% by weight) and tempered steels can therefore only be carburized or carbonitrided to a limited extent in endogas.
- the invention is therefore based on the object of specifying a cost-effective method for producing a carbonitriding atmosphere for high-carbon and / or high-alloy steels, which prevents or reduces the formation of a covering layer or damage to the edge zone.
- This object is achieved in that nitrogen, ammonia and propane are used as the carbon-containing substance to generate the carbonitriding atmosphere.
- the dosage of the fresh gases nitrogen, propane and ammonia can be easily measured and adjusted, so that a predetermined, constant composition of the carbonitriding atmosphere and thus a defined and reproducible nitrogen and carburization can be achieved. Due to the comparatively low C0 2 content, the C0 2 emissions are also reduced in this process. In addition, operating costs can be saved by replacing endogas with the cheaper nitrogen.
- the process according to the invention is particularly easy to reproduce if only propane is used as the carbon-containing substance to generate the carbonitriding atmosphere.
- the water content of the carbonitriding atmosphere is preferably set to less than 0.1% by volume. This can be achieved by using a dry nitrogen / propane / ammonia mixture. As a result, the decarburizing component H 2 0 is avoided and a high carbon activity in the carbonitriding atmosphere is achieved.
- the carbon dioxide content of the carbonitriding atmosphere is less than 0.1% by volume. Because even by avoiding the decarburizing component C0 2 we achieve a high carbon activity in the carbonitriding atmosphere.
- a carbonitriding atmosphere which has between 8 and 15% by volume of hydrogen, between 5 and 8% by volume of methane and between 0.5 and 1.5% by volume of ammonia has proven to be particularly favorable for carbonitriding of high-carbon and high-alloy steels and contains a maximum of 1 vol .-% carbon monoxide.
- Methane is formed by thermal decomposition of the propane used in the invention.
- the contents of carbon dioxide and water in such a carbonitriding atmosphere are less than 0.1% by volume.
- Tests on the carbonitriding of metal components made of hardenable, chromium and manganese steel were carried out on a retort furnace. Nitrogen and propane were used to create the carbonitriding atmosphere.
- the flow rates of nitrogen, propane and ammonia were measured in each case using a flow meter and using a method which was lower than that used in the conventional method Endogas changed feed point metered.
- the sample gas for the analysis of the furnace gas atmosphere that was established was pumped out via a sampling tube.
- the reaction of the individual gas components resulted in contents of approx. 10% hydrogen, 6-7% methane, 1% residual ammonia and 0.5% carbon monoxide, so that the furnace exhaust gas burned with yellow-colored paint.
- the contents of water and carbon dioxide were below the detection limit of the measuring device (less than 0.05%) in all tests.
- the nitrogen concentration in the carburized alloy is defined by the stationary contents of hydrogen and residual ammonia in the furnace gas and by the treatment temperature. These concentrations can be measured with gas analyzers and used to calculate nitrogen activity (a N ).
- the nitrogen activity (SN) is a direct measure of the expected nitrogen concentration (CN) in the alloy.
- the correction factor ) takes into account all parameters that have a positive or negative influence on the solubility of nitrogen. It contains the alloy, gas and plant-specific influencing variables and must therefore be determined empirically.
- the carbon concentration in the carburized alloy is defined by the stationary contents of hydrogen and methane in the furnace gas and by the treatment temperature. The methane forms during the thermal cracking of the propane and through reaction of the hydrogen resulting from the ammonia dissociation with carbon.
- the carbon activity (a c ) is a direct measure of the expected carbon concentration (C c ) in the alloy.
- the correction factor takes into account all parameters that affect the solubility of carbon.
- the alloy, gas and plant-specific influencing variables are contained in the constant and must therefore also be determined empirically.
- Table 4 lists the gas concentrations measured in the furnace chamber according to the invention (data in% by volume):
- edge oxidation depth of the alloy elements such as silicon, manganese and chromium
- the use of nitrogen / popan instead of endogas is also preferable for edge oxidation reasons.
- a very low carbon monoxide content occurs in the treatment gas in the process according to the invention.
- the carbon monoxide content is between 20 vol .-% and about 23 vol .-%.
- the depletion depth of alloy elements and the resultant hem of fine-streaked periite can be reduced or avoided by the method according to the invention and the quality of the treated components can be improved.
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Abstract
Prior art methods exist for carbonitriding metallic workpieces by treating the workpieces in a carbonitriding atmosphere produced by using ammonia and a substance which contains carbon. Based on the prior art, the aim of the invention is to provide a cost-effective method for producing a carbonitriding atmosphere for high-carbon and/or high-alloy steels which prevents or reduces the formation of a covering layer or damage to the edge area. In order to carbonitride metallic workpieces that are comprised of high-carbon and/or high-alloy steels, the invention provides that nitrogen, ammonia and propane are used as the substance which contains carbon for producing the carbonitriding atmosphere.
Description
Verfahren zum Karbonitrieren von kohlenstoffreichen und hochlegierten StählenProcess for the carbonitriding of high-carbon and high-alloy steels
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Karbonitrieren metallischer Werkstücke durch Behandlung der Werkstücke in einer Karbonitrieratmosphäre, die unter Einsatz einer kohlenstoffhaltigen Substanz und Ammoniak erzeugt wirdThe invention relates to a method for carbonitriding metallic workpieces by treating the workpieces in a carbonitriding atmosphere which is produced using a carbon-containing substance and ammonia
Beim Karbonitrieren von Metallteilen aus austenitischen Stahllegierungen diffundieren Kohlenstoff und Stickstoff aus der Gasphase bei hohen Temperaturen in das kubisch flächenzentrierte Gitter und werden in der Randschicht der Metallteile eingelagert. Nach dem Abschrecken der Metallteile verbleiben Kohlenstoff und Stickstoff in der Diffusionszone und bewirken Druckeigenspannungen, wodurch die Randschicht gehärtet wird.When carbonitriding metal parts made of austenitic steel alloys, carbon and nitrogen from the gas phase diffuse at high temperatures into the face-centered cubic lattice and are embedded in the surface layer of the metal parts. After the metal parts have been quenched, carbon and nitrogen remain in the diffusion zone and cause residual compressive stress, as a result of which the surface layer is hardened.
In der Praxis kommt beim Karbonitrieren sogenanntes „Endogas" zum Einsatz, in das Ammoniak zudosiert wird. Der Ammoniakanteil liegt im Bereich von 4 bis 15 Vol.-% NH3. Endogas wird üblicherweise durch Reaktion von Luft mit einer kohienwasserstoffhaltigen Gas - wie Erdgas, Methan oder Propan - erzeugt. Es ist auch bekannt, geeignete Gasmischungen unter Einsatz einer sauerstoffhaltigen organischen Flüssigkeit, wie Methanol, herzustellen.In practice, carbonitriding uses so-called "endogas" into which ammonia is added. The ammonia content is in the range from 4 to 15% by volume of NH 3 . Methane or Propane - It is also known to produce suitable gas mixtures using an oxygen-containing organic liquid, such as methanol.
Der Kohlenstoff- und Stickstofftransfer aus der Gasphase in den Werkstoff läuft über folgende Reaktionen ab:The carbon and nitrogen transfer from the gas phase into the material takes place via the following reactions:
(1) CO + H2 = (C β + H20 (Aufkohlen)(1) CO + H 2 = (C β + H 2 0 (carburizing)
(2) NH3 => (N)r-Fe + 1 ,5 H2 (Aufsticken)(2) NH 3 => (N) r-Fe + 1, 5 H 2 (embroidery)
Der Aufkohlungsprozeß ist bei Verwendung von Endogas reversibel, so daß die Möglichkeit besteht, die Werkstoffe aufzukohlen oder zu entkohlen.The carburizing process is reversible when using endogas, so that there is the possibility of carburizing or decarburizing the materials.
Zum Aufnitrieren ist atomarer Stickstoff erforderlich. Der im Endogas vorhandene molekulare Stickstoff dissoziiert bei den Behandlungstemperaturen jedoch nicht in
ausreichendem Maße in atomaren Stickstoff. Deshalb wird zum Aufsticken Ammoniak zugesetzt, das sich bei den hohen Behandlungstemperaturen teilweise ir atomaren Stickstoff zersetzt, der von dem Metall aufgenommen werden kann. Der Aufstickungsprozeß mit Ammoniak ist irreversibel. Die Entstickung läuft nur über die molekulare Stickstoffbildung auf der Werkstoffoberfläche ab:Atomic nitrogen is required for nitriding. However, the molecular nitrogen present in the endogas does not dissociate at the treatment temperatures sufficient in atomic nitrogen. For this reason, ammonia is added to the embroidery, which partially decomposes into atomic nitrogen at the high treatment temperatures, which can be absorbed by the metal. The ammonia embroidery process is irreversible. The denitrification only takes place via the molecular nitrogen formation on the material surface:
(3) 2 [N] gelöst "^ N2, gasförmig(3) 2 [N] dissolved "^ N 2 , gaseous
Besondere Probleme ergeben sich beim Carbonitrieren kohlenstoffreicher und/oder hochlegierter Stähle. Im folgenden werden die Aufkohlungs- und Nitrierbedingungen dafür näher erläutert:Particular problems arise when carbonitriding high-carbon and / or high-alloy steels. The carburizing and nitriding conditions for this are explained in more detail below:
Sollen kohlenstoffreiche Stähle in der Randschicht mit Kohlenstoff übersättigt werden, muß der Kohlenstoffpegel der Gasphase auf hohe Werte eingestellt werden. Dies ist nur möglich, wenn eine Kohlenstoffaktivität von 1 (Graphit) oder größer eingestellt wird. Beim Einsatz von Endogas und beiIf carbon-rich steels are to be oversaturated with carbon in the surface layer, the carbon level of the gas phase must be set to high values. This is only possible if a carbon activity of 1 (graphite) or greater is set. When using endogas and at
Behandlungstemperaturen von z.B. 850°C müssen die Gehalte an Kohlendioxid undTreatment temperatures of e.g. The levels of carbon dioxide and
Wasser der Gasphase sehr niedrig gehalten werden, um eine hohe Kohlenstoffaktivität zu erhalten. Die entkohlend wirkende chemische Reaktion dieser Komponenten (H20 und C02) wird aus den folgenden Reaktionsgleichungen ersichtlich.Water of the gas phase must be kept very low in order to obtain high carbon activity. The decarburizing chemical reaction of these components (H 2 0 and C0 2 ) can be seen from the following reaction equations.
(4) 2 CO z> (C)γ-Fβ + C02 (Boudouardreaktion)(4) 2 CO z> (C) γ-Fβ + C0 2 (Boudouard reaction)
(5) CO + H2 «• (C)γ-Fe + H20 (heterogene(5) CO + H 2 «• (C) γ-Fe + H 2 0 (heterogeneous
Wassergasreaktion)Water gas shift reaction)
Um eine vorgegebene Kohlenstoffaktivität aufrecht zu erhalten, ist es daher er orderlich, durch die Kohlenstoffaufnahme entstehendes Wasser undIn order to maintain a given carbon activity, it is therefore necessary to order water and water generated by the carbon uptake
Kohlendioxid mit einem Kohlenwasserstoff umzusetzen. Hierfür wird üblicherweise Propan eingesetzt, denn Propan reagiert bei relativ niedrigen
Karbonitriertemperaturen (die jedoch aus Legierungsgründen nicht erhöht werden sollten) besser als Erdgas (Methan).Implement carbon dioxide with a hydrocarbon. Propane is usually used for this, because propane reacts at relatively low levels Carbonitriding temperatures (which should not be increased due to alloy reasons) better than natural gas (methane).
Der Propanumsatz mit Kohlendioxid bzw. mit Wasser läßt sich anhand chemischer Gleichungen wie folgt stöchiometrisch beschreiben:The propane conversion with carbon dioxide or with water can be described stoichiometrically as follows using chemical equations:
(6) 3 C02 + C3H8 > 6 CO + 4 H2 (6) 3 C0 2 + C 3 H 8 > 6 CO + 4 H 2
(7) 3 H20 + C3H8 o 3 CO + 7 H2 (7) 3 H 2 0 + C 3 H 8 o 3 CO + 7 H 2
Trotz der besseren Reaktivität des Propans muß ein großer Überschuß an Propan in den Ofen zugesetzt werden, so daß ein hoher Anteil an Kohlenwasserstoffen ungenutzt die Anlage verläßt. Gelangt durch Leckagen oder über das zu behandelnde Metall ungleichmäßig zusätzlicher Sauerstoff in den Ofenraum, können die Randkohlenstoffgehalte und Aufkohlungstiefen in ihrer Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit stark schwanken.Despite the better reactivity of the propane, a large excess of propane has to be added to the furnace, so that a high proportion of hydrocarbons leaves the plant unused. If additional oxygen reaches the furnace chamber unevenly due to leaks or through the metal to be treated, the marginal carbon contents and carburization depths can fluctuate greatly in their uniformity and reproducibility.
Insbesondere im Hinblick auf hochlegierte Stähle hat der Einsatz von Endogas als Aufkohlungsträgergas einen weiteren Nachteil. Müssen beispielsweise chromreiche Stähle karbonitriert werden, so wird das legierte Chrom oxidiert und es bildet sich je nach Chromgehalt der Legierung eine geschlossene Oxiddeckschicht oder es tritt eine sogenannte „innere Oxidation" auf. Eine geschlossene Oxiddeckschicht wirkt für die weitere Eindiffusion von Kohlenstoff und Stickstoff als Sperrschicht, da sie keinen Kohlenstoff lösen kann. Eine innere Oxidation, wie sie bei Vergütungsstählen mit geringeren Gehalten an Chrom, Mangan und Silizium beobachtet wird, beeinflußt das Härtegefüge negativ. Es bildet sich beim Abschrecken kein Martensit, sondern es entsteht ein feinstreifiger Perlit, der weicher ist als Martensit. Die Verschleißfestigkeit wird dadurch deutlich herabsetzt.In particular with regard to high-alloy steels, the use of endogas as a carburizing carrier gas has a further disadvantage. If, for example, chromium-rich steels have to be carbonitrided, the alloyed chromium is oxidized and, depending on the chromium content of the alloy, a closed oxide cover layer or a so-called "internal oxidation" occurs. A closed oxide cover layer acts as a barrier layer for the further diffusion of carbon and nitrogen Since it cannot dissolve carbon, an internal oxidation, as is observed in tempered steels with low contents of chromium, manganese and silicon, has a negative effect on the hardness structure. When quenching, no martensite forms, but rather a fine-streaked pearlite, which is softer is a martensite, which significantly reduces wear resistance.
Chromreiche Legierungen (Chromgehalt > 5 Gew.-%) und Vergütungsstähle können somit nur eingeschränkt in Endogas aufgekohlt oder karbonitriert werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Karbonitrieratmosphäre für kohlenstoffreiche und/oder hochlegierte Stähle anzugeben, die eine Ausbildung einer Deckschicht oder eine Schädigung der Randzone verhindert oder mindert.Chromium-rich alloys (chromium content> 5% by weight) and tempered steels can therefore only be carburized or carbonitrided to a limited extent in endogas. The invention is therefore based on the object of specifying a cost-effective method for producing a carbonitriding atmosphere for high-carbon and / or high-alloy steels, which prevents or reduces the formation of a covering layer or damage to the edge zone.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre Stickstoff, Ammoniak und Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt werden.This object is achieved in that nitrogen, ammonia and propane are used as the carbon-containing substance to generate the carbonitriding atmosphere.
Anstelle von Endogasgemischen werden beim erfindungsgemäßenInstead of endogas mixtures in the invention
Verfahren Propan und Stickstoff zur Herstellung der Karbonitrieratmosphäre eingesetzt. Dadurch wird die Sauerstoffaktivität im Behandlungsgas gesenkt und die Bildung entkohlend wirkender Komponenten wie C02 und H20 wird verringert. Die geringere Sauerstoffaktivität des erfindungsgemäß hergestellten Behandlungsgases hat zur Folge, daß bei hochlegierten Stählen die Randoxidation geringer ist und die Ausbildung einer Oxiddeckschicht oder einer „inneren Oxidation" verhindert oder vermindert wird.Process propane and nitrogen used to create the carbonitriding atmosphere. This lowers the oxygen activity in the treatment gas and reduces the formation of decarburizing components such as C0 2 and H 2 0. The lower oxygen activity of the treatment gas produced according to the invention has the result that the edge oxidation is lower in high-alloy steels and the formation of an oxide cover layer or an “internal oxidation” is prevented or reduced.
Damit einhergehend stellt sich in der Karbonitrieratmosphäre mit einem Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch eine im Vergleich zum Einsatz von Endogas höhere Stickstoffaktivität und eine höhere Kohlenstoffaktivität ein. Dies erleichtert wiederum das Aufkohlen kohlenstoffreicher Stähle.This is accompanied by a higher nitrogen activity and a higher carbon activity in the carbonitriding atmosphere with a nitrogen / propane / ammonia mixture compared to the use of endogas. This in turn makes it easier to carburize high-carbon steels.
Die Dosierung der Frischgase Stickstoff, Propan und Ammoniak läßt sich leicht messen und einstellen, so daß eine vorgegebene, gleichbleibende Zusammensetzung der Karbonitrieratmosphäre und damit eine definierte und reproduzierbare Aufstickung und Aufkohlung erzielbar ist. Aufgrund des vergleichsweise geringen C02-Gehaltes wird zudem die C02-Emission bei diesem Verfahren gesenkt. Darüberhinaus können durch den Ersatz von Endogas durch den preiswerteren Stickstoff Betriebskosten eingespart werden.
Besonders einfach reproduzierbar gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren, wenn zur Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre ausschließlich Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt wird.The dosage of the fresh gases nitrogen, propane and ammonia can be easily measured and adjusted, so that a predetermined, constant composition of the carbonitriding atmosphere and thus a defined and reproducible nitrogen and carburization can be achieved. Due to the comparatively low C0 2 content, the C0 2 emissions are also reduced in this process. In addition, operating costs can be saved by replacing endogas with the cheaper nitrogen. The process according to the invention is particularly easy to reproduce if only propane is used as the carbon-containing substance to generate the carbonitriding atmosphere.
Vorzugsweise wird der Wassergehalt der Karbonitrieratmosphäre auf weniger als 0,1 Vol.-% eingestellt. Dies läßt sich erreichen, indem ein möglichst trockenes Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch eingesetzt wird. Dadurch wird die entkohlend wirkende Komponente H20 vermieden und eine hohe Kohlenstoffaktivität der Karbonitrieratmosphäre erzielt.The water content of the carbonitriding atmosphere is preferably set to less than 0.1% by volume. This can be achieved by using a dry nitrogen / propane / ammonia mixture. As a result, the decarburizing component H 2 0 is avoided and a high carbon activity in the carbonitriding atmosphere is achieved.
Gleichermaßen vorteilhaft wirkt sich es sich aus, wenn der Kohlendioxidgehalt der Karbonitrieratmosphäre weniger als 0,1 Vol.-% beträgt. Denn auch durch Vermeiden der entkohlend wirkenden Komponente C02 wir eine hohe Kohlenstoffaktivität der Karbonitrieratmosphäre erzielt.It is equally advantageous if the carbon dioxide content of the carbonitriding atmosphere is less than 0.1% by volume. Because even by avoiding the decarburizing component C0 2 we achieve a high carbon activity in the carbonitriding atmosphere.
Für eine Karbonitrierung kohlenstoffreicher und hochlegierter Stähle hat sich eine Karbonitrieratmosphäre als besonders günstig erwiesen, die zwischen 8 bis 15 Vol.-% Wasserstoff, zwischen 5 und 8 Vol.-% Methan, zwischen 0,5 und 1 ,5 Vol.-% Ammoniak und maximal 1 Vol.-% Kohlenmonoxid enthält. Methan bildet sich durch thermische Zersetzung des erfindungsgemäß eingesetzten Propans. Die Gehalte an Kohlendioxid und Wasser liegen bei einer derartigen Karbonitrieratmosphäre bei weniger als 0,1 Vol.-%.A carbonitriding atmosphere which has between 8 and 15% by volume of hydrogen, between 5 and 8% by volume of methane and between 0.5 and 1.5% by volume of ammonia has proven to be particularly favorable for carbonitriding of high-carbon and high-alloy steels and contains a maximum of 1 vol .-% carbon monoxide. Methane is formed by thermal decomposition of the propane used in the invention. The contents of carbon dioxide and water in such a carbonitriding atmosphere are less than 0.1% by volume.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment:
VersuchsdurchführungExperimental Procedure
An einem Retortenofen wurden Versuche zum Karbonitrieren von Metall- Bauteilen aus härtbarem, chrom- und manganhaltigen Stahl durchgeführt. Zur Herstellung der Karbonitrieratmosphäre wurde Stickstoff und Propan eingesetzt.Tests on the carbonitriding of metal components made of hardenable, chromium and manganese steel were carried out on a retort furnace. Nitrogen and propane were used to create the carbonitriding atmosphere.
Die Durchflußmengen an Stickstoff, Propan und Ammoniak wurden jeweils über Mengenmesser gemessen und über eine im Vergleich zum üblichen Verfahren untei
Endogas veränderte Einspeisestelle zudosiert. Das Meßgas für die Analyse der sich einstellenden Ofengasatmosphäre wurde über ein Entnahmerohr abgepumpt.The flow rates of nitrogen, propane and ammonia were measured in each case using a flow meter and using a method which was lower than that used in the conventional method Endogas changed feed point metered. The sample gas for the analysis of the furnace gas atmosphere that was established was pumped out via a sampling tube.
Nach dem Abschrecken und Reinigen der behandelten Bauteile wurden einige von ihnen metallografisch untersucht. Eine Probe, die mitbehandelt wurde, diente jeweils als Analysenprobe. An dieser Probe wurden in zwei Eindringtiefen die Gehalte an gelöstem Stickstoff und Kohlenstoff bestimmt. Die Meßtiefen lagen standardmäßig bei 50 μm und 100 μm von der Oberfläche.After quenching and cleaning the treated components, some of them were examined metallographically. A sample that was treated together served as an analytical sample. The contents of dissolved nitrogen and carbon were determined on this sample at two penetration depths. The standard measuring depths were 50 μm and 100 μm from the surface.
Ausführungsbeispielembodiment
Bei den Stickstoff/Propan/Ammoniak-Versuchen wurden die in Tabelle 2 angegebenen Mengen an Gasen eingesetzt (Angaben in Liter pro Stunde):In the nitrogen / propane / ammonia tests, the amounts of gases specified in Table 2 were used (data in liters per hour):
Tabelle 2Table 2
Bei diesen Versuchen wurden die geforderten Randstickstoffgehalte in 50 μm teilweise und in 100 μ Eindringtiefe bis auf eine Probe immer erreicht. Auch die analysierten Randkohlenstoffgehalte lagen in den entsprechenden beiden Tiefen im geforderten Bereich bei 1 ,4 - 1 ,7 Gew.-% C. Für einige der Proben sind die Analysenwerte der ermittelten Stickstoff- und Kohlenstoffgehalte sowie die Prozeßparameter in Tabelle 3 aufgeführt.In these tests, the required marginal nitrogen contents in 50 μm and in 100 μ penetration depth were always met except for one sample. The analyzed marginal carbon contents in the corresponding two depths were in the required range of 1.4-1.7% by weight C. For some of the samples, the analytical values of the nitrogen and carbon contents determined and the process parameters are listed in Table 3.
Tabelle 3Table 3
Im Ofenraum stellten sich durch Reaktion der einzelnen Gaskomponenten Gehalte von ca. 10 % Wasserstoff, 6-7 % Methan, 1 % Restammoniak und 0,5 % Kohlenmonoxid ein, so daß das Ofenabgas mit gelbleuchtender Farbe verbrannte. Die Gehalte an Wasser und Kohlendioxid lagen bei allen Versuchen unterhalb der Nachweisgrenze des Meßgerätes (kleiner 0,05 %). In the furnace chamber, the reaction of the individual gas components resulted in contents of approx. 10% hydrogen, 6-7% methane, 1% residual ammonia and 0.5% carbon monoxide, so that the furnace exhaust gas burned with yellow-colored paint. The contents of water and carbon dioxide were below the detection limit of the measuring device (less than 0.05%) in all tests.
Aus den Meßwerten für die Gaskomponenten H2, CO, C02, CH , H20, NH3 wurden die Kohlenstoff- und Stickstoffaktivitäten in der jeweiligen Behandlungsatmosphäre berechnet. Diese ergeben sich folgendermaßen:The carbon and nitrogen activities in the respective treatment atmosphere were calculated from the measured values for the gas components H 2 , CO, C0 2 , CH, H 2 0, NH 3 . These result as follows:
Aufstickreaktion: NH3 => (N)γ-Fe + 1 ,5 H2 (stationärer Zustand)Stick reaction: NH 3 => (N) γ-Fe + 1, 5 H 2 (steady state)
Stickstoffaktivität (aN): aN = kp(N)*PNH3 PH23~ Nitrogen activity (a N ): a N = kp (N ) * P N H3 PH2 3 ~
Stickstoff löslichkeit (CN): CN = f(i) * aNNitrogen solubility (CN): CN = f (i) * aN
Die sich in der aufgekohlten Legierung einstellende Stickstoffkonzentration wird durch die stationären Gehalte an Wasserstoff und Restammoniak im Ofengas und durch die Behandlungstemperatur definiert. Diese Konzentrationen können mit Gasanlysatoren gemessen und für die Berechnung der Stickstoffaktivität (aN) verwendet werden. Die Stickstoffaktivität (SN) ist ein direktes Maß für die zu erwartende Stickstoffkonzentration (CN) in der Legierung. Der Korrekturfaktor ) berücksichtigt alle Parameter, die die Löslichkeit von Stickstoff positiv oder negativ beeinflussen. In ihr sind die legierungs-, gas- und anlagenspezifischen Einflußgrößen enthalten und sie muß deshalb empirisch ermittelt werden.The nitrogen concentration in the carburized alloy is defined by the stationary contents of hydrogen and residual ammonia in the furnace gas and by the treatment temperature. These concentrations can be measured with gas analyzers and used to calculate nitrogen activity (a N ). The nitrogen activity (SN) is a direct measure of the expected nitrogen concentration (CN) in the alloy. The correction factor ) takes into account all parameters that have a positive or negative influence on the solubility of nitrogen. It contains the alloy, gas and plant-specific influencing variables and must therefore be determined empirically.
Aufgrund der hohen Karbonitriertemperatur und des geringen stationären Ammoniakgehaltes in der Ofenatmosphäre können sich auf der Legierung keine γ'- Nitride oder ε-Nitride bilden.Due to the high carbonitriding temperature and the low steady ammonia content in the furnace atmosphere, no γ'-nitrides or ε-nitrides can form on the alloy.
Aufkohlungsreaktion: C3H8 = 2 (C)γ-Fe + CH4 + 2 H2 (stationärerCarburizing reaction: C 3 H 8 = 2 (C) γ - Fe + CH 4 + 2 H 2 (stationary
Zustand)Status)
Kohlenstoffaktivität (ac): ac = p(C)*PcH4 PH22 Kohlenstofflöslichkeit (Cc): Cc = f(i) * a
Die sich in der aufgekohlten Legierung einstellende Kohlenstoffkonzentration wird durch die stationären Gehalte an Wasserstoff und Methan im Ofengas und durch die Behandlungstemperatur definiert. Das Methan bildet sich bei der thermischen Spaltung des Propans und durch Reaktion des aus der Ammoniakdissoziation entstehenden Wasserstoffs mit Kohlenstoff.Carbon activity (a c ): a c = p (C ) * PcH4 PH2 2 Carbon solubility (C c ): C c = f (i) * a The carbon concentration in the carburized alloy is defined by the stationary contents of hydrogen and methane in the furnace gas and by the treatment temperature. The methane forms during the thermal cracking of the propane and through reaction of the hydrogen resulting from the ammonia dissociation with carbon.
Methanbildung: (C)Graphit + 2 H2 - + CH (stationärer Zustand)Methane formation: (C) graphite + 2 H 2 - + CH (steady state)
Diese nicht im chemischen Gleichgewicht stehenden Konzentrationen können mit Gasanlysatoren gemessen und für die Berechnung der Kohlenstoffstoffaktivität (ac) verwendet werden. Die Kohlenstoffaktivität (ac) ist ein direktes Maß für die zu erwartende Kohlenstoffkonzentration (Cc) in der Legierung. Der Korrekturfaktor berücksichtigt alle Parameter, die die Löslichkeit von Kohlenstoff beeinflussen. In der Konstanten sind die legierungs-, gas- und anlagenspezifischen Einflußgrößen enthalten und sie muß deshalb ebenfalls empirisch ermittelt werden.These concentrations, which are not in chemical equilibrium, can be measured with gas analyzers and used for the calculation of the carbon activity (a c ). The carbon activity (a c ) is a direct measure of the expected carbon concentration (C c ) in the alloy. The correction factor takes into account all parameters that affect the solubility of carbon. The alloy, gas and plant-specific influencing variables are contained in the constant and must therefore also be determined empirically.
In Tabelle 4 sind die beim erfindungsgemäßen Verfahren im Ofenraum gemessener Gaskonzentrationen aufgeführt (Angaben in Vol.-%):Table 4 lists the gas concentrations measured in the furnace chamber according to the invention (data in% by volume):
Tabelle 4Table 4
Beim Einsatz von trockenem Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch sind fast keine entkohlend wirkende Komponenten (H20 und C02) im Behandlungsgas enthalten. Somit ist ein zusätzlicher Propanzusatz zur Vermeidung der Gefahr einer Entkohlung grundsätzlich nicht erforderlich. Durch den Einsatz von Stickstoff/Propan/Ammoniak erhöht sich somit die Prozeßsicherheit.When using a dry nitrogen / propane / ammonia mixture, almost no decarburizing components (H 2 0 and C0 2 ) are contained in the treatment gas. An additional propane additive to avoid the risk of decarburization is therefore generally not necessary. The use of nitrogen / propane / ammonia increases process reliability.
Da die Randoxidationtiefe der Legierungselemente, wie Silizium, Mangan und Chrom, mit steigendem Kohlenmonoxidgehalt zunimmt, ist auch aus Randoxidationsgründen der Einsatz von Stickstoff/Popan anstelle von Endogas vorzuziehen. Denn wie aus den obigen Angaben ersichtlich, stellt
sich beim erfmdungsgemäßen Verfahren im Behandlungsgas ein sehr geringer Kohlenmonoxidgehalt ein. - im Vergleich zum üblichen Verfahren unter Endogas, bei dem der Kohlenmonoxidgehalt zwischen 20 Vol.-% und etwa 23 Vol.-% beträgt. Die Verarmungstiefe an Legierungselementen und der dadurch entstehende Saum aus feinstreifigem Periit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren gesenkt oder vermieden und die Qualität der behandelten Bauteile verbessert werden.Since the edge oxidation depth of the alloy elements, such as silicon, manganese and chromium, increases with increasing carbon monoxide content, the use of nitrogen / popan instead of endogas is also preferable for edge oxidation reasons. Because as can be seen from the above information, a very low carbon monoxide content occurs in the treatment gas in the process according to the invention. - In comparison to the conventional process under endogas, in which the carbon monoxide content is between 20 vol .-% and about 23 vol .-%. The depletion depth of alloy elements and the resultant hem of fine-streaked periite can be reduced or avoided by the method according to the invention and the quality of the treated components can be improved.
Darüberhinaus werden beim Ersatz von Endogas durch den preiswerteren Stickstoff Betriebskosten eingespart. Und da die C02-Emissionen gesenkt werden, ist das Karbonitrieren mit einem Stickstoff/Propan/Ammoniak-Gemisch auch aus Umweltgründen vorteilhaft.
In addition, operating costs are saved when replacing endogas with the cheaper nitrogen. And since C0 2 emissions are reduced, carbonitriding with a nitrogen / propane / ammonia mixture is also advantageous for environmental reasons.
Claims
1. Verfahren zum Karbonitrieren metallischer Werkstücke durch Behandlung der Werkstücke in einer Karbonitrieratmosphäre, die unter Einsatz einer kohlenstoffhaltigen Substanz und Ammoniak erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Karbonitrieren metallischer Werkstücke aus kohlenstoffreichen und/oder hochlegierten Stählen für die Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre Stickstoff, Ammoniak und Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt werden.1. A method for carbonitriding metallic workpieces by treating the workpieces in a carbonitriding atmosphere which is produced using a carbon-containing substance and ammonia, characterized in that for carbonitriding metallic workpieces made of high-carbon and / or high-alloy steels for the generation of the carbonitriding atmosphere nitrogen, ammonia and Propane can be used as a carbon-containing substance.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Karbonitrieratmosphäre ausschließlich Propan als kohlenstoffhaltige Substanz eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that only propane is used as the carbon-containing substance for generating the carbonitriding atmosphere.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the
Wassergehalt der Karbonitrieratmosphäre weniger als 0,1 Vol.-% beträgt.Water content of the carbonitriding atmosphere is less than 0.1% by volume.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlendioxidgehalt der Karbonitrieratmosphäre weniger als 0,1 Vol.-% beträgt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the carbon dioxide content of the carbonitriding atmosphere is less than 0.1 vol .-%.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbonitrieratmosphäre zwischen 8 bis 15 Vol.-% Wasserstoff, zwischen 5 und 8 Vol.-% Methan, zwischen 0,5 und 1 ,5 Vol.-% Ammoniak und maximal 1 Vol.-% Kohlenmonoxid enthält. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the carbonitriding atmosphere between 8 to 15 vol .-% hydrogen, between 5 and 8 vol .-% methane, between 0.5 and 1.5 vol .-% ammonia and maximum Contains 1 vol .-% carbon monoxide.
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