DE632935C - Verfahren und Einrichtung zur Oberflaechenkohlung von Eisen und Stahl - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
16. JULI 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 632935 KLASSE 18 c GRUPPE 3 is

Die Erfindung bezieht sich, auf das Aufkohlen von Eisen und Stahl mit Hilfe eines gasförmigen Kohlungsmittels, das aus Kohlenwasserstoffgas, einem Oxydationsmittel und einem Verdünnungsmittel besteht.

Bei bekannten Aufkohlungsverfahren dieser Art, die nicht ununterbrochen, sondern absatzweise durchgeführt wurden, betrachtete man das Niederschlagen von Kohlenstoff auf

ίο dem Arbeitsstück als Nachteil, und es sind viele Vorschläge gemacht worden, um diese Unzuträglichkeit zu vermeiden. Beim vorliegenden Verfahren bildet der Kohlenstoffniederschlag während einer bestimmten Behandlungsstufe eine wesentliche Stufe des neuen Verfahrens. Das Werkstück verläßt den Behandlungsofen sauber und fast so blank und rein wie vor der Kohlung. Das Kennzeichen des neuen Verfahrens sind drei verschiedene Behandlungsstufen. In der ersten Stufe erfolgt die Behandlung bei niedriger Temperatur, die ausreicht, den als Kohlungsmittel benutzten Kohlenwasserstoff unter Abscheidung von Kohlenstoff in Gegenwart eines Katalysators zu zersetzen. Die Temperatur liegt zwischen 650 und 815° C. Der Katalysator ist im Falle der Erfindung das zu kohlende Werkstück selbst. Die Führung des Kohlungsgases erfolgt sowohl in der Zone niedriger Temperatur wie auch während der übrigen Verfahrensstufen ununterbrochen in gleicher Richtung und praktisch gleicher ,Geschwindigkeit mit dem aufzukohlenden Werkstück.

Die Temperatur in der zweiten Zone liegt zwischen 840 und 980⁰ C. In dieser Zone wird der auf dem Werkstück niedergeschlagene Kohlenstoff unter Bildung von die Aufkohlung bewirkendem Kohlenmonoxyd oxydiert.

Die nächste Stufe ist die der NachdifTusion. Der hierfür in Frage kommende Arbeitsraum ist so lang, daß nach der Oxydation des Kohlenstoffs das Werkstück sich noch eine erhebliche Strecke bewegen muß, bevor es das Ende der genannten Zone erreicht. Sobald das Werkstück die Zone hoher Temperatur verläßt, kann es unmittelbar abgelöscht oder in anderer Weise behandelt werden. Die Sauberkeit des Werkstücks erleichtert die weitere Wärmebehandlung.

Zur wirksamen Durchführung des Verfahrens ist es wesentlich, daß der Niederschlag von Kohlenstoff im ersten Arbeitsraum auf dem Werkstück selbst stattfindet und nicht auf den Wandungen der Muffel. Zu diesem Zwecke wird der Teil des Ofens, der der niedrigen Temperatur entspricht, aus nichtkatalytischem Werkstoff hergestellt. Ein solcher nichtkatalytischer Werkstoff ist beispielsweise

Eisen oder Stahl _mit einem Überzug von eines Gemisches von Luft und Gas in den Aluminiunicxkyd.. Auch i ,eine nickelfreie der vollständigen Verbrennung des Gases entChrom-Eisen-Legierung ist hierfür geeignet,,.-, ,.,sprechenden Verhältnissen zu erzeugen.'

Der der Zone höher Temperatur entspr.gi-*^;_:Die Menge des in derselben Zeiteinheit er- 65 5 chende Teil des Ofens kann aus demselüer^ippgten Kohlenstoffniederschlags auf dem

Werkstoff wie der der niedrigen Temperatä-tg entsprechende Teil hergestellt werden; es ist"" aber vorzuziehen, den genannten Teil aus einem Werkstoff anzufertigen, der der Kohlung besser widersteht. Ein geeigneter Werkstoff für diesen Zweck ist eine Chrom-Nickel-Eisen-Legierung.

Als Oxydierungsmittel kommt vorzugsweise Kohlensäure in Frage. Die gegenseitigen Verhältnisse von.Kohlenwasserstoff, Verdünnungsmittel und Oxydierungsmittel werden so überwacht, daß 1. die gewünschte Menge an Kohlenstoffniederschlag auf dem Werkstück innerhalb der Zone niedriger Temperatur, 2. die zur Oxydierung dieses Kohlenstoffs in der Zone hoher Temperatur erforderliche Menge des Oxydierungsmittels und 3^ eine Atmosphäre' gesichert wird, die keinerlei- Entkohlungswirkung auf das Werkstück nach der Oxydierung des Kohlenstoffs sowie während der Nachdiffusion ausübt.

Der Kohlenwasserstoffbestandteil des Kohlungsmittels kann aus irgendeinem der bekannten Kohlenwasserstoffgase' bestehen, beispielsweise aus Leuchtgas, Naturgas, Methan, Ethan, Propan, Acetylen oder anderen gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen, die die Eigenschaft haben, sich, wenn sie unter geeigneten Bedingungen in Gegenwart eines Katalysators wie Eisen oder Stahl erhitzt werden, unter Freigabe von Ruß zu zersetzen. Im allgemeinen wird die Verwendung von Kohlenwasserstoffgas als solchem vorgezogen; daß aber auch die Verdampfung flüssiger Kohlenwasserstoffe und die Verwendung der Dämpfe in derselben Weise wie das Kohlenwasserstoffgas benutzt wird, liegt im Rahmeni der Erfindung.

Als Verdünnungsmittel für .den Kohlenwasserstoff dienen vorzugsweise entwässerte oder teilweise entwässerte gasförmige Verbrennungsprodukte, im nachstehenden mit Rauchgas bezeichnet, von denen Kohlendioxyd 8 bis .15% ausmacht. Das Kohlendioxyd bildet das Oxydierungsmittel zur Oxydierung des Kohlenstoffs auf dem Werkstück in der Zone hoher Temperatur. Verhältnismäßig geringe Mengen von Wasserdampf und Sauerstoff im Verdünnungsmittel sind unter Umständen erwünscht. Trotzdem ist es vom Gesichtspunkt der besseren Überwachung des Oxydierungsmittels vorzuziehen, das Rauchgas zu entwässern. Vom Gesichtspunkt der Gleichförmigkeit der Zusammensetzung des Rauchgases ist es vorteilhaft, es durch Verbrennung Vfp'iferkstück in der Zone niedriger Temperatur kann erhöht oder verringert werden, indem man das Verhältnis zwischen dem Verdünnungsmittel und dem Kohlenwasserstoff erhöht bzw. verringert.

Bevor das Werkstück in die Zone höherer Temperatur tritt, übt das Oxydierungsmittel keine oxydierende Wirkung auf den niedergeschlagenen Kohlenstoff aus. Es wirkt aber leicht oxydierend auf das Werkstück selbst. Eine solche Oxydierung ist aber für die späteren chemischen Einwirkungen bei höheren Temperaturen günstig.

Die zur vollständigen Oxydierung der auf dem Werkstück befindlichen Kohlenstoffschicht in der Zone hoher Temperatur erforderliche Zeit hängt natürlich von der Art und der Menge des Oxydierungsmittels in dem genannten Verbindungsmittel ab. Das Maß der Oxydation des Kohlenstoffs auf dem Werkstück in der Zone hoher Temperatur wird durch Vergrößerung des Prozentsatzes des Oxydierungsmittels im Verdünnungsmittel, beispielsweise durch Erhöhung seines Gehalts an Kohlensäure oder durch Hinzufügung von Wasserdampf oder Sauerstoff oder beider gleichzeitig überwacht werden. Ist das Verdünnungsmittel Rauchgas, so kann dessen Zusammensetzung leicht dadurch überwacht werden, daß man das Maß der Entwässerung ändert oder daß man den Brennstoff, von dem das Rauchgas stammt, mit Luftüberschuß verbrennt.

Gemäß der Erfindung wird eine Entkohlung in wirksamer Weise durch die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffgas in der Zone hoher Temperatur verhindert. Natürlich wird der in die Muffel eingeführte Kohlenwasserstoff in der verfügbaren Zeit nicht vollständig verbraucht. Bekanntlich ist ein bestimmter Gehalt an Kohlenwasserstoffgas bei einem bestimmten Kohlenstoffgehalt des Stahles zur Bildung einer neutralen Atmosphäre und zur Verhinderung der Entkohlung erforderlich. So wird sich bereiner Temperatur von 925⁰ C ein Stahl mit 0,18% Kohlenstoffgehalt in Wasserstoff mit ungefähr 0,25% Naturgas im Gleichgewicht befinden. Enthält der Stahl 0,59% Kohlenstoff, so ist das Gleichgewichtsverhältnis 0,85% Naturgas, während bei einem Kohlenstoffgehalt des Stahls von 0,95 % das Verhältnis 1,5 °/o Naturgas beträgt. Bei höheren als den angegebenen Verhältnissen wird aufgekohlt, bei einem niedrigeren Verhältnis entkohlt. Das genaue Verhältnis wird durch die Behandlungstemperatur und die

Art des in dem Gasgemisch enthaltenen Kohlenwasserstoffs beeinflußt; es wird geringer, wenn die Temperatur steigt. Es ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung einfach, das erforderliche Kohlenwasserstoffgas in der Zone hoher Temperatur zu halten, um einer etwaigen Entkohlungswirkung entgegenzuwirken. Es ist nur¹ erforderlich das Verhältnis zwischen dem Kohlenwasserstoff und dem

to Oxydierungsmittel in dem dem Ofen zugeführten Kohlungsmittel zu erhöhen.

Es kann aber dasi Verdünnungsmittel auch durch Mischen von Stickstoff mit Kohlendioxyd oder einem anderen aus einer besonderen Lieferquelle stammenden Oxydierungsmittel gewonnen werden.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Art und Weise, in der irgendeine hergestellte Bedingung je nach den Eigenschaften der Kohlungsmischung überwacht und aufrechterhalten werden kann. Die aus der Zone hoher Temperatur entströmenden Gase enthalten brennbare Bestandteile. Wenn eine gleichbleibende Menge dieser Gase in der freien Luft verbrannt und die Verbrennungstemperatur gemessen wird, so zeigt eine gleichbleibende Temperatur gleichgebliebene Bedingungen an. Eine Temperaturänderung ist ein Zeichen für einen Wechsel im Verhältnis des Kohlenwasserstoffs zum Lösungsmittel. Fällt die Temperatur, dann ist mehr, steigt die Temperatur, dann ist weniger Kohlenstoff erforderlich. Durch geeignete Anzeigevorrichtungen kann das Verhältnis zwischen Kohlenwasserstoffgas und Verdünnungsmittel überwacht werden.

Die Aufrechterhaltung irgendeines besonderen Druckes innerhalb der Muffel ist für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich. Bei höherem Druck verläuft das Verfahren schneller.

Bei· der Durchführung des Verfahrens kann die Muffel auf beiden Enden mit einem Vorraum versehen sein, um zu verhindern, daß während des Ladens und Entladens des Ofens Luft in die Wärmebehandlungskammer eindringt.

Als Andeutung über die Längen der Zonen hoher und niedriger Temperatur mag darauf hingewiesen werden, daß bei einer Betriebsanlage der Teil der Ofenmuffel, der der niedrigen Temperaturzone entspricht, ungefähr ι ,80 m und der der Zone hoher Temperatur entsprechende Teil 4,20 m Länge besitzt. Bei dieser Anlage wurde eine Aufkohlungsschicht von ι mm' Dicke erzielt, wenn die Kohlungsdauer bei 900⁰ C 3 Stunden beträgt. Von der auf gekohlten Schicht war ungefähr ^J/₄ mm übereutektoidisch. Zur Erzielung der genannten Schicht hat es sich als erforderlich herausgestellt, als Kohlungsmittel in der Stunde etwa 2¹Z₄ cbm Naturgas und ebensoviel Kubikmeter Rauchgas mit I2°/_O Kphlensäuregehalt zu verwenden. Die hierbei erzielte Leistung ist mehr als doppelt so'groß wie bei einem Ofen von gleichen Abmessungen bei Verwendung eines festen Kohlungsmittels.

In der Zeichnung ist mit 5 eine langgestreckte von außen beheizte Wärmebehandlungskammer bezeichnet, die an den gegenüberliegenden Enden mit geeigneten Verschlüssen zur Verhinderung des Lufteintritts in die Kammer versehen ist. Irgendwelche geeigneten Mittel können zur Bewegung des Werkstücks durch die Kammer vorgesehen sein. Das Kohlengas wird durch ein Zuführungsrohr 6 eingeführt, während das verbrauchte Gas die Kammer an ihrem gegenüberliegenden Ende durch ein Rohr 7 verläßt. In einem Teilet der Kammer wird eine Temperatur unterhalten, die niedriger ist als die übliche Kohlungstemperatur, während in dem; sich an diesen Teil anschließenden Teil B die übliche Kohlungstemperatur unterhalten wird.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   r. Verfahren zur Oberflächenkohlung von Eisen und Stahl in einem ununterbrochen arbeitenden, in mehreren Zonen unterteilten Ofen mittels eines gasförmigen Gemisches aus Kohlenwasserstoff, einem Oxydierungsmittel und einem Verdünnungsmittel, gekennzeichnet durch nachfolgende Maßnahmen:

   a) das gasförmige Kohlungsmittel wird in gleicher Richtung und Geschwindigkeit mit dem Werkstück durch den Ofen geführt;

   b) die Temperatur wird in der ersten Ofenzone nur so hoch gehalten, daß das Kohlenwasserstoffgas unter Abscheidung von Kohlenstoff auf dem Werkstück zersetzt wird, aber eine nennenswerte Aufkohlung noch nicht eintritt,

   c) die Temperatur wird in der zweiten Ofenzone so weit erhöht, bis die Aufkohlungsbedingungen vorhanden sind, und so lange aufrechterhalten, bis der Kohlenstoff vom Werkstück völlig entfernt ist, no

   d) die gleiche Temperatur wird in der dritten Ofenzone bei neutraler Ofenatmosphäre so lange aufrechterhalten, bis ein genügender Kohlenstoffausgleich zwischen Oberfläche und Kern des Werk-Stückes erfoigt ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdünnungsmittel Stickstoff und als Oxydierungsmittel Kohlendio'xyd, Sauerstoff oder Spuren von Wasserdampf verwendet wird.
3. 3. Einrichtung zur Ausführung des

   Verfahrens nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß .die Wände des Arbeitsraumes aus mit Aluminiurnoxyd überzogenem Eisen oder Stahl oder einer nickelfreien Chromeisenlegierung bestehen.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdünnungsund gegebenenfalls Oxydierungsmittel nicht vollkommen getrocknete Verbrennungsgase benutzt werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von durch vollkommene Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs gewonnenen Verbrennungsgasen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen