Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke

Abstract

 Ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke besteht aus folgenden Verfahrensschritten:

a) Erwärmen der Werkstücke auf eine bestimmte Temperatur () in einer Stickstoff und einen Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase (A), wobei die Zufuhr der Mengen an Stickstoff (V̇_N2 ) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in die Gasatmosphäre derart geregelt wird, dass sich auf den Werkstücken eine Randschicht mit einem Kohlenstoffgehalt (w_c) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bildet;

b) Halten der Werkstücke auf der am Ende der Aufheizphase (A) erreichten Temperatur () für eine bestimmte Zeitdauer während einer sich anschließenden Ausgleichsphase (B), wobei durch die der Gasatmosphäre zugeführten Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) der Kohlenstoffgehalt (w_c) der Randschicht weiterhin innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt;

c) Variieren der Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in der Gasatmosphäre während einer sich an die Ausgleichsphase (B) anschließenden Anreicherungsphase (C) und einer hierauf folgenden Diffusionsphase (D), wobei jeweils zunächst in einem ersten Abschnitt zum Erreichen einer vorgegebenen Obergrenze (G_o) des Kohlenstoffgehalts (w_c) der Randschicht der Anteil an Stickstoff (V̇_N2) reduziert und der Anteil an Kohlenwasserstoff (V_C2H2) erhöht wird und nachfolgend in einem zweiten Abschnitt zum Erreichen einer vorgegebenen Untergrenze (G_u) des Kohlenstoffgehalts (w_c) der Randschicht der Anteil an Stickstoff (V̇_N2 ) erhöht und der Anteil an Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) reduziert wird;

d) Abkühlen der Werkstücke auf Raumtemperatur während einer sich an die Diffusionsphase (D) anschließenden Abkühlungsphase (E).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum Aufkohlen oder Carbonitrieren von Eisenwerkstoffen. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung, mit der sich ein solches Verfahren durchführen lässt.

[0002] Zum Erzeugen von definierten Werkstückeigenschaften, wie etwa einer hohen Verschleiß- oder Wechselfestigkeit, werden metallische Werkstücke einer thermochemischen Wärmebehandlung unterzogen. Das Ergebnis der Wärmebehandlung ist beim Aufkohlen oder Carbonitrieren die Anreicherung der Randschicht der Werkstücke mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff, um aufgrund der veränderten Werkstoffzusammensetzung den Werkstücken nach einem anschließenden Härten die geforderten mechanischen Eigenschaften zu verleihen.

[0003] Von besonderem Einfluss auf das Behandlungsergebnis ist neben den allgemeinen Prozessparametern Druck, Temperatur und Behandlungsdauer in erster Linie die Zusammensetzung einer die Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff bewirkenden Gasatmosphäre. So kann es etwa erforderlich sein, der Gasatmosphäre ein Reduktionsmittel beizugeben, um eine unzulässig hohe Oxidation der Oberfläche der Werkstücke durch den sich beim Beladen der Werkstücke in einen Wärmebehandlungsofen aufgrund des unvermeidlichen Lufteintritts bemerkbar machenden Sauerstoff zu vermeiden.

[0004] Im Stand der Technik sind darüber hinaus eine Reihe von Verfahrensweisen bekannt, um die Zusammensetzung der Gasatmosphäre in Hinsicht auf das angestrebte Behandlungsergebnis anzupassen. Die Gasatmosphäre ist dabei in Abhängigkeit von der Aufkohlungstemperatur in ihrer Aufkohlungswirkung an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Eine übliche Verfahrensweise ist das sogenannte Sättigungs-Ausgleichs-Verfahren, bei dem während einer Anreicherungsphase die maximal mögliche Kohlenstoffmenge in der Gasatmosphäre bereitgestellt wird, um eine Sättigung der Randschicht mit Kohlenstoff in kurzer Zeit zu erreichen. Zum Erhalt des gewünschten Kohlenstoffgehalts in der Randschicht wird dann während einer sich anschließenden Diffusionsphase der Stoffaustausch mit der Gasatmosphäre eingeschränkt oder unterbunden, indem entweder eine Gasatmosphäre mit herabgesetztem Kohlenstoffangebot eingestellt oder die Gasatmosphäre evakuiert beziehungsweise gegen ein Inertgas ausgetauscht wird.

[0005] Ein hierauf basierendes Verfahren offenbart die DE-A-31 39 622, wobei die Anreicherungsphase dabei durch unterschiedliche Regelung des Kohlenstoffpegels der Gasatmosphäre in eine erste und eine zweite Periode unterteilt ist. Während der ersten Periode wird das maximal mögliche Kohlenstoffpotentialgefälle zwischen Gasatmosphäre und der Randschicht zur Beschleunigung des Stoffübergangs und damit der Diffusion ausgenutzt. Mit Beginn der zweiten Periode wird das Kohlenstoffpotentialgefälle zur Vermeidung einer schädlichen Carbidbildung verringert und der Kohlenstoffpegel der Gasatmosphäre soweit abgesenkt, dass während der weiteren Diffusionsphase eine vorbestimmte Grenze des Kohlenstoffgehaltes der Randschicht nicht überschritten wird.

[0006] Überdies ist aus der EP-A-0 080 124 ein Verfahren zum Einsatzhärten metallischer Werkstücke bekannt, bei dem durch pulsierende Zugabe kohlenstoffhaltiger Gaskomponenten ein hohes Kohlenstoffpotentialgefälle erreicht wird. Die Zufuhr des kohlenstoffhaltigen Gases findet dabei in mehreren Zyklen statt und wird jeweils unterbrochen, sobald in der Randschicht eine Sättigung mit Kohlenstoff erreicht ist. Daneben offenbart die GB-A-2 202 238 ein Verfahren zum Aufkohlen von Werkstücken, bei dem sich die Anreicherungsphase und die Diffusionsphase bis zum Erreichen einer angestrebten Aufkohlungstiefe periodisch abwechseln, um den gewünschten Kohlenstoffgehalt der Randschicht und die angestrebte Aufkohlungstiefe weitgehend unabhängig voneinander und in möglichst kurzer Zeit zu erreichen.

[0007] Nachteilig bei all diesen Verfahren ist ein nicht immer befriedigendes Behandlungsergebnis. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass während einer sich an die Anreicherungsphase anschließenden Diffusionsphase oder Temperaturausgleichsphase keine unmittelbare Einflussnahme mehr auf den Kohlenstoffgehalt der Randschicht besteht. Dieser Umstand kommt in besonderem Maße dann zum Tragen, wenn sich geringe Anteile an Kohlendioxid oder Wasserdampf in der Gasatmosphäre befinden, die zum Beispiel aufgrund eines Lufteintritts an Leckstellen eines Wärmebehandlungsofens gebildet werden und die einen verstärkten Abbau des Kohlenstoffs in der Randschicht hervorrufen. Darüber hinaus enthalten die zur Regelung des Kohlenstoffpegels während der Anreicherungsphase eingesetzten Prozessgase erhebliche Anteile an sauerstoffhaltigen Komponenten, wie etwa Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Wasserdampf, die aufgrund des Partialdruckes von Sauerstoff im äußeren Randbereich der aufgekohlten Randschicht eine unerwünschten Randoxidation verursachen.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke zu schaffen, mit denen sich bei Vermeidung einer Carbidbildung auf der Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke auf vergleichsweise einfache Weise ein verbessertes Behandlungsergebnis erzielen lässt.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum Aufkohlen oder Carbonitrieren von Eisenwerkstoffen, gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) Erwärmen der Werkstücke auf eine bestimmte Temperatur in einer Stickstoff und einen Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase, wobei die Zufuhr der Mengen an Stickstoff und Kohlenwasserstoff in die Gasatmosphäre derart geregelt wird, dass sich auf den Werkstücken eine Randschicht mit einem Kohlenstoffgehalt innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bildet;

b) Halten der Werkstücke auf der am Ende der Aufheizphase erreichten Temperatur für eine bestimmte Zeitdauer während einer sich anschließenden Ausgleichsphase, wobei durch die mit der Gasatmosphäre zugeführten Mengen an Stickstoff und Kohlenwasserstoff der Kohlenstoffgehalt der Randschicht weiterhin innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt;

c) Variieren der Mengen an Stickstoff und Kohlenwasserstoff in der Gasatmosphäre während einer sich an die Ausgleichsphase anschließenden Anreicherungsphase und einer hierauf folgenden Diffusionsphase, wobei jeweils zunächst in einem ersten Abschnitt zum Erreichen einer vorgegebenen Obergrenze des Kohlenstoffgehalts der Randschicht der Anteil an Stickstoff reduziert und der Anteil an Kohlenwasserstoff erhöht wird und nachfolgend in einem zweiten Abschnitt zum Erreichen einer vorgegebenen Untergrenze des Kohlenstoffgehalts der Randschicht der Anteil an Stickstoff erhöht und der Anteil an Kohlenwasserstoff reduziert wird;

d) Abkühlen der Werkstücke auf Raumtemperatur während einer sich an die Diffusionsphase anschließenden Abkühlungsphase.

[0010] Ein solches Verfahren macht sich die Erkenntnis zu Eigen, dass sich ein verbessertes Behandlungsergebnis der Werkstücke dann erreichen lässt, wenn sowohl während der Anreicherungsphase als auch während der Diffusionsphase der Kohlenstoffgehalt der Randschicht durch Variieren der der Gasatmosphäre zugeführten Volumenströme an Stickstoff und Kohlenwasserstoff gezielt in einem vorgegebenen Intervall zwischen einer Untergrenze und einer Obergrenze eingestellt wird. Indem jeweils zunächst in einem ersten Abschnitt der Anteil an Stickstoff reduziert und der Anteil an Kohlenwasserstoff erhöht wird, ergibt sich ein hohes Kohlenstoffangebot in der Gasatmosphäre, das in verhältnismäßig kurzer Zeit den Kohlenstoffgehalt der Randschicht bis zu der vorgegebenen Obergrenze anreichert. Durch die nachfolgende Erhöhung des Anteils an Stickstoff und Reduzierung des Anteils an Kohlenwasserstoff in einem zweiten Abschnitt verringert sich das Kohlenstoffpotentialgefälle zwischen Gasatmosphäre und der Randschicht mit der Folge, dass der Kohlenstoffgehalt der Randschicht infolge der Diffusion des Kohlenstoffs in das Innere der Werkstücke auf die vorgegebene Untergrenze absinkt. Auf diese Weise lässt sich ein hinsichtlich der Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke optimiertes Kohlenstoffangebot in der Gasatmosphäre bereitstellen, während es zugleich möglich ist, eine unerwünschte Carbid- oder Rußbildung auf der Oberfläche der Werkstücke zu vermeiden.

[0011] Die Temperatur, auf die in der Aufheizphase erwärmt wird, die Zeitdauer, für welche die Werkstücke auf dieser Temperatur während der Ausgleichsphase gehalten werden, die Temperaturen, die in der Anreicherungsphase und der Diffusionsphase eingestellt werden, und die in den jeweiligen Verfahrensstadien zugeführten Mengen an Stickstoff und Kohlenstoff richten sich vor allem nach dem Werkstoff der zu behandelnden Werkstücke, der zum Erreichen des angestrebten Kohlenstoffgehalts der Randschicht erforderlichen spezifischen Zusammensetzung der Gasatmosphäre und dem angestrebten Behandlungserfolg, etwa der gewünschten Aufkohlungstiefe. Da die Prozessparameter von den Werkstoffeigenschaften der zu behandelnden Werkstücke abhängen, lassen sich aus allgemein zugänglichen Datenbanken, wie etwa der Calphad (Calculation of phase diagrams), Stockholm, die für eine bestimmte Stahlzusammensetzung notwendigen Parameterwerte in Hinsicht auf den angestrebten Kohlenstoffgehalt in der Randschicht entnehmen.

[0012] Besonders vorteilhaft ist es, durch eine abwechselnde Wiederholung der ersten und zweiten Abschnitte während der Anreicherungsphase und/oder der Diffusionsphase die Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff entsprechend dem von dem jeweiligen Werkstoff abhängenden Aufnahmevermögen der Werkstücke anzupassen. In Hinsicht auf die beim Carbonitrieren erforderliche Freisetzung von diffusionsfähigem Stickstoff kann es zudem von Vorteil sein, während der Anreicherungsphase und/oder der Diffusionsphase der Gasatmosphäre Ammoniak, vorzugsweise in einer Größenordnung von 2 Vol.-% bis 20 Vol.-% der Gesamtbegasungsrate, zuzusetzen. Als vorteilhaft hat sich ferner herausgestellt, die Mengen an Stickstoff und Kohlenwasserstoff in der Gasatmosphäre während der Anreicherungsphase und der Diffusionsphase derart zu variieren, dass die Untergrenze des Kohlenstoffgehalts der Randschicht zwischen 0,5 Gew.-% und 0,8 Gew.-% liegt. Bei solch einem Kohlenstoffgehalt der Randschicht ist der Anteil an Stickstoff in der Gasatmosphäre noch ausreichend hoch, um eine sichere Wärmebehandlung zu gewährleisten.

[0013] Um eine unerwünschte Carbid- oder Rußbildung auf der Oberfläche der Werkstücke definitiv auszuschließen, werden die Mengen an Stickstoff und Kohlenwasserstoff in der Gasatmosphäre während der Anreicherungsphase und/oder der Diffusionsphase vorteilhafterweise derart variiert, dass die Obergrenze des Kohlenstoffgehalts der Randschicht geringfügig unterhalb der durch eine bei der jeweils herrschenden Temperatur auftretenden Carbidbildung gekennzeichneten Sättigung von Austenit liegt. Die Obergrenze des Kohlenstoffgehalts der Randschicht kann dabei während der Diffusionsphase so gewählt werden, dass sie den Erfordernissen eines in der nachfolgenden Abkühlungsphase stattfindenden Härteprozesses entspricht.

[0014] Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ist außerdem dann gegeben, wenn die Werkstücke während der Aufheizphase auf eine für ein Aufkohlen oder Carbonitrieren günstige Temperatur zwischen 750°C und 1050°C erwärmt werden. Von besonderem Vorteil ist zudem ein Kohlenstoffgehalt der Randschicht während der Aufheizphase im Bereich zwischen 0,2 Gew.-% und 0,5 Gew.-%. Möglicherweise auf den Werkstücken vorhandene Oxid- oder Passivschichten werden auf diese Weise beseitigt oder zumindest so umgewandelt, dass eine gleichmäßige Diffusion des Kohlenstoffs in den Werkstoff begünstigt wird. Zu diesem Zweck ist es überdies nützlich, die Werkstücke während der Ausgleichsphase für eine Zeitdauer von 0,1 h bis 1 h auf der am Ende der Aufheizphase erreichten Temperatur zu halten. Im Hinblick auf eine dem angestrebten Behandlungserfolg entsprechende Verfahrensführung kann außerdem eine bezüglich der Anreicherungsphase reduzierte Temperatur während der Diffusionsphase zweckdienlich sein.

[0015] Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ist ferner dann gegeben, wenn ungesättigte Kohlenwasserstoffe des Typs C_nH_2n, vorzugsweise Alkene wie etwa Ethylen (C₂H₄) und Propylen (C₃H₆), gesättigte Kohlenwasserstoffe des Typs C_nH_2n+2, vorzugsweise Alkane wie etwa Ethan (C₂H₆) und Propan (C₃H₈), oder Alkine wie etwa Acetylen (C₂H₂) der Gasatmosphäre beigegeben werden. Vornehmlich Alkine, die sich durch einen geringen Anteil an Wasserstoff auszeichnen, bieten den Vorteil, dass keine weiteren Spaltprodukte erzeugt werden und der Anteil an Wasserstoff in der Gasatmosphäre dementsprechend gering bleibt. Um bei gegebenenfalls in der Gasatmosphäre vorhandenem Sauerstoff, der beispielsweise von einem Lufteintritt an Leckstellen eines Wärmebehandlungsofens herrührt, einen reduzierenden und damit eine Oxidation der zu behandelnden Werkstücke vermeidenden Zustand der Gasatmosphäre zu erhalten, wird in vorteilhafter Weise ein Reduktionsmittel, vorzugsweise Wasserstoff, der Gasatmosphäre in konstanter oder variabler Menge beigegeben. Der Zeitpunkt und die Menge der Zufuhr an Reduktionsmittel richten sich dabei nach den jeweils vorhandenen Umständen.

[0016] In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Zufuhr der Mengen an Stickstoff und Kohlenwasserstoff in die Gasatmosphäre in Abhängigkeit von einem den Kohlenstoffgehalt in der Randschicht repräsentierenden Kennwert, vorzugsweise der Kohlungskennzahl K_c, geregelt oder datenbankbezogen gesteuert. Die datenbankbezogene Steuerung ist dann von Vorteil, wenn ein den Kohlenstoffgehalt in der Randschicht repräsentierender Kennwert etwa aufgrund messtechnischer Schwierigkeiten nicht zur Verfügung steht. Die Regelung der Zufuhr in Abhängigkeit von einem den Kohlenstoffgehalt in der Randschicht repräsentierenden Kennwert hingegen ermöglicht eine genaue Einstellung des angestrebten Kohlenstoffgehalts der Randschicht, und zwar ohne dass es in besonderem Maße auf die jeweilige Größe der Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke ankommt. Die über den Kohlenstoffgehalt in der Randschicht Aufschluss gebende Kohlungskennzahl K_c wird beispielsweise durch den Quotienten des Partialdrucks von Methan (p_CH4) und des Quadrats des Partialdrucks von Wasserstoff (p_H2²) errechnet (K_C = p_CH4 / p_H2²).

[0017] Zweckmäßigerweise werden die Werkstücke während der Abkühlungsphase in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium auf Raumtemperatur abgekühlt.

[0018] Zur Lösung der obigen Aufgabe wird außerdem eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke vorgeschlagen, die eine Heizkammer, in der die Werkstücke erwärmbar und einer Stickstoff und einen Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre aussetzbar sind, aufweist und sich dadurch auszeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Zufuhr der Mengen an Stickstoff und Kohlenwasserstoff in die Gasatmosphäre in Abhängigkeit von einem den Kohlenstoffgehalt in der Randschicht repräsentierenden Kennwert, vorzugsweise der Kohlungskennzahl K_c, regelbar oder datenbankbezogen steuerbar ist. Mit solch einer Vorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in zuverlässiger Weise durchführen.

[0019] In Hinsicht auf ein Carbonitrieren der zu behandelnden Werkstücke sind zweckmäßigerweise zudem Mittel vorgesehen, mit denen die Zufuhr der Menge an Ammoniak regelbar oder datenbankbezogen steuerbar ist.

[0020] In Weiterbildung dieser Vorrichtung wird ferner vorgeschlagen, dass die Heizkammer hermetisch abschließbar ausgebildet ist, um das Eindringen von Luft und damit Sauerstoff in die Gasatmosphäre zu vermeiden. Schließlich wird vorgeschlagen, dass die Heizkammer mit einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, spülbar ist, so dass unabhängig vom Volumen der Heizkammer der Gehalt an Sauerstoff in der Atmosphäre der Heizkammer nach Einbringen der zu behandelnden Werkstücke in vergleichsweise kurzer Zeit auf < 1 Vol.-% reduzierbar und eine unerwünschte Oxidation der zu behandelnden Werkstücke hierdurch vermeidbar ist.

[0021] Einzelheiten und weitere Vorteile der Gegenstände der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles. In der zugehörigen Zeichnung zeigt die einzige Figur:
   Ein den Verlauf von Temperatur, Kohlenstoffgehalt und verschiedener Volumenströme über der Zeit veranschaulichendes Diagramm.

[0022] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm sind auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur ϑ, der sich in der Randschicht zu behandelnder Werkstücke ergebende Kohlenstoffgehalt w_c, und die einer Gasatmosphäre zu diesem Zweck zugeführten Volumenströme an Wasserstoff V̇_H2, Stickstoff V̇_N2, Ammoniak V̇_NH3 und dem Kohlenwasserstoff Acetylen V̇_C2H2 abgetragen. Das in Fig. 1 gezeigte Wärmebehandlungsverfahren dient vornehmlich zum Aufkohlen metallischer Werkstücke, die aus unterschiedlichen Stählen bestehen können. Der gesamte Verfahrensablauf lässt sich in fünf Phasen untergliedern. In einer ersten Phase, der Aufheizphase A, werden die Werkstücke auf eine Aufkohlungstemperatur ϑ von zum Beispiel 930°C erwärmt. Der zu diesem Zweck verwendete Wärmebehandlungsofen, ein Atmosphärenofen, ist nach Einbringen der Werkstücke in kurzer Zeit mit Stickstoff gespült und anschließend mit einer Stickstoff und Acetylen enthaltenden Gasatmosphäre geflutet worden. Die Größe der der Gasatmosphäre zugeführten Volumenströme an Stickstoff V̇_N2 und Acetylen V̇_C2H2 ist derart, dass sich auf den Werkstücken eine Randschicht mit einem Kohlenstoffgehalt w_c von ca. 0,35 Gew.-% einstellt. Die Zufuhr der Mengen an Stickstoff V̇_N2 und Acetylen V̇_C2H2 in die Gasatmosphäre wird dabei in Abhängigkeit von einem den Kohlenstoffgehalt w_c in der Randschicht repräsentierenden Kennwert geregelt, der durch ein Messgerät ermittelt wird. Als Messgerät dient ein in dem Wärmebehandlungsofen angeordneter Drahtsensor, wie er in dem Aufsatz von K.-H. Weissohn in HTM 49 (1994) 2, Seite 118 bis 122 beschrieben ist. Wie Fig. 1 ferner erkennen lässt, wird der Gasatmosphäre während der Aufheizphase A zudem ein konstanter Volumenstrom an Wasserstoff V̇_H2 von ca. 0,3 m³/h zugeführt, um die Gasatmosphäre in einen ausreichend reduzierenden Zustand zu versetzen.

[0023] Während einer auf die Aufheizphase A folgenden Ausgleichsphase B werden die Werkstücke auf der am Ende der Aufheizphase A erreichten Temperatur ϑ von ca. 930 °C für ca. 20 min gehalten. Die dabei in die Gasatmosphäre zugeführten Mengen an Stickstoff V̇_N2 und Acetylen V̇_C2H2 werden weiterhin so geregelt, dass sich ein Kohlenstoffgehalt w_c in der Randschicht der Werkstücke von ca. 0,35 Gew.-% ergibt. Der Volumenstrom an Wasserstoff V̇_H2 wird hingegen auf einen Wert von weniger als 0,2 m³/h verringert.

[0024] In einer sich an die Ausgleichsphase B anschießenden Anreicherungsphase C werden die der Gasatmosphäre zugeführten Volumenströme an Stickstoff V̇_N2 und Acetylen V̇_C2H2 derart variiert, dass sich ein Kohlenstoffgehalt w_c der Randschicht in einem Intervall zwischen einer Untergrenze G_u von ca. 0,7 Gew.-% und einer Obergrenze G_o von ca. 1,2 Gew.-% einstellt. Bei der in der Anreicherungsphase C fortgesetzt herrschenden Temperatur ϑ von ca. 930 °C liegt die Obergrenze G_o von ca. 1,2 Gew.-% unterhalb der für unlegierte Einsatzstähle durch eine auftretende Carbid- und Rußbildung gekennzeichneten Sättigungsgrenze von Austenit. Um zunächst die Obergrenze G_o zu erreichen, wird in einem ersten Abschnitt der Volumenstrom an Stickstoff V̇_N2 reduziert und der Volumenstrom an Acetylen V̇_C2H2 erhöht. Sobald der Kohlenstoffgehalt w_c die Obergrenze G_o erreicht hat, wird zum Erreichen der Untergrenze G_u in einem zweiten Abschnitt der Volumenstrom an Stickstoff V̇_N2 wieder erhöht, wohingegen der Volumenstrom an Acetylen V̇_C2H2 reduziert wird. Die ersten und zweiten Abschnitte werden innerhalb der Anreicherungsphase C abwechselnd wiederholt, wodurch eine Anpassung der Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff entsprechend dem von dem jeweiligen Werkstoff abhängenden Aufnahmevermögen der Werkstücke erreicht wird. Zu diesem Zweck ist zudem die Dauer und damit die jeweilige Größe der Volumenströme an Stickstoff V̇_N2 und Acetylen V̇_C2H2 während den ersten und zweiten Abschnitten ungleichmäßig, wie den unterschiedlich steilen Flanken der Kurve des Kohlenstoffgehalts w_c in Fig. 1 zu entnehmen ist. Der anlagen- und prozessangepasste Volumenstrom an Wasserstoff V̇_H2 wird während der Anreicherungsphase C auf ca. 0,2 m³/h erhöht.

[0025] Auf die Anreicherungsphase C folgt eine Diffusionsphase D, bei der die Temperatur ϑ auf ca. 880°C verringert wird. In Hinsicht auf einen nachfolgenden Härteprozess wird die Obergrenze G_o auf ca. 0,8 Gew.-% herabgesetzt. Entsprechend der Vorgehensweise während der Anreicherungsphase C wird das thermodynamische Gleichgewicht zwischen der Gasatmosphäre und der Randschicht der zu behandelnden Werkstücke durch Variieren der der Gasatmosphäre zugeführten Volumenströme an Stickstoff V̇_N2 und Acetylen V̇_C2H2 in ersten und zweiten Abschnitten derart eingestellt, dass der Kohlenstoffgehalt w_c der Randschicht im Intervall zwischen der Untergrenze G_u von ca. 0,7 Gew.-% und der Obergrenze G_o von ca. 0,8 Gew.-% liegt. Der anlagen- und prozessangepasste Volumenstrom an Wasserstoff V̇_H2 wird während der Diffusionsphase D erneut auf einen Wert unterhalb von 0,2 m³/h vermindert. Schließlich werden die Werkstücke während einer der Diffusionsphase D nachfolgenden Abkühlungsphase E auf Raumtemperatur abgekühlt.

[0026] Findet anstelle eines reinen Aufkohlungsprozesses ein Carbonitrieren statt, kann - wie in Fig. 1 ersichtlich - der Gasatmosphäre während der Anreicherungsphase C und der Diffusionsphase D zusätzlich Ammoniak V̇_NH3 zugeführt werden, wobei sich die Menge an zugeführtem Ammoniak V̇_NH3 in einer Größenordnung von 2 Vol.-% bis 20 Vol.-% der Gesamtbegasungsrate bewegt.

[0027] Das zuvor beschriebene Verfahren zeichnet sich durch die volumenstrommäßige Regelung der der Gasatmosphäre zugeführten Mengen an Stickstoff V̇_N2 und Acetylen V̇_C2H2 in den einzelnen Verfahrensstadien aus, wodurch ein im Vergleich mit herkömmlichen Aufkohlungsverfahren verbessertes Behandlungsergebnis erzielt wird. Ursächlich hierfür ist vor allem, dass das Kohlenstoffangebot in der Gasatmosphäre auf diese Weise entsprechend dem Werkstoff und der Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke und damit dem Aufnahmevermögen der Randschicht anpassbar ist. Nicht zuletzt trägt zu diesem Ergebnis in besonderem Maße auch die Möglichkeit bei, abwechselnde erste und zweite Abschnitte unterschiedlicher Kohlenstoffgehalte w_c während der Anreicherungsphase C und der Diffusionsphase D vorzusehen.

[0028] Bezugszeichenliste

A

Aufheizphase

B

Ausgleichsphase

C

Anreicherungsphase

D

Diffusionsphase

E

Abkühlungsphase

t

Zeit

ϑ

Temperatur

w_c

Kohlenstoffgehalt

G_o

Obergrenze Kohlenstoffgehalt

G_u

Untergrenze Kohlenstoffgehalt

V̇_C2H2

Volumenstrom Acetylen

V̇_N2

Volumenstrom Stickstoff

V̇_H2

Volumenstrom Wasserstoff

V̇_NH3

Volumenstrom Ammoniak

Ansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum Aufkohlen oder Carbonitrieren von Eisenwerkstoffen, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten:

a) Erwärmen der Werkstücke auf eine bestimmte Temperatur (ϑ) in einer Stickstoff und einen Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase (A), wobei die Zufuhr der Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in die Gasatmosphäre derart geregelt wird, dass sich auf den Werkstücken eine Randschicht mit einem Kohlenstoffgehalt (w_c) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bildet;

b) Halten der Werkstücke auf der am Ende der Aufheizphase (A) erreichten Temperatur (ϑ) für eine bestimmte Zeitdauer während einer sich anschließenden Ausgleichsphase (B), wobei durch die mit der Gasatmosphäre zugeführten Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) der Kohlenstoffgehalt (w_c) der Randschicht weiterhin innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt;

c) Variieren der Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in der Gasatmosphäre während einer sich an die Ausgleichsphase (B) anschließenden Anreicherungsphase (C) und einer hierauf folgenden Diffusionsphase (D), wobei jeweils zunächst in einem ersten Abschnitt zum Erreichen einer vorgegebenen Obergrenze (G_o) des Kohlenstoffgehalts (w_c) der Randschicht der Anteil an Stickstoff (V̇_N2) reduziert und der Anteil an Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) erhöht wird und nachfolgend in einem zweiten Abschnitt zum Erreichen einer vorgegebenen Untergrenze (G_u) des Kohlenstoffgehalts (w_c) der Randschicht der Anteil an Stickstoff (V̇_N2) erhöht und der Anteil an Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) reduziert wird;

d) Abkühlen der Werkstücke auf Raumtemperatur während einer sich an die Diffusionsphase (D) anschließenden Abkühlungsphase (E).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine abwechselnde Wiederholung der ersten und zweiten Abschnitte während der Anreicherungsphase (C) und/oder der Diffusionsphase (D).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Anreicherungsphase (C) und/oder der Diffusionsphase (D) der Gasatmosphäre Ammoniak (V̇_NH3), vorzugsweise in einer Größenordnung von 2 Vol.-% bis 20 Vol.-% der Gesamtbegasungsrate, zugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in der Gasatmosphäre während der Anreicherungsphase (C) und der Diffusionsphase (D) derart variiert werden, dass die Untergrenze (G_u) des Kohlenstoffgehalts (w_c) der Randschicht zwischen 0,5 Gew.-% und 0,8 Gew.- % liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in der Gasatmosphäre während der Anreicherungsphase (C) derart variiert werden, dass die Obergrenze (G_o) des Kohlenstoffgehalts (w_c) der Randschicht geringfügig unterhalb der durch eine bei der jeweils herrschenden Temperatur (ϑ) auftretenden Carbidbildung gekennzeichneten Sättigung von Austenit liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke während der Aufheizphase (A) auf eine Temperatur (ϑ) zwischen 750°C und 1050°C erwärmt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Kohlenstoffgehalt (w_c) der Randschicht während der Aufheizphase (A) im Bereich zwischen 0,2 Gew.-% und 0,5 Gew.-%.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke während der Ausgleichsphase (B) für eine Zeitdauer von 0,1 h bis 1 h auf der am Ende der Aufheizphase (A) erreichten Temperatur (ϑ) gehalten werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine bezüglich der Anreicherungsphase (C) reduzierte Temperatur (ϑ) während der Diffusionsphase (D).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ungesättigte Kohlenwasserstoffe des Typs C_nH_2n, vorzugsweise Alkene wie etwa Ethylen (C₂H₄) und Propylen (C₃H₆), gesättigte Kohlenwasserstoffe des Typs C_nH_2n+2, vorzugsweise Alkane wie etwa Ethan (C₂H₆) und Propan (C₃H₈), oder Alkine wie etwa Acetylen (C₂H₂) der Gasatmosphäre beigegeben werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduktionsmittel, vorzugsweise Wasserstoff (V̇_H2), der Gasatmosphäre in konstanter oder variabler Menge beigegeben wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in die Gasatmosphäre in Abhängigkeit von einem den Kohlenstoffgehalt (w_c) in der Randschicht repräsentierenden Kennwert, vorzugsweise der Kohlungskennzahl K_c, geregelt oder datenbankbezogen gesteuert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke während der Abkühlungsphase (E) in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

14. Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einer Heizkammer, in der die Werkstücke erwärmbar und einer Stickstoff und einen Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre aussetzbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Zufuhr der Mengen an Stickstoff (V̇_N2) und Kohlenwasserstoff (V̇_C2H2) in die Gasatmosphäre in Abhängigkeit von einem den Kohlenstoffgehalt (w_c) in der Randschicht repräsentierenden Kennwert, vorzugsweise der Kohlungskennzahl K_c, regelbar oder datenbankbezogen steuerbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Zufuhr der Menge an Ammoniak (V̇_NH3) regelbar oder datenbankbezogen steuerbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer hermetisch abschließbar ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer mit einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, spülbar ist.

Zeichnung