VERFAHREN ZUR NITROCARBURIERUNG METALLISCHER WERKSTÜCKE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln metallischer Werkstücke in einem Ofenraum, insbesondere zum Nitrocarburieren, wobei die Werkstücke während mindestens einer Behandlungsphase einer Behandlungsatmosphäre bei einer Behandlungstemperatur ausgesetzt sind, wobei Stickstoff und Kohlenstoff in die Werkstücke diffundieren.

[0002] Das Nitrocarburieren ist ein Wärmebehandlungsverfahren zum Randschichthärten von Werkstücken aus Stahl, bei dem die Werkstücke in einem Ofenraum eines Industrieofens in einer Aufheizphase aufgeheizt und während einer Haltephase bei einer Behandlungstemperatur von ca. 500°C bis 600°C einer Behandlungsatmosphäre ausgesetzt sind, wobei Stickstoff- und Kohlenstoffatome in die Randschicht der Werkstücke eindiffundieren. Anschließend folgt eine Abkühlphase. Es entstehen im Randbereich der Werkstücke eine Verbindungsschicht und eine Diffusionsschicht. Beim Nitrocarburieren steht die Ausbildung der Verbindungsschicht im Vordergrund. Die beiden Schichten sind relativ dünn. Ziel dieses thermochemischen Verfahrens ist es, die Verschleißfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere von unlegierten, niedrig bis mittellegierten Stählen zu verbessern.

[0003] Eine in der Praxis übliche Behandlungsatmosphäre zum Gasnitrocarburieren von metallischen Werkstücken oder Bauteilen ist ein Gasgemisch aus Kohlenstoffdioxid (CO₂), Ammoniak (NH₃) Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂). Dabei dient das CO₂ als Kohlenstoffspender und das NH₃ als Stickstoffspender.

[0004] Die Behandlungsatmosphäre wird in der Praxis in dem Ofenraum des Industrieofens erzeugt. Dazu wird gasförmiges Ammoniak (NH₃), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂) direkt in den Ofenraum eingespeist. In bestimmten Fällen erfolgt aus regelungstechnischen Gründen zusätzlich eine Einspeisung von Wasserstoff (H₂).

[0005] Zum Einbringen von Stickstoff und Kohlenstoff durch Diffusion in den Randbereich von Werkstücken aus Stahl bzw. von Stahlbauteilen müssen der Stickstoff und der Kohlenstoff in atomarer Form vorliegen. Die Erzeugung von atomarem Stickstoff erfolgt unter vorbestimmten Temperatur- und Druckbedingungen durch Spaltung von Ammoniak im Ofenraum.

[0006] Ammoniak (NH₃) ist in gasförmiger Form ein stark unangenehm riechendes, reizendes und giftiges Gas, welches zu Reizungen, Vergiftungen und Erstickungen führen kann. Die Arbeitssicherheit während der Wärmebehandlung ist daher verbesserungsbedürftig. Zudem ist Ammoniak relativ teuer, so dass die Wärmebehandlungskosten hoch sind.

[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, ein Verfahren zum Wärmebehandeln metallischer Werkstücke, insbesondere zum Nitrocarburieren, dahingehend zu verbessern, dass die vorgenannten Problematiken vermieden werden.

[0008] Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird die Behandlungsatmosphäre aus Harnstoff bzw. Kohlensäurediamid (CH₄N₂O) und Wasser (H₂O) erzeugt. Harnstoff, mit der chemische Summenformel CH₄N₂O, hat eine Molmasse von 60,06 g/mol und ist wasserlöslich. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Harnstoff Kohlenstoff und Stickstoff enthält und somit beide für das Nitrocarburieren notwendige Reaktionspartner C und N liefert. Harnstoff ist im Gegensatz zu Ammoniak ungiftig und relativ preisgünstig. Durch Thermolyse im Ofenraum bei Behandlungstemperaturen von 500°C bis 600°C zerfällt der Harnstoff in Ammoniak (NH₃) und Isocyansäure (HNCO). Diese wiederum reagiert mit Wasser (Molmasse 18,015 g/mol) durch Hydrolyse zu Ammoniak (NH₃) und Kohlenstoffdioxid (CO₂).

[0009] Die ablaufenden Reaktionen sind:

         CH₄N₂O → NH₃ + HNCO

         HNCO + H₂O → NH₃ + CO₂

         CH₄N₂O + H₂O → 2NH₃ + CO₂

[0010] Harnstoff (CH₄N₂O) erzeugt in Verbindung mit einer dosierten Zugabe von Wasser (H₂O) idealerweise eine Behandlungsatmosphäre aus 66 % Ammoniak (NH₃) und 33 % Kohlenstoffdioxid (CO₂). Damit ist Harnstoff in Kombination mit Wasser zum Nitrocarburieren ideal verwendbar. Das CO₂ dient während der Wärmebehandlung als Kohlenstoffspender und das NH₃ als Stickstoffspender.

[0011] Vorzugsweise beträgt das molare Verhältnis von Harnstoff (CH₄N₂O) zu Wasser (H₂O) etwa 1 zu 1.

[0012] Eine bevorzugte Ausführungsvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (CH₄N₂O) und das Wasser (H₂O) unmittelbar in den Ofenraum eingespeist werden und die Behandlungsatmosphäre direkt in dem Ofenraum erzeugt wird.

[0013] Vorzugsweise wird das Wasser (H₂O) in flüssiger Form in den Ofenraum eingespeist. Es ist aber auch möglich, das Wasser (H₂O) in dampfförmiger Form in den Ofenraum einzuspeisen.

[0014] Im Rahmen der Erfindung kann der Harnstoff (CH₄N₂O) in fester Form in den Ofenraum eingebracht werden. Alternativ ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (CH₄N₂O) in dem Wasser (H₂O) gelöst und der Harnstoff (CH₄N₂O) in Form einer wässrigen Lösung in den Ofenraum eingespeist, vorzugsweise eingesprüht, wird.

[0015] Je nach Anforderung kann in den Ofenraum Harnstoff (CH₄N₂O) in Form einer wässrigen Lösung und zusätzlich Harnstoff (CH₄N₂O) in fester Form eingebracht werden, um die Zusammensetzung der Behandlungsatmosphäre zu verändern.

[0016] Eine Verfahrensvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (CH₄N₂O) und das Wasser (H₂O) in einen Vorspalter eingespeist werden, der auf eine Temperatur von mindestens 130°C, vorzugsweise mindestens 140°C, beheizt ist, dass die Behandlungsatmosphäre in dem Vorspalter erzeugt wird und dass die Behandlungsatmosphäre von dem Vorspalter in den Ofenraum geleitet wird. In dem Vorspalter wird durch chemische Reaktion die gewünschte gasförmige Behandlungsatmosphäre erzeugt. Beim Erhitzen über den Schmelzpunkt von 406 K zerfällt Harnstoff (CH₄N₂O) in Isocyansäure (HNCO) und Ammoniak (NH₃).

[0017] Die Kohlenstoffverfügbarkeit der Behandlungsatmosphäre kann mittels Zugabe eines kohlenstoffhaltigen Zusatzgases erhöht werden. Als Zusatzgas kann beispielsweise Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Propan verwendet werden.

[0018] Vorzugsweise werden die Werkstücke während einer Haltephase bei einer Behandlungstemperatur von 500°C bis 600°C der Behandlungsatmosphäre ausgesetzt. Der Haltephase geht eine Aufheizphase voraus. Ferner schließt sich an die Haltephase eine Abkühlphase an. Am Ende der Wärmebehandlung weisen die Werkstücke eine gesteigerte Oberflächenhärte und eine gute Korrosionsbeständigkeit auf.

[0019] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0020] Beim Nitrocarburieren werden Werkstücke aus Stahl in einem Ofenraum während einer Aufheizphase aufgeheizt und während einer Haltephase bei einer Behandlungstemperatur von 500°C bis 600°C einer gasförmigen Behandlungsatmosphäre ausgesetzt. An die Haltephase schließt sich eine Abkühlphase an. Erfindungsgemäß wird die Behandlungsatmosphäre aus Harnstoff bzw. Kohlensäurediamid (CH₄N₂O) und Wasser (H₂O) direkt im Ofenraum erzeugt. Harnstoff (CH₄N₂O) enthält Kohlenstoff und Stickstoff und somit beide für das Nitrocarburieren notwendigen Reaktionspartner C und N. Der Harnstoff (CH₄N₂O) wird außerhalb des Ofenraums in dem Wasser (H₂O) gelöst und der Harnstoff (CH₄N₂O) in Form einer wässrigen Lösung zu Beginn der Haltephase direkt in den Ofenraum gesprüht. Das molare Verhältnis von Harnstoff (CH₄N₂O) zu Wasser (H₂O) beträgt etwa 1 zu 1. Das molare Verhältnis von Harnstoff (CH₄N₂O) zu Wasser (H₂O) kann auch verändert werden, allerdings nur in einem geringen Maß.

[0021] Bei Behandlungstemperaturen von 500°C bis 600°C im Ofenraum zerfällt der Harnstoff durch Thermolyse in Ammoniak (NH₃) und Isocyansäure (HNCO). Diese wiederum reagiert mit Wasser (Molmasse 18,015 g/mol) durch Hydrolyse zu Ammoniak (NH₃) und Kohlenstoffdioxid (CO₂). Die daraufhin folgende Spaltung des Ammoniaks im Ofenraum nach der Formel

         2NH₃ + CO₂ → 2[N] + 3H₂ + CO₂

ist an sich bekannt und wird daher nicht näher beschrieben.

[0022] Die wässrige Harnstofflösung reagiert im Ofenraum idealerweise zu einer Behandlungsatmosphäre aus 66% Ammoniak (NH₃) und 33 % Kohlenstoffdioxid (CO₂).

[0023] Während der Haltephase diffundieren Stickstoff- und Kohlenstoffatome in den Randbereich der Werkstücke. Es entsteht eine äußere Verbindungsschicht und eine Diffusionsschicht. Beim Nitrocarburieren steht die Ausbildung der Verbindungsschicht im Vordergrund. Die Kohlenstoffatome diffundieren nur in die Verbindungsschicht. Am Ende der Wärmebehandlung weisen die Werkstücke eine gesteigerte Oberflächenhärte und eine gute Korrosionsbeständigkeit auf.

[0024] Je nach Anforderung besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, in den Ofenraum Harnstoff (CH₄N₂O) in Form einer wässrigen Lösung und zusätzlich Harnstoff (CH₄N₂O) in fester Form einzubringen, um die Stickstoffverfügbarkeit der Behandlungsatmosphäre zu erhöhen.

[0025] Im Rahmen der Erfindung kann die Kohlenstoffverfügbarkeit der Behandlungsatmosphäre mittels Zugabe eines kohlenstoffhaltigen Zusatzgases in den Ofenraum erhöht werden.

[0026] Bei einer Verfahrensvariante wird der Harnstoff (CH₄N₂O) und das Wasser (H₂O) in einen Vorspalter eingespeist, der auf eine Temperatur von mindestens 130°C, vorzugsweise mindestens 140°C, beheizt ist. Durch die Temperatureinwirkung entsteht in dem Vorspalter die gasförmige Behandlungsatmosphäre, welche aus dem Vorspalter in den Ofenraum geleitet wird.

Ansprüche

1. Verfahren zum Wärmebehandeln metallischer Werkstücke in einem Ofenraum, insbesondere zum Nitrocarburieren, wobei die Werkstücke während mindestens einer Behandlungsphase einer Behandlungsatmosphäre bei einer Behandlungstemperatur ausgesetzt sind, wobei Stickstoff und Kohlenstoff in die Werkstücke diffundieren,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Behandlungsatmosphäre unter Verwendung von Harnstoff (CH₄N₂O) und Wasser (H₂O) erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von Harnstoff (CH₄N₂O) zu Wasser (H₂O) etwa 1 zu 1 beträgt.

3. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (CH₄N₂O) und das Wasser (H₂O) unmittelbar in den Ofenraum eingespeist werden und die Behandlungsatmosphäre in dem Ofenraum erzeugt wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (H₂O) in flüssiger Form in den Ofenraum eingespeist wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (CH₄N₂O) in fester Form in den Ofenraum eingebracht wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (CH₄N₂O) in dem Wasser (H₂O) gelöst und der Harnstoff (CH₄N₂O) in Form einer wässrigen Lösung in den Ofenraum eingespeist, vorzugsweise eingesprüht, wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Ofenraum Harnstoff (CH₄N₂O) in Form einer wässrigen Lösung und zusätzlich Harnstoff (CH₄N₂O) in fester Form eingebracht wird, um die Stickstoffverfügbarkeit der Behandlungsatmosphäre zu erhöhen.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Harnstoff (CH₄N₂O) und das Wasser (H₂O) in einen Vorspalter eingespeist werden, der auf eine Temperatur von mindestens 130°C, vorzugsweise 140°C, beheizt ist, dass die Behandlungsatmosphäre in dem Vorspalter erzeugt wird und dass die Behandlungsatmosphäre von dem Vorspalter in den Ofenraum geleitet wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffverfügbarkeit der Behandlungsatmosphäre mittels Zugabe eines kohlenstoffhaltigen Zusatzgases erhöht wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke während einer Behandlungssphase in Form einer Haltephase bei einer Behandlungstemperatur von 500°C bis 600°C der Behandlungsatmosphäre ausgesetzt sind und dass der Haltephase eine Aufheizphase vorausgeht und eine Abkühlphase anschließt.