Thermochemische Behandlung von Eisenwerkstoffen im Gas E-Book

• Herausgeber: expert verlag GmbH
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: Reihe Technik
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

In diesem Handbuch werden für die Wärmebehandlungsverfahren Einsatzhärten, Nitrieren und Nitrocarburieren sowohl die theoretischen Grundlagen als auch die industrielle Durchführung eingehend behandelt.In der Abhandlung werden die Grundlagen und die Durchführung der Verfahren der thermochemischen Behandlung im Gas bei Normaldruck und bei Niederdruck sowohl ohne als auch mit Plasmaunterstützung dargestellt. Daran anschließend sind charakteristische physikalische Eigenschaften der zum Herstellen der verschiedenen Ofenatmosphären erforderlichen Gase angegeben.Ein weiterer Teil befasst sich mit der Mess- und Regeltechnik. Die industriell gebräuchlichsten Arten von Öfen werden kurz beschrieben und charakterisiert. Betrachtungen zur Energiebilanz, dem Umweltschutz und der Entsorgung der verbrauchten Hilfsstoffe sowie dem sicheren Betreiben der Wärmebehandlungsanlagen runden den Inhalt des Handbuchs ab.

Leseprobe

AWT-Fachausschuss 4 (Hrsg.)Winfried Gräfen, Franz Hoffmann,Dieter Liedtke, Karl-Helmut Weissohn,Karl-Michael Winter

Thermochemische Behandlung von Eisenwerkstoffen im Gas

Verfahren und Anlagen

2., durchgesehene Auflage

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet überhttp://dnb.dnb.de abrufbar.

2., durchgesehene Auflage 2021

1. Auflage 2014

© 2021 · expert verlag GmbH

Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen

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eMail: [email protected]

CPI books GmbH, Leck

ISBN 978-3-8169-3522-3 (Print)

ISBN 978-3-8169-8522-8 (ePDF)

eISBN 978-3-8169-0046-7

Vorwort zur 2. Auflage

In diesem Handbuch werden für die thermochemischen Verfahren Aufkohlen, Carbonitrieren, Nitrieren und Nitrocarburieren die theoretischen Grundlagen und die industrielle Durchführung eingehend behandelt.

Es entstand in langjähriger Gemeinschaftsarbeit des AWT-Fachausschusses 4 „Einsatzhärten“ aus den Beiträgen verschiedener Mitglieder des Ausschusses. Die Beiträge wurden von einem Redaktionsstab zusammengefasst, intensiv überarbeitet, ergänzt und Texte und Bilder einheitlich gestaltet.

Bei den Grundlagen und der praktischen Durchführung werden die Verfahren bei Normaldruck, sowie bei Niederdruck mit und ohne Plasmaunterstützung, behandelt. Weiterhin werden charakteristische physikalische Eigenschaften der zum Herstellen der verschiedenen Ofenatmosphären erforderlichen Gase aufgeführt.

Die industriell gebräuchlichsten Arten von Öfen und die zugehörige Mess- und Regeltechnik werden beschrieben und den Verfahren zugeordnet. Betrachtungen zur Energiebilanz, dem Umweltschutz und der Entsorgung der verbrauchten Hilfsstoffe, sowie dem sicheren Betreiben der Wärmebehandlungsanlagen, runden den Inhalt des Buchs ab.

Der Themenband richtet sich an den mit dem Planen und Durchführen von Wärmebehandlungen befassten Personenkreis, an Konstruktions-, Entwicklungs- und Fertigungsingenieure aber auch an Studierende und an der Wärmebehandlungspraxis Interessierte.

Bei der Überarbeitung der ersten Auflage aus dem Jahr 2014 wurden die inzwischen erkannten Druckfehler beseitigt, Inhalt und Darstellung des Buchs blieben gleich.

Der Redaktionsstab:

Winfried GräfenFranz HoffmannDieter LiedtkeKarl-Michael Winter

Der an der ersten Auflage im Redaktionsstab mitwirkende Experte für die Regeltechnik von Wärmebehandlungsanlagen, Karl-Helmut Weissohn, ist inzwischen verstorben. Seinem Andenken ist diese zweite Auflage gewidmet.

Im August 2020

AWT-Fachausschuss „Einsatzhärten“

Vorwort zur 1. Auflage

Im vorliegenden Handbuch werden für die Verfahren Einsatzhärten (Aufkohlen, Carbonitrieren), Nitrieren und Nitrocarburieren sowohl die theoretischen Grundlagen als auch die industrielle Durchführung eingehend behandelt.

Das Werk ist aus einer Vielzahl einzelner Beiträge von Mitgliedern des AWT-Fachausschusses 5 „Anlagentechnik“ entstanden, der nach Abschluss der Arbeiten in den Fachausschuss 4 „Einsatzhärten“ integriert wurde. Die ersten Texte reichen bis in das Jahr 1988 zurück. Seit dieser Zeit haben sich sowohl die Verfahrenstechnik, die Anlagentechnik wie auch die Mess- und Regeltechnik deutlich weiterentwickelt. Durch Forschungsvorhaben auf dem Gebiet der Wärmebehandlungstechnik und die Erfahrungen aus der industriellen Praxis konnten das Wissen erweitert, vertieft und neue Erkenntnisse gewonnen werden. Dies floss in die Texte ein, die kontinuierlich diskutiert, bearbeitet und an den sich weiterentwickelnden Stand der Technik angepasst wurden. Die so entstandenen Vorlagen wurden schließlich durch einen Redaktionsstab unter angemessener Berücksichtigung des gegenwärtigen Kenntnisstands intensiv überarbeitet und, wo erforderlich, ergänzt. Dabei wurden die unterschiedlichen Texte und Bilder der verschiedenen Autoren zur besseren Lesbarkeit einheitlicher gestaltet.

In der Abhandlung werden die Grundlagen und die Durchführung der Verfahren der thermochemischen Behandlung im Gas bei Normaldruck und bei Niederdruck sowie ohne als auch mit Plasmaunterstützung dargestellt. Anschließend daran sind charakteristische physikalische Eigenschaften der zum Herstellen der verschiedenen Ofenatmosphären erforderlichen Gase angegeben.

Ein weiterer Teil befasst sich mit der Mess- und Regeltechnik. Die industriell gebräuchlichsten Arten von Öfen werden kurz beschrieben und charakterisiert. Betrachtungen zur Energiebilanz, dem Umweltschutz und der Entsorgung der verbrauchten Hilfsstoffe sowie dem sicheren Betreiben der Wärmebehandlungsanlagen runden den Inhalt des Handbuchs ab.

Der Themenband richtet sich an den mit dem Planen und Durchführen von Wärmebehandlungen befassten Personenkreis, an Konstruktions-, Entwicklungs- und Fertigungsingenieure aber auch an Studierende und an der Wärmebehandlungspraxis Interessierte.

Viele Mitautoren sind inzwischen aus dem aktiven Berufsleben und aus dem Fachausschuss ausgeschieden, neue sind hinzugekommen und haben ebenfalls aktiv mitgearbeitet. Ihnen allen sei an dieser Stelle für ihr Mitwirken gedankt:

Herwig Altena

Ralf Jennes

Karl Ritzka †

Hans Georg Bittner

Alexander Jurmann †

Dieter Roempler

Gottfried Böhm

Jürgen Klix

Hans-Jürgen Rönnecke

Michael Bonhagen

Heinrich Klümper-Westkamp

Richard Seemann

Herbert Boßmann

Ralf Kotz

Hans-Peter Schmidt

Stephan Dorn

Christoph Laumen

Werner Schwan

Hans-Erwin Esser

Wolfgang Lerche

Karl Schweyher †

Jürgen Genz

Dieter Liedtke

Wolfgang Specht

Winfried Gräfen

Michael Lohrmann

Hartmut Steck-Winter

Dieter Grassl

Helmut Mallener

Matthias Steinbacher

Peter Haase

Albrecht Melber

Frank Treptow

Paul Heilmann

Dzo Mikulovic

Werner Trojahn

Erwin Heumüller †

Franz Neumann

Werner Vogel

Franz Hoffmann

Manfred Oswald

Karl-Helmut Weissohn

Rüdiger Hoffmann

Guido Plicht

Karl-Michael Winter

Uwe Huchel

Karl Ritter

Urs Wyss †

Olaf Irretier

Der Redaktionsstab:

Winfried GräfenFranz HoffmannDieter LiedtkeKarl-Helmut WeissohnKarl-Michael Winter

Im Dezember 2013

AWT-Fachausschuss 4 „Einsatzhärten“

Inhalt

Vorwort

1 Grundlagen der Verfahrenstechnik

1.1 Einsatzhärten

1.1.1 Aufkohlen

1.1.1.1 Verfahren

1.1.1.1.1 Die Aufkohlungsreaktionen, ihre Gleichgewichtsbeziehungen und die für das Prozessregeln spezifischen Indikatoren

1.1.1.1.2 Die Kohlenstoffaktivität / C-Aktivität aC

1.1.1.1.3 Der Kohlenstoffpegel / C-Pegel Cp

1.1.1.1.4 Der Legierungsfaktor kL

1.1.1.1.5 Der Kohlenstoff-Übergangskoeffizient – die Kohlenstoff-Übergangszahl β

1.1.1.1.6 Die Kohlenstoffverfügbarkeit

1.1.1.1.7 Die Kohlenstoffdiffusion

1.1.1.1.8 Randoxidation

1.1.1.2 Niederdruckaufkohlen

1.1.1.2.1 Die Reaktionen beim Niederdruckaufkohlen

1.1.1.2.2 Prozesskontrolle

1.1.1.2.3 Prozesstypische Erscheinungen

1.1.1.3 Das Reaktionsmedium Plasma für Diffusionsbehandlungen

1.1.1.4 Plasmaaufkohlen

1.1.1.4.1 Verfahrenstechnik

1.1.1.4.2 Einfluss von Plasmastrom- bzw. Plasmaleistungsdichte auf die Aufkohlungsergebnisse

1.1.1.5 Gegenüberstellung der unterschiedlichen Aufkohlungsverfahren

1.1.2 Carbonitrieren

1.1.2.1 C arbonitrieren bei Normaldruck

1.1.2.1.1 Die Wechselwirkung zwischen Kohlenstoff- und Stickstoffaktivität

1.1.2.1.2 Anwendung des Carbonitrierens

1.1.2.1.3 Anlagen- und Chargeneinfluss beim Carbonitrieren

1.1.2.2 Niederdruckcarbonitrieren

1.1.3 Sonderverfahren

1.1.3.1 Aufkohlen austenitischer Stähle bei Niedrigtemperatur

1.1.3.2 Aufkohlen bei hoher Temperatur – Hochtemperaturaufkohlen

1.1.3.3 Aufkohlen in sauerstofffreien Atmosphären

1.1.3.4 Aufkohlen mit hohen Randkohlenstoffgehalten – Excess Carburizing

1.1.4 Härten, Anlassen, Tiefkühlen

1.1.4.1 Verfahren zum Härten

1.1.4.1.1 D irekthärten (Typ A)

1.1.4.1.2 Einfachhärten (Typ B)

1.1.4.1.3 Härten nach isothermischem Umwandeln (Typ C)

1.1.4.1.4 Doppelhärten (Typ D)

1.1.4.2 Warmbadhärten

1.1.4.3 Tiefkühlen

1.1.4.4 Der einsatzgehärtete Zustand

1.1.4.5 Anlassen

1.2 Nitrieren und Nitrocarburieren

1.2.1 Begriffsbestimmung

1.2.2 Nitrieren

1.2.3 Nitrocarburieren

1.2.3.1 Die Reaktionen

1.2.3.2 Kenngrößen

1.2.3.3 Einfluss der Kenngrößen auf das Ergebnis des Nitrierens und Nitrocarburierens

1.2.3.4 Wechselwirkung von Stickstoff und Kohlenstoff in der Nitrierschicht

1.2.4 Plasmanitrieren

1.2.4.1 Das Reaktionsmedium Plasma

1.2.4.2 Prozessablauf

1.2.5 Sonderverfahren/Kombinationsverfahren

1.2.5.1 Nitrieren/Nitrocarburieren bei niedriger Temperatur

1.2.5.2 Nitrieren/Nitrocarburieren oberhalb 590 °C bzw. oberhalb Ac1(Fe-N-C)

1.2.5.3 Hochtemperaturnitrieren

1.2.5.4 Niederdrucknitrieren

1.2.5.5 Drucknitrieren

1.2.5.6 Nitrieren/Nitrocarburieren und Beschichten

1.2.5.7 Nitrocarburieren und anschließendes Härten im Vakuumofen

1.2.5.8 Nitrocarburieren und anschließendes Randschichthärten

1.2.6 Vor- und Nachbehandlung

1.2.6.1 Reinigen

1.2.6.1.1 Waschen

1.2.6.1.2 Strahlen

1.2.6.1.3 Beizen

1.2.6.2 Vorbehandlung

1.2.6.2.1 Entgraten

1.2.6.2.2 Voroxidieren

1.2.6.2.3 Spannungsarmglühen

1.2.6.2.4 Normalglühen

1.2.6.2.5 Vergüten

1.2.6.2.6 Vorbereiten für eine örtlich begrenzte Diffusionsbehandlung

1.2.6.3 Nachbehandlung

1.2.6.3.1 Reinigen

1.2.6.3.2 Auslagern

1.2.6.3.3 Nachoxidieren

1.2.6.3.4 Diffusionsbehandeln

1.2.6.3.5 Spanendes Bearbeiten

1.2.6.3.6 Richten oder Kalibrieren

1.2.6.4.7 Korrosionsschützen

2 Verfahrensdurchführung

2.1 Herstellung der Behandlungsatmosphären

2.1.1 Gase, allgemeine Bemerkungen

2.1.2 Propan

2.1.3 Methan/Erdgas

2.1.4 Ammoniak

2.1.5 Ammoniak-Spaltgas

2.1.6 Kohlenstoffdioxid

2.1.7 Kohlenstoffmonooxid

2.1.8 Stickstoff

2.1.9 Acetylen

2.1.10 Wasserstoff

2.1.11 Argon

2.1.12 Helium

2.1.13 Endogas

2.1.14 Exogas

2.1.15 Methanol

2.2 Atmosphären zum Wärmebehandeln

2.2.1 Atmosphären zum Aufkohlen und Carbonitrieren

2.2.2 Atmosphären zum Nitrieren und Nitrocarburieren

2.2.3 Atmosphärenwechsel

2.3 Messen, Steuern und Regeln

2.3.1 Prozess-Zielgrößen

2.3.1.1 Aufkohlen, Carbonitrieren, Einsatzhärten

2.3.1.2 Nitrieren und Nitrocarburieren

2.3.2 Prozessparameter

2.3.2.1 Temperatur

2.3.2.1.1 Temperaturmessung

2.3.2.1.2 Temperaturregelung

2.3.2.2 Atmosphärenkenngrößen

2.3.2.2.1 Messen und Bestimmen der Kenngrößen

2.3.2.2.1.1 C-Pegel

2.3.2.2.1.2 Carbonitrierpegel CpCarb und NpCarb

2.3.2.2.1.3 Kohlenstoffübergangszahl β

2.3.2.2.1.4 Dissoziationsgrad beim Nitrieren/Nitrocarburieren

2.3.2.2.1.5 Nitrierkennzahl

2.3.2.2.1.6 Oxidationskennzahl

2.3.2.2.1.7 Kohlungskennzahl

2.3.2.2.2 Regelung der Kenngrößen

2.3.2.2.2.1 C-Pegel

2.3.2.2.2.2 C-Pegel in Ungleichgewichtsatmosphären

2.3.2.2.2.3 Der Kohlenstoffübergangskoeffizient β in Gleichgewichtsatmosphären

2.3.2.2.2.4 Nitrierwirkung beim Carbonitrieren

2.3.2.2.2.5 Dissoziationsgrad und Nitrierkennzahl

2.3.2.2.2.6 Oxidationskennzahl

2.3.2.2.2.7 Kohlungskennzahl

2.3.2.3 Atmosphärenzusammensetzung

2.3.2.3.1 Messen der Atmosphärenzusammensetzung

2.3.2.3.1.1 Infrarot-Analysatoren

2.3.2.3.1.2 Sauerstoffsonden

2.3.2.3.1.3 Schüttelflasche

2.3.2.3.1.4 Wärmeleitfähigkeits-Messgeräte

2.3.2.3.1.5 Taupunktmessgeräte

2.3.2.3.1.6 Wasserstoff-Partialdruck-Messgerät

2.3.2.3.2 Regelung der Atmosphärenzusammensetzung

2.3.2.4 Gasmengen

2.3.2.4.1 Messen der Gasdurchflussmengen

2.3.2.4.2 Regelung der Gasdurchflussmengen

2.3.2.5 Druck

2.3.2.5.1 Druckmessung

2.3.2.5.2 Druckregelung

2.4 Prozessführung

2.4.1 Beschicken und Erwärmen

2.4.1.1 Einbringen in den kalten Ofen

2.4.1.2 Einbringen in den warmen Ofen

2.4.1.3 Voroxidieren vor dem Nitrieren und Nitrocarburieren

2.4.2 Halten

2.4.2.1 Nitrieren und Nitrocarburieren

2.4.2.2 Aufkohlen und Carbonitrieren

2.4.3 Abkühlen

2.4.3.1 Nitrieren und Nitrocarburieren

2.4.3.2 Aufkohlen und Carbonitrieren

3 Anlagentechnik

3.1 Einrichtungen zur Gasversorgung

3.1.1 Endogaserzeuger

3.1.2 Direktbegasungsverfahren

3.1.2.1 Direktbegasung mit Kohlenwasserstoff-Luft-Gemischen

3.1.2.2 Trägergas aus Methanol und Stickstoff

3.1.3 Ammoniak-Spaltgas-Erzeuger

3.2 Begasung der Öfen

3.2.1 Anlagen bei Normaldruck

3.2.2 Anlagen bei Niederdruck

3.3 Prozessablauf und Prozessüberwachung

3.3.1 Anlagen bei Normaldruck

3.3.2 Anlagen bei Niederdruck

3.3.3 Sicherheitseinrichtungen

3.4 Schacht- und Haubenöfen

3.4.1 Beschreibung der Anlagen

3.5 Mehrzweck-Kammeröfen

3.6 Durchstoß-Öfen/Ringherdöfen

3.7 Drehherdöfen

3.8 Banddurchlauföfen

3.9 Rollenherdöfen

3.10 Anlagen zum Niederdruckaufkohlen

3.11 Anlagen für thermochemische Behandlungen mit Plasmaunterstützung

3.11.1 Anlagen zum Plasmanitrieren/-nitrocarburieren

3.11.1.1 Beschreibung der Anlagen

3.11.1.2 Aufbau der Anlagen

3.11.1.3 Anlagenbetrieb

3.12 Allgemeine Hinweise zur Ofenauswahl

3.13 Abschreckanlagen

3.14 Hinweise zum Chargenpacken

3.15 Chargentransport

4 Energiebilanz

4.1 Der Energiebedarf für thermochemische Prozesse

4.2 Beispiele aus der Praxis

4.2.1 Beispiel 1: Doppelkammerofen

4.2.2 Beispiel 2: Durchstoßofen

4.2.3 Beispiel 3: Vakuum-Mehrzweck-Kammerofen zum Niederdruckaufkohlen

5 Umweltschutz und Entsorgung

5.1 Umweltschutz und Genehmigungsrecht

5.2 Gefahrstoffe

5.2.1 Lagern von Gefahrstoffen

5.2.2 Einsatz von Gefahrstoffen

5.3 Anlagen und Ausrüstungen

5.4 Abfallentsorgung

5.5 Nutzen aus Umweltschutz und Entsorgung

6 Hinweise zum sicheren Betrieb der Anlagen

6.1 Beispiele für die Notwendigkeit von Sicherheitsmaßnahmen

6.2 Allgemeines

6.3 Sicherheit für Leib und Leben

6.4 Sicherheit für die Anlage

6.5 Sicherung des Behandlungsgutes

6.6 Prüfung und Instandhaltung

Literatur

Stichwortverzeichnis

Zum Buch

1Grundlagen der Verfahrenstechnik

1.1Einsatzhärten

Das Einsatzhärten besteht aus Aufkohlen oder Carbonitrieren und anschließendem Härten (DIN EN 10 052). Durch diese Wärmebehandlung erhalten Werkstücke einen Werkstoffzustand mit unterschiedlicher Gefügeausbildung über den Querschnitt: einer hohen Härte und Festigkeit am Rand und im Inneren, je nach Werkstoffzusammensetzung und Werkstückquerschnitt, ebenfalls eine gegenüber dem Ausgangszustand höhere Härte und Festigkeit. Außerdem liegt ein entsprechendes Eigenspannungsprofil über den Werkstückquerschnitt vor.

1.1.1Aufkohlen

Beim Aufkohlen wird die Werkstückrandschicht im austenitischen Zustand mit Kohlenstoff angereichert /Wys83/, /Wys90/, /AWT97/, /Neu94-1/, /Neu94-2/, /Nue94-3/, /Lie94/.

Zum Aufkohlen stehen feste Mittel wie Pulver oder Granulat, Gase oder Salzschmelzen zur Verfügung. Das Gasaufkohlen kann bei Normaldruck durchgeführt werden oder in einem Niederdruckbereich ohne oder mit Plasmaunterstützung.

Das Aufkohlen erfolgt in mehreren Teilschritten:

1. Reaktionen im Aufkohlungsmittel

2. Diffusion im Aufkohlungsmittel

3. Phasengrenzflächenreaktionen zwischen Aufkohlungsmittel und Stahl

4. Diffusion im Stahl

5. Reaktionen im Stahl

Voraussetzung für einen sicheren Erfolg des Aufkohlens ist die Kenntnis der thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten der Reaktionen im Aufkohlungsmittel und in der Werkstückrandschicht sowie der Einsatz geeigneter Mess- und Regelverfahren. Ausführliche Beschreibungen hierzu sind in „Die Prozeßregelung beim Aufkohlen und Einsatzhärten“ zu finden /AWT97/. Nachfolgend werden die wesentlichen Gesichtspunkte daraus wiedergegeben.

1.1.1.1Verfahren

Der Transport der Kohlenstoffspender - in der Regel sind dies Kohlenwasserstoffe wie Methan, Propan u. a. oder deren Sauerstoffderivate - erfolgt über das so bezeichnete Trägergas. Dieses bildet die Grundgaszusammensetzung der Ofenatmosphäre und ermöglicht, je nach Art der Herstellung der Atmosphäre, eine Einteilung in die verschiedenen industriell gebräuchlichen Gasaufkohlungs-Verfahren. Die heute industriell üblichen sind in Tabelle 1-1 aufgelistet, vgl. auch /Ede94/, /Ede01/.

Tabelle 1-1:Derzeit übliche Gas-Aufkohlungsverfahren

Mit Endogas-Generator

Ohne Gas-Generator

Trägergas-Verfahren:

- Unvollständiges Verbrennen von Propan, Erdgas oder Methan mit Luft und Zugabe von Propan, Methan oder Erdgas → Trägergasverfahren

Trägergas-Verfahren:

Spalten von Methan → Spaltgas, Mischen mit Stickstoff (60 : 40) und Zugabe von Propan, Erdgas oder Methan

- Erdgas, Methan, Propan oder Butan und Kohlendioxid und Zugabe von Propan, Erdgas oder Methan

Eintropf-Verfahren:

- Eintropfen von flüssigem Methanol und Stickstoff und Zugabe von Propan, Erdgas oder Methan

- Eintropfen von flüssigem Methanol und Aceton, Alkohole oder Ethylacetat

Direktbegasung:

- Methan, Erdgas, Propan oder Butan und Kohlendioxid und Zugabe von z. B. Propan

- Propan, Erdgas oder Methan und Luft

- Isopropanol oder andere Alkohole und Luft

- Methanol und Stickstoff und Zugabe von Propan

Maßgebende Kenngrößen für das Aufkohlen sind neben der Temperatur die Kohlenstoffaktivität aC, der Kohlenstoffpegel CP, die Kohlenstoffübergangszahl β und die Kohlenstoffverfügbarkeit.

1.1.1.1.1Die Aufkohlungsreaktionen, ihre Gleichgewichtsbeziehungen und die für das Prozessregeln spezifischen Indikatoren

Grundlage für das Regeln des Gasaufkohlens bei Normaldruck sind die in Tabelle 1-2 aufgeführten vier Reaktionen und die dazu gehörenden Indikatoren und Regelgrößen.

Die Indikatoren errechnen sich aus der Beziehung der Partialdrucke der Gaskomponenten gemäß der Gleichungen in Tabelle 1-2, die mit dem Kohlenstoffgehalt [C] an der Stahloberfläche ein Gleichgewicht anstreben. Der Partialdruck entspricht bei einem Normaldruck von 1 bar dem Volumenanteil in Prozent dividiert durch 100 (20 Vol-% CO z. B., entsprechen 0,2 bar).

Die sich daraus ergebenden Messgrößen gelten für die Reaktionen (1-1) und (1-3) bei konstantem CO-Gehalt in der Aufkohlungsatmosphäre und für die Reaktion (1-2) bei konstantem Produkt (%CO)•(%H2). Methan kommt infolge seiner relativ trägen Reaktionsgeschwindigkeit als Regelgröße nicht in Frage. Bei Verfahren mit variablem CO-Gehalt muss dieser kontinuierlich mit gemessen und im Prozessrechner berücksichtigt werden.

Tabelle 1-2:Reaktionen, Indikatoren und Regelgrößen beim Gasaufkohlen

Bild 1-1:Beziehung zwischen C-Pegel (%C), Ofentemperatur und CO2-Gehalt bei verschiedenen CO-Gehalten der Atmosphäre /AWT97/, /Neu94-2/

Die Bilder 1-1, 1-2 und 1-3 enthalten Nomogramme, aus denen zu vorgegebenen C-Pegeln, CO-Gehalten und Ofentemperaturen die entsprechenden Messgrößen entnommen werden können.

Im rechten Teil der Bilder 1-1 und 1-2 ist für die verschiedenen C-Pegel der erforderliche Indikatorwert als Funktion der Ofentemperatur dargestellt. Im jeweils linken Teilbild ist die Verbindung der Regelgrößen CO2 (Bild 1-1) bzw. Taupunkt (Bild 1-2) zur Gaszusammensetzung: CO-Gehalt, Produkt (%CO)•(%H2), dargestellt, so dass ausgehend von Ofentemperatur und C-Pegel die betreffenden Regelgrößen abgelesen werden können.

Bild 1-2:Beziehung zwischen C-Pegel (%C), Ofentemperatur und Taupunkt bei verschiedenen CO- und H2-Gehalten der Atmosphäre /AWT97/, /Neu94-2/

In Bild 1-3 ist in gleicher Weise die Funktion des Indikators der Reaktion (3) berücksichtigt. In der Praxis wird der Sauerstoffpartialdruck mit Sauerstoffsonden als eine elektrische Spannung (EMK) gemessen. Diese ist über das angesetzte linke Teilbild unter Einbeziehung des CO-Gehalts der Atmosphäre zum temperaturbezogenen C-Pegel in Verbindung zu bringen. Der Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffpartialdruck und der Sondenspannung ist in /AWT97/ und /Neu94-2/ beschrieben.

Bild 1-3:Beziehung zwischen C-Pegel (%C), Ofentemperatur und O2-Sondenspannung (mV) bei verschiedenen CO-Gehalten der Atmosphäre /AWT97/, /Neu94-2/

1.1.1.1.2Die Kohlenstoffaktivität/C-Aktivität aC

Die Wirksamkeit von Elementen in Gasreaktionen oder Legierungen kann durch einen Aktivitätskoeffizienten beschrieben werden. Dieser ist temperatur- und druckabhängig und dimensionslos. Triebkraft für die Kohlenstoffaufnahme im Eisen ist die Potentialdifferenz, die sich aus den unterschiedlichen Aktivitäten des Kohlenstoffs in der Gasphase und im Austenit (γ-Mischkristall) ergibt und die einen Ausgleich der Aktivitätsunterschiede anstrebt. Was also die Reaktionen einer Werkstoffoberfläche mit einer Aufkohlungsatmosphäre angeht, tritt keine Reaktion auf, wenn der Kohlenstoff in der Atmosphäre und der im Werkstoff die gleiche Aktivität aufweisen. Ist die Kohlenstoffaktivität in der Atmosphäre höher als im Werkstoff, findet ein Aufkohlen statt, ist sie kleiner, wird der Werkstoff entkohlt.

Die Aktivität aC kann aus der Konzentration des im Austenit gelösten Kohlenstoffs in Masse-% und der Temperatur in Kelvin wie folgt mit den Daten in /Koh63/ berechnet werden:

Bild 1-4:Eisen-Kohlenstoff-Zustands-Diagramm mit den Iso-Aktivitätslinien für Kohlenstoff /Hor85/

1.1.1.1.3Der Kohlenstoffpegel/C-Pegel CP

Als Maß für die Aufkohlungswirkung einer Atmosphäre wird der Kohlenstoffpegel CP verwendet. Er kennzeichnet das Aufkohlungspotential der Atmosphäre gegenüber Reineisen und ist definiert durch den sich einstellenden Massenanteil Kohlenstoff in %.

Nach DIN EN 10 052 ist der C-Pegel der Kohlenstoffgehalt, angegeben in Massenanteilen Kohlenstoff in %, den eine Probe aus Reineisen innerhalb des Löslichkeitsgebiets des Austenits bei einer bestimmten Temperatur im Gleichgewicht mit einem umgebenden Mittel annimmt.

1.1.1.1.4Der Legierungsfaktor kL

Bild 1-5:Darstellung der Kohlenstoffaktivität aC als Funktion der Kohlenstoffkonzentration einer reinen Fe-C-Legierung, einer Fe-C-Legierung mit 1,2 Masse-% Silizium und einer mit 2,0 Masse-% Chrom

Der reziproke Aktivitätskoeffizient wird als Legierungsfaktor kL bezeichnet, wobei gilt:

Der Legierungsfaktor kL errechnet sich aus den thermodynamischen Wirkungskoeffizienten und der Konzentration der jeweiligen Legierungselemente /Neu94-1/, /Lie94/:

In der Tabelle 1-3 sind die danach berechneten Werte für die in DIN EN 10 084 enthaltenen Einsatzstähle zusammengestellt. Die Mittelwerte in Spalte 3 der Tabelle können verwendet werden, wenn die genaue Analyse der betreffenden Stahlsorte nicht bekannt ist.

Werden Werkstücke aus Stählen mit unterschiedlichen Legierungsfaktoren gemeinsam aufgekohlt, stellen sich unterschiedliche Rand-Kohlenstoffgehalte und Kohlenstoff-Konzentrationsprofile ein.

Tabelle 1-3:Legierungsfaktor für die in DIN EN 10084 enthaltenen Stähle

Stahl Bezeichnung

Legierungsfaktor k

L

Grenzwerte

Mittelwert

C10/C10E

0,95 bis 1,02

0,99

C15/C15E

C16E

17Cr3

0,99 bis 1,12

1,06

28Cr4

1,05 bis 1,16

1,10

16MnCr5/16MnCr5B

1,05 bis 1,16

1,11

20MnCr5

1,07 bis 1,19

1,13

18CrMo4

1,05 bis 1,17

1,11

20MoCr3

1,00 bis 1,12

1,06

20MoCr4

1,00 bis 1,11

1,05

22CrMoS3-5

1,04 bis 1,16

1,10

16NiCr4

0,99 bis 1,12

1,06

18NiCr5-4

1,04 bis 1,15

1,10

20NiCrMo2-2

0,98 bis 1,10

1,04

17NiCrMo6-4

1,00 bis 1,13

1,06

20NiCrMoS6-4

0,98 bis 1,10

1,04

17CrNi6-6

1,05 bis 1,18

1,12

15NiCr13

1,04 bis 1,15

1,10

17CrNiMo6-4

1,06 bis 1,19

1,13

18CrNiMo7-6

1,06 bis 1,14

1,10

14NiCrMo13-4

0,94 bis 1,01

0,98

1.1.1.1.5Der Kohlenstoff-Übergangskoeffizient – die Kohlenstoff-Übergangszahl β

Der Kohlenstoff-Übergangskoeffizient ß fasst die kinetischen Zusammenhänge des Kohlenstoffübergangs aus dem Aufkohlungsmittel in die Werkstück-Randschicht zusammen. Er ist ein Maß dafür, wie rasch ein vorgegebener Randkohlenstoffgehalt erreicht werden kann.

Die Kohlenstoff-Übergangszahl β gibt an, wieviel Gramm Kohlenstoff durch eine Werkstückoberfläche von 1 cm2 pro Sekunde eindiffundieren, bezogen auf die jeweilige Differenz zwischen dem C-Pegel im Aufkohlungsmittel und dem Randkohlenstoffgehalt. Sie hat die Dimension cm/s und ist somit mitverantwortlich für die Geschwindigkeit, mit der sich der Randkohlenstoffgehalt CR eines Werkstücks beim Aufkohlen dem Gleichgewichtskohlenstoffgehalt nähert. Nachweislich läuft die Reaktion (1-1) mit CO und CO2, besonders aber die Reaktion (1-4) mit CH4 äußerst langsam ab. Die Anwesenheit von Wasserstoff erhöht die Übergangsgeschwindigkeit. Nach Bild 1-6 ist der Kohlenstoff-Übergangskoeffizient weitgehend eine Funktion des Produktes der Partialdrücke pCO und pH2 und steigt demzufolge bis zu einem Höchstwert bei 50 % CO und 50 % H2 an /Neu94-2/, /Neu70/. Aus der Darstellung ist zu entnehmen, dass β je nach Gaszusammensetzung Werte zwischen 1·10-5 und 3·10-5 cm/s annehmen kann.

Bild 1-6:Kohlenstoff-Übergangszahl β für das System (H2/H2O/CH4) – (CO/CO2) bei 900 °C

1.1.1.1.6Die Kohlenstoff-Verfügbarkeit

Die Kohlenstoffverfügbarkeit ist ein wichtiger Faktor für die Sicherstellung des durch die Kohlenstoffaufnahme benötigten Nachschubs an Kohlenstoff und damit auch maßgebend für die Gleichmäßigkeit der Aufkohlung über die gesamte Ofencharge /AWT97/, /Neu94-2/, /Neu70/. Es wird zwischen primärer und sekundärer Kohlenstoff-Verfügbarkeit unterschieden.

Die primäre Kohlenstoff-Verfügbarkeit ist definiert als die Kohlenstoffmenge in Gramm, die von 1 m3 Aufkohlungsgas abgegeben werden kann, bis sein C-Pegel auf 1 Masse-% Kohlenstoff als Vergleichsbasis absinkt. Diese Menge ist bei Kohlenwasserstoffen am größten, da die Gleichgewichts-CH4-Gehalte sehr niedrig sind. Das bedeutet, dass Aufkohlungsmittel mit hoher primärer Kohlenstoff-Verfügbarkeit zur Aufrechterhaltung des Schichtwachstums eine geringere Zufuhrmenge benötigen als solche mit geringer primärer Kohlenstoff-Verfügbarkeit, siehe Bild 1-7a.

Die sekundäre Kohlenstoff-Verfügbarkeit bezieht sich auf geregelte Ofenatmosphären und ist gekennzeichnet durch diejenige Kohlenstoffmenge in g, die von 1 m3 Gas abgegeben werden kann, während der C-Pegel von 1 % auf 0,9 % absinkt. Aus den Aufkohlungsreaktionen (1-1) und (1-2) lassen sich die an die Stahloberfläche abgegebenen Kohlenstoffmengen berechnen.

Bild 1-7a:Primäre Kohlenstoff-Verfügbarkeit verschiedener Gase (nach Winter)

Im Bild 1-7b sind für verschiedene Gasgemische die sekundären Kohlenstoff-Verfügbarkeiten dargestellt. Deutlich wird darin auch der positive Einfluss des Wasserstoffs auf die Kohlenstoffverfügbarkeit zum Ausdruck gebracht, vgl. CO-N2- und CO-H2-Gemische.

Bild 1-7b:Sekundäre Kohlenstoff-Verfügbarkeit verschiedener Gase (nach Winter)

Eine hohe sekundäre Kohlenstoffverfügbarkeit hat zur Folge, dass das Gas weniger rasch an verfügbarem Kohlenstoff verarmt und dadurch eine gewisse Pufferwirkung besitzt. Dies begünstigt ein gleichmäßiges Aufkohlen auch an den Stellen, die weniger gut von der Ofenatmosphäre umspült sind, wie in Sacklöchern oder Bohrungen.

Beispiel für die Berechnung der Kohlenstoffverfügbarkeit:

a)Kohlenstoffmonooxid (CO):

Gemäß

und

und mit

ergeben sich etwa 96,7 Vol-% CO und 3,3 Vol-% CO2 im ausreagierten Gas. Aufgrund der Volumenänderung zerfallen

von der ursprünglichen Gasmenge von 1,0 m3. Beim Zerfall sind damit

abgegeben worden.

b)Endoträgergas:

Besteht das Trägergas aus einem Gemisch von CO und H2, kommt es zur heterogenen Wassergasreaktion:

und zur Boudouard-Reaktion:

sowie zur Einstellung des Wassergasgleichgewichtes: CO + H2O → CO2 + H2 (1-12). Damit finden parallel zwei Aufkohlungsreaktionen statt:

und

Nachdem die heterogene Wassergasreaktion um ein Vielfaches schneller verläuft als die Boudouard-Reaktion, wurde diese zur Berechnung als Hauptreaktion herangezogen.

c)Kohlenwasserstoffe:

Kohlenwasserstoffe besitzen eine extrem hohe Kohlenstoffaktivität. Aus diesem Grund muss sich der Kohlenwasserstoff bis zur Einstellung eines Gleichgewichts-C-Pegels bis auf geringe Spuren vollständig spalten. Damit ergibt sich keine messbare Abhängigkeit der primären Kohlenstoffverfügbarkeit von der Temperatur. Nachdem damit schon bis zur Absenkung auf einen C-Pegel von 1 % C der gesamte Kohlenwasserstoff in Kohlenstoff umgesetzt wurde, kann eine sekundäre Kohlenstoffverfügbarkeit nicht mehr angegeben werden. Sie ist rechnerisch gleich null.

Ungespaltene Kohlenwasserstoffe in der Aufkohlungsatmosphäre erhöhen die Aufkohlungswirkung und führen zu einem höheren Randkohlenstoffgehalt als nach der heterogenen Wassergasreaktion zu erwarten ist. Nach Collin /Col70/ ergibt sich der Kohlenstoff-Massenstrom J in g Kohlenstoff/cm2·s:

In dieser Gleichung werden neben der heterogenen Wassergasreaktion (1-2) auch die Boudouard-Reaktion (1-1) und die Methanzerfallsreaktion (1-4) berücksichtigt. Der Kohlenstoff-Massenstrom J ergibt sich aus den Kohlenstoff-Aktivitäten im Stahl aS, den Aktivitäten agM, agB und agW aus den drei Reaktionen (1-4), (1-1) und (1-2) sowie den kinetischen Wirkfaktoren k1, k2 und k3. Die Quotienten k1/as, k2/as und k3 sind die Kohlenstoffübergangszahlen der einzelnen Kohlenstoff freisetzenden Reaktionen. Das k3 entspricht dem üblichen β-Wert. Die Geschwindigkeit der Kohlenstoffübertragung der einzelnen Reaktionen (1-4), (1-1) und (1-2) stehen im Verhältnis 1 : 3 : 100; ρ ist die spezifische Dichte des Stahls.

1.1.1.1.7Die Kohlenstoffdiffusion

Nach Übergang des Kohlenstoffs in die Randschicht diffundiert dieser weiter ins Werkstoffinnere. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt vom Konzentrationsgefälle und den im Diffusionskoeffizienten zusammengefassten Größen Temperatur, lokaler Kohlenstoffgehalt sowie Werkstoffzusammensetzung, ab. In der Folge entsteht dabei ein Kohlenstoff-Konzentrationsprofil mit einem stetigen Abfall von außen nach innen, siehe Bild 1-8. /Wün68/, /Col70/, /Col75/, /Wys90/, /Hof95/.

Aus dem Kohlenstoffprofil, das auch Aufkohlungskurve genannt wird, lässt sich die Zielgröße des Aufkohlens, die Aufkohlungstiefe entnehmen. Dies ist üblicherweise der senkrechte Abstand von der Werkstückoberfläche bis zu dem Punkt, an dem noch eine Kohlenstoffkonzentration von 0,35 Masse-% vorliegt. Dieser Kohlenstoffgehalt ergibt - nach der Gesetzmäßigkeit der Aufhärtbarkeit /Ger48/ - nach dem Härten bei einem Martensitanteil von 100 % eine Härte von 550 HV. Diese Härte entspricht im Regelfall nach DIN EN ISO 2639 der Grenzhärte für die Bestimmung der Einsatzhärtungs-Härtetiefe aus dem Härteprofil. Der einsatzgehärtete Zustand hängt also maßgeblich vom aufgekohlten Zustand ab /Wys95/, /Wei95/.

Bild 1-8:Das Kohlenstoff-Konzentrationsprofil: die Aufkohlungskurve

Bei geringer Härtbarkeit bzw. großem Werkstückquerschnitt muss ein höherer Grenzkohlenstoffgehalt benutzt werden, um an dieser Stelle ein vollständig martensitisches Gefüge zu erhalten, vgl. Bild 1-9.

Bild 1-9:Zusammenhang zwischen dem Grenzkohlenstoffgehalt und dem Durch-Messer von Rundproben aus legierten und unlegierten Einsatzstählen /Kel01/, /Lie10/

Bild 1-10 zeigt das charakteristische Aussehen der Randschicht eines aufgekohlten und langsam abgekühlten Werkstücks im Lichtmikroskop. Ausgehend von der Werkstückoberfläche, links im Bild, nehmen mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche der Anteil des Perlits im Gefüge ab und der Anteil des Ferrits zu.

Bild 1-10:Lichtmikroskopische Gefügeaufnahme der Randschicht eines aufgekohlten Werkstücks

Der Diffusionsvorgang wird mit den Fick’schen Gesetzen beschrieben. Der Kohlenstoffverlauf kann mit Hilfe numerischer Methoden berechnet werden /HoF95/, /Wün68/, /Wei95/, /Col70/. So ergibt sich das Kohlenstoff-Konzentrationsprofil aus der Beziehung /Sla43/:

z. B. mit dem Diffusionskoeffizienten nach Wünning /Wün68/:

Entsprechend darauf aufgebaute Rechenprogramme gestatten, den Aufkohlungsvorgang zu simulieren und die zeitliche Änderung des Kohlenstoffprofils zu visualisieren /AWT97/.

Eine Näherungslösung der Beziehung /Wün68/ liefert für die Aufkohlungstiefe:

K ist ein Term, der die Temperatur, den C-Pegel, das Aufkohlungsmittel und die Stahlzusammensetzung berücksichtigt.

Mit Hilfe des in Bild 1-11 wiedergegebenen Nomogramms lassen sich die Werte K und D/β für eine Atmosphäre mit aus Propan hergestelltem Trägergas und Propanzugabe ermitteln /Wys78/.

Bild 1-11:Nomogramm zum Ermitteln des K-Wertes und der Relation D/β für Endoträgergas aus Propan oder Erdgas /Wys78/

1.1.1.2.8Randoxidation

Aufkohlungsatmosphären enthalten über ihren Anteil an Kohlenstoffmonooxid und durch Reaktion mit Wasserstoff Sauerstoff enthaltende Reaktionsprodukte. Über die Anteile an CO und CO2 bzw. H2 und H2O haben diese Atmosphären nicht nur eine aufkohlende sondern auch eine oxidierende Wirkung. Da sich das Oxidations-potential der Atmosphäre aus dem Verhältnis von CO2/CO bzw. H2O/H2 ergibt, kann jedem C-Pegel ein Oxidationspotential zugeordnet werden. Dies führt dazu, dass während des Aufkohlens gleichzeitig eine Oxidation der Randschicht erfolgt. Dieser Vorgang wird als Randoxidation – im Englischen als „Internal Oxidation“, d. h. innere Oxidation - bezeichnet.

An der Oberfläche adsorbierter Sauerstoff diffundiert in den Werkstoff ein. Nach Überschreiten der Löslichkeit von Sauerstoff im Eisen von einigen ppm oxidieren zunächst Legierungselemente mit einer höheren Sauerstoffaffinität als Eisen. In besonderem Maße werden in der äußeren Randschicht die Elemente Silizium, Mangan, Chrom, Vanadium und Aluminium zu Oxiden abgebunden, vgl. Bild 1-12. Dies führt in der Randschicht zu einer Verarmung der für die Härtbarkeit wirksamen Legierungselemente, was den Gefügezustand und den Härte- und Eigenspannungs-Verlauf beeinträchtigt.

Bild 1-12:Gleichgewichtslage der Oxidationsreaktionen von Legierungselementen nach Richardson und Jeffes /Ric48/

Der Diffusionskoeffizient von Kohlenstoff in Eisen ist etwa um den Faktor 100 größer als der von Sauerstoff. Daraus ergibt sich, dass die Tiefe des oxidierten Randbereichs etwa ein Hundertstel der Aufkohlungstiefe beträgt. Auch die Verteilung der Oxid bildenden Legierungselemente wird verändert, wie als Beispiel in Bild 1-13 zu sehen ist.

Bild 1-13:Elementverteilung in der Randschicht nach Randoxidation

Man erkennt, dass Legierungselemente mit einer höheren Sauerstoffaffinität als Eisen in der Randschicht angereichert und als Oxide abgebunden werden. Dies senkt die Aktivität des betreffenden Elementes im Randbereich ab, was durch Nachdiffusion aus dem Werkstückinneren kompensiert wird. Dies ist am relativen Minimum des Element-Konzentrationsprofils unterhalb der Oberfläche erkennbar. Der wirksame Anteil an Legierungselementen wird dementsprechend nicht durch den Gesamtgehalt repräsentiert, sondern nur durch den in der Matrix noch gelösten Anteil.

Bild 1-14:Lichtmikroskopisches Aussehen der Randschicht eines einsatzgehärteten Werkstücks im ungeätzten Zustand

Die Oxide liegen in der Randschicht zum Teil mehr oder weniger gleichmäßig verteilt vor, teilweise sind Oxidanreicherungen an den Korngrenzen zu finden, wo die oxidbildenden Legierungselemente meist in höherer Konzentration vorliegen, siehe Bild 1-14. Solche netzartigen Ausbildungen können im Belastungsfall als metallurgische, also innere, Kerben wirken.

Das Ausmaß der Randoxidation wird sowohl von der Werkstoffzusammensetzung als auch von den Prozessparametern beeinflusst. Da die innere Oxidation Folge der Eindiffusion von Sauerstoff ist, muss mit zunehmender Aufkohlungsdauer, entsprechend dem Quadratwurzel-Zeit-Gesetz, auch mit einer größeren Oxidationstiefe gerechnet werden. Ein höherer C-Pegel bewirkt andererseits durch einen geringeren CO2-Gehalt der Aufkohlungsatmosphäre eine geringere Oxidation. Zunehmende Gehalte an Chrom, Mangan und insbesondere Silizium verstärken die Oxidation.

Durch das Abbinden der Legierungselemente zu Oxiden wird die Härtbarkeit der Randschicht verringert. Das kann dazu führen, dass dort kein vollständig martensitisches Härtungsgefüge entsteht, sondern wie der im Bild 1-15 sichtbare Troostitsaum, ein Randschichtbereich, in dem das Gefüge aus sehr feinstreifigem Perlit besteht. Dies verringert gegenüber dem Martensit die Härte und anstatt der erwünschten Druckeigenspannungen, liegen in dieser „Weichhaut“ Zugeigenspannungen vor.

Bild 1-15:Lichtmikroskopisches Aussehen einer Einsatzhärtungsschicht mit Troostitsaum infolge einer Randoxidation

Im Zusammenhang mit der Qualitätsbeurteilung einsatzgehärteter Teile wird erforderlichenfalls die Randoxidationstiefe am ungeätzten Schliff gemessen bzw. die Intensität der Oxidation anhand von Richtreihenfotos beurteilt, vgl. Bild 1-16. Eine Norm hierzu ist in Vorbereitung. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, an Hand des mittels GDOES-Analyse ermittelten Konzentrationsprofils des Siliziums die Tiefe der Randoxidation zu bestimmen, vgl. Bild 1-13.

Bild 1-16:Schematische Darstellung von Randoxidationserscheinungsformen

1.1.1.2Niederdruckaufkohlen

Das Niederdruckaufkohlen ist ein Gasaufkohlen, das in Vakuumöfen bei einem Druck unterhalb des Normaldrucks durchgeführt wird. Als Kohlenstoffspender kommen gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan, Propan oder Ethin, gegebenenfalls mit Stickstoffzusatz, in Frage. Die zum Aufkohlen benutzten Öfen unterscheiden sich in ihrem Aufbau von den sonst zum Gasaufkohlen benutzten Öfen und ermöglichen ein Aufkohlen bei Temperaturen bis 1100 °C. Vorteilhaft erweist sich außerdem, dass die Ofenatmosphäre frei von Sauerstoff gehalten wird, so dass die innere Oxidation oder Randoxidation vermieden wird /Eys79/, /Lui79/, /Lim80/, /Cha82/, /Pou85/, /HoF94/, /Alt94/, /Alt02/, /Lös03/.

Die maßgebenden Prozessparameter sind:

• die Art des Kohlenstoffspenders

• der Druck im Behandlungsraum

• die Art der Gaseinspeisung → konstante oder intermittierende Zuführung

• die Verteilung des Gases innerhalb des Behandlungsgutes

Im Unterschied zum Gasaufkohlen ist ein Kohlenstoffpegel nicht definierbar, so dass die Aufkohlungswirkung bei gegebenem Aufkohlungsmittel über den Druck und die Art der Gaszuführung geregelt werden muss.

In der industriellen Praxis hat sich zum Niederdruckaufkohlen ein Druck von 5 mbar bis 10 mbar bewährt. Höhere Drucke können insbesondere bei Verwendung von Propan zu einem vermehrten Anfall von Ruß beim Propanzerfall führen. Die Gaszufuhr erfolgt zweckmäßigerweise intermittierend, wobei das Verhältnis der Dauer der Gaszugabe zur Pausendauer, in der die Zugabe unterbrochen wird, ein wesentliches Element zum Steuern des Aufkohlungsvorgangs ist. Dabei ist es zweckmäßig, das Verhältnis tGas/tPause so einzustellen, dass die Gaszufuhr dann unterbrochen wird, wenn in der Randschicht des aufzukohlenden Werkstücks die temperaturabhängige Sättigungsgrenze des Austenits erreicht ist. Die Pause dient anschließend dazu, eine Diffusion des Kohlenstoffs ohne Kohlenstoffzufuhr herbeizuführen und die Kohlenstoffkonzentration zu erniedrigen. Die Anzahl der durchgeführten Wechsel richtet sich nach der vorgegebenen Aufkohlungstiefe.

Die als Kohlenstoffspender benutzten Kohlenwasserstoffe zerfallen thermisch (→ Pyrolyse) und setzen Kohlenstoff frei. Die Reaktionen, die z. B. beim Verwenden von Propan ablaufen, lassen sich nach /Des93/ wie folgt beschreiben:

In den letzten Jahren wird zunehmend Ethin als Kohlenstofflieferant benutzt /Sug98/. Dies hängt damit zusammen, dass Ethin oder Acetylen mit der Formel C2H2, aufgrund seiner spezifischen Zerfallscharakteristik, das Aufkohlen bei höheren Temperaturen und Werkstücken mit komplizierter Geometrie erleichtert.

1.1.1.2.1Die Reaktionen beim Niederdruckaufkohlen

Die Kohlenstoffübertragung

Die Kohlenstoffübertragung lässt sich vereinfacht am Beispiel des Acetylens wie in Bild 1-17 dargestellt, beschreiben:

Bild 1-17:Ablauf des Niederdruckaufkohlens (schematisch)

1. Schritt:

Antransport von Acetylen-Molekülen an die Werkstückoberfläche:

2. Schritt:

Dissoziation von Acetylen an der Werkstückoberfläche und Chemisorption von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen:

Rekombination von chemisorbiertem Wasserstoff zu H

2(gas)

:

3. Schritt:

Übergang von chemisorbiertem Kohlenstoff in den gelösten Zustand:

4. Schritt:

Diffusion von Kohlenstoff in das Werkstoffinnere

Die Reaktionen

Unter dem Einfluss des niedrigen Drucks und der Temperatur findet eine thermochemische Spaltung – Pyrolyse genannt – oder auch eine Polymerisation der als Kohlenstoffspender benutzten Kohlenwasserstoffe statt:

Methan CH4:

Pyrolyse bei 4 mbar und oberhalb 1000 °C

Ethan C2H6:

Pyrolyse oberhalb 600 °C, hauptsächlich in CH4 und H

Propan C3H8:

Pyrolyse oberhalb ca. 700 °C und unterhalb 10 mbar in C2H4 und H2 und weiter in C2H4 + C + 2·H2 bzw. überwiegend in C2H4 + CH4

Ethen C2H4:

Pyrolyse unter 10 mbar und über 850 °C in 2·C + 2·H2 bzw. C2H2 + H2 bzw. bis 950 °C hauptsächlich in CH4 + C

Acetylen C2H2:

oberhalb 850 °C Dissoziation, unterhalb 800 °C Polymerisation in C4H4 (Butenin/Vinylacetylen) bzw. an der Stahloberfläche in 4·C+2·H mit steigender Temperatur nimmt die Stabilität zu, mit sinkender Temperatur steigt die C-Verfügbarkeit.

Der Zerfall der Kohlenwasserstoffe ist temperaturabhängig. Ethan und Ethen zerfallen immer unter Bildung von Methan, das bei 4 mbar und Temperaturen unterhalb 1000 °C stabil ist.

Unterhalb von 800 °C bildet Acetylen lange Kohlenwasserstoffketten und aromatische Verbindungen. Oberhalb 800 °C dissoziiert es in einer komplexen Reaktion; für den letzten Schritt benötigt es die Stahloberfläche als Katalysator.

Auch die Dissoziation von Propan verläuft komplex, da sich während des Zerfallsprozesses eine Reihe unterschiedlicher Verbindungen bilden. Es liegt ein Netzwerk unterschiedlicher Zerfalls- und Rekombinationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen und deren Radikale vor, siehe Bild 1-18, nach Graf et al. /Gra03/.

Bild 1-18:Netzwerk der homogenen Propanpyrolyse /Gra03/

In Bild 1-19 wird am Beispiel der Kohlenstoff-Konzentrationsprofile beim Niederdruckaufkohlen des Stahls 16MnCr5 die Aufkohlungswirkung von Propan und Methan verglichen. Daraus ist zu entnehmen, dass mit Propan ein deutlich höherer Kohlenstoff-Massenstrom erreicht wird als mit Methan /Hof94/.

Das beim thermischen Zerfall gebildete Methan trägt wegen seiner thermischen Stabilität unterhalb von 1000 °C nicht zur Aufkohlungsreaktion bei. Von den anderen genannten Gasen ist nur das Acetylen von Bedeutung. Die zum Aufkohlen benötigte Propanmenge ist daher abhängig davon, dass beim Zerfall hinreichend viel Acetylen gebildet wird. Beim Aufkohlen mit Propan werden daher größere Volumenströme benötigt als beim Aufkohlen mit Acetylen.