Thermochemische Behandlung von Eisenwerkstoffen im Gas

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 über

http://dnb.dnb.de abrufbar.

2., durchgesehene Auflage 2021

1. Auflage 2014

© 2021 · expert verlag GmbH

Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren oder Herausgeber übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen.

Internet: www.expertverlag.de

eMail: info@verlag.expert

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 Gräfen

Franz Hoffmann

Dieter Liedtke

Karl-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.

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:

Der Redaktionsstab:

Winfried Gräfen

Franz Hoffmann

Dieter Liedtke

Karl-Helmut Weissohn

Karl-Michael Winter

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 a_C

1.1.1.1.3 Der Kohlenstoffpegel / C-Pegel C_p

1.1.1.1.4 Der Legierungsfaktor k_L

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 Ac_1(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 C_pCarb und N_pCarb

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.