Thermochemische Behandlung von Eisenwerkstoffen im Gas

Karl-Michael Winter

Vorwort 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. Im August 2020 AWT-Fachausschuss „Einsatzhärten“

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 pCarbund 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