DE10109565A1 - Verfahren und Vorrichtung zur partiellen thermochemischen Vakuumbehandlung von metallischen Werkstücken - Google Patents

Abstract

Beim partiellen thermochemischen Vakuumbehandeln von metallischen Werkstücken (1), insbesondere beim Aufkohlen und Einsatzhärten von Werkstücken (1) aus Einsatzstahl in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, stoßen behandelte Oberflächenbereiche (3, 4, 5, 6) und unbehandelte Oberflächenbereiche aneinander. Um diese Oberflächenbereiche insbesondere solche in Hohlräumen (2) der Werkstücke (1) genau gegeneinander abzugrenzen, werden die nicht zu behandelnden Bereiche durch wiederverwendbare zerlegbare Formkörper (11) aus einem temperaturbeständigen Material mit einem Formhohlraum (15) abgedeckt. Dabei schließt der aus einem Unterteil (12) und einem Oberteil (13) mit Öffnungen (12b, 13b) bestehende Formkörper (11) mindestens ein Werkstück (1) derart ein, dass zwischen dem Formkörper (11) und dem mindestens einen Werkstück (1) keine Behandlung stattfindet. Ein elektrisch leitfähiger Formkörper (11) eignet sich insbesondere für eine thermochemische Behandlung unter Plasmaeinwirkung. Als Material für die Formkörper (11) wird Grafit oder CFC verwendet. In einem solchen Formkörper können die Werkstücke sowohl vor der Aufkohlung einem Aufheizvorgang als auch nach der Aufkohlung Vorgängen aus der Gruppe Diffusion, Gasabschreckung und ggf. Weiterbehandlungen wie Tiefkühlung und/oder Anlassen ausgesetzt werden.

Description

Auch die EP 0 818 555 A1 befaßt sich mit dem Aufkohlen von Hohlkörpern mit Sackbohrungen, wobei jedoch das Aufkohlen wiederum bevorzugt auf der äußeren Oberfläche der Hohlkörper stattfindet.

Die EP 0 695 813 A2 offenbart zum Aufkohlen die Verwendung eines Plasmas mit pulsierender Spannung zwischen 200 und 2000 Volt. Auch hierbei wird jedoch stets die gesamte Außenfläche der Werkstücke aufgekohlt.

Die Firmendruckschrift der Anmelderin "Vakuumgestützte Kohlungsverfah­ ren mit Hochdruck-Gasabschreckung", Impressum: W 2004d/9.97/2000/St., offenbart komplette Verfahrensabläufe sowohl in einem Einkammer-Va­ kuumofen als auch in einer Mehrkammer-Durchlaufanlage. Beschrieben ist speziell die Behandlung der äußeren Oberflächen von Getriebeteilen wie Zahnrädern und Wellen. Die EP 0 313 888 B2 befaßt sich speziell mit der Hochdruck-Gasabschreckung zum Härten von Werkstücken aus Stahl.

Es ist weiterhin bekannt, Werkstücke bei der konventionellen Gasaufkoh­ lung dadurch partiell aufzukohlen, daß man nicht zu härtende äußere Oberflächenbereiche mit einer Abdeckpaste "versiegelt". Solche Abdeck­ pasten sind jedoch weder für Vakuumprozesse noch für Plasmaprozesse geeignet, da die Abdeckpasten dem Ionenbeschuß des Plasmas nicht standhalten. Man hat auch schon versucht, Gewinde durch Kapseln oder Stopfen mechanisch abzudecken, aber auch dabei kommt es durch die unterschiedlichen Ausdehnungen leicht zum "Unterkriechen" der Abdec­ kungen, die oft nur mühsam und unter Verursachung von Zerstörungen entfernt werden können

Keine der vorstehend genannten Schriften befaßt sich mit folgender Problemstellung:

• 1. Das Abdecken unregelmäßiger und/oder rauher Oberflächen, die z. B., durch Guß- oder Schmiedeverfahren entstanden sind, gegen das Eindringen von z. B. Kohlungsgasen gestaltet sich schwierig, wenn nicht gar unmöglich.
• 2. Beim Aufheizen auf die üblichen Temperaturen für Gasbehandlungen, die bei 900°C und darüber durchgeführt werden, kann durch Wärme­ verzug, unterschiedliche Ausdehnung etc. die Abdeckwirkung vermin­ dert oder aufgehoben werden.
• 3. Dünnwandige Fortsätze von ansonsten dickwandigen Werkstücken neigen erheblich stärker zum Verspröden.
• 4. Beim partiellen Abdecken von Werkstücken kann durch unterschied­ liche thermische Ausdehnungen die Grenze zwischen behandelten und unbehandelten Oberflächenbereichen während der Behandlung verschoben werden.
• 5. Werkstücke größerer Chargen sind in allen vorgegebenen Ober­ flächenbereichen identischen Verfahrensparametern auszusetzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein­ gangs beschriebenen Gattung anzugeben, mit dem einzelne Werkstücke oder Chargen von vielen Werkstücken partiell, d. h. nur an genau vorgege­ benen Oberflächenbereichen, insbesondere in definierten Hohlräumen von Werkstücken, genau vorgegebenen und von Werkstück zu Werkstück zumindest weitgehend identischen und über viele Behandlungszyklen reproduzierbaren Verfahrensparametern ausgesetzt werden. Es geht also nicht nur darum, das oder die Werkstücke einer Charge gleichmäßig partiell zu behandeln, sondern auch das oder die Werkstücke nachfolgen­ der Chargen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die nicht zu behandelnden Oberflächenbereiche während der Behandlung der übrigen Oberflächen­ bereiche durch wiederverwendbare Formkörper aus einem temperatur­ beständigen Material abgedeckt werden, und daß der Formkörper minde­ stens ein Werkstück derart einschließt, daß zwischen dem Formkörper und dem mindestens einen Werkstück (1) keine thermochemische Behandlung stattfindet.

Durch die Erfindung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, d. h. es wird ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung dahin­ gehend verbessert, daß mit ihm einzelne Werkstücke oder Chargen von vielen Werkstücken partiell, d. h. nur an genau festgelegten Oberflächen­ bereichen, insbesondere in Hohlräumen von Werkstücken, thermoche­ misch behandelt werden können. Dies geschieht mit genau vorgegebenen und von Werkstück zu Werkstück zumindest weitgehend identischen und über viele Behandlungszyklen reproduzierbaren Verfahrensparametern. Es geht insbesondere darum, nicht nur das oder die Werkstücke einer Charge gleichmäßig und definiert partiell zu behandeln, sondern auch das oder die Werkstücke nachfolgender Chargen, z. B. in kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Prozessen.

Die Erfindung besteht gewissermaßen in einer Umkehrung der klassischen Vorgehensweise: Es wird nicht mehr der größte Teil der Werkstückober­ fläche der thermochemischen Gasbehandlung ausgesetzt, wobei kleinere Teilbereiche der Oberfläche (n) gegen die Gasbehandlung abgedeckt bzw. isoliert werden, sondern es wird durch den erfindungsgemäßen Form­ körper das gesamte Werkstück, lediglich mit Ausnahme der zu behandeln­ den Oberflächenbereiche, gegen die Gaseinwirkung geschützt. Dabei ist es auch nicht unbedingt erforderlich, daß der erfindungsgemäße Form­ körper das mindestens eine Werkstück in komplementärer Formgebung spalt- und fugenfrei umgibt, sondern es genügt, z. B. beim Behandeln des Innenraums von hohlen Werkstücken den besagten Formkörper gegen­ über den Enden der Werkstücke abzudichten, ggf. unter Zwischenschal­ tung von Hülsen, und zwischen den Dichtstellen, aber im Innern des Formkörpers mindestens einen Formhohlraum frei zu lassen, der das mindestens eine Werkstück umgibt und in dem keine Gasbehandlung stattfinden kann.

Dadurch wird es möglich, Werkstücke nahezu jeder Geometrie und/oder mit unregelmäßigen und/oder rauhen Oberflächen, die z. B., durch Guß- oder Schmiedeverfahren entstanden sind, thermochemisch an genau definierten Stellen zu behandeln und beim Aufheizen auf die üblichen Temperaturen für Gasbehandlungen, die bei 800°C und darüber durch­ geführt werden, die Einflüsse eines Wärmeverzugs, unterschiedlicher Ausdehnungen etc. auf die Abdeckwirkung zu vermindern oder ganz auszuschalten. Dünnwandige Fortsätze von ansonsten dickwandigen Werkstücken werden gleichmäßiger abgekühlt und erhalten dadurch einen günstigeren Eigenspannungszustand. Die Grenzen zwischen behandelten und unbehandelten Oberflächenbereichen werden durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen während der Behandlung nicht mehr verscho­ ben. Insbesondere sind auch Werkstücke größerer Chargen in allen vorgegebenen Oberflächenbereichen identischen Verfahrensparametern ausgesetzt.

Die erfindungsgemäße Verwendung der die Werkstücke einschließenden Formkörper und die erfindungsgemäßen Formkörper selbst, die gewis­ sermaßen Gehäuse darstellen, zu öffnen sind und auch als Schachteln, Boxen o. dgl. bezeichnet werden können, ermöglichen nach ihrer Beschic­ kung mit dem Werkstücken nicht nur den Transport in und durch eine Behandlungsanlage mit mehreren Prozeßstufen, sondern überraschender­ weise auch die unterschiedlichsten in der Praxis vorkommenden Behand­ lungen wie Aufheizen, Aufkohlen (oder Aufsticken), Diffundieren, Abschrec­ ken und Nachbehandeln in anderen Anlagen (z. B. Tiefkühlen und Anlas­ sen), ohne daß die einzelnen Werkstücke "auspackt" und umgeladen werden müßten. Dieser überraschende Effekt gilt insbesondere für den Fall der in wenigen Sekunden durchzuführenden Hochdruck-Gasab­ schreckung, wie sie z. B. in der EP 0 313 888 B2 und in der eingangs genannten Firmendruckschrift der gleichen Anmelderin beschrieben ist.

Als thermochemische Gasbehandlung kann nicht nur eine Unterdruck-Gas­ behandlung ohne Plasmaanregung bei Drücken bis zu 30.000 Pa einge­ setzt werden, bei der die Formkörper und ggf. auch die zwischengeschal­ teten Hülsenauch aus einem elektrisch nichtleitenden Material wie aus Keramik bestehen können. Vielmehr ist es insbesondere auch möglich, Verfahren der Plasmabehandlung anzuwenden, wobei die Formkörper für diesen Fall bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, bevorzugt aus Grafit, bestehen können, so daß die Formkörper als Elektrode (Katode) für die Plasmaanregung dienen. Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der Detailbeschreibung.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination:

• - die thermochemische Behandlung unter Plasmaeinwirkung durchge­ führt wird und wenn der Formkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht,
• - beim Behandeln von Werkstücken mit Hohlräumen, die der thermo­ chemischen Behandlung ausgesetzt werden, die Werkstücke in einem Formkörper mit mindestens einem Formhohlraum und mindestens einer Öffnung untergebracht werden, durch die die kohlenstoffhaltige Atmosphäre in den Hohlraum der Werkstücke eintritt,
• - ein Formkörper mit mehreren Formhohlräumen für die Aufnahme jeweils eines Werkstücks verwendet wird,
• - der Formkörper als Gehäuse mit einem Oberteil ausgebildet ist und wenn zumindest das Oberteil Öffnungen aufweist, die mit den Hohl­ räumen in den Werkstücken kommunizieren und durch die die kohlenstoffhaltige Atmosphäre in die Werkstücke eintritt,
• - zwischen nicht zu behandelnden Oberflächenbereichen der Werk­ stücke und dem Formkörper zur Abdichtung Hülsen eingesetzt werden,
• - mehrere Formkörper zu einer Charge vereinigt werden,
• - das Verfahren im Vakuumbereich zwischen 10 Pa und 3000 Pa, vorzugsweise zwischen 50 Pa und 1000 Pa, durchgeführt wird,
• - das Verfahren mit Plasmaspannungen zwischen 200 und 2000 Volt, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 Volt, durchgeführt wird,
• - das Plasma impulsförmig eingesetzt wird, wobei vorzugsweise die Einschaltdauer zwischen 10 und 200 µs und die Pausendauer zwischen 10 und 500 µs gewählt werden,
• - als kohlenstoffhaltiges Gas mindestens ein Kohlenwasserstoff aus der Gruppe Methan, Ethan, Propan und Azethylen ausgewählt wird,
• - dem kohlenstoffhaltigen Gas mindestens ein Gas aus der Gruppe Argon, Stickstoff und Wasserstoff zugesetzt wird, wobei der Anteil des mindestens einen Kohlenwasserstoffes zwischen 10 und 90 Volu­ mens-% gewählt wird,
• - als Material für die Formkörper Grafit oder CFC verwendet wird, insbesondere wenn als Material für die Formkörper ein Werkstoff verwendet wird, der zumindest bis zu einer Temperatur von 1050°C, vorzugsweise bis 1200°C, keine Verzugserscheinungen aufweist,
• - die plasmaseitigen Enden des mindestens einen Formhohlraums der Formkörper gegenüber dem jeweiligen Werkstück plasmadicht ausgebildet werden, und/oder, wenn
• - die Werkstücke innerhalb des Formkörpers
  • a) vor der Aufkohlung einem Aufheizvorgang,
  • b) nach der Aufkohlung einem Diffusionsvorgang,
  • c) nach dem Diffusionsvorgang einer Hochdruck-Gas­ abschreckung,
  • d) nach der Hochdruck-Gasabschreckung einer Weiterbehandlung durch Tiefkühlung und Anlassen

ausgesetzt werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Verwendung in einer Einkammeranlage oder in einer Mehrkammer-Durchlaufanlage zur partiellen thermochemischen Vakuumbehandlung von metallischen Werkstücken insbesondere zum Aufkohlen und Einsatzhärten von Werkstücken aus Einsatzstahl in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, wobei behandelte Oberflächenbereiche und unbehandelte Oberflächen­ bereiche aneinanderstoßen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der vorstehend angegebe­ nen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch, daß für eine Abdeckung nicht zu behandelnder Oberflächenbereiche während der Behandlung der übri­ gen Oberflächenbereiche ein wiederverwendbarer Formkörper vorgese­ hen ist, der aus einem temperaturbeständigen Material besteht und in dem mindestens ein Formhohlraum für das Einsetzen mindestens eines Werk­ stücks vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Werkstück im Form­ hohlraum derart einschließbar ist, daß zwischen dem Formkörper und dem mindestens einen Werkstück keine thermochemische Behandlung stattfindet.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination:

• - der Formkörper aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht und wenn das mindestens eine Werkstück im Formhohlraum derart einschließbar ist, daß sich zwischen dem Formkörper und dem mindestens einen Werkstück kein Plasma ausbildet,
• - der Formkörper zum Behandeln von Werkstücken mit Hohlräumen, die einer thermochemischen Vakuumbehandlung ausgesetzt werden, mindestens eine Öffnung besitzt, die mit dem Hohlraum des jeweils zugehörigen Werkstücks kommuniziert,
• - der Formkörper als Gehäuse mit einem Oberteil ausgebildet ist und wenn zumindest das Oberteil mindestens eine Öffnung aufweist, die mit dem Hohlraum in dem jeweils zugehörigen Werkstück kommuni­ ziert,
• - der Formkörper ein Unterteil aufweist, das mindestens eine Öffnung aufweist, und wenn die Achsen der Öffnungen im Oberteil und im Unterteil fluchten
• - zwischen Unterteil und Oberteil eine auf dem Umfang umlaufende Z-förmige Trennfuge angeordnet ist, die eine teleskopartige Bewe­ gung zwischen Unterteil und Oberteil ermöglicht,
• - die plasmaseitigen Enden der Öffnungen im Formkörper gegenüber dem jeweiligen Werkstück plasmadicht ausgebildet sind,
• - Hülsen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff vorgesehen sind, die zwischen dem Werkstück und dem Unterteil einerseits und dem Werk­ stück und dem Oberteil andererseits einsetzbar und derart an das Werkstück angepaßt sind, daß nicht zu behandelnde Oberflächen­ bereiche der Werkstücke plasmadicht abgedeckt sind,
• - mehrere Formkörper durch ein Transportgestell zu einer Charge vereinigt sind, insbesondere, wenn das Transportgestell Traversen zur Aufstellung von Formkörpern mit Abständen nebeneinander und übereinander aufweist,
• - als Material für die Formkörper Grafit oder CFC verwendet wird, insbesondere wenn als Material für die Formkörper ein Werkstoff verwendet wird, der zumindest bis zu einer Temperatur von 1050°C, vorzugsweise bis 120000, keine Verzugserscheinungen aufweist, und/oder, wenn
• - der Formkörper innerhalb einer evakuierbaren Kammer mit einem Einlaß für mindestens einen Kohlenwasserstoff angeordnet und als Katode für eine Plasmaausbildung geschaltet ist.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wir­ kungsweise werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 6 in Verbin­ dung mit einer thermochemischen Plasmabehandlung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen halben Vertikalschnitt durch ein Werkstück innerhalb des Formkörpers quer zu dessen Längsachse,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Ende eines Formkörpers in verkleinertem Maßstab,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Transportgestells mit einer Charge, bestehend aus zwölf Formkörpern, in drei Etagen,

Fig. 4 eine weitere Seitenansicht des Gegenstandes nach Fig. 3 aus einer um 90 Grad verdrehten Blickrichtung,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Durchlaufanlage zur Behandlung von Chargen nach den Fig. 3 und 4 in stark schematisierter Darstellung und

Fig. 6 einen Ausschnitt aus Fig. 5 in vergrößertem Maßstab und mit zusätzlichen Details.

In Fig. 1 ist ein hülsenförmiges Werkstück 1 mit einer Achse A-A darge­ stellt, das einen Hohlraum 2 in Form einer Stufenbohrung besitzt, von der die stark umrandeten inneren zylindrischen Oberflächenbereiche 3, 4 und 5 sowie der Oberflächenbereich 6, eine kreisringförmige Stirnseite, aufgekohlt werden sollen, die übrigen Oberflächenbereiche hingegen nicht. Die hervorgehobenen Oberflächenbereiche 3, 4, 5 und 6 sind bei der Behandlung einem Plasma einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt.

Das Werkstück 1 besitzt einen rohrförmigen Fortsatz 1a, dessen Außen­ seite 1b gegen den Plasmabeschuß geschützt werden muß. Dies geschieht durch eine Hülse 7 mit einem Kragen 7a, die den Fortsatz 1a mit kleinstmöglichem Spiel umschließt, um ein Eindringen des Plasmas zu verhindern. Die Hülse 7 kann aus einem metallischen Werkstoff, aber auch aus einem Nichtmetall bestehen, das keine Reaktion mit dem Werkstück 1 eingeht. In das obere Ende des Werkstücks 1, dessen Hohlraum 2 an dieser Stelle einen größeren Durchmesser hat, ist eine weitere Hülse 8 mit einem Kragen 8a eingesetzt, der gegenüber dem Werkstück einen Ring­ spalt 9 frei läßt, um Toleranzen und/oder Wärmedehnungen auszugleichen. Wichtig ist, daß in eine Trennfuge 10 kein Plasma eindringen kann. Auch die Hülse 8 kann gleichfalls aus einem metallischen Werkstoff, aber auch aus einem Nichtmetall bestehen, das keine Reaktion mit dem Werkstück 1 eingeht. Das Werkstück 1 und die Hülsen 7 und 8 bilden gewissermaßen einen rotationssymmetrischen Stapel, der die nachstehend beschriebene Funktion hat. Die Rotationssymmetrie ist aber nicht zwingend.

Der vorstehend beschriebene Stapel ist in einen zweiteiligen Formkörper 11 eingesetzt, der aus einem Unterteil 12 und einem Oberteil 13 besteht, deren Zargen 12a und 13a sich an einer Z-förmigen Trennfuge 14 plasma­ dicht und teleskopartig übergreifen. Das Unterteil 12 besitzt eine Öffnung 12b, in die die Hülse 7 - wiederum plasmadicht - eingesetzt ist, und das Oberteil 13 besitzt eine Öffnung 13b, deren Rand den Kragen 8a der Hülse 8 - wiederum plasmadicht - übergreift. Die Achsen der Öffnungen 12a und 13a fluchten miteinander. Dadurch stützt sich das Oberteil 13, eine Art Deckel, auf dem Stapel aus dem Werkstück 1 und den Hülsen 7 und 8 ab.

Das deutlich gezeigte Vertikalspiel an der Trennfuge 14 dient dazu, Tole­ ranzen und/oder Wärmedehnungen auszugleichen. In dem das Werkstück 1 einschließenden Formhohlraum 15 kann sich infolgedessen kein Plasma ausbilden. Der Formhohlraum 15 kann jedes Werkstück eng umschließen, er kann aber auch Freiräume um das Werkstück bilden, sofern nur sicher­ gestellt ist, daß zwischen den Öffnungen 12a und 13a und dem Werkstück und/oder den Hülsen 7 und 8 kein Plasma eindringen kann. Freiräume begünstigen das Einsetzen von Werkstücken mit unterschiedlichen Geometrien.

Der Formkörper 11 besteht vorzugsweise aus Grafit oder CFC, das die geforderten Eigenschaften hinsichtlich Lebensdauer, Wiederverwendbar­ keit, Temperaturbeständigkeit, thermischem Ausdehnungskoeffizienten und elektrischer Leitfähigkeit hat. Die Hülsen 7 und 8 sind nicht zwingend erforderlich, können aber dann von Vorteil sein, wenn der Formkörper 11 aus Grafit besteht, der eine Aufkohlung an unerwünschten Stellen des Werkstücks begünstigen könnte. Außerdem können die auswechselbaren Hülsen 7 und/oder 8 als Adapter für das Einsetzen von Werkstücken mit unterschiedlichen Geometrien dienen.

Die Fig. 2 zeigt nun eine Draufsicht auf ein Ende eines solchen Form­ körpers 11 in verkleinertem Maßstab, und zwar auf das Oberteil 13 mit einer Vielzahl solcher Öffnungen 13b, jedoch ohne Werkstücke, deren Einsatz beim Gebrauch der Zahl der Öffnungen 13b entspricht. Der auch hier vorhandene Formhohlraum 15 kann um jedes Werkstück herum geschlossen sein, er kann aber auch um einige oder alle Werkstücke herum durchgehend sein. Soll ein solcher Formkörper 11 nur teilweise mit Werkstücken gefüllt werden, so genügt es, die ansonsten frei bleibenden Öffnungen 12a und 13a durch Blindstopfen zu verschließen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Seitenansichten eines Transportgestells 16 mit einer Charge 17, bestehend aus zwölf Formkörpern 11 in drei Etagen. Das Transportgestell 16 besteht aus einem quaderförmigen Rahmengebilde, dessen einzelne Rahmenelemente mit den Kanten des Quaders zusam­ menfallen. Durch das Rahmengebilde erstreckt sich eine Vielzahl von waagerechten Traversen 18, auf denen die Förmkörper 11 ruhen.

Die Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine Durchlaufanlage 19 zur Behandlung von Chargen 17 nach den Fig. 3 und 4 in stark schemati­ sierter Darstellung. Die Durchlaufanlage 19 besitzt in einer Reihenanord­ nung - in Arbeitsrichtung gezählt - ingesamt fünf Kammern 20, 21, 22, 23 und 24, die durch innere Schleusenschieber 25, 26, 27 und 28 voneinander getrennt bzw. trennbar sind. Am Eingang der Durchlaufanlage 19 befindet sich ein Einschleusschieber 29 und am Ausgang ein Ausschleusschieber 30. Durch die Schieber 28 und 30 dient die letzte Kammer 24, die Abschreckkammer, gleichzeitig als Ausschleuskammer.

Die Kammer 20 ist eine Einschleuskammer und hat einen Stellplatz für eine Charge 17. Die Kammer 21 ist eine Aufheizkammer und hat Stellplätze für drei Chargen 17 sowie drei Umwälzgebläse 31. Die Kammer 22 ist eine Aufkohlungskammer und hat einen Stellplatz für eine Charge 17. Die Kammer 23 ist eine Diffusionskammer und hat Stellplätze für zwei Chargen 17. Die Kammer 24 ist eine kalte Hochdruck-Abschreckkammer und hat einen Stellplatz für eine Charge 17, ein Umwälzgebläse 32 und einen Gaskühler 33. Die Zahl der Chargen 17 in den Kammern 21, 22, 23 und 24 und die dadurch vorgegebenen Verweilzeiten und Kammerlängen sind auf eine bestimmte Taktzeit von beispielsweise 30 Minuten eingestellt.

Der Aufheizvorgang in der Kammer 21 beträgt somit 90 Minuten, und während dieser Zeit rücken die Chargen 17 taktweise alle 30 Minuten nach. Der Aufkohlvorgang in der Kammer 22 beträgt somit maximal 30 Minuten, kann aber innerhalb dieser Zeit und nach Erreichen der vorgegebenen Aufkohltiefe durch Unterbrechung der Spannungsversorgung für die Plasmaerzeugung abgebrochen werden. Der Diffusionsvorgang in der Kammer 23 beträgt somit 60 Minuten, und während dieser Zeit rücken die Chargen 17 taktweise alle 30 Minuten nach. Der Abschreckvorgang in der Kammer 24 beträgt somit maximal 30 Minuten, ist aber erfahrungsgemäß kurzzeitig beendet. Der Transport der Chargen 17 erfolgt durch ein an sich bekanntes Hubbalkensystem, das aber der Einfachheit halber nicht dargestellt ist.

Während aller Behandlungsvorgänge verbleiben die Werkstücke 1 in den Formkörpern, sie müssen also nicht "ausgepackt" und umgeladen werden. Es hat sich überraschend herausgestellt, daß die Kapselung in den Form­ körpern auch keinen negativen Einfluß auf andere Vorgänge als das Auf­ kohlen, insbesondere auf das Hochdruck-Gasabschrecken, hat. Vielmehr können die Werkstücke auch nach vollendeter Abschreckung und für weitere Nachbehandlungen in den Formkörpern verbleiben, wie beispiels­ weise in einer weiteren Anlage für eine Tiefkühlung durch gasförmigen Stickstoff von bis zu -150°C zur Restumwandlung des Austenits und nachfolgendes Anlassen.

Die Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 5 in vergrößertem Maßstab und mit zusätzlichen Details. Dargestellt sind in der Aufkohlkammer 22 eine Anordnung von Heizstäben 34, die auf beiden Seiten des Transport­ weges angeordnet sind, und ein Ständer 35, der auf Isolatoren 36 ruht. An diesen Ständer ist, was nicht dargestellt ist, der negative Pol einer Impuls- Spannungsquelle für eine Plasmaerzeugung angeschlossen, während die Kammerwände 22a sich auf Massepotential befinden. Auch die Gaszulei­ tungen für die verschiedenen möglichen Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan, Propan und Azetylen und ggf. Inertgase wie Stickstoff und Argon und ggf. ein Reduktionsgas wie Wasserstoff sowie Mischungen aus diesen Gasen sind ebensowenig dargestellt wie der Saugstutzen eines Vakuumpumpsatzes.

Beispiel

In einer Vakuum-Durchlaufanlage 19 nach den Fig. 5 und 6 wurden Chargen 17 mit der in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Anordnung und Ausbildung thermochemisch behandelt. Die quaderförmigen Formkörper 11 nach den Fig. 1 und 2 bestanden aus Grafit und hatten die Außen­ abmessungen L = 500 mm, B = 100 mm und H = 60 mm. Die Raumver­ teilung der hülsenförmigen Werkstücke 1, die aus einem üblichen Einsatz­ stahl bestanden, und der Hülsen 7 und 8 entsprach Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 2. Der taktweise Betrieb der Anlage ist weiter oben beschrieben. Die Taktzeit der Anlage betrug 30 Minuten. Die Gasatmosphäre in den Kammern 21, 22 und 23 bestand aus 50 Volumensprozent Methan, 25 Volumensprozent Argon und 25 Volumensprozent Wasserstoff. Die Drücke lagen bei etwa 100 Pa.

Die Chargen 17 wurden einzeln über die Kammer 20 einchargiert und zunächst in der Kammer 21 innerhalb von 90 Minuten mittels der Heizstäbe 34 auf eine Temperatur von 960 0C aufgeheizt. Danach wurde die jeweils letzte der Chargen 17 zum Aufkohlen bei gleichfalls 960°C in die Kammer 22 transportiert, und die Spannungsversorgung dieser Charge 17 wurde für die Dauer von 20 Minuten eingeschaltet. Die pulsierende bzw. getaktete Spannung betrug -700 Volt.

Anschließend wurde die aufgekohlte Charge 17 zur Diffusion des auf­ genommenen Kohlenstoffs bei gleichfalls 960°C in die Kammer 23 transportiert, in der sie unter einmaligem Umsetzen vom ersten auf den zweiten, durch Ausbringen der letzten Charge frei gewordenen, Stellplatz 60 Minuten verblieb. Anschließend wurde die jeweils letzte Charge 17 in die Kammer 24 verbracht und dort unter Härtung der aufgekohlten Teilbereiche unter Beachtung der üblichen Z-T-U-Diagramme abge­ schreckt. Ein solcher Vorgang ist in der EP 0 313 888 B2 sehr ausführlich beschrieben, so daß sich hier weitere Angaben erübrigen.

Nach dem anschließenden Tiefkühlen mit gasförmigem Stickstoff von bis zu -150°C und dem üblichen Anlassen wurde an den aufgekohlten Bereichen der Werkstücke 1 eine Härte HV von über 700 gemessen, und an einem Schliffbild wurde eine sehr gleichmäßige Einhärtetiefe von 0,7 bis 0,8 mm ermittelt. Der Verzug der Werkstücke lag innerhalb vorgegebener Toleranzen, und die Werkstücke 1 waren absolut rissfrei. Die Formkörper 11 konnten verzugsfrei beliebig oft wieder verwendet werden.

Soweit vorstehend "definierte" Hohlräume 2 innerhalb eines Werkstücks 1 beschrieben sind, handelt es sich um solche, die während der thermo­ chemischen Behandlung an mindestens einer Stelle von außen für die Ofenatmosphäre zugänglich sind, beispielsweise durch mindestens eine der jeweils einem Werkstück zugeordneten Öffnungen 12b und/oder 13b.

Bezugszeichenliste

1

Werkstück

1

a Fortsatz

1

b Außenseite

2

Hohlraum

3

Oberflächenbereich

4

Oberflächenbereich

5

Oberflächenbereich

6

Oberflächenbereich

7

Hülse

7

a Kragen

8

Hülse

8

a Kragen

9

Ringspalt

10

Trennfuge

11

Formkörper

12

Unterteil

12

a Zarge

12

b Öffnung

13

Oberteil

13

a Zarge

13

b Öffnung

14

Trennfuge

15

Formhohlraum

16

Transportgestell

17

Charge(n)

18

Traversen

19

Durchlaufanlage

20

Kammer

21

Kammer

22

Kammer

22

a Kammerwände

23

Kammer

24

Kammer

25

Schleusenschieber

26

Schleusenschieber

27

Schleusenschieber

28

Schleusenschieber

29

Einschleusschieber

30

Ausschleusschieber

31

Umwälzgebläse

32

Umwälzgebläse

33

Gaskühler

34

Heizstäbe

35

Ständer

36

Isolatoren
A-A Achse

Claims (35)

1. Verfahren zur partiellen thermochemischen Vakuumbehandlung von metallischen Werkstücken (1), insbesondere zum Aufkohlen und Einsatzhärten von Werkstücken (1) aus Einsatzstahl in einer kohlen­ stoffhaltigen Atmosphäre, wobei behandelte Oberflächenbereiche (3, 4, 5, 6) und unbehandelte Oberflächenbereiche aneinanderstoßen, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht zu behandelnden Oberflä­ chenbereiche während der Behandlung der übrigen Oberflächen­ bereiche (3, 4, 5, 6) durch wiederverwendbare Formkörper (11) aus einem temperaturbeständigen Material abgedeckt werden, und daß der Formkörper (11) mindestens ein Werkstück (1) derart ein­ schließt, daß zwischen dem Formkörper (11) und dem mindestens einen Werkstück (1) keine thermochemische Behandlung stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermochemische Behandlung unter Plasmaeinwirkung durchgeführt wird und daß der Formkörper (11) aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Behandeln von Werkstücken (1) mit definierten Hohlräumen (2), die der thermochemischen Behandlung ausgesetzt werden, die Werk­ stücke (1) in einem Formkörper (11) mit mindestens einem Form­ hohlraum (15) und mindestens einer Öffnung (12b, 13b) unterge­ bracht werden, durch die die kohlenstoffhaltige Atmosphäre in den Hohlraum (2) der Werkstücke (1) eintritt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkörper (11) mit mehreren Formhohlräumen (15) für die Aufnahme jeweils eines Werkstücks (1) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Form­ körper (11) als Gehäuse mit einem Oberteil (13) ausgebildet ist und daß zumindest das Oberteil (13) Öffnungen (13b) aufweist, die mit den Hohlräumen in den Werkstücken (1) kommunizieren und durch die die kohlenstoffhaltige Atmosphäre in die Werkstücke (1) eintritt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen nicht zu behandelnden Oberflächenbereichen der Werkstücke (1) und dem Formkörper (11) zur Abdichtung Hülsen (7, 8) eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Formkörper (11) zu einer Charge (17) vereinigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren im Vakuumbereich zwischen 10 Pa und 3000 Pa, vorzugs­ weise zwischen 50 Pa und 1000 Pa, durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit Plasmaspannungen zwischen 200 und 2000 Volt, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 Volt, durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma impulsförmig eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer zwischen 10 und 200 µs und die Pausendauer zwischen 10 und 500 µs gewählt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffhaltiges Gas mindestens ein Kohlenwasserstoff aus der Gruppe Methan, Ethan, Propan und Azetylen ausgewählt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem kohlenstoffhaltigen Gas mindestens ein Gas aus der Gruppe Argon, Stickstoff und Wasserstoff zugesetzt wird, wobei der Anteil des mindestens einen Kohlenwasserstoffes zwischen 10 und 90 Volu­ mens-% gewählt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Formkörper (11) Grafit verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Formkörper (11) CFC verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Formkörper (11) ein Werkstoff verwendet wird, der zumindest bis zu einer Temperatur von 1050°C, vorzugsweise bis 1200°C, keine Verzugserscheinungen aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die plasmaseitigen Enden des mindestens einen Formhohlraums (15) der Formkörper (11) gegenüber dem jeweiligen Werkstück (1) plasmadicht ausgebildet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (1) innerhalb des Formkörpers (11) vor der Aufkohlung einem Aufheizvorgang ausgesetzt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (1) innerhalb des Formkörpers (11) nach der Aufkohlung einem Diffusionsvorgang ausgesetzt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (1) innerhalb des Formkörpers (11) nach dem Diffusionsvorgang einer Hochdruck-Gasabschreckung ausgesetzt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (1) innerhalb des Formkörpers (11) nach der Hoch­ druck-Gasabschreckung mindestens einer Weiterbehandlung aus der Gruppe Tiefkühlung und Anlassen ausgesetzt werden.

22. Vorrichtung zur Verwendung in einer Einkammeranlage oder in einer Mehrkammer-Durchlaufanlage zur partiellen thermochemischen Vakuumbehandlung von metallischen Werkstücken (1), insbeson­ dere zum Aufkohlen und Einsatzhärten von Werkstücken (1) aus Einsatzstahl in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, wobei behandelte Oberflächenbereiche (3, 4, 5, 6) und unbehandelte Oberflächenbereiche aneinanderstoßen, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Abdeckung nicht zu behandelnder Oberflächenbereiche während der Behandlung der übrigen Oberflächenbereiche (3, 4, 5, 6) ein wiederverwendbarer Formkörper (11) vorgesehen ist, der aus einem temperaturbeständigen Material besteht und in dem mindestens ein Formhohlraum (15) für das Einsetzen mindestens eines Werkstücks (1) vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Werkstück (1) im Formhohlraum (15) derart einschließbar ist, daß zwischen dem Formkörper (11) und dem mindestens einen Werkstück (1) keine thermochemische Behandlung stattfindet.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht und daß das mindestens eine Werkstück (1) im Formhohlraum (15) derart einschließbar ist, daß sich zwischen dem Formkörper (11) und dem mindestens einen Werkstück (1) kein Plasma ausbildet.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) zum Behandeln von Werkstücken (1) mit Hohl­ räumen (2), die einer thermochemischen Vakuumbehandlung ausgesetzt werden, mindestens eine Öffnung (12b, 13b) besitzt, die mit dem Hohlraum (2) des jeweils zugehörigen Werkstücks (1) kommuniziert.

25. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) als Gehäuse mit einem Oberteil (13) ausgebildet ist und daß zumindest das Oberteil (13) mindestens eine Öffnung (13b) aufweist, die mit dem Hohlraum (2) in dem jeweils zugehö­ rigen Werkstück (1) kommuniziert.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) ein Unterteil (12) aufweist, das mindestens eine Öffnung (12b) aufweist, und daß die Achsen der Öffnungen (13a, 12a) im Oberteil (13) und im Unterteil (12) fluchten.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Unterteil (12) und Oberteil (13) eine auf dem Umfang umlaufende Z-förmige Trennfuge (14) angeordnet ist, die eine teleskopartige Bewegung zwischen Unterteil (12) und Oberteil (13) ermöglicht.

28. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die plasmaseitigen Enden der Öffnungen (12b, 13b) im Formkörper (11) gegenüber dem jeweiligen Werkstück (1) plasmadicht ausge­ bildet sind.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch Hülsen (7, 8) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, die zwischen dem Werk­ stück (1) und dem Unterteil (12) einerseits und dem Werkstück (1) und dem Oberteil (13) andererseits einsetzbar und derart an das Werkstück (1) angepaßt sind, daß nicht zu behandelnde Ober­ flächenbereiche der Werkstücke (1) plasmadicht abgedeckt sind.

30. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Formkörper (11) durch ein Transportgestell (16) zu einer Charge (17) vereinigt sind.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Transportgestell (16) Traversen (18) zur Aufstellung von Formkörpern (11) nebeneinander und übereinander aufweist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Formkörper (11) Grafit verwendet wird.

33. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Formkörper (11) CFC verwendet wird.

34. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Formkörper (11) ein Werkstoff verwendet wird, der zumindest bis zu einer Temperatur von 1050°C, vorzugsweise bis 120000, keine Verzugserscheinungen aufweist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (11) innerhalb einer evakuierbaren Kammer (22) mit einem Einlaß für mindestens einen Kohlenwasserstoff angeordnet und als Katode für eine Plasmaausbildung geschaltet ist.