DE10209382B4

DE10209382B4 - Verfahren zur Aufkohlung von Bauteilen

Info

Publication number: DE10209382B4
Application number: DE2002109382
Authority: DE
Inventors: Nils Lippmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2022-03-03
Also published as: FR2836689B1; FR2836689A1; DE10209382A1

Abstract

Verfahren zur Aufkohlung von Bauteilen aus Stahl, ins besondere von Bauteilen mit komplexer Geometrie, wobei ein Druckpuls in einem Aufkohlungsofen (1) durch Zuführung eines Volumenstromes (V) eines Aufkohlungsmediums erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (V) des Aufkohlungsmediums während eines Druckpulses derart geregelt und gesteuert variiert wird, daß eine gleichmäßige Aufkohlung eines aufzukohlenden Bauteiles erreicht wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkohlung von Bauteilen aus Stahl nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Aus der Praxis sind Verfahren zum Aufkohlen von aus Stahl gefertigten Bauteilen, wobei die Randschicht eines kohlenstoffarmen Stahls mit Kohlenstoff angereichert bzw. aufgekohlt wird, bevor ein Härten des Werkstücks erfolgt, hinlänglich bekannt. Dabei wird beim Unterdruckaufkohlen mit einem Vakuumofen gearbeitet, der eine sogenannte Prozeßkammer aufweist, in welche zur Durchführung der Aufkohlung die Werkstücke auf Chargenträgern eingebracht werden. Die Prozeßkammer wird von einem kohlenstoffabgebenden Prozeßgas durchströmt, um den Randbereich der Werkstücke mit Kohlenstoff anzureichern.
Ein solches Verfahren zum Aufkohlen von metallischen Werkstücken in einem Vakuumofen ist beispielsweise aus der EP 0 882 811 B1 bekannt.
Bei einem Unterdruckaufkohlen mit thermischem Zerfall der Prozeßgase, d. h. der Kohlenwasserstoffe, in der Prozeßkammer werden die Prozeßgase während der einzelnen Prozeßschritte pulsierend eingespritzt, wobei die Prozeßkammer alternierend evakuiert und/oder einer Stickstoffspülung ausgesetzt wird.
Beim Aufbau eines Druckpulses aus dem Vakuum wird ein konstanter Volumenstrom des Aufkohlungsgases in einen Innenraum eines Aufkohlungsofens eingeführt. Die Druckregelung erfolgt über Drosselklappen bzw. Vakuumpumpen, vorzugsweise Wälzkolbenpumpen, mit variabler Drehzahl und damit veränderter Saugleistung.
Die Gleichmäßigkeit der Aufkohlung insbesondere des Mantelbereiches der Bohrung und des Bohrungsgrundes im Vergleich zur freien Oberfläche der aufzukohlenden Bauteile ist beim Aufbau eines Druckpulses aus dem Vakuum etwas günstiger als bei einem reinen Austausch von Prozeßgasen im Innenraum eines Aufkohlungsofens. Eine weitere Einflußgröße für die Gleichmäßigkeit der Aufkohlung am Bauteil mit Bohrungen stellt der Druckverlauf des Druckes im Innenraum des Aufkohlungsofens bzw. der Verlauf des Druckpulses dar. So werden bei geringem Druck und niedrigen Gasdurchflußmengen je nach Geometrie bzw. dem jeweilig vorliegenden Verhältnis zwischen Durchmesser und Bohrungstiefe nachteilhafterweise nur die Außenbereiche des Bauteils aufgekohlt und die Mantelfläche der Bohrung oder der Bohrungsgrund bleiben unbehandelt oder werden nur in unerwünschtem Maße in den den Außenbereichen nahen Randbereichen aufgekohlt.
Wird eine Aufkohlung mit konstanten Volumenströmen des Prozeßgases über die gesamte Pulsdauer durchgeführt, wird eine Gleichmäßigkeit bei der Aufkohlung der verschiedenen Bereiche eines Bauteiles ebenfalls nicht erreicht, da sich eine gleichmäßige Konzentration des Aufkohlungsgases im Inneren eines Aufkohlungsofens und auch an schwer zugänglichen Stellen eines aufzukohlenden Bauteils, wie beispielsweise Innenbereiche von Sacklochbohrungen, nur sehr langsam ein stellt.
Zudem gilt es, eine lokale Überkohlung zu vermeiden, welche zu einer erhöhten Ausbildung ledeburitischer Carbide führt, welche eine Festigkeits- bzw. Zähigkeitsminderung des Werkstücks in dem betreffenden Bereich hervorrufen. Ein derartig überkohltes Werkstück ist somit in der Regel unbrauchbar.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufkohlen von Bauteilen aus Stahl, insbesondere von Bauteilen mit komplexer Geometrie nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem der Volumenstrom des Aufkohlungsmediums während eines Druckpulses derart gesteuert und geregelt variiert wird, daß eine gleichmäßige Aufkohlung eines aufzukohlenden Bauteiles erreicht wird, hat den Vorteil, daß eine schnelle gleichmäßige Verteilung des Aufkohlungsmediums durch eine Einstellung einer gleichmäßigen Konzentrationsverteilung des Aufkohlungsmediums und einer Einstellung gleicher Prozeßparameter ermöglicht wird.
Durch die gleichmäßige Aufkohlung der Bauteile, insbesondere von Bohrungsinnen- und Bohrungsaußenbereichen der Bauteile, werden erhebliche qualitative und prozeßtechnische Vorteile erzielt, da Verringerungen der Streuungen der Einsatzhärtungstiefe am einzelnen Bauteil und auch von Chargen mehrerer Bauteile erreicht werden.
Zudem werden mit dem Verfahren nach der Erfindung in vorteilhafter Weise die Prozeßzeiten verringert, da die Einsatzhärtungstiefe in Bohrungsinnenbereichen bereits nach kürzerer Aufkohlungsdauer erreicht wird als mit bekannten Aufkohlungsverfahren.
Darüber hinaus ist von Vorteil, daß auf einfache Art und Weise eine Überkohlung an Bauteilkanten in Außenbereichen von Bohrungen der aufzukohlenden Bauteile verhindert wird, wodurch auch eine Gewährleistung der Bauteilfestigkeit erreicht wird.
Des weiteren ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der daraus resultierenden gleichmäßigen Aufkohlung vorteilhafterweise die Möglichkeit, eine Aufkohlung bei höheren Prozeßtemperaturen durchzuführen. Daraus ergibt sich wiederum eine Reduzierung der Prozeßdauer für die Aufkohlung, da durch die höheren Prozeßtemperaturen ein verbesserter Kohlenstoffübergang vom Aufkohlungsmedium in den Randbereich eines aufzukohlenden Bauteiles aufgrund einer Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffes vorliegt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel eines Verlaufes eines Druckpulses, welcher sich bei dem Betrieb eines Aufkohlungsofens nach dem Verfahren gemäß der Erfindung einstellt, ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Aufkohlungsofens; und
2 einen stark vereinfachten Verlauf eines in den Aufkohlungsofen geführten Volumenstromes eines Aufkohlungsmediums und eines weiteren Gases sowie einen damit korrespondierenden bzw. daraus resultierenden Verlauf eines Druckpulses.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines Aufkohlungsofens 1 mit einem Einlaß 2 und einem Auslaß 3, über welche verschiedene Prozeßgase zu- bzw. abgeführt werden können.
In einem Innenraum 4 des Aufkohlungsofens 1 ist ein nicht näher dargestelltes Bauteil aus Stahl mit komplexer Bauteilgeometrie zum Aufkohlen angeordnet. Die komplexe Bauteilgeometrie ist durch mehrere Durchgangsbohrungen und Sacklochbohrungen gekennzeichnet und stellt beim Aufkohlen an die Prozeßführung hohe Anforderungen bezüglich des Transportes eines Aufkohlungsmediums an die schwer zugänglichen Innenbereiche der Bohrungen.
Im Bereich des Auslasses 3 ist eine Absaugeinrichtung 5 vorgesehen, die bei der vorliegenden Ausführung mit einer nicht näher dargestellten Pumpe mit konstanter oder variabler Drehzahl ausgestaltet sein kann, mittels der eine Absaugung von Prozeßgasen aus dem Innenraum 4 und eine entsprechende Vakuumregelung durchgeführt wird.
Im Bereich des Einlasses 2 ist ein sogenannter Massendurchflußcontroller 6 angeordnet, mittels dem der Volumenstrom eines in den Innenraum 4 des Aufkohlungsofens 1 zugeführten Aufkohlungsmediums sehr schnell, d. h. innerhalb einiger Sekunden, zeitabhängig gesteuert und geregelt wird, und der vorliegend als ein Druckregelventil mit einem Heißdrahtsensor ausgeführt ist. Hiervon abweichend können aber auch andere für den jeweilig vorliegenden Anwendungsfall geeignete Steuer- und Regelelemente zur Einstellung der in den Innenraum des Aufkohlungsofens geführten Volumenströme eingesetzt werden.
In 2 ist der Verlauf eines Volumenstromes V eines dem Innenraum 4 des Aufkohlungsofens 1 zugeführten Aufkohlungsmediums, ein Verlauf eines Volumenstromes V_g eines weiteren in den Aufkohlungsofen 1 geführten Gases oder Gasgemisches und ein mit den beiden Volumenströmen V, V_g korrespondierender bzw. daraus resultierender Verlauf eines Druckes p in dem Innenraum 4 des Aufkohlungsofens 1 über der Zeit t dargestellt.
Der gesamte Verlauf des Druckes p wird auch als ein Druckpuls bezeichnet, welcher zur Erzielung einer gleichmäßigen Aufkohlung eines Randbereiches eines beispielsweise mit Sacklochbohrungen und/oder Durchgangsbohrungen ausgebildeten Bauteiles in dem Innenraum 4 des Aufkohlungsofens 1, vorzugsweise über einen Zeitraum von etwa einer Minute und ausgehend von einem Druckwert in dem Innenraum 4 des Aufkohlungsofens von < 10^–1 mbar bis 10^–2 mbar, erzeugt wird.
Zu Beginn des Druckpulses wird durch eine sprunghaft erhöhte Durchflußmenge des Aufkohlungsmediums und des weiteren Gases bzw. des Volumenstromes V des Aufkohlungsmediums sowie eines Volumenstromes V_g des weiteren Gases ein schneller Druckaufbau im Innenraum 4 erzeugt. Ein in einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung vorgehaltener Solldruckwert wird vorzugsweise auf einen Wert von 4 mbar bis 6 mbar erhöht, um ein Nachregeln des Druckes p im Innenraum 4 des Aufkohlungsofens 1 durch das Vakuumsystem bzw. die Absaugeinrichtung 5 zu verhindern.
Um eine Ruß- und Teerabscheidung aufgrund einer Ausbildung von langkettigen Kohlenwasserstoffen im Aufkohlungsofen 1 zu vermeiden, wird zur Verringerung des Partialdruckes und zur Reaktion mit den Abprodukten des Aufkohlungsmediums das weitere, nicht mit. dem aufzukohlenden Bauteil reagierende Gas hinzugefügt bzw. in den Innenraum 4 eingeleitet. Der zusätzlich zugeführte Volumenstrom V_g bzw. das weitere Gas ist vorliegend Wasserstoff, wobei es selbstverständlich im Ermessen des Fachmannes liegt, auch andere Gase, wie beispielsweise Stickstoff, Edelgase oder ein Gemisch dieser Gase, neben dem Aufkohlungsmedium in den Aufkohlungsofen einzuleiten.
Das beschriebene Verfahren kann jedoch auch ohne Zuführung des weiteren Gases, also nur mit der Einleitung des Aufkohlungsmediums, durchgeführt werden.
Der Einsatz von Wasserstoff führt zu einer effizienten Vermeidung einer Ruß- und Teerabscheidung an der Bauteiloberfläche, da sich bei einem Wasserstoffüberschuß durch eine Reaktion des Aufkohlungsmediums mit dem Wasserstoff an der Werkstoffoberfläche vorzugsweise kurzkettige Kohlenwasserstoffe bilden, die eine Ausscheidung von Kohlenstoff in Form von Ruß oder Teer vermeiden.
Bei dem Aufkohlungsmedium handelt es sich vorliegend vorzugsweise um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethen und Ethin. Es liegt selbstverständlich im Ermessen des Fachmannes, in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles andere geeignete Aufkohlungsgase auszuwählen und einzusetzen.
Durch den schnellen Druckaufbau, im vorliegenden Fall ausgehend von einem Druckwert in einem Bereich von < 10^–1 mbar bis 10^–2 mbar auf einen Wert von etwa 4 mbar innerhalb von 10 s bis 15 s, wird im Innenraum 4 des Aufkohlungsofens 1 eine gleichmäßige Konzentrationsverteilung des Aufkohlungsmediums erreicht, so daß der Aufkohlungsprozeß im Bauteilrandbereich von Innen- und Außenflächen eines aufzukohlenden Bauteiles gleichmäßig erfolgt. Dadurch wird eine Reduzierung der Prozeßzeiten bzw. der Aufkohlungszeiten erreicht, was zu einer Erhöhung des Durchsatzes eines Aufkohlungsofens führt.
Nach dem sprunghaften Anheben des Volumenstromes V des Aufkohlungsmediums und auch des Volumenstromes V_g des weiteren Gases zu Beginn des Druckpulses wird der Volumenstrom V des Aufkohlungsmediums und der Volumenstrom V_g des weiteren Gases während einer ersten Druckpulsphase I wenigstens annähernd konstant gehalten und daran anschließend während einer zweiten Druckpulsphase II stetig bis zu einem vorgegebenen Schwellwert V_schwell bzw. V_g_schwell reduziert. Die Schwellwerte V_schwell und V_g_schwell sind derart bemessen, daß sich in jedem Fall der dargestellte Verlauf des Druckes p in dem Innenraum 4 des Aufkohlungsofens einstellt.
Nach Erreichen der Schwellwerte V_schwell und V_g_schwell wird der Volumenstrom V des Aufkohlungsmediums und der Volumenstrom V_g des weiteren Gases während einer dritten Druckpulsphase III wenigstens annähernd konstant gehalten, wobei der Volumenstrom V des Aufkohlungsmediums und der Volumenstrom V_g des weiteren Gases nach Ablauf der dritten Druckpulsphase III auf einen Minimalwert V_min bzw. V_g min, d. h. auf Null, abgesenkt wird.
Entsprechend der eingestellten Prozeßparameter wird zusätzlich zu der Steuerung und Regelung des Druckes p im Innenraum 4 über die zugeführten Volumenströme V und V_g zusätzlich eine Vakuumregelung mittels der Absaugeinrichtung 5 vorgenommen, welche mit der Pumpe mit variabler Drehzahl der Absaugeinrichtung 5 durchgeführt wird. Die Vakuumregelung wird vorzugsweise 30 s nach dem Start des Verfahrens, welches mit dem Druckaufbau im Innenraum des Aufkohlungsofens beginnt, eingeleitet, wobei sich der zusätzliche Eingriff aufgrund einer längeren Ansprechzeit auf das System erst nach und nach auswirkt.
Abweichend hiervon kann es auch vorgesehen sein, daß die Vakuumregelung mit einer Absaugeinrichtung durchgeführt wird, die mit Drosselklappen und einer Pumpe mit konstanter Drehzahl ausgebildet ist, wobei die Vakuumregelung über die Verstellung der Drosselklappe erfolgt.
Nach Absenken des Volumenstromes des Aufkohlungsmediums auf den Minimalwert V_min wird das Aufkohlungsmedium sowie das weitere Gas aus dem Aufkohlungsofen abgesaugt, so daß sich der in der 2 dargestellte Verlauf des Druckes p einstellt.
Um den Druck p nach dem Druckpuls schnell abzusenken, weist die Pumpe der Absaugeinrichtung 5 zweckmäßigerweise eine hohe Pumpleistung auf. Durch den schnellen Druckaufbau zu Beginn des Druckpulses sowie durch die starke Absaugung des Aufkohlungsmediums am Ende des Druckpulses und die damit einhergehende schnelle Druckabsenkung wird eine hohe Gleichmäßigkeit der Aufkohlung eines aufzukohlenden Bauteiles erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Aufkohlungsofen
2: Gaseinlaß
3: Gasauslaß
4: Innenraum des Aufkohlungsofens
5: Absaugeinrichtung
6: Massendurchflußcontroller
I: erste Druckpulsphase
II: zweite Druckpulsphase
III: dritte Druckpulsphase
p: Druck
V: Volumenstrom des Aufkohlungsmediums
V_g: Volumenstrom des weiteren Gases
V_schwell: Schwellwert des Volumenstromes des Aufkohlungsmediums
V_g_schwell: Schwellwert des Volumenstromes des weiteren Gases
V_min: Minimalwert des Volumenstromes des Aufkohlungsmediums
V_g_min: Minimalwert des Volumenstromes des weiteren Gases
t: Zeit

Claims

Verfahren zur Aufkohlung von Bauteilen aus Stahl, ins besondere von Bauteilen mit komplexer Geometrie, wobei ein Druckpuls in einem Aufkohlungsofen (1) durch Zuführung eines Volumenstromes (V) eines Aufkohlungsmediums erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (V) des Aufkohlungsmediums während eines Druckpulses derart geregelt und gesteuert variiert wird, daß eine gleichmäßige Aufkohlung eines aufzukohlenden Bauteiles erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (V) mittels eines Massendurchflußcontrollers (6) an einem Einlaß (2) des Aufkohlungsofens (1) geregelt und gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (V) des Aufkohlungsmediums zu Beginn eines Druckpulses derart sprunghaft angehoben wird, daß ein schneller Druckaufbau in einem Innenraum (4) des Aufkohlungsofens (1) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (V) des Aufkohlungsmediums während einer ersten Druckpulsphase (I) wenigstens annähernd konstant gehalten wird und daran anschließend während einer zweiten Druckpulsphase (II) geregelt auf einen vorgebbaren Schwellwert (V_schwell) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (V) des Aufkohlungsmediums nach Erreichen des Schwellwertes (V_schwell) während einer dritten Druckpulsphase (III) wenigstens annähernd konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom (V) nach der dritten Druckpulsphase (III) auf einen Minimalwert (V_min) abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solldruckwert derart erhöht wird, daß eine Nachregelung eines Druckes (p) des Innenraumes (4) des Aufkohlungsofens (1) durch ein mit dem Aufkohlungsofen (1) verbundenes Vakuumsystem (5) unterbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufkohlungsmedium ein ungesättigter gasförmiger Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Ethen oder Ethin, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Partialdruckes des Aufkohlungsmediums während eines Druckpulses zusätzlich ein nicht mit dem aufzukohlenden Bauteil reagierendes weiteres Fluid in den Innenraum (4) des Aufkohlungsofens (1) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Volumenstrom (V_g) des weiteren Fluids während eines Druckpulses derart geregelt und gesteuert variiert wird, daß eine gleichmäßige Aufkohlung eines aufzukohlenden Bauteiles erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid vorzugsweise Wasserstoff, Stickstoff oder ein Edelgas ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung einer Absaugung des Aufkohlungsmediums sowie des Fluids über Drosselklappen und wenigstens eine Pumpe mit konstanter Drehzahl erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung einer Absaugung des Aufkohlungsmediums sowie des Fluids mittels wenigstens einer Pumpe mit variabler Drehzahl erfolgt.