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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumaufkohlungsverfahren.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Die
aufkohlende Behandlung, die am weitesten verbreitet als ein Verfahren
zur Oberflächenverbesserung
von Eisen und Stahl verwendet wird, ist allgemein eine Gasaufkohlung
in einer gasförmigen Atmosphäre; jedoch
weist eine Gasaufkohlung die Probleme einer Ausbildung einer abnormalen
Oberflächenschicht
auf, weist eine unzureichende Ofenstruktur für eine Hochtemperaturaufkohlung
auf, erzeugt Ruß und
weist zahlreiche Aufkohlungsbedingungen auf, die schwierig zu steuern
bzw. zu regeln sind usw., und Vakuumaufkohlungsverfahren, die einen
Vakuumaufkohlungsofen verwenden, wurden geoffenbart, um diese Probleme
zu lösen.
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In
Verfahren zum Aufkohlen im Vakuum gemäß dem Stand der Technik wird
ein gasförmiger,
gesättigter,
aliphatischer Kohlenwasserstoff als das Aufkohlungsgas verwendet.
Somit wurden Methantypgase, wie Methangas (CH4),
Propangas (C3H8) und
Butangas (C4H10),
als gasförmige,
gesättigte,
aliphatische Kohlenwasserstoffe angewandt; diese Aufkohlungsgase
werden direkt in die Heizkammer eines Vakuumaufkohlungsofens zugeführt, in
welchem Werkstücke,
enthaltend Stahlmaterial, auf etwa 900-1000°C erhitzt werden, und es wird
in der Heizkammer thermolysiert und der in diesem Verfahren gebildete,
aktivierte Kohlenstoff dringt in die Oberfläche des Stahlmaterials ein,
um eine Aufkohlung und Dispersion von der Oberfläche desselben zu bewirken.
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Um
das Aufkohlungsgas zur Gänze
auf die Oberfläche
des Werkstücks
in diesem Fall zu bringen, ist es notwendig, daß das Aufkohlungsgas die Gesamtoberfläche der
Werkstücke
durchtritt, und daher wird die Heizkammer, die die Werkstücke hält, auf
einem Vakuum gehalten und der Druck des Ofens wird durch Rühren des
Aufkohlungsgases in diesem, wenn es zugeführt wird, oder durch pulsierendes
Zusetzen variiert.
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In
diesem Zusammenhang ist die Vorstellung in dem Vakuumaufkohlungsverfahren
gemäß dem Stand
der Technik jene, daß ein
Kohlenwasserstoff allgemein als das Aufkohlungsgas zugeführt werden sollte,
um eine starke Aufkohlung zu ergeben, und als die Kohlenwasserstoffe
werden gasförmige,
gesättigte,
aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie die Gase des Methantyps, wie
sie oben beschrieben sind, angewandt.
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Der
Grund ist, daß unter
Fachleuten angenommen wird, daß die
Gase des Methantyps in dem Temperaturbereich bis etwa 1100°C, bei welchem Stahlmaterialien
aufgekohlt werden, stabil sind und eine Aufkohlungskraft umso stärker wird,
je mehr das Molekulargewicht ansteigt, obwohl die Stabilität sinkt und
Ruß produziert
wird, wohingegen angenommen wird, daß ungesättigte, gasförmige, aliphatische
Kohlenwasserstoffe, wie Acetylengase (z.B. offenbart DATABASE WPI
Sektion Ch, Woche 8010 Derwent Publications Ltd., London, GB; Klasse
M13, AN 80-17823C XP 002073053 & SU-A-668
978 die Verwendung von Acetylengas bei einem Druck von mehr als
1,01325 kPa) instabiler als die Gase des Methantyps sind und eine
Thermolyse besser fortschreitet als eine Aufkohlung, so daß sie, wenn
sie als Aufkohlungsgase verwendet werden, nur Ruß produzieren und überhaupt
nicht als Aufkohlungsgase geeignet sind (siehe Kawakami & Gosha "Kinzoku hyomen koka
shori gijutsu" ["Metal surface hardening
treatments"] Miki
Shoten (25. Oktober 1971) S. 139).
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Folglich
werden in der Praxis nur gasförmige, gesättigte,
aliphatische Kohlenwasserstoff-Methantypgase, wie Methangas (CH4), Propangas (C3H8) und Butangas (C4H10), als Aufkohlungsgase verwendet und gasförmige, ungesättigte Kohlenwasserstoff-Acetylentypgase
wurden ignoriert.
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Obwohl
das konventionelle Vakuumaufkohlungsverfahren die Qualitätsprobleme
mit bzw. bei einer Gasaufkohlung gelöst hat, weist es jedoch immer noch
die unten aufgelisteten Probleme auf.
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Diese
umfassen die Folgenden:
- 1. Eine Menge Ruß wird produziert,
was die Durchführung
einer Wartung kompliziert und schmutzig macht.
- 2. Eine gleichmäßige Aufkohlung,
ohne die Anzahl der Werkstücke,
die in die Heizkammer eingesetzt sind, ab zusenken und die Gasmenge
anzuheben, ist schwierig.
- 3. Es ist ungeeignet für
ein Aufkohlen von Löchern mit
kleinem Durchmesser und engen Rissen bzw. Spalten in Werkstücken.
- 4. Die Kosten des Equipments bzw. der Ausrüstung sind hoch und sie ist
auf spezielle Verwendungen be schränkt.
- 5. Die Produktivität
ist niedrig und die Behandlungsko sten sind im Vergleich mit einer
Gasaufkohlung hoch.
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Der
Mechanismus der Thermolyse des Aufkohlungsgases gemäß dem Stand
der Technik ist durch die unten angeführten Gleichungen gezeigt. C3H8 → [C] + C2H6 + H2 C2H6 → [C] + CH4 + H2 CH4 → [C]
+ 2H2
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In
den obigen Gleichungen ist [C] der aktivierte Kohlenstoff, der zu
einer Aufkohlung beiträgt. Aktivierter
Kohlenstoff aus der Zersetzung in dem Raum innerhalb des Ofens,
außer
jenem auf der Oberfläche
des Werkstücks,
wird einfach Ruß und dies
ist der Grund einer Rußproduktion
in der Vakuumaufkohlung.
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Maßnahmen,
um die Produktion dieses Rußes
abzusenken, umfassen die Folgenden.
- a. Verwenden
des Aufkohlungsgases verdünnt mit
einem Inertgas (Gasdruck, wie in dem Verfahren gemäß dem Stand
der Technik), um die Quantität
bzw. Menge an Aufkohlungsgas in dem Ofen so verdünnt wie möglich zu machen.
- b. Mischen einer Sauerstoffquelle (z.B. eines Alkohols) mit
dem Aufkohlungsgas in einem Ausmaß, welches keine abnormale
Schicht ausbilden wird, so daß ein
Teil des aktivierten Kohlenstoffs für ein Aufkohlen als CO zur
Verfügung
gestellt wird und überschüssiges CO-Gas
aus dem Ofen ausgebracht bzw. ausgeblasen wird.
- c. Eine Maßnahme,
welche Vorteile außer
dem Entgegenwirken der Rußbildung
aufweist, involviert eine Ausbildung eines Plasmas in der Nähe der Werkstückoberfläche, um
das verdünnte
Aufkohlungsgas zu ionisieren und effizient eine Anziehung bzw. ein
Auftreffen auf die Werkstückoberfläche zu verwenden
bzw. einzusetzen, so daß wenig
Ruß durch
eine Zersetzung in dem Rest des Ofenraums gebildet wird (Plasmaaufkohlung).
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All
diese Gegenmaßnahmen
können
die Menge an gebildetem Ruß verringern,
jedoch haben sie das Problem, daß dadurch die Kosten für die Einrichtung
bzw. Ausrüstung
und die Behandlung bzw. Bearbeitung erhöht werden und die ursprünglichen Vorzüge einer
Vakuumaufkohlung verloren werden.
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Wenn
es dazu kommt, eine gleichmäßige Aufkohlung
zu erhalten, ist es auch unmöglich,
eine Änderung
in der Vakuumaufkohlungstiefe mit einer Vakuumaufkohlung unter Verwendung
eines Gases des Methantyps als das Aufkohlungsgas zu vermeiden,
wenn der Spalt zwischen geladenen Werkstücken unzureichend ist oder
wenn die Werkstücke
Löcher
mit kleinem Durchmesser oder enge Spalte aufweisen, da eine geeignete
Aufkohlungstiefe tief im Inneren der Löchern oder Spalten nicht erreicht
wird, oder wenn nebeneinander angeordnete Stücke zu nahe beieinander liegen.
Wenn ein Aufkohlungsverfahren in einem Ofen in einer Heizkammer,
die mit einer Gaszirkulationsvorrichtung, einer Gasmischvorrichtung
oder einer Hochgeschwindigkeits-Gassprühvorrichtung versehen ist,
durchgeführt
wird, wenn Löcher
mit 4 mm Durchmesser und 28 mm Tiefe in den Werkstücken offen
waren, war beispielsweise die effiziente Aufkohlungstiefe am Boden
der Löcher
etwa 0,30 mm gegenüber
etwa 0,51 mm in der Außenoberfläche des
Werkstücks.
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Es
wird angenommen, daß diese Änderung in
der Aufkohlungstiefe auftritt, da die Anzahl von Wasserstoffatomen
relativ groß im
Vergleich zur Anzahl von Kohlenstoffatomen ist, und bei einer Zersetzung
in der Heizkammer für
eine Herstellung von atomarem Kohlenstoff mehr Wasserstoffmoleküle, die durch
Zersetzung hergestellt wurden, in dem Gas vorliegen und dies den
mittleren, freien Weg von Aufkohlungsmolekülen verringert.
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Um
daher eine Aufkohlungsbehandlung durchzuführen, so daß die gewünschte Aufkohlungstiefe auf
der Innenwandoberfläche
von Löchern
mit kleinem Durchmesser sichergestellt werden kann, wird eine Aufkohlungsbehandlung
durchgeführt,
indem Kohlenstoff in Löcher
zugeführt
wird oder indem mehr Aufkohlungsgas als erforderlich zugeführt und ein
Mischen des Gasflusses durchgeführt
wird, und dies resultiert in einem Anstieg der Menge an gebildetem
Ruß.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Antwort auf Probleme, wie sie oben
beschrieben wurden, und es ist ihr Ziel, ein Verfahren zur Vakuumaufkohlung zur
Verfügung
zu stellen, welches die Produktion von Ruß niedrig hält, eine gleichmäßige Aufkohlung
der gesamten Oberfläche
von Werkstücken,
umfassend die Innenwände
von tiefen Vertiefungen ermöglicht, und
bei der Gasmenge und der Menge an angewandter Hitze spart.
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Ein
Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 definiert ist,
in welchem eine Aufkohlungsbehandlung durch Vakuumerhitzen von Werkstücken aus
einem Stahlmaterial in der Heizkammer eines Vakuumaufkohlungsofens
durchgeführt
wird und ein Aufkohlungsgas in die Heizkammer zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß Acetylengas als
das Aufkohlungsgas eingesetzt wird und daß die Aufkohlungsbehandlung in
der Heizkammer bei einem Vakuum von ≤ 0,3 kPa durchgeführt wird.
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Darüber hinaus
können
Stahlprodukte durch die vorliegende Erfindung erhalten werden, welche mit
verschlossenen Löchern
mit einem Innendurchmesser D versehen sind, in welchen die Innenwand der
verschlossenen Löcher
aufgekohlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich, über welchen
die Aufkohlungstiefe in der Innenwandoberfläche der geschlossenen Löcher virtuell
bzw. im wesentlichen gleichmäßig ist,
sich bis zu der Tiefe L von dem offenen Ende der Löcher erstreckt,
wo die Tiefe L in dem Bereich von 12 bis 50 liegt.
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Eine
bevorzugte Ausbildung ist in Anspruch 3 definiert.
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Um
eine Vakuumaufkohlung (Gasaufkohlung bei verringertem Druck) ohne
Ruß zu
erreichen, ist es wünschenswert,
daß keine
Zersetzung in dem Ofen außer
jene für
den Kohlenstoff, der direkt zu der Aufkohlung beiträgt, stattfindet,
und daher ist es wünschenswert,
daß, soweit
als möglich,
die in den Ofen zugeführte
bzw. eingespeiste Kohlenstoffquelle nur an der Oberfläche des
Werkstücks
zersetzt oder reagiert wird und nicht in anderer Weise an dem Ofenmaterial
oder in dem Ofenraum zersetzt oder umgesetzt wird.
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Aus
dem Gesichtspunkt dieser Bedingung ist es wünschenswert, daß das Aufkohlungsgas
ein chemisch instabiles, aktives bzw. wirksames Gas ist anstatt
des Typs von stabilem Methangas, das als Aufkohlungsgas in dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik verwendet wurde.
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Dementsprechend
wird in dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
Acetylen, welches ein ungesättigtes,
aliphatisches Kohlenwasserstoffgas ist, das chemisch aktiver ist
und schneller bzw. einfacher reagiert und sich zersetzt als gesättigte,
aliphatische Kohlenwasserstoffgase, wie Methangas oder Propangas
usw., als das Aufkohlungsgas verwendet.
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Jedoch
wird mit diesen instabilen Gasen durch Thermolyse bedeutend leichter
Ruß gebildet als
in dem Fall von gesättigten
Kohlenwasserstoffen, die in dem Stand der Technik eingesetzt werden, wenn
die Verweilzeit in dem Ofen einen Grenzwert übersteigt, und daher muß die Zeit,
die das Gas innerhalb des Ofens verbleibt, strikt limitiert sein,
und es ist erforderlich, daß es
nach außerhalb
des Ofens in einer Zeit innerhalb eines Bereichs ausgetragen bzw.
ausgeblasen wird, der für
eine Reaktion und Zersetzung auf der Werkstückoberfläche ausreichend bzw. geeignet,
jedoch ungenügend
für die Thermolyse
ist.
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Folglich
ist in dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
das Vakuumaufkohlungsverfahren mit einem extrem niedrigen Druck
innerhalb des Ofens im Vergleich zu dem Vakuumaufkohlungsverfahren
gemäß dem Stand
der Technik bei 0,3 kPa realisiert, um die Zeit, in welcher das
Aufkohlungsgas innerhalb des Ofens verbleibt, zu verkürzen, damit
die Zersetzungsreaktion an der Werkstückoberfläche stattfindet und nur kaum
ein Ruß in
dem Raum innerhalb des Ofens ausgebildet wird.
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In ähnlicher
Weise ist, um das nach einem Zuführen
des an der Oberfläche
des Werkstücks
zersetzten Kohlenstoffs ausgebildete, zusammengesetzte Gas zu bewegen
und neu zuge führtes
Gas zu verteilen, in dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik der Gasdruck ziemlich hoch (15-70 kPa) gemacht und das
zusammengesetzte Gas wird durch Absenken des Drucks unter Verwendung
von Mischen innerhalb des Ofens, wie einer Belüftung, oder durch Pulsieren
des Gaseinlasses verringert, und neues Hochdruckgas wird in Pulsen
zugeführt,
um die Menge an zu der Werkstückoberfläche zugeführtem Kohlenstoff
sicherzustellen. Natürlich
bedeutet dies, daß mehr
Aufkohlungsgas zugeführt
wird, als für
die Aufkohlung erforderlich ist, und dies hilft, mehr Ruß zu produzieren.
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Im
Gegensatz dazu wird in dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung Acetylengas als das Aufkohlungsgas eingesetzt. Acetylengas
(C2H2) ist ein gasförmiger,
ungesättigter,
aliphatischer Kohlenwasserstoff, welcher sich von den zuvor angewandten
Methantypgasen dahingehend unterscheidet, daß die Anzahl von Wasserstoffatomen
im Vergleich zu der Anzahl von Kohlenstoffatomen geringer ist.
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Aus
diesem Grund werden, wenn sich das Aufkohlungsgas in der Heizkammer
zersetzt, um atomaren Kohlenstoff zu bilden, nicht viele Moleküle von Zersetzungsgasen,
wie Wasserstoffgas usw., gebildet und daher kann die Anzahl von
Wasserstoffgasmolekülen,
welche einen Kontakt der Aufkohlungsgasmoleküle mit dem Werkstück hindern
können, verringert
werden. Als ein Ergebnis wird es, da der Druck während einer Aufkohlungsbehandlung
niedrig ist und der mittlere, freie Weg der Aufkohlungsgasmoleküle vergrößert ist,
für die
Moleküle
des Aufkohlungsgases einfach, in die Innenwände rund um tiefe Vertiefungen
in dem Werkstück
einzudringen; da darüber
hinaus die Aufkohlungsgasmoleküle
chemisch aktiv sind und sie von einem leicht zersetzbaren, ungesättigten
Kohlenwasserstoff stammen, reagieren sie mit der Werkstückoberfläche leicht
in einer kurzen Zeit, selbst wenn sie nicht einer hohen Temperatur und
nicht für
lange Zeit ausgesetzt sind, und gemeinsam mit der Tatsache, daß atomarer
Kohlenstoff aus einer Ablagerung zu der Werkstückoberfläche zugeführt werden kann, bedeutet das,
daß jedes
Teil des Werkstücks
gleichmäßig aufgekohlt
werden kann.
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Die
Gleichmäßigkeit
bzw. Gleichförmigkeit dieser
Aufkohlung ist umso besser, je niedriger der Druck in dem Ofen ist.
In diesem Zusammenhang wird in Werkstücken, die verschlossene Löcher des Innendurchmessers
D aufweisen, wenn eine Aufkohlungsbehandlung mit einem Druck innerhalb
des Ofens von 0,02 kPa durchgeführt
wird, eine Tiefe L eines Bereichs, in welchem die Gesamtaufkohlungstiefe
nahezu gleichmäßig ist,
bis zu einem L/D-Verhältnis
von 36 erreicht. Wenn der Druck innerhalb des Ofens noch niedriger
gemacht wird, wird eine Tiefe L des Bereichs, in welchem die Gesamtaufkohlungstiefe
nahezu gleichmäßig ist,
bis zu einem LID von 50 erreicht. Ein derartiger Betrag kann selbstverständlich mit
einem Aufkohlungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik oder mit einem Vakuumaufkohlen oder Plasmaaufkohlen
nicht erreicht werden.
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine Aufkohlungsbehandlung bei ≤ 0,3 kPa durchgeführt, was im
Vergleich zu einem Vakuumaufkohlen gemäß dem Stand der Technik extrem
niedrig ist, und daher wird die Zeit vom Zuführen zu der Heizkammer bis
zum Abziehen durch die Saugmittel für ein Aufrechterhalten eines
niedrigen Drucks, d.h. die Verweilzeit des Gases in der Heizkammer,
kurz. Da die Verweilzeit kurz ist, kann das Aufkohlungsgas, welches
in dieser Zeit nicht zer setzt wird, von der Heizkammer entfernt werden,
bevor es in der Heizkammer zersetzt werden und Ruß produzieren
kann, und die Ausbildung von Ruß in
der Heizkammer kann verhindert werden.
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Folglich
wird es, obwohl ein gasförmiger,
ungesättigter
Kohlenwasserstoff, welcher instabil ist und sich leicht zersetzt,
als das Aufkohlungsgas verwendet wird, möglich, Werkstücke aufzukohlen,
während
eine Rußproduktion
verhindert wird, ohne daß ein
Aufkohlen behindert wird, da die notwendige Menge an Aufkohlungsgas
durch Kontakt mit der Oberfläche
des Werkstücks
innerhalb der kurzen Zeit, die zum Aufkohlen zur Verfügung steht,
zersetzt werden kann, während
das nicht zersetzte Aufkohlungsgas, das geneigt ist, Ruß zu produzieren,
direkt von der Heizkammer gemeinsam mit dem nach einer Zersetzung
gebildeten Gas (Wasserstoffgas usw.) ausgestoßen bzw. ausgeblasen wird.
Das Faktum, daß das
durch Zersetzung gebildete Gas ebenfalls aus der Heizkammer innerhalb
einer kurzen Zeit ausgetragen bzw. ausgestoßen wird, kann auch zur weiteren
Vergrößerung des
mittleren, freien Wegs der Aufkohlungsgasmoleküle beitragen und zu der gleichmäßigen Aufkohlung
von jedem Teil des Werkstücks
beitragen.
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Indem
die Menge an Aufkohlungsgas, das durch die Vakuumpumpe ausgebracht
wird, bestimmt wird, ist es darüber
hinaus möglich,
geeignet die Menge an Aufkohlungsgas, das der Heizkammer zugeführt wird,
zu regulieren und dadurch die Menge an eingesetztem Aufkohlungsgas
auf einem Minimum zu halten.
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Da
ein chemisch aktiver, ungesättigter,
aliphatischer Kohlenwasserstoff, welcher schnell bzw. leicht reagiert
und sich zersetzt, als das Aufkohlungsgas in dem Vakuumaufkohlungsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung angewandt wird, kann auch das Gas schnell bzw. leicht
mit der Werkstückoberfläche reagieren
und sich zersetzen, um eine Aufkohlung durchzuführen, ohne mehr Aufkohlungsgas
als erforderlich, wie im Fall des Methangases gemäß dem Stand
der Technik, zuzuführen,
so daß die
Menge an zugeführtem
Gas auf einer Anzahl von Kohlenstoffatomen niedrig gehalten werden
kann, die etwa zweimal der Gesamtmenge an für die Aufkohlung der Oberfläche von
Werkstücken
erforderlichem Kohlenstoff entspricht. In diesem Zusammenhang wird
eine Menge an Aufkohlungskohlenstoff in der Größenordnung von einigen 10 Malen
der erforderlichen Menge in dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik dem Ofen zugeführt.
Darüber
hinaus wird in dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Aufkohlung bei einem niedrigen Druck von ≤ 0,3 kPa durchgeführt, so
daß die
Heizkammer selbst einen adiabatischen Effekt relativ zu der Außenseite
der Heizkammer manifestiert, so daß nur ein geringer Abstrahlungswärmeverlust
besteht und die Menge an Wärme,
die erforderlich ist, um die Temperatur innerhalb der Heizkammer
aufrecht zu erhalten, abgesenkt werden kann.
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Daher
bietet das Vakuumaufkohlungsverfahren der vorliegenden Erfindung
bemerkenswerte Vorteile dahingehend, daß die Rußproduktion im Vergleich mit
Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik niedrig gehalten werden kann, trotzdem es gewagt wurde,
gasförmige,
ungesättigte, aliphatische
Kohlenwasserstoffe als Aufkohlungsgas einzusetzen, welche in dem
Stand der Technik als hauptsächlich
zur Produktion von Ruß neigend
ignoriert wurden, jedes Teil des Werkstücks einschließlich der
Innenwandoberfläche
von tiefen Löchern
bzw. Spalten gleichmäßig aufgekohlt
werden kann und die Menge an Gas und Wärme, die angewandt wird, abgesenkt
werden kann.
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Darüber hinaus
manifestiert mit dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
die Heizkammer einen adiabatischen Effekt in bezug auf die Außenseite
bzw. das Äußere der Kammer,
da die Innenseite bzw. das Innere der Heizkammer bei einem niedrigen
Druck von ≤ 0,3
kPa gehalten wird; daher ist das Erfordernis für eine Wasserkühlung oder
Wärmeisolierung
der Vakuumkammer selbst verringert und folglich erfordert die Struktur
der Außenwand
des Vakuumkessels, der die Heizkammer beinhaltet, nur ein Berücksichtigen
der Aufrechterhaltung eines niedrigen Drucks und erfordert keine
spezielle Isolierstruktur, und dies kann zu einem Absenken der Anzahl
von Herstellungsschritten und der Kosten einer Herstellung beitragen.
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Nebenbei
sind eine Ionenaufkohlung und eine Plasmaaufkohlung bekannte Verfahren
für eine Niederdruckaufkohlung
von Werkstücken,
jedoch ist mit diesen Aufkohlungsverfahren eine Ausbildung einer
Aufkohlungsvariation bzw. -änderung
unvermeidbar, wenn das Werkstück
tiefe Löcher
besitzt, da ionisiertes Gas nicht den Boden der Löcher erreichen kann,
und obwohl weniger Ruß als
mit Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß dem Stand der Technik gebildet
wird, kann die Produktion von Ruß nicht so niedrig wie in dem
Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung gehalten werden; darüber
hinaus haben sie den Nachteil, daß die Ausrüstungs- bzw. Einrichtungskosten hoch sind.
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Wenn
Acetylengas als ein gasförmiger,
ungesättigter,
aliphatischer Kohlenwasserstoff verwendet wird, sind geringere Mengen
bzw. Bestandteile Wasserstoffatome als im Fall von Ethylengas vorhanden,
es ist aktiver und führt
ein Aufkohlungsverfahren einfacher durch, die angewandte bzw. eingesetzte Menge
kann abgesenkt werden und Behandlungs- bzw. Bearbeitungskosten können gesenkt
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnittsdiagramm, das die Form von einer Ausbildung einer
Vakuumaufkohlungsvorrichtung zeigt, die in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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2 ist
ein Diagramm, das das Arbeitsmuster eines Vakuumaufkohlungsofens
zeigt, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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3 ist
ein Querschnittsdiagramm bzw. eine Querschnittsansicht einer durch
das Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
aufgekohlten Probe.
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4 ist
ein Graph, der das Verhältnis
zwischen der Aufkohlungstiefe und dem Druck innerhalb des Ofens,
wenn das Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
durchgeführt wird,
und der Produktion von Ruß zeigt.
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5 ist
ein Querschnittsdiagramm, das die Gesamtheit der aufgekohlten Schicht
in einer Probe zeigt, die durch das Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgekohlt wurde, und ein Graph, der die Gleichmäßigkeit
der Aufkohlungstiefe zeigt.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausbildungen
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Die
Form von Ausbildungen der vorliegenden Erfindung wird unten auf
der Basis der Diagramme erläutert.
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1 ist
ein Diagramm, das die Form einer Ausbildung einer Vakuumaufkohlungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt: ein Vakuumaufkohlungsofen 1 ist mit einer Heizkammer 2,
die durch einen Vakuumkessel 4 umgeben ist, und einer Kühlkammer 3 versehen,
die dieser Heizkammer 2 benachbart bzw. an diese angrenzend
ist.
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Die
Heizkammer 2 ist aus einem wärmeerzeugenden bzw. -generierenden
Element 2a, welches chemisch und mechanisch in einer Hochtemperatur-Vakuumumgebung
und in der Atmosphäre
stabil ist, und einem wärme-
bzw. hitzeisolierenden Material 2b ausgebildet. Als das
wärmegenerierende Element 2a kann
ein wärmeerzeugendes
Element aus Siliciumcarbid, das einer Rekristallisierungsbehandlung
unterworfen wurde, oder ein derartiges Element mit einer Aluminiumoxid-sprühbeschichteten Schicht
auf der Oberfläche
desselben eingesetzt werden. Als das wärmeisolierende Material 2b können hochreine
Keramikfasern verwendet werden. Die Außenwand der Kühlkammer 3 besteht
zum Teil aus dem Vakuumkessel 4 und ist mit einem Öltank 3a versehen.
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Eine
Vakuumevakuierungsquelle V ist sowohl an die Heizkammer 2 als
auch die Kühlkammer 3 angeschlossen;
die Heizkammer 2 ist auch mit einer Aufkohlungsgasquelle
C für Acetylengas
verbunden, das in Aceton gelöst
ist, welche Acetylengas zuführen
kann, und die Kühlkammer 3 ist
mit einer Inertgasquelle G für
Stickstoffgas usw. verbunden, welches auf Atmosphärendruck
oder darüber
druckbeaufschlagt bzw. komprimiert werden kann.
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Am
stromaufwärtigen
Ende der Heizkammer 2 liegt ein Eintrittstor bzw. eine
Einlaßöffnung 5 und am
stromabwärtigen
Ende liegt ein Mitteltor bzw. eine Mittelöffnung 6 und am stromabwärtigen Ende
der Kühlkammer 3 besteht
ein Auslaßtor
bzw. eine Auslaßöffnung 7;
und es gibt eine innere Förder vorrichtung 8,
welche Werkstücke
M von dem stromaufwärtigen
Ende der Heizkammer 2 zu dem stromabwärtigen Ende der Kühlkammer 3 fördert. In
der Kühlkammer 3 ist
eine sich vertikal bewegende Plattform 9 vorgesehen, um
das Werkstück
M in den Öltank 3a zu
bringen und es zu entnehmen. Darüber
hinaus existieren in der Heizkammer 2 Heizteile in dem
inneren Eintrittstor 5a und dem inneren Mitteltor 6a,
deren Enden verschlossen sind.
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Das
Verfahren zum Vakuumaufkohlen, das eine Vakuumaufkohlungsvorrichtung,
die in dieser Art und Weise aufgebaut ist, anwendet, wird unter
Bezugnahme auf 2 als nächstes erläutert. Die Heizkammer 2 wird
auf die gewünschte
Temperatur bei Atmosphärendruck
vorerhitzt.
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Verfahren 1
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Die
Eintrittstore 5, 5a sind geöffnet und ein 1. Werkstück M1 wird
in die Heizkammer 2 gefördert, wonach
die Eintrittstore 5, 5a unmittelbar geschlossen
werden.
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Verfahren 2
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Die
Heizkammer 2 wird auf ein Vakuum von 0,05 kPa durch die
Vakuumevakuierungsquelle V evakuiert, während das 1. Werkstück M1 auf
die gewünschte
Temperatur (900 °C)
vakuumerhitzt wird, wonach Acetylengas von der Aufkohlungsgasquelle C
in die Heizkammer 2 zugeführt wird (zu diesem Zeitpunkt
wird der Druck innerhalb der Heizkammer 2 0,1 kPa) und
ein Aufkohlen wird durchgeführt.
Die Zufuhr von Acetylengas wird gestoppt, eine Diffusion durchgeführt, wobei
das Vakuum innerhalb der Heizkammer 2 neuerlich 0,05 kPa
beträgt,
und eine Halte- bzw. Durchwärmungsbehandlung wird
durchgeführt, wobei
die Temperatur auf die Abschrecktemperatur von 850 °C fällt. Währenddessen
wird die Kühlkammer 3 evakuiert.
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Verfahren 3
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Die
Mitteltore 6, 6a werden geöffnet, das 1. Werkstück M1 wird
durch die innere Fördervorrichtung 8 auf
die sich vertikal bewegende Plattform 9 der Kühlkammer 3 bewegt
und dann werden die Mitteltore 6, 6a unmittelbar
geschlossen.
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Verfahren 4
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Die
Kühlkammer 3 wird
auf Atmosphärendruck
oder darüber
durch Zufuhr eines Inertgases aus der Inertgasquelle G unter Druck
gesetzt, während
die sich vertikal bewegende Plattform 9 abgesenkt wird,
um das 1. Werkstück
M1 abzuschrecken. Während
dieses Verfahrens bzw. Prozesses wird Luft in die Hochtemperatur-Heizkammer 2 eingeführt, um sie
auf Atmosphärendruck
zu bringen, und dann werden die Eintrittstore 5, 5a geöffnet, ein
2. Werkstück M2
wird in die Heizkammer 2 getragen und dann werden die Eintrittstore 5, 5a unmittelbar
geschlossen. Nebenbei ist der Grund für ein Setzen unter Druck der
Kühlkammer
auf Atmosphärendruck
oder darüber
jener, um die Luft, die in die Heizkammer 2 eingeführt wird,
am Eintritt in die Kühlkammer 3 zu
hindern.
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Verfahren 5
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Die
sich vertikal bewegende Plattform 9 wird angehoben, das
Ausgangstor 7 wird geöffnet,
das 1. Werkstück
M1 wird unmittelbar aus dem Ofen 1 hinausgefördert, das
Ausgangstor 7 wird unmittelbar geschlossen und die Kühlkammer 3 wird
va kuumgekühlt.
Mittlerweile wird das 2. Werkstück
M2 wie in Verfahren 2 handgehabt.
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Danach
wird ein Aufkohlen von aufeinanderfolgenden Werkstücken durchgeführt, indem
die Verfahren bzw. Prozesse 3-5
wiederholt werden.
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3 zeigt
ein Querschnittsdiagramm eines Beispiels eines Werkstücks, das
auf diese Weise aufgekohlt wurde: Probewerkstücke 10 mit einem Außendurchmesser
von 20 mm und einer Länge
von 30 mm, die mit verschlossenen Löchern 11 mit einem
Innendurchmesser von 6 mm und einer Tiefe von 28 mm und geschlossenen
Löchern 12 mit
einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Tiefe von 28 mm versehen
waren, wurden 300 Stück
auf einmal auf Paletten, 400 mm lang, 600 mm breit und 50 mm hoch,
angeordnet und 6 dieser Paletten wurden übereinander in der Heizkammer 2 placiert,
und wenn sie bei einer Aufkohlungstemperatur von 900 °C mit einer
Aufkohlungszeit von 40 min, einer Diffusionszeit von 70 min und
einer Abschrecktemperatur von 850 °C behandelt wurden, war die
effektive Aufkohlungstiefe t0 von jedem
Werkstück
etwa 0,51 mm und die effektive Aufkohlungstiefe t2 am
Boden der Löcher 12 mit
kleinem Durchmesser war etwa 0,49 mm. Es wurde somit demonstriert,
daß mit
dem Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß dieser Ausbildung eine Aufkohlungsbehandlung
von jedem Teil gleichmäßig mit einer
Variation von etwa 0,02 mm durchgeführt werden konnte.
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Darüber hinaus
war keine Ansammlung von Ruß in
der Heizkammer 2 bemerkbar, selbst nachdem das Experiment
mehrere hundert Male wiederholt wurde. Wenn geschlossene Löcher mit
4 mm Innendurchmesser und 50 mm Tiefe in Proben etwa zweimal so
lang wie die obige Probe 10 gegeben wurden und diese auf dieselbe
Weise aufgekohlt wurden, konnte in ähnlicher Weise der Unterschied
zwischen der effektiven Aufkohlungstiefe in der Außenoberfläche und
der effektiven Aufkohlungstiefe an dem Boden der Löcher auf
etwa 0,03 mm gehalten werden, was zeigt, daß es mit dem Vakuumaufkohlungsverfahren
gemäß dieser
Ausbildung möglich
ist, eine gleichmäßige Aufkohlung
von jedem Teil zu erzielen.
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In
diesem Zusammenhang wurde, wenn Werkstückproben 10 durch
ein Vakuumaufkohlungsverfahren gemäß dem Stand der Technik unter
Verwendung eines Methantypgases gemäß dem Stand der Technik als
das Aufkohlungsgas aufgekohlt wurden, eine Aufkohlungsvariation
erzeugt, obwohl für etwa
die zweifache Zeit aufgekohlt wurde und mehr als das 10-fache an
Aufkohlungsgas in die Heizkammer 2 eingeführt wurde,
wobei die effektive Aufkohlungstiefe an der Außenoberfläche des Werkstücks 10 0,51
mm war und die effektive Aufkohlungstiefe am Boden der Löcher 12 mit
einem Innendurchmesser von 4 mm 0,30 mm war. Darüber hinaus trat bei dem Vakuumaufkohlungsverfahren
gemäß dem Stand
der Technik ein Aus- bzw. Durchbrennen auf, wenn ein Aufkohlen 5-20
mal wiederholt wurde, eine große
Menge an Ruß sammelte
sich in der Heizkammer 2 und ein Reinigen war erforderlich.
Mit der Gasaufkohlung, die allgemein ausgeführt wird, konnte nicht erwartet
werden, daß ein
Aufkohlen den Boden der Löcher 12 erreichen
würde.
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Indem
ein Aufkohlen mit einem Vakuum von ≤ 1 kPa im Inneren der Heizkammer
in dem Vakuumaufkohlungsverfahren durchgeführt wird, ist es nebenbei möglich, eine
Veränderlichkeit
beim Aufkohlen von Werkstücken
zu vermeiden, selbst obwohl Acetylengas als das Aufkohlungsgas verwendet
wird, und ein Aufkohlen kann durchgeführt werden, während eine
Rußproduktion
niedrig gehalten wird.
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Indem
der Druck innerhalb der Heizkammer weiter abgesenkt wird, ist es
möglich,
die Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung weiter zu
erhöhen,
und der adiabatische Effekt der Heizkammer selbst kann auch effizienter
manifestiert werden, so daß eine
Wasserkühlung
oder Isolation usw. unnotwendig wird und die Energie einsparenden
Vorteile erhöht
werden können,
daß die
Aufkohlungsbehandlung mit dem Druck innerhalb der Heizkammer durchgeführt wird,
welcher auf ≤ 0,3
kPa, und bevorzugter auf ≤ 0,1
kPa abgesenkt ist.
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4 ist
ein Graph, der das Verhältnis
zwischen der Aufkohlungstiefe und dem Druck innerhalb des Ofens
und der Rußproduktion
zeigt, wenn ein Aufkohlungsverfahren bei einer Temperatur von 930 °C an Proben
(SCM415) mit 20 mm Durchmesser und 30 mm Länge, die mit verschlossenen
Löchern mit
6 mm Durchmesser und 27 mm Tiefe versehen waren, durchgeführt wurde,
indem Acetylengas mit einer Haltezeit, Aufkohlungszeit und Diffusionszeit (siehe 2)
von 30 min, 30 min bzw. 45 min verwendet wurde. Linie A stellt die Änderungen
in der Aufkohlungstiefe am Boden der geschlossenen Löcher dar
und Linie B zeigt Änderungen
in der Aufkohlungstiefe in der Oberfläche der Werkstückprobe.
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Es
ist aus 4 klar, daß in bezug auf die Oberfläche der
Probe eine nahezu konstante Aufkohlungstiefe erhalten wird, wenn
der Druck innerhalb des Ofens ≤ 1,0
kPa ist. Um das Innere und Äußere von
geschlossenen Löchern
gleichmäßig aufzukohlen,
ist jedoch der Druck innerhalb des Ofens ≤ 0,3 kPa.
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Betrachten
der Rußproduktion:
es gibt hier kein Problem, unter der Voraussetzung, daß der Druck
innerhalb des Ofens ≤ 1,0
kPa ist.
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5 ist
ein Querschnittsdiagramm, das den Zustand der aufgekohlten Schicht
zeigt, die durch ein Durchführen
des Aufkohlungsverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung an Proben (SCM415) mit 20 mm Außendurchmesser und 182 mm Länge ausgebildet
wurde, die mit geschlossenen Löchern
versehen waren, die 175 mm tief und 3,4 mm im Innendurchmesser waren,
und ein Graph, der die Gleichmäßigkeit
eines Aufkohlens zeigt. In diesem Fall war die Temperatur innerhalb
des Ofens 930 °C,
der Druck innerhalb des Ofens 0,02 kPa und die Summe der Aufkohlungszeit
und der Diffusionszeit war 430 min; die Proben wurden, wie zuvor
beschrieben, geladen.
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Es
ist aus 5 klar, daß in der Innenwand der geschlossenen
Löcher
ein Bereich mit einer nahezu gleichförmigen Aufkohlungstiefe (2,1
mm) für eine
Tiefe von 122 mm von der Öffnung
der geschlossenen Löcher
erreicht wurde und die Gesamtaufkohlungstiefe bei einer Tiefe von
156 mm Null wurde. Wenn der Innenwanddurchmesser von geschlossenen
Löchern
D ist und die Tiefe von dem offenen Ende der Löcher einer Region, bis zu welcher
die gesamte Aufkohlungstiefe nahezu gleichmäßig ist, L ist, wird somit
die Region in dem Bereich bis L/D 36 erreicht. Je niedriger daher
der Druck innerhalb des Ofens ist, desto größer ist die Gleichmäßigkeit
eines Aufkohlens, und es ist möglich,
daß durch
weiteres Absenken des Drucks innerhalb des Ofens die Tiefe der Region
L, in welcher eine Gesamtaufkohlung nahezu gleichmäßig ist,
etwa 50 für
L/D erreichen würde.