AT408994B - Vorrichtung zur wärmebehandlung von werkstücken, insbesondere zum gasnitrieren, nitrocarburieren und oxidieren - Google Patents
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Description
<Desc/Clms Page number 1> Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere zum Gasnitrieren, Nitrocarburieren oder Oxidieren, bestehend aus einen Ofen mit Mitteln zum Begasen der Ofenkammer sowie Mitteln zum Abziehen der Abgase aus der Ofen- kammer sowie mit einer Regeleinrichtung zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses, wobei Bestandteil der Regeleinrichtung eine den H2-Gehalt in der Ofenatmosphäre erfassende Messein- richtung ist. Derartige Vorrichtungen zur Wärmebehandlung von Werkstücken sind im Stand der Technik bekannt und dienen der gezielten Oberflächenveredelung der zu behandelnden Werkstücke. Dabei wird durch die Wärmebehandlung gezielt die chemische Zusammensetzung in den Randschicht- zonen der Werkstücke verändert. Bei Nitrierverfahren, wie dem Salzbadnitrieren, dem Gasnitrieren und dem Plasmanitrieren, wird beispielsweise Stickstoff in die Randzone der zu behandelnden Werkstücke eindiffundiert, um die mechanische Festigkeit in den oberflächennahen Bereichen der Werkstücke zu erhöhen. Beim Gasnitrieren wird in der Regel Ammoniak (NH3) als Nitriermedium verwendet, welches die zur Wärmebehandlung in einem Ofen positionierten Werkstücke bei Atmosphärendruck bzw. leichtem Überdruck umströmt. Um eine kontrollierte und gezielte Oberflächenveredelung gewährleisten zu können, ist es er- forderlich, den Wärmebehandlungsprozess unter definierten Bedingungen durchzuführen, insbe- sondere in einer definierten Ofenatmosphäre hinsichtlich des verwendeten Prozessmediums. Aus diesem Grund weisen die bekannten Vorrichtungen zur Wärmebehandlung von Werkstücken eine Regeleinrichtung zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses auf. Bei der Verwendung von Ammoniak (NH3) als Prozessmedium erfolgt die Steuerung der Ofen- atmosphäre in der Regel über den H2-Gehalt in der Ofenatmosphäre, da Ammoniak (NH3) bei einer Temperaturbeaufschlagung der zu behandelnden Werkstücke innerhalb des Ofens an den Oberflächen der Werkstücke katalytisch in Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) zersetzt wird (2 NH3- N2 + 3 H2)- Bei den bisher bekannten Vorrichtungen zur Wärmebehandlung von Werkstücken wird der H2- Gehalt in der Ofenatmosphäre mittels aufwendiger und damit kostenintensiver Gasanalysatoren oder-sensoren bestimmt. Dabei wird die gute Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff (H2) gegenüber anderen Gasen, wie beispielsweise Stickstoff (N2), Kohlendioxid (C02), Ammoniak (NH3) und Sauerstoff (0) ausgenutzt. Eine derartige, einen solchen Sensor verwendende Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 296 15 312 U1 bekannt, welche den H2-Gehalt in der Ofenatmosphäre mittels im Prozessabgasstrom in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Thermomessele- menten über eine gemessene Temperaturdifferenz zwischen den Thermomesselementen bestimmt. Der Messwert der Vorrichtung reagiert dabei äusserst empfindlich auf Gasflussschwankungen, die durch Verunreinigungen und Ablagerungen in der Vorrichtung hervorgerufen werden, die eine Beeinflussung der Messung und damit eine ungenaue Regelung zur Folge haben. Weiterhin erfordert die Temperaturempfindlichkeit der Thermomesselemente von der Chargentemperatur jedesmal eine Neukalibration, wenn die Behandlungstemperatur geändert wird. Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemässen Art dahingehend zu verbessern, dass eine weniger aufwendige und weniger störanfällige Regelung der Ofenatmosphäre mit einfachen und kostengünstigen Mit- teln ermöglicht wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als Messeinrichtung eine nach dem Pirani-Prinzip arbeitende bei Ofendruck betriebene Vakuum-Messröhre vorgesehen ist. Nach dem Pirani-Prinzip arbeitende Vakuum-Messröhren, auch Pirani-Manometer genannt, werden üblicherweise zur Messung von Absolutdrücken in Fein- und Grobvakuum eingesetzt. Dabei wird ein dünner Draht aus einem heissleitenden Material in einem evakuierten, mit dem zu messenden Gasdruck beaufschlagten Behälter mit konstantem Strom aufgeheizt. Die von dem Draht dabei erzeugte Wärme wird durch Strahlung und durch Wärmeableitung über das den Draht umgebende Gas an den Behälter abgeführt. Die abgeleitete Wärmemenge ist dabei ein Mass für den Druck in dem Behälter, wobei die abgeleitete Wärmemenge um so grösser ist, je grösser der Druck ist. Dementsprechend ist die über den ohmschen Widerstand des Drahtes gemessene Drahttemperatur und der ohmsche Widerstand des Drahtes um so niedriger. Die Temperaturab- hängigkeit der Änderung des Widerstandswertes ist dabei ein Mass für die Dichte und damit des <Desc/Clms Page number 2> Druckes des sich in dem Behälter befindlichen Gases. Im Gegensatz dazu wird bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken die nach dem Pirani-Prinzip arbeitende Vakuum-Messröhre bei Ofendruck betrieben, d. h. bei Atmosphärendruck bzw. leichtem Überdruck. Dabei wird die Vakuum-Messröhre nicht zur Erfassung von Absolutdrücken in Fein- oder Grobvakuum über die sich in Abhängigkeit der Umge- bungstemperatur ändernde Dichte des Gases verwendet, sondern das für den Wärmebehand- lungsprozess zu steuernde Prozessgas, d. h. der H2-Gehalt in der Ofenatmosphäre. Eine nach dem Pirani-Prinzip arbeitende Vakuum-Messröhre wird somit abweichend von ihrem bestimmungsge- mässen Verwendungszweck als Messeinrichtung zur Erfassung des H2-Gehaltes in der Ofenatmos- phäre verwendet. Da derartige Vakuum-Messröhren als Massenprodukt handelsüblich erhältlich und damit kos- tengünstig sind, wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken bereitgestellt, die mit einfachsten Mitteln eine gezielte und kontrollierte Steuerung des Wärmebe- handlungsprozesses über eine Regelung des H2-Gehaltes in der Ofenatmosphäre ermöglicht. Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messröhre zusammen mit einem Referenz-Messelement in einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Dadurch kann die Messröhre so abgeglichen werden, dass die Wärmeleitung in dem Messelement druckunabhängig nur noch von der Art des Prozessgases bestimmt wird. Vorteilhafterweise besteht das Messelement der Messröhre aus einem heissleitenden Draht, vorzugsweise einem Wolframdraht oder einem Nickeldraht. Ge- mäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Referenz-Messelement aus einem in einem Kalibriergas eingeschlossenen heissleitenden Draht, vorzugsweise einem Wolf- ramdraht oder einem Nickeldraht, und das Kalibriergas in dem Referenz-Messelement ist vorzugs- weise N2. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Referenz-Messelement ein Widerstand, dessen Widerstandswert vorzugsweise dem des Messelementes der Messröhre in N2 entspricht. Das Verschalten des Messelementes mit dem Referenz-Messelement in einer Wheat- stone-Brücke ermöglicht eine äussert einfache Kalibrierung der Messröhre. Dabei wird die Wheat- stone-Brücke zur Kalibrierung vorteilhafterweise so eingestellt, dass bei einem Prozessgasdruck von etwa 1000 mbar eine Verstimmung der Wheatstone-Brücke allein von der Wärmeleitfähigkeit des Prozessgases abhängt und besonders vorteilhafterweise unempfindlich gegenüber Druckschwan- kungen +/- 200 mbar ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Messröhre über einen Rohransatz und einen Flansch an der Ofenwand befestigt, wobei der Rohransatz vorteilhafterweise in den Reakti- onsraum des Ofens ragt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Ofen ein Retortenofen und der Rohransatz mündet in den Ringraum zwischen Retorte und einem inner- halb der Retorte angeordneten Gasleitzylinder. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Erfindung Blenden und/oder gekrümmte Rohrabschnitte zwischen Rohransatz und Messröhre auf, die dem Schutz der Messeinrichtung vor Verunreinigungen, beispielsweise durch das Prozessgas und dergleichen dient. Derartige Verunrei- nigungen sind für die Wärmebehandlung im Ofen nicht so schädlich wie in der Messeinrichtung, da die Beeinflussung des Messelementes aufgrund der sehr viel geringeren Oberfläche desselben grösser ist als eine Beeinflussung der Werkstücke, die eine sehr viel grössere Oberfläche aufweisen. Die Beeinflussung des Messelementes ist dabei in erster Linie durch eine Kontamination des Messe- lementes durch Verunreinigungen gegeben. Vorteilhafterweise erfasst die Messröhre in Bezug auf Wasserstoff (H2) einen Messbereich von 10 bis 70% und in Bezug auf Ammoniak (NH3) einen Messbereich von 10 bis 90%. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken und Fig. 2 in einer Prinzipdarstellung den Aufbau einer Messeinrichtung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken gemäss Fig. 1 Fig. 1 zeigt einen Nitrierofen 1 zur Wärmebehandlung von Werkstücken, welcher einen Behäl- ter 2 zur Aufnahme der Werkstücke, Mittel zum Begasen der Ofenkammer 3 in Form einer Gaszu- führungsleitung 4 und Mittel zum Abziehen der Abgase aus der Ofenkammer 3 in Form einer Abgasleitung 5 aufweist. <Desc/Clms Page number 3> Der Behälter 2 des Nitrierofens 1 ist in gasdichter Schweisskonstruktion aus hitzebeständigem Chrom-Nickel-Stahl gefertigt und weist einen abnehmbaren Deckel 6 auf, über den der Behälter 2 nach oben verschliessbar ist. Über den Deckel 6 ist der Behälter 2 mit den zu behandelnden Werk- stücken bestückbar. Wie in Fig. 1 dargestellt liegt der Deckel 6 auf einem Dichtflansch auf, in welchen zwei Perbunanringdichtungen 7 eingelegt sind. Zum gasdichten Verschliessen des Behäl- ters 2 mittels des Deckels 6 weist der Nitrierofen 1 zwischen den beiden Dichtungen 7 einen An- saugstutzen 8 auf, über welchen der Raum 9 zwischen dem Dichtflansch des Behälters 2, den Dichtungen 7 und dem Deckel 6 evakuiert werden kann. Im Bereich der Dichtfläche wird der De- ckel 6 über einen umlaufenden Wasserkanal 10 gekühlt, um das über den Ansaugstutzen 8 er- zeugte Stützvakuum im Raum 9 aufrecht zu halten. Der Behälter 2 ist allseitig umschlossen mit einem Isoliermantel 11aus einem thermischen Iso- liermaterial versehen. Dabei weist die an den Behälter 2 angrenzende innere Seite des Isolierman- tels 11 Heizkörper 12 auf. In dem Deckel 6 des Nitrierofens 1 ist eine Gasumwälzung 13 eingelassen, welche ein Lüfter- rad 14, eine Welle 15, einen Lüftermotor 16 und eine Kühleinrichtung 17 aufweist. Der Deckel 6 weist an seiner Unterseite Strömungsleitbleche 18 auf, welche mit dem in dem Behälter 2 stehenden Gasleitzylinder 19 im Zusammenhang mit dem Lüfterrad 14 der Gasumwäl- zung 13 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases im Nitrierofen 1 gewährleisten. Die Temperatur innerhalb des Nitrierofens 1, der wie vorliegend beschrieben ein Retortenofen ist, wird über ein Thermomesselement 20, welches in die Ofenkammer 3 hineinragt, erfasst und geregelt. Über einen seitlichen Flansch in der Ofenwand ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungs- beispiel eine den H2-Gehalt in der Ofenatmosphäre erfassende Vakuum-Messröhre 21 angeschlos- sen, die als Bestandteil der Regeleinrichtung den H2-Gehalt der Ofenatmosphäre erfasst und die Prozessgasdurchflüsse der in der Gaszuführungsleitung 4 liegenden Begasungseinheit 22 als Regelgrösse zuführt. Die Regelung der Ofenatmosphäre erfolgt dabei über einen hier nicht dargestellten Steue- rungsrechner, der aus dem seitens der Vakuum-Messröhre 21 erfassten Signal und den Gasdurch- flüssen der Begasungseinheit 22 den Rest-Ammoniak-Gehalt bzw. die Nitrierkennzahl in der Ofen- atmosphäre berechnet. Weicht die so ermittelte Nitrierkennzahl von dem für den Wärmebehand- lungsprozess vorgegebenen Sollwert ab, wird durch Veränderung der Gasflüsse über die Bega- sungseinheit 22 die Nitrierkennzahl unter Beibehaltung der vorgegebenen Gasverhältnisse gere- gelt. Der Regeleinrichtung wird somit als Sollwert lediglich die Nitrierkennzahl vorgegeben. Für eine Oxidation mit Wasserdampf zur Regelung der Wasserdampfspaltung im Ofen 1 wird der H2- Gehalt als Sollwert verwendet. Fig. 2 zeigt im Detail den prinzipiellen Aufbau der Vakuum-Messröhre 21, welche über einen mit einer Dichtung 24 versehenen Flansch 23 an den Behälter 2 des Ofens 1 angeschlossen ist. Hier- bei sind das Messelement RMess und ein Referenz-Messelement RRef mit zwei Widerständen R1 und R2 in einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet. Das Messelement Rmess besteht aus einem Wolfram- oder Nickeldraht, welcher unmittelbar der Ofenatmosphäre ausgesetzt ist. Das Referenz- Messelement RRef ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Wolfram- oder Nickeldraht, welcher in dem in Fig. 2 mit 25 gekennzeichneten Behälter eingeschlossen und von Stickstoff (N2) als Kalibriergas umgeben ist. Über den als Potentiometer ausgebildeten Widerstand R1 ist die Vakuum-Messröhre 21 beson- ders einfach kalibrierbar, wobei die Wheatstone-Brücke über R1 so abgeglichen wird, dass bei einem Gasdruck von etwa 1000 mbar die Wheatstone-Brücke allein von der Wärmeleitfähigkeit des H2-Gehaltes in der Ofenatmosphäre verstimmt wird und unempfindlich gegenüber Druckschwan- kungen von +/- 200 mbar ist. **WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.
Claims (10)
- PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere zum Gasnitrieren, Nitrocarburieren oder Oxidieren, bestehend aus einem Ofen (1) mit Mitteln (4) zum Bega- sen der Ofenkammer (3) sowie Mitteln (5) zum Abziehen der Abgase aus der Ofenkammer <Desc/Clms Page number 4> (3) sowie mit einer Regeleinrichtung zur Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses, wobei Bestandteil der Regeleinrichtung eine den H2-Gehalt in der Ofenatmosphäre erfas- sende Messeinrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung eine nach dem Pirani-Prinzip arbeitende bei Ofendruck betriebene Vakuum-Messröhre (21) vorgesehen ist.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messröhre (21) zusammen mit einem Referenz-Messelement (RRef) in einer Wheatstone-Brücke geschaltet ist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (RMess) der Messröhre (21) aus einem Wolframdraht oder einem Nickeldraht besteht.
- 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Refe- renz-Messelement (RRef) aus einem in einem Kalibriergas eingeschlossenen Wolframdraht oder einem Nickeldraht besteht, und dass das Kalibriergas in dem Referenz-Messelement (RRef) vorzugsweise N2 ist.
- 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Refe- renz-Messelement (RRef) ein Widerstand ist, dessen Widerstand vorzugsweise dem des Messelementes (RMess) der Messröhre (21) in N2 entspricht.
- 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messröhre (21) über einen Rohransatz und einen Flansch (23) an der Ofenwand befestigt ist.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohransatz in den Reak- tionsraum des Ofens (1) ragt.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen (1) ein Retortenofen ist und dass der Rohransatz in den Ringraum zwischen Retorte und einem innerhalb der Retorte angeordneten Gasleitzylinder (19) mündet.
- 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch Blenden und/oder gekrümmte Rohrabschnitte zwischen Rohransatz und Messröhre (21).
- 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messröhre (21) in Bezug auf Wasserstoff einen Messbereich von 10 bis 70% und in Bezug auf Ammoniak einen Messbereich von 10 bis 90% erfasst.
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