Verfahren und Vorrichtungen zur Oberflächenbehandlung von Metallen und Metallegierungen. hie Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Oberflächen behandlung von Metallen und Metallegierun- lo'e n.
Zur Beeinflussung der Oberflächenbe- :.eliaffenheit von Metallen und Metallegierun- "len sind verschiedenartige Wärme- und che- misehe Behandlungen gebräuchlich. Zur Er- zielum, besonderer Oberflächenhärte ist es z.
B. bekannt, die erhitzten Werkstücke mit ('liemikalien zu behandeln, um durch chemi- elie Reaktionen eine Gefügeänderung an der ()liei-fläehe zii erzielen, welche die gewünschte I=lärtun- zur Folge hat.
Bei Stahl bilden sich Bierbei je nach Art des angewendeten Här- tunginittels, beispielsweise beim Nitrieren, l@:isenniti@ide aus Eisenmolekülen und naszie- i e ndem Stiekstoff oder, beim Aufkohlen, I:i",enkarbide aus Eisenmolekülen und Kohlen stoff.
Voraussetzung für die erwünschten ehe wischen Reaktionen ist erhöhte Temperatur, chemische Aktivität der reagierenden Stoffe - beispielsweise durch Nutzbarmachung der selben in statu naszendi - und eine gewisse Reaktionsdauer.
Die bekannten Verfahren zur Oberflächen- beliandlung bedingen einen erheblichen Zeit: und Kostenaufwand und verlangen verhält hohe Temperaturen. In Einzelfällen, so z. B. bei der Nitrierhärtung von Stahl, ist dabei die Einwirkung auf den Werkstoff mit dem Ziele der Verbesserung seiner Eigen- schaften nur eine sehr wenig intensive.
Man hat daher schon verschiedentlich versucht, die verhältnismässig lange Reaktionszeit zu verkürzen oder die Reaktionstemperatur her abzusetzen, beispielsweise auch unter Anwen dung von Ultraschall. Nennenswerte Erfolge sind indessen nicht zu verzeichnen gewesen. Die Erfindung zeigt einen Weg zu diesem Ziele.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die thermische Bewegung der reagie renden Moleküle durch ein geeignetes Mittel so geregelt werden sollte, dass sich die Reak tion rascher und intensiver vollzieht, als wenn die Reaktionsstoffe sich selbst überlassen bleiben. Als ein derartiges Regulierungsmittel wurde Ultraschall erkannt, und zwar bei äusserer Einwirkung auf die Reaktionsstoffe. Bei Verwendung von Ultraschall hoher Fre quenz (beispielsweise 1 bis 5 MHz) führen Stoffmoleküle, die vom Ultraschall erfasst wer den, Bewegungen aus, deren Schwingungs amplitude beispielsweise in der Grössenord nung 10-7 m liegt. Vergleichsweise liegt die Freie Weglänge eines Stickstoffmoleküls bei einer Temperatur von 500 C, aus der ther mischen Bewegung berechnet, bei 10-7 m.
Demnach kann bezüglich der freien Weglänge eines Gasmoleküls und der Schwingungs amplitude eines Gasmoleküls unter der Ein wirkung von hochfrequentem Ultraschall Übereinstimmung in der Grössenordnung vor- lia.nden sein, wobei die Ultraschallwelle eine richtende Wirkung auf die an sieh ungeordnete thermische Bewegung ausübt., so dass die Mo leküle des Stoffes, der von der Ultraschall welle erfasst wird, in gesteigertem Masse in Richtung der Ultraschallwelle bewegt werden. Die Folge dieser Überlagerung ist demnach, dass der Prozentsatz der Moleküle, die sich in Richtung der Ultraschallwelle bewegen, grö sser wird als im unbeschallten Raum, dass also ein Hinlenken von Molekülen z.
B. auf ein zu behandelndes Werkstück durch die Ultra schallwelle stattfindet. Praktische Versuche haben die Richtigkeit dieser Überlegung in sofern erwiesen, als sich eine Verstärkung der allein durch die thermische Bewegung hervor gerufenen Reaktion bei zusätzlicher äusserer Anwendung von Ultraschallenergie feststellen lässt.
Demnach besteht. die Erfindung :darin, dass die chemisch aktiven Stoffe der Einwir kung von Ultraschall ausgesetzt werden. Vor teilhaft werden die Reaktionsmittel mit einer solchen Frequenz und einer solchen Intensität beschallt, dass die dem einzelnen-141olekül des Reaktionsmittels durch die Ult.rasehallschwin- ,ung aufgezwungene Schwingungsamplitude grössenordnungsmässig gleich ist der als stati stischer Mittelwert der thermischen Moleku- la.rbewegung definierten freien Weglänge des Moleküls.
Die chemisch aktiven Stoffe können je nach Art der zu erzielenden Oberflächen beschaffenheit - Härte, Farbe, Gasanreiche rung, Schutzsehichtbildung oder dergleichen - im gasförmigen, flüssigen oder auch festen Aggregat.zust.ande mit. den erwärmten Werk stücken unter Ultraschalleinwirkung zur Reaktion gebracht werden. Die Temperatur der Werkstücke liegt dabei zweckmässig im Bereiche des thermischen Zerfalles der Reak tionsstoffe. Bei Verwendung von Gasen als Reaktionsstoffe erfolgt die Beschallung der erwärmten Werkstücke vorzugsweise bei ge- ringem Druck und geringer Geschwindigkeit der Reaktionsgase.
Um die Gesamtoberfläche der Werkstücke der Behandlung zugänglich zu machen, kann während der Beschalhin- eine Relativbewegiiiig zwischen den Werk- stücken und den. Ultraschallerzeugern statt finden.
Das Verfahren gemäss Erfindung kann auf mannigfache Weise verwirklicht. werden, wobei die jeweilige Gestalt der Werkstücke und der Zweck der Oberflächenbehandlung die Bauart der für die Durchführung der Ver fahren nöti-en Vorrichtungen bestimmen werden.
Eine einfache Ausführungsform einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung ge mäss Erfinduung ist, gekennzeichnet durch einen verschliessbaren, mit. Reaktionsstoffen zu beschickenden. Ofen zur Aufnahme der Werkstücke, der mindestens einen Ultraschall erzeuger enthält. Die Ultraschallerzeuger bzw. die MTerl@stücli:e können dabei derart im Ofen angeordnet sein, dass die Ultraschallwellen unter spitzem Winkel. auf das Werkstück auf treffen.
Die Anordnung kann auch so getrof fen sein, dass die Ultraschallerzeuger und die Werkstücke relativ zueinander beweglich sind, indem entweder die Ultraschallerzeuger oder die ZVerkstüeke oder beide im Ofen derart bewegt werden, da.ss die Gesamtoberfläche der letzteren der Beschallung aussetzbar ist. Die Relat.ivbewe-ung zwischen Ult.raschallerzeu- _er und Werkstück kann dabei von ausserhalb des Ofens gesteuert werden.
Gemäss einer be- sonderen Ausführun.äsart der Erfindung kön nen mehrere Ultraschallerzeuger in flächiger Anordnung an mindestens einer Wand des Ofens angebracht sein.
Auf der Zeichnung sind einige einfache Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen ge mäss Erfindung dargestellt.
Fig. 1 ist das Schema. einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken unter Anwendung gasförmiger Reaktionsstoffe.
Fio,. 2 zeigt eine industrielle Anlage zur Oberflächenbehandlung irr schaubildlicher Darstellung.
Fig. 3 ist. ein Längsschnitt, und Fig. -1 ein Querschnitt finit Teilvorder ansicht durch einen Ofen gemäss Fig. 2. Fig. 5 zeigt. in schaubildlicher Darstel- lun- eine Reaktionskammer für gasförmige Reaktionsstoffe. Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch eine Reaktionskaminen für flüssige Reaktions stoffe.
Fig. 7 ist ein Schnitt nach Linie VII-VII der Fig. 6.
Fig. 8 ist ein Längsschnitt, durch eine Vor richtung für flüssige Reaktionsstoffe.
Fig. 9 ist eine schematische schaubildliche Ansieht einer industriellen Anlage für Ultra- sc hall-Einsatzhärtung.
Wie eingangs erwähnt, wirken die mit dem zu behandelnden Metall reagierenden chemischen Stoffe im Verein mit der Wärme behandlung zu träge, um dem Werkstoff in kürzerer Zeit eine von seinem Anlieferungs- zust.ande verschiedene Eigenschaft zu verlei lien. Um die Reaktion bei herabgesetzter Tem peratur zu beschleunigen und zu intensivie ren, bedarf es einer weiteren Einwirkung. Berücksichtigt man, dass z.
B. die Lebens dauer eines aus Ammoniak naszierenden Stickstoffatoms etwa 1 Sek. währt, so leuchtet ein, da.ss es auch in dieser kurzen Zeitspanne wirksam werden muss. Das kann es aber nur, wenn der zu behandelnde Werkstoff und das Reaktionsgas selbst sich in einem reaktions bereiten Zustand befinden. Dieser Zustand kann durch die Anwendung von Ultraschall herbeigeführt werden. Die Ultraschallwellen iei-setzen sowohl das Werkstoffgefüge als auch hauptsächlich die Moleküle des Reaktions stoffes in Schwingungen, die eine innige Be rührung der Moleküle und damit eine Reak tionsbeschleunigung und -intensivierung her vorrufen.
Es könnte naheliegend erscheinen, Ultra schallenergie zur Reaktionsunterstützung her anzuziehen, wenn nicht a priori ein gewich tiger Grund gegen diese Überlegung spräche: die wichtigsten Wärmebehandlungen von Me tallen spielen sich in Temperaturbereichen über 600 C ab, während die mit Quarz arbei tenden Schallerzeuger über 550 C nicht mehr leistungsfähig sind.
Somit erschiene die An- wendung von Ultraschallerzeugern aus Quarz wegen der hohen Behandlungstemperaturen -eselilossen. Es wurde aber folgendes er- i -tiise kannt:
Weil der Reaktionsvorgang an der Metalloberfläche sich am besten im Tempera turbereich des thermischen Zerfalles der Reaktionsstoffe vollzieht, das heisst, um beim Beispiel von Stickstoff zu bleiben, der aus NH3 nasziert, zwischen 350 und 550 C, be darf es für die eigentliche Wärmebehandlung nicht der hohen, für die Strukturwandlung notwendigen Temperaturen - bei Stahl um 700 C - sondern man kann bei der niedrigen Temperatur von 500 C arbeiten, welche die Anwendung der Ultraschallerzeuger aus Quarz ermöglicht.
Die geschilderten Verhältnisse liegen bei andern Werkstoffen bzw. Reaktionsstoffen als den genannten ähnlich, z. B. bei Platin und Wasserstoff, und es ist auch gleichgültig, -welcher spezielle Reaktionsstoff im Einzelfalle gebraucht wird (Luft, NH3, N02, N0, CO, Leuchtgas, Salze, Salzschmelzen oder der gleichen).
Die Reaktionsmittel werden vorteilhaft mit Ultraschall von einer Frequenz und In tensität beschallt, dessen Schwingungsampli tude mit der freien Weglänge, als statistischer Mittelwert der thermischen Molekularbewe- gung, grössenordnungsmässig übereinstimmt. Das heisst für eine bestimmte Temperatur eines bestimmten Reaktionsstoffes ist die freie 'Weglänge, als Mittelwert seiner bei dieser Temperatur stattfindenden thermischen Mole kularbewegung (aus Tabellen) zu ermitteln und die Ultraschallerzeugung dann so zu wählen, da.ss die genannten Werte grössen ordnungsmässig gleich sind.
Praktisch können demnach die anzuwendenden Ultraschallfre- nuenzen im Bereich von 20 bis 50 MHz liegen und die Beschallungsintensitäten bei 5 bis 50 Wlem2 Ultraschallfrequenz und -intensität werden je nach dem zu behandelnden Werk stoff, dessen Temperatur und den gewählten festen, flüssigen oder gasförmigen Reaktions- 5:toffen variieren. Im Einzelfall wird ein Probeversuch die optimalen Daten im Rah men der gegebenen Hinweise ermitteln lassen.
Arbeitet man mit gasförmigen Reaktionsstof fen, so ist es zwecks weiterer Intensivierung der Reaktion vorteilhaft, geringe Gasdrücke und -strömungsgeschwindigkeiten anzuwen den.
Bei Versuchen mit Stahl zum Zwecke der Härtesteigerung durch Nitrierung haben sich Drücke von 7.0 bis<B>100</B> nim WS und Ge schwindigkeiten von 1 bis 50 cm/sec (je nach dem Durchmesser der Gasleitung) sowie Ul traschallfrequenzen von \? bis 5 MFIz und Intensitäten von 5 W/cm als zweekmä.ssig erwiesen.
Der zur Anwendung kommende Ultraschall kann ausser durch piezoelektrische Quarze oder Kristalle mit ähnlichem Verhalten (z. B. Turmalin) auch durch andere Verfahren er zeugt werden. Je nach Ausführungsform der Beschallungsanlage können magnetostriktive :Nickelstäbe oder Ultrasehallsirenen als Schall geber Anwendung finden.
Bei der Beschallung der @V erkstücke ist. die Bildung stehender Wellen unerwünscht, weil dadurch der<B>E</B> ffekt leidet. Die Ultra schallwellen wirken dann besser, wenn sie das zu behandelnde Werkstilck streifen, das heisst nicht im rechten Winkel auf es auftref fen, sondern im spitzen Winkel.
Uni eine möglichst weitgehende Erfassung der Clesanitoberfläche der zu behandelnden Werkstücke zu erreichen, erfahren die Werk stücke während der Reaktionsbehandlung zweckmässigerweise eine Pelativbewegting zu den Ultrasehallerzeugern. Eine derartige Be wegung kann auf verschiedenste Weise erzielt werden, beispielsweise dadurch, dass die Werk tücke stillstehen und die Ultraschallerzeuger längs ihrer Oberfläche bewegt werden, oder dass die Schallgeneratoren fest im Ofen ange bracht sind und die Werkstücke durch das llltrasehallfeld hindurch bewegt werden.
Ebenso können sowohl die Werkstüeke, als auch die Ultraschallerzeuger gleichzeitig be wegt werden. Ob die Bewegungen translato- riseh oder rotatorisch sind, ist dabei offenbar gleichgültig, und durch welche Mittel sie er zielt werden, bleibt dem Ermessen des Fach mannes im Einzelfalle überlassen.
Die Ultrascha.llein-vvirkung hat eine bedeu tende Abkürzung der Wärmebehandlung zur Folge. Nährend z. B. die normale Nitrierung eines Stahles zur Erhöhung seiner Härte sechs Stunden Behandlungsdauer erfordert, genügt nach dem neuen Verfahren eine @esc@a.lluugs- dauer von ein bis zwei Stunden, um eine dichte Reaktionsschieht zu erzielen. In Fig. 1.
ist eine Laboratoriumsanlage zur Oberflächen behandhing von Werkstüeken mittels Reak tionsgasen schematisch wiedergegeben. Das VVerkstiiek in Gestalt des Prüfstabes 1 ist in einen elektrisch beheizten, mittels der in<B>Öff-</B> nungsstellung gezeichneten Versehlussplatte 2 dicht zu verschliessenden Ofen 3 eingesetzt, dessen Temperatur mit Hilfe des Temperatur reglers 4 regelbar ist.
Die Heizenergie wird über die Leitung 5 dein Netz entnommen. In der Verschlussplatte ? befinden sich zwei Öff nungen 6 und 7 für den Gasein- bzw. -auslass. Der Öffnung 6 wird das Reaktionsgas, z. B. NI- I?" vom \Gaserzeuger 8, über den Gas wäscher 9, den Troekner 10 und die Leitung 11. zugeführt, durchströmt den Reaktionsraum 12 und entweicht. durch die Öffnung 7 in die zum Auffan-,r,efäss 13 führende Leitung 14.
Im Reaktionsraum 12, der anstatt in der Verschlussplatte ? auch ini Ofen 3 vorgesehen sein kann, befindet sieh ein Ultrasehallstrah- l.er (Quarz) 15, der über die Leitung 1.6 vom Iloclifi-equenz-renerator 17 niit Spulensatz 18 aus erregt wird. Der Generator liegt über die Leitung 1.9 am Netz.
Bei geschlossenem Ofen nimmt der Ultrasehallstrahler 15 die punk tiert angedeutete Stellung 15' unmittelbar gegenüber der äussern Stirnfläche des erhitz ten Prüfstabes 1. ein, so dass die Ul.t.raschall- energie von aussen gleielizeitig mit dem Reak tionsgas auf den Stab einwirken kann, wenn die Anlage in Tätigkeit gesetzt. ist.
Die in Fig-. 2 veranschaulichte industrielle Anlage arbeitet im Prinzip genau wie die Laboratoriumsanlage nach Fig. 1, sie ist nur umfangreieher. Mehrere Öfen 20, deren In nenausstattung weiter unten bezüglich Fig. 3 und 4 beschrieben ist, stehen in Reihe neben einander und sind mit ihren Heizleitungen 21, 31.' an das Netz und mit den Leitungen 22, 22', 22" an den mit dem HF-Generator 23 verbundenen HF-Verzweiger 24 angeschlossen. Der 500-V -Iloehfreqtieiizgeiierator 23 kann ortsbeweglich sein. Ein Gaserzeuger oder.
Gasometer 24 versorgt die Öfen 20 über eine Sammelleitung 25 und die Zweigleitungen 26, ='6' mit Arbeitsgas, während das Abgas an den Ofenenden über die Leiteng 27 abströmt. Absperrhähne 28, 29 in den Zu- und Ablei- tun#,-en vervollständigen die Rohranlage, wäh rend die Verhältnisse im Ofeninnern mittels der Manometer 30 und Thermometer 31 zu überwachen sind.
Im Ofeninnern (Fig. 3 und 4) sind ausser cien. elektrischen Heizkörpern 32 feste und bewegliche Ultraschallstrahler 33 bzw. 34 an- gebracht, und zwar derart, dass sie die Werk- stüeke, die auf dem Tisch 35 liegen, möglichst in einer streifenden Weise beschallen.
Um den beschallten Raum (gestrichelt angedeutet), in seiner Ausdehnung verändern zu können, befinden sieh die Ultraschallstrahler 3.1 an einem Bügel 36, der von aussen her mittels eines Griffbügels 37 (Fig. 2 und 3) verscho ben werden kann. Natürlich können die Ultra schallstrahler 33 oder 34 auch anders als dar gestellt angeordnet werden, Zum Beispiel an einem sich drehenden Bügel, der auch in l.ängsriehtung verschiebbar sein kann, wie aueli die Werkstückauflage jede geeignete Gestalt, z.
B. in Form von Ketten, Bändern, Haken und dergleichen haben kann, um die Werkstücke jeweils in der geeigneten Weise den Beschallungsorganen darzubieten.
Die bezüglich Fig. 1 erwähnte Reaktions kammer 12 kann die in Fig. 5 dargestellte flestalt erhalten, das heisst, die eines Kastens 38, dessen Vorderfläche 39 den Ofenverschluss bildet. Von der Ofenseite her ragen in die Kammer 38 die Werkstücke 40 über entspre chend gestaltete Öffnungen hinein, die in geeigneter Weise gegen das Werkstück 40 ab gedichtet sind.
Aus Fig. 6 und 7 ist ersicht- lieh, dass auch die Werkstücke 40 selbst die Dichtung bewirken können, indem ihre konisch gestalteten Köpfe in die ebenfalls konischen Öffnungen 41 hineinragen und darin durch eine Art Bajonettverschluss 42 fest und dicht gehalten werden. Derartige Werkstückanordnungenwerden vorteilhaft für Prüf- und Laboratoriumszwecke benutzt. In die Yerschlussfläche 39 ist von aussen her der Quarzhalter 43 eingeschraubt, der den Ultraschallsender in sich birgt.
Seine Stellung zum Werkstück 40 ist derart, dass die aus gesendeten Schallstrahlen s das Werkstück unter einem spitzen Winkel treffen. Der HF- Anschluss erfolgt, über die Klemmen 44, und ein Thermoelement 45, dessen Reaktionsstrom einem (nicht dargestellten) Pyrometer zuge leitet wird, dient der Temperaturkontrolle.
Soll die Beschallung der Werkstücke in gasförmiger Atmosphäre erfolgen, so strömt das Gas über die Einlass- und Auslassstutzen 46 bzw. 47 (Fig. 5) durch die Reaktionskam mer 38. In der rinlassleitung 46 kann noch ein Druckmesser 48 vorgesehen sein.
Die Kammer 38 kann auch zur Aufnahme flüssiger Reaktionsstoffe, z. B. einer Salz schmelze, dienen. In diesem Falle bedarf es keiner Rohranschlüsse, wie die Fig. 6 und 7 deutlich machen, die eine Reaktionskammer für die Beschallung in Salzschmelzen im Schnitt darstellen. Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch einen Einsatzhärteofen, in welchem der Härtevorgang durch chemische Umsetzung bei Ultraschalleinwirkung vonstatten geht. Im Ofengehäuse 49 ist der Tiegel 50 für die Salzschmelze 51 untergebracht. Der Tiegel 50 wird durch die elektrische Heizung 52 von der Anschlussleitung 53 her beheizt.
In ihm befindet sich der Träger oder Rost 54 für das Härtegut und verschlossen ist er mittels eines Verschlussstückes 55, während der äussere Deckel 56 das gesamte Gehäuse 49 überdeckt. Am Boden des Tiegels 50 sind die Ultraschallquarze 57 mosaikartig angeordnet, so dass von der gesamten Bodenfläche her die Salzschmelze 51 von den Ultraschallstrahlen s durchsetzt wird. Die Schallstrahlen 57 werden von einem (nicht besonders gezeichneten) HF-Generator aus über die Leitung 58 erregt.
Da die Abstrahlung von Ultraschall in Gasen einer hohen Absorption unterliegt, ist bei Verwendung einer Flüssigkeit als schall tragendes Medium mit einer Verstärkung des bei Gasen festgestellten Effektes zu rechnen, weil Flüssigkeiten die Ultraschallenergie nur wenig absorbieren. Demnach ist der fördernde Einfluss der Ultraschallenergie auf die an Metalloberflächen sich abspielenden Reak tionen in verstärktem Masse festzustellen.
Derartige Öfen 49 können, wie Fig. 9 ver anschaulicht, zu industriellen Anlagen ver einigt werden. Sie sind dann zweckmässig in Reihe geordnet, je für sieh durch Wärme messer 59 züz überwachen und erhalten ihre Heizenergie von einer gemeinsamen Netzlei tung 53, sowie die HF-Energie über die Lei tungen 58 und den HF-Verteiler 60 vom HF- Generator 61, der seinerseits über die Leitung 62 ebenfalls an das Netz angeschlossen ist.