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.
Methods and devices for the surface treatment of metals and metal alloys. The invention relates to a method and a device for the surface treatment of metals and metal alloys.
Various types of heat and chemical treatments are used to influence the openness of metals and metal alloys to the surface.
It is known, for example, to treat the heated workpieces with chemicals in order to achieve a structural change on the surface of the surface through chemical reactions, which results in the desired hardening.
In the case of steel, beer is formed, depending on the type of hardening agent used, for example during nitriding, l @: isenniti @ ide from iron molecules and nascent carbon or, during carburizing, I: i ", encarbides from iron molecules and carbon.
The prerequisite for the desired prior reactions is an increased temperature, chemical activity of the reacting substances - for example by utilizing the same in statu naszendi - and a certain reaction time.
The known processes for surface treatment require a considerable amount of time and expense and require high temperatures. In individual cases, e.g. B. in the case of nitriding of steel, the effect on the material with the aim of improving its properties is very little intensive.
Attempts have therefore been made on various occasions to shorten the relatively long reaction time or to lower the reaction temperature, for example using ultrasound. However, no notable successes have been recorded. The invention shows one way to achieve this goal.
The invention is based on the idea that the thermal movement of the reacting molecules should be regulated by a suitable means so that the reaction takes place more quickly and more intensively than if the reactants are left to their own devices. Ultrasound has been recognized as such a means of regulation, namely when the reaction substances are acted on from outside. When using high frequency ultrasound (for example 1 to 5 MHz), substance molecules that are detected by the ultrasound perform movements whose oscillation amplitude is, for example, in the order of magnitude of 10-7 m. In comparison, the free path of a nitrogen molecule at a temperature of 500 C, calculated from the thermal movement, is 10-7 m.
Accordingly, with regard to the free path of a gas molecule and the oscillation amplitude of a gas molecule under the influence of high-frequency ultrasound, there can be agreement of the order of magnitude, the ultrasound wave exerting a directing effect on the disordered thermal movement, so that the molecules of the substance that is detected by the ultrasonic wave are moved to an increased extent in the direction of the ultrasonic wave. The consequence of this superimposition is that the percentage of molecules moving in the direction of the ultrasonic wave is greater than in the non-sonicated room.
B. takes place on a workpiece to be treated by the ultra sound wave. Practical tests have proven the correctness of this consideration insofar as an intensification of the reaction caused solely by the thermal movement can be determined with additional external application of ultrasonic energy.
So there is. the invention: in the fact that the chemically active substances are exposed to the action of ultrasound. Advantageously, the reactants are sonicated at such a frequency and intensity that the free vibration amplitude imposed on the individual molecule of the reactant by the ultrasound sound vibration is of the order of magnitude of the free vibration amplitude defined as the statistical mean value of the thermal molecular movement Path length of the molecule.
The chemically active substances can, depending on the nature of the surface to be achieved - hardness, color, gas enrichment, protective layer formation or the like - in gaseous, liquid or solid aggregate. the heated work pieces are made to react under the action of ultrasound. The temperature of the workpieces is expediently in the range of thermal decomposition of the reac tion substances. If gases are used as reactants, the heated workpieces are preferably exposed to sound at low pressure and low speed of the reaction gases.
In order to make the entire surface of the workpieces accessible for treatment, a relative movement between the workpieces and the. Ultrasonic generators take place.
The method according to the invention can be implemented in many ways. The respective shape of the workpieces and the purpose of the surface treatment will determine the type of equipment required to carry out the process.
A simple embodiment of a device for surface treatment according to the invention is characterized by a lockable with. Reactants to be charged. Oven for receiving the workpieces, which contains at least one ultrasonic generator. The ultrasonic generators or the MTerl @ stücli: e can be arranged in the furnace in such a way that the ultrasonic waves are at an acute angle. to hit the workpiece.
The arrangement can also be made so that the ultrasonic generators and the workpieces can be moved relative to one another, in that either the ultrasonic generators or the ZVerkstüeke or both are moved in the furnace in such a way that the entire surface of the latter can be exposed to the sound. The relative movement between the ultrasonic generator and the workpiece can be controlled from outside the furnace.
According to a special embodiment of the invention, several ultrasonic generators can be attached to at least one wall of the furnace in a planar arrangement.
Some simple embodiments of devices according to the invention are shown in the drawing.
Fig. 1 is the scheme. a device for the surface treatment of workpieces using gaseous reactants.
Fio ,. 2 shows an industrial plant for surface treatment in a diagrammatic representation.
Fig. 3 is. a longitudinal section, and Fig. -1 shows a cross section finite partial front view through a furnace according to FIG. 2. FIG. in a diagrammatic representation a reaction chamber for gaseous reactants. Fig. 6 is a longitudinal section through a reaction chimneys for liquid reaction materials.
FIG. 7 is a section along line VII-VII in FIG. 6.
Fig. 8 is a longitudinal section through a device for liquid reactants.
9 is a schematic perspective view of an industrial plant for ultrasound case hardening.
As mentioned at the beginning, the chemical substances that react with the metal to be treated, in combination with the heat treatment, act too sluggishly to give the material a property different from its delivery condition in a shorter time. In order to accelerate and intensify the reaction when the temperature is reduced, further action is required. If one takes into account that z.
If, for example, the life of a nitrogen atom nascent from ammonia is about 1 second, it is clear that it must also be effective in this short period of time. But it can only do this if the material to be treated and the reaction gas themselves are in a ready-to-react state. This condition can be brought about by the use of ultrasound. The ultrasonic waves iei-set both the material structure and mainly the molecules of the reaction substance in vibrations, which cause an intimate touch of the molecules and thus a reaction acceleration and intensification.
It might seem obvious to use ultrasound energy to support the reaction, if there was not a priori reason against this consideration: the most important heat treatments for metals take place in temperature ranges above 600 C, while those with quartz work above 550 C. are no longer efficient.
Thus, the use of ultrasonic generators made of quartz would appear because of the high treatment temperatures. But the following was recognized:
Because the reaction process on the metal surface is best carried out in the temperature range of the thermal decomposition of the reactants, i.e., to stay with the example of nitrogen, which is nascent from NH3, between 350 and 550 C, it is not necessary for the actual heat treatment high temperatures necessary for the structural change - around 700 C for steel - but you can work at the low temperature of 500 C, which enables the use of ultrasonic generators made of quartz.
The described relationships are similar for other materials or reactants than those mentioned, e.g. B. with platinum and hydrogen, and it does not matter which special reaction substance is used in the individual case (air, NH3, N02, N0, CO, luminous gas, salts, molten salt or the like).
The reactants are advantageously exposed to ultrasound at a frequency and intensity whose oscillation amplitude corresponds to the order of magnitude of the free path, as the statistical mean value of the thermal molecular movement. This means that for a certain temperature of a certain reaction substance the free path is to be determined as the mean value of its thermal molecular movement taking place at this temperature (from tables) and then to select the ultrasound generation in such a way that the values mentioned are properly equal.
In practice, the ultrasonic frequencies to be used can therefore be in the range of 20 to 50 MHz and the sonication intensities at 5 to 50 Wlem2 ultrasonic frequency and intensity are depending on the material to be treated, its temperature and the selected solid, liquid or gaseous reaction 5 : colors vary. In individual cases, a trial test will allow the optimal data to be determined within the framework of the information given.
If you work with gaseous reactive substances, it is advantageous to use low gas pressures and flow rates for the purpose of further intensifying the reaction.
In tests with steel for the purpose of increasing the hardness by nitriding, pressures of 7.0 to <B> 100 </B> nin the WS and speeds of 1 to 50 cm / sec (depending on the diameter of the gas line) and ultrasonic frequencies of \? up to 5 MFIz and intensities of 5 W / cm proved to be two-dimensional.
The ultrasound used can be generated by other methods besides piezoelectric quartz or crystals with similar behavior (e.g. tourmaline). Depending on the design of the sound system, magnetostrictive: nickel rods or ultrasound sirens can be used as sound generators.
When sounding the @Verkteile is. the formation of standing waves is undesirable because the <B> E </B> effect suffers. The ultrasonic waves work better when they touch the workstyle to be treated, i.e. not hit it at a right angle, but at an acute angle.
To achieve the greatest possible coverage of the clesanite surface of the workpieces to be treated, the workpieces expediently experience a pelative movement to the ultrasound generators during the reaction treatment. Such a movement can be achieved in a wide variety of ways, for example by the fact that the work pieces stand still and the ultrasonic generators are moved along their surface, or that the sound generators are fixed in the furnace and the work pieces are moved through the laser reverberation field.
Likewise, both the workpieces and the ultrasonic generators can be moved at the same time. Whether the movements are translatory or rotational is evidently immaterial, and the means by which they are aimed is left to the discretion of the specialist in each individual case.
The ultrasonic single action results in a significant shortening of the heat treatment. Nourishing z. B. the normal nitriding of a steel to increase its hardness requires six hours of treatment, according to the new process an @ esc @ a.lluugs- duration of one to two hours is sufficient to achieve a tight reaction layer. In Fig. 1.
a laboratory system for the surface treatment of workpieces by means of reaction gases is shown schematically. The VVerkstiiek in the form of the test rod 1 is inserted into an electrically heated furnace 3 which is to be sealed tightly by means of the closure plate 2 drawn in the open position, the temperature of which can be regulated with the aid of the temperature controller 4.
The heating energy is taken from your network via line 5. In the locking plate? there are two openings 6 and 7 for the gas inlet and outlet. The opening 6 is the reaction gas, for. B. NI-I? "From the gas generator 8, via the gas scrubber 9, the dryer 10 and the line 11, flows through the reaction chamber 12 and escapes through the opening 7 into the 13 leading to the collector Line 14.
In the reaction space 12, which instead of in the closure plate? An ultrasound radiator (quartz) 15 can also be provided in the furnace 3, which is excited via the line 1.6 from the Iloclifi-equence generator 17 with the coil set 18. The generator is connected to the network via line 1.9.
When the furnace is closed, the ultrasonic radiator 15 assumes the position 15 'indicated by the dotted line directly opposite the outer face of the heated test rod 1, so that the ultrasonic energy can act on the rod from the outside at the same time as the reaction gas, when the plant is put into operation. is.
The in Fig-. The industrial installation illustrated in FIG. 2 works in principle exactly like the laboratory installation according to FIG. 1, it is only more extensive. Several ovens 20, whose interior equipment is described below with reference to FIGS. 3 and 4, are in series next to each other and are with their heating lines 21, 31. ' connected to the network and with the lines 22, 22 ', 22 "to the HF splitter 24 connected to the HF generator 23. The 500 V Iloehfreqtieiierator 23 can be mobile. A gas generator or.
Gasometer 24 supplies the furnaces 20 via a collecting line 25 and the branch lines 26, = '6' with working gas, while the exhaust gas flows off at the furnace ends via the pipes 27. Stopcocks 28, 29 in the inlets and outlets complete the pipe system, while the conditions inside the furnace are to be monitored by means of the manometer 30 and thermometer 31.
Inside the furnace (Fig. 3 and 4) are except cien. Fixed and movable ultrasonic radiators 33 and 34, respectively, are attached to electric heaters 32, specifically in such a way that they irradiate the workpieces lying on the table 35, if possible in a grazing manner.
In order to be able to change the extent of the sonicated room (indicated by dashed lines), see the ultrasonic emitters 3.1 on a bracket 36 which can be shifted from the outside by means of a handle 37 (FIGS. 2 and 3). Of course, the ultrasonic radiator 33 or 34 can also be arranged differently than is shown, for example on a rotating bracket, which can also be displaced in the longitudinal direction, such as the workpiece support any suitable shape, e.g.
B. can have in the form of chains, bands, hooks and the like, in order to present the workpieces in the appropriate manner to the sound systems.
The reaction chamber 12 mentioned with regard to FIG. 1 can have the shape shown in FIG. 5, that is to say that of a box 38, the front surface 39 of which forms the furnace closure. From the furnace side, the workpieces 40 protrude into the chamber 38 via appropriately designed openings which are sealed against the workpiece 40 in a suitable manner.
It can be seen from FIGS. 6 and 7 that the workpieces 40 themselves can also produce the seal, in that their conically shaped heads protrude into the likewise conical openings 41 and are held firmly and tightly therein by a type of bayonet lock 42. Such workpiece arrangements are advantageously used for testing and laboratory purposes. The quartz holder 43, which contains the ultrasonic transmitter, is screwed into the closure surface 39 from the outside.
Its position in relation to the workpiece 40 is such that the sound beams s sent out hit the workpiece at an acute angle. The HF connection is made via the terminals 44, and a thermocouple 45, the reaction current of which is fed to a pyrometer (not shown), is used for temperature control.
If the workpieces are to be sonicated in a gaseous atmosphere, the gas flows via the inlet and outlet nozzles 46 and 47 (FIG. 5) through the reaction chamber 38. A pressure gauge 48 can also be provided in the inlet line 46.
The chamber 38 can also be used to hold liquid reactants, e.g. B. a salt melt, serve. In this case, there is no need for pipe connections, as shown in FIGS. 6 and 7, which show a section of a reaction chamber for sonication in molten salts. Fig. 8 shows a section through a case hardening furnace in which the hardening process takes place by chemical conversion with the action of ultrasound. The crucible 50 for the molten salt 51 is accommodated in the furnace housing 49. The crucible 50 is heated by the electrical heater 52 from the connection line 53.
The carrier or grate 54 for the hardened material is located in it and is closed by means of a closure piece 55, while the outer cover 56 covers the entire housing 49. On the bottom of the crucible 50, the ultrasonic quartz crystals 57 are arranged like a mosaic, so that the molten salt 51 is penetrated by the ultrasonic beams s from the entire bottom surface. The sound beams 57 are excited by an HF generator (not shown in particular) via the line 58.
Since the emission of ultrasound in gases is subject to a high level of absorption, when using a liquid as a sound-bearing medium, an intensification of the effect observed with gases is to be expected, because liquids absorb the ultrasound energy only slightly. According to this, the promoting influence of the ultrasonic energy on the reactions taking place on metal surfaces can be determined to a greater extent.
Such ovens 49 can, as illustrated in FIG. 9, ver be united to industrial plants. They are then conveniently arranged in series, each monitor züz through heat meter 59 and receive their heating energy from a common power line 53, as well as the HF energy via the lines 58 and the HF distributor 60 from the HF generator 61, which in turn is also connected to the network via line 62.