CN102625859B - 用于对工件进行硬化的方法和装置以及根据该方法被硬化的工件 - Google Patents

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Abstract

为一种用于对工件进行热处理的方法设置一种装置，该装置具有一个冷却室和两个或更多个渗碳室，在其中工件借助加热装置的直接的热辐射被加热到950℃至1200℃的温度。

Description

用于对工件进行硬化的方法和装置以及根据该方法被硬化的工件
技术领域
本发明涉及一种用于对工件进行硬化的方法、一种用于实施该方法的装置以及根据该方法被硬化的工件。根据本发明的方法包括下述步骤：
（a）将工件加热到950℃至1200℃的温度；
（b）在950℃至1200℃的温度和小于100毫巴的压力时，向工件加载含碳的气体和/或含氮的气体；
（c）在950℃至1200℃的温度，将工件保持在压力小于100毫巴的气氛中；
（d）可选地将步骤（b）和（c）重复一次或多次；并且
（e）冷却工件。
根据本发明的装置包括两个或更多个渗碳室、至少一个冷却室和一个用于操作用于工件的托架的传送系统，其中，每个渗碳室可通过一个或多个真空活门或热绝缘活门与冷却室连接并且每个渗碳室具有用于托架的接纳部和加热元件。
工件主要是指由金属材料制成的机器部件和传动装置部件、例如由钢合金如28Cr4（根据ASTM5130）、16MnCr5、18CrNi8和18CrNiMo7-6制成的齿圈、齿轮、轴或喷射组件。
背景技术
借助渗碳对工件进行硬化的方法和装置已被现有技术公开。
DE10322255A1公开了一种用于在可抽真空的处理室中在高于930℃的温度下借助碳排放气体对钢部件进行渗碳的方法，其中，在加热期间和扩散阶段期间均向处理室中添加氮排放气体、如氨气。
DE10359554B4描述了一种用于在真空炉中对金属工件进行渗碳的方法，其中，炉气氛具有碳载体，其在渗碳的过程条件下裂解释放出纯碳，其中，碳载体的输入脉冲式地进行，每次渗碳脉冲之后是扩散暂停并且待输入的碳氢化合物量在渗碳脉冲期间这样改变，使得其匹配材料当前的吸收性，为此，在每次渗碳脉冲开始时乙炔体积流设定得很大并且测量炉气氛或废气中存在的氢气和/或乙炔和/或碳总量的浓度并且依此相应降低乙炔体积流。
DE102006048434A1涉及一种渗碳方法，该方法在热处理炉中的保护气体或处理气氛中得以实施，其中，酒精和二氧化碳被加入热处理炉中并且发生化学反应。乙醇和二氧化碳被加入热处理炉中，所加入的乙醇和二氧化碳的比例优选为1：0.96。由此产生的热处理气氛特别适合于对金属材料、例如钢铁材料进行渗碳以及渗碳中性的退火。
DE102007038991A1描述了一种用于对工件进行热处理的、尤其是用于对金属工件进行气体渗碳的转底炉，该转底炉具有炉空间、限定炉空间底侧的转底、在侧面包围炉空间的外壁和在顶部限定炉空间的顶板，其中，炉空间借助内壁划分为至少两个处理区，所述内壁相对于转盘的旋转轴径向延伸。为了处理工件，在转盘上设置多个相对于转盘的旋转轴径向定向的并且可在径向上装料的用于接纳工件或工件支架的托架，其中，每个内壁具有与托架互补地成形的通道，托架通过所述通道可在转盘旋转时在圆周方向上穿过相应的内壁。
DE102007047974A1公开了一种用于对钢工件、尤其是具有外表面和内表面的工件进行渗碳的方法，其中，将工件在850至1050℃的温度范围中保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中。使用至少两种不同的气态的碳氢化合物和/或交替地将工件在渗碳脉冲期间保持在含有气态的碳氢化合物的气氛中和在扩散阶段期间保持在无碳氢化合物的气氛中。
现有技术中公开的方法具有一个或多个下述缺点：
-借助渗碳对工件进行硬化所需的温度大于850℃，其中，加热所需时间常常大于45分钟。为了实现足够的生产率或工件的高生产量，渗碳分批进行，且每批工件数量较多，所述工件以多个上下叠置的层设置在炉料托架中。例如具有10个炉栅的炉料托架装载共160个由28Cr4合金（根据ASTM5130）制成的齿圈，其中，在10个炉栅的每个上并排设置16个齿圈。常见的炉料托架或装载位置在三个空间方向上分别具有400mm至2000mm范围中的尺寸。这种传统的装料方式（Chargierung）在此并且在下面也被称为“3D装料”。渗碳在制造过程中在基本上串联的机械加工（所谓的软加工）之后进行。为此设置缓冲区，软加工的工件聚集其中，直到完成3D装料以进行渗碳。无论对于加热炉还是缓冲区来说，对3D装料进行渗碳都需要相当的面积。此外，3D装料的渗碳使机械加工的准连续流中断并导致物流成本增加。在3D装料的缓冲状态中（3D-Chargen-Pufferung）需要手动操作工件，因为出于技术和经济原因无法使用适合与此的机器人系统；
-3D装料渗碳时产生更多的含碳残留物，其可污染工件以及周围的生产线；
-在3D装料中进行渗碳的工件通常具有显著的热翘曲，其需要进行高成本的机械再加工（所谓的硬处理）；
-在3D装料中进行渗碳的工件在典型的特性如渗碳深度、表面碳含量和芯部硬度中差异较大，从而不能改善直接或间接受其影响的质量参数例如由渗碳部件构成的机械传动装置的打滑或摩擦损耗。
发明内容
本发明的任务在于：提供一种用于对工件进行硬化的方法，该方法具有高生产率并且其在很大程度上克服了上述缺点。
该任务通过一种包括下述步骤的方法得以解决：
（a）将工件加热到950℃至1200℃的温度，其中，每个工件表面的30至100％借助加热装置的直接的热辐射被加热；
（b）在950℃至1200℃的温度和小于100毫巴的压力下，向工件加载含碳的气体和/或含氮的气体；
（c）在950℃至1200℃的温度下，将工件保持在压力小于100毫巴的气氛中；
（d）可选地将步骤（b）和（c）重复一次或多次；并且
（e）冷却工件。
在根据本发明的方法的步骤（a）中，以下述方式完成工件的加热：将工件并排地以一层或一列设置于加热装置中。这种布置方式在此并且在下面也被称为“2D装料”。
根据本发明的方法的其它方案的特征在于：
-在步骤（a）中，每个工件借助来自两个或更多个空间方向的热辐射被加热；
-在步骤（a）中，每个工件的靠近表面的区域以35至135℃·min-1、优选50至110℃·min-1、并且尤其是50至75℃·min-1的速率被加热；
-在步骤（a）中，每个工件的芯部以18至120℃·min-1的速率被加热；
-在步骤（e）中，将在800至500℃的温度范围中的工件（6）以2至20kJ·kg-1·s-1的冷却比率冷却；
-在步骤（b）中，向工件加载乙炔（C2H2）和/或氨气（NH3）；
-在步骤（e）中，借助气体、优选氮气冷却工件；
-借助氮气在2至20巴的压力、优选4至8巴并且尤其是5至7巴的压力下冷却工件；
-在步骤（e）中，在40至100秒之内将工件的表面从900至1200℃温度范围冷却为300℃；并且
-就一个工件而言实施步骤（a）至（e）的周期时间为5至120秒、优选5至60秒、并且尤其是5至40秒。
为了以本发明的方法对质量为50至300克的小的工件或构件、例如用于内燃机的喷嘴或螺栓进行硬化，大约50至400个构件以单层至三层散堆物的形式设置在构造为筐的托架或特别制造的用于规则安置构件的托架中。由于筐中工件的数量很多，为了实施步骤（a）至（e），可实现20至5秒范围内的短的周期时间。在此这样选择工件的堆积密度，使得每个工件表面的至少30%借助加热装置的直接的热辐射被加热。
根据本发明的方法尤其是包括下述步骤：
（i）将工件单层地布置在托架中/上；
（ii）将带有工件的托架送入冷却室，将冷却室抽真空至小于100毫巴的压力；
（iii）将托架传送到渗碳室中，其中，可选地将托架在送入渗碳室之前暂时存放在停放接纳部中；
（iv）借助热辐射将工件加热到950℃至1200℃的温度，其中，每个工件表面的30至100％借助渗碳室的直接的热辐射被加热；
（v）在950℃至1200℃的温度和小于100毫巴的压力的情况下，向工件加载含碳的气体和/或含氮的气体；
（vi）在950℃至1200℃的温度，将工件保持在压力小于100毫巴的气氛中；
（vii）可选地一次或多次重复步骤（iv）和（v）；
（viii）将带有工件的托架传送到冷却室中；
（ix）借助气体、优选氮气冷却工件；并且
（x）将带有工件的托架从冷却室中取出。
本发明的另一任务在于：提供一种用于根据上述方法对工件进行硬化的装置。
该任务通过这样的装置得以解决，该装置包括两个或更多个渗碳室、至少一个冷却室和一个用于操作用于工件的托架的传送系统，其中，冷却室与每个渗碳室可通过一个或多个真空活门连接，每个渗碳室具有用于托架的接纳部和至少两个加热元件，这样设置所述加热元件，使得由其发出的辐射以0.5π至2π的平均空间角度照射每个工件的表面。
在一种替换的实施方式中，根据本发明的装置包括两个或更多个渗碳室、至少一个冷却室、一个设置在渗碳室和冷却室之间的闸门室和一个用于操作用于工件的托架的传送系统，其中，冷却室可通过真空活门与闸门室连接，每个渗碳室可通过热绝缘活门与闸门室连接并且每个渗碳室具有用于托架的接纳部和至少两个加热元件，这样设置所述加热元件，使得由其发出的辐射以0.5π至2π的平均空间角度照射每个工件的表面。
根据本发明的装置的扩展方案的特征在于：
－所述热绝缘活门构造为真空活门；
－所述冷却室具有两个用于送入和取出工件的真空活门；
－所述加热元件构造为板式辐射器；
－所述加热元件由石墨或碳纤维增强碳（CFC）制成；
－所述托架构造为格栅状托盘；
－所述托架由碳纤维增强碳（CFC）制成；
－所述传送系统具有垂直设置的包括上方和下方的转向装置和链的链传动装置以及可水平移动的用于接纳托盘的伸缩叉，其中，伸缩叉通过传动装置与其中一个链耦合。
此外，本发明的任务还在于提供一种被硬化的工件，其具有更好的特性、尤其是热翘曲减少。由于热翘曲减少，所以用于机械再加工（所谓的硬加工）的成本显著降低。
该任务通过一种由金属材料制成的工件得以解决，该工件根据上述方法被硬化。
根据本发明的工件的特征在于：
－表面硬化层深度（CHD）在额定值的±0.05mm、优选±0.04mm、并且尤其是±0.03mm的范围内，其中，额定值为0.3至1.4mm；
－表面碳含量在额定值的±0.025重量％、优选±0.015重量％、并且尤其是±0.01重量％的范围内，其中，额定值为0.6至0.85重量％；
－芯部硬度在额定值的±30HV、优选±20HV的范围内，其中，额定值为280至480HV。
表面硬化层深度（CHD）、表面碳含量和芯部硬度与额定值的差异或偏差范围（即最大和最小测量值之间的差异）通过在一批炉料的1至5个工件上的测量来求出。
工件主要是指由金属材料制成的机器部件和传动装置部件、例如由钢合金如28Cr4（根据ASTM5130）、16MnCr5、18CrNi8和18CrNiMo7-6制成的齿圈、齿轮、轴或喷射组件。
附图说明
接下来借助附图详述本发明，附图如下：
图1a示出工件和两个加热元件的布置；
图1b示出对工件的辐射加热；
图2示出带有工件的托盘；
图3示出用于硬化的具有垂直可移动的冷却室的装置；
图3A示出具有传送室的装置；
图4示出用于硬化的具有固定的冷却室和中间的闸门室的装置；
图5A-B示出用于具有中间的闸门室的装置的传送系统；
图6示出垂直设置在两个加热元件之间的多个工件；
图7示出关于工件加热的测量数据；
图8示出关于工件硬度分布的测量数据；
图9示出关于工件芯部硬度的测量数据；
图10示出关于工件表面碳含量的测量数据；以及
图11示出关于工件椭圆度的测量数据。
具体实施方式
图1a中示出一种用于借助两个加热元件（21、22）加热工件6的布置。工件6支承在构造为格栅状托盘的托架5上。加热元件（21、22）这样相对于托盘5或工件6设置，使得由加热元件（21、22）发出的在图1中通过箭头线8表示的辐射从不同的空间方向入射到工件6的表面上。优选加热元件（21、22）设置在托盘5的两侧并且彼此相对置。这样选择加热元件（21、22）的设置，使得每个工件6表面的30至100％暴露在直接的热辐射8下、即与加热元件（21、22）的表面处于直接的视觉接触中。在本发明的一种适宜的扩展方案中，这样构造并相对于工件6设置加热元件（21、22），使得入射到工件6表面的点（9、9'）上的热辐射8平均照亮的空间角度为0.5π至2π。这种结构——热辐射8以0.5π至2π的平均空间角度照射30至100％的工件6表面——允许快速加热工件6。图1b以透视图示出用于照射工件6表面上的点9的数值为2π的最大空间角度Ω。从图1a中可看出，工件6表面的局部区域被托盘5遮住并且与加热元件（21、22）不具有直接的视觉接触。对于工件6表面中的凹形区域也是一样。上述表面区域间接通过工件6内的热传导加热。根据本发明，当每个工件表面的至少30％与加热元件（21、22）之一处于直接的视觉接触时，可确保工件6的迅速加热。
优选加热元件（21、22）为以电能运行的“有源的辐射加热器”。但本发明也包括“无源的辐射加热器”、例如渗碳室的壁，其借助设置在渗碳室中的辐射加热装置加热到超过1000℃、尤其是超过1400℃的高温。优选渗碳室的壁的热容数倍于待硬化工件的热容。由此确保在装载和取出工件期间渗碳室的温度仅略微下降。借助电辐射加热器和借助渗碳室的通过辐射加热装置加热的壁以相同方式实现的本发明的效果。
图2以透视图示出工件6、如齿轮在格栅状构造的托盘5上的根据本发明的单层布置。开口面积与格子的比值——在托盘5的横向对称平面7中和参考垂直于该横向对称平面7的法线7'中测得——在此并且在下面被称为开口比值并且根据本发明大于60%、优选大于70%并且尤其是大于80%。托盘5优选由碳纤维增强碳（CFC）制成，因此其具有高的机械和热稳定性。
图3示意性显示的根据本发明的装置100包括一个可垂直移动的冷却室190和四个垂直地上下叠置的渗碳室（110、120、130、140）。冷却室190和每个渗碳室（110、120、130、140）与真空泵或真空泵台（在图3中未示出）相连接。借助真空泵可将每个室（190；110、120、130、140）独立于另外的室地抽真空到小于100毫巴、优选小于20毫巴的压力。
另外，冷却室190通过气体管道与用于冷却气体如氦气或氮气的压力容器（在图3中未示出）连通。冷却气体在压力容器中维持2至25巴的压力。为了产生压力，压力容器以公知的方式与压缩机或高压气体供应装置连接。从压力容器到冷却室190的气体管道配备可调节的阀。为了将冷却室190通风或抽真空，所述可调节的阀被置入关闭位置，由此，冷却气体不能从压力容器进入冷却室190中。
每个渗碳室（110、120、130、140）通过本身的气体管道与用于含碳的气体、如乙炔的容器（在图3中未示出）连通。可选择的是，每个渗碳室与一个另外的用于含氮的气体的容器连接。从所述容器到渗碳室（110、120、130、140）的气体管道设有可调节的阀、优选质量流量控制器（MFC），以便精确控制输入到各个渗碳室（110、120、130、140）中的气体流量。
另外，每个渗碳室（110、120、130、140）还具有两个加热元件（21、22）以及一个在图3中未示出的用于托盘5的接纳部或固定装置。加热元件（21、22）是电运行的，优选构造为平坦的，并且由一种材料如石墨或碳纤维增强碳（CFC）制成。加热元件（21、22）尤其是构造为波纹形板式加热器（参见图6）。
冷却室190在两个相对置的端面上具有第一真空活门191和第二真空活门192。当真空活门191和/或192打开时，带有工件6的托盘5可被送入冷却室190中或从其中取出。为了传送或为了操作托盘5，冷却室190设有自动的、尤其是与存储器-可编程的控制器（SPS）耦合的传送系统153。冷却室190安装在垂直的升降装置160的支架上。借助该升降装置160可将冷却室190定位在每个渗碳室（110、120、130、140）前方。每个渗碳室（110、120、130、140）设有真空活门（111、121、131、141）。这样构造冷却室190和渗碳室（110、120、130、140），使得当冷却室190定位于渗碳室（110、120、130、140）之一前方时，冷却室和该渗碳室可真空密封地彼此连接。适合于这种连接的真空组件（在图3中未示出）对于技术人员来说是公知的并且在市场上可买到。图3中示例性示出冷却室190和渗碳室120之间的真空密封的连接。在此，冷却室190和渗碳室120的真空活门192和121同时打开，并且并不破坏所述室之一中的真空。因此，所述室（190；110、120、130、140）的根据本发明的真空技术方面的结构允许带有工件6的托盘5在渗碳室（110、120、130、140）之一和冷却室190之间来回传送，且不破坏真空。
图3A示出根据本发明的装置的一种有利的具有冷却室195和传送室196的实施方式100A。传送室196安装在冷却室195的面向渗碳室（110、120、130、140）的一侧上并且用于接纳水平的传送装置154。由于传送装置154设置在传送室196中，所述传送装置154可以与冷却室195的运行状态无关地用于向渗碳室（110、120、130、140）之一装载带有工件6的托盘5。传送装置154可水平地向两侧移动，由此托盘5可在冷却室195和每个渗碳室（110、120、130、140）之间传送。另外，在装置100A中，在最上面的渗碳室140上此外设置用于停放带有“新鲜的”、即待硬化的工件6的托盘5的存放处。为了真空密封地分离，在冷却室195和传送室196之间设置真空活门197。传送室196在一个面向渗碳室（110、120、130、140）的端面上具有开口，其边缘与渗碳室（110、120、130、140）可真空密封地连接。为此，开口的边缘设有环绕的真空密封装置198。该例如由橡胶制成的真空密封装置198用于使传送室196对接到渗碳室（110、120、130、140）之一上。传送室196也如同冷却室195和每个渗碳室（110、120、130、140）那样与（在图3中未示出的）本身的真空泵或真空泵台连接。与此相应地，传送室196可用作冷却室195和渗碳室（110、120、130、140）之间的真空闸门。传送室196可借助升降装置160与冷却室195一起在垂直方向上移动并且定位于每个渗碳室（110、120、130、140）前方。为了对接到渗碳室（110、120、130、140）上，传送室196和冷却室195支承在（在图3中未示出的）水平设置的线性驱动机构上。该线性驱动机构自身安装在垂直的升降装置160的支架上。上述具有传送室196的实施方式100A相当于ALDVacuumTechnologies公司的ModulTherm型设备的设计。
每个渗碳室（110、120、130、140）都可电加热。优选通过两个平坦构造的、电运行的加热元件（21、22）来加热，所述加热元件彼此相对置地分别设置在每个渗碳室（110、120、130、140）的下侧和上侧上。渗碳室（110、120、130、140）的壁由金属材料、尤其是由钢制成并且可选地构造为双层壁并且设有用于冷却流体、如水的管道。渗碳室（110、120、130、140）的壁在其朝向室内空间的一侧上衬有热绝缘材料、如石墨毡（在图3中未示出）。在本发明的一种特别优选的实施方式中，渗碳室（110、120、130、140）的壁在内侧上另外设有储热材料、如钢或石墨。通过适当选择储热材料相对于热绝缘材料的厚度比或质量比、例如石墨的质量占用（kg/m2）与石墨毡的质量占用（kg/m2）之比，可使渗碳室（110、120、130、140）的热容和热损耗功率匹配规定值。因此，可通过使用具有大热容的厚的石墨板来减少工件6进入渗碳室（110、120、130、140）和从其中移出期间温度的降低，这能够缩短加热持续时间并且提高装置的产量或生产率。这种设有储热内衬的渗碳室（110、120、130、140）可以以热空腔辐射器的方式运行，其中，辐射到工件6上和/或环境中的“损耗功率”借助设置在渗碳室（110、120、130、140）中任意位置上的电加热装置得以补充。在该实施方式中，工件6通过渗碳室（110、120、130、140）的“无源”的内衬所发出的辐射来加热。
图4示出一种特别优选的具有固定的冷却室290的装置200，所述冷却室通过闸门室280与四个垂直地上下叠置的渗碳室（210、220、230、240）处于连接。冷却室290具有用于送入和取出带有工件6的托盘5的第一和第二闸门291和292。在闸门室280中设置具有可垂直移动的支架250的升降装置260。在支架250上安装自动的、可水平向两侧移动的传送系统253。垂直的升降装置260结合传送系统253用于在冷却室290和渗碳室（210、220、230、240）之间传送带有工件6的托盘5。
闸门室280和冷却室290与在图4中未示出的真空泵或真空泵台连接并且可彼此独立地被抽真空到小于100毫巴的压力。此外，可选择的是，每个渗碳室（210、220、230、240）与真空泵或真空泵台连接并且可独立于其余室地被抽真空。与图3所示的装置100类似，冷却室290与用于冷却气体、如氦气或氮气的压力容器连接并且每个渗碳室（210、220、230、240）与用于含碳的气体、如乙炔的容器和/或用于含氮的气体的容器连接。
每个渗碳室（210、220、230、240）设有可动的活门（211、221、231、241），其主要用于热密封和渗碳室（210、220、230、240）中的热能的储存。所述热绝缘活门（211、221、231、241）仅在将工件送入渗碳室（210、220、230、240）或从其中取出时打开。可选择将热绝缘活门（211、221、231、241）构造为真空活门，由此渗碳室（210、220、230、240）可相对于闸门室280真空密封地封闭。
与图3所示的装置100类似，装置200的渗碳室（210、220、230、240）设有由储热材料如石墨和热绝缘材料如石墨毡构成的多层内衬。
在装置200的一种适宜的扩展方案中，闸门室280具有用于托盘5的接纳部，该接纳部允许带有工件6的托盘5的“停放”，以准备在渗碳室（210、220、230、240）之一被卸载和释放的情况下被装入该渗碳室。所述“停放接纳部”优选垂直地设置在渗碳室（210、220、230、240）上方。借助该“停放接纳部”可缩短用于托盘渗碳的周期时间并且由此提高了产量或可借助装置200实现的生产率。
图3和4所示的装置100和200模块化地构造，因此可另外增加渗碳室，以便提高生产率。根据以下所列各方法步骤的持续时间：
－将托盘送入冷却室中
－将冷却室抽真空
－传送到空的渗碳室中，可选择暂时存放在停放接纳部中
－渗碳并扩散
－传送到冷却室中
－冷却
－将托盘取出冷却室
证明适宜用6个渗碳室来代替图3和4中所示的4个渗碳室。另一方面，如所需产量较小，则可仅使用2或3个渗碳室，以便减少初始投资成本。
图5A-5B示出一种根据本发明的优选的用于图4所示具有闸门室280的装置200的传送装置（260、253）的示意性的前视图和侧视图。
传送系统（260、253）具有两个垂直设置的、包括上方和下方的转向装置（261、263；261'，263'）和链（262；262'）的链传动装置。所述链262'与水平的平台254连接。平台254在一个或两个垂直支座265上被引导。在平台254上安装可水平移动的用于接纳托盘5的伸缩叉（255、256）。该伸缩叉（255、256）通过与链262耦合的传动装置251来驱动。链262和传动装置251之间的耦合通过多个转向装置来实现。
转向装置263和263'（其优选是齿轮）通过轴264与设置在闸门室280之外的电动机（在图5A-5B中未示出）耦合。为了轴264的通过，闸门室280的壁设有真空密封的回转贯穿部。为了平台254的垂直移动，链传动装置（261、262、263）和（261'、262'、263'）受到同步控制，以致链262和传动装置251之间的设定保持不变并且伸缩叉（255、256）保持其水平的位置。由此避免了伸缩叉（255、256）与装置200的其它部件、如渗碳室的碰撞。当链262通过齿轮263和轴264被设置在闸门室280外部的马达控制以致平台254位于固定的垂直的位置上时，伸缩叉（255、256）进行水平移动。
图6示出本发明的另一种实施方式的透视性的局部图，其中，工件61如传动轴以一个垂直的层或列设置在渗碳室中的加热元件21和22之间。工件61借助托架（在图6中未示出）保持在其位置。在此，托架构造为具有悬挂装置的框架或支承板，该支承板具有机械保持装置、如用于套上的芯件或用于轴插入的孔。根据本发明的用于对图6中垂直设置的工件进行硬化的装置与图3和4所示装置设计相似，其主要区别仅在于：渗碳室在水平方向上并排设置，而不是垂直地上下叠置。与此相应地，冷却室可水平地移动或闸门室和传送装置水平地设置。无论是根据图3和4的工件的水平支承还是根据图6的垂直的固定或悬挂都属于本发明。所述两种实施方式的共同的重要特征是：工件以一层或一列、即以2D装料的形式设置在加热装置中，以致每个工件表面的30至100%直接暴露在由加热装置发出的热辐射中。
图6中所示的加热元件（21、22）构造为由石墨或CFC制成的波纹形板式加热器。这种板式加热器（21、22）由现有技术公开并且由不同的制造商在市场上出售。
在本发明的一种扩展方案中，冷却室配备机械固定装置和/或用于冷却气体的流动导向装置。固定装置匹配工件的几何形状并且根据本发明在冷却室中设置在待冷却工件的上方。要么在气体开始进入之前将带有工件的托盘以定义的力从下方压到固定装置上，要么在气体开始进入之前将固定装置以定义的力从上方压到工件上。借助固定装置，工件在冷却后的平整度明显得到改善并且由此大大减少了工件的翘曲。
此外，冷却室可设有用于低翘曲地冷却工件的流动导向装置。该导向装置在此在冷却室中设置在待冷却工件的上方并且这样构造，使得气体以较高的局部速度流向构件并且冷却特别均匀地进行。为了尽可能均匀地进行冷却，在此，向壁厚大的构件段加载高的流动速度并且向壁厚小的构件段加载低的流动速度。此外，可将导向装置构造为“三维”的，使得既可从上面又可从侧面有针对性地向工件加载冷却空气。为此，必须在气体开始进入之前将工件从下面升起到导向装置中或将导向装置从上面降下到工件上。
借助流动导向装置明显提高了工件的冷却速度。这使得由较差地制成合金的材料制成的工件的硬化成为可能。另外，降低了气体消耗成本，因为可以以更小的气压进行硬化。此外，工件的翘曲大大减少，因为冷却更均匀地进行并且由此在工件中产生较小的应力。
只有在根据本发明的单层的热处理（2D装料）的情况下才可能使用固定装置和/或流动导向装置。在具有多层的3D装料的现有技术中不可使用这些选装件。
温度和碳含量的测量方法
技术人员熟知用于测量金属工件温度的方法。在本发明中，借助热电偶、高温计和热图像摄像机来测量工件表面的温度。借助电线将热电偶这样固定在工件上，使得热电偶的整个传感器表面与工件表面处于接触中。为了实现传感器和工件之间的良好接触，为此在构件表面中设置小的凹槽。热电偶以及固定电线具有与工件相比可忽略不计的热容。
工件芯部的温度也借助热电偶来测量。为此在工件的待测量的位置上钻出直径为0.5至1.5mm的盲孔并且将热电偶插入盲孔中。根据工件芯部的温度求出单位为[kJ·kg-1·s-1]的冷却比率。为此，根据关系式Q=∫C(T)dT求出测得的温度T和工件的比热容C（单位kJ·kg-1·K-1）的乘积在800至500℃范围内的积分，并除以冷却所需的时间。在钢件情况下，比热容在温度为800℃时约为0.8kJ·kg-1·K-1并且在约735℃的窄的温度范围内上升为这个值的数倍。
借助移动的隔热的电子测量值采集器（“Furnace-Tracker”）来记录热电偶的信号，该测量值采集器与工件一起被送入硬化装置，也就是说，既被送入冷却室又被送入渗碳室。
借助热电偶来确定工件在渗碳室中的加热期间和在冷却室中的冷却期间的温度曲线。
为了确定表面碳含量，将工件表面以10°的浅角研磨至约1000μm的深度并且在仔细清洁后借助光学频谱分析、二次离子质谱（SIMS）以及横向分辨率小于10μm、即深度分辨率小于3.5μm（=10μm×sin(10°)）的电子探针分析（EPMA）来测量该研磨面。借助SIMS所得到的用于碳的化学指示极限在小于1ppm的范围中。
例子1
由材料20MoCr4制成的外径为54mm、内径为30mm并且高度为35mm的太阳轮被用来组合成根据本发明的具有一层5行每行8件、共40件且总质量为12.5kg的2D装料和具有8层每层5行每行8件、共320件且总质量为100kg的3D装料。作为用于2D装料和3D装料的单层的炉料托架使用结构相同的由CFC制成的尺寸为450mm×600mm的网格。
对于硬化过程的结果，规定下述目标值：
－在极限硬度为610HV的情况下表面硬化层深度为0.3至0.5mm；
－端面上的表面硬度为670HV；并且
－齿根圆中的齿中心的芯部硬度大于280HV10。
图7为以本发明（2D装料，单层）和传统（3D装料，多层）的方式进行硬化的工件的温度曲线的比较图。在两种情况下，温度的测量借助多个安装在位于相应的炉料中间和边缘的工件上的热电偶来进行。热电偶的测量数据借助Furnace-Tracker（炉跟踪装置）来记录。在根据本发明的2D装料中，温度迅速上升，其中，位于炉料中间的工件和位于炉料边缘的工件之间在温度曲线方面没有明显区别。而在3D装料中，位于炉料中间的工件和炉料边缘的工件的温度曲线存在显著不同。此外，2D装料中的工件的温度上升比3D装料中位于边缘的工件的温度上升要快。该区别的原因在于3D装料中位于外侧的工件向位于内侧的工件发出或散出辐射能量。为了将3D装料中所有的工件、尤其是位于内侧的工件加热到1050℃的温度上，需要约130分钟。而在2D装料中，则只须加热约15分钟。
图8中示出作为与工件表面的距离的函数的硬度曲线。根据测量曲线可见表面硬化层深度或所谓的CaseHardeningDepth（CHD）。CHD根据DINISO2639（2002）来确定。为此，将待检测的构件在避免放热的情况下垂直于表面地分割。一般借助9.8N的试验负荷随着与表面的距离的增加来测量维氏硬度HV1。从表面到一个硬度相应于极限硬度（Hs，在此情况下为610HV1）的点之间的距离被称为CHD。
从图8中可看出，CHD值的偏差（最大和最小测量值之间的差异）在2D装料中为0.06mm，该值明显小于3D装料中的值0.12mm。
图9中示出芯部硬度的测量值的对比图。为了确定芯部硬度，将被硬化的工件（在当前情况下为上述太阳轮）在避免放热的情况下垂直于其对称轴线地分割。研磨并且抛光分割面。然后，确定齿根芯部（齿根倒圆之间的中心）中的维氏硬度[HV10]。该测量根据DINENISO6507-1（金属材料－维氏硬度检测－部分1：检测方法（ISO6507－1：2005；德文版ENISO6507-1；2005）来进行。从图9中可见，2D装料中的芯部硬度的偏差明显小于3D装料中的芯部硬度的偏差。
图10示出根据本发明的2D装料的表面碳含量和传统渗碳的3D装料的表面碳含量的偏差的对比图。如上所述，借助频谱分析、SIMS和EPMA在磨光表面上通过计算0至100μm深度范围上的碳信号的积分来求出表面碳含量。
例子2：
由材料28Cr4制成的外径为140mm、高度为28mm并且具有98个齿的齿圈被用来组合成根据本发明的、具有一层8个工件总质量为6.5kg的2D装料和具有10层每层8个工件、即总质量65kg的80个工件的3D装料。作为用于2D装料和3D装料的单层的炉料托架使用结构相同的由CFC制成的尺寸为450mm×600mm的网格。
图11示出2D装料的8个齿圈和3D装料的8个齿圈的热翘曲或椭圆度变化的测量结果。2D装料的8个齿圈和3D装料的8个齿圈的定位在此均匀地分布在2D和3D装料的面积或体积上。结合3D坐标系测量系统在渗碳前后测量齿圈外圆周上的椭圆度并得出渗碳前后椭圆度值的差异。

Claims (28)

1.用于对工件(6)进行硬化的方法，其包括下述步骤：
(a)将工件(6)加热到950℃至1200℃的温度，其中，每个工件(6)的表面的30至100％利用渗碳室(110、120、130、140；210、220、230、240)的直接的热辐射被加热；
(b)在950℃至1200℃的温度和小于100毫巴的压力下，向工件(6)加载含碳的气体和/或含氮的气体；
(c)在950℃至1200℃的温度下，将工件(6)保持在压力小于100毫巴的气氛中；和
(d)冷却工件(6)；并且
使用一种装置(100，200)，其包括两个或更多个渗碳室(110、120、130、140；210、220、230、240)、至少一个冷却室(190、290)和一个用于操作用于工件(6)的托架(5)的传送系统(160，153，154；260、253)，其中，每个渗碳室(110、120、130、140；210、220、230、240)都能够通过一个或多个真空活门(111、121、131、141、192、197；292)和/或通过热绝缘活门(211、221、231、241)与冷却室(190、290)连接，并且每个渗碳室(110、120、130、140；210、220、230、240)具有用于托架(5)的接纳部和至少两个加热元件(21、22)；并且
就一个工件(6)而言实施步骤(a)至(d)的周期时间为5至120秒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将步骤(b)和(c)重复一次或多次。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，每个工件(6)借助来自两个或更多个空间方向的热辐射被加热。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，每个工件(6)的靠近表面的区域以35至135℃·min-1的速率被加热。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，每个工件(6)的芯部以18至120℃·min-1的速率被加热。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，将在800至500℃的温度范围中的工件(6)以2至20kJ·kg-1·s-1的冷却比率冷却。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，向工件(6)加载乙炔和/或氨气。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，借助气体冷却工件(6)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，借助氮气在2至20巴的压力下冷却工件(6)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，在40至100秒之内将工件(6)的表面从900至1200℃的范围内的温度冷却为300℃的温度。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，就一个工件(6)而言实施步骤(a)至(d)的周期时间为5至60秒。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，每个工件(6)的靠近表面的区域以50至110℃·min-1的速率被加热。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，每个工件(6)的靠近表面的区域以50至75℃·min-1的速率被加热。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，气体是氮气。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，借助氮气在4至8巴的压力下冷却工件(6)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，借助氮气在5至7巴的压力下冷却工件(6)。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，就一个工件(6)而言实施步骤(a)至(d)的周期时间为5至40秒。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于下述步骤：
(i)将工件(6)单层地布置在托架(5)中或上；
(ii)将带有工件(6)的托架(5)送入冷却室(190、290)，冷却室抽真空至小于100毫巴的压力；
(iii)将托架(5)传送到渗碳室(110、120、130、140；210、220、230、240)中，其中，将托架在送入渗碳室(110、120、130、140；210、220、230、240)之前暂时存放在停放接纳部中；
(iv)借助热辐射将工件(6)加热到950℃至1200℃的温度，其中，每个工件(6)的表面的30至100％借助渗碳室(110、120、130、140；210、220、230、240)的直接的热辐射被加热；
(v)在950℃至1200℃的温度和小于100毫巴的压力下，向工件(6)加载含碳的气体和/或含氮的气体；
(vi)在950℃至1200℃的温度下，将工件(6)保持在压力小于100毫巴的气氛中；
(vii)将带有工件(6)的托架(5)传送到冷却室(190、290)中；
(viii)借助气体冷却工件(6)；并且
(ix)将带有工件(6)的托架(5)从冷却室(190、290)中取
出。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将步骤(iv)和(v)重复一次或多次。
20.用于根据权利要求1至19之一所述的方法对工件进行硬化(6)的装置(100)，其包括两个或更多个渗碳室(110、120、130、140)、至少一个冷却室和一个用于操作用于工件(6)的托架(5)的传送系统(160、153、154)，其中，冷却室与每个渗碳室(110、120、130、140)都能通过一个或多个真空活门(111、121、131、141、192、197)相连接，每个渗碳室(110、120、130、140)具有用于托架(5)的接纳部和至少两个加热元件(21、22)，这样设置所述加热元件，使得由其发出的辐射以0.5π至2π的平均的空间角度照射每个工件(6)的表面。
21.用于根据权利要求1至19之一所述的方法对工件进行硬化(6)的装置(200)，其包括两个或更多个渗碳室(210、220、230、240)、至少一个冷却室(290)、一个设置在渗碳室(210、220、230、240)和冷却室(290)之间的闸门室(280)和一个用于操作用于工件(6)的托架(5)的传送系统(260、253)，其中，冷却室(290)能够通过真空活门(292)与闸门室(280)连接，每个渗碳室(210、220、230、240)都能够通过热绝缘活门(211、221、231、241)与闸门室(280)连接，并且每个渗碳室(210、220、230、240)具有用于托架(5)的接纳部和至少两个加热元件(21、22)，这样设置所述加热元件，使得由其发出的辐射以0.5π至2π的平均的空间角度照射每个工件(6)的表面。
22.根据权利要求21所述的装置(200)，其特征在于，所述热绝缘活门(211、221、231、241)构造为真空活门。
23.根据权利要求20至22之一所述的装置(100、200)，其特征在于，所述冷却室具有两个用于送入和取出工件(6)的真空活门(191、192、197；291、292)。
24.根据权利要求20至22之一所述的装置(100、200)，其特征在于，所述加热元件(21、22)构造为板式辐射器。
25.根据权利要求20至22之一所述的装置(100、200)，其特征在于，所述加热元件(21、22)由石墨或碳纤维增强碳制成。
26.根据权利要求20至22之一所述的装置(100、200)，其特征在于，所述托架(5)构造为格栅状托盘。
27.根据权利要求20至22之一所述的装置(100、200)，其特征在于，所述托架(5)由石墨或碳纤维增强碳制成。
28.根据权利要求21所述的装置(200)，其特征在于，所述传送系统(260、253)具有垂直设置的链传动装置以及可水平移动的用于接纳托架(5)的伸缩叉(255、256)，所述链传动装置包括上方的和下方的转向装置(261、263；261'、263')和多个链(262、262')，所述伸缩叉(255、256)通过传动装置(251)与其中一个链(262)耦合。
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