DE10062862C2 - Vorrichtung zur gleichmässigen thermochemischen Behandlung von metallischen Werkstücken mit einem Reaktivgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen thermochemischen Behandlung von metallischen Werkstücken mit einem Reaktivgas in einer Wärmebehandlungskammer mit einer in dieser angeordneten Anode mit mindestens einer als Chargenträger ausgebildeten Kathode und mit einer mit dem Behandlungsraum verbundenen Saugpumpe und einer in den Behandlungsraum einmündenden Gaszufuhrleitung mit in die Zufuhrleitung eingeschalteten Durchflußmesser und mit einer mit den Elektroden verbundenen elektrischen Stromquelle.

Die thermochemische Behandlung von metallischen Bauteilen zur Herstellung von verschleiß- und korrosionsbeständigen Randschichten ist im Maschinen- und Getriebebau weit verbreitet. Mit fortschreitender technischer Entwicklung werden jedoch an die Bauteile immer höhere Anforderungen hinsichtlich Verschleiß-, Korrosions- und Schwingfestigkeit gestellt.

In vielen Fällen sind diese Anforderungen unter ökonomischen Aspekten auf legierungstechnischem Wege nicht mehr zu erfüllen, weshalb thermochemische Behandlungen unerläßlich sind. Neben den ökonomischen Gesichtspunkten treten bei der Wahl der einzusetzenden Behandlungsverfahren auch ökologische Gesichtspunkte in den Vordergrund. Beiden Forderungen wird das Aufkohlen im Plasma einer Gleichstromglimmentladung gerecht.

Bei einem bekannten Verfahren (Rother/Vetter, "Plasmabeschichtungsverfahren und Hartstoffschichten", Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1992, Seiten 120 ff) erfolgt das Plasmaaufkohlen in Druckbereichen zwischen 10 Pa und 1000 Pa, wobei als Behandlungsgase Wasserstoff, Propan oder Methan als Spendermedium für Kohlenstoff Verwendung findet. In der Behandlungskammer ist eine Heizung installiert mittels der während des Plasmaaufkohlungsprozesses die Chargentemperatur zwischen 900°C bis 1300°C geregelt wird. Die Wand der Kammer ist anodisch geschaltet und liegt auf Erdpotential, während die zu behandelnden Werkstücke elektrisch von der Kammerwand isoliert aufgestellt sind. Durch das Anlegen einer Gleichspannung im Bereich zwischen 350 V und 1000 V wird zwischen der Kammerwand (Anode) und den Werkstücken (Kathode) eine Glimmentladung gezündet, wobei vorzugsweise Stromversorgungen verwendet werden, die eine gepulste Gleichspannung mit Frequenzen bis in den KHz-Bereich hinein liefern. Neben den fest eingestellten Prozeßparametern die vom Werkstoff und der Werkstückgeometrie abhängen, gibt es Parameter die zum Erreichen der gewünschten Spezifikationen variiert werden. Diese variierbaren Parameter betreffen das Aneinanderreihen mehrerer Parametersätze mit bestimmten Spannungen, Pulsdauern und Pausendauern.

Für eine Glimmentladung wurden auch Drücke von 0,1 bis 20 mbar vorgeschlagen, wobei die zwischen den Elektroden erforderliche Potentialdifferenz einige hundert Volt (U = 500 V) betragen kann. (Vorlesung "Plasmatechnische Verfahren im Maschinenbau", Rie/Wöhle, Institut für Oberflächentechnik und plasmatechnische Werkstoffentwicklung Technische Universität Braunschweig, Wintersemester 1999/2000).

Es ist weiterhin ein Verfahren zur gleichmäßigen thermochemischen Behandlung von Hohlkörpern und Bohrungen oder von außen schwer zugänglichen Oberflächen aufweisenden Bauteilen aus Stahl mit Reaktivgasen bei Temperaturen oberhalb von 450°C bekannt (DE 41 15 135 C1), bei der die Behandlung bei Drücken oberhalb 0,2 MPa durchgeführt wird, wobei als Reaktivgas Ammoniak oder Methan oder ein Gemisch aus Ammoniak mit 5 bis 95 Vol.% Stickstoff verwendet wird.

Bekannt ist schließlich ein Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke in einem künstlich erzeugten elektrischen Feld mittels eines kohlenstoffhaltigen Gases mit einer elektrischen Heizeinrichtung, einer Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Vakuums in der Heizkammer, sowie einer Mehrzahl von Düsen, mittels derer von einem Gebläse gefördertes und über einen Wärmetauscher geführtes Kühlgas der Charge zugeführt wird, wobei das als Druckbehälter ausgebildete Ofengehäuse hinsichtlich seiner zulässigen Druckbelastung, sowie der Antrieb des Gebläses hinsichtlich des beim Kühlen der Charge erreichbaren Gasdrucks auf einen Druck von mindestens 20 bar ausgelegt sind und die das Kühlgas führenden Düsen allseitig um die Heizkammer herum angeordnet und mit ihren Austrittsöffnungen auf die Charge ausgerichtet sind (DE 91 17 052 U1). Auch diese Bauweise löst in keiner Weise das Problem, nämlich ein gleichmäßiges Aufkohlungsergebnis über die gesamte Charge bei einer höheren Prozeßstabilität zu erzielen.

Vielmehr wurde festgestellt, daß die mangelhafte Aufkohlung in den mittleren Partien der Chargen darauf zurückzuführen ist, daß in diesen Partien eine geringere Feldlinienkonzentration und somit keine ausreichende Beglimmung vorliegt. Aufgrund dieser nicht ausreichenden Beglimmung ist kein ausreichender Kohlenwasserstoffübergang vorhanden. Darüber hinaus können Werkstücke mit tiefen Sacklochbohrungen nur einlagig bearbeitet werden, mit der Folge, daß bei der Aufkohlung von Werkstücken in mehreren Lagen die Sacklochbohrungen der Teile, die sich nicht in der oberen Lage befinden unbehandelt bleiben.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein gleichmäßiges Aufkohlungsergebnis über die gesamte Charge während eines Plasmaaufkohlungsprozesses zu erzielen, insbesondere auch bei mehrlagiger Chargierung. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin, eine höhere Prozeßstabilität zu erzielen, indem die Anzahl der Lichtbogenabschaltungen verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils in unmittelbarer Nachbarschaft jedes Werkstückes oder jeder Werkstücklage oder Werkstückgruppe eine stabförmige Hilfsanode angeordnet ist. Jede Hilfsanode ist dazu zweckmäßigerweise so ausgerichtet, daß sich die Längsachse der Hilfsanode jeweils parallel zu den Seitenflächen eines Werkstücks oder parallel zu der Seelenachse der Werkstückbohrung erstreckt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung und in den Patentansprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist anhand der anhängenden Zeichnung die den Schnitt quer durch eine Wärmebehandlungskammer rein schematisch zeigt, näher beschrieben. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus dem Behandlungsraum (2) mit dem auf dem Isolatorblock (3) abgestützten Chargenträger (4) mit drei sich übereinander erstreckenden Trägerplatten (5, 6, 7) mit einer Vielzahl auf diesen gelagerten Werkstücken (8, 8', . . .).

Der Chargenträger (4) ist über einen elektrischen Leiter (9) mit der nicht näher dargestellten Stromquelle verbunden - ebenso wie die anodisch geschaltete Behälterinnenwand (10) die an den elektrischen Leiter (11) angeschlossen ist. Von der anodisch geschalteten Innenwand (10) aus erstrecken sich jeweils parallel zu den Trägerplatten (5, 6, 7) kamm- oder bürstenförmig ausgebildete Hilfsanoden (12, 13, 14) wobei jede Hilfsanode mit lotrecht ausgerichteten Anodenstäben (12a, 12a', . . .) bzw. (13a, 13a', . . .) bzw. (14a, 14a', . . .) versehen ist. Diese Anodenstäbe sind jeweils einem Werkstück 8, 8', 8", . . .) zugeordnet; es ist jedoch auch möglich jeweils einem Paar oder einer Gruppe von Werkstücken jeweils einen Anodenstab (12a, 13a, 14a) zuzuordnen.

Bezugszeichenliste Auflistung der Einzelteile

1

2

Behandlungsraum

3

Isolatorblock

4

Chargenträger

5

Trägerplatte

6

Trägerplatte

7

Trägerplatte

8

,

8

',

8

" Werkstück

9

Elektrischer Leiter

10

Behälterinnenwand

11

Elektrischer Leiter

12

Hilfsanode

13

Hilfsanode

14

Hilfsanode

12

a,

12

a', . . . Anodenstäbe

13

a,

13

a', . . . Anodenstäbe

14

a,

14

a', . . . Anodenstäbe

Claims (4)

1. Vorrichtung zur gleichmäßigen thermochemischen Behandlung von Werkstücken (8, 8', 8", . . .) aus Metall mit Reaktivgasen in einer Wärmebehandlungskammer (2) mit einer in dieser angeordneten Anode (10) und einer als Chargenträger ausgebildeten Kathode (4 bzw. 5, 6, 7) und mit einer mit der Behandlungskammer (2) verbundenen Saugpumpe, einer in die Kammer einmündenden Gaszufuhrleitung mit in diese eingeschalteten Durchflußmesser, mit einer an die Elektroden (4 bzw. 5, 6, 7) und (10) angeschlossenen Stromversorgung und mit einer Heizquelle zum Aufheizen der Werkstücke (8, 8', 8", . . .), gekennzeichnet durch jeweils einen in unmittelbarer Nachbarschaft jedes Werkstücks (8, 8', 8", . . .) vorgesehenen Anodenstab (12a, 12a', . . .; 13a, 13a', . . .; 14a, 14a', . . .) bzw. einer Hilfsanode (12, 13, 14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse jedes Anodenstabs (12a, 12a', . . .; 13a, 13a', . . .; 14a, 14a', . . .) sich etwa parallel zu den Seitenflächen der Werkstücke (8, 8', 8", . . .) erstreckt dem die Hilfsanode (12, 13, 14) zugeordnet ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Anodenstab (12a, 12a', . . .; 13a, 13a', . . .; 14a, 14a', . . .) einer Gruppe von Werkstücken (8, 8', 8", . . .) zugeordnet ist, wobei der Anodenstab jeweils etwa auf das Zentrum der die Werkstückgruppe tragenden Partie des Chargenträgers (4) ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenstäbe (12a, 12a', . . .; 13a, 13a', . . .; 14a, 14a', . . .) nach Art von Borsten einer Bürste an einer platten- oder maschenförmigen Hilfsanode (12, 13, 14) befestigt sind, wobei die Hilfsanode elektrisch leitend mit der Hauptanode (10) verbunden ist.