DE10107810A1

DE10107810A1 - Partial carburizing device

Info

Publication number: DE10107810A1
Application number: DE2001107810
Authority: DE
Inventors: Johann Kitzberger; Nils Lippmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-09-05
Also published as: WO2002066698A1

Abstract

The invention relates to a device for partially carburizing parts while using a process gas that serves as carburizing medium. According to the invention, the part is exposed to the process gas at a carburizing temperature. The device has a covering that shields a non-carburized surface (15, 26) of the part (10) from the process gas. The covering is formed by a solid covering body (17, 21, 30) which, at the carburizing temperature, touches the part (10) with almost no gaps at least in a boundary area extending up to the carburizing medium thereby preventing the process gas from reaching the non-carburized surface (15, 26) of the part.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum partiellen Aufkohlen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for partial Carburizing components according to the preamble of the claim 1.

State of the art

Zum Aufkohlen geometrisch komplexer Bauteile mit hohen Festigkeitsanforderungen werden zunehmend Unterdruckaufkohlungsverfahren eingesetzt. Die Wärmebehandlung erfolgt dabei in einem Vakuumofen mit Kohlenwasserstoffen als Aufkohlungsmedium, die entweder in einem Plasma oder thermisch zersetzt werden und dabei den für das Aufkohlen benötigten Kohlenstoff zur Verfügung stellen. Der Kohlenstoff diffundiert dabei an der Oberfläche in das Bauteil ein und erhöht dadurch an der Oberfläche die Festigkeit des Bauteils.For carburizing geometrically complex components with high Strength requirements are increasing Vacuum carburizing process used. The Heat treatment is carried out in a vacuum furnace Hydrocarbons as carburizing medium, either in a plasma or thermally decomposed and thereby Carbon required for carburizing is available put. The carbon diffuses on the surface into the component and thereby increases the surface Strength of the component.

Bei einzelnen Bauteilen ist es notwendig, daß bestimmte Oberflächenabschnitte, wie Gewinde- oder Düsenabschnitte, keine Aufkohlung erfahren dürfen. Zur Realisierung der partiellen Aufkohlung wird bei den Plasmaverfahren eine Maskierung der nicht aufzukohlenden Abschnitte durchgeführt. Das Plasmaverfahren ist jedoch bei der Behandlung komplexer Geometrien mit engen Bohrungen, Spalten und Sacklochbohrungen ungünstiger als das thermische Aufkohlungsverfahren, da beim Plasmaaufkohlungsverfahren ein Glimmsaum an der aufzukohlenden Oberfläche ausgebildet sein muß.For individual components, it is necessary that certain Surface sections, such as thread or nozzle sections, may not experience carburization. To realize the partial carburization becomes a Masking of the non-carburized sections carried out. However, the plasma process is more complex in the treatment Geometries with narrow bores, gaps and Blind holes are less favorable than thermal Carburizing process, as in the plasma carburizing process Glowing seams to be formed on the surface to be carburized got to.

Beim thermischen Aufkohlungsverfahren wird die partielle Aufkohlung durch eine Abdeckung der nicht aufzukohlenden Oberflächenabschnitte mit einer Paste realisiert. Diese Maßnahme erfordert zusätzliche Arbeitsgänge zum Auftragen bzw. Abtragen der Paste nach dem durchgeführten Aufkohlungsverfahren. Die verwendeten Pasten bewirken außerdem eine Verschmutzung während des Prozesses durch nicht anhaftende Pastenpartikel. Außerdem kommt es zu einer verringerten Abschreckwirkung im abgedeckten Oberflächenbereich, wodurch Härteverluste auftreten.In the thermal carburizing process, the partial Carburizing by covering the ones not to be carburized Surface sections realized with a paste. This Measure requires additional application steps or removing the paste after the done Carburizing. The pastes used have an effect also contamination during the process non-adhering paste particles. There is also a reduced deterrent effect in the covered Surface area, causing loss of hardness.

Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die Produktivität des Aufkohlungsverfahrens gesteigert wird, indem das Auftragen der Abdeckpaste und deren Abtragen bzw. Reinigen entfällt. Darüber hinaus ist eine verbesserte Behandlung geometrisch komplexer Bauteile sowohl am Bauteil innen und außen als auch hinsichtlich der Gleichmäßigkeit in der Charge möglich, da für alle Bauteile die gleiche Abdeckung verwendet wird. Außerdem können die Abdeckungen nach der Wärmebehandlung bereits bei einer geringfügig reduzierten Temperatur entfernt werden, wodurch der nachfolgende Abschreckschritt zum Härten des Bauteils wesentlich wirkungsvoller ist, da der vorher abgedeckte Abschnitte am Bauteil in gleicher Weise mit dem Abschreckmedium in Berührung kommt. Zur Steigerung der Produktivität trägt außerdem bei, daß die Anzahl der zu behandelnden Teile pro Charge erhöht werden kann. The device according to the invention with the characteristic Features of claim 1 has the advantage that the Productivity of the carburizing process is increased, by applying the masking paste and removing it or Cleaning is not necessary. It is also improved Treatment of geometrically complex components both on the component inside and outside as well as in terms of uniformity in of the batch possible, since the same for all components Cover is used. In addition, the covers after the heat treatment already at a slight reduced temperature are removed, causing the subsequent quenching step to harden the component is much more effective because the one previously covered Sections on the component in the same way with the Quenching medium comes into contact. To increase the Productivity also contributes to the number of treating parts per batch can be increased.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Das Eindringen des Prozeßgases durch den Spalt zwischen dem Bauteil und der Abdeckung wird dadurch wirkungsvoll verhindert, wenn sich der Spalt aufgrund der Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Abdeckkörpers und des Bauteils während der Wärmebehandlung auf das erforderliche Minimum verringert. Die Verwendung von keramischem Material hat sich als besonders geeignet für den Abdeckkörper herausgestellt.By the measures listed in the subclaims advantageous developments and improvements to Invention possible. The penetration of the process gas through the This creates a gap between the component and the cover effectively prevented when the gap due to the Adaptation of the thermal expansion coefficient of the Cover body and the component during the heat treatment reduced to the minimum necessary. The use of ceramic material has proven to be particularly suitable for the Cover body exposed.

drawing

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch ein Bauteil mit einem Abdeckkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 2 einen Teilschnitt durch ein Bauteil mit einem Abdeckkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und Fig. 3 einen Teilschnitt durch ein Bauteil mit einem Abdeckkörper gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.Three embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. Fig. 1 2 3 shows a partial section through a component with a cover body according to a first embodiment, Fig. A partial section through a component with a cover body according to a second embodiment and Fig. Is a partial section through a component with a cover body according to a third embodiment.

embodiments

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen endseitigen Bauteilabschnitt 11 eines zylinderförmigen Bauteils 10 mit einem Aufkohlungsabschnitt 12 und einem aufkohlungsfreien Abschnitt 13. Zur Herstellung einer gehärteten Oberfläche wird das Bauteil 10 einem an sich bekannten Aufkohlungsverfahren ausgesetzt, bei dem sich das Bauteil 10 in einem Vakuumofen befindet und dort einem Kohlenwasserstoffe enthaltenden Prozeßgas während einer thermischen Behandlung ausgesetzt wird. Die Kohlenwasserstoffe des Prozeßgases werden entweder in einem Plasma oder thermisch zersetzt und liefern dabei den für das Aufkohlen benötigten Kohlenstoff, der an der Oberfläche in das Bauteils 10 eingelagert wird und durch Diffusionsprozesse weiter eindringen kann. Fig. 1 shows a sectional view through an end member portion 11 of a cylindrical member 10 with a Aufkohlungsabschnitt 12 and a portion 13 aufkohlungsfreien. To produce a hardened surface, the component 10 is exposed to a carburizing process known per se, in which the component 10 is located in a vacuum furnace and is exposed there to a process gas containing hydrocarbons during a thermal treatment. The hydrocarbons of the process gas are either decomposed in a plasma or thermally and thereby supply the carbon required for the carburizing, which is embedded on the surface in the component 10 and can penetrate further through diffusion processes.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der aufkohlungsfreien Abschnitt 13 eine Strich-Punkt-Linie 14 an der Oberfläche auf, die an der Oberfläche des Bauteils 10 eine aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 ausbildet.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the carburization-free section 13 has a dash-dot line 14 on the surface, which forms a carburization-free component surface 15 on the surface of the component 10 .

Damit das Prozeßgas nicht oder nur schwer an die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 gelangt, ist die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 mit einem Abdeckkörper in Form einer an der inneren Stirnseite geschlossenen Kappe 17 versehen. Die Kappe 17 ist dabei so gestaltet, daß sie auf dem aufkohlungsfreien Abschnitt 13 des Bauteils 10 aufsteckbar ist und die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 bedeckt.Thus, the process gas is difficult or impossible to come to the component surface 15, the aufkohlungsfreie aufkohlungsfreie component surface provided with a covering in the form of a closed on the inner end face cap 17 15th The cap 17 is designed so that it can be plugged onto the carburization-free section 13 of the component 10 and covers the carburization-free component surface 15 .

Zwischen der Kappe 17 und der aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 15 ist ein Spalt 19 vorhanden. Der Spalt 19 sollte dabei eine geringstmögliche Spaltbreite zumindest während der thermisch-chemischen Behandlung aufweisen. Eine spaltfreie bzw. zumindest annähernd spaltfreie Abdeckung wird dadurch erreicht, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Kappe 17 geringer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Bauteils 10. Dadurch verringert sich die Spaltbreite des Spalts 19 während der thermischen Behandlung, wobei mit einer entsprechenden Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer entsprechend engen Toleranz zwischen Außendurchmesser des aufkohlungsfreien Abschnitts 13 und Innendurchmesser der Kappe 17 die Spaltbreite so weit verringert werden kann, daß kein Prozeßgas an die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 gelangen kann.A gap 19 is present between the cap 17 and the carburization-free component surface 15 . The gap 19 should have the smallest possible gap width at least during the thermal-chemical treatment. A gap-free or at least approximately gap-free covering is achieved if the thermal expansion coefficient of the material of the cap 17 is less than the thermal expansion coefficient of the material of the component 10 . This reduces the gap width of the gap 19 during the thermal treatment, with a corresponding adjustment of the thermal expansion coefficient and a correspondingly narrow tolerance between the outer diameter of the carburization-free section 13 and the inner diameter of the cap 17, the gap width can be reduced so far that no process gas to the carburization-free component surface 15 can reach.

Um die gesamte aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 des Bauteils 10 mit einer im wesentlichen spaltfreien Abdeckung zu versehen, muß die innere Zylinderfläche der Kappe 17 so gearbeitet sein, daß sie im wesentlichen an die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 angepaßt ist. Dies erfordert insbesondere bei großen aufkohlungsfreien Bauteiloberflächen 15 hohe Anforderungen an die Präzision hinsichtlich der Fertigungstoleranzen sowohl bezüglich des Bauteils 10 als auch bezüglich der Kappe 17.In order to provide the entire carburization-free component surface 15 of the component 10 with a substantially gap-free cover, the inner cylindrical surface of the cap 17 must be worked in such a way that it is essentially adapted to the carburization-free component surface 15 . In the case of large carburization-free component surfaces 15 in particular, this requires high demands on the precision with regard to the manufacturing tolerances both with regard to the component 10 and with respect to the cap 17 .

Um diese Anforderungen zu vereinfachen, ist in Fig. 2 für das gleiche Bauteil 10 wie in Fig. 1 zur Abdeckung der aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 15 eine weitere Kappe 21 vorgesehen, die am Anfang der aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 15 einen nach innen gerichteten Bund 22 aufweist. In der Tiefe der weiteren Kappe 21 bildet sich somit ein breiterer Spalt 24 zwischen Kappe 21 und der restlichen aufkohlungsfreien Bauteiloberflächen 15 aus. Diese Ausführungsform des Abdeckkörpers bietet den Vorteil, daß lediglich im Bereich des nach innen gerichteten Bundes 22 eine Anpassung der Zylinderinnenfläche der weiteren Kappe 21 an die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 notwendig ist. Die übrige innere Fläche der weiteren Kappe 21 muß somit nicht an die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 15 angepaßt sein. Der am Anfang der aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 15 vorhanden Abschnitt bildet somit die erforderliche Sperre aus, um das Prozeßgas von der aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 15 zumindest weitestgehend fernzuhalten.In order to simplify these requirements, a further cap 21 is provided in FIG. 2 for the same component 10 as in FIG. 1 to cover the carburization-free component surface 15 , which cap has an inwardly directed collar 22 at the beginning of the carburization-free component surface 15 . In the depth of the further cap 21 , a wider gap 24 is thus formed between the cap 21 and the remaining carburization-free component surfaces 15 . This embodiment of the cover provides the advantage that only in the region of an adjustment of the inner cylindrical surface of the further cap 21 to the aufkohlungsfreie component surface 15 is necessary inward Federal 22nd The remaining inner surface of the further cap 21 thus does not have to be adapted to the carburization-free component surface 15 . The section present at the beginning of the carburization-free component surface 15 thus forms the necessary barrier to keep the process gas at least as far as possible from the carburization-free component surface 15 .

Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3, bei dem das Bauteil 10 einen konischen Abschnitt 25 mit einer ebenfalls konisch verlaufenden aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 26 besitzt. Die Abdeckung der aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 26 wird hierbei von einer Hülse 30 mit einem nach innen gerichteten vorderen Bund 31 und einem nach innen gerichteten hinteren Bund 32 realisiert. Die Bunde 31, 32 sind jeweils mit einer an die konische Außenkontur der aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 26 angepaßten konischen Innenkontur versehen. Die konische Innenkontur der Hülse 30 wird zur Realisierung der Abdeckung über den konischen Abschnitt 25 des Bauteils 10 geschoben, so daß der vordere Bund 31 und der hintere Bund 32 auf der Oberfläche des konischen Abschnitts 25 aufliegen und dabei die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 26 einschießen. Dadurch entsteht eine Absperrung, wodurch das Prozeßgas gehindert wird, an die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche 26 des konischen Abschnitts 25 zu gelangen.A third exemplary embodiment is shown in FIG. 3, in which the component 10 has a conical section 25 with a component surface 26 which is also conical and does not carburize. In this case, the carburization-free component surface 26 is covered by a sleeve 30 with an inwardly directed front collar 31 and an inwardly directed rear collar 32 . The collars 31 , 32 are each provided with a conical inner contour adapted to the conical outer contour of the carburization-free component surface 26 . The conical inner contour of the sleeve 30 is slid over the conical section 25 of the component 10 so that the front collar 31 and the rear collar 32 rest on the surface of the conical section 25 and inject the carburized component surface 26 . This creates a shut-off, whereby the process gas is prevented from reaching the carburization-free component surface 26 of the conical section 25 .

Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen in Fig. 1, 2 und 3 sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die aufkohlungsfreie Bauteiloberfläche eine Innenfläche oder ein Abschnitt einer Innenfläche ist. In diesem Fall ist der Abdeckkörper als Bolzen ausgeführt, der mit seiner Außenfläche an die aufkohlungsfreie Bauteilinnenfläche angepaßt ist. Um die Spaltbreite zwischen Bolzen und Bauteil bei der thermischen Behandlung zu verringern, ist jedoch bei dieser Ausführungsform darauf zu achten, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Bolzens größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des entsprechenden Bauteils.In addition to the exemplary embodiments described in FIGS. 1, 2 and 3, embodiments are also conceivable in which the carburization-free component surface is an inner surface or a section of an inner surface. In this case, the cover body is designed as a bolt, whose outer surface is adapted to the carburization-free inner surface of the component. In order to reduce the gap width between the bolt and the component during the thermal treatment, care must be taken in this embodiment, however, that the coefficient of thermal expansion of the material of the bolt is greater than the coefficient of thermal expansion of the material of the corresponding component.

Als Material für den Abdeckkörper in Gestalt der Kappe 17, der weiteren Kappe 21 oder der Hülse 30 eignet sich beispielsweise eine Keramik oder ein Verbundwerkstoff mit Keramikanteilen. Derartige keramische Materialien, wie z. B. Al₂O₃-SiO₂-Systeme weisen einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als der aufzukohlende Stahl des Bauteils 10.A suitable material for the cover body in the form of the cap 17 , the further cap 21 or the sleeve 30 is, for example, a ceramic or a composite material with ceramic parts. Such ceramic materials, such as. B. Al ₂ O ₃ -SiO ₂ systems have a lower thermal expansion coefficient than the carburized steel of the component 10 .

Während der Erwärmung des Bauteils 10 auf Aufkohlungstemperatur wird aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine formschlüssige Verbindung zwischen Bauteil 10 und Abdeckkörper erzeugt, so daß die aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 15, 26 im wesentlichen spaltfrei gegenüber dem Aufkohlungsabschnitt 12 abgesperrt wird. Das Prozeßgas kann somit nicht zur aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche 15, 26 vordringen.During the heating of the component 10 to the carburizing temperature, a positive connection between the component 10 and the cover body is generated due to the different thermal expansion coefficients, so that the carburizing-free component surface 15 , 26 is blocked off essentially without a gap with respect to the carburizing section 12 . The process gas can therefore not penetrate to the carburization-free component surface 15 , 26 .

Claims

1. Device for the partial carburization of components ( 10 ) with a carburizing medium, in particular with a process gas to which the component ( 10 ) is exposed at a carburizing temperature, and with a cover that shields a carburizing-free component surface ( 15 , 26 ) from the carburizing medium , characterized in that the cover is formed by a solid cover body ( 17 , 21 , 30 ) which surrounds the carburization-free component surface ( 15 , 26 ) in such a way that the carburizing medium is prevented from penetrating to the carburization-free component surface ( 15 , 26 ).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cover body ( 17 , 21 , 30 ) with its thermal expansion coefficient is matched to the component ( 10 ) such that at the carburizing temperature at least at the border area to the carburizing medium, an at least approximately gap-free contact between Component ( 10 ) and cover body ( 17 , 21 , 30 ) is generated.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the cover body ( 17 , 21 , 30 ) covers an outer surface ( 14 , 26 ) of the component ( 10 ) and that the thermal expansion coefficient of the cover body ( 17 , 21 , 30 ) is lower than the thermal expansion coefficient of the material of the component ( 10 ).

4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the cover body ( 17 , 21 , 30 ) covers an inner surface of the component ( 10 ) and that the coefficient of thermal expansion of the cover body ( 17 , 21 , 30 ) is greater than the thermal Expansion coefficient of the material of the component ( 10 ).

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cover body ( 17 , 21 , 30 ) at the border area to the carburizing medium with a collar ( 22 , 31 , 32 ) is provided such that the gap-free contact between the body ( 17 , 21 , 30 ) and component ( 10 ) only in the area of the federal government ( 22 , 31 , 32 ).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the cover body ( 17 , 21 , 30 ) consists of a ceramic material or a composite material with a ceramic material.