DE102009041041A1

DE102009041041A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Werkstücken, sowie nach dem Verfahren gehärtete Werkstücke

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Publication number: DE102009041041A1
Application number: DE102009041041A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Heuer; Klaus Dr. Löser; Gunther Schmitt; Gerhard Welzig
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: BR112012005330A2; MX2012002954A; JP2013504686A; DK2475797T3; CA2773860C; EP2475797A1; CA2773860A1; SI2475797T1; JP5976540B2; MX348240B; US9518318B2; WO2011029565A1; US20120168033A1; KR20120112381A; EP2475797B1; CN102625859A; EP2475797B8; KR101774741B1; DE102009041041B4; PL2475797T3

Abstract

Für ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Werkstücken ist eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Abkühlkammer und zwei oder mehrere Aufkohlkammern umfasst, in welchen die Werkstücke mittels direkter Wärmestrahlung einer Heizvorrichtung auf eine Temperatur von 950 bis 1200°C erwärmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Werkstücken, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren gehärtete Werkstücke. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

(a) Erwärmen der Werkstücke auf eine Temperatur von 950 bis 1200°C;
(b) Beaufschlagen der Werkstücke mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C und einem Druck von unter 100 mbar;
(c) Halten der Werkstücke in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C;
(d) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (b) und (c); und
(e) Abkühlen der Werkstücke.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zwei oder mehrere Aufkohlkammern, mindestens eine Abkühlkammer und ein Transfersystem zum Handhaben von Gestellen für Werkstücke, wobei jede der Aufkohlkammern über ein oder mehrere Vakuumschieber oder thermische Isolationsschieber mit der Abkühlkammer verbindbar ist und jede Aufkohlkammer eine Aufnahme für ein Gestell sowie Heizelemente aufweist.
Bei den Werkstücken handelt es sich vor allem um Maschinen- und Getriebeteile aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise um Hohlräder, Zahnräder, Wellen oder Einspritzkomponenten aus Stahllegierungen wie 28Cr4 (gemäß ASTM 5130), 16MnCr5, 18CrNi8 und 18CrNiMo7-6.
Verfahren und Vorrichtungen zum Härten von Werkstücken mittels Aufkohlen sind im Stand der Technik bekannt.
DE 103 22 255 A1 offenbart ein Verfahren zur Aufkohlung von Stahlteilen bei Temperaturen oberhalb von 930°C mit einem Kohlenstoffspendergas innerhalb einer evakuierbaren Behandlungskammer, wobei sowohl während der Aufheizphase als auch während der Diffusionsphase stickstoffabgebendes Gas wie Ammoniak in die Behandlunsgskammer eingegeben wird.
DE 103 59 554 B4 beschreibt ein Verfahren zum Aufkohlen metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen, wobei die Ofenatmosphäre einen Kohlenstoffträger enthält, der unter den Prozessbedingungen der Aufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird, wobei die Zufuhr des Kohlenstoffträgers pulsweise erfolgt und sich an jeden Kohlungspuls eine Diffusionspause anschließt und die zuzuführende Kohlenwasserstoffmenge während eines Kohlungspulses so variiert wird, dass sie der aktuellen Aufnahmefähigkeit des Werkstoffes angepasst ist, wozu der Azetylenvolumenstrom zu Beginn eines jeden Kohlungspulses hoch bemessen und die in der Ofenatmosphäre oder im Abgas herrschende Konzentration von Wasserstoff und/oder Azetylen und/oder Gesamtkohlenstoff gemessen und danach der Azetylenvolumenstrom entsprechend abgesenkt wird.
DE 10 2006 048 434 A1 betrifft ein Aufkohlverfahren, das in einer Schutzgas- oder Behandlungsatmosphäre in einem Wärmebehandlungsofen vorgenommen wird, wobei ein Alkohol und Kohlendioxid in den Wärmebehandlungsofen eingebracht und chemisch umgesetzt werden. Es werden Ethanol und Kohlendioxid in den Wärmebehandlungsofen eingebracht, wobei das Verhältnis von eingebrachtem Ethanol zu eingebrachtem Kohlendioxid vorzugsweise 1:0.96 beträgt. Eine derart erzeugte Wärmebehandlungsatmosphäre eignet sich insbesondere zum Aufkohlen sowie kohlungsneutralen Glühen metallischer Werkstoffe, wie beispielsweise Eisenwerkstoffe.
DE 10 2007 038 991 A1 beschreibt einen Drehherdofen zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere zur Gasaufkohlung metallischer Werkstücke, mit einem Ofenraum, einem den Ofenraum bodenseitig begrenzenden Drehherd, einer den Ofenraum seitlich umschließenden Außenwand und einer den Ofenraum deckenseitig begrenzenden Deckenplatte, wobei der Ofenraum mit Innenwänden, die sich bezüglich einer Drehachse des Drehtellers radial erstrecken, in wenigstens zwei Behandlungszonen unterteilt ist. Zur Werkstückbehandlung sind auf dem Drehteller mehrere bezüglich der Drehachse des Drehtellers radial ausgerichtete und radial beschickbare Gestelle zur Aufnahme von Werkstücken oder Werkstückträgern angeordnet, wobei jede Innenwand einen komplementär zu den Gestellen geformten Durchgang aufweist, durch den die Gestelle bei drehendem Drehteller in Umfangsrichtung durch die jeweilige Innenwand hindurchführbar sind.
DE 10 2007 047 074 A1 offenbart ein Verfahren zur Aufkohlung von Werkstücken aus Stahl, insbesondere von Werkstücken mit außen- und innenliegenden Oberflächen, wobei das Werkstück bei einer Temperatur im Bereich von 850 bis 1050°C in einer gasförmigen Kohlenwasserstoff enthaltenden Atmosphäre gehalten wird. Es werden mindestens zwei unterschiedliche gasförmige Kohlenwasserstoffe eingesetzt und/oder das Werkstück wird alternierend während eines Aufkohlungspulses in der den gasförmigen Kohlenwasserstoff enthaltenden Atmosphäre und während einer Diffusionsphase in einer Atmosphäre, die frei von Kohlenwasserstoff ist, gehalten.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren weisen einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf:

– die zum Härten von Werkstücken mittels Aufkohlen erforderliche Temperatur liegt bei über 850°C, wobei zum Aufheizen üblicherweise Zeiten von mehr als 45 min benötigt werden. Um eine ausreichende Produktivität bzw. einen hohen Durchsatz an Werkstücken zu erzielen, erfolgt die Aufkohlung chargenweise mit einer großen Anzahl von Werkstücken, die in mehreren übereinander angeordneten Lagen in einem Chargengestell angeordnet sind. Beispielsweise wird ein Chargengestell mit 10 Rosten mit insgesamt 160 Hohlrädern aus einer 28Cr4-Legierung (gemäß ASTM 5130) beladen, wobei auf jedem der 10 Roste 16 Hohlräder nebeneinander angeordnet werden. Typische Chargen bzw. Chargengestelle haben in jeder der drei Raumrichtungen eine Abmessung im Bereich von 400 mm bis zu 2000 mm. Hier und im Folgenden wird diese konventionelle Art der Chargierung auch mit dem Begriff ”3D-Charge” bezeichnet. Die Aufkohlung schließt sich im Fertigungsablauf an die im wesentlichen serielle mechanische Bearbeitung (die sogenannte Weichbearbeitung) an. Hierzu werden Pufferbereiche angelegt, in denen die weichbearbeiteten Werkstücke gesammelt werden, bis eine 3D-Charge für die Aufkohlung komplettiert ist. Die Aufkohlung von 3D-Chargen beansprucht sowohl für den Heizofen wie auch für den Pufferbereich beträchtliche Flächen. Zudem unterbricht sie den quasi-kontinuierlichen Fluß der mechanischen Bearbeitung und verursacht logistischen Mehraufwand. So erfordert die 3D-Chargen-Pufferung die manuelle Handhabung von Werkstücken, weil hierfür geeignete Robotersysteme aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht einsetzbar sind;
– bei der Aufkohlung von 3D-Chargen kommt es vermehrt zur Bildung von kohlenstoffhaltigen Rückständen, welche die Werkstücke wie auch die umgebende Fertigungslinie kontaminieren können;
– in 3D-Chargen aufgekohlte Werkstücke weisen in der Regel erhebliche thermische Verzüge auf, die eine aufwendige mechanische Nachbearbeitung (die sogenannte Hartbearbeitung) erforderlich machen;
– in 3D-Chargen aufgekohlte Werkstücke weisen bei charakteristischen Eigenschaften, wie der Aufkohlungstiefe, dem Randkohlenstoffgehalt und der Kernhärte eine breite Streuung auf, so daß es nicht möglich ist hiervon direkt oder mittelbar beeinflußte Qualitätskennwerte wie beispielsweise den Schlupf oder Reibungsverlust eines aus aufgekohlten Teilen zusammengesetzten mechanischen Getriebes zu verbessern.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Härten von Werkstücken bereitzustellen, das eine hohe Produktivität aufweist und bei dem die vorstehenden Nachteile weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte:

(a) Erwärmen der Werkstücke auf eine Temperatur von 950 bis 1200°C, wobei 30 bis 100% der Oberfläche jedes Werkstücks mit direkter Wärmestrahlung einer Heizvorrichtung erwärmt wird;
(b) Beaufschlagen der Werkstücke mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C und einem Druck von unter 100 mbar;
(c) Halten der Werkstücke in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C;
(d) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (b) und (c); und
(e) Abkühlen der Werkstücke.

Die Erwärmung der Werkstücke in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch bewerkstelligt, dass die Werkstücke nebeneinander in einer Lage oder Reihe in der Heizvorrichtung angeordnet sind. Diese Art der Anordnung wird hier und im Folgenden auch mit dem Begriff ”2D-Charge” bezeichnet.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass:

– in Schritt (a) jedes der Werkstücke mit Wärmestrahlung aus zwei oder mehreren Raumrichtungen erwärmt wird;
– in Schritt (a) die oberflächennahe Zone jedes der Werkstücke mit einer Rate von 35 bis 135°C·min^–1 ^, bevorzugt 50 bis 110°C·min^–1, und insbesondere 50 bis 75°C·min^–1 erwärmt wird;
– in Schritt (a) der Kern jedes der Werkstücke mit einer Rate von 18 bis 120°C·min^–1 erwärmt wird;
– in Schritt (e) die Werkstücke in einem Temperaturbereich von 800 bis 500°C mit einer spezifischen Kühlrate von 2 bis 20 kJ·kg^–1·s^–1 abgekühlt werden;
– in Schritt (b) die Werkstücke mit Azetylen (C₂H₂) und/oder Ammoniak (NH₃) beaufschlagt werden;
– in Schritt (e) die Werkstücke mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff abgekühlt werden;
– die Werkstücke mittels Stickstoff bei einem Druck von 2 bis 20 bar, vorzugsweise 4 bis 8 bar und insbesondere 5 bis 7 bar abgekühlt werden;
– in Schritt (e) die Oberfläche der Werkstücke von einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1200°C innerhalb von 40 bis 100 s auf eine Temperatur von 300°C abgekühlt wird; und
– die Taktzeit für die Durchführung der Schritte (a) bis (e) bezogen auf ein Werkstück 20 bis 120 s, vorzugsweise 20 bis 60 s, und insbesondere 20 bis 40 s beträgt.

Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:

(i) einlagiges Anordnen der Werkstücke in/auf einem Gestell;
(ii) Einbringen des Gestells mit den Werkstücken in eine Abkühlkammer, Evakuieren auf einen Druck von unter 100 mbar;
(iii) Transfer des Gestells in eine Aufkohlkammer, wobei das Gestell vor dem Einbringen in die Aufkohlkammer gegebenenfalls in einer Parkaufnahme zwischengelagert wird;
(iv) Erwärmen der Werkstücke auf eine Temperatur von 950 bis 1200°C mittels Wärmestrahlung, wobei 30 bis 100% der Oberfläche jedes Werkstücks mit direkter Wärmestrahlung der Aufkohlkammer erwärmt wird;
(v) Beaufschlagen der Werkstücke mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder Stickstoffhaltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C und einem Druck von unter 100 mbar;
(vi) Halten der Werkstücke in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C;
(vii) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (iv) und (v);
(viii) Transfer des Gestells mit den Werkstücken in die Abkühlkammer;
(ix) Abkühlen der Werkstücke mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff; und
(x) Entnahme des Gestells mit den Werkstücken aus der Abkühlkammer.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Härten von Werkstücken gemäß dem vorstehenden Verfahren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, umfassend zwei oder mehrere Aufkohlkammern, mindestens eine Abkühlkammer und ein Transfersystem zum Handhaben von Gestellen für die Werkstücke, wobei die Abkühlkammer mit jeder der Aufkohlkammern über einen oder mehrere Vakuumschieber verbindbar ist, jede Aufkohlkammer eine Aufnahme für ein Gestell und mindestens zwei Heizelemente aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung die Oberfläche jedes der Werkstücke unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5π bis 2π bestrahlt.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei oder mehrere Aufkohlkammern, mindestens eine Abkühlkammer, eine zwischen den Aufkohlkammern und der Abkühlkammer angeordnete Schleusenkammer und ein Transfersystem zum Handhaben von Gestellen für die Werkstücke, wobei die Abkühlkammer über einen Vakuumschieber mit der Schleusenkammer verbindbar ist, jede der Aufkohlkammern über thermische Isolationsschieber mit der Schleusenkammer verbindbar ist und jede der Aufkohlkammern eine Aufnahme für ein Gestell und mindestens zwei Heizelemente aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung die Oberfläche jedes der Werkstücke unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5π bis 2π bestrahlt.
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass:

– die thermischen Isolationsschieber als Vakuumschieber ausgestaltet sind;
– die Abkühlkammer zwei Vakuumschieber zum Einbringen und Entnehmen von Werkstücken umfasst;
– die Heizelemente als Flächenstrahler ausgebildet sind;
– die Heizelemente aus Grafit oder Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen;
– die Gestelle als gitterartige Paletten ausgebildet sind;
– die Gestelle aus Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen; und
– das Transfersystem vertikal angeordnete Kettenantriebe mit oberen und unteren Umlenkungen und Ketten sowie eine horizontal verfahrbare Teleskopgabel zur Aufnahme von Paletten umfasst, wobei die Teleskopgabel über ein Getriebe mit einer der Ketten gekoppelt ist.

Im Weiteren hat die Erfindung die Aufgabe, gehärtete Werkstücke mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere mit verringertem thermischen Verzug bereitzustellen. Aufgrund des verringerten Verzuges wird der Aufwand für mechanische Nachbearbeitung (sogenannte Hartbearbeitung) erheblich reduziert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Werkstück aus einem metallischen Werkstoff, das nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren gehärtetet worden ist.
Das erfindungsgemäße Werkstück zeichnet sich dadurch aus, dass:

– die Streuung des Randkohlenstoffgehalts kleiner 0,05 Gew.-%, vorzugsweise kleiner 0,03 Gew.-%, und insbesondere kleiner 0,02 Gew.-% ist;
– die Streuung des Tiefenhärteprofils kleiner 0,1 mm, vorzugsweise kleiner 0,08 mm, und insbesondere kleiner 0,06 mm ist; und
– die Streuung der Kernhärte kleiner 60 HV, vorzugsweise kleiner 40 HV ist.

Bei den Werkstücken handelt es sich vor allem um Maschinen- und Getriebeteile aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise um Hohlräder, Zahnräder, Wellen oder Einspritzkomponenten aus Stahllegierungen wie 28Cr4 (gemäß ASTM 5130), 16MnCr5, 18CrNi8 und 18CrNiMo7-6.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
1a eine Anordnung eines Werkstücks mit zwei Heizelementen;
1b die Strahlungsaufheizung eines Werkstücks;
2 eine Palette mit Werkstücken;
3 eine Vorrichtung zum Härten mit einer vertikal verfahrbaren Abkühlkammer;
3A eine Vorrichtung mit einer Transferkammer;
4 eine Vorrichtung zum Härten mit einer stationären Abkühl- und einer zentralen Schleusenkammer;
5A–B Transfersystem für eine Vorrichtung mit zentraler Schleusenkammer;
6 mehrere Werkstücke zwischen zwei Heizelementen in vertikaler Anordnung;
7 Messdaten zur Aufheizung von Werkstücken;
8 Messdaten zum Härteprofil von Werkstücken;
9 Messdaten zur Kernhärte von Werkstücken;
10 Messdaten zum Randkohlenstoff von Werkstücken; und
11 Messdaten zur Ovalität von Werkstücken.
zeigen.
In 1a ist eine Anordnung zum Erwärmen von Werkstücken 6 mit zwei Heizelementen (21, 22) dargestellt. Die Werkstücke 6 sind auf einem als gitterförmige Palette ausgebildeten Gestell 5 gelagert. Die Heizelemente (21, 22) sind relativ zur Palette 5 bzw. zu den Werkstücken 6 derart angeordnet, dass die von den Heizelementen (21, 22) emittierte Strahlung, die in 1 durch Pfeillinien 8 symbolisiert ist, aus verschiedenen Raumrichtungen auf die Oberfläche der Werkstücke 6 einfällt. Bevorzugt sind die Heizelemente (21, 22) beidseitig der Palette 5 und einander gegenüberliegend angeordnet. Die Anordnung der Heizelemente (21, 22) ist so gewählt, dass 30 bis 100% der Oberfläche jedes Werkstücks 6 direkter Wärmestrahlung 8 ausgesetzt ist, d. h. in direktem Sichtkontakt mit der Oberfläche der Heizelemente (21, 22) steht. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Heizelemente (21, 22) derart ausgebildet und relativ zu den Werkstücken 6 angeordnet, dass der Raumwinkel, den die auf einen Punkt (9, 9') der Oberfläche eines Werkstücks 6 einfallende Wärmestrahlung 8 im Mittel ausleuchtet 0,5π bis 2π beträgt. Diese Konfiguration, bei der 30 bis 100% der Oberfläche jedes Werkstücks 6 mit Wärmestrahlung 8 unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5π bis 2π angestrahlt wird, ermöglicht eine schnelle Aufheizung der Werkstücke 6. 1b zeigt in perspektivischer Ansicht einen maximalen Raumwinkel Ω der Größe 2π für die Bestrahlung eines Punktes 9 auf der Oberfläche eines Werkstückes 6. Aus 1a ist ersichtlich, dass Teilbereiche der Oberfläche der Werkstücke 6 durch die Palette 5 abgeschattet sind und keinen direkten Sichtkontakt zu den Heizelementen (21, 22) haben. Gleiches gilt für Bereiche, in welchen die Oberfläche der Werkstücke 6 konkav ausgebildet ist. Die vorstehend genannten Oberflächenbereiche werden indirekt durch Wärmeleitung innerhalb der Werkstücke 6 aufgeheizt. Wenn erfindungsgemäß mindestens 30% der Oberfläche jedes Werkstücks in direktem Sichtkontakt zu einem der Heizelemente (21, 22) steht, ist eine schnelle Aufheizung der Werkstücke 6 gewährleistet.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Heizelementen (21, 22) um mit elektrischer Energie betriebene ”aktive Heizstrahler”. Erfindungsgemäß sind jedoch auch ”passive Heizstrahler” einbezogen wie beispielsweise die Wand einer Aufkohlkammer, die mittels einer in der Aufkohlkammer angeordneten Strahlungsheizung auf eine hohe Temperatur von über 1000°C, insbesondere von über 1400°C aufgeheizt worden ist. Bevorzugt haben die Wände der Aufkohlkammer eine Wärmekapazität, die ein Mehrfaches der Wärmekapazität der zu härtenden Werkstücke beträgt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Temperatur der Aufkohlkammer bei der Beladung und Entnahme der Werkstücke nur geringfügig abfällt. Die erfindungsgemäßen Effekte werden in gleicher Weise mit elektrischen Heizstrahlern wie mit durch eine Strahlungsheizung aufgeheizten Wanden einer Aufkohlkammer erzielt.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine erfindungsgemäß einlagige Anordnung von Werkstücken 6, bei denen es sich beispielsweise um Zahnräder handelt, auf einer gitterartig ausgebildeten Palette 5. Das Verhältnis von offener Fläche zu Gitter, gemessen in der transversalen Symmetrieebene 7 der Palette 5 und bezogen auf eine zur transversalen Symmetrieebene 7 senkrechte Flächennormale 7' wird hier und im Folgenden als Öffnungsverhältnis bezeichnet und ist erfindungsgemäß größer 60%, vorzugsweise größer 70% und insbesondere größer 80%. Zweckmäßig besteht die Palette 5 aus Kohlenstoffaserverstärktem-Kohlenstoff (CFC bzw. Carbon Fiber Reinforced Carbon), so dass sie eine hohe mechanische und thermische Stabilität aufweist.
Eine in 3 schematisch dargestellte, erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfasst eine vertikal verfahrbare Abkühlkammer 190 und vier vertikal übereinander angeordnete Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140). Die Abkühlkammer 190 und jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist mit einer Vakuumpumpe bzw. mit einem Vakuumpumpenstand (in 3 nicht gezeigt) verbunden. Mittels der Vakuumpumpen kann jede der Kammern (190; 110, 120, 130, 140) unabhängig von den anderen Kammern auf einen Druck von unter 100 mbar, vorzugsweise von unter 20 mbar evakuiert werden. Die Abkühlkammer 190 ist zudem über eine Gasleitung mit einem Druckbehälter (in 3 nicht gezeigt) für ein Kühlgas wie Helium oder Stickstoff verbunden. Das Kühlgas wird in dem Druckbehälter unter einem Druck von 2 bis 25 bar vorgehalten. Zur Druckerzeugung ist der Druckbehälter in bekannter Weise mit einem Kompressor oder einer Hochdruckgasversorgung verbunden. Die Gasleitung von dem Druckbehälter zur Abkühlkammer 190 ist mit einem regelbaren Ventil ausgerüstet. Zum Belüften oder Evakuieren der Abkühlkammer 190 wird das regelbare Ventil in Schließstellung gebracht, so dass kein Kühlgas vom Druckbehälter in die Abkühlkammer 190 gelangt. Jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist über eine eigene Gasleitung mit einem Behälter (in 3 nicht gezeigt) für ein Kohlenstoff-haltiges Gas, wie Azetylen verbunden. Optional ist jede der Aufkohlkammern mit einem weiteren Behälter für ein Stickstoff-haltiges Gas verbunden. Die Gasleitungen von dem/den Behälter/n zu den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) sind mit regelbaren Ventilen, vorzugsweise mit Mengenflußreglern (MFC) ausgestattet, um den der jeweiligen Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140) zugeführten Gasfluß präzise zu steuern.
Im Weiteren umfasst jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) zwei Heizelemente (21, 22) sowie eine – in 3 nicht gezeigte – Aufnahme bzw. Halterung für eine Palette 5. Die Heizelemente (21, 22) sind elektrisch betrieben, vorzugsweise flächenhaft ausgebildet und bestehen aus einem Werkstoff wie Grafit oder Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC bzw. Carbon Fiber Reinforced Carbon). Insbesondere sind die Heizelemente (21, 22) als mäanderförmige Flächenheizer ausgebildet (siehe 6).
Die Abkühlkammer 190 ist an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten mit einem ersten und zweiten Vakuumschieber 191 und 192 ausgestattet. Wenn die Vakuumschieber 191 und/oder 192 geöffnet sind, kann eine Palette 5 mit Werkstücken 6 in die Abkühlkammer 190 eingebracht oder daraus entnommen werden. Zum Transfer bzw. für die Handhabung der Palette 5 ist die Abkühlkammer 190 mit einem automatisierten, insbesondere mit einer Speicher-programmierbaren Steuerung (SPS) gekoppelten Transfersystem 153 ausgerüstet. Die Abkühlkammer 190 ist auf einem Träger einer vertikalen Hubvorrichtung 160 montiert. Mittels der Hubvorrichtung 160 kann die Abkühlkammer 190 vor jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) positioniert werden. Jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist mit einem Vakuumschieber (111, 121, 131, 141) ausgestattet. Die Abkühlkammer 190 und die Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) sind derart ausgestaltet, dass sie vakuumdicht miteinander verbindbar sind, wenn die Abkühlkammer 190 vor einer der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) positioniert wird. Für eine derartige Kopplung geeignete Vakuumkomponenten (in 3 nicht gezeigt) sind dem Fachmann bekannt und kommerziell verfügbar. In 3 ist beispielhaft die vakuumdichte Kopplung zwischen der Abkühlkammer 190 und der Aufkohlkammer 120 gezeigt. Hierbei können die Vakuumschieber 192 und 121 der Abkühlkammer 190 und der Aufkohlkammer 120 gleichzeitig geöffnet sein, ohne dass das Vakuum in einer der Kammern gebrochen wird. Die erfindungsgemäße vakuumtechnische Ausgestaltung der Kammern (190; 110, 120, 130, 140) gestattet es somit, eine Palette 5 mit Werkstücken 6 zwischen einer der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) und der Abkühlkammer 190 hin und her zu transferieren, ohne das Vakuum zu brechen.
3A zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform 100A der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Abkühlkammer 195 und einer Transferkammer 196. Die Transferkammer 196 ist auf der den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) zugewandten Seite der Abkühlkammer 195 montiert und dient zur Aufnahme eines horiziontalen Transfersystems 154. Aufgrund seiner Anordnung in der Transferkammer 196 steht das Transfersystem 154 unabhängig von dem Betriebszustand der Abkühlkammer 195 zur Verfügung, um eine der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) mit einer Palette 5 mit Werkstücken 6 zu beladen. Das Transfersystem 154 ist horizontal beidseitig verfahrbar, so dass die Palette 5 zwischen der Abkühlkammer 195 und jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) transferiert werden kann. In der Vorrichtung 100A ist auf der obersten Aufkohlkammer 140 zudem eine (in 3A nicht gezeigte) Ablage zum Parken einer Palette 5 mit ”frischen”, d. h. zu härtenden Werkstücken 6 vorgesehen. Zur vakuumdichten Abtrennung ist zwischen der Abkühlkammer 195 und der Transferkammer 196 ein Vakuumschieber 197 angeordnet. An einer den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) zugewandten Stirnseite weist die Transferkammer 196 eine Öffnung auf, deren Rand vakuumdicht mit den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) verbindbar ist. Hierzu ist der Rand der Öffnung mit einer umlaufenden Vakuumdichtung 198 ausgestattet. Die Vakuumdichtung 198, die beispielsweise aus Gummi besteht, dient zum Andocken der Transferkammer 196 an eine der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140). Die Transferkammer 196 ist ebenso wie die Abkühlkammer 195 und jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) mit einer (in 3A nicht gezeigten) eigenen Vakuumpumpe oder mit einem Vakuumpumpenstand verbunden. Dementsprechend kann die Transferkammer 196 als Vakuumschleuse zwischen der Abkühlkammer 195 und den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) eingesetzt werden. Mittels der Hubvorrichtung 160 kann die Transferkammer 196 zusammen mit der Abkühlkammer 195 in vertikaler Richtung verfahren und vor jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) positioniert werden. Zum Andocken an die Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) sind die Transferkammer 196 und die Abkühlkammer 195 auf einem (in 3A nicht gezeigten) horizontal angeordneten Lineartrieb gelagert. Der horizontale Lineartrieb ist seinerseits auf einem Träger der vertikalen Hubvorrichtung 160 montiert. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform 100A mit Transferkammer 196 entspricht dem Konzept einer Anlage vom Typ ModulTherm der Firma ALD Vacuum Technologies AG.
Jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist elektrisch beheizbar. Vorzugsweise erfolgt die Beheizung durch zwei flächenhaft ausgebildete, elektrisch betriebene Heizelemente (21, 22), die einander gegenüberliegend jeweils an der Unter- und Oberseite jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) angeordnet sind. Die Wände der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) bestehen aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl und sind gegebenenfalls doppelwandig ausgeführt und mit Leitungen für ein Kühlfluid wie Wasser ausgerüstet. An ihrer dem Kammerinneren zugewandten Seite sind die Wände der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) mit einem thermisch isolierenden Material, wie Grafitfilz ausgekleidet (in 3 nicht dargestellt). In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wände der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) an der Innenseite zudem mit einem wärmespeichernden Material wie Stahl oder Grafit ausgestattet. Indem das Dicken- bzw. Massenverhältnis des wärmespeichernden Materials relativ zum thermisch isolierenden Material – beispielsweise Massenbelegung (kg/m²) Grafit im Verhältnis zu Massenbelegung (kg/m²) Grafitfilz – geeignet gewählt wird, kann die Wärmekapazität und die thermische Verlustleistung der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) an Vorgabewerte angepasst werden. So kann durch Verwendung von dicken Grafitplatten mit hoher Wärmekapazität der Temperaturabfall beim Einbringen und bei der Entnahme von Werkstücken 6 in/aus den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) verringert werden. Dies ermöglicht es, die Heizdauer zu verkürzen und den Durchsatz bzw. die Produktivität der Vorrichtung zu erhöhen. Eine derart mit einer wärmespeichernden Innenauskleidung ausgestattete Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140) kann nach Art eines thermischen Hohlraumstrahlers betrieben werden, wobei die an Werkstücke 6 und/oder in die Umgebung abgestrahlte ”Verlustleistung” mittels einer an beliebiger Stelle in der Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140) angeordneten elektrischen Heizung nachgeführt wird. Bei dieser Ausführungsform werden die Werkstücke 6 durch die von der ”passiven” Innenauskleidung der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) emittierte Strahlung aufgeheizt.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 200 mit einer stationären Abkühlkammer 290, die über eine Schleusenkammer 280 mit vier vertikal übereinander angeordneten Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) in Verbindung steht. Die Abkühlkammer 290 ist mit einer ersten und zweiten Schleuse 291 und 292 zum Ein- und Ausbringen einer Palette 5 mit Werkstücken 6 ausgestattet. In der Schleusenkammer 290 ist eine Hubvorrichtung 260 mit einem vertikal verfahrbaren Träger 250 vorgesehen. Auf dem Träger 250 ist ein automatisiertes, horizontal beidseitig verfahrbares Transfersystem 253 montiert. Die vertikale Hubvorrichtung 260 in Verbindung mit dem Transfersystem 253 dient dazu, eine Palette 5 mit Werkstücken 6 zwischen der Abkühlkammer 290 den Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) zu transferieren.
Die Schleusenkammer 280 und die Abkühlkammer 290 sind mit – in 4 nicht gezeigten – Vakuumpumpen bzw. einem Vakuumpumpenstand verbunden und können unabhängig voneinander auf einen Druck von unter 100 mbar evakuiert werden. Optional ist zudem jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) mit einer Vakuumpumpe bzw. mit dem Vakuumpumpenstand verbunden und unabhängig von den anderen Kammern evakuierbar. Analog zu der in 3 dargestellten Vorrichtung 100 ist die Abkühlkammer 290 mit einem Druckbehälter für ein Kühlgas, beispielsweise Helium oder Stickstoff, und jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) mit einem Behälter für ein Kohlenstoff-haltiges Gas, wie Azetylen und/oder einem Behälter für ein Stickstoff-haltiges Gas verbunden.
Jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) ist mit beweglichen Schiebern (211, 221, 231, 241) ausgestattet, die primär zum thermischen Einschluß und zur Speicherung von Wärmeenergie in den Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) dienen. Die thermischen Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) werden lediglich zur Einbringung und Entnahme von Werkstücken in bzw. aus den Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) geöffnet. Optional können die thermischen Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) als Vakuumschieber ausgebildet sein, so dass die Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) vakuumdicht gegen die Schleusenkammer 280 verschliessbar sind.
Analog zu der in 3 dargestellten Vorrichtung 100, sind die Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) der Vorrichtung 200 mit einer mehrlagigen Auskleidung aus einem wärmespeichernden Material wie Grafit und einem thermisch isolierenden Material wie Grafitfilz ausgerüstet.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung 200 umfasst die Schleusenkammer 280 eine Aufnahme für eine Palette 5, die es ermöglicht, die Palette 5 mit Werkstücken 6 zu ”parken”, um sie bereit zu halten für die Beladung einer der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240), sobald letztere entladen und freigegeben ist. Diese ”Parkaufnahme” ist vorzugsweise vertikal oberhalb der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) angeordnet. Mittels der Parkaufnahme kann die Taktzeit für das Aufkohlen einer Palette verringert und somit der Durchsatz bzw. die mit der Vorrichtung 200 erzielbare Produktivität erhöht werden.
Die in 3 und 4 gezeigten Vorrichtungen 100 und 200 sind modular aufgebaut, so dass es möglich ist, weitere Aufkohlkammern hinzuzufügen, um die Produktivität zu erhöhen. Je nach Dauer der einzelnen, nachfolgend aufgelisteten Verfahrensschritte

– Einbringen der Palette in die Abkühlkammer
– Abpumpen der Abkühlkammer
– Transfer in eine leere Aufkohlkammer, optional mit Zwischenlagerung in einer Parkaufnahme
– Aufkohlen und Diffusion
– Transfer in die Abkühlkammer
– Abkühlen
– Entnahme der Palette aus der Abkühlkammer

3

4

Die 5A–5B zeigen eine schematische Front- und Seitenansicht einer erfindungsgemäß bevorzugten Transfervorrichtung (260, 253) für die in 4 wiedergegebene Vorrichtung 200 mit Schleusenkammer 280.
Das Transfersystem (260, 253) umfasst zwei vertikal angeordnete Kettenantriebe mit oberen und unteren Umlenkungen (261, 263; 261', 263') und Ketten (262; 262'). Die Kette 262' ist mit einer horizontalen Plattform 254 verbunden. Die Plattform 254 ist an einem oder zwei Vertikallagern 265 geführt. Auf der Plattform 254 ist eine horizontal verfahrbare Teleskopgabel (255, 256) zur Aufnahme von Paletten 5 montiert. Die Teleskopgabel (255, 256) wird über ein Getriebe 251, das mit der Kette 262 gekoppelt ist, angetrieben. Die Kopplung zwischen der Kette 262 und dem Getriebe 251 erfolgt durch mehrfache Umlenkungen. Die Umlenkungen 263 und 263', bei denen es sich vorzugsweise um Zahnräder handelt, sind über Wellen 264 mit außerhalb der Schleusenkammer 280 angeordneten Motoren (in 5A– 5B nicht gezeigt) gekoppelt. Zur Durchführung der Wellen 264 ist die Wand der Schleusenkammer 280 mit vakuumdichten Drehdurchführungen ausgestattet. Zum vertikalen Verfahren der Plattform 254 werden die Kettenantriebe (261, 262, 263) und (261', 262', 263') synchron angesteuert, so dass die Anstellung zwischen der Kette 262 und dem Getriebe 251 unverändert bleibt und die Teleskopgabel (255, 256) ihre horizontale Position beibehält. Hierdurch werden Kollisionen der Teleskopgabel (255, 256) mit anderen Teilen der Vorrichtung 200 wie etwa den Aufkohlkammern verhindert. Das horizontale Verfahren der Teleskopgabel (255, 256) erfolgt, wenn die Plattform 254 an festgelegten vertikalen Positionen steht, indem die Kette 262 über das Zahnrad 263 und die Welle 264 von einem außerhalb der Schleusenkammer 280 angeordneten Motor angesteuert wird.
6 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der Werkstücke 61, wie beispielsweise Getriebewellen, in einer vertikalen Lage bzw. Reihe zwischen Heizelementen 21 und 22 in einer Aufkohlkammer angeordnet sind. Die Werkstücke 61 werden mittels eines Gestells (in 6 nicht gezeigt) in ihrer Position gehalten. Hierbei ist das Gestell als Rahmen mit Aufhängungen oder als Trägerplatte mit mechanischen Halteeinrichtungen, wie Dornen zum Aufstecken oder Bohrungen zum Einstecken von Wellen, ausgebildet. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Härten von Werkstücken in vertikaler Anordnung gemäß 6 ist analog zu den in 3 und 4 dargstellten Vorrichtungen konzipiert und unterscheidet sich von diesen lediglich dadurch, dass die Aufkohlkammern in horizontaler Richtung nebeneinander statt vertikal übereinander angeordnet sind. Hierzu entsprechend ist die Abkühlkammer horizontal verfahrbar bzw. die Schleusenkammer und die Transfervorrichtung horizontal angeordnet. Erfindungsgemäß sind sowohl die horizontale Lagerung von Werkstücken (beispielsweise auf einer Palette) gemäß den 3 und 4 als auch die vertikale Halterung oder Aufhängung nach 6 einbegriffen. Beiden der genannten Ausführungsformen ist das erfindungswesentliche Merkmal gemein, dass die Werkstücke in einer Lage bzw. einer Reihe, d. h. nach Art einer 2D-Charge in der Heizvorrichtung angeordnet sind, so dass 30 bis 100% der Oberfläche jedes Werkstücks direkt der von der Heizvorrichtung emittierten Wärmestrahlung ausgesetzt ist.
Die in 6 gezeigten Heizelemente (21, 22) sind als mäanderförmige Flächenheizer aus Grafit oder CFC ausgeführt. Derartige Flächenheizer (21, 22) sind im Stand der Technik bekannt und werden kommerziell von verschiedenen Herstellern angeboten.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Abkühlkammer mit einer mechanischen Fixtureinrichtung und/oder einer Strömungsleitapparatur für das Kühlgas ausgerüstet. Die Fixtureinrichtung ist an die Geometrie der Werkstücke angepasst und dabei erfindungsgemäß in der Abkühlkammer oberhalb der abzukühlenden Werkstücke angeordnet. Vor Beginn des Gaseinlasses wird entweder die Palette mit den Werkstücken mit einer definierten Kraft von unten gegen die Fixtureinrichtung gedrückt, oder die Fixtureinrichtung wird vor Beginn des Gaseinlasses mit definierter Kraft von oben auf die Werkstücke gedrückt. Mit Hilfe der Fixtureinrichtung wird die Ebenheit der Werkstücke nach dem Abkühlen deutlich verbessert und somit der Verzug der Werkstücke deutlich gemindert.
Außerdem kann die Abkühlkammer mit einer Strömungsleitapparatur zum verzugsarmen Abkühlen der Werkstücke ausgestattet sein. Diese Leitapparatur ist dabei in der Abkühlkammer oberhalb der abzukühlenden Werkstücke angeordnet und derart ausgestaltet, dass die Bauteile mit einer hohen lokalen Gasgeschwindigkeit angeströmt werden und zudem die Abkühlung sehr gleichmäßig erfolgt. Um eine möglichst gleichmäßige Abkühlung zu bewirken, werden dabei Bauteilsegmente mit großer Wandstärke mit hoher Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt und Bauteilsegmente mit kleiner Wandstärke mit kleiner Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt. Weiterhin ist es möglich die Leitapparatur ”dreidimensional” zu gestalten, so dass die Werkstücke sowohl von oben als auch seitlich gezielt mit Kühlgas beaufschlagt werden. Dazu müssen vor Beginn des Gaseinlasses entweder die Werkstücke von unten in die Leitapparatur hineingehoben werden oder die Leitapparatur von oben auf die Werkstücke hinabgelassen werden.
Mit Hilfe der Strömungsleitapparatur wird die Abkühlgeschwindigkeit der Werkstücke deutlich erhöht. Dies ermöglicht die Härtung von Werkstücken aus weniger gut legierten Werkstoffen. Zudem werden die Gasverbrauchskosten gesenkt, da mit kleineren Gasdrücken abgeschreckt werden kann. Im Weiteren wird der Verzug der Werkstücke deutlich gemindert, da die Abkühlung gleichmäßiger erfolgt und somit weniger Spannungen im Werkstück erzeugt werden.
Nur aufgrund der erfindungsgemäß einlagigen Wärmebehandlung (2D-Chargierung) ist es möglich die Fixtureinrichtung und/oder die Strömungsleitapparatur einzusetzen. Beim Stand der Technik mit mehrlagiger 3D-Chargierung ist es nicht möglich, diese Optionen einzusetzen.
Messverfahren für Temperatur und Kohlenstoffgehalt
Verfahren zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken sind dem Fachmann geläufig. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die Temperatur der Werkstückoberfläche mittels Thermolementen, Pyrometer und Wärmebildkamera gemessen. Jedes der Thermoelemente wurden mittels Draht an den Werkstücken derart befestigt, dass die gesamte Sensorfläche des Thermoelements mit der Werkstückoberfläche in Kontakt steht. Um einen guten Kontakt zwischen Sensor und Werkstück zu ermöglichen, wird dazu eine kleine Nut in die Bauteiloberfläche eingebracht. Das Thermoelement sowie der Befestigungsdraht haben eine im Vergleich zum Werkstück vernachlässigbare Wärmekapazität.
Die Temperatur im Kern der Werkstücke wurde ebenfalls mittels Thermolementen gemessen. Hierzu wurde an der zu messenden Stelle des Werkstücks ein Sackloch mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,5 mm gebohrt und das Thermolement in das Sackloch eingeführt. Anhand der Temperatur im Kern der Werkstücke wird die spezifische Kühlrate in Einheiten von [kJ·kg^–1·s^–1] ermittelt. Hierzu wird das Produkt aus der gemessenen Temperatur T und der spezifischen Wärmekapazität C (Einheit kJ·kg^–1·s^–1) des Werkstücks im Bereich von 800 bis 500°C integriert, gemäß der Beziehung Q = ∫C(T)dT, und durch die zur Kühlung benötigte Zeit dividiert. Im Fall von Stahl beträgt die spezifische Wärmekapazität bei einer Temperatur von 800°C etwa 0,8 kJ·kg^–1·s^–1 und steigt in einem schmalen Temperaturbereich um 735°C auf ein Mehrfaches dieses Wertes.
Die Aufzeichnung der Signale der Thermolemente erfolgte mittels einer mobilen wärmegedämmten elektronischen Messwerterfassung (”Furnace-Tracker”), die zusammen mit den Werkstücken in die Härtungsvorrichtung, d. h. sowohl in die Abkühlkammer wie auch in die Aufkohlkammern eingebracht wurde.
Mittels der Thermolemente wurde zum Einen der Temperaturverlauf während der Aufheizung der Werkstücke in den Aufkohlkammern und während der Abkühlung in der Abkühlkammer bestimmt.
Zur Bestimmung des Randkohlenstoffgehalts wurde die Werkstückoberfläche unter einem flachen Winkel von 10° bis zu einer Tiefe von etwa 1000 μm abgeschliffen und die Schlifffläche nach sorgfältiger Reinigung mittels optischer Spektralanalyse, Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), sowie Elektronenstrahl-Mikroanalyse (Electron Probe Micro Analysis, EPMA) mit einer lateralen Auflösung von weniger als 10 μm, d. h. einer Tiefenauflösung von kleiner 3,5 μm (= 10 μm × sin(10°)) vermessen. Die mittels SIMS erzielte chemische Nachweisgrenze für Kohlenstoff liegt im Bereich von weniger als 1 ppm.
Beispiele
Beispiel 1:
Aus Sonnenrädern aus dem Werkstoff 20MoCr4 mit Außendurchmesser 54 mm, Innendurchmesser 30 mm und Höhe 35 mm wurden eine erfindungsgemäße 2D-Charge mit einer Lage aus 5 Reihen à 8 Stücken, d. h. 40 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 12,5 kg und eine 3D-Charge mit 8 Lagen mit jeweils 5 Reihen à 8 Stücken, d. h. 320 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 100 kg zusammengestellt. Als Chargiergestell für eine Lage wurden sowohl für die 2D-Charge wie für die 3D-Charge baugleiche Maschengitter aus CFC der Abmessung 450 mm × 600 mm eingesetzt.
Für das Ergebnis der Härtungsprozesse wurden folgende Zielwerte vorgegeben:

– Aufkohlungstiefe 0,3 bis 0,5 mm bei einer Grenzhärte von 610 HV;
– Oberflächenhärte von 670 HV an der Stirnfläche; und
– Kernhärte von größer 280 HV10 in der Mitte des Zahnes im Fußkreis.

7 zeigt einen Vergleich des Temperaturverlaufs von Werkstücken, die erfindungsgemäß (2D-Charge, einlagig) und konventionell (3D-Charge, mehrlagig) gehärtet wurden. Die Messung der Temperatur erfolgt in beiden Fällen mittels mehrerer Thermoelemente die an Werkstücken angebracht wurden, die in der Mitte und am Rand der jeweiligen Charge positioniert wurden. Die Messdaten der Thermoelemente wurden mittels eines Furnace-Trackers aufgzeichnet. Bei der erfindungsgemäßen 2D-Charge steigt die Temperatur rasch an, wobei zwischen einem mittig und einem randseitig in der Charge positionierten Werkstück kein Unterschied im Temperaturverlauf erkennbar ist. Demgegenüber unterscheidet sich bei der 3D-Charge der Temperaturverlauf eines in der Chargenmitte und eines am Chargenrand positionierten Werkstücks in erheblichem Maße. Außerdem steigt die Temperatur der Werkstücke in der 2D-Charge schneller an als die der randseitigen Werkstücke der 3D-Charge. Dieser Unterschied ist eine Folge der Strahlungsenergie, die in der 3D-Charge außenliegende Werkstücke an innen liegende Werkstücke abgeben bzw. verlieren. Um alle Werkstücke in der 3D-Charge, insbesondere die innenliegenden Werkstücke auf eine Temperatur von 1050°C aufzuheizen, wird ein Zeit von etwa 130 min benötigt. Demgegenüber erfolgt die Aufheizung bei der 2D-Charge in etwa 15 min.
In 8 ist der Verlauf der Härte als Funktion des Abstandes von der Oberfläche der Werkstücke wiedergegeben. Anhand der Messkurven ist die sogenannte ”Case Hardening Depth” (CHD) ersichtlich. Die Bestimmung der CHD erfolgt gemäß DIN ISO 2639 (2002). Hierzu wird das zu prüfende Bauteil unter Vermeidung von Wärmeentwicklung senkrecht zur Oberfläche getrennt. In zunehmendem Abstand von der Oberfläche wird dann – im Regelfall mit einer Prüflast von 9,8 N – die Vickershärte HV1 gemessen. Der Abstand von der Oberfläche bis zu dem Punkt an dem die Härte der Grenzhärte (Hs, in diesem Fall 610 HV1) entspricht, wird als CHD bezeichnet.
Aus 8 ist zu entnehmen dass die Streuung der CHD-Werte in der 2D-Charge mit etwa 0,06 mm wesentlich geringer ist als die der 3D-Charge mit etwa 0,12 mm.
9 zeigt eine Gegenüberstellung der Messwerte für die Kernhärte. Zur Bestimmung der Kernhärte wird ein gehärtetes Werkstück (vorliegend die oben beschriebenen Sonnenräder) senkrecht zu seiner Symmetrieachse unter Vermeidung von Wärmenetwicklung getrennt. Die Trennfläche wird geschliffen und poliert. Dann wird im Zahnfußkern (= Mitte zwischen Zahnfußrundungen) die Härte nach Vickers [HV10] bestimmt. Diese Messung wird gemäß DIN EN ISO 6507-1 (Metallische Werkstoffe – Härteprüfung nach Vickers – Teil 1: Prüfverfahren ISO 6507-1: 2005; Deutsche Fassung EN ISO 6507-1: 2005) vorgenommen. Aus 9 ist ersichtlich, dass die Streuung der Kernhärte in der 2D-Charge wesentlich geringer ist als in der 3D-Charge.
10 zeigt im Vergleich die Streuung des Randkohlenstoffgehalts der erfindungsgemäßen 2D-Charge und der konventionell aufgekohlten 3D-Charge. Der Randkohlenstoffgehalt wurde, wie vorstehend beschrieben, mittels Spektralanalyse, SIMS und EPMA an einem Oberflächenschliff ermittelt, indem das Kohlenstoffsignal über einen Tiefenbereich von 0 bis 100 μm integriert wurde.
Beispiel 2:
Aus Hohlrädern aus dem Werkstoff 28Cr4 mit Außendurchmesser 140 mm, Höhe 28 mm mit 98 Zähnen wurden eine erfindungsgemäße 2D-Charge mit einer Lage mit 8 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 6,5 kg und eine 3D-Charge mit 10 Lagen mit 8 Stücken, d. h. 80 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 65 kg zusammengestellt. Als Chargiergestell für eine Lage wurden sowohl für die 2D-Charge wie für die 3D-Charge baugleiche Maschengitter aus CFC der Abmessung 450 mm × 600 mm eingesetzt.
In 11 sind die Messergebnisse für den thermischen Verzug bzw. die Änderung der Ovalität von 8 Hohlrädern aus der 2D-Charge und von 8 Hohlrädern aus der 3D-Charge wiedergegeben. Die Positionen der 8 Hohlräder der 2D-Charge und der 8 Hohlräder der 3D-Charge waren hierbei gleichmäßig über die Fläche bzw. das Volumen der 2D- und 3D-Charge verteilt. Die Ovalität wurde am Außenumfang der Sonnenräder vor und nach Aufkohlung mittels eines 3D-Koordinatenmessystems gemessen und die Differenz der Ovalitätswerte vor und nach Aufkohlung gebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10322255 A1 [0005]
DE 10359554 B4 [0006]
DE 102006048434 A1 [0007]
DE 102007038991 A1 [0008]
DE 102007047074 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM 5130 [0003]
ASTM 5130 [0010]
DIN ISO 2639 [0068]
DIN EN ISO 6507-1 [0070]
ISO 6507-1 [0070]
EN ISO 6507-1 [0070]

Claims

Verfahren zum Härten von Werkstücken (6) umfassend die Schritte: (a) Erwärmen der Werkstücke (6) auf eine Temperatur von 950 bis 1200°C, wobei 30 bis 100% der Oberfläche jedes Werkstücks (6) mit direkter Wärmestrahlung einer Heizvorrichtung (110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240) erwärmt wird; (b) Beaufschlagen der Werkstücke (6) mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C und einem Druck von unter 100 mbar; (c) Halten der Werkstücke (6) in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C; (d) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (b) und (c); und (e) Abkühlen der Werkstücke (6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) jedes der Werkstücke (6) mit Wärmestrahlung aus zwei oder mehreren Raumrichtungen erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) die oberflächennahe Zone jedes der Werkstücke (6) mit einer Rate von 35 bis 135°C·min^–1, bevorzugt 50 bis 110°C·min^–1, und insbesondere 50 bis 75°C·min^–1 erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) der Kern jedes der Werkstücke (6) mit einer Rate von 18 bis 120°C·min^–1 erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (e) die Werkstücke (6) in einem Temperaturbereich von 800 bis 500°C mit einer spezifischen Kühlrate von 2 bis 20 kJ·kg^–1·s^–1 abgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) die Werkstücke (6) mit Azetylen und/oder Ammoniak beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (e) die Werkstücke (6) mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff abgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (6) mittels Stickstoff bei einem Druck von 2 bis 20 bar, vorzugsweise 4 bis 8 bar und insbesondere 5 bis 7 bar abgekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (e) die Oberfläche der Werkstücke (6) von einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1200°C innerhalb von 40 bis 100 s auf eine Temperatur von 300°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktzeit für die Durchführung der Schritte (a) bis (e) bezogen auf ein Werkstück (6) 20 bis 120 s, vorzugsweise 20 bis 60 s, und insbesondere 20 bis 40 s beträgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Schritte: (i) einlagiges Anordnen der Werkstücke (6) in/auf einem Gestell (5); (ii) Einbringen des Gestells (5) mit den Werkstücken (6) in eine Abkühlkammer (190, 290), Evakuieren auf einen Druck von unter 100 mbar; (iii) Transfer des Gestells (5) in eine Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240), wobei das Gestell vor dem Einbringen in die Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240) gegebenenfalls in einer Parkaufnahme zwischengelagert wird; (iv) Erwärmen der Werkstücke (6) auf eine Temperatur von 950 bis 1200°C mittels Wärmestrahlung, wobei 30 bis 100% der Oberfläche jedes Werkstücks (6) mit direkter Wärmestrahlung der Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240) erwärmt wird; (v) Beaufschlagen der Werkstücke (6) mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C und einem Druck von unter 100 mbar; vi) Halten der Werkstücke (6) in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200°C; (vii) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (iv) und (v); (viii) Transfer des Gestells (5) mit den Werkstücken (6) in die Abkühlkammer (190, 290); (ix) Abkühlen der Werkstücke (6) mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff; und (x) Entnahme des Gestells (5) mit den Werkstücken (6) aus der Abkühlkammer (190, 290).
Vorrichtung (100) zum Härten von Werkstücken (6) gemäß einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, umfassend zwei oder mehrere Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140), mindestens eine Abkühlkammer (190, 195) und ein Transfersystem (160, 153, 154) zum Handhaben von Gestellen (5) für die Werkstücke (6), wobei die Abkühlkammer (190, 195) mit jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) über einen oder mehrere Vakuumschieber (111, 121, 131, 141, 192, 197) verbindbar ist, jede Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140) eine Aufnahme für ein Gestell (5) und mindestens zwei Heizelemente (21, 22) aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung die Oberfläche jedes der Werkstücke (6) unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5π bis 2π bestrahlt.
Vorrichtung (200) zum Härten von Werkstücken (6) gemäß einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, umfassend zwei oder mehrere Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240), mindestens eine Abkühlkammer (290), eine zwischen den Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) und der Abkühlkammer (290) angeordnete Schleusenkammer (280) und ein Transfersystem (260, 253) zum Handhaben von Gestellen (5) für die Werkstücke (6), wobei die Abkühlkammer (290) über einen Vakuumschieber (292) mit der Schleusenkammer (280) verbindbar ist, jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) über thermische Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) mit der Schleusenkammer (280) verbindbar ist und jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) eine Aufnahme für ein Gestell (5) und mindestens zwei Heizelemente (21, 22) aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung die Oberfläche jedes der Werkstücke (6) unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5π bis 2π bestrahlt.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) als Vakuumschieber ausgestaltet sind.
Vorrichtung (100, 200) nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlkammer (190, 195, 290) zwei Vakuumschieber (191, 192, 197; 291, 292) zum Einbringen und Entnehmen von Werkstücken (6) umfasst.
Vorrichtung (100, 200) nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (21, 22) als Flächenstrahler ausgebildet sind.
Vorrichtung (100, 200) nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (21, 22) aus Grafit oder Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen.
Vorrichtung (100, 200) nach den Ansprüchen 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestelle (5) als gitterartige Paletten ausgebildet sind.
Vorrichtung (100, 200) nach den Ansprüchen 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestelle (5) aus Grafit oder Kohlenstofffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Transfersystem (260, 253) vertikal angeordnete Kettenantriebe mit oberen und unteren Umlenkungen (261, 263; 261', 263') und Ketten (262; 262') sowie eine horizontal verfahrbare Teleskopgabel (255, 256) zur Aufnahme von Paletten (5) umfasst, wobei die Teleskopgabel (255, 256) über ein Getriebe (251) mit einer der Ketten (262) gekoppelt ist.
Werkstück (6) aus einem metallischen Werkstoff, das gemäß einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10 gehärtet worden ist.
Werkstück (6) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung des Tiefenhärteprofils kleiner 0,1 mm, vorzugsweise kleiner 0,08 mm, und insbesondere kleiner 0,06 mm ist.
Werkstück (6) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung des Randkohlenstoffgehalts kleiner 0,05 Gew.-%, vorzugsweise kleiner 0,03 Gew.-%, und insbesondere kleiner 0,02 Gew.-% ist.
Werkstück (6) nach den Ansprüchen 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung der Kernhärte kleiner 60 HV, vorzugsweise kleiner 40 HV ist.