DE102009041927A1

DE102009041927A1 - Verfahren zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke

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Publication number: DE102009041927A1
Application number: DE102009041927A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr. Gräfen; Karsten Seehafer; Friedrich Wilhelm Zur Weihen
Original assignee: HANOMAG HAERTECENTER GmbH; HANOMAG HAERTECT GmbH; Hanomag Hartecenter GmbH
Current assignee: HANOMAG HAERTECENTER GmbH; HANOMAG HAERTECT GmbH; Hanomag Hartecenter GmbH
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: US20110067784A1; AT508812A2; AT508812A3; DE102009041927B4; AT508812B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke in einem evakuierbaren Ofen, bei dem der Ofenatmosphäre als Aufkohlungsgas Acetylen zugeführt wird, wobei der Partialdruck des Acetylens pulsierend variiert wird und wobei der Partialdruck des Acetylens in der Ofenatmosphäre unter 10 mbar gehalten wird. Um ein Verfahren zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke anzugeben, das eine Verbesserung insbesondere mit Blick auf das Aufkohlungsergebnis bringt, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass als Ofen ein Topfofen verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke in einem evakuierbaren Ofen, bei dem der Ofenatmosphäre als Aufkohlungsgas Acetylen zugeführt wird, wobei der Partialdruck des Acetylens pulsierend variiert wird und wobei der Partialdruck des Acetylens in der Ofenatmosphäre unter 10 mbar gehalten wird.
Verfahren zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt.
So offenbart beispielsweise die EP-B-0 882 811 ein Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Vakuum-Ofen mit einer Ofenatmosphäre, die einen Kohlenstoffträger enthält, wobei die Prozessbedingungen in der Ofenatmosphäre derart eingestellt werden, dass der Kohlenstoffträger unter Abgabe von reinem Kohlenstoff bei Unterdruck gespalten wird. Als Kohlenstoffträger dient ein solcher, der ein Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis von 1:1 aufweist. Es handelt sich dabei bevorzugterweise um Acetylen. Im Zuge der Verfahrensdurchführung wird der Partialdruck des Kohlenstoffträgers pulsierend variiert, wobei der Partialdruck des Kohlenstoffträgers bei Druckpulsen bis auf 50 mbar angehoben und ansonsten unter 20 mbar gehalten wird.
Ein anderes Niederdruckaufkohlungsverfahren ist aus der EP-B-0 818 555 bekannt geworden. Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren kommt zum Zwecke der Aufkohlungsbehandlung bzw. der Einsatzhärtungsbehandlung als Aufkohlungsgas bzw. Einsatzhärtungsgas Acetylen zum Einsatz. Dieses wird in die Heizkammer des Behandlungsofens eingeleitet, wobei der Partialdruck des Acetylens im Zuge der Verfahrensdurchführung bei unter 10 mbar eingestellt wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Niederdruckaufkohlungsverfahren haben sich im alltäglichen Praxiseinsatz bewährt. So ist die Niederdruckaufkohlung gegenüber der herkömmlichen Gasaufkohlung insbesondere deshalb von Vorteil, weil eine oxidationsfreie Oberfläche erreicht werden kann. Darüber hinaus ergibt sich eine Verkürzung der Aufkohlungsdauer sowie eine weitgehende Vermeidung von Ruß.
Als Aufkohlungsgas, das heißt als Kohlenstoffträger finden Methan, Ethan, Propan und/oder Butan in bekannter Weise Verwendung. Derartige Kohlenstoffträger, die zu den gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen zählen, lassen in nachteiliger Weise insbesondere bei geometrisch komplizierteren Werkstücken und/oder dichter gepackten Werkstückchargen kein gleichmäßiges Aufkohlungsergebnis erzielen. So führt eine bei diesen Kohlenstoffträgern frühe Dissoziation des Kohlenstoffträgers schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen dazu, dass bei der Behandlung von dicht gepackten Werkstückchargen und/oder von Werkstücken mit schwer zugänglicher Oberfläche, wie zum Beispiel Sacklochbohrungen, der dissoziierte Kohlenstoff überwiegend außen an der Charge abgegeben wird, so dass die Aufkohlungswirkung in der Chargenmitte geringer ausfällt. Insbesondere bei Sacklochbohrungen kann dies dazu führen, dass der Kohlenstoff überwiegend an der Bohrungsöffnung in das Werkstück übergeht, das Innere der Bohrung hingegen aber kaum zu einer Aufkohlungswirkung kommt.
Um diesem Problem zu begegnen, ist insbesondere in den letzten Jahren verstärkt auf Acetylen als Aufkohlungsgas gesetzt worden. Aufgrund des Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnisses von 1:1 neigt das Acetylen zwar besonders zur Rußausbildung, doch es hat sich herausgestellt, dass diese Rußausbildung weitestgehend vermieden werden kann, wenn der Prozessdruck des Acetylens, das heißt der in der Ofenkammer herrschende Partialdruck des Acetylens auf einen Wert unter 10 mbar eingestellt wird. Der Vorteil des Acetylens ist insbesondere darin zu sehen, dass eine hohe Kohlenstoff-Massenstromdichte bzw. eine hohe Kohlenstoff-Übertragungsrate erzielt werden kann, was zu gleichmäßigeren Aufkohlungsergebnissen auch bei schwer zugänglichen Geometrieen führt.
Eine weitere Verbesserung des Aufkohlungsergebnisses lässt sich im Übrigen dadurch erreichen, dass der Partialdruck des Acetylens nicht konstant gehalten wird. Es erfolgt bevorzugterweise vielmehr eine Pulsierung, dergemäß der Partialdruck zyklisch variiert wird.
Obgleich sich Niederdruckaufkohlungsverfahren im alltäglichen Praxiseinsatz auch unter Verwendung von Acetylen als Prozessgas bewährt haben, besteht Verbesserungsbedarf. Es wird insbesondere ein noch weiter verbessertes Aufkohlungsergebnis angestrebt.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke anzugeben, das gegenüber aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren eine Verbesserung insbesondere mit Blick auf das Aufkohlungsergebnis bringt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren der gattungsgemäßen Art vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass als Ofen ein Topfofen verwendet wird.
Nach dem Stand der Technik werden Kammeröfen verwendet. So gehen auch die EP-B-0 882 811 und die EP-B-0 818 555 von einem Niederdruckaufkohlungsverfahren aus, demgemäß als Ofen ein Kammerofen verwendet wird.
Bei einem „Kammerofen” handelt es sich um einen Ofen, der horizontal ausgerichtet ist. Die Bestückung des Ofens findet demzufolge auch in Ausrichtung zur Horizontalen statt. Ein typischer Kammerofen einschließlich Beschickungsmodul ist beispielsweise aus der EP-B-1 229 137 bekannt geworden.
Im Unterschied zu Kammeröfen sind Topföfen vertikal ausgerichtet. Eine Beladung bzw. Entladung findet demzufolge im Unterschied zu Kammeröfen auch in vertikaler Richtung statt. Topföfen sind aus dem Stand der Technik schon lange bekannt, so zum Beispiel aus der DE-A-1 046 082 oder der DE-A-1 104 088 .
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Kombination von Niederdruckaufkohlungsverfahren einerseits und Topfofen andererseits begründet. Es galt in der Fachwelt bislang das Vorurteil, dass es nicht möglich sei, ein Niederdruckaufkohlungsverfahren in einem Topfofen durchzuführen. Dieser Vorbehalt bestand insbesondere deshalb, weil von einer nur unzureichenden Prozessführung innerhalb des vertikal ausgerichteten Topfofens ausgegangen worden ist. Tatsächlich führt aber das erfindungsgemäße Verfahren zu verbesserten Aufkohlungsergebnissen, was in dieser Art nicht zu erwarten gewesen war.
Ein Vorurteil, das mit der erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung überwunden wird, ergibt sich aus der Prozessführung. Im Unterschied zu herkömmlichen Gasaufkohlungsverfahren stehen für Niederdruckaufkohlungsverfahren keine in-situ-Vorrichtungen zur in-situ-Verfahrensüberwachung zur Verfügung. Aus diesem Grunde sind Niederdruckaufkohlungsverfahren bislang nur zur Erzielung von vergleichsweise geringen Einsatzhärtungstiefen von zum Beispiel 1 mm eingesetzt worden. Größere Einsatzhärtungstiefen sollten zwar auch mit einem Niederdruckaufkohlungsverfahren zu erreichen sein, doch die Fachwelt hat von der Anwendung entsprechender Niederdruckaufkohlungsverfahren zur Erzielung größerer Einsatzhärtungstiefen bislang mangels zur Verfügung stehender in-situ-Verfahrensüberwachung abgesehen. Die Verwendung eines Topfofens schafft hier in überraschender Weise Abhilfe, da ein Topfofen im Unterschied zu einem Kammerofen den Einsatz von Aufkohlungsproben in Form von zum Beispiel Schaulochproben ermöglicht, die im Zuge einer Verfahrensdurchführung mitgefahren werden und eine in-situ-gleiche Verfahrensüberwachung ermöglichen. Die Verwendung eines Topfofens zur Durchführung eines Niederdruckaufkohlungsverfahrens erbringt insofern den Vorteil, als dass auch höhere Einsatzhärtungstiefen erreicht werden können, und zwar bei gleichzeitiger Verfahrensüberprüfung während der Verfahrensdurchführung. Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung erlaubt deshalb eine sichere, reproduzierbare und im Zuge der Verfahrensdurchführung regelmäßig kontrollierbare Erstellung von aufgekohlten bzw. einsatzgehärteten Werkstücken, und zwar insbesondere auch bei großen Einsatzhärtungstiefen.
Gegen den Einsatz eines Topfofens zur Durchführung eines Niederdruckaufkohlungsverfahrens hat bislang auch der der Wärmebehandlung nachfolgende Schritt der Abschreckung gesprochen. Die Bemühungen in der Fachwelt gehen dahin, dass Niederdruckaufkohlungsverfahren mit der Gasabschreckung, bevorzugterweise mit der Hochdruckgasabschreckung zu kombinieren, und zwar zur Vermeidung eines Reinigungsschrittes, der erforderlich ist, wenn anstelle der Gasabschreckung auf eine Ölabschreckung zurückgegriffen wird. Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung kann in besonderer Weise auch dafür eingesetzt werden, großvolumige Bauteile zu behandeln. Derartige Bauteile machen allerdings zum Zwecke der Abschreckung eine Abschreckung in einem flüssigen Medium, wie zum Beispiel Wasser, Polymer und/oder Öl erforderlich, da eine Gasabschreckung bei großvolumigen Bauteilen nicht zu den gewünschten Abschreckergebnissen führt. Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung macht deshalb insbesondere bei der Wärmebehandlung von großvolumigen Bauteilen die Abschreckung mittels eines flüssigen Mediums erforderlich. Die Kombination von Niederdruckaufkohlungsverfahren einerseits und insbesondere Ölabschreckung andererseits galt es bislang zu vermeiden. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung wird auf diese bislang als nachteilig empfundene Problematik bewusst eingegangen, weil die mit der erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung hinsichtlich des Aufkohlungsergebnisses erzielten Vorteile überwiegen. Auch insofern wird ein im Stand der Technik bislang bestehendes Vorurteil überwunden.
Versuche haben gezeigt, dass in einem Topfofen eine sehr viel bessere Temperaturverteilung als in einem Kammerofen erreicht werden kann. So können Temperaturgradienten innerhalb der Ofenatmosphäre von +/–5°C, vorzugsweise von +/–3°C eingestellt werden. Kammeröfen erlauben einen derartig niedrigen Temperaturgradienten nicht. Im Ergebnis der verbesserten Temperaturverteilung ergibt sich eine Verbesserung des Aufkohlungsergebnisses. Der Grund für die bessere Temperaturverteilung innerhalb eines Topfofens ist durch dessen Geometrie bzw. durch dessen vertikale Ausrichtung begründet. So ergibt sich bei einem Topfofen aufgrund seiner geometrischen Ausgestaltung bzw. Ausrichtung, dass nach einer ordnungsgemäßen Beschickung desselben mit einer zu behandelnden Werkstückcharge der Abstand zwischen der Werkstückcharge und der Ofenkammerwand über den Querschnitt gleichmäßig ausgestaltet ist, das heißt zwischen der Werkstückcharge und der Innenoberfläche der Kammerwandung ein Ringraum entsteht, was eine gleichmäßige Temperaturverteilung begünstigt. Bei einem horizontal ausgerichteten Kammerofen ergibt sich ein solches Abstandsprofil in Form eines Ringraumes nicht. Aufgrund seiner Konstruktion ist es bei einem Kammerofen vielmehr so, dass mit Blick auf die Charge bei geöffneter Ofenkammer die obere Randkante der Charge ebenso wie die untere Randkante der Charge einen größeren Abstand zur inneren Kammeroberfläche aufweisen, als dies mit Bezug auf die seitlichen Randkanten der Fall ist. Dabei ist der größere Abstand zwischen oberer Randkante der Charge und unterer Randkante der Charge zur Kammerinnenwand deshalb erforderlich, um die Charge mit Hebe- und Transportwerkzeugen zwecks Be- und Entladung ergreifen zu können. Im Ergebnis dieser unterschiedlichen Abstände zwischen der inneren Kammeroberfläche und der Charge stellen sich bei einem Kammerofen schlechtere Temperaturverteilungen als bei einem Topfofen ein. Diese bislang bestehende Problematik bei der Verwendung von Kammeröfen zur Durchführung eines Niederdruckaufkohlungsverfahrens wird mit der erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung überwunden.
Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung ist nach der Erfindung gemäß einem weiteren Merkmal im Übrigen vorgesehen, eine Regelungseinrichtung zu verwenden, die mit einer Messeinrichtung die Temperatur im Ofen misst und ein der gemessenen Temperatur entsprechendes Signal abgibt, die mit einer Vergleichsschaltung das von der Messeinrichtung gelieferte Signal mit einem vorgebbaren Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses eine Nachführung der Temperatur veranlasst, so dass der Temperaturgradient innerhalb der Ofenatmosphäre auf +/–5°C, vorzugsweise +/–3°C eingestellt wird. Diese automatische Temperaturnachführung ermöglicht die Einhaltung eines exakten Temperaturverlaufes über die gesamte Dauer des Verfahrens, wobei im Unterschied zum Stand der Technik ein niedriger Temperaturgradient innerhalb der Ofenatmosphäre sichergestellt ist.
Ein weiterer Nachteil der nach dem Stand der Technik zur Verfahrensdurchführung verwendeten Kammeröfen besteht in ihrer Größe. Aufgrund ihrer Bauart können Kammeröfen betriebswirtschaftlich nur bis zu einer bestimmten Größe betrieben werden. Kammeröfen stoßen insofern bei großen Bauteilen an eine Machbarkeitsgrenze. Diesen Nachteil weisen Topföfen nicht auf. Sie können aufgrund ihrer Bauform und Ausrichtung eine sehr viel größere Aufnahmekapazität als vorbekannte Kammeröfen bereitstellen. Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung erlaubt deshalb auch die Behandlung von vergleichsweise großen Werkstücken, wie zum Beispiel die Behandlung von Zahnrädern von Getriebeanordnungen von Windkraftanlagen. Eine Niederdruckaufkohlung solcher Werkstücke war bislang nicht möglich, so dass die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung hier insofern Abhilfe schafft.
Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung ist noch aus einem weiteren Grund von Vorteil. So ermöglicht die Verwendung eines Topfofens den Einsatz von Proben, die während des normalen Betriebs des Topfofens der Ofenatmosphäre ausgesetzt werden. Derartige Proben durchlaufen das erfindungsgemäße Verfahren und können während des regulären Betriebs dem Topfofen zwecks Prüfung entnommen werden. Die Ergebnisse einer solchen Überprüfung können dann zielgerichtet dazu genutzt werden, auf den laufenden Zyklus, das heißt das derzeit durchgeführte Verfahren Einfluss zu nehmen. Es ergibt sich so der Vorteil, auf die Verfahrensdurchführung gezielt während der Verfahrensdurchführung Einfluss zu nehmen, und zwar mit der Zielsetzung eines optimierten Aufkohlungsergebnisses. Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung zeichnet sich insofern dadurch aus, dass eine in-situ-Überwachung erfolgt. Eine solche in-situ-Überwachung ist bei Niederdruckaufkohlungsverfahren bislang nicht möglich gewesen. Der synergetische Effekt nach der erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung schafft hier Abhilfe, und zwar mit dem positiven Effekt, dass es erstmals möglich wird, auf die Verfahrensdurchführung aufgrund von während der Verfahrensdurchführung erhaltenen Mess- und/oder Prüfwerte gezielt Einfluss nehmen zu können und insofern eine Prozesssteuerung vorzunehmen. Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung ermöglicht insofern erstmals, verhältnismäßig große Bauteile behandeln zu können, und zwar auch zur Erzielung großer Einsatzhärtungstiefen bei gleichzeitiger Möglichkeit der Prozesssteuerung.
Bei Kammeröfen ist das Mitführen von Proben, die während des Zyklusses entnommen werden, keine gängige Praxis. Dies liegt zum einen daran, dass Kammeröfen hinsichtlich ihres Platzangebotes aufgrund ihrer Bauweise beschränkt sind. Für mitzuführende Proben steht insofern kein Raum zur Verfügung, insbesondere nicht für bauteilnahe Proben in Form von zum Beispiel Schaulochproben. Bei Kammeröfen kommen deshalb Folienproben zum Einsatz, die aber im Unterschied zu bauteilnahen Proben eine vergleichsweise hohe Streubreite hinsichtlich des Prüfergebnisses aufweisen, da sie lediglich der Nachprüfung des voreingestellten C-Pegels (Atmosphärenüberwachung) und nicht der Kohlenstoffübertragung ins Werkstück dienen. Zum anderen geht bei Kammeröfen die Bestrebung dahin, möglichst wenige Durchbrechungen der Ofenkammerwand vorzusehen, um die ohnehin nur vergleichsweise schlechte Temperaturverteilung nicht noch zusätzlich negativ zu beeinflussen. Es bestehen insofern grundlegende Vorbehalte, Proben während des regulären Zyklus, das heißt im Zuge einer bestimmungsgemäßen Verfahrensdurchführung zu entnehmen. Auch hier schafft die Topfofenkonstruktion Abhilfe, so dass in vorteilhafter Weise eine Verfahrensdurchführung ermöglicht ist, die den Einsatz bauteilnaher Proben gestattet. In der Konsequenz kann die Verfahrensdurchführung sehr viel besser nachgehalten und insbesondere überprüft werden, was es gestattet, im Zuge der Verfahrensdurchführung Verfahrensparameter nacheinzustellen, was gegebenenfalls auch automatisiert durch entsprechende Regelungseinrichtungen erfolgen kann.
Es erfolgt nach der Erfindung bevorzugterweise eine Verfahrensdurchführung, wonach wenigstens drei Proben mitgeführt werden. Die gesamte Verfahrensdurchführung kann beispielsweise 35 Stunden betragen. In diesem Fall wird beispielsweise eine erste Probe nach ca. 10 Stunden entnommen und geprüft. In Abhängigkeit des Prüfergebnisses können Nacheinstellungen einzelner Verfahrensparameter, wie zum Beispiel Verfahrensdauer und/oder Verfahrenstemperatur durchgeführt werden. Eine zweite Probe kann entnommen werden, wenn ca. 98% der Eht (Einsatzhärtungstiefe) erreicht sind. In Abhängigkeit des Prüfergebnisses können gegebenenfalls weitere Verfahrensnachführungen vorgenommen werden. Eine dritte und letzte Probe wird bevorzugterweise kurz vor der Entnahme der Werkstücke aus dem Ofen entnommen, das heißt kurz vor einer Abschreckung der Werkstücke. Die Entnahme einer letzten Probe zu einem solch späten Verfahrenszeitpunkt hat den Vorteil, insbesondere hinsichtlich der Verfahrensdauer noch nachkorrigieren zu können, bevor es zur Abschreckung der fertigbehandelten Werkstücke kommt.
Diese Verfahrensdurchführung erlaubt in vorteilhafter Weise, frühzeitig in den Verfahrenszyklus eingreifen zu können, so dass Fehlentwicklungen vorgebeugt werden kann, was in dieser Form bei einer Verfahrensdurchführung unter Verwendung eines Kammerofens nicht möglich ist.
Es ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, die Aufkohlungstemperatur auf 350°C bis 1.050°C, vorzugsweise auf 800°C bis 1.050°C, mehr bevorzugt auf 950°C bis 1.050°C einzustellen. Eine beschleunigte Verfahrensdurchführung kann so in vorteilhafter Weise erreicht werden. Bei schweren Bauteilen ist es allerdings bevorzugt, eine Aufkohlungstemperatur von unter 950°C vorzusehen, um einem etwaigen Verzug vorzubeugen.
Die Durchflussrate des als Kohlenstoffträgers eingesetzten Acetylens wird bevorzugterweise auf 150 l/m²h bis 500 l/m²h eingestellt. Die Durchflussrate kann in Abhängigkeit von Druckpulsen und/oder deren Dauer variieren. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Durchflussrate während eines Pulses nicht konstant gehalten wird. Gemäß einer solchen Verfahrensdurchführung wird zu Beginn eines Druckpulses mit einer bestimmten Durchflussrate begonnen. Im Zuge der Pulsdauer nimmt diese Durchflussrate dann ab. In Ergänzung und/oder alternativ hierzu kann bei der Verwendung mehrerer Druckpulse auch vorgesehen sein, spätere Druckpulse mit einer reduzierten Durchflussrate im Vergleich zu vorangegangenen Druckpulsen zu betreiben. So kann beispielsweise vorgesehen sein, einen ersten Druckpuls mit einer anfänglichen Durchflussrate von 400 l/m²h zu starten. Im weiteren Verfahrensgang wird dann die Durchflussrate bis zum Ende des Pulses auf 300 l/m²h reduziert. Zu Beginn eines zweiten Druckpulses wird die Durchflussrate wieder angehoben, allerdings auf einen geringeren Wert als zu Beginn des ersten Druckpulses, beispielsweise auf einen Wert von 390 l/m²h. Im Zuge dieses zweiten Druckpulses wird dann die Durchflussrate gleichfalls abgesenkt, beispielsweise auf einen zum ersten Druckpuls identischen Endwert. Durch diese Druckpulsvariation, sei es zu Beginn der jeweiligen Druckpulse und/oder über die Dauer eines jeweiligen Druckpulses kann das Aufkohlungsergebnis in vorteilhafter Weise beeinflusst werden. Es ist insbesondere möglich, Einfluss auf die Verfahrensdurchführung insofern zu nehmen, als dass eine ungewünschte Rußausbildung ebenso vermieden wird wie die Entstehung ungewünschter Carbide an der Werkstück-, das heißt Chargenoberfläche. Ein optimiertes Aufkohlungsergebnis ist insofern die vorteilhafte Folge.
Die vorbeschriebene Verfahrensdurchführung hinsichtlich Durchflussrate und Druckpulsen bzw. Pulsdauer wirkt sich insbesondere mit Blick auf die erfindungsgemäße Verwendung eines Topfofens vorteilhaft aus. So hat sich nämlich gezeigt, dass die Werkstückanordnung innerhalb des Topfofens aufgrund der vertikalen Ausrichtung des Ofens dazu führt, dass die Oberfläche der zu behandelnden Werkstückcharge strömungsgünstiger als bei Kammeröfen von der gegebenenfalls umgewälzten Ofenatmosphäre erfasst wird. In Kombination mit der Variation der Durchflussrate und/oder der Druckpulse bzw. der Pulsdauer ergibt sich so eine synergetischer Effekt, der zu einem verbesserten Aufkohlungsergebnis führt.
Die Pulsdauer im Zuge der Verfahrensdurchführung kann mit zwei bis sechs Minuten eingestellt werden. Die Pulsdauer wird bevorzugterweise in Abhängigkeit der Chargengröße und/oder -geometrie ausgelegt. In jedem Fall ist die Pulsdauer so zu bestimmen, dass eine Rußbildung und/oder Carbidausbildungen vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung nutzt in synergetischer Weise die Vorteile des Niederdruckaufkohlungsverfahrens einerseits sowie die Vorteile der Verwendung eines Topfofens andererseits. Im Ergebnis wird so eine Verfahrensdurchführung erreicht, die derjenigen in einem Kammerofen überlegen ist. Es lassen sich insbesondere bessere Aufkohlungsergebnisse bei großvolumigen Werkstücken erreichen. Dabei bestand das Vorurteil in der Fachwelt, ein Niederdruckaufkohlungsverfahren in einem vertikal ausgerichteten Topfofen nicht in zufriedenstellender Weise durchführen zu können. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung wird dieses Vorurteil widerlegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Fign. Dabei zeigen:
1 in schematischer Schnittdarstellung einen Topfofen, der als Ofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Niederdruckaufkohlungsverfahrens dient und
2 in einer teilgeschnittenen Seitenansicht einen Topfofen gemäß einer möglichen Ausführungsform.
Der nur schematisch in 1 dargestellte Topfofen 1 stellt eine gegebenenfalls isoliert ausgebildete Kammerwandung 2 bereit. Innenseitig trägt die Kammerwandung 2 eine Aufnahmeeinrichtung 3, die ihrerseits der Anordnung einer Heizeinrichtung 4 dient.
Die Kammerwandung 2 ist bis auf die Beschickungsöffnung geschlossen ausgebildet und stellt einen als Ofenkammer oder Ofenraum 23 dienenden Volumenraum bereit. Dieser ist beschickungsseitig mittels eines Deckels 5 vakuumdicht verschließbar ausgebildet. In der Ofenkammer sind bodenseitig im gezeigten Ausführungsbeispiel Standfüße 8 ausgebildet.
Diese Standfüße 8 dienen im Zuge einer bestimmungsgemäßen Verfahrensdurchführung der Aufnahme eines Chargengestells 6, das die zu behandelnden Werkstücke in Form einer Charge 7 aufnimmt. Das Chargengestell 6 kann über Leitbleche 9 verfügen, die für eine gezielte Umlenkung der bevorzugterweise umgewälzten Ofenatmosphäre sorgen, beispielsweise durch die Spalten der auf Abstand zueinander angeordneten Werkstücke der Charge, was durch die Pfeile 16 symbolisiert ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Topfofen 1 mit einem Ventilator 19 ausgerüstet, der bodenseitig angeordnet ist. Über eine Welle 18 und einen außenliegenden Motor 17 wird das Ventilatorrad 19 angetrieben, wodurch es zu einer Umwälzung der Ofenatmosphäre kommt. Anstelle eines Ventilators kann auch vorgesehen sein, im Bereich der Gaszuströmöffnungen Düsenanordnungen vorzusehen, mittels welcher eine vergleichmäßigte Ofenatmosphäre geschaffen werden kann.
Wie die Zeichnung nach 1 erkennen lässt, verfügt der Deckel 5 des Topfofens über Durchbrüche 10, 12 und 14. Im gezeigten Ausführungsbeispiel dient der Durchbruch 12 der Durchführung, das heißt der Einführung von Prozessgas in die Ofenkammer, was durch den Pfeil 13 symbolisiert ist. Als Prozessgas, das heißt als Kohlenstoffträger findet Acetylen Verwendung.
Die Öffnung 10 dient der Ofenatmosphärenabführung, zu welchem Zweck die Öffnung 10 an eine Vakuumeinrichtung angeschlossen sein kann. Dies ist durch den Pfeil 11 symbolisiert.
Eine weitere Öffnung 14 ist für eine Probenentnahme vorgesehen. Dies wird durch den Pfeil 15 symbolisch dargestellt.
Der Topfofen nach 1 dient der Verwendung zur Durchführung eines Niederdruckaufkohlungsverfahrens von metallischen Werkstücken. Die Verfahrensdurchführung erfolgt mittels Acetylen als Kohlenstoffträger, wobei die Ofenatmosphäre pulsierend variiert wird und der Partialdruck des Acetylens bei einem Wert von unter 10 mbar eingestellt wird.
2 lässt in teilgeschnittener Seitenansicht eine mögliche Ausführungsform eines Topfofens 1 erkennen, der der Verwendung als Ofen zur Durchführung eines Verfahrens zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke dient.
Der Topfofen 1 nach 2 ist als sogenannter Retorten-Ofen ausgebildet. Die Retorte 20 ist als zylindrischer Mantelkörper ausgebildet, der in den Ofenraum 23 eingesetzt wird. Die Retorte 20 ist im unteren, kalten Bereich mit einem vakuumdichten Kompensator 24 ausgerüstet, der die Retorte 20 abstützt. Der Kompensator 24 nimmt im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall die thermisch bedingte Längenausdehnung der Retorte 20 auf und wird nicht durch das Chargengewicht belastet. Eine stets ordnungsgemäße Ausrichtung der Retorte 20 ist so garantiert.
Aufgrund der Anordnung der Retorte 20 im Ofenraum 23 wird dieser Ofenraum in einen Ringraum 21 einerseits und einen Chargenraum 22 andererseits unterteilt. Der Ringraum 21 befindet sich dabei zwischen der Retorte 20 und der Kammerwandung 2. Der Chargenraum 22 wird durch den von der Retorte 20 definierten Volumenraum bestimmt.
Während einer erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung herrscht im Chargenraum 22 die wunschgemäß einzustellende Ofenatmosphäre. Es wird insbesondere im Chargenraum ein Vakuum erzeugt, das bevorzugterweise unter 10 mbar, mehr bevorzugt unter 6 mbar liegt.
Im Ringraum 21 wird ein sogenanntes Stützvakuum erzeugt, und zwar mit einem Druck von zum Beispiel 15 mbar bis 25 mbar. Die Ausgestaltung des Stützvakuums erbringt den Vorteil, die Wandstärke der Retorte ohne negativen Einfluss auf die Stabilität der Retorte verhältnismäßig dünn auszugestalten, was einen Wärmetransfer von der Heizeinrichtung 4 in den Chargenraum 22 vorteilhaft begünstigt. Ohne ein solches im Ringraum ausgebildetes Stützvakuum müsste die Wandstärke der Retorte 20 aus Stabilitätsgründen sehr viel dicker ausgebildet sein, was dann wiederum einem Wärmetransfer in den Chargenraum 22 hinein entgegenstehen würde. Die Ausgestaltung des Stützvakuums dient insofern auch einer optimierten Wärmeverteilung innerhalb des Chargenraums.
Bezugszeichenliste

1: Topfofen
2: Kammerwandung
3: Aufnahmeeinrichtung
4: Heizeinrichtung
5: Deckel
6: Chargengestell
7: Charge
8: Standfuß
9: Leitblech
10: Durchbruch
11: Pfeil
12: Durchbruch
13: Pfeil
14: Durchbruch
15: Pfeil
16: Pfeil
17: Außenmotor
18: Welle
19: Ventilatorrad
20: Retorte
21: Ringraum
22: Chargenraum
23: Ofenraum
24: Kompensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0882811 B [0003, 0012]
EP 0818555 B [0004, 0012]
EP 1229137 B [0013]
DE 1046082 A [0014]
DE 1104088 A [0014]

Claims

Verfahren zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke in einem evakuierbaren Ofen, bei dem der Ofenatmosphäre als Aufkohlungsgas Acetylen zugeführt wird, wobei der Partialdruck des Acetylens pulsierend variiert wird und wobei der Partialdruck des Acetylens in der Ofenatmosphäre unter 10 mbar gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Ofen ein Topfofen (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partialdruck unter 6 mbar gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkohlungstemperatur auf 350°C bis 1.050°C, vorzugsweise auf 800°C bis 1.050°C, mehr bevorzugt auf 950°C bis 1.050°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate des Acetylens auf 150 l/m²h bis 500 l/m²h eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer auf 2 Minuten bis 6 Minuten eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofenatmosphäre während der Verfahrensdurchführung entnehmbare Aufkohlungsproben ausgesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung, die mit einer Messeinrichtung die Temperatur im Ofen misst und ein der gemessenen Temperatur entsprechendes Signal abgibt, die mit einer Vergleichsschaltung das von der Messeinrichtung gelieferte Signal mit einem vorgebbaren Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses eine Nachführung der Temperatur veranlasst, wobei der Temperaturgradient innerhalb der Ofenatmosphäre auf +/–5°C, vorzugsweise +/–3°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenatmosphäre innerhalb einer vom Topfofen bereitgestellten Retorte (20) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem die Retorte (20) umgebenden Ringraum (21) ein Stützvakuum ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützvakuum im Ringraum (21) auf einen Druck im Bereich von 15 mbar bis 25 mbar eingestellt wird.
Verwendung eines Topfofens (1) zur Durchführung eines Verfahrens zur Niederdruckaufkohlung metallischer Werkstücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10.