DE10322563B3

DE10322563B3 - Vakuumaufkohlungsverfahren

Info

Publication number: DE10322563B3
Application number: DE2003122563
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Edenhofer; Winfried Dr. Gräfen
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vakuumaufkohlungsverfahren oder Vakuumeinsatzhärtungsverfahren, in welchem eine Aufkohlungsbehandlung oder eine Einsatzhärtungsbehandlung durch ein Unterdruck- oder ein Vakuumerhitzen von Werkstücken aus Stahlmaterial in der Heizkammer eines Vakuumkohlungsofens oder eines Vakuumeinsatzhärtungsofens durchgeführt wird und als Aufkohlungsgas oder Einsatzhärtungsgas der Heizkammer Acetylengas zugeführt wird. Um ein Verfahren der vorgenannten Art derart weiterzubilden, daß eine Verfahrensdurchführung auch bei einem Unterdruck von über 10 mbar möglich ist, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der Heizkammer als weitere Gase Wasserstoff (H¶2¶) und/oder Stickstoff (N¶2¶) zugeführt werden und daß das Aufkohlungsverfahren in der Heizkammer bei einem Vakuum von mehr als 10 mbar Absolutdruck durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumaufkohlungsverfahren oder ein Vakuumeinsatzhärtungsverfahren, in welchem eine Aufkohlungsbehandlung oder eine Einsatzhärtungsbehandlung durch ein Unterdruck- oder ein Vakuumerhitzen von Werkstücken aus Stahlmaterial in der Heizkammer eines Vakuumaufkohlungsofens oder eines Vakuumeinsatzhärtungsofens durchgeführt wird und als Aufkohlungsgas oder Einsatzhärtungsgas der Heizkammer Acetylen zugeführt wird.

Vorbekannt ist ein derartiges Vakuumaufkohlungs- oder Vakuumeinsatzhärtungsverfahren aus der EP 0 818 555 B1 . Beschrieben ist hier, daß sich zur Verfahrensdurchführung als Kohlenstoff-Trägergas insbesondere Acetylengas (C₂H₂) eignet, denn unterscheidet sich Acetylengas als ungesättigter, aliphatischer Kohlenwasserstoff von den herkömmlicherweise als Kohlenstoff-Träger verwendeten Gasen des Methantyps dadurch, daß die Anzahl von Wasserstoffatomen im Vergleich zu der Anzahl der Kohlenwasserstoffatome geringer ist. Hierdurch bedingt kann das Vakuumaufkohlungs- oder Vakuumeinsatzhärtungsverfahren mit einem vergleichsweise niedrigen Druck innerhalb der Heizkammer durchgeführt werden, wodurch die Behandlungszeit, also diejenige Zeit, die das zu behandelnde Werkstück innerhalb der Heizkammer zu verbleiben hat, mit dem Vorteil verkürzt wird, daß es innerhalb der Heizkammer zu einer verringerten Rußausbildung kommt. Vorgeschlagen wird daher mit der EP 0 818 555 B1 , daß das Aufkohlungs- oder Einsatzhärtungsverfahren bei einem Vakuum von nicht mehr als 1 kPa (≅10 mbar) Absolutdruck durchgeführt wird.

Sichergestellt ist durch die Vorgabe des Absolutdruckes innerhalb der Heizkammer von weniger als 10 mbar, daß der mittlere, freie Weg der Kohlenstoffmoleküle vergrößert ist, so daß es für die Moleküle des Acetylengases einfacher ist, in das zu behandelnde Werkstück einzudringen. Da darüber hinaus die Acetylengasmoleküle chemisch aktiv sind und von einem leicht zersetzbaren, ungesättigten Kohlenwasserstoff stammen, reagieren sie mit der Werkstückoberfläche in vergleichsweise kurzer Zeit, so daß das zu behandelnde Werkstück nur entsprechend kurz innerhalb der Heizkammer zu verbleiben braucht.

Um eine gleichbleibende und ausreichende Aufkohlung auch schwer zugänglicher Werkstückbereiche, wie zum Beispiel Sacklochbohrungen oder dergleichen, sicherzustellen, ist es jedoch erforderlich, die Kohlenstoffmassenstromdichte des Acetylengases durch Erhöhung des Druckes innerhalb der Kammer entsprechend einzustellen, um so eine Erhöhung der Aufkohlungswirkung erreichen zu können. In nachteiliger Weise kommt es hierdurch jedoch zu einer erhöhten Rußbildung innerhalb der Heizkammer, was aus bekannten Gründen unerwünscht ist. Zur Überwindung dieses Nachteils wird mit der EP 0 882 811 B1 bereits vorgeschlagen, daß der Partialdruck des Acetylengases pulsierend variiert wird, wobei der Partialdruck bei Druckpulsen bis auf 50 mbar angehoben und ansonsten unter 20 mbar gehalten wird.

Im Ergebnis läßt sich gemäß der Lehre der EP 0 882 811 B1 eine Aufkohlung auch schwer zugänglicher Werkstücke erreichen, wobei in vorteilhafterweise die Rußausbildung innerhalb der Heizkammer im wesentlichen unterbunden ist. Die Partialdruckvariaton des Acetylengases gemäß der EP 0 882 811 B1 setzt jedoch die Verwendung einer entsprechend ausgebildeten Heizkammer voraus. Insbesondere mit Blick auf die vorgenannte EP 0 818 555 B1 ist dabei von Nachteil, daß die Heizkammer derart auszulegen ist, daß im Rahmen der Verfahrensdurchführung ein Unterdruck von weniger als 10 mbar Absolutdruck, wie dies beispielsweise mit der EP 0 818 555 B1 gefordert wird, aufrechterhalten werden kann, was nicht zuletzt aus Kostengründen aufwendig ist.

Hiervon ausgehend ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Verfahrensdurchführung auch bei einem Unterdruck von über 10 mbar Absolutdruck möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der Heizkammer als weitere Gase Wasserstoff (H₂) und/oder Stickstoff (N₂) zugeführt werden und daß das Aufkohlungsverfahren in der Heizkammer bei einem Vakuum von mehr als 10 mbar durchgeführt wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das als Aufkohlungs- oder Einsatzhärtungsgas verwendete Acetylengas durch die Zugabe von Wasserstoff und/oder Stickstoff zu verdünnen. Das Aufkohlungsergebnis wird hierdurch nicht beeinflußt, doch kann durch die Verdünnung des Acetylengases in vorteilhafterweise ein im Vergleich zum Stand der Technik höherer Absolutdruck innerhalb der Heizkammer eingestellt werden, ohne daß es infolge dieser Absolutdruckerhöhung zu einer verstärkten Rußausbildung innerhalb der Heizkammer käme. Begründet ist dies durch den gleichbleibend niedrig bleibenden Partialdruck des Acetylengases. Dieser ist, wie mit der EP 0 818 555 B1 beschrieben, unterhalb von 10 mbar zu halten, damit es nicht in ungewünschter Weise zu Rußausbildung innerhalb der Heizkammer kommt. Da das Acetylengas aber erfindungsgemäß durch die Zugabe von Wasserstoff und/oder Stickstoff verdünnt wird, kann in Abhängigkeit der Menge an zugegebenen Wasserstoff und/oder Stickstoff bei gleichbleibendem Partialdruck des Acetylengases ein höherer Absolutdruck innerhalb der Heizkammer eingestellt werden. Die Erfindung macht sich mithin die Unterscheidung zwischen Partialdruck einerseits und Absolutdruck andererseits in der Weise zunutze, daß trotz eines verfahrensbedingten Partialdruckes von weniger als 10 mbar ein Absolutdruck innerhalb der Heizkammer von über 10 mbar eingestellt werden kann. Entsprechend kostengünstig ist die Bereitstellung einer zur Verfahrensdurchführung geeigneten Heizkammer.

Als weiteres Gas kann der Heizkammer auch Argon zugeführt werden, welches als Inertgas zusätzlich die Oxidation der Werkstücke verhindert. Es versteht sich von selbst, daß auch andere Inertgase der Heizkammeratmosphäre zugeführt werden können, wie dies beispielsweise schon mit der EP 0 882 811 B1 beschrieben ist.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß das Vakuumaufkohlungs- oder das Vakuumeinsetzhärtungsverfahren bei einem Vakuum von 10 mbar bis 15 mbar, vorzugsweise 11 mbar bis 13 mbar Absolutdruck durchgeführt wird. Anders als bei dem aus der EP 0 818 555 B1 bekannten Verfahren erlaubt es mithin das erfindungsgemäße Verfahren, einen Absolutdruck innerhalb der Heizkammer von über 10 mbar, bei entsprechender Zuführung eines oder mehrerer Verdünnungsgase sogar von 50 mbar oder 100 mbar, einzustellen. Infolge der Verdünnung kommt es dabei jedoch nicht zu einer Erhöhung des Partialdruckes des Acetylengases, der zur Vermeidung der Rußausbildung innerhalb der Heizkammer bei einem Wert von weniger als 10 mbar zu halten ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung anhand der nachfolgenden 1, die in einem schematisierten Diagramm die Abhängigkeit der Größe des Absolutdruckes innerhalb der Heizkammer von der Menge des der Kammeratmosphäre zugegebenen Verdünnungsgases zeigt. Die Fig. versteht sich dabei als Ausführungsbeispiel und wirkt nicht beschränkend.
Dargestellt ist in 1 in schematischer Darstellung ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Absolutdruckes innerhalb der Heizkammer gegenüber der prozentual der Kammeratmosphäre zugegebenen Menge an Wasserstoff als Verdünnungsgas für das als Aufkohlungs- oder Einsatzhärtungsgas dienende Acetylengas zeigt. Über die Achse 1 des Diagramms ist der prozentuale Anteil an Wasserstoff innerhalb der Kammeratmosphäre und über die Achse 2 der Absolutdruck innerhalb der Heizkammer im Rahmen der Verfahrensdurchführung abgetragen. Mit der Kurve 3 ist die Abhängigkeit des Absolutdruckes gegenüber der Menge an prozentual zugegebenem Verdünnungsgas dargestellt, wobei zu erkennen ist, daß mit vergrößertem prozentualen Anteil des Verdünnungsgases an der Kammeratmosphäre ein höherer Absolutdruck innerhalb der Heizkammer eingestellt werden kann, ohne daß es hierdurch zu einer Partialdruckerhöhung des Acetylengases käme. Die Erfindung macht sich mithin die Erkenntnis zunutze, daß bei gleichbleibendem Partialdruck des Acetylengases der Absolutdruck innerhalb der Heizkammer in Abhängigkeit der Menge an zugegebenem Verdünnungsgas angehoben werden kann. Wichtig ist jedoch, daß der Partialdruck innerhalb des Acetylengases einen Wert von 10 mbar nicht überschreitet, da es sonst zu einer ungewünschten Rußausbildung innerhalb der Heizkammer käme.
Mit Kurve 4 ist ein alternativer Abhängigkeitsverlauf aufgezeichnet, der als Ausgangspunkt einen Partialdruck innerhalb des Acetylengases von 8 mbar voraussetzt, wohingegen der Kurvenverlauf gemäß Kurve 3 einen Partialdruck innerhalb des Acetylengases von 10 mbar annimmt. Es versteht sich von selbst, daß der Fachmann in Abhängigkeit des von ihm innerhalb der Kammeratmosphäre gewünschten Partialdruckes des Acetylengases eine entsprechende Beimengung des Verdünnungsgases vornehmen wird, so daß auch andere als mit den Kurvenverläufen 3 und 4 schematisch dargestellten Ausgestaltungsformen vom Umfang der Erfindung miterfaßt sind.

1: Achse
2: Achse
3: Kurve
4: Kurve

Claims

Vakuumaufkohlungsverfahren oder ein Vakuumeinsatzhärtungsverfahren, in welchem eine Aufkohlungsbehandlung oder eine Einsatzhärtungsbehandlung durch ein Unterdruck- oder ein Vakuumerhitzen von Werkstücken aus Stahlmaterial in der Heizkammer eines Vakuumaufkohlungsofens oder eines Vakuumeinsatzhärtungsofens durchgeführt wird und als Aufkohlungsgas oder Einsatzhärtungsgas der Heizkammer Acetylengas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkammer als weitere Gase Wasserstoff und/oder Stickstoff zugeführt werden und daß das Aufkohlungsverfahren in der Heizkammer bei einem Vakuum von mehr als 10 mbar Absolutdruck durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkammer als weiteres Gas Argon zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung in der Heizkammer bei einem Vakuum von 10 mbar bis 15 mbar Absolutdruck durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung in der Heizkammer bei einem Vakuum von 11 mbar bis 13 mbar Absolutdruck durchgeführt wird.