DE2216688A1

DE2216688A1 - Verfahren zum aufkohlen der randzonen eines werkstueckes

Info

Publication number: DE2216688A1
Application number: DE2216688A
Authority: DE
Inventors: Jun Ernest C Gronquist; Vincent Scotto; Donald A Taft; Herbert W Westeren
Original assignee: Hayes Inc C I
Current assignee: Hayes Inc C I
Priority date: 1971-06-23
Filing date: 1972-04-07
Publication date: 1973-01-11
Also published as: USRE29881E; DE2216688B2; IL38822A0; US3796615A; GB1382075A; IT959314B; CA969841A; SE383001B; DE2216688C3; JPS5129703B1; CS168596B2; IL38822A; SU663316A3; ES404017A1; FR2154398A1; FR2154398B1

Description

Verfahren zum Aufkohlen der Bandzonen eines Werkstückes

Dar; Verändern der Oberflächeneigenschaften eines Metall-3tückes durch thermische Diffusion von Kohlenstoff in die Oberfläche ist bekannt. Zu diesem Zweck wird das Werkstück von einem kohlenstoffabgebenden Medium umgeben, aus dem durch Absorption und Diffusion eine entsprechende Kohlenstoff menge in d-an Material eindringt. Für diese Verfahren .sind sowohl flüssige Aufkohlungsmittel, z.B. Salzbäder, als auch gasförmige und feste Aufkohlungsmittel, z.B. in Pulverform, bekannt.

Di'j vor/lie inende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfah-ori mit einem gasförmigen Aufkohlungsmittel, bei dem dan zu behandelndo Werkstück in eine kohlenstoffabgebende Atmosphäre eingegeben wird, die vermittels eines (Tobiases um da:; Werkstück zirkuliert, üblicherweise wird ein Kohlen-

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IANK DEUTSCHE BANK AC. BRAUNSCHWEKi, KONTO-NR. 03/017 88 POSTSCHECKi HANNOVER SA IA Öl

wasserstoffgas, wie es bei den Naturgasen vorkommt, verwandt. Da°- KohlenwasserstoTf^as wird in den meisten Fällen mit einem Trägergas, zum Beispiel einem endothermen Gas aufbereitet, das dann für eine bestimmte Zeit und mit einer bestimmten Temperatur um das zu behandelnde Werkstück zirkuliert.

Es ist; weiterhin bekannt, daß die absorbierte und in das Material diffundierte Kohlenstofi'menge in exponeatialer Abhängigkeit zu der Aufk^hlunjSt^Tr.pei-atur steht. Uan hoiß+ , je tujh^r die Tempera ^v;uren,det>oo größer die absorbierte und diffundierte Kohlenstoffmenge. Diese bekannten Verfahren sind jedoch auf bestimmte Aufkohlungstemperaturen beschränkt, die die Größenordnung von 93>4°C bis 1010⁰C nicht überschreiten. Jedes Überschreiten der Betriebstemperaturen würde bei den bekannten Verfahren zu einer Zerstörung der schwer schmelzbaren Heizelemente und anderer Teile in der Heizofenkammer führen. Würden die konventionellen Aufkohlungsöfen so konstruiert, daß sie auch höheren Temperaturen standhalten könnten, dann würden die Herstellungskosten indiskutabel hoch ansteigen.

Weiterhin erfordern diese bekannten Aufkohlungsöfen, die mit einem endothermen Gas als Trägergas arbeiten, entsprechend lange Reinigungszyklen, um die Fremdgase aus dem Ofeninneren auszustoßen und eine geeignete Aufkohlungsatmosphäre zu schaffen. Diese Notwendigkeit erhöht den Zeitfaktor bei den bekannten Atifkohlungsprozessen erheblich und stellt einen wesentlichen Nachteil dar.

Andere bekannte Aufkohlungsöfen, die mit einer Gas- oder Ölfeuerung beheizt wurden, erfordern aufwendige Viel-Zonen-Einrichtungen, die die Abmessungen der; Ofens gegenüber konventionellen Heizkammeröfen beträchtlich vergrößern.

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"FV^no.·- erfordern 'cli e V·--¹ 1¹¹Xi ρ 'en mit endothermer Atmosphäre ein« ?tändige "R° in igung des über Schornsteine o.a. abgeblasenen Prose^asee, wap wiederum djp Kosten des Verfahrens nicht unerheblich verteuert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Aufkohlen der Randvonen eines Werkstückes zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile nicht besitzt, und das generell fi'i-p /=ji<a A'iflTo^lun'·; "«on TPetalli scher V/e^kstücken änwerd-ν,η-ist, räch in she sonder ? Jedoch fi'¹^ die Aufkohlung unter Verwendung eines kohlenstoffabgebenden Gases eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemä'? dadurch gelöst, daß das Werkstück in eine geschlossene Heizkammer eingegeben viird, aus der sodann durch Evakuierung Oxid^tionsgase und andere Verunreinigungen sowie durch ausreichendes Erwärmen des Werkstückes die OberflächenverunreJnigungen des Werkstückes entf^-^nt v/erden, woraufhin ein Kohlenstoff spender in die evakuierte Kammer eingebracht wird, dessen Konzentration durch den absoluten Druck deρ Kohlenstoffes in der Kammer bestimmt wird, so daiB die ^on der Oberfläche des Werkstückes absorbierte Kohlenstoffmenge genau bestimmbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Heizkammer abwechselnd evakuiert wird, wobei der Kohlenstoffspender entfernt und erneut in die Kammer einpjeleitet wird, vodureh für einen vorbestimmten Zyklus ein Pulsierungseffekt entsteht, der die Zirkulation des Kohlenstoff spenders um das Werkstück steigert, so daß eine gleichmäßig aufgekohlt^ "Randzone mit vorbestimmter Tiefe und Kohlenstoffgehalt erzielbar ist. Zweckmäßigerweise wird als Kohlenstoff spender Methangas (CH^) verwandt.

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BAD ORIGINAL

Das Verfahren kann zudeir zweckmäßig so ausgestaltet werden, daß das abwechselnde Evakuieren und Rückfüllen eines Kohlenstoff spenders in die Heizkamnipr automatisch geregelt wird, wobei der vorgeschriebene Aufkohlungszyklus entsprechend der gewünschten Randzonentiefe und dem prozentualen Kohlenstoffgehalt bestimmt ''^rird .

Vorteilhaft ist en, fir" die Aufkohlungstemperaturen air obere Grenze mindestens ?76O°O zu wählen, wobei die obere Grenze d^°> Aufkohlungs-Rückfül"¹ druckes in der Kammer durch den Sättigungspunkt den Gases gegeben "Ist. Weitere wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind nachfolgend an Hand von dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines beispielhaften Operationszyklusses des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 3 in graphischer Darstellung den Kohlenstoffgehalt behandelter Werkstücke in Abhängigkeit von dem Druck in der Heizkammer und der verschiedenen Anzahl von Pulsierungsstößen, d.h. der Evakuierung und Rückfüllung des Kohlenstoffspenders in die · Heizkammer

Fig. 4 in graphischer Darstellung den Kohlenstoffgehalt behandelter Werkstücke in Abhängigkeit von dem absoluten Druck in der Heizkammer, in die das Werkstück während des Verfahrens eingebracht ist

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Fig. 5 bis 12 Mikrofotografien von Schnittbildern verschiedener Werkstücke, die nach dem erfindungsgeraäßen Verfahren unter unterschiedlichen Bedingungen "behandelt worden sind

Fig. 13 in graphischer Darstellung die erzielhare

Randzonentiefe d«r Aufkohlung in Abhängigkeit von der Anzahl der Pulsierungsstoße.

Zunächst" wird auf Fig. 1 Beziig genommen. Die Anlage zur Durchführung des 'erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt unter anderem einen Vakuumofen, der allgemein mit der Bezugsziffer 10 versehen ist. Der Vakuumofen 10 besteht aus einem Gehäuse 14, in dem eine Heizkammer 16 angeordnet ist. Weiterhin besitzt der Ofen eine Kühlzone,unter der ein Kühltank 18 angeordnet ist. Die Artikel oder Werkstücke, die mittels des noch zu beschreibenden Verfahrens gehärtet werden, "werden nach Abschluß des Härtungsprozesses in diese Kühlzone eingebracht. Die Anordnung und die Konstruktion des Ofens 10 ist im einzelnen genauer in der US-Anmeldung Nr. 770 779, angemeldet am 25- Oktober 1968 und betitelt '•Vakuumofen mit Elevator-Ölkühlung", dargestellt und beschrieben. Die Heizkammer 16 ist mit Graphit-Heizelementen ausgerüstet, die von einem isolierten Graphitmantel 20 umgeben sind. Ein automatisch betätigtes Ventil 22 steuert die vertikale "Bewegung eines Schiebers 23, der mit einer Verbindungsfcür zwischen der Heizkammer 16 und der Kühlzone oberhalb des Kühltankes 18 in Verbindung steht. Eine Vakuumpumpe 24 kommuniziert mit dem Inneren des Gehäuses 1A über ein Gebläse 26 und ein Steuerventil 28.■ Die Pumpe dient zum Evakuieren des Gehäuseinneren bis auf ein gewünschtes Vakuum. Ein auf dem oberen Teil des Gehäuses

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angeordneter Motor 30 betätigt einen Lüfter, dor innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und in der üblichen Bauweise ausgeführt sein kann. Der Lüfter dient zum Aufrechterhalten bestimmter Bedingungen für die Abkühlung des erwärmten Werkstückes in der Fühl/.one.

Das Aufrechterhalten des absoluten Druckes innerhalb des Gehäuses 14 ist eine schwierig einzuhaltende Bedingung des erfindungsgetnäßen Verfahrens. Zu diesem Zweck ist ein Druckabtastgerät 32 an dem Gehäuse 14 angeordnet, das mit dem Inneren des Gehäuses in Verbindung steht. Das Druckabtastgerät 3- arbeitet mit einem Verstärker 34 zusammen, der elektrische Ausgangssignale an ein Drucküberwachungsgerät 36 abgibt, das auf einer Schalttafel 38 angeordnet ist. Das Drucküberwachungsgerät 36 steuert das Ventil 28. Somit kann durch Einstellen eines vorgewählten Druckwertes vermittels des Überwachungsgerätes und über das Steuerventil 28 der gewünschte absolute Druck in dem Gehäuse 14 geregelt werden. Auf der Schalttafel 38 ist ebenfalls ein Temperaturüberwachungsgerät 40 angeordnet. Dieses Gerät steht mit den Vorrichtungen zum Aufheizen der innerhalb der· Heizkammer 16 angeordneten Graphitelemente in Verbindung. Damit kann ebenfalls die Temperatur innerhalb der Heizkammer 16 vermittels des Temperaturüberwachungsgerätes 40 wie gewünscht geregelt werden. Wie nachfolgend noch ausgeführt werden wird, sind auf der Schalttafel weiterhin ein Zählwerk 42 und ein Zeitwerk 44 installiert, die ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Härteverfahrens dienen.

Als eine Sicherheitsvorkehrung kann in die Ausstoßleitung d^r Pumpe ~.'Ά Stickstoff eingeleitet werder - Dadurch vird die Bildung eines brennbaren Gemisches beim AuspumpVorgang

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vermieden. Diese Möglichkeit ist durch eine Leitung 46 mit einem Steuerventil '+8 und einem magnetbetätigten Ventil 50 angedeutet.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einer Unterdruck-Atm ο Sphäre unter Anwesenheit eines "Kohlenstoff-Spendern j η der Heizkammer 16 a"h. Grundsätzlich kann dabei ,jede gebräuchliche Kohlenstoff-Quelle verwandt wenden. Es hat sich zum Beispiel als zv^reckroäßig erwiesen, Stadtgas zu benutzen, das Methan (CH₇.) als Kohl en stoff-Spender enthält. Da jedoch Methan gewisse Verunreinigungen, z.B. Mercaptane, enthält, ist os notwendig, das Gas zunäehst durch eine [trocknungskammer 52 zu leiten. Die unter Atmosphärendruck stehende Trocknungskammer 52 ist vorzugsweise gemäß der Lehre des US-Patentes TTr. 2 979 828 ausgebildet und beinhaltet ein Entfeuchtungsmaterial, verinittols dem die Feuchtigkeit und die Verunreinigungen aus dem Naturgas entfernt werden.

Wie weiterhin aus der Darstellung gemäß Fig. 1 hervorgeht, wird das Naturgas aus dem Stadtnetz in den Trockner S2 über ein Steuerventil 56 und eine Zuleitung 54 eingeleitet. Ein Druckanzeiger 58 ist an der Leitung 54- angeschlossen und zeigt den Druck des in den Trockner eingeleiteten Gases an. Ein Ventil 60 steuert den Durchfluß durch eine Leitung 62, durch die Kohlenstoff als ein reines Gas in den Trockner 52 eingeleitet werden kann. Das Methangas wird von dem Trockner 52 in die Heizkammer 16 des Ofens vermitteln einer Leitung 64 überführt. Die Leitung 64 besitzt ein Absperrventil 66. Ein weiteres Ventil 68, das normalerweise geschlossen ist, kommuniziert mit einer Entlüftungsleitung 70 und kann, falls erforderlich, zum Belüften des Gases benutzt werden. Weiterhin steht die Leitung 64 mit einer Leitung 72 in Verbindung, in der ein Dosierventil

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74- angeordnet ist, das den Durchfluß des Gases zu der Heizkammer 16 mißt. Ebenfalls in der Leitung 7? ist ein Durchflußregelventil 76 anp^flordnet, das von dem Druckiibervachungsgerät 36 betätigt wird und den erforderlichen Zustrom des kohlenstoffhaltigen Gases in die Heizkammer 16 regelt. Ein Druckschalter 78 und ein Meßgerät 80 sind ebenfalls in der Leitung 72 angeordnet, um den Zustrom des kohlenstoffhaltigen Gases zu der Heizkammer 16 zu steuern. Das Gas tritt in die Heizkammer 16 durch eine Vielzahl von Düsen 81 ein, die vorzugsweise aus einem Graphitmaterial geformt sind, das bei erhöhten Temperaturen einer Verunreinigung widersteht. Der Druckschalter 78 dient zum Abschalten des Ofens, wenn der Druck in der Leitung 72 einen negativen Wert annehmen sollte. Das Reinigen der Leitung 72 vor dem ersten Anfahren kann vermittels Stickstoff erfolgen, der durch das Absperrventil 83 in die Leitung eingegeben wird. Wie es noch beschrieben werden wird, wird nach Beendigung des Aufkohlungs-Zyklusses zur Wärmebehandlung des Werkstückes und vor dem Entfernen des Werkstückes aus dem Ofen die Heizkammer 16 erneut mit Stickstoff gefüllt. Zu diesem Zweck ist eine Leitung 84 vorgesehen, die mit einem Stickstoff-Spender kommuniziert und mit der Heizkammer Ί6 über einen Druckschalter 85, ein magnetbetätigtes Ventil 86 und ein Steuerventil 87 verbunden ist.

Obwohl der Trockner 52 nicht direkt einen Teil des Aufkohlungs-Prozesses darstellt, ist er wesentlich, da er . das kohlenstoffhaltige Gas vor dem Einströmen in die Heizkamraer 16 reinigt. In periodischen Abständen muß das Entfeuchtungsmaterial in dem Trockner 52 regeneriert werden, was durch ein Gas, z.B. Stickstoff, das in den Trockner eingeleitet ward, geschehen kann. Tn diesem Fall wird dar· ausströmende Reinigungegas über eine Leitung 89 in eine

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Kammer 88 geleitet, in der das Reinigungsgas durch oin Bett aus Peststoffpartikeln 90, zum Beispiel Eisenoxydstückohen, gefiltert wird, so daß dem Gas die schädlichen Stoffe, wie zum Beispiel Mercaptan, entzogen werden, "bevor es durch eine Leitung 92 und ein Vontil oder einen sonstigen Auslaß 91 abgeblasen wird. Eine Entwässerungsleitung 93 befindet sich am unteren Ende des Behälters 90 und ist vermittels eines Ventiles 9^ verschließbar.

Wie bereits erwähnt, besitzt die Heizkammer 16 des Ofens eine Anzahl Graphit-Heizelemente, die entweder aus festem oder gewobenem Graphit geformt sein können. In diesem Zusammenhang wird "auf die US-Patentschriften Nr. 3 257 492 und Nr. 3 525 795 verwiesen, in denen gewobene Graphit-Heizelemente sowohl in planer als auch in rohrartiger Form beschrieben werden. Die Verwendung von Graphit-Heizelementen ist bei der vorliegenden Erfindung wünschenswert, da die Aufkohlungs-Temperaturen relativ hoch und über den normalen Aufkohlungstemperaturen liegen und da diese Heizelemente selbst bei diesen hohen Temperaturen nicht in der Wirkung nachlassen oder sich abnutzen. Da der Aufkohlungsprozeß bei Umgebungsbedingungen unterhalb des AtmoSphärendruckes stattfindet, können konventionelle Heizelemente nicht verwandt werden, da sie bei den hohen Temperaturen karburiert werden und eventuell zerstört werden wurden. Die hohen Temperaturen in dem Aufkohlungsprozeß sind grundsätzlich vorteilhaft, da die Kohlenstoff-Absorption in dem Werkstück exponential ini't der Zunahme der Temperaturen in dem Ofen ansteigt. Dies wird noch näher diskutiert werden, ebenso die Tatsache, daß der Vakuumdruck das Werkstück in geeigneter Weise für den Aufkohlungs-Prozeß vorbereitet. Es kann zum Beispiel ein vorbestimmter Aufkohlungsgrad erzielt werden, da die von einem Werkstück absorbierte Kohlenntoffmenge proportional dem absoluten Druck in der Heizkammer ist.

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Eines der Merkmale des erfindungsgemäßen Aufkohlungs-Prozesses ist die Einleitung eines kohlenstoffhaltigen Gases in die Heizkammer 16 eines Ofens in vorbestimmten Intervallen. Da der Aufkohlungs-Zyklus vollständig in einer
Unterdruck-Atmosphäre abläuft, kann das kohlenstoffhaltige Gas leicht, wie vorstehend beschrieben, aus der Heizkammer abgezogen werden. Es hat sich herausgestellt, daß
beim abwechselnden Einleiten eines Aufkohlungsgases in
die Heizkammer und das dann folgende Evakuieren der Heizkammer für eine bestimmte Zeit der Kohlenstoff, der in
der Aufkohlungs-AtmoSphäre enthalten ist, leichter in die Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes einzudringen
vermag. Dieser sogenannte "Pulsierungseffekt¹¹ bewirkt die Entfernung unerwünschter Moleküle aus der Umgebung des
zu behandelnden Werkstückes, woraufhin nach der Evakuierung durch erneutes Einleiten einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre in diT Heizkaminer der Kohlerstoff des Aufkohlungsgases leichter von eiern Werkstück absorbiert werden kann.
Darüberhinaus verbessert der Pulsierungseffekt die Verteilung des Kohlenstoffes um das zu behandelnde Werkstück, so daß bei bestimmten Werkstücken, die mit einer unregelmäßigen Oberfläche versehen sind, die Pulsierungstechnik
eine ausreichende Aufkohlung des Metalls mit dem gewünschten Endergebnis sicherstellt.

Durch Anwendung der Pulsierungstechnik und genauer Regelung des Vakuums und der Temperatur in der Heizkaminer kann der Aufkohlungsprozeß so gesteuert werden, daß eine restliche oder zurückbleibende Absorption oder Diffusion verhindert wird, wodurch eine Aufkohlung mit vorbestimmten Charakteristiken, wie zum Beispiel Härtungstiefe, Kohlenstoffaufnahme und Härte, erzielt werden kann.

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Zum besseren Verständnis des Aufkohlungsprozesses ist in Fig. P ein Diagramm dargestellt, das den beispielhaften Abla^-ΐΓ eines Aufkohlungs-Zyklusses darstellt. Die Mittellinie in Pig. 2 verdeutlicht den Atmosphärendruck und die Raumtemperatur. Oberhalb der Mittellinie sind die Temperaturen des Ofens während des Aufkohlungsprozesses aufgetragen und unterhalb der Mittellinie die absoluten Drücke bzw. das Vakuum in der Heizkammer. Sowohl die Temperaturais auch die Vakuumbedingungen sind in Beziehung zu dem Zeitablauf eines Zyklusses gesetzt.

Vor Beginn eines Aufkohlungs-Zyklusses ist es wichtig, daß die Heizkammer einschließlich der. Heizelemente und anderer in der Heizkammer sich befindenden Teile sowie das Werkstück entgast und desoxidiert werden, so daß sich in der Heizkammer während des Aufkohlungsprozesses keine Verunreinigungen befinden. Das Ausgasen findet statt,nachdem das Werkstück in die Heizkammer 16 eingebracht worden ist und nachdem das Ventil 28 geöffnet und die Pumpe 24 zum Evakuieren des Gehäuseinneren und der Heizkammer eingeschaltet worden ist. Ein Vakuum-Kontrollgerät (nicht dargestellt) wird so eingestellt, daß das" Beheizen des Ofens vermittels der Heizelemente nach dem Auspumpen der Heizkammer bis auf einen vorbestimmten Wert beginnt. Auch die Ofentemperatur ist vorgewählt und sollte bei einem normalen Aufkohlungszyklus 1038 C betragen, da die Gegenstände bei dieser Temperatur leicht entgast und desoxidiert werden und das Werkstück beschleunigt Kohlenstoff absorbiert. Es soll jedoch hervorgehoben werden, daß auch jede andere Temperatur einschließlich höherer Temperaturen verwandt werden können, da sie üblicherweise von der Art des zu behandelnden Materials abhängen. Zum Beispiel kann Molybdän bei einer noch höheren Aufkohlungstemperatur in

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der Größenordnung von 1^82⁰C bis 1649⁰C behandelt werden. Wolfram erfordert zum Beispiel eine noch höhere Temperatur. Es sei abschließend bemerkt, daß die Temperaturen in dem Ofen im allgemeinen beachtlich höher sind als die Temperaturen, die bei den bisher bekannten Härtungsprozessen zum Einsatz kommen.

Ein Zeitschalter (nicht dargestellt) wird vorher eingestellt, um den Ausgasungsvorgang der Heizkammer bei einer bestimmten Temperatur und unter Vakuum nach einer vorbestimmten Zeit zu beenden. In den meisten Fällen wird eine Ausgasungszeit von 15 bis 30 Minuten bei ca. 0,1 mm Hg-Säule genügen, um alle Oxidationsgase und andere Verunreinigungen aus der Herzkammer zu entfernen. Nach Beendigung der Ausgasungsperiode beginnt automatisch der Aufkohlungsprozeß.

Vor Beginn der Inbetriebnahme des Ofens und vor Beginn des Aufkohlungsprozesses bestimmt die Bedienungsperson die Anzahl der Pulsierungsstöße, die erforderlich sind, um eine gewünschte Härtung zu erzielen, und sie bestimmt ebenfalls die Zeitdauer eines jeden Impulsstoßes. Zur Steuerung der Anzahl der Impulsstöße oder der Zeitabschnitte, in denen das kohlenstoffhaltige Gas in die Kammer 16 eingeleitet wird, ist das in Fig. 1 dargestellte Zählwerk 42 bestimmt. Das Zeitwerk 44 bestimmt die Zeitdauer, in der die Kohlenstoff-Atmosphäre in der Kammer verbleibt. Der absolute Druck bzw. das Vakuum des Aufkohlungszyklusses wird ebenfalls vorher festgelegt und vermittels des Gerätes 36 überwacht. Die Tiefe der zu erzielenden Aufkohlung kann durch die Anzahl der Pulsierungsstöße eines Aufkohlungszyklusses bestimmt werden. Der prozentuale Anteil des Kohlenstoffes, der in der aufgekohlten Randzone des Werkstückes enthalten ist, kann durch den absoluten Druck in der Heizkammer vor-

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bestimmt werden. In diesem Zusammenhang sei erwähnt:, durch Veränderung des absoluten Druckes in der Heizkammer und durch Veränderung der Anzahl der Pulsierungsstöße während eines Aufkohlungszyklusses der prozentuale Anteil des Kohlenstoffes in der gehärteten Randzone des Werkstückes bis zum Sättigungsverhältnis von ,°,2 % variiert werden kann. Diese Beziehungen solion im nachfolgenden näher diskutiert werden.

Das in Fig. 2 dargestellte Beispiel eines Operationszyklusses zeigt den Beginn des Pumpvorganges bei Atmosphärendruck und 22,8⁰O. In ca. 15 Minuten ist die Heizkammer bis auf "einen Druck von 0,1 mm Hg-Säule evakuiert. Sodann werden die Heizelemente in der Heizkammer 16 eingeschaltet und in nahezu 15 Minuten ist die Prozeßtemperatur von 1038⁰G erreicht. Das Ausgasen findet in weiteren

15 Minuten statt, wobei die Heizkammer auf einen Druck von ca. 0,1 mm Hg-Säule gehalten wird. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, umfaßt dieser Reinigungs- oder Ausgasungsteil des Prozeßzyklusses 50 Minuten. Nunmehr beginnt der Aufkohlungszyklus und das Drucküberwachungsgerät wird vermittels des Zählwerkes 42 und des Zeitwerkes 44 geschaltet, wodurch das Steuerventil 28 geschlossen wird und das Durchflußregelventil 76 geöffnet wird, über das das kohlenstoffabgebende Gas, das Methan (OH₇.) enthält, in die Heizkammer

16 einströmt. In dem in Fig. 2 ausgeführten Beispiel wird die Kammer 16 bis auf einen absoluten Druck von ca. 50 mm Hg-Säule mit kohlenstoffabgebendem Gas gefüllt (Pulsierung A). Dieser Füllvorgang dauert ca. 2 Minuten. Das Durchflußregelventil 76 wird sodann geschlossen, um das Eintreten weiteren Gases in die Kammer 16 zu verhindern. Das kohlenstoffhaltige Gas kann nunmehr sofort aus der Kammer 16 wieder abgepumpt werden, wenn sich das Steuerventil 28 un-

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mittelbar widder öffnet. Eine andere Möglichkeit i.<-t : η PiC· ? dargestellt, d.h. es ist eine Absorptions-Periode von 2 Minuten vorgesehen, bevor der Abpumpvorgang wieder einsetzt. Das Ventil 28 vrird durch das Drucküberwachungsgerät 36 geöffnet und das Evakuieren der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre dauert ca. 2 Minuten an, bis ein Vakuum von 0,1 mm Hg-Säule wieder erreicht ist. Dann schließt das Ventil 28 erneut. Da aus der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bereits Kohlenstoff von der Oberfläche des Werkstückes absorbiert worden ist, beginnt nun eine sogenannte Diffusions-Periode für ca. 5 Minuten, in der der Druck in der Kammer auf nahezu 0,1 mm Hg-Säule gehalten wird. Der zweite Impulsstoß (B) des Prozeßzyklusses wird wiederum durch Schließen des Ventils 28 und durch öffnen des Durchflußventils 76 eingeleitet. Erneut strömt für weitere 2 Minuten kohlenstoffabgebendes Gas in die Kammer 16 bis ein Druck von 50 mm Hg-Säule erreicht ist. Sodann werden die Ventile 28 und 76 wieder betätigt. Nach einer zweiminütigen Absorptions-Periode wird das kohlenstoffabgebende Gas für die Zeitdauer von 2 Minuten abgepumpt bis in der Ofenkamraer wieder ein Druck von 0,1 mm Hg-Säule erreicht ist und die fünfminütige Diffusionsperiode einsetzt. In dem Beispiel gemäß Fig. 2 ist ein dritter PuI-sierungsstoß (C) zum Einleiten eines kohlenstoffabgebenden Gases vorgesehen. Nach Beendigung diesos Pulsierungsstoßes und nach Beendigung dor Diffusion rperiode gibt das Zählwerk 4-2 ein Signal an da3 Vakuums beuergerät, wodurch die Ventile 86 und 87 geöffnet werden und über die Leitung 84 Stickstoff in die Heizkammer geleitet wird bis ein reduziertes Vakuum von ca. 305 mm Hg-Säule erreicht ist. Damit ist der Aufkohlungs-Prozeß abgeschlossen.

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In der kommerziellen Anwendung des Verfahrens ist ■vorgesehen, das zu behandelnde Werkstück in der üblichen Weise in den Ofen 10 einzubringen. Zu diesem Zweck wird die Temperatur in der Heizkammer 16 auf einen Wert von nahezu 538 C bei einem Druck von 305 mm Hg-Säule reduziert. Danach wird das Ventil 28 geöffnet und nachdem die Temperatur bis auf einen Wert von ca. 816°C angehoben worden ist, wird die Heizkammer erneut bis auf ca. 0,1 mm Hg-Säule evakuiert. Das Werkstück wird dann einer weiteren Wärmebehandlung zur Verfeinerung der Kornstruktur des Metalls unterworfen. Sodann wird erneut Stickstoff in die Heizkamner eingeleitet, bis das Vakuum auf einen Wert von 305 mm Hg-Säule reduziert worden ist. Ohter Beibehaltung dieses Unterdruckes von ca. 305 ram Hg-Säule in dem Ofeninneren wird das Werkstück in ein Öl-Bad eingegeben. Hierdurch wird das Metal] in üblicher Weise gehärtet.

Es ist bereits erwähnt worden, daß die von dem behandelten Werkstück absorbierte Kohlenstoffmenge direkt proportional dem absoluten Druck in der Heizkammer ist. Diese Gesetzmäßigkeiten werden in den Figuren 3 und M- näher dargestellt. Die Ergebnisse in Fig. 3 wurden an Hand von sechs Stück Eisen-Plattenmaterial von annähernd 0,13 mm Dicke und mit 0,08 '■'· Kohlenstoff bei einer Aufkohlungstemperatur von 1038^o0 erzielt. Der absolute Druck in der Heizkammer wurde variiert und ,-jedes Stück wurde einer Anzahl von Pulsierungsntößen mit dem kohlenstoffabgebenden Gas ausgesetzt. Die Diffusions-Periode eines 3'eden Pulsierungsstoßes betrug annähernd 5 Minuten. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, nimmt bei steigendem absoluten Druck in der Kammer die prozentuale Absorption von Kohlenstoff durch das Plattenmaterial bis zu einem Sättigungswert von ca. 2,2 % zu. Es wird ersichtlich, daß die prozentual absorbierte Kohlenstoffmenge eben-

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A.

falls der Anzahl der Pulsiorungsntöße in einem Aufkohlungsryklus proportional ist.

Wird Fig. ^l\ betrachtet, so erkennt man, daß die prozentual von dem Werkstück absorbierte Kohlenstoffmenge proportional dem absoluten Druck des kohl^nstoffabgebonden Gases in der Heizkammer ist. Diese Beziehung geht schon aus den Darstellungen gemäß Fig. 3 hervor. Aus Fig. 4 ist jedoch ersichtlich, welche gewünschten prozentualen Kohlenstoffanteile in der· aufgekohlten Randzone des Werkstückes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden können, indem der absolute Druck in der Heizkammer nach der Rückfüllung mit kohlenstoffabgebendem Gas vorbestimmt wird. An Hand der nachfolgend beschriebenen Beispiele wird gezeigt, wie der absolute Druck in der Heizkammer variiert werden muß,um eine aufgekohlte Randzone mit den gewünschten Ergebnissen zu erhalten. Die Beispiele, die nur eine kleine Auswahl der Möglichkeiten darstellen, sollen weitere Merkmale der Erfindung verdeutlichen.

Beispiel Nr. 1

Es wird Bezug genommen auf die Mikrofotografie gemäß Fig. S. Das Schliffbild der Randzone wurde von einem nach dem Verfahren behandelten Exzenter erhalten, der aus einem 1010-Stahl (gemäß der in USA gebräuchlichen Normungsbezeichnung) geformt ist. Während des Aufkohlungs-Zyklusses wurden die nachfolgenden Bedingungen eingehalten und folgende Ergebnisse erzielt:

Material 1010-Stahl

Anzahl der Pulsierungsstöße mit
kohlenstoffabgebendem Gas und Diffusionsperiode drei bei 5 Minuten

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Rückfülldruck in dec Kammer

Temperatur in der Aufkohlungs-Kammer

Beim Werkstück erzielte effektiv aufgekohlte 'Randzone

Nach der Wärmebehandlung erhaltene Härte

60 mm Hg-ßäule

0,508 mm

Randzonen tiefe (mm)	Rockwell-C- Härte
0,051	61,1
0,25'I-	56,5
0, 5Q8	58,0
0,762	50,8

Beispiel Nr. 2

Es v/ird Bezug genommen auf die Mikrofotografie gemäß Pig. 6, die das Schnittbild eines aufgekohlten Eisen-Polschuhes mit 2,5 '"'> Silizium zeigt. Die mit dem Aufkohlimgsprozeß erzielten Werte sind wie folgt:

Material

Anzahl der Pulsierungsstöße mit kohlenstoffabgebendem Gas und Diffusionsperiode

Rückfülldruck in der Kammer

Temperatur in der Aufkohlungskammer

Beim Werkstück erzielte effektiv aufgekohlte Randzone

Nach der Wärmebehandlung erhaltene Härte

Silizium-Eisen

drei bei 5 Minuten 60 mm Hg-Säule

1038°G	Rockwell-C- Härte
0, 330 mm	64,5 61,5 57,5 49,5
Randzonen tiefe (mm)
0,051 0,127 0,254 0,381

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Beispiel Hr. 3

Es wird Bezug genommen auf die Mikrofotografie ^emsß üi^re zeigt einen aufgekohltvn Gegonstand aus 1S2^ (gemäß der in TJSA gebräuchlichen Nornmngnzahl), der durch folgenden Aufkohlungsprozeß erhalten wurde:

Material

Anzahl der Pulsierungsstöße mit kohlenstoffabgebendem Gas und Di ffusionsperiode

Rückfülldruck in der Kammer

Temperatur in der Aufkohlungskammer

Beim Werkstück erzielte effektiv aufgekohlte Randzone

Nach der Wärmebehandlung erhaltene Härte

152"-Stahl

10 bei	5 Minuten
25 mm	Hg-Säule
1038°C
0,508	mm

Randzonen- Rockwell-C- ^c/iG tiefe (mm) Härte

0	,051	53	,2	0	,74
0	,254	54	,8	0	,56
0	,508	5B	,0

Beispiel Nr« 4

Es wird Bezug genommen auf die Mikrofotografie gemäß Fig. 9, die einen Teil eines Getriebe-Zahnrades aus einem 1524—Stahl (gemäß der in USA gebräuchlichen Normungszahl) nach der Aufkohlung zeigt. Während des Aufkohlungszyklusses wurden folgende Bedingungen eingehalten und dabei folgende Ergebnisse erzielt:

Material

1524-Stahl

Anzahl der Pulsierungsstöße mit kohlenstoffabgebendem Gas

und Diffusionsperiode 10 bei 5 Minuten

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Rüekfüi!druck de« kohlenstoffs Gases in der Kammer

Au i'kohlu^gs—'Temperatur in d»r Kammer

Bein Werkstück erzielte effek tiv aufgekohlte Randsonn

Ns-lh der Wärmebehandlung erhaltene Härte

54 rani Hg-Säule 0,508 ram

Randzonen- Rockwell-C-tiefe (mm) Härte

0	,051	54	,2	1	,84
0	,254	56	,2	1	,44
0	,508	55	,5

Beispiel Nr. 5

Die Mikrofotografie gemäß Fig. 8 zeigt ein Zahnrad aus 1524-Stahl, das ähnlich dem aufgekohlten Zahnrad in Beispiel 4 und dargestellten Fig. 9 ist. In dem "vorliegenden Beispiel wurde der Aufkohlungsprozeß ohne Anwendung der Pulsierungsstöße mit kohlenstoffabgebendem Gas durchgeführt. In der Heizkammer wurde bei 1038⁰G ein Aufkohlungsdruck von 45 mm Hg-Säule aufrechterhalten. Lediglich zu Beginn wurde las aulkohlende Gas in die fleizkamme^ ^ingefur^t und verblieb dort fur-70 Minuten. Nach dem Evakuieren des kohlenstoffhaltigen Gases aus der Kammer wurde der aufgekohlte Gegenstand untersucht und eine effektive Randzonendicke von 0,254 mm festgestellt. Ein merkbarer Anstieg des prozentualen Kohlenstoffgehaltes in dem Werkstück konnte nicht beobachtet werden. .

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Beispiel Nr. _6

Die Versuche, wie sie für das vorliegende Beispiel Nr. 6 und das nachfolgend beschriebene Beispiel Nr. 7 durchgeführt vT! τ· Λ en, solion die Beziehung zwischen der erzielbaren Randz.onentiefe und der Anzahl der pro Aufkohlungszyklus benutzten Pulsierungpptöße verdeutlichen. Jn Fig. 11 ist ein Gegenstand aus 1117-Stahl (gemäß der in USA gebräuchlichen Norraungszahl) nach der Aufkohlung dargestellt, wobei die Ergebnisse unter folgenden Bedingungen erzielt wurden:

Material

Anzahl der Pulsierungsstöße mit kohlenstoffabgebendem Gas und Diffusions-Periode

Rückfall druck des kohlenstoffabgebenden Gases in der Kammer

Au fkohlungs-Temperatur

Beim Werkstück erzielte effektiv aufgekohlte Randzone

Vergleich der Randzonentiefe und des >C

1117-Stahl

i bei 5 Minuten

20 mm Hg-Säule 1038⁰O

nirn

Randzonen tiefe (mm)	'"'Π,
0,254	0,Qf
0,508	0,7^Γ
0,762	0 h ^Γ

Beispiel Nr. 7

Es wird Bezug genominen auf die Mikrofotografie geir^:i 5 ^vig. 12, die ein 'Werkstück aus 1117-£>tahl entsprechend dem im Beispiel 6 aufgekohlten Werkstück zeigt, bei dor

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jedoch während des Aufkohlungsayklusses sechs Pulsierungsstöße mit aufkohlendem Gas in der Heizkamraer vorgenommen wurden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, daß die Rxndaonentiofe direkt von der Anzahl der in der Heizkammer vorgenommenen Pulsierungsstöße mit kohlenstoffabgebendem Ga ο abhängt. Wie es aus Fig. 1° hervorgeht, ist die ■Randzonentiefe ca. 50 ^Cf^u größer als die in Pig. 11 dargestellte, wobei bemerkt werden muß, daß die doppelte Anzahl an Pulsierungsstößen mit kohlenstoffabgebendem Gas pro Aufkohlungszyklus verwandt wurde. Die Bedingungen dieses Aufkohlungszyklus-ses und die erzielten Ergebnisse sind wie foliot:

Material

Aufkohlungs-Druck in der Kammer

Aufkohlungs-Temperatur

Vergleich der Eandzonentiefe und %0

1117-Stahl

sechs bei 5 Minuten 20 mm Hg-Säule

1038⁰G	1,01
Randzonen	0,90
tiefe (mm)	0,69
0,254	0,44
0,508	0,30
0,762
1,020
1,270

In weiteren Beispielen wurde ein Gegenstand aus gesintertem, nicht rostendem Stahl aufgekohlt und zwar vermittels eines einmaligen Einströmens eines kohlenstoffab-

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gebenden Ganes in die Hpizkamraer bei einer Temperatur von 1O38°C. Eine Diffusions-Periode von 20 Minuten bewirkte eine Rnndzonentiefe von 0,254 mm.

Ein Werkstück aus gesintertem Eisen mit 3 ^u'^:- Kupfer vmrde ebenfalls durch einmaliges Eingeben von kohlenstoffabgebendeni Gas in die HeizkaTimer bei einer Temperatur von 1O38°C aufgekohlt. Bei einer Diffusions-Periode von 20 Minuten wurde eine Randzonentiefe von 0,254- mm erzielt.

Dieser Prozeß erfolgte zusammen mit einer Löttechnik, bei der ein Gegenstand aus Stahl mit einem anderen Stahlgegenstand unter Zugabe von 1010-Kupferlot (gemäß der in USA gebräuchlichen NormungszahlV bei einer Temperatur in der Kammer von zunächst 1121⁰C! zusammengelötet wurde. Danach wurde die Temperatur in der Kammer auf 1O38°C abgesenkt und der normale Aufkohlungszyklus durchgeführt.

Er ist ersichtlich, daß der Ailifkohlungsprozeß gemäß der Erfindung im wesentlichen ein Verfahren zur Veränderung der Oberflächenstruktur bzw. des Oberflächen-Chemismusses eines Metalls durch Hinzufügen von Kohlenstoff durch Absorption oder thermischer Diffusion darstellt. Da der Prozeß in einer evakuierten Kammer durchgeführt wird, lassen sich bestimmte gewünschte Ergebnisse erzielen, wie das bei den bisher bekannten Aufkohlungsprozessen nicht möglich war. In diesem Zusammenhang kann erwogen werden, die Größenordnung des Vakuums auf Werte um 10" mm Hg-Säule auszudehnen. Wie es aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht und wie es aus den angeführten Beispielen ersichtlich ist, kann der Aufkohlungsprozeß unter den verschiedensten Aufkohlungs-Drücken durchgeführt v/erden. Der Druck für das kohlenstoffabgebende Gas kann von 0 bis zum

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Sättigungspunkt in der Hei ζ kammer variiert v/erden. Normalei'weise variiert der Druck von Fall zu Fall, da die von dem Werkstück absorbierte Kohlenstoffraenge proportional dem absoluten Druck in der Aufkohlungs-Eammer int.

Der Gesamtdruck des kohlenstoffabgebenden Gases kann snr Bestimmung des Partialdruckes des Kohlenstoffes in der H?izkammer während den Aufkohlungszyklusnes benutzt werden. Scnit kann der Fartiald^iick ß°? Fohlen Stoffs? entsprecht"^ d°r Oberflächengüte de ^ aufzukohlenden Werkstücke rvariiert werden, ura so ein vorher ausgewähltes Fohlenstoff-Potential aufrechtzuerhalten. Der Rückfüll-Druck des kohlenstoffabgebenden Gases kann entsprechend eingestellt werden.

Wie bereits erwähnt, kann der Temperaturwert während des Aufkohlungszyklusses ebenfalls variiert werden. Dies hängt von dem zu behandelnden Material ab. Die Temperatur in der Aufkohlungskammer kann bis zu 2760⁰C gesteigert werden, sofern dies natürlich für die Ofenanlage und das zu behandelnde Werkstück erträglich ist.

Es int wesentlich, daß die Aufkohlung in einer Atmosphäre frei von Verunreinigungen durchgeführt wird. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dafür geschaffen, eine reine Umgebungs-Atmosphäre zu erhalten, da während der Evakuierung der Heizkammer relativ hohe Temperaturen erzielt werden können. Es werden alle Oberflächen-Verunreinigungen des Materials und alle Verunreinigungen, die der Oxidation der Teile der Heizkammer herrühren, entfernt.

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Ein anderes wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zn sehen, daß die aufgekohlte Randzonentiefe genau bestimmt und ebenfalls die prozentuale Aufkohlung des We rkxt'ickes g^nau vorher festgelegt werden kann. T)Iese genau⁰ Beeinflussung des Aufkohlungsprozesses wird möglich durch die Einbringung eines Kohlenstoff-Spenders, wie zum B^i- spiel Methangas, in die evnimierte Kammer und durch Steuerung der Aufkohlungskonzentration vermittele des Druckes vi »vi de-· Temperatur. Da zusammen mi t einer relativ hohen Temperatur ein relativ hohes Vakuum zur Anwendung kommt, kann das gewünschte Ergebnis auch durch einfachen Vorbep ti πι πι en der Anzahl der Pulsierungsstöße in it kohl ons toff abgebendem Gas, das in die Kammer eingeleitet wird, und des Vakuums, das bei Anwesenheit d^r, Gases in der Kann or aufrechterhalten wird, erhalten werden.

Obwohl die Erfindung vorstehend an Hand eines angewendeten Oharn-o'ihetriebes, d.h. die Aufknhlu.ng ο j nor bestimmter» ^ateria^.^nge Iv dem Ofen 1Π, beschrieben vorden i ft, kann das Verfahren gemäß der Erfindung natürlich auch in kontinuierliche." ¹Z^iSe durchgeführt werden, ^u diesem /'■h'eck 1st nr lediglich notvendig, daß der Vakuumofen mit Eingangs- und Aungangss^hleusen ausgerüstet wird.

Es sei weiterhin hervorgehober , dnß der 7.eitf^kt<"' '"'ir d¹'^ Auf kohlung bei einem Verfahren g'^mäß der vor! j .ngerden PJrf.irdurg wesentlich gegenüber dem Zeit^nktor b^i di'ii bekannten Verfahren v^rri n^ert worden ist. Die bekannten Gas-Au^f>kohlungsprozesse dauerten zum Beispiel bis zu 14 Stunden. Vergleichsweise erfordert der Aufkohlungsprozeß bei gleichem Werkstück gemäß der Erfindung lediglich 2 Λ/'? hin 3 Stunden. In den meisten Anwendungsfällen liegt daher dor Zeitaufwand für eine konventionelle Gas-Aufkohlungsmethode mehr als doppelt r^;-~> hoch wie bei dem erfindungsg^mäßen Verfahren. Darüberhinaus besitzt die Erfindung den Vorteil,

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daß die Aufkohlungs-Bedingungen genau gesteuert werden können, so daß gewünschte Aufkohlungstiefen und Kohlenstoff anteile bei dem Werkstück erzielbar sind. Innerhalb und außerhalb des Ofens wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer absolut sauberen Atmosphäre ausgeführt. Demzufolge besitzen die aufgekohlten Gegenstände eine saubere und gleichmäßig glänzende Oberfläche, so daß zusätzliche Reinigungsvorgänge nicht mehr erforderlich sind. Da normalerweise Stadtgas verwendet wird und dieses zunächst zur Beseitigung von Verunreinigungen durch den Trockner 52 geleitet wird, ist das gesamte Verfahren absolut frei von Verschmutzung. Dies steht im scharfen Gegensatz zu den bekannten Aufkohlungsprozessen, die das wärmeaufnehmende Gas ständig durch einen Schornstein abblasen. Weiterhin kann, da der warmeaufnehmende Gasträger bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist, der übliche Gasgenerator entfallen, der normalerweise in den bekannten Aufkohlungsprozessen als Standardanlage mit enthalten ist.

Wie beschrieben, verläuft der Vakuum-Aufkohlungsprozess in einer absolut reinen Atmosphäre. Das ist auf Grund des hohen Vakuums und der Temperaturen möglich. Als Folge davon sind beim Anfahren und während des Prozesses keine Oxidationsprobleme vorhanden. Es sdII hervorgehoben werden, daß für das Verfahren selbst nicht viel Aufkohlungs-AtmoSphäre verbraucht wird. Eine genaue Steuerung des Prozesses trägt weiterhin zu einer Verringerung der in dem Ofen benötigten Aufkohlungs-Gasmenge bei.

Es ist 3chon erwähnt worden, daß die Verwendung von Graphit-Heizelementen und von Graphit-Isolationselementen in der Heizkammer, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandten hohen Temperaturen ermöglichen. Diese Temperaturen sind bisher für die Aufkohlung von Materialien noch nicht verwandt worden. Würden sie in einem konventionellen unter

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Atmosphärendruck stehenden Ofen zur Anwendung kommen, dann wurden die Ofen-Heizolemente und die anderen Bestandteile des Ofeninneren vollständig zerstört werden. Weiterhin cei daraufhingewiesen, daß die bei dem erfindungsgemäßen Aufkohlungsverfahren angewandte Vakuumtechnik nicht nur allein zur Beseitigung von Verunreinigungen der Ofeninnenfläche und der Werkstückoberfläche dient, sondern ebenso die Metalloberfläche des V/erkstücks präpariert, so daß während des Prozesses eine Absorption und eine thermische Diffusion leichter durchführbar sind. Letztlich ist die Vakuumtechnik bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so ausgestaltet, daß abwechselnd kohlenstoffabgebendes Gas in die Ofenkammer eingeleitet werden kann, aus der es dann durch eine Serie von Pulsierimgsstößen wieder evakuiert wird, wobei die Pulsierungsstoße gleichzeitig für die notwendige Zirkulation des Kohlenstoffes über die Oberfläche des Werkstückes sorgen, um das gewünschte Eindringen des Kohlenstoffes in die Oberfläche sicherzustellen. Dieser Pulsierungseffekt ist so gesteuert und in bezug auf den Kohlenstoffanteil und die Eindringtiefe so vorbestimmt, daß das gewünschte Ergebnis präzis erzielt wird.

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Claims

Pat en t an sprüch e

1. Verfahren zum Aufkohlen der Randzonon eines Werkstücke "·, dadurch gekennzeichnet, da^ri das Werkstück in nine geschlossene Heiskammer eingegeben wird, aus der sodann durch Evakuierung Oxidationsga^e und andere Verunreinigungen sowie durch ausreichendes Erwärmen des Werkstücken die Cberf lächenverunrein? gung^r>n don Werkstückes entfernt werden, woraufhin ein Kohlenstoffspender in die evakuierte Kammer eingebracht wird, dessen Konzentration durch den absoluten Druck den Kohlenstoffes in der Kammer bestimmt wird, so daß die von der Oberfläche des Werkstückes absorbierte Kohlenstoffmenge genau bestimmbar ist.

?.. "Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer abwechselnd evakuiert wird, wobei der Kohlenstoffspender entfernt und erneut in die Kammer eingeleitet wird, wodurch für einen vorbestimmten Zyklus ein Pulsierungseffekt entsteht, der die Zirkulation des Kohlenstoffspender" um das Werkstück steigert, so da¹? eine gleichmäßig aufgekohlte Hardzone mit vorhec.+;-τ. te ν Tiefe und Kohlenr.tof fge^'-H t er^ielbar ist.

Verfahren nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, daß als kohlenstoffspender Methangas (CH^) verwandt wird.

Verfahren nach Anspruch .?, dadurch gekennzeichnet, daß dir:· abwechselnde Evakuieren und Hückfüllen eines Kohlen stoff ιrpenders in die HeizVammer automatisch geregelt wird, wobei der vorgeschriebene Aufkohlungszyklus entsprechend der gewünschten Handzonentiefe und dem prozentualen Kohlenstoffgehalt bestirmt \«n.rd.

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BAD ORIGINAL

5. Verfahren nach Anspruch ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufkohlungstemperatur als obere Grenze mindestens 2760⁰C gewählt wird, und daß die obere Grenze des Aufkohlungs-Rückfülldruckes in der Kammer durch den Sättigungspunkt des Gases gegeben ist.

6. Verfahren zur Verbesserung der Verschleißen genschaften eines Metallartikels durch thermische Diffusion von Kohlenstoff in den Artikel, dadurch gekennzeichnet, daß oin Behälter, in den der zu behandelnde Metallartikel eingegeben ist, auf ein Vakuum in der Größenordnung von 0,2 mm Hg-Säule evakuiert wird, daß der Artikel in dem Behälter auf eine Temperatur bis zu 2760 C erwärmt wird, daß der Behälter mit einer Atmosphäre, die einen Kohlenstoff elender erthält, xückge ^uI It vrird bin ei^v Vakrum ^n der 'Jrößenordrung des Sv -tigungspvnktes der Atmosphäre einalten wird, wouureh der Artikel von dem Kohlenstoffspender umhüllt ist, und daß die ausgewählte Temperatur und das Rückfüllvakuum für eine bestimmte Zeit gehalten wird, um die Diffusion des Kohlenstoffs in den Artikel zu ermöglichen, woraufhin der Behälter evakuiert und die Atmosphäre mit dem Kohlenstoffspender aus dem Behälter 'entfernt wird, und daß für mindestens einen v/eiteren Zyklus abwechselnd der Behälter mit der Atmosphäre rückgefüllt und die Atmosphäre durch Evakuierung des Behälters entfernt wird, woraufhin der Artikel in dem Behälter abgekühlt wird und ζην Entnahme des Artikels der Behälter auf den Atmosphärendruck aufgefüllt wird.

7. Verfahren zum Aufkohlen eines metallischen Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter, in der das Werkstück eingegeben worden ist, zur. Entfernung der Verunreinigungen evakuiert wird, daß der Behälter mit einer

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Atmosphäre, die einen Kohlenstoffspender enthält, rückgefüllt wird, während die Temperatur in dem Kessel auf einer Höhe gehalten wird, die eine thermische Diffusion des Kohlenstoffes in die Werkstücko"berflache ermöglicht, woraufhin die Atmosphäre aus dem Behälter evakuiert wird und der Behälter und das Werkstück bei einem Unterdruck gekühlt werden, woraufhin der Behälter zum Entfernen des aufgekohlten Werkstückes auf den Atmosphärendruck rückgefüllt wird.

8. Verfahren zur Aufkohlung eines metallischen Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in die Heizkaramer eines Vakuumofens eingegeben wird, daß die Heizkamraer so weit evakuiert wird, wie es zur Entfernung der Verunreinigungen und Oxidationsgase erforderlich ist, . daß die Temperatur in der Heizkammer oberhalb einer normalen Aufkohlungs-Temperatur von 954-⁰C angehoben wird, so daß das Werkstück für die Absorption von Kohlenstoff in der äußeren Randzone desselben präpariert wird, woraufhin eine Atmosphäre, die einen Kohlenstoffspender enthält, in die Heizkammer eingeleitet und auf einen Unterdruck gehalten wird, so daß der Kohlenstoff durch thermische Diffusion in das Werkstück eindringt, und daß abwechselnd die Heizkammer zum Entfernen der Atmosphäre evakuiert und erneut mit der Atmosphäre rückgefüllt wird, um einen Pulsierungseffekt für die Diffusion des Kohlenstoffs in das Werkstück zu erzeugen, vermittels dem die Randzonentiefe des diffundierten Kohlenstoffs und der prozentuale Anteil des von dem Werkstück absorbierten Kohlenstoffes genau bestimmbar ist.

9. Verfahren zum Aufkohlen eines metallischen Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in der Heizkammer eines Vakuumofens angeordnet und dieser bis auf ein Vakuum von mindestens 0,1 mm Hg-Säule evakuiert wijd,

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um im wesentlichen die Verunreinigungen und Oxidationsgase aus der Heizkammer und von der Oberfläche des Werkstücken zu entfernen, daß die Temperatur in der Heizkammer oberhalb der normalen Aufkohlungs-Temperatur von 954-°C und mindestens auf 1010⁰C angehoben wird, woraufhin in die Heizkammer eine Atmosphäre, die einen Kohlenstoff spender enthält, eingeleitet wird, während der Unterdruck in der Kammer gehalten wird, so daß der Kohlenstoff aus der Atmosphäre in die äußere Oberfläche des Werkstückes diffundiert.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Aufkohlung eines metallischen Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Vakuumofen (10) mit einer Heizkammer (16) zur Aufnahme des Werkstückes umfaßt, daß Elemente zum Beheizen der Heizkammer und Einrichtungen (24,26) zum Evakuieren der Kammer vorgesehen sind, daß weiterhin Einrichtungen zum Einleiten einer Atmosphäre, die einen Kohlenstoffspender enthält, in die Heizkammer während des Evakuierungsvorganges angeordnet sind und daß geeignete Elemente zum Aufrechterhalten des Unterdrückes in der Kammer für eine bestimmte Zeitperiode vorgesehen sind, so daß der Kohlenstoff in das Werkstück durch thermische Diffusion eindringen kann, und daß die Vorrichtung mit Apparaturen zur Veränderung des absoluten Druckes der Atmosphäre in der Heizkammer entsprechend der proportionalen Änderung des von dem Werkstück absorbierten Kohlenstoffanteils ausgerüstet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Einrichtungen und Geräten zum Einleiten eines Methan-(CH_Z)-haltigen Naturgases in die Heizkammer ausgerüstet ist.

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■12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem zusätzlichen Gerät (52) zur Entfernung von Verunreinigungen aus der Atmosphäre -vor dem

Einleiten in die Heizkammer ausgerüstet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Regelelemente zur Aufrechterhaltung des Atmosphärendruckes in der Heizkammer in einer Größenordnung von 20 "bis 80 mm Hg-Säule vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Regelelemente zum abwechselnden Evakuieren und Rückfüllen der Atmosphäre in der Heizkammer vorgesehen sind, vermittels der ein Pulsierungseffekt zum Steuern der von dem Werkstück absorbierten Kohlenstoffmenge erzielbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitwerk (44) vorgesehen ist, vermittels dem der Verbleib der Atmosphäre in der Heizkammer steuerbar ist.

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