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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung einer Wärmebehandlung
von Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Wärmebehandlung
von Werkstücken, bei welchem ein -bei der Wärme behandlung wirksames Gas im wesentlichen
kontinuierlich durch eine beheizte, die Werkstücke aufnehmende Kammer geleitet wird
sowie einen Ofen zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, Werkstücke, inshesondere metallische Werkstücke, einer
Wärmebehandlung zu unterwerfen, in deren Verlauf ein geeignetes Gas in Kontakt mit
der Oberflçiche des erwärmten Werkstücks gebracht wird, bei welchem beispielsweise
eine Aufkohlung, eine Entkohlung, eine Reduktion oder eine Nitrierung erfolgen soll.
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Bei einem typischen Verfahren dieser Art wird die Kammer eines Ofens
ziemlich stark evakuiert und dann aufgeheizt, um die Temperatur des Werkstückes
anzuheben. Danach wird ein geeignetes Gas in die Kammer eingeleitet und strömt an
dem Werkstück vorbei, während die Kammer auf einem vorgegebenen Druck, üblicherweise
einem Unterdruck, gehalten wird und während gleichzeitig die Beheizung des Werkstückes
fortgesetzt wird. Beim Berühren der heissen metallischen Oberflächen des Werkstücks
zersetzt sich das Gas und erzeugt die gewünschten Oberflächeneigenschaften des Werkstücks,
wobei das Gas in der Kammer normalerweise kontinuierlich ausgetauscht wird, so dass
in dieser standig ein Vorrat an aktiven Gashestandteilen vorhanden ist.
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Ausgehend von dem bekannten Verfahren und den Vorrichtungen zu ihrer
Durchführung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, «in Verfahren bzw. eine Vorrichtung
anzugeben, mit dem bzw.
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mit der es möglich ist, die Oberflächen der zu behandelnden Werkstücke
besonders gleichmässig und wirksam mit dem jeweils verwendeten Gas zu beaufschlagen.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art
dadurch gelöst, dass man gemäss der Erfindung in dem Gas in der Kammer Strömungen
in wechselnden Richtungen erzeugt.
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Ein Ofen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einer
von Wänden umgebenen, die Werkstücke aufnehmenden Kammern, mit Heizelementen in
der Kammer, mit einem Einlass zum Einleiten eines im wesentlichen kontinuierlichen
Stromes eines bei der Wärmebehandlung wirksamen Gases in die Kammer, mit einem Auslass
zum SDleiten eines im wesentlichen konstanten Gasstromes aus der Kammer und mit
Umwälzeinrichtungen zum Erzeugen einer Gc7.sstr8mung in der Kammer ist erfindungsgemäss
dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzeinrichtungen derart ausgebildet sind, dass
sich in der Kammer eine pulsierende Gasströmung in unterschiedlichen Richtungen
ergibt.
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Es ist ein Vorteil von Verfahren und Vorrichtung gemäss der Erfindung,
dass das Gas die Werkstücke auf eine besondere Weise umspült, so dass eine gleichmässigere
thermo-chemische Behandlung der Werkstückoberfläche erreicht wird, als dies bisher
möglich war, während gleichzeitig eine wirksame Behandlung auch bei relativ grosser
Werkstückdichte mit einem vergleichsweise kleinen Gasvolumen möglich ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Reaktionsprodukte schneller
von den zu behandelnden Oberflächen der Werkstücke abgeführt werden als dies bisher
möglich war.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutz
ansprüche. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch
einen Ofen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;
Fig.
2a und 2b schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung der Gasströmungen
in dem Ofen gemäss Fig. 1; Fig. 3a und 3b schematische Querschnittsdarstellungen
zur Erläuterung der Strömungsverhältnisse bei einem abgewandelten Ofen gemäss der
Erfindung; Fig. 4a und 4b schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung
der Strömungsverhältnisse des Ofens gemäss Fig. 3a und 3b bei geändertem Ablauf
der Arbeitszyklen; Fig. 5a bis 5d Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung der
Strömungsverhältnisse bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines Ofens
zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
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Gemäss Fig. 1 ist zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
ein Ofen 10 vorgesehen, in dem ein Vakuum erzeugbar ist und der eine kalte bzw.
gekühlte Wandung besitzt. Der Ofen 10 dient zur Durchführung einer Wärmebehandlung
eines Werkstückes 11 bzw. einer Reihe von Werkstücken in Anwesenheit eines bei der
Wärmebehandlung wirksamen Gases, welches normalerweise im Inneren des Ofens auf
einem Unterdruck gehalten wird. Ein Ofen dieses Typs ist in der US-PS 3 171 759
beschrieben.
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Im einzelnen besitzt der Ofen 10 ein hohles zylindrisches Gefäss 13,
das an seiner Unterseite von einer Basis 14 abgestützt
wird und
durch einen Kühlwassermantel 15 gekühlt wird. Im Inneren des Gefässes 13 ist eine
aus mehreren Wänden auf gebaute Abschirmung 16 aus hochtemperaturfesten' rlaterial
vorgesehen, welche als Innenraum eine Kammer 17 umschliesst, in der die Wärmebehandlung
durchgeführt wird und in der das Werkstück 11 von einem Rollenrost 19 abgestützt
wird. Das Werkstück wird durch geeignete Wärmestrahler 20 erwärmt, beispielsweise
durch elektrische rIeizstäbe, welche in der Kammer senkrecht angeordnet sind.
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Zum Evakuieren des Gefässes 13 und damit der Kammer 15 steht eine
Pumpe 21 mit dem Inneren des Gefässes 13 über eine Leitung 23 in Verbindung. In
der Leitung 23 kann ein geeignetes Ventil 24 vorgesehen sein, welches das Vakuum
in dem Gefäss 13 aufrechterhält und durch ein entsprechendes Stellglied (nicht dargestellt)
betätigbar ist.
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Das bei der Wärmebehandlung wirksame Gas wird aus einer geeigneten
Gasquelle 27 zugeführt und über eine Leitung 28 in die Kammer 17 geleitet. Die Leitung
28 führt beim Ausführungsbeispiel von oben in das Gefäss 13 hinein und endet in
einer Graphitdüse 29, welche die Abdeckung bzw. die obere Wand der Abschirmung 16
durchgreift. Längs der Leitung 28 sind Ventileinrichtungen 30 vorgesehen, die eine
im wesentlichen konstante Gaszufuhr zu der Kammer 17 gewährleisten. Das Ableiten
des Gases aus der Kammer 17 erfolgt über eine Leitung 31, welche in der Nähe des
Bodens der Kammer 17 endet und mit der Pumpe 21 über ein Ventil 33 in Verbindung
steht, das dazu dient, in der Klammer 17 einen im wesentlichen konstanten Druck
aufrechtzuerhalten.
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Ein Ofen der vorstehend beschriebenen Art ist besonders für die Durchführung
thermo-chemischer Prozesses, wie z.B. die Vakuum-Aufkohlung, geeignet, bei welcher
Kohlenstoff aus einem Kohlenwasserstoffgas in die Oberflächen des heissen Werkstückes
eingebracht wird, um eine Einsatzhärtung des Werkstückes 11 durchzuführen. Bei einer
typischen Vakuum-Aufkohlung wird in der Kammer 17 ein relativ hohes Vakuum erzeugt,
woraufhin dann eine Aufheizung erfolgt, um das Werkstück 11 einer kurzen Vakuumkonditionierung
zu unterwerfen. Danach wird die Temperatur in der Kammer auf etwa 1093°C angehoben.
Anschliessend wird die Kammer 17 über die Leitung 28 mit einem geeigneten Gas, wie
z.B. Methan (CH4), gefüllt. Das Methan kann kontinuierlich in die Kammer 15 eingeleitet
werden, beispielsweise in einer enge von etwa 708 Liter pro Stunde, und das Ausströmen
des Gases aus der Kammer kann so geregelt werden, dass der Druck in der Kammer bei
etwa 0,125 Atmosphären gehalten wird.
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Die Strömung durch die Kammer 17 wird aufrechterhalten, nachdem der
gewünschte Druck erreicht ist. Das Methan umfliesst dann das Werkstück 11 und zerfällt
bei Berührung der heissen Oberflächen des Werkstückes. Die beherrschende Reaktion
beim Zerfall des Methans verläuft wie folgt: CH4 (9)
C + 2H2(9) wobei der Kohlenstoff von den heissen Oberflächen absorbiert wird, während
der Wasserstoff abgeführt wird. Um eine gleichmässige Härtungstiefe mit einem vorgegebenen
Kohlenstoffgradienten zu erhalten, muss
allen Kohlenstoff Werkstückoberflächen
gleichmässig zur Verfügung
stehen. Folglich muss das Gas bezüglich des Werkstückes derart zirkulieren, dass
der Wasserstoff als Zerfallsprodukt gleichmässig durch aktives Methan in der Nähe
aller Werkstückoberflächen ersetzt wird.
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Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass eine
gleichmässigere Behandlung der Werkstückoberflächen erfolgen kann, als dies bisher
möglich war, wenn man das Gas bezüglich der Werkstückoberflächen in verschiedenen
Richtungen lebhaft pulsieren lässt, was wesentlich günstiger ist, als eine gleichmässige
Strömung in einer Richtung, wie sie bisher mit Hilfe von Ventilatoren und dergleichen
erzeugt wird. Durch die Hin- und Herbewegung bzw. das IIin- und Ilerschwingen des
Gases bezüglich des Werkstücks 11 wird das aktive Gas wirksamer in gleichmässigen
Kontakt mit allen Seiten des Werkstücks gebracht, während gleichzeitig die gasförmigen
Reaktionsprodukte schneller von den Werkstückoberflächen weggetragen werden, so
dass sich nicht nur ein gleichmässigerer Reaktionsablauf an den Oberflächen ergibt,
sondern gleichzeitig ein dichteres Beschicken des Ofens mit Werkstücken ermöglicht
wird, welche mit einem vergleichsweise kleinen Gasvolumen behandelt werden können.
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Vorzugsweise wird das Gas erfindungsgemäss relativ zu dem Werkstück
11 hin- und herbewegt. Zu diesem Zweck ist in einem an die Kammer 17 angrenzenden
Raum 36 ein Kolben 35 vorgesehen, welcher mit einer Wärmeisolation versehen ist
und welcher in den Raum 36 passend eingesetzt ist. Der Kolben 35 ist über eine Kolbenstange
39 mit einem geeigneten Antrieb an der Unterseite des Gefässes 13 verbunden, beispielsweise
mit einem pneumatischen Zylinderaggregat 37. Wenn der Kolben 35 mit der Kolbenstange
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nach unten bewegt wird und sich aus der Kammer 17 herausbewegt, zieht er Gas in
den Raum 36, so dass sich gemäss Fig. 2a eine nach unten gerichtete Strömung bezüglich
des Werkstücks 11 ergibt. Wenn sich der Kolben dagegen aus seiner tiefsten Stellung
nach oben bewegt, d.h. aus dem Raum 36 heraus und in Richtung auf die Kammer 17,
dann wird das Gas aus dem Raum 36 heraus gedrückt, und es ergibt sich gemäss Fig.
2b bezüglich des Werkstücks 11 eine nach oben gerichtete Gasströmung.
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Bei der betrachteten Anordnung wird das Gas kontinuierlich in die
Kammer 17 eingeleitet und kann mit der gewünschten Frequenz und Geschwindigkeit
relativ zu dem Werkstück 11 hin- und herbewegt werden, ;enn man die Zykluszeit und
die Geschwindigkeit des Kolbens 35 variiert. Aufgrund der in dem Gas hervorgerufenen
IIin- und Herbewegung ergeben sich in der Kammer 17 Wirbel, so dass das Gas mit
allen Oberflächen des Werkstücks 11 in einen im wesentlichen gleichmässigen Kontakt
gelangt. Bei der Vakuum-Aufkohlung wird durch die IIin- und Herbewegung des Gases
der an den Werkstückoberflächen entstehende Wasserstoff sehr schnell wieder durch
aktives Methan ersetzt, so dass das Gas an allen Werkstückoberflächen eine besonders
gleichmässige Zusammensetzung aufweist, wodurch eine gleichmässigere Einsatzhärtung
bzw. Aufkohlung erreichbar ist. Ausserdem reichen zur ßehandlung eines Werkstücks
vorgegebener Grösse kleinere Gasmengen aus und es ist möglich, in einer Kammer 17
mit relativ kleinem Volumen eine vergleichsweise grosse Werkstückmenge zu behandeln.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist sowohl bei sehr geringem Druck,
beispielsweise bei einem Druck zwischen 50 und 100/umWS als auch bei einem relativ
hohen Druck, beispielsweise bei Atmosphärendruck oder darüber, wirksam und leidet
kaum unter hohen Temperaturen in Anwesenheit eines reaktionsfähigen Gases.
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Der Kolben 35 kann nämlich aus dem gleichen, hochtemperaturfesten
Material hergestellt bzw. mit diesem bedeckt werden, wie die Abschirmung 16, so
dass er trotz der Tatsache, dass er einem heissen reaktionsfähigen Gas ausgesetzt
ist, eine lange ebenserwartung besitzt.
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Der Ofen 10' gemäss Fig. 3a, 3b und 4a,4h ist ebenso aufgebaut wie
der Ofen 10 mit der Ausnahme, dass sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite
der Kammer 17' Räume 36' vorgesehen sind, in denen hin- und herbewegbare Kolben
35' angeordnet sind. Wie die Fig. 3a und 3b zeigen, können die Kolben 35' im Gleichtakt
und in der gleichen Richtung hin- und herbewegt werden, so dass sich jeweils ein
Kolben in Richtung auf die Kammer 17' bewegt, während sich der andere Kolben von
der Kammer wegbewegt usw., wobei das Gas jeweils aus dem einen Raum 36' herausgedrückt
und in den anderen Raum 36' hineingesaugt wird, so dass sich eine Hin- und Herbewegung
des Gases ergibt. Eine turbulentere Hin- und lIerbewegung des Gases lässt sich dann
erreichen, wenn man die Kolben 35', wie dies die Fig. 4a und 4b zeigen, im Gegentakt
antreibt, d.h. synchron, jedoch in entgegengesetzten Richtungen, so dass das Gas
gleichzeitig in die beiden Räume 36' hineingesaugt und dann gleichzeitig aus diesen
beiden Räumen herausgedrückt wird.
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Die Fig. 5a bis 5d zeigen einen Ofen 10'' mit einem ersten Kolben
35" in einem ersten Raum 36'' an einer Seitenwand der Kammer 17'' und mit einem
zweiten Kolben 35'', der rechtwinklig zu dem-ersten Kolben in einem zweiten Raum
36'' angeordnet ist.
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Wenn man die beiden Kolben 35'' zu unterschiedlichen Arbeitszyklen
antreibt, kann man in der Kammer 17'' unterschiedliche Strömungsmuster erzeugen,
um beispielsweise bei unregelmässig
geformten tw'erkstücken,deren
Oberflächen bei einer einfachen llin- und lierbewegung des Gases nicht gleichmässig
erreicht würden, einen optimalen Kontakt zwischen dem Gas und den Werkstückoberflächen
zu erreichen. Eine mögliche Folge von Gasströmungen ist anhand der Fig. 5a bis 5d
dargestellt, aus denen deutlich wird, dass im Zuge eines kompletten Arbeitszyklus
der gesamten Anordnung das Gas zunächst nach unten gedrückt wird, dann nach rechts,
dann wieder nach oben und dann nach links.
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L e e r s e i t e