DE2657078A1

DE2657078A1 - Einrichtung zur ionennitrierung

Info

Publication number: DE2657078A1
Application number: DE19762657078
Authority: DE
Inventors: Mizuo Edamura; Satoshi Furuitsu; Satoru Kunise; Akio Tanaka
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-16
Publication date: 1977-07-07
Also published as: CA1113425A; GB1567929A; FR2337206A1; AU2071476A; DE2657078C2; AU502496B2; FR2337206B1; US4342918A; US4371787A

Description

KAWASAKI JUKOGYO K. K., KOBE, HYOGO (JAPAN)

Einrichtung zur Ionennitrierung

Bei der herkömmlichen Ionennitrierung von Werkstücken durch eine Glimmentladung von gasförmigen Stickstoffmolekülen wird gewöhnlich ein als Anode geschalteter metallischer Behälter benutzt, in welchen die als Kathode geschalteten Werkstücke, einzeln oder zu mehreren, für die Dauer der Nitrierung eingelegt werden. Die Nitrierung beginnt damit, daß zuerst über dem Werkstück ein Vakuum in der Größenordnung zwischen 1 und 10 Torr angelegt wird und dann durch Einschaltung einer mit der Anode und der Kathode verbundenen Gleichstromquelle die für die Glimmentladung notwendige Spannung zwischen diesen

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beiden Elektroden erzeugt wird, wodurch die über dem Werkstück vorhandenen gasförmigen Stickstoffmoleküle eine Ionisierung erfahren und nach erfolgter Ionisierung an dem Werkstück niedergeschlagen werden. Dabei erfährt das Werkstück gleichzeitig mit dieser Erzeugung von Stickstoffionen eine Erwärmung, die erst beim Erreichen einer bestimmten Körpertemperatur des Werkstückes den Niederschlag der Stickstoff ionen an der Werkstückoberfläche auslöst. Nachteilig dabei ist, daß wegen des anfänglich kalten Zustandes der Werkstücke die für die Ionisierung der Stickstoffmoleküle notwendige Glimmentladung ziemlich unstabil abläuft und es im Extremfall sogar zur Bildung von örtlichen Lichtbogen-Entladungen kommt, mit der Folge, daß die Nitrierung des betreffenden Werkstückes entsprechend ungleichförmig ist, die für den Niederschlag der Stickstoffionen so wichtige gleichmäßige Körpererwärmung der Werkstücke kaum erreicht wird und es mithin nur äußerst schwierig bei einer entsprechend diffizilen Konditionierung gelingt, über längere Zeiträume ein unverändert optimales Ergebnis der zeitlich aufeinanderfolgenden Ionennitrierung von unter sich gleichen oder ungleichen Werkstücken zu erhalten. Besonders schwierig gestaltet sich dabei die Behandlung unregelmäßig geformter Werkstücke, insbesondere solchen, bei denen die Oberfläche durch VorSprünge oder kleinere Spalte bzw. Auskerbungen bestimmt ist, da dabei kaum das Auftreten von Temperaturspitzen im maßgeblichen Temperaturbereich zwischen etwa 350 und 570° C selbst dann verhindert werden kann, wenn sonst eine gleichmäßige Körpertemperatur der Werkstücke erreicht ist. Solche Temperaturspitzen beeinflussen aber ebenso nachteilig die Nitrierung wie ein wechselnder Abstand zwischen den Elektroden, wobei diesbezüglich gilt, daß bei einem zu großen Abstand die Glimmentladung an der betreffenden Stelle so schwach sein kann, daß es dort überhaupt nicht zu dem gewünschten Niederschlag der Stickstoffionen kommt. Da die Glimmentladung außerdem im Zentrum des Vakuums am schwächsten ist, tritt in dieser

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Hinsicht der weitere Nachteil in Erscheinung, daß man damit regelmäßig gezwungen ist, das betreffende Werkstück dezentralisiert innerhalb eines im Vergleich zu der Werkstückgröße wesentlich überdimensionierten Behandlungsraumes anzuordnen. Diese Überdimensionierung des Behandlungsraumes, also des eigentlichen Reaktorofens, ist nicht nur wegen des Mißverhältnisses zur Werkstückgröße wirtschaftlich kaum vertretbar, vielmehr wird dadurch auch eine ziemlich lange Zeit benötigt, bis das gewünschte Vakuum erzeugt ist, wodurch die gesamte Behandlungsdauer eines Werkstückes entsprechend verlängert wird. Selbstverständlich muß für einen solchen überdimensionierten Behandlungsraum auch eine größere Stickstoff menge eingesetzt werden, um für die Ionisierung eine hinreichende Dichte der Moleküle zu erhalten. Als weitere Störgröße tritt dabei auch die Schwierigkeit der Erzielbarkeit einer gleichmäßigen Körpertemperatur in solchen größeren Behandlungsräumen auf, die man wieder dadurch für einzelne Anwendungsfälle unter Kontrolle zu bekommen versuchte, daß man den Behandlungsraum mehr in der Höhe vergrößerte und im meistens runden Querschnitt quer zu dieser Höhenrichtung verringerte. Ein solcher kleinerer Querschnitt erlaubt aber wieder erst recht nicht die Behandlung größerer Werkstücke, wie beispielsweise von Zahnrädern, die im Schiffsbau Verwendung finden.

Vor diesem Hintergrund liegt mithin der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit größerer Wirtschaftlichkeit zu betreibende Einrichtung zur Ionennitrierung von Werkstücken durch eine Glimmentladung von gasförmigen Stickstoffmolekülen zu schaffen, mit der insbesondere innerhalb kürzester Zeit eine optimal gleichmäßige Aufwärmung der zu behandelnden Werkstücke auf die gewünschte Arbeitstemperatur erreicht wird, bei der es zu einem Niederschlag des ionisierten Stickstoffes auf der Werkstückoberfläche kommt. Über diesen Ansatzpunkt soll mithin der Gesamtwirkungsgrad

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der Ionennitrierung eine wesentliche Verbesserung erfahren, wobei auch an eine Ausweitung in der Richtung gedacht ist, daß die Zwischenräume zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Behandlungen an gleichen oder verschiedenen Werkstücken eine optimale Verkürzung erfahren, also nach dem Abschluß einer ersten Ionennitrierung möglichst sofort mit der nächsten Ionennitrierung begonnen werden kann, wobei dieser Beginn dann mit dem Zeitpunkt zusammenfallen soll, in welchem die Stickstoffionen zum Niederschlag am nächsten Werkstück kommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen, die im Kennzeichen des Anspruches 1 aufgeführt sind. Durch die damit hauptsächlich vorgeschlagene Integrierung einer separaten Heizeinrichtung wird erreicht, daß die maßgebliche Körpertemperatur des jeweiligen Werkstückes mit einer optimalen Gleichmäßigkeit in einer der Heizleistung dieser Heizeinrichtung entsprechenden, regelmäßig ziemlich kurzen Zeit erhalten wird, mit dem Ergebnis, daß der Niederschlag der bei der Glimmentladung erzeugten Stickstoffionen entsprechend früher einsetzen kann und doch wesentlich gleichmäßiger erfolgt, indem regelmäßig beim Beginn dieses Niederschlags das betreffende Werkstück kaum noch irgendwelche Kaltstellen haben wird. Damit ist dann auch die Gefahr einer Bildung von Lichtbogen-Entladungen völlig beseitigt, und es ist auch eine größere Freiheit hinsichtlich der Anordnung des Werkstückes gegeben, d.h. es ist jetzt auch möglich, das Werkstück in das Zentrum des Vakuums zu bringen, ohne daß damit die früher befürchtete Schwächung der Glimmentladung hingenommen werden muß.

Die durch die Heizeinrichtung gewollte gleichmäßige Aufwärmung der Werkstücke kann durch verschiedene Maßnahmen auch außerhalb einer hinreichenden Steigerung der Heizleistung gefördert werden. Dazu gehört eine Ausbildung der zu diesem Zweck dann vorzugsweise kuppeiförmigen Deckel- und Boden-

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teile als jeweiliger Reflektor für die von der Heizeinrichtung ausgehende Wärmestrahlung ebenso wie die Erzeugung einer Schwarzkörperstrahlung an der als Anode geschalteten Innenwand des Mantels, die zur Erzielung einer maximalen Wärmedurchgangszahl aus einem guten Wärmeleiter bestehen sollte, der aber ohne nachteiligen Einfluß auf den Ablauf der Ionennitrierung sein muß. Die Innenwand sollte mithin insbesondere aus Eisenblechen bestehen, die mit Aluminium und/oder Nickel plattiert sind, was dann auch gleichzeitig eine höchste Elektroleitfähigkeit ergibt, was für die Schaltung der Innenwand als Anode bei der Glimmentladung von entsprechendem Vorteil ist.

Weitere zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen erfaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktorofen gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der

Innenwand dieses Reaktorofens,

Fig. 3 bis 6 Längsschnitte entsprechend der Fig. 1 von

erfindungsgemäßen Reaktoröfen gemäß weiterer Ausführungsformen,

Fig. 7 und 8 Querschnitte zweier weiterer erfindungsgemäßer Reaktoröfen, die sich untereinander nur in der Wandausbildung des Mantels unterscheiden,

Fig. 9 und 10 zwei alternative Ausführungsformen einer

aus zwei beliebigen Reaktoröfen nach den Fig. 1 bis 8 gebildeten Anlage, bei der

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diese Reaktoröfen zeitlich überlappt betrieben werden, und

Fig. 11 und 12 Schaubilder zur Darstellung dieser sich

zeitlich überlappenden Taktzeiten des Betriebes der beiden Reaktoröfen in einer Einrichtung der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Ausführungsform.

Der Reaktorofen 1 in der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 ist insgesamt aus rostfreiem Stahl hergestellt und besteht aus einem Mantel 2, einem Deckel 3 und einem Boden 4, die alle vakuumdicht zusammengefügt sind. Der Mantel 2 ist doppelwandig ausgeführt, wobei zwischen der Innenwand 5 und der Außenwand 6 ein Zwischenraum besteht, der für die Aufnahme einer Heizeinrichtung 8 eingerichtet ist. Die Innenwand 5 ist als Anode und ein zu behandelndes Werkstück 7, das für die Behandlung in dem von der Innenwand umgebenen Raum zur Anordnung gebracht wird, ist als Kathode für die Ionennitrierung maßgebliche Glimmentladung geschaltet, wobei eine diesbezügliche Verbindung mit einer Gleichstromquelle 11 besteht. Um eine Abstrahlung der Wärme nach außen zu verhindern, die durch die an eine Wechselstromquelle 12 angeschlossene Heizeinrichtung 8 erzeugt wird, ist die Heizeinrichtung zur Außenwand 6 hin mit eines adiabatischen Material 9 unterlegt, wie beispielsweise einem Graphitfilz, einem keramischen Fasermaterial o.dgl. Bei der vorliegenden Ausführungsform des Reaktorofens ist die Anordnung des adiabatischen Materials 9 auch deshalb zweckmäßig, weil die Außenwand 6 zur Aufnahme von Kühlrohren hohl ausgebildet ist, wobei die Anordnung dieser zweckmäßig mit Kühlwasser durchströmten Kühlrohre 10 für entsprechende Kühlzwecke des Mantels 2 vorgesehen ist, damit im Betrieb des Ofens keine zu große Strahlungswärme nach außen auftritt. An den Reaktorofen ist im übrigen noch eine Saugpumpe 13 zur Erzeugung eines Vakuums in der vorerwähnten

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Größenordnung angeschlossen sowie ein Versorgungsstrang für gasförmigen Stickstoff, der durch eine Flaschenbatterie 14 bereitgestellt wird. Außer reinem Stickstoff kann für eine solche lonennitrierung auch noch ein Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff sowie auch andere Gasgemische in Betracht kommen.

In der vorliegenden Ausführungsform ist die Innenwand 5 weiterhin als ein Schwarzkörperstrahler ausgebildet, in dem auf diese Innenwand beispielsweise eine Graphitschicht aufgetragen ist oder die Wand mit einer Chromsäure oxydiert wurde. Weiterhin sind die kuppeiförmig ausgebildeten Deckel- und Bodenteile 3 und 4 als Reflektoren ausgebildet, indem an ihrer $eweillgen Innenseite 3a bzw. 4a besondere Reflektoren 17 und 18 angeordnet sind, die beispielsweise aus einer Beschichtung mit Chrom, Gold, Platin oder Aluminium u.dgl. bestehen. Die Reflektoren reflektieren alle von der Heizeinrichtung 8 ausgehenden Wärmestrahlen gegen das Werkstück 7, so daß damit dessen gleichmäßige Aufwärmung innerhalb kürzester Zeit gefördert wird. Andererseits verhindern die Reflektoren eine Wärmeabstrahlung nach außen und wirken damit gleichartig wie das adiabatische Material 9, mit dem die beispielsweise aus einem Graphittuch rohrförmig gebildete Heizeinrichtung 8 unterlegt ist.

Der auf die gleichförmige Aufwärmung des Werkstückes 7 bezogene Wirkungsgrad der Heizeinrichtung 8 kann weiter dadurch erhöht werden, daß die Innenwand 5 aus einem guten Wärmeleiter gebildet wird. Dazu gehört beispielsweise ein Verbundmaterial, das gemäß Fig. 2 aus fünf Schichten bestehen kann, nämlich einer Aluminiumschicht 19 mit 5 %

der gesamten Wanddicke, einer zwischen zwei Eisenschichten 20 und 22 mit jeweils 25 % der gesamten Wanddicke eingebetteten Kupferschicht 21 mit 38 % der gesamten Wanddicke und einer Nickelschicht 23 mit 7 % der gesamten Wanddicke. Daneben kommen dreischichtige Al/Fe/Al-, Ni/Fe/Ni-

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Al/Fe/Cu- und Ni/Fe/Al-Wände sowie fünfschichtige Al/Fe/Cu/ Fe/Al- und Al/Fe/Cu/Fe/Ni-¥ände in Betracht. Sofern bei diesen mehrschichtigen Wänden die innerste Schicht aus Aluminium gebildet wird, kann diese Schicht dadurch als Schwarzkörperstrahler ausgebildet werden, daß man die Wand in der Atmosphäre auf eine Temperatur von nicht mehr als 430° C erwärmt und anschließend eine weitere Erwärmung unter Anwesenheit von Wasserstoff auf etwa 700 bis 900 C vornimmt, wodurch sich dann an der Oberfläche des Aluminiums eine aus FeAl, bestehende Schicht bildet. Sofern andererseits diese innerste Schicht aus Nickel besteht, so kann dann durch eine gleichartige Erwärmung der Wand bei Anwesenheit eines Kohlenwasserstoffs, wie beispielsweise Butan C.HLq, eine Rußschicht als entsprechender Schwarzkörperstrahler erzeugt werden.

Sofern die Aufheizung der Heizeinrichtung 8 gleichzeitig gestartet wird mit dem Beginn der Glimmentladung, so kann dadurch die gesamte Behandlungsdauer des Werkstückes 7 weiter verkürzt werden. Dabei besteht deshalb eine Gefahr eines Auftretens einer Lichtbogen-Entladung, weil das Werkstück 7 allseits von der Innenwand 5 umgeben ist und weiter durch die Reflektoren 17 und 18 ein weiterer wesentlicher Beitrag für eine gleichmäßige, Aufwärmung des Werkstückes 7 geliefert wird, so daß der Niederschlag der Stickstoffionen ziemlich frühzeitig und in völliger Gleichmäßigkeit einsetzt. Der Ablauf der Glimmentladung ist außerdem dadurch völlig stabilisiert, daß die von der Heizeinrichtung 8 erzeugte Wärme über die Innenwand 5 eine völlig vergleichmäßigte Abstrahlung hin zu dem Raum erfährt, der das Werkstück 7 aufnimmt, während gleichzeitig eine Wtrmeabstrahlung in der entgegengesetzten Richtung vorrangig dadurch verhindert wird, daß in die Außenwand 6 die Kühlrohre 10 eingesetzt sind.

Bei dem Reaktorofen 31 nach Fig. 3 ist im Zentrum des von der Innenwand 34 umgebenen Hohlraumes eine weitere Hilfs-

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anode 36 angeordnet, welche besonders dann zweckmäßig verwirklicht wird, wenn gleichzeitig mehrere Werkstücke 37, wie Zahnräder o. dgl., nitriert werden. Die Werkstücke sind dann einerseits von der auch hierbei als Anode geschalteten Innenwand 34 des Mantels 32 umgeben und andererseits der Hilfsanode 36 ausgesetzt, so daß die nach Einschaltung der Gleichstromquelle 40 einsetzende Glimmentladung mit dieser Anordnung einen entsprechend verstärkten Wirkungsgrad erhält. Die Anschlußleitung zu den Werkstücken 37 ist übrigens auch hier über den Deckel 33 zugeführt, der zu diesem Zweck ein dem Isolierstück 15 bei dem Reaktorofen 1 entsprechendes Isolierstück 44 für eine vakuumdichte Durchtrittsmöglichkeit der Anschlußleitung aufweist. In weiterer Übereinstimmung ist in dem Hohlraum zwischen der Innenwand 34 und der Außenwand 35 des Mantels 32 eine an eine Wechselstromquelle angeschlossene Heizeinrichtung 39 angeordnet, und schließlich besteht auch noch ein Anschluß an eine Saugpumpe 42 zur Erzeugung eines Vakuums innerhalb des Reaktorofens und ein Anschluß an eine Flaschenbatterie 43 für die Versorgung mit reinem Stickstoff oder einem Gasgemisch, das sich für die Ionennitrierung der Werkstücke 37 eignet. Wegen der Hilfsanode 36 ist bei dieser Ausführungsform auf die Anordnung eines Reflektors an der Innenseite des Deckels 33 verzichtet, wenngleich damit die gleichförmige Aufwärmung der Werkstücke ebenso unterstützt werden könnte wie durch die weiteren Maßnahmen, die zu diesem Zweck bei dem Reaktorofen 1 verwirklicht sind. Die Anordnung der Hilfsanode bringt im übrigen den Vorteil, daß damit eine Verkleinerung des Freiraumes erhalten wird, mit dem Ergebnis, daß entsprechend weniger Zeit zur Erzeugung des Vakuums der erwähnten Größenordnung einer sonst vergleichbaren Baugröße des Ofens benötigt wird.

Auch bei dem Reaktorofen der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist eine solche Hilfsanode 36 verwirklicht, mit der baulichen Abwandlung, daß hier deren Hohlraum zur Unterbringung einer weiteren Heizeinrichtung 45 genutzt ist, die

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an dieselbe Wechselstromquelle 41 angeschlossen ist wie die Heizeinrichtung 39. Durch die zusätzliche Heizeinrichtung 45 wird mithin eine entsprechende Steigerung der Heizleistung erreicht, mit dem Ergebnis einer entsprechend gleichmäßigeren und schnelleren Aufwärmung der Werkstücke und einer noch größeren Stabilisierung der Glimmentladung. Mithin ist es hier möglich, denselben Nutzraum wie bei dem Reaktorofen der Ausführungsform gemäß Fig. 3 für die gleichzeitige Behandlung einer vergrößerten Anzahl von Werkstücken zu benutzen, sofern die Werkstücke Abmessungen haben, welche eine solche vergrößerte Anzahl in dem zur Verfügung stehenden Nutzraum unterbringen läßt.

Der Reaktorofen 51 in der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist für die Ionennitrierung besonders großer Werkstücke eingerichtet und umfaßt zu diesem Zweck eine aus der maßgeblichen Innenwand 54 gebildete innere Behandlungszelle, an welche die Saugpumpe 60 zur Erzeugung eines Vakuums und die Flaschenbatterie 61 für die Versorgung mit Stickstoff oder einem anderen, zur Ionisierung geeigneten Gasgemisch angeschlossen ist. Die gesamte Innenwand 54 ist wieder als Anode geschaltet, und an ihrer Außenseite sind mehrere Heizeinrichtungen 57 angeordnet, die alle an eine gemeinsame oder getrennte Wechselstromquellen 59 angeschlossen sind. Die aus der maßgeblichen Innenwand 54 gebildete Zelle hat eine größte Querschnittsabmessung A, die größer ist als die Höhe B, in deren Richtung sich der Mantel 52 erstreckt, dessen Außenwand 55 aus zwei Lagen bestehen kann, zwischen denen wie bei dem Reaktorofen 1 Kühlrohre angeordnet sein können. Im übrigen ist die Anschlußleitung an das als Kathode geschaltete Werkstück 56 auch hier über Isolierstücke 62 zugeführt, die in den Deckel 53 und in die Decke der aus der Innenwand 54 gebildeten Zelle eingesetzt sind.

Der Reaktorofen 71 in der Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist im wesentlichen dieselbe Konstruktion auf wie der

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Reaktorofen 31 in der Ausführungsform gemäß Fig. 3, nur daß hier keine entsprechende Hilfsanode verwirklicht ist. In weiterer Abwandlung ist die maßgebliche Außenwand 75 des Mantels 72 mit Kühlrippen 78 versehen, die außen von einer Schutzwand 80 umgeben sind. Dadurch wird zwischen dieser Schutzwand 80 und der Außenwand 75 des Reaktorofens 71 ein Stauraum für Kühlluft gebildet, die durch mittels eines Motors 81 angetriebene Lüfter 82 bewegt wird. Die übrigen Bauteile des Reaktorofens 71 sind eine Heizeinrichtung 77 zum Aufwärmen der Werkstücke 76, eine Saugpumpe 85 zur Erzeugung des Vakuums und eine Flaschenbatterie 86 zur Versorgung mit Stickstoff. Für die Glimmentla&nang ist außerdem eine Gleichstromquelle 83 vorgesehen, welche an die Innenwand 74 als Anode und an die Werkstücke 76 als Kathode angeschlossen ist, wobei die letztere Anschlußleitung über ein Isolierstück 87 im Deckel 73 zugeführt ist.

Bei dem Reaktorofen 91 in der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 ist ein Infrarotstrahler 95 verwirklicht, der auch hier in dem Zwischenraum zwischen der maßgeblichen Außenwand 92 und der als Anode geschalteten Innenwand 93 angeordnet ist. Gegen die Außenwand 92 hin ist der Infrarotstrahler 95 durch einen Reflektor 96 abgeschirmt, der wellenförmig ausgebildet ist, wobei hinter jedem einzelnen, sich lotrecht erstreckenden Stab des Infrarotstrahlers eine Auswölbung dieses Reflektors besteht, die mithin eine Konzentration der Wärmestrahlen auf den zugeordneten Wandbereich der Innenwand 93 bewirkt, so daß unter deren Vermittlung ein im umschlossenen Hohlraum angeordnetes Werkstück 97 eine optimal gleichmäßige Erwärmung erfährt. Bei dieser Ausführungsform kann im übrigen auf die Innenwand 93 vollständig verzichtet werden, wenn für die Glimmentladung der Infrarotstrahler 95 als Anode geschaltet wird, dessen Heizwirkung im übrigen dadurch vergrößert werden kann, daß der Zwischenraum 94 zwischen dem

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Reflektor 96 und der Außenwand 92 mit einem Isoliermaterial ausgefüllt wird.

Bei den beiden sich im wesentlichen entsprechenden Ausführungsformen nach den Fig. 9 und 10 sind jeweils zwei gleich ausgebildete Reaktoröfen 101A und 101B verwirklicht, deren gleiche Bauteile für eine entsprechende Unterscheidung mit den unterschiedlichen Indices a und b versehen sind. Jeder Reaktorofen 101 besteht aus einem Mantel 102 mit einer als Anode geschalteten Innenwand 104 und einer Außenwand 105, zwischen denen eine Heizeinrichtung 108 angeordnet ist. Jede Heizeinrichtung 108 ist an eine eigene Wechselstromquelle 11A angeschlossen, die mittels eines Schalters 115 zuschaltbar ist. Weiter ist jeder Reaktorofen 101 mit einem Bediendeckel 103 versehen, der eine mit den Werkstücken 107 verbundene Kathode 106 trägt. Die beiden Kathoden 106 der beiden Reaktoröfen 101 sind an eine gemeinsame Gleichstromquelle 112 angeschlossen, die mittels eines Wechselschalters 113 zwischen den beiden Reaktoröfen umschaltbar ist, d.h. der Wechselschalter 113 steuert einmal den Anschluß der Gleichstromquelle 112 an die als Anode geschaltete Innenwand 104a des einen Reaktorofens 101A und abwechselnd dazu den Anschluß an die ebenfalls als Anode geschaltete Innenwand 104b des anderen Reaktorofens 101B. Weiterhin ist an beide Reaktoröfen 101 eine gemeinsame Flaschenbatterie 110 angeschlossen, aus der Stickstoff oder ein anderes Gasgemisch den Reaktoröfen über ein Wegeventil 111 abwechselnd zugeführt wird, die im übrigen durch getrennte Saugpumpen unter ein jeweiliges Vakuum gesetzt werden können. Die Ausführungsform nach Fig. 10 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 9 nur in der Einzelheit, daß hier für die beiden Heizeinrichtungen 108a und 108b der beiden Reaktoröfen eine gemeinsame Wechselstromquelle 116 vorgesehen ist, deren Anschluß entweder an die eine oder an die andere Heizeinrichtung mittels eines Wechselschalters 117 steuerbar ist. Der Wechselschalter 117 erfüllt mithin eine gleiche Aufgabe wie der Wechselschalter 113, womit sich dann für die gesamte

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Arbeitsweise dieser beiden Ausführungsformen folgender Ablauf ergibt.

Bei Beginn des Arbeitsprozesses wird zunächst der eine Reaktorofen 101A mit den Werkstücken 107a gefüllt, dann mittels der Saugpumpe 109a evakuiert und gleichzeitig damit durch Schließen des Schalters 115a die Wechselstromquelle 114a eingeschaltet, damit die Heizeinrichtung 108a die Werkstücke 107a auf die für die Glimmentladung benötigte Temperatur erwärmen können. Sobald diese Temperatur erreicht ist, wird die Gleichstromquelle 112 durch Betätigung des Wechselschalters 113 eingeschaltet, so daß dann die Glimmentladung beginnen kann, nachdem zuvor auch das Wegeventil 111 für den Anschluß der Flaschenbatterie 110 an den Reaktorofen 1Ö1A eingestellt worden ist. Die Gleichstromquelle 114a bleibt für die Dauer der Glimmentladung eingeschaltet, wobei eine Steuerung vorgesehen sein kann, die dann eine verringerte Heizleistung für die Heizeinrichtung 108a bringt. Es soll damit gewährleistet sein, daß die Werkstücke 107a für die gesamte Dauer der eigentlichen Ionennitrierung ihre optimale Körpertemperatur behalten, bei welcher der Niederschlag der Stickstoffionen auf der gesamten Werkstückoberfläche optimal gleichmäßig erfolgt. Mit dem Beginn der Glimmentladung in dem Reaktorofen 101A ist die Füllung des anderen Reaktorofens 101B mit den Werkstücken 107b im wesentlichen abgeschlossen, so daß also praktisch zum gleichen Zeitpunkt dort dann mit der Evakuierung durch Betätigung der Saugpumpe 109b und mit der Aufwärmung durch Betätigung des Schalters 115b zur Einschaltung der Wechselstromquelle 114b begonnen werden kann. Mithin werden die Werkstücke 107b durch die Heizeinrichtung 108b auf die optimale Körpertemperatur gebracht, während die Glimmentladung in dem Reaktorofen 101A abläuft. Diese zeitliche Überlappung ist aus dem Schaubild der Fig. 11 erkennbar, wo weiterhin gezeigt ist, daß am Ende der in dem Reaktorofen 101 A stattfindenden Glimmentladung - durch Umschal-

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tung des Wechselschalters 113 - die Glimmentladung in den Reaktorofen 1O1B fortgesetzt wird, während gleichzeitig nach Ausschaltung der Gleichstromquelle 114a - die Werkstücke 107a abkühlen können, neue Werkstücke in den Reaktorofen 101A eingebracht werden, um dann noch bis zum Abschluß der Glimmentladung in dem Reaktorofen 101B auf die für die anschließende Glimmentladung optimale Körpertemperatur nach wiedererfolgter Einschaltung der Wechselstromquelle 114a durch die Heizeinrichtung 108a aufgewärmt zu werden. Für den Beginn der Glimmentladung in dem Reaktorofen 101B ist dabei selbstverständlich das Wegeventil 111 für einen Anschluß der Flaschenbatterie 110 dann an diesen Reaktorofen umgestellt worden. Ist die Glimmentladung in dem Reaktorofen 101B beendet, dann wird sie durch ein erneutes Umschalten des Wechselschalters 113 wieder in den Reaktorofen 101A fortgesetzt, während dann gleichzeitig die Werkstücke 107b abkühlen, neue Werkstücke in den Reaktorofen 101B eingebracht werden usw. Dieser Arbeitsprozess erfährt bei der Ausführungsform nach Fig. 10 nur darin eine Abwandlung, daß dort die Heizeinrichtung 104a des Reaktorofens 101A nicht während der betreffenden Glimmentladung eingeschaltet bleibt, indem dann die Wechselstromquelle bei umgeschaltetem Wechselschalter 117 für das Aufwärmen der Werkstücke 107b in dem Reaktorofen 101B benötigt wird. Im übrigen ist aber damit dieselbe zeitliche Überlappung steuerbar, die durch das Schaubild der Fig. 11 ausgewiesen wird und die gegenüber einer durch das Schaubild gemäß Fig. 12 ausgewiesenen Steuerung den Vorteil bringt, daß damit doch eine ganz beträchtliche Verkürzung für die Behandlung einer größeren Vielzahl von Werkstücken erhalten wird, die durch eine aufeinanderfolgende Beschickung zweier im Tandembetrieb arbeitender Reaktoröfen eine solche Ionennitrierung erfahren.

Für alle beschriebenen Ausführungsformen können damit abschließend folgende Vorteile aufgezählt werden. Durch die

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Verwendung der besonderen Heizeinrichtung erhalten die zu nitrierenden Werkstücke eine optimal vergleichmäßigte Körpertemperatur, wodurch bei der Glimmentladung eine ebenfalls optimale Vergleichmäßigung im Niederschlag der Stickstoffionen auf der gesamten Werkstückoberfläche erreicht wird, selbst dann, wenn die Werkstücke kompliziertere Formen haben. Diese Optimierung wird gleichzeitig innerhalb einer verkürzten Behandlungsdauer erreicht, weil besonders die Aufwärmphase bei optimaler Auswahl der verschiedenen, dafür vorgesehenen Hilfsmaßnahmen doch wesentlich verkürzt werden kann, ohne daß beim Beginn der Glimmentladung befürchtet werden muß, daß dann noch Kaltstellen bzw. andererseits überhitzte Stellen am Werkstück vorliegen, welche den Ablauf der Glimmentladung stören könnten. Hinsichtlich dieses Ablaufs der Glimmentladung ist insbesondere die Erreichbarkeit einer äußerst hohen Stabilisierung anzuführen, die mit erkennbar einfachsten Hilfsmaßnahmen erreichbar ist, so daß auch von der Kostenseite her gesehen eine optimale Wirtschaftlichkeit erreichbar ist. Dabei ist selbstverständlich, daß Maßnahmen, die vorstehend für die einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsformen anwendbar und austauschbar sind, was von den jeweiligen Voraussetzungen abhängig ist.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. HANS-PETER GAUCER TAL 71 80OO MÜNCHEN 2 IHR ZEICHEN: YOUR REF.i Ansprüche unser zeichen: Kaw-2618 OUR REF.:

1. Einrichtung zur Ionennitrierung von Werkstücken durch eine aiimmentladung von gasförmigen Stickstoffmolekülen, gekennzeichnet durch einen aus einem doppelwandigen Mantel (2, 32, 52, 72, 102), einem zu öffnenden oder abnehmbaren Deckel (3, 33, 53, 73, 103) und einem Boden (4) bestehenden, vakuumdichten Reaktorofen (1, 31, 51, 71, 91, 101), bei dem zwischen den beiden Wänden (5, 6; 34, 35; 54,55; 74, 75; 92, 93; 104, 105) des Mantels eine Heizeinrichtung (8, 39, 57, 77, 95, 108) angeordnet und bei dem die Innenwand (5, 34, 57, 74, 93, 104) als für die Glimmentladung maßgebliche Anode geschaltet ist in Relation zu dem oder den als Kathode geschalteten Werkstücken (7, 37, 56, 76, 97, 107), das oder die zur Anordnung in den von dieser Innenwand umgebenen Raum vorgesehen ist oder sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Deckel (3) und/oder der Boden (4) mit einem Reflektor (17, 18) für die von der Heizeinrichtung (8) ausgehenden Wärmestrahlen versehen und/oder selbst als Reflektor ausgebildet ist oder sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Deckel (3, 33, 53, 73) kuppeiförmig ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizeinrichtung (8)

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auf der Seite der Außenwand (6) mit einem adiabatischen Material (9) unterlegt ist.

5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenwand (6) des Mantels (2) hohl ausgebildet ist und in dem Hohlraum insbesondere mit Kühlwasser gespeiste Kühlrohre (10) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenwand (75) des Mantels (72) mit äußeren Kühlrippen (78) versehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die äußeren Kühlrippen (78) von einer einen Durchströmkanal (79) für Kühlluft begrenzenden Leitwand (80) umgeben sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß am einen Ende des Durchströmkanals (79) wenigstens ein für die Luftströmung maßgeblicher Lüfter (81, 82) angeordnet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Innenseite wenigstens der Innenwand (5) des Mantels (2) als ein Schwarzkörperstrahler (16) ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens die Innenwand (5) des Mantels (2) aus einem Wärmeleiter auf der Basis Eisen besteht und an der Innenseite mit Aluminium oder Nickel beschichtet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß im Zentrum des Reaktor-

ofens (32) eine Hilfsanode (36) angeordnet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsanode (36) hohl ausgebildet und in ihrem Hohlraum eine weitere Heizeinrichtung (45) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Reaktorofen (51) eine größte Querschnittsabmessung (A) hat, die größer ist als die senkrecht zu diesem Querschnitt gemessene Höhe (B) des von der Innenwand (54) umgebenen, für die Anordnung der Werkstücke (56) vorgesehenen Raumes.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet , daß der von der Innenwand (54) umgebene Raum als eine abgeschlossene, vakuumdichte Raumzelle ausgebildet ist, an deren Außenseite mehrere Heizeinrichtungen (57) angeordnet sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß als Heizeinrichtung ein Infrarotstrahler (95) vorgesehen ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15 > dadurch gekennzeichnet , daß der Infrarotstrahler (95) als Anode geschaltet ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Infrarotstrahler (95) zur Außenwand (92) des Mantels hin von einem gewählten Reflektor (96) umgeben ist, bei dem jede gegen die Außenwand ausgebuchtete Welle (96a) einen jeweiligen Stab des Infrarotstrahlers im wesentlichen im Krümmungsmittelpunkt aufnimmt.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch wenigstens zwei im Tandembetrieb

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arbeitende Reaktoröfen (1O1A, 1O1B), die an eine gemeinsame, durch einen Wechselschalter (113) umschaltbare Gleichstromquelle (112) für die Glimmentladung und an eine gemeinsame, ebenfalls durch einen Wechselschalter (117) umschaltbare Wechselstromquelle (116) oder an getrennte, jeweils durch einen Einzelschalter (115a, 115b) zuschaltbare Wechselstromquellen (114a, 114b) angeschlossen sind.

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