DE2845757A1

DE2845757A1 - Ionennitrierhaertungsverfahren

Info

Publication number: DE2845757A1
Application number: DE19782845757
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: 1977-10-20
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1979-04-26
Also published as: US4194930A; JPS5745829B2; JPS5458636A; GB2010922A; GB2010922B

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionennitrierhärtungsverfahren, bei dem Werkstücke Glimmentladungen in einer Atmosphäre aus Stickstoff enthaltendem Behandlungsgas derart ausgesetzt werden, daß das Gas ionisiert wird und die Ionen auf die Werkstücke geschossen werden, um eine Nitrierhärtung vorzunehmen.

Ein derartiges Ionennitrierhärtungsverfahren ist dafür bekannt, daß eine fein nitrierte Oberflächenschicht innerhalb sehr kurzer Zeit gebildet werden kann. Bei diesem Verfahren wird das Werkstück mit Stickstoff- und Wasserstoffionen beschossen und hierdurch erwärmt. Durch diesen Ionenbeschuß werden beim Werkstück Fe-Atome freigesetzt, die Bindungen mit den N-Atomen in der Umgebung eingehen und die so gebildeten Verbindungen lagern sich auf der Werkstückoberfläche ab. Es wurde auch festgestellt, daß der Ionenbeschuß die Werkstückoberfläche zu reinigen vermag, so daß die PeN-Verbindungen besser auf der Oberfläche ablagern. Im allgemeinen wird das Verfahren unter Vakuum oder in einer Atmosphäre mit vermindertem Druck derart ausgeführt, daß der Behandlungsgasverbrauch vergleichsweise gering ist und keine Gefahr einer Umweltverschmutzung besteht. Bei dem Verfahren kann NH^-Gas eingesetzt werden, das gelöst wird, um ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff zu bilden. Alternativ kann auch ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff speziell zubereitet werden, um ein optimales Verhältnis der beiden Bestandteile zu erreichen.

Üblicherweise wird das Ionennitrierhärtungsverfahren bei Unterdruck ausgeführt, der während des Verfahrens im wesentlichen konstant gehalten wird. Für das Ionennitrierhärtungsverfahren ist es wichtig, eine stabile oder gleichmäßige Glimmentladung zu haben, so

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daß sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung ergibt. Hierzu ist es vorteilhaft, ein möglichst grosses Vakuum zu haben. Wenn jedoch das Werkstück kompliziert ausgestaltet ist und schmale öffnungen, wie zum Beispiel kleine Schlitze oder kleine öffnungen besitzt, besteht die Neigung, daß die Glimmentladung nicht tief genug in die öffnungen eindringen kann, da die Glimmbreite mit stärkerem Vakuum zunimmt. Somit können bei dem Ionennitrierhärtungsverfahren mit einem starken Vakuum Teile, wie zum Beispiel schmale öffnungen, nicht nitriergehärtet werden.

Diese kleinen bzw. schmalen öffnungen können bei dem Ionennitrierhärtungsverfahren dann nitriergehärtet werden, wenn das Vakuum der Atmosphäre schwächer ist. Dies ist jedoch nachteilig, da keine stabile Glimmentladung bei einem schwächeren Vakuum aufrecht erhalten werden kann. Wenn das Vakuum der Atmosphäre nicht adäquat stark ist, besteht die Neigung, daß in beträchtlichem Maße beim Anlegen der Gleichstromspannung durch Oberflächenverunreinigungen, wie zum Beispiel öle und Staubpartikel, eine 'Bogenentladung entsteht. Diese Oberflächenverunreinigungen bleiben selbst dann auf der Werkstücksoberfläche, wenn die Oberfläche sorgfältig beispielsweise durch Reinigen oder Schwabbeln vorbehandelt wird. Diese Bogenentladung entsteht insbesondere in den Bereichen mit kleinen öffnungen und verursacht eine lokale Zerstörung des Werkstoffes des Werkstückes. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, war es bisher erforderlich, eine sorgsame Vorbehandlung des Werkstückes vorzunehmen, die sehr teuer ist und viel Zeit in Anspruch nimmt.

Ihnliche Schwierigkeiten ergeben sich auch im Hinblick auf das Verhältnis von Stickstoff/Wasserstoff gas. Die Glimmentladung wird stabilisiert, wenn der Stick-

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stoffgehalt relativ gering ist. Hierbei ist es jedoch äußerst schwierig, den Bereich mit kleinen öffnungen nitrierzuhärten. Durch Vergrößerung des Stickstoffgehaltes erreicht man möglicherweise eine Glimmentladung, die tief in die kleinen öffnungen eintritt, jedoch wird eine Bogenentladung immer wahrscheinlicher, die durch Oberflächenverunreinigungen verursacht wird.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Ionennitrierhärtungsverfahren zu schaffen, bei dem selbst ein Flächenbereich mit einer kleinen öffnung ohne Schwierigkeiten nitriergehärtet werden kann.

Zweckmäßigerweise soll das Ionennitrierhärtungsverfahren derart ausgelegt sein, daß es für ein Werkstück mit kleinen öffnungen geeignet ist.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Ionennitrierhärtungsverfahren im wesentlichen durch zwei Stufen aus. In der ersten Stufe wird ein Werkstück mit wenigstens einer kleinen öffnung in eine wenigstens Stickstoff enthaltende Atmosphäre mit einem Unterdruck gebracht, der so stark ist, daß eine Bogenentladung unterdrückt wird und eine stabile Glimmentladung erzeugt wird, und anschließend wird eine Entladespannung derart angelegt, daß eine Glimmentladung im wesentlichen über wenigstens die gesamte freiliegende Oberfläche des Werkstückes erzeugt wird. Die freiliegende Oberfläche wird unter einer im wesentlichen gleichmäßigen Temperaturverteilung dann mit einer nitriergehärteten Schicht versehen. In der zweiten Stufe wird der Unterdruck der Atmosphäre derart abgeschwächt, daß die Glimmentladung in die öffnung eindringen kann, und an das Werkstück wird wiederum eine Entladespannung angelegt, um an dem Öffnungsbereich eine Nitrierhärtung zu erzielen. In der zweiten Stufe kann selbstverständlich ebenfalls eine Glimmentladung an der Oberfläche erzeugt werden, um eine weitere

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Nitrierhärtung zu erreichen.

Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer Atmosphäre aus einem Gemisch von Stickstoff, und Wasserstoff ausgeführt, deren Mischungsverhältnisse in der ersten und zweiten Stufe verschieden sind. In der ersten Stufe kann das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff 1:3 betragen, um eine instabile Glimmentladung zu vermeiden, und in der zweiten Stufe kann die Stickstoffgasmenge um soviel größer sein, daß das Verhältnis beispielsweise 3:1 beträgt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Ionennitrierhärtungsvorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt ist,

Figur 2 in einem Diagramm eine bevorzugte Ausführungsform des Ionennitrierhärtungsverfahrens nach der Erfindung,

Figur 3 eine Vorderansicht einer Kurbelwelle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wird, und

Figur 4- eine Schnittansicht eines Probekörpers.

Die insbesondere in Figur 1 gezeigte Vorrichtung weist einen Mtrierhärtungsturm 1 auf, der ein zylindrisches Gehäuse 2 und ein oberes Verschlußteil 3 besitzt, das fest und gasdicht mit dem oberen Ende des Gehäuses 2 verbunden ist. Das Gehäuse 2 und das Verschlußteil 3 sind

doppelwandig ausgelegt, und bilden darin Kühlmantel für Kühlwasser. In dem Turm 1 ist ein zylindrisches Wärmestrahlungselement 4 angeordnet, das beispielsweise von einem Graphitgewebe oder irgendeinem anderen geeigneten Material gebildet werden kann. Das Wärmestrahlungselement 4 ist zwischen den inneren und äußeren Abschirmungen 5 und 6 angeordnet. Die innere Abschirmung 5 besteht aus einem elektrisch leitenden Material und bewirkt, daB das Element 4 von dem Innenraum des Gehäuses 2 elektrisch abgeschirmt ist.

In der inneren Abschirmung 5 ist ein Arbeitstisch vorgesehen, der aus einem leitenden Material besteht und auf einer elektrisch isolierenden Basis 15 über leitende Scheiben 16 und isolierende Platten 17 abgestützt ist. Der Tisch 14 ist mit einem Kathodenanschluß 19 verbunden, der mit Hilfe eines Verbindungsstückes 18 an dem Gehäuse 2 angebracht ist. Das Gehäuse liegt auf Stützen 20 auf.

Eine Glimmentladungsenergiequelle 7 ist einerseits mit der inneren Abschirmung 5 über das Gehäuse 2 und andererseits mit dem Tisch 14 über den Kathodenanschluß 19 derart verbunden, daß die innere Abschirmung 5 eine Anode und der Tisch 14 eine Kathode bildet. Ein Werkstück 8 wird auf den Ti3ch 14 wie in Figur in gebrochenen Linien eingetragen, gelegt. Die Energiequelle 7 liefert so elektrische Energie, daß die Entladespannung, die Entladezeit und die Entladungswellenform entsprechend regelbar sind.

Das Wärmestrahlungselement 4 ist mit einer Wechselstromquelle 9 verbunden, die über eine Temperatursteuereinrichtung 11 gesteuert wird, die ein temperaturempfindliches Thermoelement 10 umfaßt. Die Temperatur in dem Gehäuse 2 wird somit durch das Thermoelement 10 ermittelt und die Temperatursteuereinrichtung 11

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steuert die Wechselstromquelle 9 nach. Maßgabe der durch das Thermoelement 10 ermittelten Temperatur.

Die Innenseite des Gehäuses 2 ist des weiteren mit einer Evakuierungspumpe verbunden, um ein Vakuum bzw. einen Unterdruck in dem Turm 1 zu erzeugen. Der Innenraum des Gehäuses 2 ist auch an eine Gasversorgungseinrichtung 13 angeschlossen, die Stickstoff- und Wasserstoffgase auf geregelte Art und Weise liefert.

Beim Arbeiten der Vorrichtung wird die Evakuierungspumpe 12 zuerst eingeschaltet, um den Turm 1 derart zu evakuieren, daß ein Unterdruck von beispielsweise 1 bis 10 Torr erhalten wird. Dann wird dem Turm 1 über die Gasversorgungseinrichtung 13 Wasserstoffgas zugeführt und die Energiequelle 9 wird gespeist, um gleichzeitig das Wärmestrahlungselement 4 aufzuheizen. Gleichzeitig wird die Energiequelle 7 gespeist, so daß zwischen dem inneren Schild 5 und dem Tisch 14 eine Gleichspannung anliegt, die zur Erzeugung einer Glimmentladung dient. Das Werkstück 8 wird durch die Glimmentladung und durch die vom Wärmestrahlungselement 4- abgegebene Wärme auf eine Temperatur zwischen 300 und 57O⁰C, zweckmäßigerweise zwischen 550 und 56O⁰C erwärmt, bei der das Werkstück 8 günstig nitriergehärtet werden kann. Die Glimmentladung bewirkt ferner eine Reinigung der Werkstücksoberfläche infolge seiner reduzierenden Wirkung. Diese Stufe ist in Figur 2 durch den Plächenabschnitt A angedeutet.

Dann wird die erste Nitrierhärtungsstufe ausgeführt, indem der Turm 1 mit einem Gemisch, aus Stickstoff und Wasserstoff versorgt wird, und der Unterdruck in

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dem Turm zwischen Λ und 5 Torr gehalten.wird. Das Werkstück 8 behält eine gewünschte Temperatur bei, da das Wärmestrahlungselement 4- unter der Steuerung der Einrichtung 11 Wärme liefert und die von der Energiequelle 7 gelieferte Glexchstromspannung wird vergrößert, bis eine Glimmentladung entsteht. Da ein relativ starkes Vakuum in dem Turm 1 beibehalten wird, entsteht eine stabile Glimmentladung auf der freiliegenden Oberfläche des Werkstückes 8 mit Ausnahme der Flächenbereiche, die relativ kleine öffnungen, wie zum Beispiel kleine Bohrungen oder irgendwelche schlitzförmige Gebilde haben. Die Bogenbildung wird wirksam unterdrückt und es bildet sich eine gleichförmige nitriergehärtete Schicht. Die Größe oder Breite der Glimmentladung ist infolge des starken Unterdrucks relativ groß, so daß die Glimmentladung die öffnungen in dem Werkstück überbrückt und die öffnungen im Inneren nicht nitriergehärtet werden können.

Zweckmäßigerweise wird in der ersten Nitrierhärtungsstufe der Anteil von Stickstoffgas in Bezug zu dem Wasserstoffgas so klein wie möglich gewählt. Das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff kann beispielsweise 1:3 sein, so daß eine stabile Glimmentladung sichergestellt ist. Zweckmäßigerweise nimmt das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff von dem Unterdruckwert in dem Turm 1 ab. Wenn der Unterdruck relativ schwach ist, sollte der Stickstoffanteil in Bezug zum Wasserstoff verringert werden. Wenn jedoch der Unterdruck ausreichend stark ist, kann der Stickstoffanteil vergrößert werden, so daß man ein Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff in der Größenordnung von 3:1 erhält. Die erste Nitrierhärtungsstiife wird durch den Flächenabschnitt B in Figur 2 dargestellt.

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- ίο -

Daraufhin wird die zweite Nitrierhärtungsstufe bei einem schwächeren unterdruck ausgeführt. In dieser Stufe wird die Größe oder die Breite der Glimmentladung infolge des verminderten Vakuums derart reduziert, daß die Glimmentladung in die öffnungen, wie zum Beispiel kleine Bohrungen und kleine Schlitze, reichen kann. Somit werden die Flächenbereiche mit derartigen öffnungen nitriergehärtet. Da die freiliegende Oberfläche des Werkstückes beispielsweise in der ersten Nitrierhärtungsstufe bereits nitriergehärtet worden ist, besteht kaum die Möglichkeit, daß an diesem Oberfläche nbereich selbst bei schwachem Vakuum in der zweiten Nitrierhärtungsstufe eine Bogenentladung entsteht. Die Innenseiten der öffnungen besitzen relativ kleine Flächenbereiche, so daß auch hier kaum die Möglichkeit besteht, daß selbst bei einem schwachen Vakuum hierin eine Bogenentladung erzeugt wird.

Somit kann eine Bogenentladung weitgehend unterdrückt werden, und es kann eine nitriergehärtete Schicht an der gesamten Oberfläche des Werkstückes einschließlich der freiliegenden Fläche und dem Innenraum der öffnungen gebildet werden. Der Druck, unter dem die zweite Nitrierhärtungsstufe abläuft, kann von den Abmessungen der öffnungen abhängig sein, jedoch liegt er vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 3 bis 10 Torr. In der zweiten Nitrierhärtungsstufe kann das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff beispielsweise auf 3:1 erhöht werden. Dann wird die Größe der Glimmentladung weiter vermindert, so daß die Glimmentladung selbst bis in ganz feine öffnungen reichen kann. Diese Stufe ist in Figur 2 mit dem Flächenabschnitt C bezeichnet. Nach der zweiten Nitrierhärtungsstufe "wird das Werkstück" gekühlt.

- ΛΛ -

Beispiel Λ

Eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine eines Kraftrades ist in Figur 3 gezeigt. Diese wurde erfindungsgemäß ionennitriergehärtet. Die Kurbelwelle besitzt in den Kurbelzapfen Durchgangsöffnungen 30 mit 4 mm und in dem Wellenabschnitt Durchgangsöffnungen 31 mit 5 nun Durchmesser. In der ersten Stufe wurde das Werkstück in einer Wasserstoffatmosphäre auf 55O⁰C erwärmt und dann wurde die erste Ionennitrierhärtungsstufe in einer Atmosphäre mit einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff ausgeführt, wobei das Stickstoff-Wasserstoff-Verhältnis 2:1 betrug. Die Atmosphäre stand unter einem Unterdruck von 1 Torr. Nachdem das Werkstück zwei Stunden in der ersten Nitrierhärtungsstufe belassen worden ist, wurde der Unterdruck auf 3 Torr reduziert. Daraufhin wurde die zweite Ionennitrierhärtungsstufe zwei Stunden lang in einem Gemisch mit demselben Mischungsverhältnis ausgeführt. Hierbei wurde beobachtet, daß in der ersten Nitrierhärtungsstufe in der freiliegenden Oberfläche des Werkstückes eine stabile Glimmentladung erzeugt wurde, wobei die Innenräume der Durchgangsöffnungen ausgenommen waren, und in denselben auch keine nennenswerte Bogenentladung auftrat. Bei der zweiten Uitrierhärtungsstufe wurde festgestellt, daß die stabile Glimmentladung bis in die Innenräume der Durchgangsöffnungen reichte und ebenfalls keine nennenswerte Bogenentladung auftrat.

Beispiel 2

Ein in Figur 4 gezeigter Prüfkörper mit einer Dicke von 30 mm und einer Durchgangsöffnung mit 4,0 mm Durch-

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messer wurde erfindungsgemäß nitriergehärtet. Die Temperatur des Prüfkörpers belief sich, während der Behandlung auf etwa 55O°C In der ersten Mtrierhärtungsstufe herrschte ein relativ starker Unterdruck von 1 Torr. In der zweiten Nitrierhärtungsstufe belief sich der Unterdruck auf 3 Torr. Bei beiden Nitrierhärtungsstufen belief sich, das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff auf etwa 2:1. Wie in Beispiel 1 wurde auch hierbei ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt.

Beispiel 3

Ein in Figur 4· gezeigter Prüfkörper mit einer Durchgangsöffnung von 1,5 mm Durchmesser wurde auf 550° C erwärmt und erfindungsgemäß nitriergehärtet. In der ersten Mtrierhärtungsstufe betrug der Unterdruck in dem Behandlungsturm 5 Torr. In der zweiten Mtrierhärtungsstufe wurde der Unterdruck auf 7i5 Torr vermindert. In der ersten und zweiten Mtrierhärtungsstufe betrug das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff etwa 2:1. Auch hierbei wurde wie zuvor ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt.

Beispiel 4-

Eine in Figur 3 gezeigte Kurbelwelle wurde erfindungsgemäß ionennitriergehärtet. Die Temperatur während"des Verfahrens belief sich auf etwa 55O⁰C. In der ersten Mtrierhärtungsstufe betrug der Unterdruck 3 Torr und das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff betrug 1:3« In der zweiten Mtrierhärtungsstufe belief sich der Unterdruck auf 5 Torr und das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff betrug 3*1· Auch, hierbei wurde ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt.

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Claims

18 887

20. Okt. 1978

Kawasaki Jukogyo K.K., Kobe-shi, Hyogo-ken / Japan

Ionennitrierliartungsverfahren

Patentansprüche

1J Ionennitrierhärtungsverfahren, bei dem ein We rk- s stück mit wenigstens einem Öffnungsbereich, einer Gleichstromspannung in einer Stickstoff enthaltenden G*as atmosphäre derart ausgesetzt wird, daß auf dem Werkstück eine Glimmentladung erzeugt wird, gekennze ich.net durch eine erste Nitrierhärtungsstufe, die in einem Gas mit Unterdruck ausgeführt wird, der ausreicht, eine Bogenentladung auf dem Werkstück zu unterdrücken, und eine zweite Nitrierhärtungsstufe, die bei einem Unterdruck ausgeführt wird, der im Vergleich zu dem Unterdruck in der ersten Nitrierhärtungsstufe schwächer ist, so daß eine Glimmentladung selbst

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ORIGINAL INSPECTED

in dem Öffnungsbereich, des Werkstückes erzeugt wird.

2. Ionennitrierhärtungsverfahren nach Anspruch. 1, dadurch, gekennz eichnet, daß das Stickstoff enthaltende Gas ein Gemisch, aus Stickstoff und Wasserstoff ist.

3. Ionennitrierhärtungsverfahren nach. Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verhältnis von Stickstoff und Wasserstoff von der einen zur anderen Nitrierhärtungsstufe ändert.

4·. Ionennitrierhärtungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Stickstoff zu Wasserstoff in der zweiten Nitrierhärtungsstufe größer als in der ersten Nitrierhärtungsstufe ist.

5. Ionennitrierhärtungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennze ichn e t, daß der ersten Nitrierhärtungsstufe eine Vorerwärmungsstufe vorgeschaltet ist, in der eine Glimmentladung auf dem Werkstück in einer Wasserstoff atmosphäre erzeugt wird.

6. Ionennitrierhärtungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck in der ersten Nitrierhärtungsstufe zwischen 1 und 5 Torr und in der zweiten Nitrierhärtungsstufe zwischen 3 und 10 Torr liegt.

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