-
Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung elektrisch
-
leitenden Materials durch Glimmentladung Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung eines Materials mit einer
elektrisch leitenden Oberfläche durch eine Glimmentladungsbehandlung. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen bei einem Verfahren zur Oberflächenbehandlung
eines Werkstücks durch eine Glimmentladung in einer Atmosphäre mit verringertem
Druck oder im Vakuum, um eine Wärmebehandlung einer elektrisch leitenden Oberfläche
des Werkstücks, z. B.
-
eines metallischan Materials; vorzunehmen.
-
Ein steigendes Interesse wurde auf eine Ionenoberflächenbehandlung
unter Verwendung einer Glimmentladung
gerichtet, die bei hoher Temperatur
in einer Gasatmosphäre erzeugt wird, die insbesondere einen Diffusionsstoff mitführt,
um eine Härtung der Oberfläche eines metallischen Materials, wie z. B.
-
Eisens oder Stahls, hervorzurufen. Ein typisches Beispiel eines Verfahrens
zur Ionenoberflächenbehandlung ist eine Behandlung mit ionisiertem Stickstoff, wobei
eine Stickstoffgas enthaltende Unterdruck-Gasatmosphäre zur Härtung des Werkstücks
verwendet wird. Beim Verfahren wird ein zu verarbeitendes Werkstück in einem Behälter
angeordnet, in dem der Druck bei 1,3 . 10 1 mbar oder darunter gehalten wird.
-
Da das eine Glimmentladung verwendende Oberflächenbehandlungsverfahren
an sich bekannt ist, erz sich eine ins einzelne gehende Erläuterung bezüglich der
Oberflächenhehandlung aus Vereinfachungsgrünaen Ionisierte Stickstoffatome diffundieren
in das Werkstück unter Härtung seiner Oberfläche. Nach dem Verfahren haben Werkstücke
der gleichen Formen eine im wesentlichen gleiche Behandlungstemperatur über die
ganzen Werkstücke,da das Glimmentladungsplasma die Werkstücke einhüllt. Wenn es
bei bestimmten Anwendungsfällen erforderlich ist, eine Härtungsbehandlung nur auf
einen gewünschten Teil der Oberfläche des Werkstücks statuessen gesamte Oberfläche
zur Einwirkung zu bringen, um eine örtliche Härtung des Werkstücks zu erzielen,
während man den übrigen Oberflächenbereich unverändert läßt, ist es die übliche
Praxis, einen überzug zur Verhinderung einer Nitrierungsbehandlung auf den übrigen
Teil auf zubringen, so daß nur der
unüberzogene Teil einer Glimmentladung
ausgesetzt wird.
-
Bei dem oben erwähnten Verfahren wird jedoch das gesamte Werkstück
auf im wesentlichen die gleiche Tempeene ratur wie der überzog Teil erhitzt. Dies
bedeutet, daß mehr Energie verschwendet wird, insbesondere wenn ein größeres Werkstück
teilweise zu behandeln ist, da das Werkstück im ganzen während der Behandlung erhitzt
wird.
-
Als ein Verfahren zum Erhalten örtlich unterschiedlich behandelter
Schichten an einem Werkstück durch Ionenbehandlung (z. B. unterschiedlicher Tiefen
und Härte) wird ein Ionenoberflächenbehandlungsverfahren in der JP-OS 6956-1972
beschrieben, nach dem eine zusätzliche Metallelektrode, die gegenüber dem Werkstück
eine Anode bildet, zwischen dem Werkstück (Kathode) und der Wand des Vakuumbehälters
(Anode) eingefügt und über ein Potentiometer mit dem positiven Anschluß einer Gleichstromquelle
verbunden wird, so daß eine Änderuny des Potentials der Metallelektrode mittels
des Potentiometers teilweise die Ionenkollisionsenergie variiert.
-
Bei dem Verfahren beispielsweise einer lonennitrierung wird die zusätzliche
Metallelektrode in der Nähe des gewünschten Teils eines Werkstücks, der eine unterschiedliche
Nitrierschicht erhalten soll, vorgesehen, so daß eine Potentialänderung der Metallelektrode
mittels der äußeren Schaltung eine Änderung der Ionenkollisionsenergie am gewünschten
Teil zur Steuerung der Menge der Stickstoffatome ergibt, die zur Diffusion in den
Teil neigen, wodurch eine teilweise unterschiedlich nitrierte Schicht gebildet wird.
Da die Stickstoffdiffusion im Fall eines solchen Verfahrens zur Änderung
der
Ionenkollisionsenergie die Stickstoffdiffusion in großem Ausmaß von der Temperatur,
nicht von der Ionenkollisionsenergie abhängt, ist es sehr schwierig, die Tiefe der
nitrierten Schicht teilweise zu ändern.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glimmentladungsoberflächenhehandlung
zu entwickeln, die geeignet ist, eine Wärmebehandlung an der gewünschten Oberfläche
eines zu behandelnden Werkstücks oder Gegenstandes mit weniger Wärmeenergie zu erreichen,
eine teilweise Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks mit verringerter Wärmeenergie
vorzunehmen, mehrere unterschiedliche Behandlungsarten an einem Werkstück in einem
einzelnen Behälter durchzuführen, f:-- -lirrmentladungsoberflächenbehandlung vorzunehmen,
bei der ein Werkstück unter Änderung des Atmosphärendruci.s im Behandlungsbehälter
wärmebehandelt wird, und die Behandlungstemperatur eines Werkstücks genau zu steuern.
-
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist zunächst
ein Oberflächenbehandlungsverfahren, bei dem eine Glimmentladung zwischen einer
Kathode und einer Anode einer Stromquelle zur Wärmebehandlung eines Werkstücks bei
Unterdruckbedingungen erzeugt wird, wobei das eine leitende Oberfläche aufweisende
Werkstück mit der Kathode verbunden ist, mit dem Kennzeichen, daß man außerdem wenigstens
eine Nebenelektrode mit der Kathode verbindet und die Glimmentladung zwischen den
leitenden Oberflächen des Werkstücks und der Nebenelektrode und der Anode erzeugt.
-
Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis
21 gekennzeichnet.
-
Das Werkstück und die Nebenelektrode werden in solcher Weise angeordnet,
dal3 das Glimmleuchten oder die Glimmlumineszenz dazwischen eingegrenzt ist und
so der Behandlungseffekt durch die kombininierte Lurnineszenz beschleunigt wird.
-
Nach dem Prinzip des Glimmentladungsverfahrens gemäß der Erfindung
müssen die Menge der Atome, die in das Werkstück einzudiffundieren sind, und die
Diffusionstiefe unterhalb der Werkstückoberfläche genau gesteuert werden, um eine
geeignete Härte und Glätte der Oberfläche des Werkstücks ohne ungünstige Wirkung
auf das Werkstückmaterial selbst zu erreichen. Wenn die Oberflächenkonzentration
konstant gehalten wird, spielt die Behandlungstemperatur eine wichtige Rolle. Es
sei nun ein Beispiel betrachtet, bei dem ein Stahlmaterial als das zu behandelnde
Werkstück und Stickstoff als das oberflächenhärtende Atom verwendet werden, was
mit dem Erfordernis verbunden ist, daß die Behandlungstemneratur im Bereich von
400 - 700 °C liegen muß. Bei der aufkohlenden Oberflächenbehandlung muß die Behandlungstemperatur
im Bereich von 700 - 1100 OC liegen. Wenn Bo als Diffusionselement verwendet wird,
muß die Behandlungstemperatur im Bereich von 800 - 1200 OC liegen.
-
Weiter muß, wenn Schwefel als Diffusionsatom verwendet wird, die Behandlungstemperatur
150 - 600 OC sein. In dieser Weise ist die geeignete Behandlungstemperatur je nach
dem Diffusionsatom und dem zu behandelnden Werkstückmaterial unterschiedlich. Aus
diesem Grund stellt mn
fest, daß eine geeignete Temperatursteuerung
für einen besonderen Teil der Werkstückoberfläche eine örtliche Ändertlng der Werkstückoberflächeneigenschaft
ermöglich. Da die Behandlungstemperatur vom Zustand der Glimmentladung abhängig
ist, läßt sich eine ausgewählte örtliche Behandlung am Werkstück durch Steuerung
der Glimmentladung an diesem Teil erreichen.
-
Erfindungsgemäß kann man nun eine unregelmäßige Temperaturverteilung
auf der Werkstückoberfläche durch eine derartige Anordnung einer Nebenelektrode
(die praktisch das gleiche Potential wie das Werkstück hat) erzielen, daß die Nebenelektrode
einen ganz bestimmt ausgewählten Abstand von der gewünschten BehandlungsoberflMche
des Werkstücks aufweist, wodurch eine kombinierte - nineszenz der Glimmentladung
zwischen der Nebenelektrtde und der dieser zugewandten Werkstückoberfläche erzeugt
wird, so daß die Oberflächentemperatur des der Nebenelektrode zugewandten Werkstücks
erhoht wird. Dieses Prinzip der Temperatursteuerung basiert auf der Tatsache, daß
ein gegenseitiger Interferenzeffekt zwischen der Nebenelektrode und dem Werkstück
oder die kombinierte Glimmentladung einen Anstieg der Stromdichte dazwischen hervorruft.
Die Erfinder nennen den gegenseitigen Interferenzeffekt "Hohlkathodeneffekt", der
in einer Hohlkathode einer Hohlkathodenröhre zur Verwendung in einem Atomabsorptionsanalysator
angetroffen wird. An dem Teil des Werkstücks, der der Nebenelektrode zugewandt ist,
wächst die Ionisationskonzentration des Gases, und dementsprechend wirken aktive
Diffusionsatome auf die Werkstückoberfläche ein.
-
Um einen optimalen gegenseitigen Interferenzeffekt zu erhalten, ist
es wichtig, den Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Nebenelektrode
zu steuern.
-
Der Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Nebenelektrode
ändert die Fläche negativer Glimmerscheinungen auf dem Werkstück und der zugehörigen
Nebenelektrode. Die Länge der negativen Glimmerschei-und nung ist je nach der Gaszusammensetzungfdem
Gasdruck verschieden, und der gegenseitige Interferenzeffekt hängt hauptsächlich
von der Länge der Glimmerscheinung ab. Die negative Glimmentladung ist eng mit der
Lange verknüpft. Bei einem üblichen lonenoberflächenhärtunysverfahren neigt, wenn
der Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und der Nebenelektrode im Bereich von
0 - 0,5 mm liegt, die Gasreaktion mit dem Werkstück zur Blockierung; dagegen wird,
wenn der Abstand über 50 mm ist, die Interferenz zwischen den Glimmentladungen schwächer,
wodurch der Aufheizeffekt der Strahlungswärme von der Nebenelektrode zum Werkstück
bei erhöhtem Wärmeverlust der Nebenelektrode verringert wird. Aus diesen Gründen
beträgt der Abstand zweckmäßig 0,5 - 50 mm, vorzugsweise 2 - 25 mm.
-
Andererseits kann für die Nebenelektrode irgendein 1eitendes Material
verwendet werden, solange es keinen ungunstign Effekt auf die Oberflächenreaktion
des Werkstücks ausübt. Was die Abmessung der Nebenelektrode betrifft, so ist die
Oberflächenausdehnung der Nebenelektrode vorzugsweise im wesentlichen gleich der
oder größer als die ausgewählte Oberfläche des Werkstücks. Jedoch versteht es sich,
daß jede Nebenelektrode
verwendet werden kann, die mit einer leitenden
Fläche versehen ist und deren Flächenausdehnung im wesentlichen gleich der oder
größer als die ausgewählte Oberfläche des Werkstücks ist.
-
Der Hohlkathodeneffekt gemäß der Erfindung ist vom Gasdruck im Behälter
abhängig. Wenn der Abstand zwischen der Nehenelektrode und dem Werkstück festgelegt
wird und der Gasdruck variabel ist, ändert sich die Temperatur am Werkstück nahe
der Nebenelektrode in Abhängigkeit vom Gasdruck wegen des Hohlkathodeneffekts.
-
Dabei kann die Temperatur am übrigen, der Nebenelektrode nicht nahen
Werkstück unverändert gelassen werden, auch wenn sich der Gasdruck ändert. Der Temperaturunterschied
zwischen den Teilen auf dem Werkst hängt auch von der Gaszusammensetzung und der
Form der Nebenelektrode ab. Wenn der Gasdruck außerhalb des 9e wählten Bereichs
liegt, hat das ganze Werkstück eine identische Temperatur ohne unregelmäßige Temperaturverteilung,
weil der Hohlkathodeneffekt nicht auftritt.
-
Daher kann die Oberflächenbehandlung für den einen oder mehrere Teile
eines Werkstücks selektiv vorgenommen werden, indem man den Hohlkathodeneffekt während
der Behandlungsdauer oder nur während eines ausgewählten Teils der Behandlungsdauer
erzeugt, so daß nur ein ausgewählter Oberflächenteil behandelt oder das Werkstück
mit einer Mehrzahl von unterschiedliche Funktionen ergebenden Oberflächen erhalten
werden kann. Der Gasdruck, der von der Gaszusaimensetzung abhängt, liegt vorzugsweise
im Bereich von 0,13 - 13 mbar, noch bevorzugter
im Bereich von
1,3 - 9,3 mbar.
-
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Oberflächenbehandlungsverfahrens, mit einem evakuiClrbaren Ofenbehälteindeiner
Gleichstromquelle, deren Anode mit dem Ofenbehälter verbunden ist und deren Kathode
mit der leitenden Oberfläche zu behandelnder Werkstücke verbunden ist, mit dem Kennzeichen,
daß wenigstens eine Nebenelektrode nahe jedem Werkstück und in Verbindung mit der
Kathode anqeordnet ist.
-
Der Abstand beträgt zweckmäßig 0,5 - 50 mm, vorzugsweise 2 -25 mm.
-
Vorzugsweise ist jede Nebenelektrode nur einem ausgewählten Teil
des Werkstücks zugewandt angeordnet.
-
Die Nebenelektrode kann hohlzylindrisch sein und den ausgewählten
Teil des Werkstücks umgeben, wobei sie noch eine Öffnung aufweisen kann, deren Bedeutung
sich aus der Beispielsbeschreibung ergibt.
-
Die Nebenelektrode kann auch voll zylindrisch sein und vom ausgewählten
Teil des Werkstücks umgeben werden.
-
Außerdem kann die Nebenelektrode auch kappen förmig sein und den
ausgewählten Endteil des Werkstücks umgeben, wobei in der Stirnfläche der Nebenelektrode
eine Gasöffnung vorgesehen ist.
-
Schließlich kann die Nebenelektrode aus Kohlenstoff oder kaltgewalztem
Stahl bestehen.
-
Die Erfindung gibt also eil-e Glimmentladungs-Oberflächenbehandlung
nebst Vorrichtung an, womit nur die ausgewählten Teile eines Werkstücks nahe den
zugehörigen Nebenelektroden oder von diesen umgeben oberflächenbehandelt werden,
um unterschiedliche Behandlungen am Werkstück je nach der Lage der Nebenelektroden
zu erreichen. Jede Nebenelektrode ist nahe wenigstens einem Teil des Werkstücks
vorgesehen, und sowohl das Werkstück als auch die zugehörige Nebenelektrode werden
mit der Kathode verbunden. Wenn eine Spannung zwischen der Kathode und der Wand
des Behälters in der Behandlungsvorrichtung, die die Anode bildet, angelegt W1 Z
tritt ein gegenseitiger Interferenzeffekt (der als Hoh'kethodereffekt bezeichnet
wird) von negativen Glimmentladunc, zwischen dem Werkstück und der zugehörigen Nebenelektrode
auf, so daß die Oberflächenbehandlung für den von der Nebenelektrode umgebenen ausgewählten
TeiL des Werkstücks beschleunigt wird. Der Gasdruck im Behälter wird zur Steuerung
des Hohlkathodeneffekts variiert. Beim Behandlungsverfahren gemäß der Erfindung
wird das Werkstück derart wärmebehandelt,daß man unterschiedlich behandelte Teile
darin erzielt.
-
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines Ausführungsbeispiels einer Oberflächenbehandlungsvorrichtung, die entsprechend
einem Oberflächenbehadlungsverfahren gemäß der Erfindung ausgeführt ist;
Fig.
2 eine vergrößerte Darstellung der Nebenelektrode und des zu behandelnden metallische
Materials, die in der Oberflächenbehandlun(,svorrichtung nach Fiy. 1 verwendet werden;
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Ergebnisse in dem Fall, wo das Oberflächenbehandlungsverfahren
als ein Ionenaufkohlungsverfahren durchgeführt wird, wobei das Diagramm die Beziehung
zwischen der Vickers-Härte und der Tiefe unter der Oberfläche des zu behandelnden
Werkstück zeigt; Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Ergebnisse in dem Fall,
wo das Oberflächenbehandlunqsverfahren als ein lonennitrierverfahren durchgeführt
wird, wobei das Diagramm die Beziehung zwischen der Vickers-Härte und der Tiefe
unter der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks zeigt; Fig. 5 ein Diagramm zur
Darstellung eines Beispiels der Beziehung zwischen dem Abstand von der Oberfläche
des Werkstücks zur Nebenelektrode und der Temperatur an der Werkstiickoberfläche
unter dem Einfluß des Hohlkathodeneffekts; Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der
Beziehung zwischen dem Gasdruck und der Temperatur am ausgewählten Teil des von
der Nebenelektrode umhüllten Werkstücks mit und ohne Hohlkathodeneffekt;
Fig.
7 eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Oberflächenbehandlungsvorrichtung,
die entsprechend einem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren ausgeführt
ist, das als Karbonitrierverfahren im Glimmentladungsplasma durchgeführt wird; Fig.
8 eine vergrößerte Darstellung des zu behandelnden metallischen Materials und der
Nebenelektroden, die in der Oberflächenbehandlungsvorrichtung nach Fig. 7 verwendet
werden; Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Härte an
der Oberfläche des Werkstücks, die mit der Vorrichtung nach Fig. 8 erhalten wird,
und der Tiefe unter r werkstückoberfläche; Fig. 10 eine schematische Darstellung
eines weiteren Ausführungsbeispiels der Oberflächenbehand'ungsvorrichtung, die entsprechend
dem erfindungsgemäßen Oberflä.chenbehandlungsverfahren ausgeführt ist, das als Ionenkarbonitrierverfahren
durchgeführt wird; Fig. 11 eine vergrößerte Darstellung der Montage der Werkstücke
in der zur Karbonitrierung verwendeten Vorrichtung nach Fig. 10,wobei zur Klarheit
nur ein Werkstück dargestellt ist; Fig. 12 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen der Behandlungsdauer und der Behandlungstemperatur bei dem IonenkarbonitrierVerfahren
entsprechend Fig. 10;
Fig. 13 ein Diagramm der Härte der Oberfläche
des Werkstücks, wie sie mit der Vorrichtung nach Fig. 10 erhalten wurde, und der
Härte der übrigen Werkstückoberfläche; Fig. 14A bis 14E Diagramme jeweils zur Darstellüng
der Beziehung zwischen der Behandlungsdauer und der Behandlungstemperatur sowie
dem Gasdruck; Fig. 15 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Behandlungsdauer
und der Behandlungstemperatur, dem Gasdruck und dem Entladungsstrom im Fall des
Aufkohlungsverfahrens in einer Glimmentladung; Fig. 16 ein Diagramm zur Darstellung
der Beziehung zwischen der Härte und der Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche
des Werkstücks, wie sie beim Aufkohlungsverfahren nach Fix.15 erhalten wurden; Fig.
17 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Werkstück in der Vorrichtung
nach Fig. 10 zu behandeln ist; Fig. 18 ein Diagramm zur Darstellung der Härteverteilung
einer Mehrzahl von Oberflächenteilen des im Ausführungsbeispiel nach Fig.17 behandelten
Werkstücks; Fig. 19 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung, wie die
Temperatur an einem Teil eines Werkstücks, der von der Nebenelektrode umhüllt ist,
gemessen wird; und
Fig. 20 ein Diagramm, in dem die Tiefe der gehärteten
Schicht gemäß der Erfindung mit der nach einem bekannten Verfahren verglichen wird.
-
Die Erfindung wird nun anhand bevorzugter, in der Zeichnung veranschaulichter
Ausführungsbeispiele beschrieben, doch ist die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele
nicht beschränkt.
-
Beispiel 1 In Fig. 1 ist eine Oberflächenbehandlungsvorrichtung gemäß
der Erfindung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahrens
darUostellt, die aus einem Unterdruck- oder Vakuumofenbehäl,,r 1, zu behandelnden
Werkstücken oder Gegenständen 2, eine-Gleichstromquelle 3, einem Anodenanschluß
4, einem Kathodenanschluß 5, einer Druckbombe 6 für Atmosphärengas oder Behandlungsgas,
einer Gaseinlaßöffnung 7, einer Gasauslaßöffnung 8, einem Vakuubpumpensystem 9 zur
Verringerung des Drucks im Behälter 1, einem zu einem Vakuummesser führenden Anschluß
10, welcher Vakuummesser den Druck im Behälter 1 erfaßt, einem optischen Pyrometer
11 zum Messen der Temperatur an der Oberfläche des Werkstücks und einer Steuereinheit
12 zur Steuerung der Glimmentladung über den Werkstücken besteht. Der Vakuumbehälter
1 selbst ist elektrisch mit dem Anodenanschluß 4 verbunden, und die Wand des Behälters
1 wird mit Wasser gekühlt, um die Erhitzung von Einrichtungen und Teilen ring *
den Behälter 1 durch Strahlungshitze der Glimmentladung zu vermeiden.
-
Es soll nun eine Erläuterung für Fig. 1 in dem Fall gegeben werden,
daß das Oberflächenbehandlurlysverfahren gemäß der Erfindung in einer Ionenaufkohlungsvorrichtung
durchgeführt wird, in der zu behandelnde Werkstücke im Glimmentladungsplasma aufgekohlt
werden. Gemäß' Fig. 2 ist nur der Teil 2a des Werkstücks 2 von ter Nebenelektrode
20 abgedeckt, um den Hohlkathodenbffekt auf dem Teil 2a zwecks Aufkohlung zu erzeugen.
-
Als Werkstück 2 wurde in diesem Ausführungsbeispiel eine Welle (14
mm Durchmesser und 100 mm Länge) aus "SCM 451"-Chrom-Molybdän-Stahl (C 0,13 - 0,18
%, Si 0,15 - 0,35 %, Mn 0,6 - 0,85 %, P 0,03 % oder weniger, S 0,03 % oder weniger,
Cr 0,9 - 1,1 %, Mo 0,15 - 0,30 %) gemäß den japanischen Industrienormen (JIS) verwendet.
-
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Welle oder das Werkstück den
(oberen), eine Aufkohlung benötigenden Teil 2a von etwa 25 mm Länge und den (unteren),
eine Aufkohlung benötigenden Teil 2b von etwa 75 mm Lange auf. In diesem Zusammenhang
war die Nebenelektrode 20 ein leitender Kohlenstoffzylinder (NichtmetallmaWerial)
von 26 mm Innendurchmesser, 30 mm Länge und 1,5 mm Wanddicke.
-
Die Elektrode 20 wies einen Abstand von 6 mm gecgenkiber der Oberfläche
des Werkstücks 2 auf.
-
Beim Rufkohlungsverfahren wurde zunächst der Druck im Vakuumbehälter
1 auf 1,3 . 10 2 mbar verringert, und man führte dann Wasserstoff- und Methangas
in den Behälter ein, wobei der Druck im Behälter bei 4 mbar gehalten wurde. Man
legte eine Gleichspannung zwischen 400 und 1000 V an, so daß eine Glimmentladung
auftrat und
nur der Teil 2a des Werkstücks 2 30 min auf 850 OC
erhitzt wurde. Dann schreckte man das Werkstück 2 ah oder härtete es und untersuchte
es hinsichtlich seiner Härte. Die Ergebnisse sind in der Fig. 3 gezeigt, in der
die Kurve A die Härteverteilung des Teils 2a (Behandlungsteils) des Werkstücks 2
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und die Kurve B diejenige des Teils 2b (Nichtbehandlungsteiis)
darstellen. Man ersieht aus Fig. 3, daß der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhitzte und gehärtete Teil 2a eine geartete Schicht aufweist, die bis zu etwa 1
mm unter der Oberfläche des Werkstücks reicht und deren Härte über Hv 513 (Vickers-Härte)
liegt. Dies ist so, weil da Kohlenstoffatome in die Oberfläche des Wo vstücks unter
Bildung einer kohlenstoffhaltigen Schic. unterschiedlicher Tiefenkonzentration eindiffundiert
werden, die Härte in Abhängigkeit von der Tiefe unter Oberfläche variiert. Andererseits
variiert für die Kurve B des Nichtbehandlungstells 2b die Härte nicht mit der Tiefe
unter der Oberfläche des Werkstücks, sondern hat einen kcnstanten Wert von Hv 160
(Vickers-Härte).
-
Die Härte von Hv 160 ist die gleiche wie die des weichgekühlten '2SCM
21Stahls. Dies führt zu dem Ergebnis, daß erfindungsgemäß eine Aufkohlungsbehandlung
am örtliegen Behandlungsteil 2a erzielt, am Nichtbehandlungsteil 2b dagegen nicht
erzielt wird. Der Versuch zeigte außerdem, daß der für das erfindungsgemäße Verfahren
erforderliche Energieverbrauch nur etwa die Hälfte dessen beträgt, der benötigt
wird, wenn das ganze Werkstück bei seiner Behandlungstemperatur behandelt wird,
so daß erfindungsgemäß eine beträchtliche Einsparung der Wärmeenergie ermöglicht
wird.
-
Beispiel 2 Eine Welle (100 mm Durchmesser und 2000 mm Länge) aus "SCM
4"-Chrom-Molybdin-Stahl (JIS) (entsprechend AISI 4140) als Werkstückprobe wurde
im Glimmentladungsplasma innerhalb einer dem Ausführungsbeispiel 1 ähnlichen Oberflächennitriervorrichtung
nitriert. Bei diesem Versuch wird angenommen, daß die Welle nur an ihren beiden
Enden und im mittleren Teil nur über eine Erstreckung von 1000 mm nitriert werden
mußv da die zu nitrierenden Teile Lager kontaktieren ur* deshalb einen höheren Abriebwiderstand
benötigen, wogegen die übrigen Teile wegen ihrer leichten Maschinenbearbeitbarkeit
nicht nitriert werden sollen. Nebenelektroden werden ringsum die zu nitrierenden
Teile der Welle im Abstand von 6 mm zu deren Oberfläche angeordnet. In diesem Fall
besteht jede Nebenelektrode aus einem Zylinder (120 mm Höhe und 112 mm Innendurchmesser),
der aus einer 10 mm dicken, kaltgewalzten "SPCC"-Stahlplatte (JIS) geformt wurde.
-
Beim Nitrierverfahren wurde zunächst der Druck im Vakuumbehälter
1 auf 1,3 . 10'2 mbar verringert, und dann speiste man Wasserstoff- und Stickstoffgas
in den Behälter 1 ein, um den Behälterdruck auf 4 mbar zu halten. Man legte eine
Gleichspannung im Bereich von 400 bis 1000 V an, so daß Glimmentladung auftrat und
nur die zu nitrierenden Teile der Welle 20lsh auf 550 0c erhitzt wurden.
-
Die Härte der erhaltenen Welle ist in Fig. 4 dargestellt, in der
die Kurve C die Härte der nitrierten
Teile und die Kurve D diejenige
des übrigen Teils, d. h.
-
der nichtnitrierten Teile darstellen. Man stellt in Fig. 4 leicht
fest, daß die Härte der nitrierten Teile von ihrer Oberfläche (Hv 750) bis zur Tiefe
von 0,6 mm unter der Oberfläche variiert, d. h. abfällt, während die übrigen Teile,
d. h. die nichtnitrierten Teile, eine konstante Härte von Hv 320, d. h. einen Wert
nach dem Tempern der "SCM 4"-Stahlwelle aufweisen, die nicht zu nitrierenden Teile
also tatsächlich nicht nitriert waren. Es war somit möglich, die nichtnitrierten
Teile nach der Behandlung leicht spanabhebend zu bearbeiten. In dieser Weise können
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die ausgewählten Teile des Werkstücks allein
nitriert werden, ohne daß eine Nitriet handlung am Rest des Werkstücks erfolgt.
-
mit einem Ausführungsbeispiel eines Oberflächenbiiad1un.averfahrens
erläutert werden, bei dem die Oberflächenbehandlung unter Steuerung des Gasdrucks
im Behälter durchgeführt wird. Wie schon weiter oben beschrieben wurde, hängt der
Hohlkathodeneffekt vom Abstand zwischen der Nebenelektrode und dem zugehörigen Werkstück
und vom Gasdruck im Behälter ab. Die Beziehung zwischen dem Abstand und der sich
aus dem Kohlkathodeneffekt ergebenden Temperatur hängt stark von der Zusammensetzung
des in den Behälter eingeführten Gases, dem Gasdruck, den Formen der zu behandelnden
Werkstücke und dem Material und den Formen der Nebenelektroden ab. Fig. 5 zeigt
ein Beispiel, bei dem der Gasdruck festliegt. Nach der gleichen Figur wird der von
der zugehörigen Nebenelektrode umgebene Teil des Werkstücks anf 600 OC erhitzt,
+) Beispiel 3 Die Erfindung soll nun in Verbindung
wenn der Abstand
zwischen dem Werkstück und der Nebenelektrode im Bereich von 0 - 0,5 mm liegt, und
hat so im wesentlichen die gleiche Temperatur wie die für die übrigen Glimmflächen
des Werkstücks. Wenn der Abstand von 0,5 mm anwächst, steigt die Temperatur an dem
von der Nebenelektrode umgebenen Teil schroff an. Wenn der Abstand im Bereich von
2 - 5 mm liegt, hat der von der Nebenelektrode umgebene Teil eine Spitzentemperatur.
-
Bei einem Abstand zwischen 2 und 5 mm erreicht die Temperatur an dem
Teil des Werkstücks, der von der tief benelektrode umgeben und direkt unter dieser
ist, über etwa 1000 OC und ist etwa 400 OC höher als die auf dessen anderen Glimmentladungsflächen.
Wenn der Abstand weiter steigt, geht der Temperaturunterschied zwischen diesem Teil
des Werkstücks und dessen anderen Glimmflächen allmählich zurück. Wenn der Abstand
etwa 50 mm wird, ist die Temperatur dieses Teiles im wesentlichen die gleiche wie
die der übrigen Glimmentladungsflächen.
-
Es soll nun der Gasdruck näher betrachtet werden. Der Gasdruck muß
einen geeigneten Wert in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis des Gases und von
der Eigenschaft des zu behandelnden Werkstücks haben. Beispielsweise ist in dem
Fall, wo nur der ausgewählte Teil eines Werkstücks hauptsächlich in einem tieferen
oder stärkeren Ausmaß auf der Basis eines typischen Karbonitrierverfahrens aufgekdhlt
werden muß, die Beziehung zwischen der Temperatur des stark auf zukohlenden Teils
des Werkstücks und dem Gasdruck in Fig. 6 dargestellt, wo die Kurve 6a die durch
den Hohlkathodeneffekt gesteigerte Temperatur und die Gerade 6b die Temperatur im
Fall ohne Hohlkathodeneffekt darstellen. In diesem Beispiel
wird
eine Welle von 25 mm Durchmesser und 250 mm Länge als Werkstück verwendet, und eine
stark aufkohlende Behandlung muß auf die Teile des Werkstücks angewandt werden,
deren Erstreckung 40 mm von dessen Enden beträgt, da die Teile zum Eingriff mit
Kugellagern vorgesehen sind. Der Teil außerhalb de stark aufzukohlenden Teile der
Welle erfährt eine übliche, d. h. normale Tiefe einer Karbonitrier- oder Nitrierabehandlung,
mit der eine Verbesserung der Dauerfestigkeit bezweckt wird. Hierbei umgibt jede
zylindrische Nebenelektrode (31 mm Innendurchmesser, 40 mm Länge und 4 mm Wanddicke)
jeden stark aufzukohlenden Teil der Welle. Die Temperatur des Teils der Welle außerhalb
der stark auf zukohlenden Teile wird auf 600 OC gehalten, u- rms ist eine Mischung
aus Wasserstoff-, Argon- Uslo Methangas.
-
Wenn der Gasdruck während des Verfahrens unter 0,65 mbar gehalten
wird, hat der von der Nebenelektrocie umgebene Teil praktisch die gleiche Temperatur
wie der Rest der Welle. Wenn der Gasdruck über 0,65 mbar gehalten wird, weist der
von der Nebenelektrode umgebene Teil des Werkstücks eine höhere Stromdichte der
Glimmentladung als dessen Rest auf, was dazu führt, daß der von der Nebenelektrode
umgebene Teil höher als dessen Rest erhitzt wird. Dabei wird, wenn der Gasdruck
beispielsweise bei etwa 2,7 mbar gehalten wird, die Temperatur des von der Nebenelektrode
umgebenen Teils etwa 320 OC höher als die des übrigen Bereichs des Werkstücks.
-
Werkstücke 2, die sie in Fig. 8 gezeigt sind, wurden in der Oberflächenbehandlungsvorrichtung
nach Fig. 7 angeordnet, die gegenüber derjenigen nach Fig. 1 für das Karbonitrierverfahren
modifiziert wurde. Bei diesem
Versuch war eine stark härtende Behandlung
für die Teile 2a und 2c des Werkstücks erforderlich, das an den Teilen 2a und 2c
von Nebenelektroden 20 umgeben war, wie in Fig. 8 gezeigt ist.
-
Als Werkstück 2 wurde eine Welle aus "SCM 451-Chrom-Molybdän-Stahl
(JIS) '15 - 20 mm Durchmesser und 205 mm Länge) verwendet. Wie Fig. 8 zeigt, liegen
die eine starke Härtung erfordernden Teile im mittleren Bereich (von 25 mm Länge)
der Welle und am Teil (von 25 mm Länge) von deren einem Ende aus. Der restliche
Teil her Welle erfährt eine übliche Karbonitrierbehandlung (Diffusionstiefe in der
Größenordnung von 0,05 mm). Die Nebenelektroden 20 bestanden aus SUS 304"(JIS) und
hatten einen Abstand von 3 mm zur Welle.
-
Beim Karbonitrierverfahren wurde zunächst der Druck im Vakuumbehälter
1 unter 1,3 . 10-2 mbar verringert, und man führte Stickstoff-, Wasserstoff- Methan-
und Argongas in den Behälter ein, um den Behälterdruck auf 1,3 mbar zu halten. Es
wurde eine Gleichspannung zwischen 400 und 1000 V angelegt, so daß eine Glimmentladung
auftrat und die Welle bei 600 OC 4,5 h karbonitriert wurde.
-
Unter diesen Bedingungen war die Temperatur der von den Nebenelektroden
20 umgebenen Teile praktisch die gleiche wie die des Rests der Welle 2.
-
Anschließend wurde der Gasdruck auf etwa 5,3 mbar erhöht, und man
führte eine zusätzliche Behandlung der Welle für weitere 30 min unter Absaugen des
Methangases durch. Dabei wurden die von den Nebenelektroden umgebenen Teile auf
900 OC und der Rest der Welle auf 600 °C (eingestellte Temperatur) erhitzt. Danach
wurde die Welle abgeschreckt, und die Härte unter deren Oberfläche wurde gemessen.
Die Ergebnisse sind in der Fig. 9 gezeigt, wo die Kurven E und F die Härte der von
den
Nebenelektroden umgebenen Teile und die Kurve G diejenige des
Rests der Welle darstellen . Man erkennt in Fig. 9 ohne weiteres, daß die Härte
der Teile 2a und 2c, die durch Ändern des Gasdrucks nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
stärker erhitzt wurden, d. h. entsprechend den Kurven E und Ffwenigstens Hv 513
von der Oberfläche der Teile bis in eine Tiefe von 1,1 - 1,2 mm beträgt, während
die Härte des Rests der Welle, d. h. entsprechend der Kurve G,im Bereich von 0 (Oberfläche)
bis in eine Tiefe von 0,2 mm praktisch gleich ist. Insbesondere wurden, da die von
den Nebenelektroden umgebenen Teile 2a und 2c auf 900 OC erhitzt wurden (welche
Temperatur im Austenitbereich des Stahls liegt), Kohlenstoffatome tief in diese
Teile unter Bildung einer start nl7fqekohlten Schicht eindiffundiert. Mit anderenrtlfc
~en zeigen die Kurven E und F die Beziehung zwischen a-r Konzentration der Kohlenstoffatome,
die unter die Oberflächen der Teile eindiffundiert wurden, und der Tiefe unter den
Oberflächen. Andererseits sind, da der übrige Teil der Welle auf eine niedrigere
Temperatur von 600 OC (die im Ferritbereich des Stahls liegt) erhitzt wurda, die
Festlösungsgrenzen des Stickstoffs und Kohlenstoffs niedrig, und daher ist die Diffusionsrate
gering, was zu einer sehr flachen karbonitrierten Schicht führt.
-
In dieser Weise können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Werkstücke
aus metallischem Material so behandelt werden, daß an deren verschiedenen Teilen
unterschiedliche Behandlungen kontinuierlich erzielt werden,um unterschiedliche
Oberflächeneigenschaften oder Funktionen im Behälter zu ergeben, was eine bemerkenswerte
Einsparung
an zum Erhitzen erforderlicher Energie ermöglicht.
-
Beispiel 4 In diesem Beispiel wird die Erfindung für den Fall erläutert,
wo der Teil eines Werkstücks auf eine höhere Temperatur erhitzt wird, um eine stark
karbonitrierte Schicht zu bilden, und außerdem zur zusätzlichen Härtung abgeschreckt
wird.
-
In den Fig. 10 und 11 ist eine Oberflächenbehand7ungsvorrichtung
dargestellt, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren für den Karbonitrierprozeß
ausgeführt ist, wobei die Vorrichtung eine an einer kappenförmigen Nebenelektrode
20 vorgesehene Gasöffnung 13, einen Aufbau 14 zur Aufnahme eines Kathodenanschlusses
5, einen Sperrteil 15 am Werkstück 2, das in diesem Beispiel eine Anlasserwelle
ist, einen Wellenteil an der Anlasserwelle 2 und einen Verkeilungsteil 17 an der
Anlasserwelle 2 umfaßt.
-
Gemäß Fig. 10 wurde die Anlasserwelle 2 in einem Behälter 1 angeordnet'
man evakuierte die Luft im Behälter 1 bis zu einem Druck unter 1,3 . 10 2 mbar und
führte das Behandlungsgas in den Behälter 1 ein, um die Atmosphäre oder den Gasdruck
im Behälter bei 6,7 mbar zu halten. Das Behandlungsgas bestand aus Stickstoff (50
%), Methan (3 %) und Wasserstoff (Rest). Dann wurde eine Gleichspannung zwischen
300 und 1500 V angelegt, um eine Glimmentladung zu erzeugen. Die Verfahrerisabfolge
oder das Verfahrensmuster folgte Fig. 12, d. h. während der ersten 40 Minuten und
der letzten 20 Minuten der Karbonitrierbehandlung
von 5 h bei
850 OC bzw. dazwischen bei 600 OC wurde der Gasdruck von 6,7 auf 4 mbar gesenkt.
-
Die Verringerung des Gasdrucks ergab eine Glimmentladung mit gegenseitigem
Interferenzeffekt zwischen dem Sperrteil 15 der Anlasserwelle 2 und der Nebenelektrode
20, wodurch der Sperrteil auf etwa 850 OC, d. h. eine wesentliche Aufkohlungstemperatur
erhitzt wurde. Jedoch lagen, auch wenn der Sperrteil 15 auf etwa 850 OC erhitzt
wurde, die übrigen Teile der Anlasserwelle 2, d. h. der Verkeilungsteil 17 und der
Wellenteil 16 bei etwa 600 OC und wurden so karbonitriert. Die Behandlungstemperatur
und der Gasdruck wurden gesteuert und mittels einer Steuertafel gemessen.
-
Nach Vollendung des obigen Karbonitrierver rens wurde der Sperrteil
15 einer InduktionswärmebehanRluna (230 kHz) bis zu 930 OC (Maximum) unterworfen
und dann mit Wasser abgeschreckt. Anschließend wurde die Anlasserwelle 1 h bei 180
OC getempert oder angelassen. Die Härte der so erhaltenen Anlasserwelle ist in Fig.
13 gezeigt, in der die Kurve 13a die Härte deren Sperrteils 15 und die Kurve 13b
diejenige des WellenteilsS6darstellen.
-
Nachdem der Sperrteil aufgekohlt und abgeschreckt war, wurdendie effektive
Tiefe von 0,7 mm fürdessen gehärtete Schicht und die effektive Tiefe von 0,3 mm
für den karbonitrierten Teil außerhalb des Sperrteils erhalten.
-
Die Fig. 14A bis 14- zeigen, wann und wie lange der ausgewählte Teil
der Anasserwelle örtlich erhitzt wird, um eine Karbonitrierbehandlung (jedoch im
wesentlichen Aufkohlungsbehandlung) hoher Kohlenstoffkonzentration
im
Lauf der gesamten Behandlungszeit des Karbonitrierverfahrens zu erreichen. Nach
Fig.14A wird die Aufkohlung zu Beginn der Karbonitrierverfahrensdauer durchgeführt.
Bei der Behandlung nach Fig. 14A ist die gewünschte Oberflächenhärte des erhaltenen
gehärteten Teils manchmal unzureichend, da der nachfolgende Karbonitrierschritt
eine tiefe mS tung der schon in der Nähe der Oberfläche des Teils während des ersten
Behandlungsschritts eindiffundierten Kohlenstoffatome verurssacht, so daß die Kohlenstoffkonzentration
in der Nähe der Oberfläche gesenkt wird. Fig .14B zeigt ein Beispiel, wo die Aufkohlung
im letzten Abschnitt des Karbonitrierverfahrens vorgesehen ist. Bei der Behandlung
nach Fig. 14B wird die Kohlenstoffkonzentration in der Nähe der Oberfläche des Härtungsteils
übermäßig hoch, und so ergibt die Induktionsabschreckung manchmal eine unerwünscht
hohe Kohlenstoffkonzentration in diesem Teil (im Gegensatz zu dem Fall nach Fig.
14A). Nach Fig. 14C erfolgt die Aufkohlung im letzteren Teil oder in der letzteren
Stufe des Karbonitrierverfahrens, worauf eine geeignete Kohlenstoffdiffusionsperiode
folgt.
-
Fig. 14D zeigt ein Beispiel, wo die Aufkohlung mit Unterbrechungen
pulsierend im Lauf des Karbonitrierverfahrens durchgeführt wird. Fig. 14E zeigt
ein Beispiel, wo die Aufkohlung zu Beginn und am Ende des Karbonrtrierverfahrens
vorgesehen ist. Um die Kohlenstoffkonzentration von der Oberfläche zum Inneren des
ausgewählten Teils eines Werkstücks möglichst gleichmäßig zu machen, ist die Verwendung
der Behandlungsmuster nach +) Fig. 14E vorzuziehen.
-
+) Fig. 14 C -
Die Tempertemperatur nach der Induktionsabschreckung
soll möglichst im Bereich von 130 - 300 OC liegen.
-
Dies verursacht einen Zerfall des Restaustenits aufgrund der Induktionsabschreckung
mit einer gewünschten Härteverteilung. Eine örtliche oder teilweise Oberflächenabschreckung
der karbonitrierten Schicht hoher Kohlenstoffkonzentration, die durch das Karbonitrierverfahren
gebildet ist, kann durch eine geeignete Lasereinrichtung oder durch Anordnen in
einem geeigneten Kühlmittel nach der Behandlung anstelle der Induktionsabschreckung
erfolgen.
-
Beispiel 5 Bei der Ionenaufkohlungsoberflächenbehandi - mit der Verwendung
von Nebenelektroden sind die Beharil mgstemperatur, die Behandlungsdauer und die
Verteilung Kohlenstoffkonzentration unter der Oberfläche eines Werkstückmetalls
wichtige Faktoren. Im einzelnen kann beim Ionenaufkohlungsverfahren der zu behandelnden
Werkstücke mit der Nebenelektrode der ausgewählte Teil des Werkstücks leicht aufgekohlt
werden, um eine tief aufgekohlte Schicht in nur kurzer Zeit zu bilden. Jedoch verursacht
die Erhitzung des ausgewählten Teils auf eine hohe Temperatur für lange Dauer eine
Steigerung der Kristallgröße und eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften.
Das gleiche gilt für ein behanntes Verfahren'z. B. ein Gasaufkohlun gverfahren.
-
Wenn jedoch das Werkstück ein übermäßiges Kohlenstoffpotential aufweist,
hat der aufgekohlte Teil ein anormales Gefüge, in welches Zementit wie ein weißes
Netzwerk ausgeschieden ist, was zur Bildung einer spröden aufgekohlten Schicht führt.
-
Da eine übermäßige Aufkohlung durch zu starke Zufuhr von Kohlenstoffatomen,
Höchtemperaturbehandlung, die die Eignung zur festen Lösung von Kohlenstoff steigert,
und anschließende Abschreckung, die zur Senkung der Festlöslichkeit und zur Ausscheidung
von Kohlenstoff an den Korngrenzen führt, entsteht, kann das Werkstück mit normalen
Oberflächeneigenschaften oder normaler Oberflächenhärte durch Änderung der Gaszusammensetzung
zwecks Verringerung des Kohlenstoffbestandteils und Steuerung der Aufkohlung und
anschließendeqDiffusionstemperatur erzeugt werden.
-
Ein wirksames Aufkohlungsverfahren für einen Stahl umfaßt die Schritte
der Aufkohlung bei hoher Temperatur (über 900 OC), bei der die Festlöslichkeit von
Kohlenstoff im Stahl hoch ist, und des anschließenden gleichmäßigen Diffundierenades
Kohlenstoffs in den Stahl. Hierzu sind eine Hochtemperaturaufkohlung kurzer Dauer
und ein anschließender Diffusionsprozeß unter 900 OC erwünscht, wodurch eine Kornvergröberung,
die zur Sprödigkeit führt, verhindert wird. Jedoch ist nach. einem bekannten Gasaufkohlungsverfahren
mit einer Heizeinrichtung, wie z. B. einem Brenner und einer Flamme aus einem verbrennbaren
Gas, da es schwierig ist, schnell eine bestimmte hohe Temperatur zu erreichen und
diese Temperatur für kurze Zeit genau zu halten, die Verfahrensweise derart, daß
eine verhältnismäßig lange Zeit dauernde Behandlung bei etwa 900 OC durchgeführt
wird, bei .der eine Vergröberung der Kristallkörner auftritt.
-
Bei einem Oberflächenbehandlungsverfahren bei dem Nebenelektroden
zur Erzeugung einer Entladung mit Hohlkathodeneffekt gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet werden, wird der Gasdruck variiert, um die Menge der in
den Behälter eingeführten Kohlenstoffatome genau zu steuern und dadurch einen Hochtemperaturaufkohlungsprozeß
unter genauer Steuerung der Menge des in den gewünschten Teil eines Werkstücks eindiffundierten
Kohlenstoffs zu erzielen, wodurch die oben erwähnten Nachteile beim bekannten Verfahren
beseitigt werden.
-
Um eine Aufkohlung der ausgewählten zwei Teile einer kaltgewalzten
Anlasserwelle aus "SCM 415 (ir"! sur Bildung harter Teile auf der Basis des Prinzip
ach Fig. 6 zu erzielen, wurde die Anlasserweile zusai.en mitjter zugehörigen Nebenelektrode
in den Vakuumbehälter eingebracht, wobei das Werkstück, d. h. die Anlasserwelle,
und 3Mb Nebenelektrode mit dem Kathodenanschluß und die Wand des Behälters mit dem
Anodenanschluß verbunden wurden, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Die Aufkohlung und die
Diffusion wurden für die Anlasserwelle abwechselnd nach der Behandlungsabfolge entsprechend
der Fig. 15 vorgesehen. Die Nebenelektrode hatte Zylinderform und bestand aus Graphit,
wobei der Abstand zwischen der Anlasserwelle und der zugehörigen Nebenelektrode
6 mm betrug. Der Gasdruck wurde während der Aufkohlung bei 4 mbar und während der
Diffusion bei 5,3 mbar gehalten. Die Aufkohlungs und piffusionsvorgänge ließ man
jeweils fünfmal abwechselnd ablaufen.
-
Die Dauer eines Aufkohlungsvorganges wurde auf 3 min eingestellt,
und dessen Gesamtdauer betrug 60 min. Die
so aufgekohlte Welle
wurde im Behälter abgekühlt und mittels der Induktionserhitzung mit nachfolgendem
Abschrecken gehärtet. Die erhaltene Welle wurde an ihrem aufgekohlten Teil durchgeschnitten,
und man schliff oder polierte den Querschnitt des abgeschnittenen Teils.
-
Das Gefüge der Schnittfläche in der Nähe der Oberfläche wurde beobachtet.
-
Außerdem wurde der Schnittstellenquerschnitt der Welle bezüglich
der Härteverteilung unter der Oberfläche unter Verwendung eines Mikro-Vickers-Härteprüfers
und bezüglich der Kohlenstoffkonzentrationsverteilung unter der Oberfläche unter
Verwendung eines E.P.M.A." gemessen. Als Ergebnis war die aufgekohlte Schicht, d.
h. der ausgewählte Teil der Welle, vollkommen aus Martensitgefüge, und man beobachtete
keine übermäßig aufgekohlte oder entkohlte Schicht. Die Versuchsergebnisse sind
in der Fig. 16 angegeben. In Fig. 16 stellen die ausgezogene Kurve I die Kohlenstoffkonzentration
und die gestrichelte Kurve H die Härte dar. Es ist aus Fig. 16 ersichtlich, daß
die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche 0,83 % ist und daß die diffundierte
Schicht eine Tiefe von 0,8 mm erreicht.
-
Der Induktions-Abschreckungs- oder Härtungsschritt liefert eine Oberflächenhärte
von Hv 900, und die wirksame Tiefe der gehärteten Schicht (Hv > 550) ist 0,65
mm.
-
Wie im Vorstehenden beschrieben wurde, ist das Eisenbehandlungsverfahren
gemäß der Erfindung sehr nützlich, insbesondere als ein Schnellaufkohlungsverfahren,
bei dem ein Werkstück bei hoher Temperatur behandelt wird. Selbstverständlich läßt
sich die Erfindung
auf einen weiten Behandlungsbereich einschließlich
eines Karbonitrierverfahrens und eines Nitrierverfahrens anwenden, bei dem Werkstücke
im Glimmentladungsplasma behandelt werden. Außerdem kann der Hochfrequenzhärtungsschritt
mit einer geeigneten Lasereinrichtung oder durch Eintauchen des Werkstücks in ein
geeignetes Kühlmittel durchgeführt werden.
-
Beispiel 6 Dieses Beispiel bezieht sich auf ein Oberflächenbehandlungsverfahren,
bei dem eine Mehrzahl von Behandlungsarten kontinuierlich ablaufen, um ein Werkstück
mit einer Mehrzahl von Oberflächenteilen mit unterschiedlichen Eigenschaften oder
für unterschiedliche Funktionen oder Zwecke zu erzeugen. Nach diesem Verfahren wird
ein Teil des Werkstücks dem Karbonitrierprozeß zur Bildung einer tief gehärteten
Schicht hoher Kohlenstoffkonzentration unterworfen, ein anderer Teil wird dem Karbonitrierprozeß
zur Bildung einer flachen Karbonitrierschicht unterworfen, und noch ein anderer
Teil wird einem Schwefelnitrierverfahren unterworfen.
-
Das Werkstück 2 ist eine kalt geschmiedete Getriebewelle aus 'ESCM
451" (JIS) wie sie in Fig. 17 dargestellt ist. Gemäß dieser Figur muß ein Sperrteil
15 eine tief gehärtete Schicht aufweisen, da er einem Blasabrieb ausgesetzt ist.
Ein innerer Getriebeteil 21 und ein Wellenteil 16 werden unter 600 OC behandelt,
um darauf Karso bonitrierschichten zu bilden und/die Abrieb- und Dauerfestigkeit
zu verbessern, ohne die durch das Kaltschmieden erreichte Festigkeit zu verlieren.
Außerdem wird in einem
letzten Verfahrensschritt der innere Getriebeteil
21 der Schwefelnitrierbehandlung unterworfen, um eine Paßeignung, die in einem frühen
Reibungsstadium benötigt wird, und die Abriebfestigkeit zu erhalten. Die Werkstücke
werden im Behälter, wie in Fig. 10 eiqt, zusammen mit den Nebenelektroden 20 und
20' besonderer Form angeordnet, wie in Fig. 17 gezeigt ist. Die Form der Nebenelektrode
20, die dfn Sperrteil 15 umgibt, entspricht der Form der Nebenelektrode 20 in Fig.
11 mit Gasöffnungen 13 in der Stirnfläche. Die dem Getriebeteil 21 zugeordnete Nebenelektrode
20' ist zylindrisch und innerhalb des zylindrischen Getriebeteils 21 angeordnet.
Die Werkstücke und die Nebenelektroden werden mit der Kathode verbunden, und die
Behälterwand wird mit der Anode verbunden. In einer eine Gaszusammensetzung für
das Karbonitrieren enthaltenden Atmosphäre wird die auf dem Hohlkathodeneffekt basierende
Entladung am Sperrteil 15 unter Aufrechterhaltung von 850 OC während 40 min bewirkt.
Dann ändert man den Gasdruck, um die Glimmentladung zur Erhitzung dieses Teils auf
600 OC für 3 h zu bewirken. Anschließend wird durch Ändern des Gasdrucks die auf
dem Hohlkathodeneffekt basierende Entladung durch Aufrechterhalten von 850 °C während
20 min erzeugt, und schließlich wird ein stand von unter 400 OC während 15 min gehalten.
Dies ist ein voller Zyklus. Ein Zyklus für den Teil 16 besteht aus den Bedingungen
von 600 OC für 4 h und unter 400 °C für 15 min. Dagegen wird der innere Getriebeteil
21 nach dem Karbonitrierprozeß während 4 h bei 600 OC der auf dem Hohlkathodeneffekt
in einer abgeänbasierenden Entlade derten Atmosphärv unterworfen, die aus der Nitriergaszusammensetzung
mit einem Zusatz von 0,5 H2S besteht,
um nur für den Teil 21 die
Schwefelnitrierbehandlung bei 600 0C während 15 min durchzuführen. Danach wird das
Werkstück im Ofenbehälter 1 abgekühlt. Dann wird der Teil 15 der Oberflächeninduktions-Abschreckung
unterworden. Während einer Zeit, die der Teil 15 der auf dem Hohlkathodeneffekt
basierenden Entladung unterworfen ist, sind die Teile 16 und 21 der gewöhnlichen
Glimmentladung unter Beibehaltung von 600 °C ausgesetzt.
-
Weiter sind während der Zeit, die der Teil 21 der Entladung zur Bildung
der Schwefelnitrierschicht unterworfen ist, die Teile 15 und 16 unter der schwachen
Glimmentladung unterhalb von 400 OC. So wird auf den Teilen 15 und 16 keine Schwefelnitrierschicht
gebildet.
-
Das vorstehend erläuterte, 4 h und 15 min dauernde vollständige Behandlungsverfahren
liefert eine Mehrzahl von verschiedenen Funktionen dienenden Oberflächenbehandlungen.
Fig. 18 zeigt die Härteverteilungen auf der Oberfläche des Werkstücks nach der Behandlung,
wobei die Kurven J, K und L den Teilen 15 bzw.16 bzw. 21 entsprechen. Der Teil 15
weist eine gehärtete Schicht hoher Kohlenstoffkonzentration auf, die sich hauptsachlic
durch die Aufkeihlung ergibt, wobei eine Oberflächenhärte von 850 Hv und eine wirksame
gehärtete Schicht von 0,65 mm Tiefe vorliegen. Da der Teil 16 bei einer niedrigen
Temperatur im Vergleich mit dem Teil 15 behandelt wurde, wird die Stickstoff und
Kohlenstoff enthaltende Karbonitrierschicht mit der Oberflächenhärte von Hv 750
und der wirksamen gehärteten Schicht von 0,1 mm Tiefe gebildet, die flacher als
die gehärtete Schicht des Teils 15 ist. Da der Teil 21 eine karbonitrierte
Schicht
und eine flache schwefelnitrierte Schicht niedriger Härte auf der karbonitrierten
Schicht aufweist, ist die Oberfläche des Teils 21 verhältnismäßig wenig hart im
Vergleich mit der Oberfläche des Teils 16. Die Härte des Inneren des Teils 21 ist
dagegen im wesentlichen die gleiche wie die des Teils 16.
-
Wie vorstehend beschrieben, kann durch einen einzige Behandlungsprozeß
eine Mehrzahl von Oberflächenschichten erzeugt werden, die für verschiedene Funktionen
dienen und dementsprechend verschiedene Eigenschaften aufweisen.
-
Beispiel 7 Wie in Fig. 6 gezeigt ist, hängt der Temperaturanstieg
der gewünschten, von den zugehörigen Nebenelektroden umgebenen Teile eines Werkstücks
aufgrund des Hohlkathodeneffekts vom Gasdruck im Behälter ab. Die geeignete Erhitzungstemperatur
der gewünschten Teile unterscheidet sich je nach dem Material des Werkstücks. Beispielsweise
ist im Fall, wo Stahl als Werkstück verwendet wird, die geeignete Erhitzungstemperatur
bei einem Nitrierverfahren 400 - 700 °C, bei einem Aufkohlungsverfahren 700 - 1100
°C, bei einem Borbehandlungsprozeß 800 - 1200 OC und bei einem Schwefelnitrierprozeß
150 - 600 OC. In dieser Weise muß, um dem Werkstück eine geeignete Behandlung zukommen
zu lassen, die Behandlungstemperatur je nach dem Verfahren und dem Material der
verwendeten Werkstücke gewählt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung
so eingesetzt,
daß die Temperatur an den gewählten, von den zugehörigen
Nebenelektroden umgebenen Teilen des Werkstücks erfaßt wird und man den Gasdruck
entsprechend der erfaßten Temperatur für eine genaue Oberflächenbehandlung genau
steuert. Hierbei ist die Nebenelektrode 20, die den ausgewählten Teil 2a des Werkstücks
2 umgibt, mit einer seitlichen öffnung 20a gegenüber dessen Stelle 2d versehen,
wie in Fig. 19 dargestellt ist. Die Öffnung 2Oa hat einen Durchmesser von 2 - 25
mm und ist zu einem optischen Pyrometer (Infrarotstrahlungs-Temperaturmeßgerät)
11 ausgerichtet.
-
Daher richtet sich die von der Stelle 2d des ausgewählten Teils 2a
(dessen Temperatur zu messen ist) ausgehende Infrarotstrahlung durch die in der
Nebenelektrode 20 vorgesehene öffnung 20a zum optischen Pyrometer 11 zur Erfassung
der Temperatur am ausgewählten Teil. Wenn die Öffnung einen Durchmesser von weniger
als 2 mm hat, wird die vom optischen Pyrometer 11 erfaßte Temperatur auf der Oberfläche
des ausgewählten Teils 2a an der Stelle 2d gering, da sie mit der Temperatur der
Nebenelektrode 20 überlagert wird. Wenn die öffnung einen Durchmesser von mehr als
25 mm aufweist, läßt sich andererseits kein guter Heizeffekt durch die Entladung
auf Basis des Hohlkathodeneffekts erzielen, so daß der ausgewählte Teil 2a eine
unregelmäßige Temperaturverteilung aufweist, die zu einer unerwünschten Behandlung
führt. Aus diesem Grund soll der Durchmesser der Öffnung 20a im Bereich von 2 -
25 mm, vorzugsweise 3 - 10 mm liegen, obwohl er in Abhängigkeit von der Abmessung
der zugehörigen Nebenelektrode 20 variiert.
-
Weiter kann die Öffnung 20a von irgendeiner Form, wie z. B. Ellipse,
Kreis, Quadrat, Rechteck, Trapezoid, Rhombus und Vieleck, sein, solange sie den
Durchgany der Infrarotstrahlung durch die Öffnung nicht blockiert.
-
Um eine gleichmäßige Erhitzung durch Hohlkathodenentladung zu erreichen,
ist es jedoch wünschenswert, daß die Form der Öffnung kreisförmig ist, da diese
leicht zu fertigen ist.
-
In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein Werkstück 2 in der Glimmentladungsbehandlungsvorrichtung
nach Fig. 1 oder Fig. 7 zusammen mit der in Fig. 19 dargestellten Nebenelektrode
angeordnet, un nur jeden ausgewählten Teil 2a des Werkstücks 2 tief aufzukohlen.
-
Als Werkstück 2 wurde eine Welle aus "SCM 21"-Chrom-Molybdän-Stahl
(JIS) mit 15 - 20 mm Durchmesser und 205 mm Länge verwendet. Wie Fig. 19 zeigt,
hat der eine tiefe Aufkohlung und Härtung erfordernde Teil 2a eine Erstreckung von
25 mm vom Ende der Welle aus, und der Rest der Welle braucht nicht gehärtet zu werden.
-
Die Nebenelektrode 20 nach Fig. 19 wurde um jeden Teil 2a angeordnet.
Der Abstand zwischen dem Teil 2a und der Nebenelektrode 20 wurde auf 3 mm eingestellt.
Die Nebenelektrode 20 in Fig. 19 bestand aus "SUS 304" (JIS) und wurde mit einer
Offnung Xines Durchmessers von 7 mm zum Durchlaß der Infrarotstrahlung zum zugehörigen
optischen Pyrometer versehen.
-
Im Betrieb wurde der Druck im Vakuumbehälter 1 auf 1,3 . 10-2 mbar
oder darunter verringert, und dann führte
man Wasserstoff-, Methan-
und Argongas in den Behälter ein, um den Behälterdruck auf 5,3 mbar zu halten. Man
legte eine Gleichspannung zwischen 400 und 800 V an, um eine Glimmentladung zur
Erhitzung der Welle während 30 min zu bewirken. Unter diesen Bedingungen wurde die
Temperatur am ausgewählten Teil 2a (mit der Stelle 2d) über das optische Pyrometer
11 auf 900 OC eingestellt.
-
Nach der Behandlung wurde die Welle 2 abqeschreckt, durch den ausgewählten
Bereich 2a durchgeschnitten, und der Schnittstellenquerschnitt wurde bezüglich der
Härteverteilung gemessen. Fig. 20 zeigt einen Vergleich der Durchschnittstiefenabweichungen
in den gehärteten Schichten zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und einem bekannten
Verfahren. Man ersieht aus Fig. 20 ohne weiteres, daß die gehärteten Schichten der
ausgewählten Teile von Werkstücken, die in diesem Ausführungsbeispiel erhalten wurden,
sämtlich im Bereich von 0,95 mm + 0,07 mm Tiefe liegen, da die Behandlungstemperatur
durch das optische Pyrometer gesteuert wurde, während beim bekannten Verfahren die
Werkstücke, da es unmöglich ist, die Temperatur am ausgewählten Teil, an dem die
auf dem Hohlkathodeneffekt basierende Entladung hervorgerufen wird, genau zu messen,
der Änderung der Behandlungstemperatur unterworfen sind und die erhaltenen gehärteten
Schichten daher sämtlich im Bereich von 0,95 mm + 0,2 mm Tiefe liegen. Als Ergebnis
weist die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, daß die erhaltenen
gehärteten Schichten von gleichmäßigerer Tiefe sl.nd, da die Erfindung eine genaue
Messung der Behandlungstemperatur ermöglicht.
-
Um die Behandlungstemperatur am gewünschten Teil eines Werkstücks
zu messen, gibt es ein bekanntes Verfahren, das als Temperaturmeßeinrichtung ein
Blindmuster der gleichen Form und Abmessung wie das Werkstück verwendet. Nach einem
anderen bekannten Verfahren erfolgt eine Temperaturmessung in der Nähe des ausgewählten
Teils des Werkstücks, wo der Hohlkathodeneffekt vorherrscht. Jedoch ist es, da eine
Messung der Behandlungstemperatur bei diesen bekannten Verfahren indirekt erfolgt,
unmöglich, die Behandlungstemperatur genau zu messen, was Lm Gegensatz zur Erfindung
steht.
-
Im Vorstehenden wurde erläutert, wie das Behandlungsverfahren auf
Basis des Hohlkathodeneffekts nach der Erfindung durchgeführt wird. Die Behandlungsvorrichtung
gemäß der Erfindung kann als Werkstückbehandlungsofen verwendet werden, wenn inertes
Gas, wie z. B. Argon, Helium und Wasserstoff oder ein anderes Gas, das auf das Material
des Werkstoffs nicht einwirkt, um beispielsweise eine Härtungswirkung zu liefern,
als das Entladungsgas verwendet wird. Nach einem Hohlkathodenverfahren gemäß der
Erfindung kann die Anbringung einer Nebenelektrode nahe dem gewünschten Teil eines
Werkstücks die Erhitzung dessen gewünschten Teils auf eine gewünschte Temperatur
unter Steuerung des Gasdrucks ermöglichen.
-
Dabei ist es, da die Erhitzung direkt erfolgt, auch möglich, nur die
gewünschte Oberfläche eines Werkstücks schnell zu erhitzen oder abzukühlen. Außerdem
hat die Erfindung den Vorteil, daß der Zusatz einer geeigneten Menge von Wasserstoffgas
u. dgl. zu Argon- oder Heliumgas als Entladungsgas solche Probleme wie Oxidations-
oder
Entkohlungsreaktion der Werkstücke mit dem Atmosphärengas
beseitigt, die bei einem bekannten Verfahren häufig auftritt.
-
Außerdem ist es möglich, die Nebenelektrode derart auszubilden, daß
sie von sich aus den Hohlkathodeneffekt zeigt. Dabei kann die Nebenelektrode als
Vorerhitzungsmittel zur wirksamen Vorbereitung für die nachfolgende Wärmebehandlung
verwendet werden
Leerseite