DE3129938C2 - Elektroofen für die chemisch-thermische Behandlung von metallischen und Legierungswerkstücken im Magnetfeld - Google Patents

Abstract

Der Elektroofen für die chemisch-thermische Behandlung von Werkstücken aus Metallen und Legierungen enthält ein Gehäuse (1), das in Form eines Eisenumschlusses aus einem Elektromagnetblech ausgeführt ist. In dem Gehäuse (1) sind eine Muffel (2) und Heizelemente (7) koaxial angeordnet. Zwischen dem Gehäuse (1) und der Muffel (2) befinden sich Elektromagnete, deren Polschuhe (6) der Muffel (2) zugewandt sind. Das Gehäuse (1) und die Polschuhe (6) der Elektromagnete bilden ein magnetisches System, welches die Muffel (2) in senkrecht zueinander stehenden Richtungen umschließt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektroofen für die chemisch-thermische Behandlung von metallischen und Legierungswerkstücken im Magnetfeld, bestehend aus einem Gehäuse mit Heizelementen und einer Muffel, bei dem zwischen Gehäuse und Muffel Elektromagnete mit der Muffel zugewandten Polschuhen angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung kann beim Verfestigen von Reibpaarungen bildenden Teilen, Geräten, Aggregaten und Maschinen nach Verfahren zur chemischthermischen Behandlung, wie Gasniiricrung. Zementierung. Karbonitrierung u. a., angewendet werden.

Die Erfindung kann auch bei einer ihcrinomagnetischen Behandlung von Teilen aus weich- wie hartmagnetischen Materialien Anwendung Finden.

Die Erfindung kann im Geräte- und Aggregatenbau sowie im Maschinenbau eine weite Anwendung finden.

In der Praxis der chemischthermischen Behandlung kommen elektrisch beheizte Schachtofen sehr oft zur Anwendung.

Bekannt ist ein Ofen zur Gasnitrierung von Werkstücken (Rustcm S. L. »Ausrüstung und Projektierung von Vergütereien, M., Mashgiz«, 1%2, S. 230-233), der ein ausgekleidetes Gehäuse, Erhitzer und eine Muffel mit einem abnehmbaren Deckel enthält.

Bei diesem Ofen sind die Erhitzer in Form einer die Ofenmuffel umgebenden Spule ausgeführt. Man bringt die Werkstücke in die Muffel, schließt sie mit dem Dekkel ab und läßt dann gasförmiges Ammoniak durch die Muffel strömen. Den Ofenerhitzern wird eine Spannung zugeführt. Gleichzeitig mit der Erwärmung wird bei Durchfließen von Wechselstrom mit einer Induslriefrequenz durch den Erhitzer in der Ofenmuffel ein elektromagnetisches Feld erregt. Während des Ofenbetriebs weiden die Erhitzer automatisch ein- und ausgeschaltet, wodurch in der OfenmuN'el die vorgegebene Temperatur aufrechterhalten w inl.

In solchen öfen wird tier Niiner\i>rgang durch das elektromagnetische Feld periodisch bccmHul.lt. Überwachung und Regelung der Parameter des elektromagnetischen Feldes ist in solchen ölen ausgeschlossen.

Durch die fehlende Kontrolle und Regelung der Parameter des elektromagnetischen Feldes in öfen der genannten Konstruktion sowie durch die periodische Einwirkung des elektromagnetischen Feldes auf den Nitrierprozeß kann weder die Qualität noch die Geschwindigkeit des Vorganges wirkungsvoll beeinflußt werden.

Bekannt ist ein elektrisch beheizter Ofen (SU-Urheberschein Nr. 1 11 793, 1957), bestehend aus einem ausgekleideten Gehäuse, das in Form eines Kegels, versehen mit Erhitzern und einer Muffel mit Deckel ausgeführt ist. Zwischen dem Gehäuse und der Muffel sind Elektromagnete mit der Muffel zugewandten Polschuhen angeordnet. Die Elektromagnete sind an der Kegel-Seitenfläche der Muffel angeordnet.

Der Ofen wird wie folgt betrieben. Die Werkstücke werden mittels einer Leitspindel oder durch eine Rinne über die Beschickungsöffnung im Deckel in die Muffel eingebracht, wo sie durch das magnetische Feld des Elektromagnetes zurückgehalten werden. Je nach der Durchwärmung des Werkstücks büßt das Metall seine magnetischen Eigenschaften ein, die Werkstücke werden aber auf der geneigten Wand infolge der Reibungskraft zurückgehalten. Sobald aber das Metall seine magnctischen Eigenschaften vollständig eingebüßt hat, rutschen die Werkstücke durch ihr Eigengewicht auf der geneigten Wand in den Härtebehälter herab.

Bei d^r konstruktion des bekannten Ofens ist der durch die Achsen der Elektromagnete gebildete Winkel jo durch den Kegelwinkel der Arbeitskammerwände bedingt, der ausgehend von den Bedingungen des Zurückhaltens der Werkstücke in Abhängigkeit von ihrer Masse und Gestalt berechnet wird und durch keine anderen physikalischen Ursachen, wie die Schaffung der erforderlichcn Feldsymmetrie, die Beeinflussung des Ablaufs von chemischen Reaktionen auf der Grenzfläche gasförmige Phase und Festkörper, von allotropen Umwandlungen bei der thermischen Behandlung bedingt ist. Die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes gewährleistet keine Konzentration des Magnetflusses in der Arbeitszone.

Bekannt ist weiterhin ein Schachtofen für die Nitrierung von Werkstücken (SU-Urheberschein 5 58 967), bestehend aus einem ausgekleideten Gehäuse, versehen mit Erhitzern und einer Muffel.

In der Muffel mit einem garantierten Spiel relativ zu Wänden und Boden ist eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes frei angeordnet. Diese Spule ist in Form eines Rahmens mit Drahtwicklung ausgeführt, die 20% Cr und 80% Ni enthält, und wird über eine Zuleitung im Ofengehäuse gespeis'..

Man bringt die Werkstücke in die Muffel ein. verschließt sie mit einem Deckel und läßt durch die Muffel gasförmiges Ammoniak strömen. Die Spannung wird dem Erhitzer und der Spule getrennt zugeführt, wodurch deren voneinander unabhängiger Betrieb gewährleistet wird.

Bei Öfen dieser Konstruktion ist die Steuerung der Parameter des elektromagnetischen Feldes ebenfalls bO schwierig, und der Wirkungsgrad des Feldgenerators ist gering. Die Spule ist im gegebenen Fall einer Einwirkung von Sättigungsmedii'in und Temperatur ausgesetzt, wodurch die Lebensdauer vermindert wird. Eine derartig ausgelegte Spule ist eher ein /usat/liches llei/-tv'i clement als em Generator fin das elektromagnetische Feld. Die der Spule /.ugeftihrtc Energie wird praktisch restlos in Warme und nicht in Energie des elektromagnetischen leides umgewandelt.

Der niedrige Wirkungsgrad eines solchen Generators st auch durch eine große magnetische Streuung bedingt, was sich auf die Instabilität der Parameter des elektromagnetischen Feldes im Muffelarbeitsraum auswirkt Zur Erzeugung eines homogenen Feldes soll das Durchmesser-Länge-Verhältnis der Spule 1 : iO betragen. Dieses Verhältnis einzuhalten, ist infolge der Geometrie der Ofenmuffel nicht möglich.

Somit erfordert die Konstruktion dieses Ofens einen hohen Energieaufwand zur Erzeugung einer Feldstärke von nicht nur einigen lOkA/m, sondern auch von einigen 10 A/m. Auch in diesem Falle ist der gegenseitige Einfluß der Spule auf die genaue Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperatur nicht restlos beseitigt, was unter Berücksichtigung von bereits Erwähntem nicht gestattet, die Parameter des technologischen Prozesses und die Qualität der Diffusionsschichten gezielt zu ändern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch beheizten Ofen für die chemisch-thermische Behandlung von Werkstücken aus Metallen und Legierungen zu schaffen, der es gestattet, durch die Einfügung von Bauelementen und durch die Anordnung von Elementen relativ zueinander im Ofen die Parameter des magnetischen Feldes zu steuern, den Prozeß der chemisch-thermischen Behandlung zu intensivieren sowie den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektroofen für die chemisch-thermische Behandlung von metallischen und Legierungswerkstücken im Magnetfeld, bestehend aus einem Gehäuse mit Heizelementen und einer Muffe! bei dem zwischen Gehäuse und Muffel Elektromagnete mit der Muffel zugewandten Polschuhen angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse als Eisenumschluß aus Elektromagnetblech ausgeführt ist und mit den die Muffel umgebenden, senkrecht zueinander angeordneten Polschuhen der Elektromagnete ein magnetisches System bildet.

Es ist zweckmäßig, wenn das magnetische System Heizelemente aufweist, die in Form einer Bifilarwicklung ausgeführt sind.

Durch die Einfügung von den genannten Bauelementen und deren relative Anordnung im Elektroofen wird eine erhöhte Effektivität des Ofenbetriebs gewährleistet.

Der Ofen gewährleistet eine 2- bis 3fache Erhöhung der Oberflächenhärte, der Festigkeit der Werkstücke nach der Gasnitrierung sowie eine Erhöhung Jer Korrosionsbeständigkeit, der magnetischen Induktion und anderer Eigenschaften, eine um 1,5- bis 2fach größere Intensivierung des Nitriervorganges sowie eine Senkung der Leistungsaufnahme.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Gesamtansicht eines elektrisch beheizten Ofens und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Ofen gemäß der Erfindung.

Der elektrisch beheizte Ofen enthält ein gekühltes Gehäuse 1, das in Form eines Eisenumschlusses aus einem Elektromagnetblech gefertigt ist. In dem Gehäuse 1 ist eine aus einem nichtmagnetischen Stahl hergestellte Muffel 2 mit einem abnehmbaren Deckel 3 koaxial angeordnet. Zwischen dem Gehäuse 1 und der Muffel 2 sind im Ofeninneren Elektromagnete mit Magnetkernen 4 und Spulen 5 angeordnet. Die Polsehuhc 6 der Magnetkerne 4 der Elektromagnete sind der Muffel 2 zugewandt.

Die Heizelemente 7 des Ofens sind in Fotm einer Bifilarwicklung ausgeführt und an einer isolierten Oberfläche der Muffel 2 angebracht. Zwischen den Polschuhen 6 der Elektromagnete und den Heizelementen 7 der Muffel 2 ist eine Wärmeisolation 3 vorgesehen. Ein aus einem Stutzen 9 zur Gaszuführung und einem Stutzen 10 zur Gasabführung bestehendes Gasversorgungssystern ist in den Deckel 3 eingebaut. Die Elektromagnetkerne 4 werden am Gehäuse 1 mittels Schrauben 11 und die Polschuhe 6 mittels Schrauben 12 befestigt. Ein Stützring 13 wird am Gehäuse 1 des Ofens mittels Stiftschrauben 14 befestigt. Das Gehäuse 1 wird mit Wasser, das Kanäle 15 durchströmt, gekühlt. Die elektrische Spannung des Ofens wird Klemmen 16 zugeführt. Das Gehäuse 1 ist auf Stützen 17 aufgestellt.

Das in Form eines Eisenumschlusses aus einem Elektromagnetblech gefertigte Gehäuse bildet ein magnetisches System mit den Polschuhen 6 der Elektromagneten, die in senkrecht zueinander stehenden Richtungen angeordnet sind.

Der Elektroofen wird wie folgt betrieben.

Man öffnet den Deckel 3 (Fig. 1) des Ofens, bringt Werkstücke in die Muffel 2 ein, schließt den Deckel und leitet in die Kanäle 15 des Kühlsystems des Ofens Wasser ein. Gleichzeitig wird in die Muffel 2 über den Stutzen 9 Ammoniak zugeführt. Das Abgas wird über den Stutzen 10 abgeführt. Nach Einschalten des Gasversor-

jo gungssystems wird den Heizelementen 7 eine Spannung zugeführt. Nach Erreichen einer Temperatur von 400 bis 45O⁰C in der Muffel 2 wird den Spulen 5 der Elektromagnete eine Gleichspannung zugeführt. Der in den Spulen 5 der Elektromagnete fließende Strom erzeugt einen magnetischen Fluß, der durch die Polschuhe 6 in der Muffel 2 konzentriert wird.

In Abhängigkeit von den Anforderungen an die Eigenschaften der zu behandelnden Werkstücke wird in der Muffel 2 ein magnetisches Feld von entsprechender Stärke erregt. Außerdem wird durch die Schaltfolge der Eieklromagnete die erforderliche Konfiguration des magnetischen Feldes und dessen Symmetrie vorgegeben. Das in der Muffel 2 erzeugte äußere magnetische Feld führt zur Entstehung einer induzierten Symmetrie im Kristallgitter der zu behandelnden Werkstücke.

Die Größe des magnetischen Feldes wird durch die Stärke des durch die Spule 5 fließenden Stroms bestimmt, das Magnetfeld bewirkt eine entsprechende Spaltung von energetischen Tennen, die zur Bildung von spezifischen Bindungen in den Einla,gerungsphasen führen, wodurch es möglich ist. mechanische Eigenschaften von Werkstücken zu ändern und somit die Qualität der Behandlung zu regulieren.

Die Einwirkung des magnetischen Feldes wird während der weiteren Sättigung und Abkühlung auf Temperaturen, die eine Oberflächenoxydation der Werkstücke an der Luft ausschließen, fortgesetzt.

Die Verwendung eines Gehäuses in Form eines aus einem Elektromagnetblech gefertigten Eisenumschlus-

bo ses gestattet es somit, mit den im Inneren des Gehäuses 1 befindlichen Elektromagneten ein magnetisches System zu bilden, welches die Muffel 2 (F i g. 2) mit Werkslücken umschließt und den Magnetfluß über die gesamie Arbeits/onc des Ofens konzentriert. Die gegenseitige Anordnung von Elektromagneten in senkrecht zueinander stehenden Richtungen gestattet es. magnetische Felder unterschiedlicher Konfiguralion zu bilden, wodurch die Möglichkeit besteht, die Symmetrie des

Feldes des Kristallgitters von Metallen und Legierungen und auch die Bedingungen für den Ablauf von Diffusionsprozessen zu ändern und die Verfahren zum Gasnitrieren nach den DE-OSen 3120 509 und 31 29 937 durchzuführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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J(I

40

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55

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Claims (2)

31 29 933 Patentansprüche:

1. Elektroofen für die chemisch-thermische Behandlung von metallischen und Legierungswerkstücken im Magnetfeld, bestehend aus einem Gehäuse mit Heizelementen und einer Muffel, bei dem zwischen Gehäuse und Muffel Elektromagnete mit der Muffel zugewandten Polschuhen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) als Eisenumschluß aus Elektromagnetblech ausgeführt ist und mit den die Muffel (2) umgebenden, senkrecht zueinander angeordneten Polschuhen (6) der Elektromagnete ein magnetisches System bildet.

2. Elektroofen nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische System die in Form einer Bifilarwicklung ausgeführten Heizelemente (7) einschließt.