DE4132712A1 - Vakuumofen zur plasmaaufkohlung metallischer werkstuecke - Google Patents
Vakuumofen zur plasmaaufkohlung metallischer werkstueckeInfo
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- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
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Description
Die Erfindung betrifft einen Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung
metallischer Werkstücke in einem künstlich erzeugten elektrischen
Feld mittels eines kohlenstoffhaltigen Gases mit
einer elektrischen Heizeinrichtung, einer Vakuumpumpe zur Erzeugung
eines Vakuums in der Heizkammer sowie einer Mehrzahl
von Düsen, mittels derer von einem Gebläse gefördertes und
über einen Wärmetauscher geführtes Kühlgas der Charge zugeführt
wird.
Vakuumöfen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke mittels
eines kohlenstoffhaltigen Gases, beispielsweise Methan
oder Propan, sind bekannt. Bei der Plasmaaufkohlung wird die
Charge in dem Vakuumofen auf eine Temperatur zwischen etwa 800
und 1050°C erhitzt. Anschließend wird das kohlenstoffhaltige
Prozeßgas in die Ofenkammer geleitet und ein elektrisches Feld
an die Charge angelegt. Hierzu wird die Charge elektrisch mit
einer externen Spannungsversorgung verbunden und bildet die
Kathode, während das Ofengehäuse die Funktion der Anode übernimmt.
Die Charge wird also auf ein hohes negatives Potential
bezüglich der Ofenkammer gelegt, wobei sich diese Ofenkammer
üblicherweise auf Erdpotential befindet. Durch den Einfluß des
elektrischen Feldes ionisiert das kohlenstoffhaltige Gas, wobei
sich die positiv geladenen Kohlenstoffionen auf der kathodischen,
also negativ geladenen Charge absetzen. Durch diesen
Effekt wird die Aufkohlungsgeschwindigkeit im Vergleich zu
rein thermischen Aufkohlungsverfahren wesentlich erhöht. Da
die Diffusion der Kohlenstoffatome in das Werkstückgefüge wesentlich
schneller abläuft, wird die gewünschte Aufkohlungstiefe
in kürzerer Zeit als bei den bekannten Aufkohlungsverfahren
erreicht.
Ein solcher Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung ist in dem Beitrag
"Plasma Carburizing - Facility Design and Operating Data" von
Graham Legge in der Zeitschrift Industrial Heating, März 1988,
Seiten 26ff. beschrieben. Dieser bekannte Aufkohlungsofen besteht
aus insgesamt zwei Kammern, wobei die erste Kammer die
Heizkammer zur Plasmaaufkohlung bildet, während die zweite
Kammer der Abkühlung der Charge dient und zu diesem Zweck ein
Öl-Abschreckbad enthält. Beide Kammern sind über eine vakuumdicht
verschließbare Tür miteinander verbunden. Nachteilig bei
diesem Aufkohlungsofen ist, daß dieser teuer im Aufbau ist und
sehr viel Raum zu seiner Aufstellung erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumofen
zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke zu
schaffen, der bei gleichem Einsatzbereich wesentlich kleiner
baut als bekannte Aufkohlungsöfen.
Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird vorgeschlagen,
daß das als Druckbehälter ausgebildete Ofengehäuse hinsichtlich
seiner zulässigen Druckbelastung sowie der Antrieb
des Gebläses hinsichtlich des beim Kühlen der Charge erreichbaren
Gasdrucks auf einen Druck von mindestens 20 bar ausgelegt
sind und die das Kühlgas führenden Düsen allseitig um die
Heizkammer herum angeordnet und mit ihren Austrittsöffnungen
auf die Charge ausgerichtet sind.
Mit einem solcherart ausgebildeten Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung
ist es möglich, die aufgekohlte Charge zur Vervollständigung
des Wärmebehandlungsprozesses zu härten, ohne daß
die Charge hierzu aus der Heizkammer entnommen werden muß.
Sämtliche Schritte des Wärmebehandlungsverfahrens lassen sich
ausschließlich innerhalb der Heizkammer duchführen, so daß
weitere Kammern zur Wärmebehandlung sowie Einrichtungen zur
Überführung der Charge zwischen diesen Kammern entfallen. Der
Vakuumofen ist daher nicht nur einfach aufgebaut, sondern
weist im Vergleich zu bekannten Aufkohlungsöfen auch eine wesentlich
geringere Baugröße auf.
Die Abkühlung der Charge beim Härten erfolgt durch ein allseitiges
Anströmen der Charge durch das aus den Austrittsöffnungen
der Düsen austretende Kühlgas. Allerdings ist allein
die durch die Bewegung des Kühlgases von der Charge abgeführte
Wärme nicht ausreichend. Mit der Erfindung wird daher vorgeschlagen,
das Ofengehäuse als Druckbehälter auszubilden und
weiterhin den Antrieb des Gebläses so auszulegen, daß der
Vakuumofen bei einem Druck von mindestens 20 bar betrieben
werden kann. Die sich dabei einstellende Dichte des Kühlgases,
die in etwa das Dreifache der bei herkömmlichen Drücken vorliegenden
Dichte entspricht, führt zu einem wesentlich verbesserten
Wärmeübergang und damit zu einer höheren Kühlleistung
während des Härtens.
Da die das Kühlgas führenden Düsen allseitig um die Heizkammer
herum angeordnet und mit ihren Austrittsöffnungen auf die
Charge ausgerichtet sind, wird zudem eine gleichmäßige Abkühlung
der Charge und damit ein gleichmäßiges Härteergebnis erreicht.
Hierbei ist es von Vorteil, zusätzliche Düsen vorzusehen, welche
stirnseitig in der Heizkammer angeordnet sind und das
Kühlgas axial in die Heizkammer einleiten.
Bei einer Ausgestaltung des Vakuumofens ist die Heizkammer
allseitig von Heizelementen der elektrischen Heizeinrichtung
umgeben. Die Heizelemente sind vorteilhaft jeweils ringförmig
um die Heizkammer herum angeordnet.
Um trotz der begrenzten Platzverhältnisse innerhalb der Heizkammer
eine möglichst gleichmäßige Erhitzung und Abkühlung der
Charge zu gewährleisten, wird mit einer Weiterbildung des
Vakuumofens vorgeschlagen, daß jeweils mehrere Düsen in einer
gemeinsamen radialen Ebene angeordnet sind, die zu der durch
jeweils ein Heizelement definierten radialen Ebene axial versetzt
ist.
Ferner wird eine die Heizkammer ringförmig umschließende Verteilerkammer
zur Zuführung des Kühlgases zu den Düsen vorgeschlagen.
Dadurch wird der Kühlgasstrom besonders gleichmäßig
auf die einzelnen Düsen verteilt.
Zur Erzielung einer kompakten Bauweise des Vakuumofens wird
ferner vorgeschlagen, daß die Verteilerkammer von einem in dem
Ofengehäuse angeordneten Mantel umschlossen ist, wobei sich
zwischen Mantel und Ofengehäuse ein Ringraum zur Rückführung
des Kühlgases befindet. In diesem Fall ist bei einer bevorzugten
Ausgestaltung vorgesehen, daß an der Innenwand des Ofengehäuses
den Mantel durchdringende Chargenstützen befestigt
sind, wobei die Chargenstützen zum Mantel hin elektrisch isoliert
sind. Auf diese Weise wirkt auch der Mantel als Anode,
so daß lediglich die Charge sowie Teile der Chargenstützen die
Kathode des erzeugten elektrischen Feldes bilden.
Schließlich wird vorgeschlagen, daß der kathodenseitige elektrische
Anschluß durch mindestens eine der Chargenstützen hindurch
erfolgt. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau des Vakuumofens,
da für das Kathodenkabel keine gesonderten Durchführungen
durch den Mantel sowie die Wand der Heizkammer hindurch
erforderlich sind.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vakuumofens
zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke in einem künstlich
erzeugten elektrischen Feld wird nachfolgend anhand der
schematischen Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Vakuumofen
und
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Vakuumofen nach
Fig. 1.
Der Vakuumofen in Fig. 1 besteht aus einem Ofengehäuse 1, welches
auf einer Seite durch eine Ofentür 2 druckdicht verschließbar
ist. An der gegenüberliegenden Stirnseite des Ofengehäuses
1 ist innerhalb einer druckfesten Kappe 3 ein leistungsstarker
Elektroantrieb 4 angeordnet. Ofengehäuse 1,
Ofentür 2 und Kappe 3 sowie alle Flansche und sonstigen Verbindungsteile
sind druckfest ausgeführt und auf einen Betriebsdruck
von mindestens 20 bar ausgelegt.
Innerhalb des Ofengehäuses 1 ist eine allseits von einer Heizkammerwand
5 umschlossene Heizkammer 6 angeordnet. Innerhalb
der Heizkammer 6 befindet sich eine aufzukohlende Charge 7.
Dabei liegt die Charge 7 auf Chargenstützen 8 auf, welche die
Heizkammer 5 durchdringen und an der Innenwand des zylindrischen
Ofengehäuses 1 befestigt sind.
Fig. 1 läßt in Verbindung mit Fig. 2 erkennen, daß in die
Heizkammerwand 5 eine Vielzahl an Düsen 9 eingelassen ist. Die
Düsen ermöglichen den Durchtritt von Kühlgas aus einer die
Heizkammerwand 5 umschließenden Verteilerkammer 10 in die
Heizkammer 6. Die Düsen 9 sind über den gesamten Umfang der
Heizkammer 6 verteilt und jeweils so ausgerichtet, daß der aus
den Düsen 9 austretende Kühlluftstrahl unmittelbar auf die
Charge 7 gelangt. Knapp innerhalb der Heizkammerwand 5 befinden
sich außerdem mehrere Heizelemente 11. Jedes Heizelement
11 besteht aus einem mehrfach abgeknickten und dadurch die Gestalt
eines nahezu geschlossenen Vielecks einnehmenden Band
aus Graphit. Die Heizelemente 11 sind an eine gemeinsame
Stromversorgung 12 angeschlossen. Beim Ausführungsbeispiel
sind insgesamt vier Heizelemente 11 vorgesehen, die aufgrund
ihrer die Charge 7 allseitig umschließenden, ringähnlichen Gestalt
eine gleichmäßige Strahlungserwärmung der Charge 7 ermöglichen.
Der Vakuumofen ist zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke
vorgesehen und ist hierzu über Stromleiter 13, 14 an
einen Generator 15 angeschlossen. Der Stromleiter 13 bildet
den positiven Anschluß und ist unmittelbar an das Ofengehäuse
1 und damit an das Erdpotential angeschlossen. Der Stromleiter
14 ist in isolierter Art und Weise durch eine der Chargenstützen
8 hindurchgeführt und stellt den unmittelbaren elektrischen
Kontakt zu einem metallischen Chargenträger 16 her,
auf dem die Charge 7 aufliegt. Bei Betrieb des Generators 15
wird in der Heizkammer 6 ein elektrisches Feld generiert, wobei
die Charge 7 die Kathode und die die Charge 7 umgebenden
Bauteile die Anode dieses elektrischen Feldes bilden. Isolierungen
17 an den Chargenstützen 8 verhindern einen metallischen
Kontakt und damit Kurzschlüsse zwischen den negativ
geladenen Chargenstützen 8 und dem positiv geladenen Ofengehäuse
1 sowie einem ebenfalls positiv geladenen, die Verteilerkammer
10 umschließenden metallischen Mantel 10.
Beim Betrieb des Vakuumofens wird zunächst die Charge 7 auf
den Chargenstützen 8 dem Chargenträger 16 abgesetzt. Nach
druckdichtem Verschließen der Ofentür 2 werden die Heizelemente
11 über die Stromversorgung 12 betrieben. Dies erfolgt in
Abhängigkeit von Signalen einer zentralen Steuerung 19. Nach
Erreichen der Betriebstemperatur zwischen 800°C und 1050°C wird
über einen Anschluß 20 ein kohlenstoffhaltiges Gas, beispielsweise
Methan oder Propan, in den Vakuumofen eingeleitet. Zugleich
wird über die Steuerung 19 der Generator 15 eingeschaltet,
so daß sich in der Heizkammer 6 das elektrische Feld ausbildet
und die Plasmaaufkohlung einsetzt. Nach Abschluß der in
der Regel intervallmäßig betriebenen Plasmaaufkohlung werden
die Stromversorgung 12 sowie der Generator 15 abgeschaltet und
die kohlenstoffhaltige Atmosphäre abgebaut. Anschließend wird
ein Kühlgas in das Ofengehäuse 1 eingeleitet und der Elektroantrieb
4 in Betrieb gesetzt. Das Kühlgas gelangt über einen
ringförmigen Wärmetauscher 21 auf die Saugseite eines für hohe
Brücke ausgelegten Gebläses 22. Das von dem Gebläse 22 geförderte
Kühlgas wird innerhalb der Verteilerkammer 10 auf die
einzelnen Düsen 9 verteilt und strömt unter Kühlwirkung unmittelbar
auf die Charge 7. Die Rückführung des Kühlgases zum
Wärmetauscher 21 erfolgt über einen Ringraum 23 zwischen Mantel
18 und Ofengehäuse 1. Der hierbei im Ofeninneren herrschende
Druck des Kühlgases beträgt mindestens 20 bar, kann
bei entsprechender konstruktiver Anpassung zur weiteren Erhöhung
der Abkühlwirkung aber auch auf Werte deutlich oberhalb
20 bar angehoben werden.
Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß jeweils mehrere Düsen 9 in einer
gemeinsamen radialen Ebene angeordnet sind, die zu der durch
jeweils ein Heizelement 11 definierten radialen Ebene axial
versetzt ist. Dadurch wird die auf der Innenseite der Heizkammerwand
5 zur Verfügung stehende Fläche optimal ausgenutzt.
Bezugszeichenliste
1 Ofengehäuse
2 Ofentür
3 Kanne
4 Elektroantrieb
5 Heizkammer
7 Charge
8 Düse
9 Verteilerkammer
11 Heizelement
12 Stromversorgung
13 Stromleiter
14 Stromleiter
15 Generator
16 Chargenträger
17 Isolierng
18 Mantel
19 Steuerung
20 Anschluß
21 Wärmetauscher
22 Gebläse
23 Ringraum
24 Vakuumpumpe
2 Ofentür
3 Kanne
4 Elektroantrieb
5 Heizkammer
7 Charge
8 Düse
9 Verteilerkammer
11 Heizelement
12 Stromversorgung
13 Stromleiter
14 Stromleiter
15 Generator
16 Chargenträger
17 Isolierng
18 Mantel
19 Steuerung
20 Anschluß
21 Wärmetauscher
22 Gebläse
23 Ringraum
24 Vakuumpumpe
Claims (9)
1. Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke in
einem künstlich erzeugten elektrischen Feld mittels eines
kohlenstoffhaltigen Gases mit einer elektrischen Heizeinrichtung,
einer Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Vakuums in
der Heizkammer sowie einer Mehrzahl von Düsen, mittels
derer von einem Gebläse gefördertes und über einen Wärmetauscher
geführtes Kühlgas der Charge zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das als Druckbehälter ausgebildete Ofengehäuse (1) hinsichtlich
seiner zulässigen Druckbelastung sowie der
Antrieb (4) des Gebläses (22) hinsichtlich des beim Kühlen
der Charge (7) erreichbaren Gasdrucks auf einen Druck von
mindestens 20 bar ausgelegt sind und die das Kühlgas führenden
Düsen (9) allseitig um die Heizkammer (6) herum angeordnet
und mit ihren Austrittsöffnungen auf die Charge
(7) ausgerichtet sind.
2. Vakuumofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzliche,
stirnseitig in der Heizkammer (6) angeordnete Düsen
(9) zur axialen Einleitung des Kühlgases in die Heizkammer
(6).
3. Vakuumofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Heizkammer (6) allseitig von Heizelementen (11) der elektrischen
Heizeinrichtung umgeben ist.
4. Vakuumofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Heizelemente (11) jeweils ringförmig um die Heizkammer (6)
herum angeordnet sind.
5. Vakuumofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils
mehrere Düsen (9) in einer gemeinsamen radialen Ebene
angeordnet sind, die zu der durch jeweils ein Heizelement
(11) definierten radialen Ebene axial versetzt ist.
6. Vakuumofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine die
Heizkammer (6) ringförmig umschließende Verteilerkammer
(10) zur Zuführung des Kühlgases zu den Düsen (9).
7. Vakuumofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verteilerkammer (10) von einem in dem Ofengehäuse (1) angeordneten
Mantel (18) umschlossen ist, wobei sich zwischen
Mantel (18) und Ofengehäuse (1) ein Ringraum (23) zur Rückführung
des Kühlgases befindet.
8. Vakuumofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an
der Innenwand des Ofengehäuses (1) den Mantel (18) durchdringende
Chargenstützen (8) befestigt sind, wobei die
Chargenstützen (8) zum Mantel (18) hin elektrisch isoliert
sind.
9. Vakuumofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
kathodenseitige elektrische Anschluß durch mindestens eine
der Chargenstützen (8) hindurch erfolgt.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9117052U DE9117052U1 (de) | 1991-10-01 | 1991-10-01 | Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke |
DE4132712A DE4132712C2 (de) | 1991-10-01 | 1991-10-01 | Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke |
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EP92112630A EP0535319B1 (de) | 1991-10-01 | 1992-07-23 | Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4132712A DE4132712C2 (de) | 1991-10-01 | 1991-10-01 | Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke |
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DE4132712A1 true DE4132712A1 (de) | 1993-04-08 |
DE4132712C2 DE4132712C2 (de) | 1995-06-29 |
Family
ID=6441930
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE59202520T Revoked DE59202520D1 (de) | 1991-10-01 | 1992-07-23 | Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke. |
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AT (1) | ATE123820T1 (de) |
DE (2) | DE4132712C2 (de) |
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- 1992-07-23 ES ES92112630T patent/ES2074773T3/es not_active Expired - Lifetime
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- 1992-07-23 AT AT92112630T patent/ATE123820T1/de not_active IP Right Cessation
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DE59202520D1 (de) | 1995-07-20 |
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: C21D 1/06 |
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