DE602005005343T2

DE602005005343T2 - Vorrichtung zur thermomechanischen behandlung bei niedrigem druck

Info

Publication number: DE602005005343T2
Application number: DE602005005343T
Authority: DE
Inventors: Francis Pelissier; Jean Berlier; Jean Massot; Gerard Tissot
Original assignee: Etudes et Constructions Mecaniques SA
Current assignee: Etudes et Constructions Mecaniques SA
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP2008509282A; FR2874079B1; EP1786944B1; JP5005537B2; WO2006024780A1; US20080084011A1; EP1786944A1; FR2874079A1; DE602005005343D1

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Maschine zur thermochemischen Behandlung von Metallteilen, die mindestens eine Aufheiz- bzw. Erwärmungszelle, eine Zelle zur Kohlenstoffanreicherung der Oberflächen der zu behandelnden Teile, eine Zelle zur Diffusion des Kohlenstoffs von der Oberfläche zum Kern der Teile hin und mindestens eine Härtungs- bzw. Abschreckzelle umfasst, die jeweils aufeinander folgend angeordnet sind und eine Länge aufweisen, die an die Dauer der in der jeweiligen Zelle vorgenommenen Behandlung angepasst ist, wobei die Maschine ferner mechanische Förder- und Vorschubmittel für die Teile von einer Zelle zur anderen sowie Isolierungsmittel umfasst, die eine Isolierung der Zellen voneinander während der einzelnen, aufeinanderfolgenden Behandlungsphasen ermöglichen.
Stand der Technik
Es sind viele Systeme zur thermochemischen Aufkohlungs- und Karbonitrierungsbehandlung von Metallteilen bekannt, insbesondere Systeme in Form von Kasten mit festem Kohlungspulver, Systeme unter nicht kontrollierter Atmosphäre, Systeme unter kontrollierter Atmosphäre mit konstantem Kohlenstoffpotenzial oder auch Niederdrucksysteme, die mit einem Druck in der Größenordnung von 5 bis 20 mbar arbeiten, manchmal sogar bis 100 mbar. Aufkohlung und Karbonitrierung erfordern im Allgemeinen einen Teildruck eines Aufkohlungsgases, das aus einem Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methan (CH4), Azetylen (C2H2) oder Propan (C3H8) oder eventuell einem Nitrierungsgas, beispielsweise Ammoniak (NH3), besteht. Die Aufkohlungsschritte, nämlich eine Behandlung zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur, eine Oberflächenanreicherungsbehandlung und eine Behandlung zur Kohlenstoffdiffusion, werden vorzugsweise unter Stickstoffteildruck durchgeführt. Um jede Oxidation während der Aufkohlungsbehandlung und während des Transports zur Abschreckzelle zu vermeiden, sind die Teile in keinem Moment der Luft ausgesetzt.
Der Abschreckschritt, der auf die Aufkohlungsbehandlung folgt, besteht darin, die Teile schnell herunterzukühlen. Er findet entweder in einem Bad aus Ölen oder Schmelzsalzen oder unter Gas, das einen hohen Druck hat und durchwirbelt wird, wie beispielsweise Stickstoff, Helium oder unterschiedlichen Gemischen aus Schutzgasen wie Kohlendioxid oder Wasserstoff, statt.
Diese einzelnen Schritte, d. h. die einzelnen Phasen der Aufkohlungsbehandlung, finden im Allgemeinen in ein und demselben umschlossenen Raum statt, wobei das Abschrecken in einer getrennten Zelle erfolgt.
Insbesondere das Patent EP-A-0922778 beschreibt eine Anlage zur thermischen Behandlung, die eine Mehrzahl von Zellen umfasst, die für die thermische Behandlung eines Satzes Metallteilen bestimmt sind. Die Zellen sind alle mit einem zentralen umschlossenen Raum verbunden, bei gleichem Druck wie die Behandlungszellen. Die Teile werden mittels Transport- und Förderungsschienen von einer Zelle zur nächsten befördert. Nach dem Aufkohlen in der entsprechenden Zelle werden die aufgekohlten Teile in die Abschreckzelle transportiert, wobei sie durch den zentralen Behälter geführt werden, sodass sie keinen Kontakt mit der Außenluft haben.
Andere Anlagen bestehen aus unabhängigen Zellen, die über eine mobile Zelle miteinander verbunden sind, deren Funktion entweder die Beladungs- und Transportschritte bis zur Abschreckzelle oder gleichzeitig die Beladungs-, Transport- und Abschreckschritte unter Druckgas sind.
Andere Anlagen bestehen aus einer einzigen Zelle nach Art von «geschobenen Scheiben», die mit Trennwänden unterteilt ist und eine Eingangsschleuse und eine Abschreckzelle unter Gas umfasst.
In allen Fällen einer Niederdruck-Aufkohlung mit Drücken von 5 bis 20 mbar werden die Phasen der Aufkohlungsbehandlung, nämlich mindestens eine Phase des Erwärmens auf Aufkohlungstemperatur, eine Phase der Kohlenstoffanreicherung der Oberfläche der Teile und eine Phase der Kohlenstoffdiffusion von der Oberfläche der Teile zu ihrem Kern hin, nacheinander in ein und derselben Zelle oder in ein und derselben unterteilten Zelle durchgeführt, die mechanische Vorschub- und Transportmittel für die Teile umfasst. Die mechanischen Mittel befinden sich dann in einer heißen Zone.
Eine weitere Art Maschine ist in dem Patent US 3 662 996 beschrieben. Die Maschine ist eine herkömmliche Maschine zur Gasaufkohlung bei atmosphärischem Druck und umfasst eine Zelle für jede Aufkohlungsbehandlungsphase, und zwar eine Zelle zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur, eine Zelle zur Anreicherung der Oberflächen der zu behandelnden Teile mit Kohlenstoff und eine Zelle zur Diffusion des Kohlenstoffs von der Oberfläche der Teile zu ihrem Kern hin. Die Zellen sind nacheinander und aufeinander folgend angeordnet, und die Teile werden von einer Zelle zur nächsten transportiert, um die Aufkohlungsbehandlung zu erhalten, wobei die Länge einer Zelle je nach der in den Zellen gewünschten Behandlungszeit vorab festgelegt wird.
Auch wenn alle Behandlungsphasen in unterschiedlichen Zellen stattfinden, so können solcherart Maschinen dennoch nur unter bestimmten Bedingungen funktionieren, insbesondere unter hohen Drücken. Darüber hinaus befinden sich die mechanischen Vorschub- und Fördermittel im heißen Bereich, dort, wo die jeweilige Behandlung erfolgt, und sind nicht thermisch isoliert. Außerdem sind solcherart Maschinen schwer in bereits bestehende Produktionslinien zu integrieren und sind die Längen der einzelnen Zellen nicht problemlos an die gewünschte Behandlungsdauer anpassbar.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung will den vorgenannten Nachteilen abhelfen und betrifft die Herstellung einer Maschine zur thermochemischen Niederdruck-Aufkohlungsbehandlung oder zur Karbonitrierung, die wirksam und flexibel arbeitet und problemlos an Produktionslinien für große Stückzahlen anpassbar und in diese integrierbar ist.
Nach der Erfindung wird dieses Ziel durch die anhängenden Ansprüche erreicht.
Das Dokument WO-A-9314229 beschreibt eine Vorrichtung zur thermischen (thermochemischen) Behandlung von Metallteilen, die unterschiedliche Ofeneinheiten aufweist, die aufeinander folgend angeordnet sind und aus einer Reihe von Einzelkammern bestehen, die jeweils eine Eingangs- und eine Ausgangstür haben, wobei die Temperatur, die Verweildauer und die Atmosphäre jeder Charge von Teilen in jeder Einzelkammer individuell regelbar ist.
Ein erstes Transportmittel ist mit den Eingangstüren der Einzelkammern als Eingangsförderschleuse verbunden und ein zweites Transportmittel steht in Verbindung mit den Ausgangstüren der Einzelkammern als Zwischentransportschleuse.
Die mechanischen Vorschub- und Fördermittel befinden sich in den kalten Transportschleusen und dadurch, dass die Zellen zum Erwärmen, zur Kohlenstoffanreicherung und -diffusion Standardformen und jeweils eine Niederdruck-Behandlungszone haben, die zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangsmodul angeordnet ist, bilden das Eingangs- und das Ausgangsmodul jeweils eine kühle Zone, die von der Behandlungszone der entsprechenden Zelle thermisch isoliert ist, wobei sich die mechanischen Förder- und Vorschubmittel im Eingangs- und Ausgangsmodul der Zellen befinden und das Ausgangsmodul einer Zelle mit dem Eingangsmodul der angrenzenden Zelle verbunden ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung hervor, die beispielhaft und nicht erschöpfend gegeben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
1 schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Maschine zur thermochemischen Behandlung nach der Erfindung darstellt;
2 schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsvariante einer Maschine zur thermochemischen Behandlung nach 1 darstellt;
3 eine Zelle der Maschine zur thermochemischen Behandlung der 1 und 2 zeigt;
4 bis 6 schematisch Draufsichten auf Ausführungsvarianten einer Maschine zur thermochemischen Behandlung nach der Erfindung darstellen.
Beschreibung besonderer Ausführungsformen
Mit Bezug zu den 1 bis 6 ist die Maschine zur thermochemischen Behandlung eine Niederdruckmaschine 1 zur Aufkohlungsbehandlung von Metallteilen unter Vakuum. Die Maschine 1 umfasst eine Mehrzahl von Behandlungszellen 2 bis 5, die nacheinander angeordnet sind. Jede Zelle entspricht einer besonderen Niederdruck-Aufkohlungsbehandlungsphase und hat eine Standardform und eine Länge L, die an die in der Zelle gewünschte Behandlungsdauer anpassbar ist. Die Technik zur Herstellung der Zellen ist diejenige von Vakuumöfen mit gekühlten Wanden, die einen Betriebsdruck von 10 bis 30 mbar ermöglichen.
Die Maschine 1 umfasst ferner Vorschub- und Fördermittel für die Teile von einer Zelle zur nächsten sowie Mittel zum Schließen, die dazu bestimmt sind, eine Zelle während der unterschiedlichen Aufkohlungsbehandlungsphasen von den angrenzenden Zellen zu isolieren. Die Förderung der Teile zwischen den Zellen erfolgt bei einem vorbestimmten Druck, und zwar dem Aufkohlungsdruck, der etwa 5 bis 20 mbar beträgt. Pumpsysteme sorgen in den drei Zellen auch während der Förderperioden für Druckausgleich.
In 1 umfasst die Maschine 1 insbesondere eine Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur. Die in der Zelle 2 vorgenommene Behandlung hat das Ziel, die Temperatur der Teile auf die erforderliche Aufkohlungstemperatur von 880 bis 1050°C aufzuheizen. Diese Phase erfolgt mit dem Aufkohlungsdruck von etwa 5 bis 20 mbar, vorzugsweise mit Stickstoff. In besonderen Fällen kann der Druck bis zu 100 mbar betragen.
Im Anschluss an die Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur umfasst die Maschine 1 eine Zelle 3 zur Anreicherung mit Kohlenstoff. Die in dieser Zelle 3 vorgenommene Behandlung besteht in der Anreicherung der Oberflächen der Teile mit Kohlenstoff oder Kohlenstoff und Stickstoff, um die Lebensdauer der Teile nach dem Abschrecken zu erhöhen. Diese Anreicherungsphase erfolgt vorzugsweise durch Einblasen von Stickstoff oder eines beliebigen anderen Schutzgases mit einer Temperatur von etwa 880 bis 1050°C und wird in regelmäßigen Abständen durch das Einblasen eines Aufkohlungsgases ergänzt. Der Druck in der Zelle 3 beträgt beispielsweise 5 bis 20 mbar, je nach dem verwendeten Aufkohlungsgas.
Nach der Zelle 3 zur Kohlenstoffanreicherung werden die Teile weitergeleitet in eine Zelle 4 zur endgültigen Diffusion des Kohlenstoffs. Die in der Zelle 4 vorgenommene Behandlung besteht in der Diffusion des Kohlenstoffs in der Dicke der Teile, von der Oberfläche zum Kern der Teile hin, je nach der gewünschten Dicke der aufgekohlten Oberfläche und dem an der Oberfläche der Teile gewünschten Kohlenstoffanteil. Diese Behandlungsphase wird bei gleichem Druck wie dem der Zellen zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur 2 und zur Kohlenstoffanreicherung 3 vorgenommen. Die Temperatur wird entsprechend auf 880 bis 1050°C eingestellt, um eine gute Eindringgeschwindigkeit des Kohlenstoffs in die Teile zu ermöglichen und die optimale Temperatur der Teile vor dem Abschrecken zu erreichen.
Die innerhalb der Kohlenstoffdiffusionszelle 4 erforderliche Behandlungstemperatur unterscheidet sich vorzugsweise von der im Inneren der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur und der Zelle 3 zur Kohlenstoffanreicherung erforderlichen Behandlungstemperatur.
Im Anschluss an die Zellen 2 bis 4 umfasst die Maschine 1 ferner eine Abschreckzelle 5, die mit druckdichten Türen versehen ist. Zum Beispiel ist die Zelle 5 eine Zelle zum Abschrecken unter Gas, in Öl, im Salzbad oder ein beliebiges anderes System, das ein Herunterkühlen der Teile zum Erhalt der gewünschten Härte mit der erforderlichen Geschwindigkeit erlaubt.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die Maschine 1 nach der Abschreckzelle 5 eine Zelle zum Blauglühen umfassen. Die Blauglühphase erfolgt auf einer Temperatur von beispielsweise etwa 200 bis 300°C.
Vor der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur umfasst die Maschine ferner eine Einlassschleuse 6, die dazu bestimmt ist, die Teile aufzunehmen, die auf ihre Aufgabe in die Zelle 2 warten (1). In diesem Fall muss darauf geachtet werden, dass die Einlassschleuse 6 mittels Vakuum gut entleert wird, damit der Druck in der Schleuse 6 der gleiche ist wie in der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur vor der Zufuhr der Teile und die Luft praktisch völlig abgeführt ist.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante umfasst die Maschine 1 ein Gaspumpsystem 7, das mittels geeigneter Mittel mit der Kohlenstoffanreicherungszelle 3 verbunden ist und die in den Zellen 2, 3 und 4 vorhandenen Gase abführen soll. Nur die Kohlenstoffanreicherungszelle 3 enthält Aufkohlungsgase, die die Zellen 2 und 4 verunreinigen könnten. Das Pumpsystem 7 bewirkt somit vorteilhafterweise einen Gasstrom von den Zellen zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur 2 und der Kohlenstoffdiffusionszelle 4 in Pfeilrichtung F1 zu der möglicherweise verunreinigten Kohlenstoffanreicherungszelle 3.
Die Maschine 1 kann ferner ein erstes getrenntes Pumpsystem 8 der Einlassschleuse 6 und ein zweites getrenntes Pumpsystem 9 der Abschreckzelle 5 umfassen.
Generell sind die drei Zellen 2, 3, 4, die den drei unbedingt notwendigen Niederdruck-Aufkohlungsbehandlungsphasen entsprechen, Zellen mit kühlen Wänden, um kalt, umweltfreundlich und unbedenklich zu sein. Die für die Aufkohlung vorgesehenen Teile durchlaufen zwingend und nacheinander alle nacheinander angeordneten Niedrigkdruck-Aufkohlungsbehandlungszellen 2, 3, 4 in dieser Reihenfolge.
Nach der Erfindung entspricht die Form aller Zellen 2, 3, 4 der Maschine 1 einem allgemeinen Standardmodell entsprechend der jeweiligen Funktion (Erwärmung, Anreicherung und Diffusion) und mit einer veränderlichen Länge L, wodurch die Behandlungszeit jeder Zelle bei einem gegebenen Arbeitstakt genau eingestellt werden kann. Eine Veränderung des Arbeitstakts ermöglicht insbesondere das Erreichen unterschiedlicher Aufkohlungstiefen. Die Länge L einer Zelle ist also proportional zur Dauer der in dieser Zelle vorgenommenen Behandlung.
Darüber hinaus können die Temperaturen angepasst werden, um eine präzise Steuerung der für die zu behandelnden Teile angestrebten Eigenschaften möglich zu machen.
In 3, die nur die Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur der Maschine 1 der 1 und 2 zeigt, umfasst die Zelle 2 ein Eingangsmodul 10a, durch das die zu behandelnden Teile zugeführt werden, und ein Ausgangsmodul 10b, durch das die Teile nach der Behandlung abgeführt werden. Eingangs- und Ausgangsmodul 10a und 10b haben eine Standardform und können jeweils eine Charge 11 an Metallteilen enthalten.
Die Zelle 2 hat eine Längsachse 12, die vom Eingangsmodul 10a zum Ausgangsmodul 10b hin ausgerichtet ist. Die Längsachse 12 entspricht der Bewegungsrichtung der Chargen 11 innerhalb der Zelle 2 gemäß den Pfeilen F2.
Zwischen dem Eingangsmodul 10a und dem Ausgangsmodul 10b umfasst die Zelle 2 zwei identische Standard-Zwischenmodule 13 gleicher Länge. Das Vorsehen mehrerer Zwischenmodule 13 zwischen dem Eingangsmodul 10a und dem Ausgangsmodul 10b ermöglicht variable Längen L1 der Zelle 2. Beispielsweise ist bei einer Zelle 4 zur Kohlenstoffdiffusion die Aufkohlungstiefe umso größer, je größer die Anzahl der Module 13 ist, bei gleichem Durchführungstakt der Chargen 11 in der Zelle 4.
Die Standardmodule 13 der Zelle 2 bilden eine Niederdruck-Behandlungszone 14, innerhalb derer die der Zelle zugewiesene Behandlung stattfindet. Die Behandlungszone 14, die vorzugsweise aus Standardmodulen 13 mit kühlen Wanden besteht, ist vom Eingangsmodul 10a und Ausgangsmodul 10b abgetrennt und isoliert, die dann Kältezonen der Zelle 2 bilden. Die Kältezonen sind thermisch von der Behandlungszone 14 isoliert, und zwar beispielsweise durch thermisch isolierte und gekühlte Türen 15, die zwischen dem Eingangsmodul 10a und dem Ausgangsmodul 10b der abgetrennten Behandlungszone 14 angeordnet sind.
Beispielsweise wird eine Tür 15 mittels eines Wärmetauschers gekühlt, der in Höhe der Tür 15 einen Wasserstrom erzeugt.
In 3 haben Eingangs- und Ausgangsmodul 10a und 10b eine Standardform mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt und umfassen diese jeweils eine Öffnung, die in Verbindung steht mit dem angrenzenden Modul 13 und drei Wände, die das Ende der Zelle 2 verschließen. Bei der in 3 dargestellten besonderen Ausführungsform umfasst das Eingangsmodul 10a eine Eintrittsöffnung 16, die sich an einer zur Längsachse 12 der Zelle 2 parallelen Wand des Eingangsmoduls 10a befindet, und umfasst das Ausgangsmodul 10b eine Austrittsöffnung 17, die sich an einer zur Längsachse 12 parallelen Wand des Ausgangsmoduls 10b und auf der gleichen Seite der Zelle 2 bezüglich der Längsachse 12 befindet. Die Teilechargen 11 werden der Zelle auf ein und derselben Seite zugeführt und von dieser wieder abgezogen.
Eingangsmodul 10a und Ausgangsmodul 10b umfassen beispielsweise jeweils ein Austragsystem 18, das die Charge aus dem jeweiligen Modul 10a, 10b drücken und entfernen soll, was einem Anschlagsystem 19 entspricht, das die Charge 11 vor ihrem Austragen festkeilen soll. Das Austragsystem 18 und das Anschlagsystem 19 bilden mechanische Mittel, die das Vorwärtsbewegen und den Transport der Teile zwischen den Zellen ermöglichen, und sind vorteilhafterweise in den Kältezonen der Zellen 2, 3, 4 angeordnet.
Die Chargen 11 werden innerhalb der Zellen durch die Chargen 11 selbst vorwärtsbewegt, die sich beim Einführen einer neuen Charge 11 jeweils anschieben. Die Behandlungszone 14 umfasst so kein mechanisches Vorschub- oder Fördermittel, die lediglich in den Kältezonen angeordnet sind, die vom Eingangsmodul 10a und dem Ausgangsmodul 10b der Zellen gebildet werden.
Dadurch, dass die Fördermittel im Ein- und Ausgangsmodul 10a und 10b angeordnet sind, nämlich im Bereich der Kältezonen jeder Zelle, wird insbesondere der Wirkungsgrad der Aufkohlungsbehandlung erhöht und eine bessere Erhaltung der Eigenschaften der Teile zwischen den Zellen erreicht.
Nachdem in die Zelle 3 zur Kohlenstoffanreicherung abwechselnd Schutzgase und Aufkohlungsgase eingeblasen werden, erfolgt außerdem der Transport der Teile zwischen den Zellen vorteilhafterweise gleichzeitig mit dem Einblasen von Schutzgasen. Die Einblasdauer für Schutzgas muss somit ausreichend lang sein und die verschiedenen Förder- und Vorschubmittel müssen entsprechend betätigt werden, damit alle Chargen 11 durch die Maschine geführt werden können. Die Aufkohlungsgase werden so nur in der Kohlenstoffanreicherungszelle 3 gehalten und laufen somit nicht Gefahr, die anderen Zellen 2 und 4 zu verunreinigen.
Bei der besonderen Ausführungsform, die in den 1 und 2 dargestellt ist, umfasst die Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur zwei Standardmodule 13 und sind Eintrittsöffnung 16 und Austrittsöffnung 17 der Zelle 2 parallel und auf der gleichen Seite der Zelle 2 bezüglich der Längsachse 12 angeordnet.
Die folgende Zelle 3 zur Kohlenstoffanreicherung, die nur ein Standardmodul 13 umfasst, ist so angeordnet, dass ihre Längsachse 12 parallel zu der und in gleicher Richtung wie die Längsachse 12 der vorhergehenden Zelle verläuft. Die Eintrittsöffnung 16 des Eingangsmoduls 10a ist somit gegenüber der Austrittsöffnung 17 des Ausgangsmoduls 10b der vorhergehenden Zelle 2 angeordnet, und die Austrittsöffnung 17 des Ausgangsmoduls 10b der Zelle 3 ist bezüglich der Längsachse 12 auf der gleichen Seite der Zelle 3 wie die Eintrittsöffnung 16 des Eingangsmoduls 10a angeordnet.
So ist die Zelle 4 zur Kohlenstoffdiffusion, die auch zwei Standardmodule 13 umfasst, parallel zu den beiden anderen angeordnet und ihre Längsachse 12 in gleicher Richtung ausgerichtet und mit der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur gefluchtet. Die Ein- und Austrittsöffnungen 16 und 17 des Ein- bzw. Ausgangsmoduls 10a bzw. 10b sind also auf der gleichen Seite der Zelle 4 bezüglich der Längsachse 12 angeordnet. Die Abschreckzelle 5 ist mit der Austrittsöffnung 17 der Zelle 4 und die Zuführschleuse 6 ist mit der Eintrittsöffnung 16 der Zelle 2 verbunden.
Die Anordnung der Maschine 1 nach den 1 und 2 hat somit im Wesentlichen die Form von zwei L, die einander gegenüberliegen, wobei die Teile entsprechend den Pfeilen F2 (1) geführt werden.
Darüber hinaus sind Eingangs- und das Ausgangsmodul 10a bzw. 10b der Zellen 2, 3, 4 vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie Verbindungskammern 20 zwischen zwei angrenzenden Zellen bilden. Die Kammern 20 der Maschine 1 können dann Systeme 21 zur Abschottung gegen die Gase und den Druck von einer Zelle zur nächsten zwischen den Behandlungsphasen umfassen. Zum Steuern des Gasstroms zwischen den Zellen können sie auch Rücklaufsperrsysteme umfassen.
Als Beispiel umfasst die Maschine 1 eine druckdichte Tür 21, die zwischen dem Eingangsmodul 10a der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur und der Zuführschleuse 6 angeordnet ist.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsvariante umfasst die Niederdruck-Aufkohlungsbehandlungsmaschine 1 die drei Zellen 2, 3 und 4 in paralleler Anordnung nebeneinander. Die Längsachse 12 der Zelle 3 verläuft parallel und gegenläufig zur Längsachse 12 der Zellen 2 und 4. Die Eintrittsöffnung 16 des Eingangsmoduls 10a der Zelle 3 ist gegenüber dem Ausgangsmodul 10b der Zelle 2 angeordnet, während die Austrittsöffnung 17 des Ausgangsmoduls 10b der Zelle 3 bezüglich der Längsachse 12 auf der anderen Seite der Zelle 3 gegenüber dem Eingangsmodul 10a der Zelle 4 angeordnet ist. Diese besondere entgegengesetzte Ausrichtung der Eintritts- und Austrittsöffnungen 16 und 17 der Module 10a und 10b der Zelle 3 ermöglicht insbesondere die Anordnung der Maschine 1 entsprechend einer Form, die im Wesentlichen einem S entspricht, wobei die Zellen 2, 3, 4 einander gegenüber angeordnet sind. Daraus resultiert eine erhebliche Platzeinsparung, da die Gesamtlänge der Maschine relativ gering ist.
Darüber hinaus kann die Maschine 1 einen Lagerplatz 22 für die Chargen 11 zu Beginn des Behandlungszyklus umfassen, die auf ihre Aufgabe in die Zuführschleuse 6 warten, sowie einen Lagerplatz 23 für die Chargen 11 am Ende des Behandlungszyklus nach der Abschreckzelle 5 und vor dem Austragen zu einem anderen Lagerort beispielsweise.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsvariante der Maschine 1 sind die Längsachsen 12 der Zellen 2 und 3 in gleicher Richtung ausgerichtet und ist die Längsachse 12 der Zelle 4 entgegengesetzt zu den beiden anderen ausgerichtet. Die Zellen 3 und 4 sind hier bezüglich der Zelle 2 versetzt angeordnet. Die Maschine 1 hat somit eine größere Gesamtlänge. Diese besondere Anordnung, die im Wesentlichen U-förmig ist, ermöglicht insbesondere die Unterbringung der zugehörigen Pumpsysteme 7, 8 und 9 in der Maschine 1 bzw. in den Zellen 3, 6 und 5.
Außerdem kann die Maschine 1 zur Kontrolle und/oder Steuerung des ordnungsgemäßen Ablaufs des Aufkohlungsbehandlungszyklus an die Zellen angebaute Überwachungs-, Kontroll- und/oder Steuerungssysteme 24 umfassen.
Die in 6 dargestellte Ausführungsvariante der Maschine 1 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Ausführungsvariante durch die Anzahl von Standardzwischenmodulen 13 der Zellen 2, 3 und 4. Diese umfassen nämlich jeweils drei, zwei und drei Standardmodule 13, die zwischen dem Eingangsmodul 10a und dem Ausgangsmodul 10b angeordnet sind. Hieraus ergibt sich eine höhere Verweilzeit der Teile in der jeweiligen Zelle.
Ausgehend von der Anordnung der Maschine 1 nach 5 genügt es, das Ausgangsmodul 10b von der Zelle 2 abzumontieren, das zusätzliche Standardmodul 13 anzubauen und das Ausgangsmodul 10b wieder einzubauen. In gleicher Weise erfolgt das Anbauen der zusätzlichen Standardmodule 13 bei den Zellen 3 und 4. Diese besondere Anordnung zeigt die große Flexibilität und Entwicklungsfähigkeit der Maschine 1 entsprechend den Anwendungen und der gewünschten Behandlungszeit.
Allgemein gesprochen können bei ein und derselben Niederdruck-Aufkohlungsmaschine 1 die Längen L1, L2 und L3 (1) jeweils der Zellen 2, 3 bzw. 4 je nach Anzahl der Standardmodule 13, die sie umfassen, unterschiedlich sein. Eine solche Maschine 1 kann je nach Aufstellungsort problemlos verändert werden und kann mehrere verschiedene Anordnungen aufweisen. Die Maschine 1 hat somit einen Aufbau, der je nach Anwendungen, der Größe des Aufstellungsorts, der gewünschten Behandlungsdauer vollkommen neu gestaltet werden kann, insbesondere dank der Form des Standardein- und ausgangsmoduls 10 bzw. 10b und der Standardzwischenmodule 13 jeder Zelle 2, 3, 4 der Maschine 1. Dies äußert sich insbesondere in Zeit- und Platzeinsparungen und einer Erhöhung der Produktivität.
Darüber hinaus ermöglichen die in den 4, 5 und 6 dargestellten Maschinen 1 insbesondere eine nahe Positionierung der Lagerplätze 22 und 23 zueinander. Dies ermöglicht auch eine vereinfachte und beschleunigte Handhabung der Chargen 11. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die Maschine 1 der Zelle 4 nachgeschaltet zwei Abschreckzellen umfassen, beispielsweise eine Ölabschreckzelle und eine Gasabschreckzelle oder zwei Gasabschreckzellen. In diesem Fall unterscheidet sich das Ausgangsmodul 10b der Zelle 4 zur Kohlenstoffdiffusion von den Ausgangsmodulen 10b der anderen Zellen und umfasst zwei Austrittsöffnungen 17, die an jeder zur entsprechenden Längsachse 12 der Zelle 4 parallelen Wand angeordnet sind. Die beiden Abschreckzellen sind dann mit dem gleichen Ausgangsmodul 10b verbunden, wobei die Teile vor ihrem Austragen nach der Behandlung entweder in die erste oder in die zweite Abschreckzelle aufgegeben werden.
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die Maschine 1 zur Vorbereitung der zum Aufkohlen bestimmten Teile zwischen der Zuführschleuse 6 und der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur eine Zelle zur Reinigung der Teile umfassen. Die Reinigungszelle ist beispielsweise eine Wasch- oder Entfettungsmaschine, die mit atmosphärischem Druck oder eventuell bei Teildruck in Dampfphase arbeitet.
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die Maschine 1 vor der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur eine Zelle zum konvektiven Vorheizen der Teile umfassen. Beispielsweise ist die Vorheizzelle ein konvektiver Vorheizofen, der dazu bestimmt ist, die Teile vor ihrer Aufgabe in die Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur bis auf eine Temperatur von beispielsweise etwa 300 bis 500°C vorzuheizen. Das konvektive Vorheizen vergleichmäßigt das Erwärmen und bewirkt insbesondere eine Oxidation der Teile und eine gute Aktivierung ihrer Oberflächen. Diese Phase wird an der Luft bei atmosphärischem Druck durchgeführt, vorzugsweise unter Zugabe eines geringen zusätzlichen Stickstoffanteils. Die Vorheizzelle ermöglicht so eine Zeitersparnis, da die Teile nach ihrem Vorheizen weniger Zeit in der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur 2 verbringen müssen. Nach Beendigung der Vorheizphase wird die Vorheizzelle vor dem Transport der Teile in die nächste Zelle mit Vakuum gespült.
Im Falle der Verwendung einer Zelle zum konvektiven Vorheizen muss zwischen dem Eingangsmodul 10a der Zelle 2 zum Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur und der Vorheizzelle eine druckdichte Tür 21 vorgesehen werden.
Unabhängig vom Aufbau der vorbeschriebenen Maschine 1 hat die Behandlungsmaschine 1 also folgende Vorteile. Die Maschine 1 ist außen kalt und ist wegen der kalten Wände der Behandlungszonen 14 der Zellen 2, 3 und 4 umweltfreundlich. Da die Zellen 2, 3, 4 eine Standardform und dank der Standardzwischenmodule 13 und des Standardeingangsmoduls 10a und -ausgangsmoduls 10b eine veränderliche Länge haben, können sie in jeder bereits bestehenden Bearbeitungshalle und an jeder beliebigen Produktionsstätte zur Herstellung großer Stückzahlen aufgestellt werden. Die Produktivität ist somit stark verbessert. Die Flexibilität der Anlage ermöglicht außerdem je nach Aufträgen oder der vorzunehmenden thermischen Behandlung das Einfügen optionaler Zellen nach Bedarf, insbesondere von Reinigungs-, Vorheiz- und Blauglühzellen.
Darüber hinaus befinden sich die mechanischen Vorschub- und Fördermittel für die Teile zwischen den Zellen einzig und allein in der kühlen Zone der Zellen, nämlich im Eingangs- und Ausgangsmodul 10a und 10b. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Niederdruck-Aufkohlungsbehandlung.
Die Erfindung ist nicht auf die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können die zu behandelnden Teile aus Teilechargen bestehen, die auf einem Träger angeordnet sind. Die Zellen können jede geeignete Form haben. Die Förder- und Verschlussmittel können von beliebigen geeigneten Mitteln gebildet werden, die die Einhaltung der vorbestimmten Dichtheits- und Druckeigenschaften zwischen zwei angrenzenden Zellen ermöglichen. Das Aufkohlungsgas kann Propan oder ein beliebiger anderer Kohlenwasserstoff sein, der den Temperaturen der Anreicherungszelle 3 angepasst ist, um die Oberfläche der Teile zu behandeln.
Die im kalten Bereich der Zellen gelegenen Förder- und Vorschubmittel können von einem beliebigen anderen Austragsystem und einem völlig anderen Anschlagsystem gebildet werden. Nachdem der Transport zwischen zwei angrenzenden Zellen bei einem vorbestimmten Druck erfolgt, kann die Maschine 1 zusätzliche (nicht dargestellte) Mittel zum Anpassen und Steuern des Drucks während der Behandlung aufweisen – während des Transports, wenn nötig auch innerhalb der Kammern 20.
Nach der eventuell vorgesehenen Blauglühzelle kann die Maschine zusätzliche (nicht dargestellte) Fördermittel aufweisen, die dazu bestimmt sind, die Teile zu einer anderen Maschine zu befördern, beispielsweise zur Endbearbeitung (Sandstrahlen, Schleifbearbeitung).
Die Zellen 2 bis 4 können (nicht dargestellte) Heizvorrichtungen, eine Gaseinblasleitung und Pumpenanschlüsse für Vakuumpumpen umfassen.
Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante kann eventuell eine Karbonitrierungsbehandlung in den Zellen 3 und 4 angewandt werden. Die Maschine 1 zur thermochemischen Behandlung ist dann eine Maschine zur Behandlung unter Karbonitrierungsvakuum mit einer Diffusionszelle 4, in die ein Nitrierungsgas eingeblasen wird. Beispielsweise kann die Stickstoffanreichung darin durch Einblasen eines Gases wie Ammoniak (NH3) in die Oberflächenanreicherungszelle 3 und die Diffusionszelle 4 erfolgen, mit einem Takt, der abhängig von dem gewünschten Ergebnis zu bestimmen ist.
Die Funktion der Maschine bleibt die gleiche wie vorstehend, und die zu behandelnden Teile werden nacheinander durch jede Behandlungszelle geführt. Die Zellen haben auch den gleichen Aufbau, mit einem Eingangs- und einem Ausgangsmodul und Standardzwischenmodulen, die zwischen den Modulen angeordnet sind, so dass sie eine vollkommen flexibel umzugestaltende Maschine ergeben, je nach Werk, Anwendungen und der in den Zellen gewünschten Behandlungszeit.

Claims

Maschine zur thermochemischen Behandlung (1) von Metallteilen, die mindestens eine Aufheizzelle (2), eine Zelle (3) zur Kohlenstoffanreicherung der Oberflächen der zu behandelnden Teile, eine Zelle (4) zur Verteilung des Kohlenstoffs von der Oberfläche zum Kern der Teile hin und mindestens eine Härtungszelle (5) umfasst, die jeweils aufeinander folgend angeordnet sind und eine Länge (L) aufweisen, die an die Dauer der in der jeweiligen Zelle vorgenommenen Behandlung angepasst ist, wobei die Maschine ferner mechanische Förder- und Vorschubmittel für die Teile von einer Zelle zur nächsten sowie Isolierungsmittel umfasst, die eine Isolierung der Zellen voneinander während der einzelnen, aufeinanderfolgenden Behandlungsphasen ermöglichen, maschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zellen zum Aufheizen (2), zur Kohlenstoffanreicherung (3) und Kohlenstoffverteilung (4) Standardformen haben und jeweils aufeinander folgend entlang einer Langsachse ein Eingangsmodul (10a), eine Niedrigdruck-Behandlungszone (14) und ein Ausgangsmodul (10b) aufweisen, wobei das Ausgangsmodul (10b) einer Zelle mit dem Eingangsmodul (10a) der angrenzenden Zelle verbunden ist und das Eingangs- (10a) und Ausgangsmodul (10b) jeweils eine Kältezone bilden, die thermisch von der Behandlungszone (14) der entsprechenden Zelle (2, 3, 4) isoliert ist, wobei die mechanischen Förder- und Vorschubmittel (18, 19) im Eingangsmodul (10a) und im Ausgangsmodul (10b) der Zellen (2, 3, 4) angeordnet sind.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Eingangsmodul (10a) und das Ausgangsmodul (10b) der Aufheizzelle (2) und der Kohlenstoffanreicherungszelle (3) und das Eingangsmodul (10a) der Kohlenstoffverteilungszelle (4) Standardform haben.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem eine Längsachse (12) jeder Zelle (2, 3, 4) vom Eingangsmodul (10a) zum jeweiligen Ausgangsmodul (10b) hin weist, jedes Eingangsmodul (10a) und jedes Ausgangsmodul (10b) mindestens eine Öffnung aufweisen, und zwar jeweils eine Eintrittsöffnung (16) und eine Austrittsöffnung (17), die an einer Wand des genannten Moduls (10a, 10b) gelegen ist, die parallel zur genannten Achse (12) angeordnet ist, und die Fördermittel (18) jedes Ausgangsmoduls (10b) zum jeweiligen Eingangsmodul (10a) hin lotrecht bezogen auf die genannte Langsachse (12) wirken.
Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (12) mindestens zweier aufeinander folgender Zellen (2, 3, 4) parallel, in gleicher und/oder entgegengesetzter Richtung verlaufen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszone (14) jeder Zelle (2, 3, 4) von einer entsprechenden Anzahl von Standardmodulen (13) gebildet wird, die die gleiche Länge haben und hintereinander angeordnet sind, sodass die Länge (L) der Zelle (2, 3, 4) der Dauer des in der genannten Zelle (2, 3, 4) vorgenommenen Behandlungszyklus angepasst ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Pumpen (7) der Gase umfasst, die an die Kohlenstoffanreicherungszelle (3) angeschlossen und so angeordnet sind, dass sie eine Zirkulation (F1) der Gase von der Aufheizzelle (2) und der Kohlenstoffverteilungszelle (4) zur Kohlenstoffanreicherungszelle (3) hin erzeugen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem die Kohlenstoffanreicherungszelle (3) Mittel zum abwechselnden Beaufschlagen zementierender und neutraler Gase umfasst, die Förder- und Vorschubmittel (18, 19) der Teile in Gang gesetzt werden, um den Transport der Teile während der Beaufschlagung mit neutralen Gasen vorzunehmen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierungsmittel (15) jeder Behandlungszelle (2, 3, 4) in der kalten Zone angeordnet sind, und zwar im entsprechenden Eingangs- (10a) und Ausgangsmodul (10b), und die Behandlungszone (14) vom Eingangsmodul (10a) und Ausgangsmodul (10b) thermisch isolieren.
Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierungsmittel Türen (15) sind, die thermisch isoliert und gekühlt sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungszone (14) der Zellen zum Aufheizen (2), zur Kohlenstoffanreicherung (3) und zur Kohlenstoffverteilung (4) aus Standardmodulen (13) mit kalten Wanden besteht.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Behandlungszone (14) der Zelle zur Kohlenstoffverteilung (4) sich von der Temperatur in der Behandlungszone (14) der Zellen zum Aufheizen (2) und zur Kohlenstoffanreicherung (3) unterscheidet.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass, nachdem das Eingangsmodul (10a) der Aufheizzelle (2) vorgeschaltet mit einer zusätzlichen Behandlungszelle verbunden ist, das Eingangsmodul (10a) eine druckdichte Tür (21) umfasst.
Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Behandlungszelle, die der Aufheizzelle (2) vorgeschaltet ist, eine Konvektions-Vorheizzelle ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie, der Härtungszelle (5) nachgeschaltet, eine Anlass-Zelle umfasst.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie, der Aufheizzelle (2) vorgeschaltet, Mittel zum Reinigen der Teile umfasst.