EP0552460A1 - Process for hardening of work pieces unter the action of plasma-pulses - Google Patents

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EP0552460A1
EP0552460A1 EP19920121129 EP92121129A EP0552460A1 EP 0552460 A1 EP0552460 A1 EP 0552460A1 EP 19920121129 EP19920121129 EP 19920121129 EP 92121129 A EP92121129 A EP 92121129A EP 0552460 A1 EP0552460 A1 EP 0552460A1
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EP
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plasma
carbon
duration
pulse
workpiece
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EP19920121129
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German (de)
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EP0552460B1 (en
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Albrecht Dr. Melber
Frank Dipl.-Ing. Schnatbaum
Prof. Dr.-Ing. Kyong-Tschong Rie
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Leybold Durferrit GmbH
Original Assignee
Leybold Durferrit GmbH
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid 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
    • C23C8/06Solid 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 using gases
    • C23C8/36Solid 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 using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
    • C23C8/38Treatment of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening workpieces made of steel, in particular with at least one alloy element from the group Cr, Ni, Mn, Si and Mo, by carburizing the surface and subsequent quenching, the carburizing using a plasma discharge in a vacuum in the presence of gaseous gases Hydrocarbons at voltages between 200 and 2000 volts, preferably between 300 and 1000 volts, carried out and the plasma is generated by means of electrodes operated in a vacuum, of which the cathode serves as a workpiece holder and is operated in pulse mode.
  • US Pat. No. 4,900,371 discloses a plasma-pulse method of the type described in the introduction, in which the repetition time is 10 ms and the pulse and pause times are each 5 ms.
  • the specified parameters are intended to homogenize the gas and plasma distribution over the workpiece surface, but with the usual cathode voltages of 500 to 1000 V result in mass flows of carbon, which, without the activation of carbonless diffusion phases, also after a few minutes to supersaturate the surface area with carbon and would lead to undesirable carbide formation.
  • the invention is therefore based on the object of improving a method of the type specified at the outset such that with reproducible and simple process monitoring and control, even with irregularly shaped workpieces, a uniform hardness distribution is achieved and carbide formation on the surface is avoided without the interposition of a pronounced diffusion phase, that the carbon content on the surface of the workpiece can be set to any value between the carbon content of the core in the workpiece and the saturation limit of the material and that the glow discharge is reliably prevented from turning into an arc discharge.
  • the object is achieved to the full extent, that is, the method specified at the outset is improved in such a way that, with simpler process monitoring and control, carbide formation on the surface without the interposition of a pronounced diffusion phase does not occur, that the carbon content on the surface of the workpiece can be reproducibly set to any value between the carbon content of the core in the workpiece and its saturation limit and that a change in the glow discharge into an arc discharge is reliably prevented.
  • the mass flow m c of the carbon is reduced so that its solubility in austenite is not exceeded and no carbides can be formed.
  • the method according to the invention can be operated quasi-stationary with continuously pulsed plasma.
  • the oxidation-free carburizing of the surface by the plasma increases the fatigue strength, the warpage of the workpiece is reduced, and there are lower costs for the reworking of the workpieces.
  • the mean power after a start-up phase with the carbon content on the surface rising as quickly as possible before the said saturation limit is reached is reduced to a value at which the pulse operation continues to spread the carbon content below the saturation limit into the depth of the workpiece is continued.
  • the mass flow is then just as large as the migration in the workpiece through diffusion. This can speed up the process, i.e. the carburizing rate can be selected very high at the beginning, but is then adapted to the diffusion rate.
  • gases are suitable as gaseous hydrocarbon compounds: methane, ethane, propane, ethylene and propene.
  • a vacuum furnace 1 is shown with a furnace chamber 2, which is lined with a thermal insulation device 3.
  • a thermal insulation device 3 In front of the side walls 3a of the thermal insulation device 3 there is an electrode which is grounded and which serves as an anode 4 of the circuit.
  • a vertical support rod 6 is guided through the furnace ceiling 2a by means of an insulating bushing 5 and carries at its lower end a plate-shaped horizontal workpiece holder which also has an electrode function, i.e. serves as cathode 7. Only one of the workpieces 8 arranged on this workpiece holder is shown.
  • the power supply 9 is on Assigned to control unit 10, with which the electrical process parameters for influencing the plasma can be set.
  • Cathode 7 and workpieces 8 are surrounded concentrically by a resistance heating element 11 which is connected to a controllable current source 12.
  • the energy balance of the furnace and thus the workpiece temperature is determined by the losses on the one hand and by the sum of the energy contributions from the plasma and the radiation from the resistance heating element on the other.
  • a supply line 13 which comes from a controllable gas source 14 and through which the desired process gases or gas mixtures are supplied, opens into the furnace chamber 2.
  • the gas balance is determined by the gas supply, the consumption by the workpieces and possibly loss sinks, but not least by the influence of the vacuum pump 15, which is connected to the furnace chamber 2 via a suction line 16 and can also be designed as a pump set.
  • FIG. 2 shows a parameter representation of the dependence of the carbon concentration at different depths of the workpiece after a different process duration in the event that one of the processes according to the prior art (Gas carburization) without interrupting the carburization by a diffusion break.
  • the depth values in millimeters are plotted on the abscissa, starting from the workpiece surface, and the carbon concentration in percent by weight on the ordinate.
  • the individual curves apply (from bottom to top) for the process times of 0.5, 1, 2 and 4 hours plotted under the abscissa. It can be seen that the carbon concentration on the surface has already exceeded the saturation value after a process duration of 2 h, which is reflected in a decrease in hardness according to FIG. 3.
  • Figure 3 shows the hardness values belonging to Figure 2.
  • the abscissa has the same scale, and the associated hardness values in HV are plotted on the ordinate. It can be seen that the surface hardness reaches a peak value of 800 HV after 2 h with a steep drop to the depth, but already begins to decrease again after a process duration of 3 h due to carbide formation and drops to around 700 HV after 4 h. As the experiments continue, the situation deteriorates further, which is also generally known from the literature (for example EP-A2-0 288 680).
  • cylinder pins made of the steel alloy 16MnCr5 with a diameter of 20 mm were carburized in batches as substrates.
  • the device for removing the residual gases was evacuated to a pressure of 10 -3 mbar, whereupon a mixture of 15% argon, the rest of hydrogen was admitted to a pressure of 15 mbar.
  • the resistance heater By simultaneously operating the resistance heater and applying a negative voltage of 600 V to the substrates, they were cleaned by sputtering and heated to 900 ° C. The pretreatment lasted 60 minutes.
  • the gas atmosphere was then replaced by that of 5% methane, 80% hydrogen and 15% argon until a pressure of 15 mbar was reached.
  • the actual carburizing was then carried out by means of a pulse mode, in which the pulse voltage was set to 600 V and the ratio of pulse duration to pause duration was 0.07 at the power source.
  • the first phase of the treatment time was 240 min, the substrate temperature being kept at a constant 900 ° C. by adjusting the power of the resistance heater. Then the said ratio was reduced to 0.023 while the parameters were otherwise the same and the carburization was continued at 900 ° C. with a corresponding adjustment of the resistance heater power for a period of 90 minutes. Arc discharges never occurred during the entire process.
  • the cylinder pins were then inserted into the oil bath, which was kept at a temperature of 60 ° C., using a manipulator with the cylinder axis in a vertical position.
  • the hardening depth at 0.9 mm was 550 HVl. This fully met the demands made.
  • FIG. 5 The results of this experiment are shown in FIG. 5: The tooth profile (hatched) and the so-called plasma border (thick black line) are shown at the top right of the window, as are the measurement locations M1 and M2.
  • the plasma conforms extremely well to the tooth profile.
  • the measuring location M1 is in the tooth flank, the measuring location M2 on the tooth base.
  • the diagram shows the hardness "HVl" over the depth "t”.
  • Curve K1 shows the hardness curve at measuring point M1
  • curve K2 shows the hardness curve at measuring point M2. It can be seen that the measured values agree very well and that in particular the penetration depth "t" is essentially the same for M1 and M2, which is due to the good conformity of the plasma to the tooth profile.
  • the results of this experiment are shown in FIG. 6:
  • the (identical) tooth profile (hatched) and the so-called plasma seam (thick black line) are shown in the top right of the window, as are the measurement locations M3 and M4.
  • the plasma only clings to the tooth tip and is at a significantly greater distance from the tooth profile at the tooth base.
  • the measuring location M3 is on the tooth flank, the measuring location M4 on the tooth base.
  • the diagram shows the hardness "HVl" over the depth "t”.
  • Curve K3 shows the hardness curve at measuring point M3,
  • curve K4 shows the hardness curve at measuring point M4. It can be seen that the measured values deviate greatly from one another and that in particular the penetration depth "t" is significantly less with M4 than with M3, which is due to the lower conformity of the plasma in the foot area of the tooth profile.

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Abstract

Workpieces made of steel are hardened by carburising the surface and subsequent quenching. Carburisation is carried out by means of a plasma discharge in vacuo in the presence of gaseous hydrocarbons at voltages between 200 and 2000 volts, preferably between 300 and 1000 volts, and preferably with the admixture of argon. The plasma is generated by electrodes operated in vacuo, of which the cathode serves as the workpiece holder and is operated in a pulsed manner. So as to achieve, in the process, a uniform hardness distribution even for irregularly shaped workpieces and to reduce the carbon mass flow, a) carburisation is carried out at an overall pressure between 14 and 30 mbar (1400 to 3000 Pa), b) a pulse duration of between 110 and 10,000 mu s (microseconds) is chosen, c) an internal duration of between 30 and 10,000 mu s is chosen and d) the mean power supplied to the plasma discharge is decreased, after completion of the start-up phase, by reducing the pulse duration and/or extending the interval duration, either continuously or in a stepwise manner, in such a way that the carbon content at said surface, without interruption of the pulsed operation, does not exceed at any time the saturation limit of the material for carbon in the austenitic domain. o

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Werkstücken aus Stahl, insbesondere mit mindestens einem Legierungselement aus der Gruppe Cr, Ni, Mn, Si und Mo, durch Aufkohlen der Oberfläche und anschließendes Abschrecken, wobei das Aufkohlen mittels einer Plasmaentladung im Vakuum in Anwesenheit von gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei Spannungen zwischen 200 und 2000 Volt, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 Volt, durchgeführt und das Plasma mittels im Vakuum betriebener Elektroden erzeugt wird, von denen die Katode als Werkstückhalter dient und im Impulsbetrieb betrieben wird.The invention relates to a method for hardening workpieces made of steel, in particular with at least one alloy element from the group Cr, Ni, Mn, Si and Mo, by carburizing the surface and subsequent quenching, the carburizing using a plasma discharge in a vacuum in the presence of gaseous gases Hydrocarbons at voltages between 200 and 2000 volts, preferably between 300 and 1000 volts, carried out and the plasma is generated by means of electrodes operated in a vacuum, of which the cathode serves as a workpiece holder and is operated in pulse mode.

Durch die EP-A2-0 288 680 ist es bekannt, daß bei zu hoher Anlieferungsgeschwindigkeit (Massenstrom mc) des Kohlenstoffs an der Werkstückoberfläche eine Übersättigung an Kohlenstoff eintritt, die eine Karbidbildung zur Folge hat. Dadurch wird die bei der Aufkohlung zwischendurch erreichte hohe Härte wieder drastisch abgesenkt. Im Idealfall sollen die Verläufe von C-Gehalt und Härte in einem Diagramm als angenähert S-förmige Kurven darstellbar sein.From EP-A2-0 288 680 it is known that when the delivery rate (mass flow m c ) of the carbon is too high, carbon over-saturation occurs on the workpiece surface, which results in carbide formation. This drastically reduces the high hardness achieved during carburization. Ideally, the courses of the C content and hardness should be shown in a diagram as approximately S-shaped curves.

Ein Abbau der Übersättigung durch Diffusion des Kohlenstoffs in die Tiefe des Werkstücks wäre allenfalls nur über extrem langdauernde Diffusionsprozesse möglich. Es wird daher in der Literatur u.a. vorgeschlagen, während der Prozeßdauer mehrfach zyklisch zwischen Kohlungsphase und Diffusionsphase umzuschalten, um dem Kohlenstoff Gelegenheit zu geben, in die erforderliche Tiefe des Werkstücks zu diffundieren. Die Zyklusdauern sind lang, und die Erfassung der Zeitpunkte für die Umschaltung ist schwierig durchzuführen und daher ungenau.A breakdown of the supersaturation by diffusion of the carbon into the depth of the workpiece would only be possible at most through extremely long-term diffusion processes. In the literature, proposed to switch several times cyclically between the carburizing phase and the diffusion phase during the process period, in order to give the carbon the opportunity to diffuse into the required depth of the workpiece. The cycle times are long and the timing of the switchover is difficult to perform and therefore inaccurate.

Durch die US-A-4 900 371 ist ein Plasma-Impuls-Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei dem die Wiederholungsdauer 10 ms und die Impuls- und die Pausendauern je 5 ms betragen. Die angegebenen Parameter sollen zur Vergleichmäßigung der Gas- und Plasmaverteilung über die Werkstückoberfläche führen, haben bei den üblichen Katodenspannungen von 500 bis 1000 V jedoch Massenströme an Kohlenstoff zur Folge, die ohne Einschaltung von kohlungsfreien Diffusionsphasen gleichfalls bereits nach wenigen Minuten zur Übersättigung des Oberflächenbereichs mit Kohlenstoff und damit zur unerwünschten Karbidbildung führen würden. Aus den angegebenen Daten ergibt sich ein Massenstrom für Kohlenstoff

m c = ca. 80 g.m⁻².h⁻¹.

Figure imgb0001

US Pat. No. 4,900,371 discloses a plasma-pulse method of the type described in the introduction, in which the repetition time is 10 ms and the pulse and pause times are each 5 ms. The specified parameters are intended to homogenize the gas and plasma distribution over the workpiece surface, but with the usual cathode voltages of 500 to 1000 V result in mass flows of carbon, which, without the activation of carbonless diffusion phases, also after a few minutes to supersaturate the surface area with carbon and would lead to undesirable carbide formation. A mass flow for carbon results from the data given

m c = approx. 80 gm⁻².h⁻¹.
Figure imgb0001

Ein weiteres Problem liegt darin, daß beim Plasma-Aufkohlen im Bereich der sog. anomalen Glimmentladung gearbeitet wird, in dem bei einer Steigerung der Spannung von etwa 200 auf über 1000 Volt die Stromdichte überproportional zunimmt, bis die anomale Glimmentladung nach Überschreiten eines Grenzwertes der Spannung schlagartig in eine Bogenentladung umschlägt (siehe: (1) Bell/Loh/Staines "Thermodynamische Behandlung im Plasma", NEUE HÜTTE, 28. Jahrgang, Heft 10, Oktober 1983, Seiten 373 bis 379; (2) Booth/Farrell/Johnson "The Theory and Practice of Plasma Carburising" HEAT TREATMENT OF METALS, 1983, S. 45 bis 52).Another problem is that plasma carburizing works in the area of the so-called anomalous glow discharge, in which the current density increases disproportionately when the voltage is increased from about 200 to over 1000 volts until the anomalous glow discharge after exceeding a limit value of the voltage changed suddenly into an arc discharge (see: (1) Bell / Loh / Staines "Thermodynamic Treatment in Plasma", NEUE HÜTTE, 28th Volume, Issue 10, October 1983, pages 373 to 379; (2) Booth / Farrell / Johnson " The Theory and Practice of Plasma Carburising "HEAT TREATMENT OF METALS, 1983, pp. 45 to 52).

Dieser Vorgang ist unter allen Umständen zu vermeiden, da eine Schädigung des Werkstücks die Folge wäre. Unter den Bedingungen der US-A-4 900 371 ist ein Umschlagen der anomalen Glimmentladung in eine Bogenentladung nicht mit hinreichender Sicherheit auszuschließen.This process should be avoided under all circumstances, as this would damage the workpiece. Under the conditions of US-A-4 900 371, a change in the abnormal glow discharge into an arc discharge cannot be excluded with sufficient certainty.

Durch die US-A-4 490 190 und die EP-B1-0 062 550 ist es bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei einem über die Verfahrensdauer mit konstanter Leistung betriebenen Verfahren die Impulsdauer sehr viel kleiner als die Periodendauer zu wählen, um zwei Behandlungsparameter voneinander unabhängig zumachen, nämlich das Plasma einerseits und die Behandlungstemperatur andererseits. Diese Problematik ist jedoch nur beim Nitrieren und Nitrokarburieren gegeben, da die Behandlungstemperaturen hierbei deutlich unter 600°C liegen müssen. Unter den angegebenen Bedingungen ist ein Aufkohlen innerhalb wirtschaftlich vertretbarer Behandlungszeiten nicht möglich, da dieser Prozeß erst bei Temperaturen oberhalb von etwa 800°C mit brauchbarer Geschwindigkeit abläuft.From US-A-4 490 190 and EP-B1-0 062 550 it is known in a method of the type described in the introduction to choose the pulse duration to be much smaller than the period duration in a method operated over the duration of the method with constant power. to make two treatment parameters independent of one another, namely the plasma on the one hand and the treatment temperature on the other. However, this problem only arises with nitriding and nitro carburizing, since the treatment temperatures must be well below 600 ° C. Under the specified conditions, carburizing is not possible within economically justifiable treatment times, since this process only takes place at a useful rate at temperatures above about 800 ° C.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß bei reproduzierbarer und einfacherer Prozeßüberwachung und -führung auch bei unregelmäßig geformten Werkstücken eine gleichmäßige Härteverteilung erzielt und eine Karbidbildung an der Oberfläche ohne die Zwischenschaltung einer ausgesprochenen Diffusionsphase unterbleibt, daß der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des Werkstücks auf jeden Wert zwischen dem Kohlenstoffgehalt des Kerns im Werkstück und der Sättigungsgrenze des Werkstoffs eingestellt werden kann und daß ein Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenentladung zuverlässig verhindert wird.The invention is therefore based on the object of improving a method of the type specified at the outset such that with reproducible and simple process monitoring and control, even with irregularly shaped workpieces, a uniform hardness distribution is achieved and carbide formation on the surface is avoided without the interposition of a pronounced diffusion phase, that the carbon content on the surface of the workpiece can be set to any value between the carbon content of the core in the workpiece and the saturation limit of the material and that the glow discharge is reliably prevented from turning into an arc discharge.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß

  • a) das Aufkohlen bei einem Gesamtdruck zwischen 14 und 30 mbar (1400 bis 3000 Pa) durchgeführt wird,
  • b) die Impulsdauer zwischen 110 und 10.000 µs (Mikrosekunden) gewählt wird,
  • c) die Pausendauer zwischen 30 und 10.000 µs gewählt wird und daß
  • d) die der Plasmaentladung zugeführte mittlere Leistung nach Beendigung der Anfahrphase durch Verringerung der Impulsdauer und/oder durch Verlängerung der Pausendauer zurückgenommen wird, derart, daß der Kohlenstoffgehalt an der besagten Oberfläche ohne Unterbrechung des Impulsbetriebes zu keinem Zeitpunkt die Sättigungsgrenze des Werkstoffs für Kohlenstoff im Austenitgebiet überschreitet.
The object is achieved according to the invention in the above-mentioned method in that
  • a) carburizing is carried out at a total pressure between 14 and 30 mbar (1400 to 3000 Pa),
  • b) the pulse duration is selected between 110 and 10,000 µs (microseconds),
  • c) the pause duration between 30 and 10,000 microseconds is selected and that
  • d) the mean power supplied to the plasma discharge is reduced after the start-up phase by reducing the pulse duration and / or by lengthening the pause duration, in such a way that the carbon content on the said surface does not at any time exceed the saturation limit of the material for carbon in the austenite region without interrupting the pulse operation exceeds.

Durch die Maßnahmen nach der Erfindung wird die Aufgabe in vollem Umfange gelöst, d.h., das eingangs angegebene Verfahren wird dahingehend verbessert, daß bei einfacherer Prozeßüberwachung und -führung eine Karbidbildung an der Oberfläche ohne die Zwischenschaltung einer ausgesprochenen Diffusionsphase unterbleibt, daß der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des Werkstücks auf jeden Wert zwischen dem Kohlenstoffgehalt des Kerns im Werkstück und dessen Sättigungsgrenze reproduzierbar eingestellt werden kann und daß ein Umschlag der Glimmentladung in eine Bogenentladung zuverlässig verhindert wird.Through the measures according to the invention, the object is achieved to the full extent, that is, the method specified at the outset is improved in such a way that, with simpler process monitoring and control, carbide formation on the surface without the interposition of a pronounced diffusion phase does not occur, that the carbon content on the surface of the workpiece can be reproducibly set to any value between the carbon content of the core in the workpiece and its saturation limit and that a change in the glow discharge into an arc discharge is reliably prevented.

Dabei wird insbesondere der Massenstrom mc des Kohlenstoffs reduziert, so daß dessen Löslichkeit im Austenit nicht überschritten wird und keine Karbide gebildet werden können. Man kann das erfindungsgemäße Verfahren quasi-stationär mit ständig gepulstem Plasma betreiben.In particular, the mass flow m c of the carbon is reduced so that its solubility in austenite is not exceeded and no carbides can be formed. The method according to the invention can be operated quasi-stationary with continuously pulsed plasma.

Durch die oxidationsfreie Aufkohlung der Oberfläche durch das Plasma erfolgt eine Steigerung der Dauerfestigkeit, der Verzug des Werkstücks wird reduziert, und es entstehen geringere Kosten für die Nachbearbeitung der Werkstücke.The oxidation-free carburizing of the surface by the plasma increases the fatigue strength, the warpage of the workpiece is reduced, and there are lower costs for the reworking of the workpieces.

Besonders vorteilhafte Verhältnisse von Impulsdauer zu Pausendauer liegen zwischen 0,3 und 0,02. Bei einem Verhältnis von 0,2 ergab sich ein Massenstrom an Kohlenstoff von

m c = 30 g.m⁻².h⁻¹.

Figure imgb0002

Particularly advantageous ratios of pulse duration to pause duration are between 0.3 and 0.02. At a ratio of 0.2, the mass flow of carbon was

m c = 30 gm⁻².h⁻¹.
Figure imgb0002

Wichtig ist dabei die Einhaltung des Merkmals d). Bei einer Absenkung des besagten Verhältnisses auf 0,025 ergab sich ein Massenstrom von noch

m c = 5 g.m⁻².h⁻¹.

Figure imgb0003

It is important to comply with feature d). If the ratio was reduced to 0.025, the mass flow was still

m c = 5 gm⁻².h⁻¹.
Figure imgb0003

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die mittlere Leistung nach einer Anfahrphase mit möglichst schnellem Ansteigen des Kohlenstoffgehalts an der Oberfläche vor Erreichen der besagten Sättigungsgrenze auf einen Wert zurückgenommen wird, bei dem der Impulsbetrieb unter kontinuierlicher Ausbreitung des Kohlenstoffgehalts unterhalb der Sättigungsgrenze in die Tiefe des Werkstückes fortgesetzt wird.It is particularly advantageous if the mean power after a start-up phase with the carbon content on the surface rising as quickly as possible before the said saturation limit is reached is reduced to a value at which the pulse operation continues to spread the carbon content below the saturation limit into the depth of the workpiece is continued.

Der Massenstrom ist dann gerade so groß wie die Wanderung im Werkstück durch Diffusion. Hierdurch kann der Prozeß beschleunigt werden, d.h. die Aufkohlungsgeschwindigkeit kann am Anfang sehr hoch gewählt werden, wird danach jedoch der Diffusionsgeschwindigkeit angepaßt.The mass flow is then just as large as the migration in the workpiece through diffusion. This can speed up the process, i.e. the carburizing rate can be selected very high at the beginning, but is then adapted to the diffusion rate.

Folgende Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens führen zu weiteren Vorteilen:

  • Die Zurücknahme der mittleren Leistung erfolgt kontinuierlich, oder in einer oder mehreren Stufen.
  • In einem weiteren Schritt kann der Massenstrom mc soweit reduziert oder auf O eingestellt werden, daß durch weitere Eindiffusion von der Oberfläche in das Werkstückinnere der Rand-C-Gehalt auf den gewünschten Wert abgesenkt und (in der Kurvendarstellung des Härteverlaufs) im Randbereich ein waagrechter Verlauf eingestellt wird.
  • das dem Plasma zugeführte Prozeßgas besteht aus 2 bis 50 %, vorzugsweise 10 bis 30 %, Argon, 3 bis 50 %, vorzugsweise 10 bis 30 %, Kohlenwasserstoffgas, Rest Wasserstoff (jeweils Volumenprozente).
  • Mit zunehmendem Druck im Prozeßraum, d.h. am oberen Ende des Druckbereichs erfolgt eine noch bessere "Anschmiegung" des Plasmas an eine profilierte, strukturierte oder gar hinterschnittene Werkstückoberfläche, wie dies beispielsweise bei Zahnrädern, Lagerkäfigen o.dgl. der Fall ist.
The following configurations of the method according to the invention lead to further advantages:
  • The medium power is withdrawn continuously or in one or more stages.
  • In a further step, the mass flow m c can be reduced or set to O so that the edge C content is reduced to the desired value by further diffusion from the surface into the interior of the workpiece and a horizontal one (in the curve representation of the hardness curve) in the edge area History is set.
  • the process gas supplied to the plasma consists of 2 to 50%, preferably 10 to 30%, argon, 3 to 50%, preferably 10 to 30%, hydrocarbon gas, the rest hydrogen (volume percentages in each case).
  • With increasing pressure in the process space, ie at the upper end of the pressure range, there is an even better "conforming" of the plasma to a profiled, structured or even undercut workpiece surface, as is the case, for example, with gears, bearing cages or the like. the case is.

Durch den Zusatz von Argon wird ein Teil der eingebrachten Energie für die Ionisierung des Argons verwendet, wodurch der Prozeß vorteilhaft gestaltet wird.By adding argon, part of the energy introduced is used for the ionization of argon, which makes the process advantageous.

Als gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen kommen beispielsweise folgende Gase infrage: Methan, Äthan, Propan, Äthylen und Propen.The following gases are suitable as gaseous hydrocarbon compounds: methane, ethane, propane, ethylene and propene.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 6.

Es zeigen:

Figur 1
einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2
eine Parameterdarstellung der Abhängigkeit der Kohlenstoffkonzentration in verschiedenen Tiefen des Werkstücks nach unterschiedlicher Verfahrensdauer,
Figur 3
die zu Figur 2 gehörenden Härtewerte,
Figur 4
ein Diagramm über die Abhängigkeit der Kohlenstoffkonzentration ausgehend von der Oberfläche in die Tiefe des Werkstücks beim Ausführungsbeispiel,
Figur 5
ein Diagramm mit einer vergleichsweisen Darstellung des Härteverlaufs an Flanke und Fuß eines Zahns eines Zahnrades nach Anwendung eines Prozeßdrucks von 2500 Pa, und
Figur 6
ein Diagramm analog Figur 5, jedoch nach Anwendung eines Prozeßdrucks von nur 600 Pa.
Show it:
Figure 1
a vertical section through a device for performing the method according to the invention,
Figure 2
a parameter representation of the dependence of the carbon concentration at different depths of the workpiece after different process duration,
Figure 3
the hardness values belonging to FIG. 2,
Figure 4
1 shows a diagram of the dependence of the carbon concentration on the surface into the depth of the workpiece in the exemplary embodiment,
Figure 5
a diagram with a comparative representation of the hardness curve on the flank and foot of a tooth of a gear after application of a process pressure of 2500 Pa, and
Figure 6
a diagram analogous to Figure 5, but after application of a process pressure of only 600 Pa.

In Figur 1 ist ein Vakuumofen 1 mit einer Ofenkammer 2 gezeigt, die mit einer Wärmedämmeinrichtung 3 ausgekleidet ist. Vor den Seitenwänden 3a der Wärmedämmeinrichtung 3 befindet sich eine an Masse gelegte Elektrode, die als Anode 4 des Stromkreises dient. Durch die Ofendecke 2a ist mittels einer Isolierdurchführung 5 eine senkrechte Tragstange 6 hindurchgeführt, die an ihrem unteren Ende einen plattenförmigen waagrechten Werkstückhalter trägt, der gleichfalls Elektrodenfunktion hat, d.h. als Katode 7 dient. Von den auf diesem Werkstückhalter angeordneten Werkstücken 8 ist nur ein einziges dargestellt.In Figure 1, a vacuum furnace 1 is shown with a furnace chamber 2, which is lined with a thermal insulation device 3. In front of the side walls 3a of the thermal insulation device 3 there is an electrode which is grounded and which serves as an anode 4 of the circuit. A vertical support rod 6 is guided through the furnace ceiling 2a by means of an insulating bushing 5 and carries at its lower end a plate-shaped horizontal workpiece holder which also has an electrode function, i.e. serves as cathode 7. Only one of the workpieces 8 arranged on this workpiece holder is shown.

Zwischen der Katode 7 und der Anode 4 befindet sich eine Stromversorgung 9 für die Erzeugung der Spannungimpulse für die Bildung des Plasmas. Der Stromversorgung 9 ist ein Steuergerät 10 zugeordnet, mit dem die elektrischen Verfahrensparameter für die Beeinflussung des Plasmas einstellbar sind.Between the cathode 7 and the anode 4 there is a power supply 9 for generating the voltage pulses for the formation of the plasma. The power supply 9 is on Assigned to control unit 10, with which the electrical process parameters for influencing the plasma can be set.

Katode 7 und Werkstücke 8 sind konzentrisch von einem Widerstandsheizkörper 11 umgeben, der an eine regelbare Stromquelle 12 angeschlossen ist. Die Energiebilanz des Ofens und damit die Werkstücktemperatur wird von den Verlusten einerseits und von der Summe der Energiebeiträge des Plasmas und der Strahlung des Widerstandsheizkörpers andererseits bestimmt.Cathode 7 and workpieces 8 are surrounded concentrically by a resistance heating element 11 which is connected to a controllable current source 12. The energy balance of the furnace and thus the workpiece temperature is determined by the losses on the one hand and by the sum of the energy contributions from the plasma and the radiation from the resistance heating element on the other.

In die Ofenkammer 2 mündet eine Versorgungsleitung 13, die von einer regelbaren Gasquelle 14 kommt und durch die die gewünschten Prozeßgase oder Gasgemische zugeführt werden. Die Gasbilanz wird durch die Gaszufuhr, den Verbrauch durch die Werkstücke und ggf. Verlustsenken, nicht zuletzt aber durch den Einfluß der Vakuumpumpe 15 bestimmt, die über eine Saugleitung 16 mit der Ofenkammer 2 verbunden ist und auch als Pumpsatz ausgebildet sein kann.A supply line 13, which comes from a controllable gas source 14 and through which the desired process gases or gas mixtures are supplied, opens into the furnace chamber 2. The gas balance is determined by the gas supply, the consumption by the workpieces and possibly loss sinks, but not least by the influence of the vacuum pump 15, which is connected to the furnace chamber 2 via a suction line 16 and can also be designed as a pump set.

Im Boden 2b der Ofenkammer 2 befindet sich eine Öffnung 17, die durch einen Absperrschieber 18 verschließbar ist und unter der sich - vakuumdicht angeschlossen - ein beheizbarer Ölbehälter 19 mit einem Abschrecköl befindet. Über der Öffnung 17 befindet sich in der Katode 7 eine Öffnung 20, durch die die Werkstücke 8 mittels eines nicht gezeigten Manipulators in das Abschrecköl abgesenkt werden können. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ergibt sich aus der allgemeinen Beschreibung und aus den Ausführungsbeispielen.In the bottom 2b of the furnace chamber 2 there is an opening 17 which can be closed by a gate valve 18 and under which - connected in a vacuum-tight manner - there is a heatable oil container 19 with a quenching oil. Above the opening 17 there is an opening 20 in the cathode 7 through which the workpieces 8 can be lowered into the quenching oil by means of a manipulator (not shown). The mode of operation of this device results from the general description and from the exemplary embodiments.

Figur 2 zeigt eine Parameterdarstellung der Abhängigkeit der Kohlenstoffkonzentration in verschiedenen Tiefen des Werkstücks nach unterschiedlicher Verfahrensdauer für den Fall, daß man eines der Verfahren nach dem Stande der Technik (Gasaufkohlung) ohne Unterbrechung der Aufkohlung durch eine Diffusionspause anwendet. Auf der Abszisse sind die Tiefenwerte in Millimetern, ausgehend von der Werkstückoberfläche aufgetragen, auf der Ordinate die Kohlenstoffkonzentration in Gewichtprozenten. Die einzelnen Kurven gelten (von unten nach oben) für die unter der Abszisse aufgetragenen Verfahrensdauern von 0,5, 1, 2 und 4 Stunden. Es ist zu erkennen, daß die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche bei einer Verfahrensdauer von 2 h den Sättigungswert bereits überschritten hat, was sich in einem Härteabfalls nach Figur 3 äußert.FIG. 2 shows a parameter representation of the dependence of the carbon concentration at different depths of the workpiece after a different process duration in the event that one of the processes according to the prior art (Gas carburization) without interrupting the carburization by a diffusion break. The depth values in millimeters are plotted on the abscissa, starting from the workpiece surface, and the carbon concentration in percent by weight on the ordinate. The individual curves apply (from bottom to top) for the process times of 0.5, 1, 2 and 4 hours plotted under the abscissa. It can be seen that the carbon concentration on the surface has already exceeded the saturation value after a process duration of 2 h, which is reflected in a decrease in hardness according to FIG. 3.

Figur 3 zeigt die zu Figur 2 gehörenden Härtewerte. Die Abszisse trägt die gleiche Skala, und auf der Ordinate sind die Zugehörigen Härtewerte in HV aufgetragen. Es ist zu erkennen daß die Oberflächenhärte nach 2 h einen Spitzenwert von 800 HV mit einem steilen Abfall zur Tiefe hin erreicht, bereits bei einer Verfahrensdauer von 3 h aber durch Karbidbildung wieder abzunehmen beginnt und nach 4 h auf rund 700 HV absinkt. Bei Fortsetzung der Versuche verschlechtern sich die Verhältnisse noch weiter, was auch aus der Literatur allgemein bekannt ist (z.B. EP-A2-0 288 680).Figure 3 shows the hardness values belonging to Figure 2. The abscissa has the same scale, and the associated hardness values in HV are plotted on the ordinate. It can be seen that the surface hardness reaches a peak value of 800 HV after 2 h with a steep drop to the depth, but already begins to decrease again after a process duration of 3 h due to carbide formation and drops to around 700 HV after 4 h. As the experiments continue, the situation deteriorates further, which is also generally known from the literature (for example EP-A2-0 288 680).

Beispiel 1:Example 1:

In einer Vorrichtung nach Figur 1 wurden als Substrate Zylinderzapfen aus der Stahllegierung 16MnCr5 mit einem Durchmesser von 20 mm chargenweise aufgekohlt. Zunächst wurde die Vorrichtung zur Entfernung der Restgase auf einen Druck von 10⁻³ mbar evakuiert, worauf ein Gemisch aus 15 % Argon, Rest Wasserstoff bis zum einem Druck von 15 mbar eingelassen wurde. Durch gleichzeitigen Betrieb der Widerstandsheizung und Anlegen einer negativen Spannung von 600 V an die Substrate wurden diese durch Sputtern gereinigt und auf 900°C aufgeheizt. Die Vorbehandlung dauerte 60 min. Danach wurde die Gasatmosphäre durch eine solche aus 5% Methan, 80% Wasserstoff und 15% Argon ersetzt, bis ein Druck von 15 mbar erreicht war. Anschließend wurde die eigentliche Aufkohlung mittels eines Impulsbetriebes durchgeführt, bei dem die Impulsspannung zu 600 V, das Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer zu 0,07 an der Stromquelle eingestellt wurde. Die erste Phase der Behandlungsdauer betrug hierbei 240 min, wobei die Substrattemperatur durch Anpassung der Leistung der Widerstandsheizung auf konstanten 900°C gehalten wurde. Danach wurde das besagte Verhältnis bei sonst gleichen Parametern auf 0,023 abgesenkt und die Aufkohlung bei 900 °C unter entsprechender Anpassung der Leistung der Widerstandsheizung für die Dauer von 90 min fortgesetzt. Während des gesamten Verfahrensablaufs traten zu keiner Zeit Lichtbogenentladungen auf. Danach wurden die Zylinderzapfen durch einen Manipulator mit senkrechter Lage der Zylinderachse in das Ölbad eingeführt, das auf einer Temperatur von 60°C gehalten wurde.In a device according to FIG. 1, cylinder pins made of the steel alloy 16MnCr5 with a diameter of 20 mm were carburized in batches as substrates. First, the device for removing the residual gases was evacuated to a pressure of 10 -3 mbar, whereupon a mixture of 15% argon, the rest of hydrogen was admitted to a pressure of 15 mbar. By simultaneously operating the resistance heater and applying a negative voltage of 600 V to the substrates, they were cleaned by sputtering and heated to 900 ° C. The pretreatment lasted 60 minutes. The gas atmosphere was then replaced by that of 5% methane, 80% hydrogen and 15% argon until a pressure of 15 mbar was reached. The actual carburizing was then carried out by means of a pulse mode, in which the pulse voltage was set to 600 V and the ratio of pulse duration to pause duration was 0.07 at the power source. The first phase of the treatment time was 240 min, the substrate temperature being kept at a constant 900 ° C. by adjusting the power of the resistance heater. Then the said ratio was reduced to 0.023 while the parameters were otherwise the same and the carburization was continued at 900 ° C. with a corresponding adjustment of the resistance heater power for a period of 90 minutes. Arc discharges never occurred during the entire process. The cylinder pins were then inserted into the oil bath, which was kept at a temperature of 60 ° C., using a manipulator with the cylinder axis in a vertical position.

Messungen des Verlaufs des C-Gehalts führten zu dem Diagramm nach Figur 4. Auf der Abszisse ist in Analogie zu Fig. 2 die Tiefe in mm, ausgehend von der Oberfläche, und auf der Ordinate der C-Gehalt in Gewichtsprozent aufgetragen. Die Kurve zeigt den gewünschten S-förmigen Verlauf.Measurements of the course of the C content led to the diagram according to FIG. 4. On the abscissa, analogously to FIG. 2, the depth in mm, starting from the surface, and the ordinate, the C content in percent by weight is plotted. The curve shows the desired S-shaped course.

Der gleichfalls gemessene Härteverlauf betrug, von der Oberfläche ausgehend, bis zu einer Tiefe von 0,4 mm im gesamten Bereich 800 HVl. Die Einhärtetiefe betrug bei 0,9 mm 550 HVl. Dies entsprach in vollem Umfange den gestellten Forderungen.The hardness curve also measured, starting from the surface, was 800 HVl down to a depth of 0.4 mm in the entire area. The hardening depth at 0.9 mm was 550 HVl. This fully met the demands made.

Beispiel 2:Example 2:

Der Versuch nach Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch mit folgenden Abwandlungen:
Als Substrate wurden Zahnräder mit einem Verhältnis von Zahnhöhe hz zu Zahnlückenweite lo von 1,5 aus der Stahllegierung 16CrMo4 eingesetzt. Die Behandlungstemperatur betrug 925 °C bei einem Gesamtdruck von 2500 Pa. In der ersten Aufkohlungsphase von 195 Minuten betrug das Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer = 0,07, in einer zweiten Aufkohlungsphase von 70 Minuten = 0,04.
The experiment according to Example 1 was repeated, but with the following modifications:
Gears with a ratio of tooth height h z to tooth gap width l o of 1.5 made of the steel alloy 16CrMo4 were used as substrates. The treatment temperature was 925 ° C at a total pressure of 2500 Pa. In the first carburizing phase of 195 minutes, the ratio of pulse duration to pause duration = 0.07, in a second carburizing phase of 70 minutes = 0.04.

In Figur 5 sind die Ergebnisse dieses Versuchs dargestellt: Rechts oben im Fenster sind das Zahnprofil (schraffiert) und der sogenannte Plasmasaum (dicke schwarze Linie) dargestellt, desgleichen die Meßorte M1 und M2. Das Plasma schmiegt sich außerordentlich gut dem Zahnprofil an. Der Meßort M1 liegt in der Zahnflanke, der Meßort M2 am Zahnfuß. Im Diagramm ist die Härte "HVl" über der Tiefe "t" dargestellt. Die Kurve K1 zeigt den Härteverlauf am Meßort M1, die Kurve K2 den Härteverlauf am Meßort M2. Es ist zu erkennen, daß die Meßwerte recht gut übereinstimmen und daß insbesondere die Eindringtiefe "t" bei M1 und M2 im wesentlichen gleich ist, was auf die gute Anschmiegung des Plasmas an das Zahnprofil zurückzuführen ist.The results of this experiment are shown in FIG. 5: The tooth profile (hatched) and the so-called plasma border (thick black line) are shown at the top right of the window, as are the measurement locations M1 and M2. The plasma conforms extremely well to the tooth profile. The measuring location M1 is in the tooth flank, the measuring location M2 on the tooth base. The diagram shows the hardness "HVl" over the depth "t". Curve K1 shows the hardness curve at measuring point M1, curve K2 shows the hardness curve at measuring point M2. It can be seen that the measured values agree very well and that in particular the penetration depth "t" is essentially the same for M1 and M2, which is due to the good conformity of the plasma to the tooth profile.

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel):Example 3 (comparative example):

Der Versuch nach Beispiel 2 wurde wiederholt, und zwar mit dem einzigen Unterschied, daß der Gesamtdruck im Prozeßraum auf 600 Pa abgesenkt wurde.The experiment according to Example 2 was repeated, with the only difference that the total pressure in the process space was reduced to 600 Pa.

In Figur 6 sind die Ergebnisse dieses Versuchs dargestellt: Rechts oben im Fenster sind auch hier das (identische) Zahnprofil (schraffiert) und der sogenannte Plasmasaum (dicke schwarze Linie) dargestellt, desgleichen die Meßorte M3 und M4. Das Plasma schmiegt sich nur am Zahnkopf gut an, und hat am Zahnfuß einen deutlich größeren Abstand vom Zahnprofil. Der Meßort M3 liegt in der Zahnflanke, der Meßort M4 am Zahnfuß. Im Diagramm ist die Härte "HVl" über der Tiefe "t" dargestellt. Die Kurve K3 zeigt den Härteverlauf am Meßort M3, die Kurve K4 den Härteverlauf am Meßort M4. Es ist zu erkennen, daß die Meßwerte stark voneinander abweichen und daß insbesondere die Eindringtiefe "t" bei M4 deutlich geringer ist als bei M3, was auf die geringere Anschmiegung des Plasmas im Fußbereich des Zahnprofils zurückzuführen ist.The results of this experiment are shown in FIG. 6: The (identical) tooth profile (hatched) and the so-called plasma seam (thick black line) are shown in the top right of the window, as are the measurement locations M3 and M4. The plasma only clings to the tooth tip and is at a significantly greater distance from the tooth profile at the tooth base. The measuring location M3 is on the tooth flank, the measuring location M4 on the tooth base. The diagram shows the hardness "HVl" over the depth "t". Curve K3 shows the hardness curve at measuring point M3, curve K4 shows the hardness curve at measuring point M4. It can be seen that the measured values deviate greatly from one another and that in particular the penetration depth "t" is significantly less with M4 than with M3, which is due to the lower conformity of the plasma in the foot area of the tooth profile.

Dieser Vergleichsversuch zeigt klar, daß dem Gesamtdruck im Prozeßraum erhebliche Bedeutung zukommt.This comparison experiment clearly shows that the total pressure in the process space is of considerable importance.

Claims (7)

Verfahren zum Härten von Werkstücken aus Stahl, insbesondere mit mindestens einem Legierungselement aus der Gruppe Cr, Ni, Mn, Si und Mo, durch Aufkohlen der Oberfläche und anschließendes Abschrecken, wobei das Aufkohlen mittels einer Plasmaentladung im Vakuum in Anwesenheit von gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei Spannungen zwischen 200 und 2000 Volt, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 Volt, durchgeführt und das Plasma mittels im Vakuum betriebener Elektroden erzeugt wird, von denen die Katode als Werkstückhalter dient und im Impulsbetrieb betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß a) das Aufkohlen bei einem Gesamtdruck zwischen 14 und 30 mbar (1400 bis 3000 Pa) durchgeführt wird, b) die Impulsdauer zwischen 110 und 10.000 µs (Mikrosekunden) gewählt wird, c) die Pausendauer zwischen 30 und 10.000 µs gewählt wird und daß d) die der Plasmaentladung zugeführte mittlere Leistung nach Beendigung der Anfahrphase durch Verringerung der Impulsdauer und/oder durch Verlängerung der Pausendauer zurückgenommen wird, derart, daß der Kohlenstoffgehalt an der besagten Oberfläche ohne Unterbrechung des Impulsbetriebes zu keinem Zeitpunkt die Sättigungsgrenze des Werkstoffs für Kohlenstoff im Austenitgebiet überschreitet. Process for hardening steel workpieces, in particular with at least one alloy element from the group Cr, Ni, Mn, Si and Mo, by carburizing the surface and then quenching, the carburizing being carried out by means of a plasma discharge in a vacuum in the presence of gaseous hydrocarbons at voltages between 200 and 2000 volts, preferably between 300 and 1000 volts, carried out and the plasma is generated by means of electrodes operated in a vacuum, of which the cathode serves as a workpiece holder and is operated in pulse mode, characterized in that a) carburizing is carried out at a total pressure between 14 and 30 mbar (1400 to 3000 Pa), b) the pulse duration is selected between 110 and 10,000 µs (microseconds), c) the pause duration between 30 and 10,000 microseconds is selected and that d) the mean power supplied to the plasma discharge is reduced after the start-up phase by reducing the pulse duration and / or by extending the pause duration such that the carbon content on the surface in question does not at any time exceed the saturation limit of the material for carbon in the austenite area without interrupting the pulse operation exceeds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Leistung nach einer Anfahrphase mit möglichst schneller Wachstumsrate des Kohlenstoffgehalts an der Oberfläche vor Erreichen der besagten Sättigungsgrenze auf einen Wert zurückgenommen wird, bei dem der Impulsbetrieb unter kontinuierlicher Ausbreitung des Kohlenstoffgehalts unterhalb der Sättigungsgrenze in die Tiefe des Werkstückes fortgesetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that the average power after a start-up phase with the fastest possible growth rate of the carbon content on the surface before the said saturation limit is reduced to a value at which the pulse operation with continuous expansion of the carbon content below the saturation limit in depth of the workpiece is continued. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem letzten Schritt der Massenstrom an Kohlenstoff soweit reduziert oder auf O eingestellt wird, daß durch weitere Eindiffusion von der Oberfläche in das Werkstückinnere der Rand-C-Gehalt auf den gewünschten Wert abgesenkt und (in der Kurvendarstellung) im Randbereich ein waagrechter Verlauf eingestellt wird.A method according to claim 2, characterized in that in a last step the mass flow of carbon is reduced or set to 0 so that the edge C content is reduced to the desired value by further diffusion from the surface into the interior of the workpiece and (in the Curve display) a horizontal course is set in the edge area. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Leistung kontinuierlich zurückgenommen wird.A method according to claim 1, characterized in that the average power is continuously reduced. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Katode zugeführte Impulsspannung zwischen 200 und 900 V, vorzugsweise zwischen 500 und 700 V, gewählt wird.Method according to claim 1, characterized in that the pulse voltage supplied to the cathode is chosen between 200 and 900 V, preferably between 500 and 700 V. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Plasma zugeführte Prozeßgas aus 2 bis 50 %, vorzugsweise 10 bis 30 %, Argon, 3 bis 50 %, vorzugsweise 10 bis 30 %, Kohlenwasserstoffgas, Rest Wasserstoff, besteht (jeweils Volumenprozente).A method according to claim 1, characterized in that the process gas supplied to the plasma consists of 2 to 50%, preferably 10 to 30%, argon, 3 to 50%, preferably 10 to 30%, hydrocarbon gas, the rest hydrogen (volume percentages in each case). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Defizit der den Werkstücken durch das Plasma zugeführten Leistung durch eine vom Plasma unabhängige Wärmequelle zugeführt wird.Method according to Claim 1, characterized in that a deficit in the power supplied to the workpieces by the plasma is supplied by a heat source which is independent of the plasma.
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