EP2475797B1 - Verfahren und vorrichtung zum härten von werkstücken - Google Patents

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EP2475797B1
EP2475797B1 EP10757156.4A EP10757156A EP2475797B1 EP 2475797 B1 EP2475797 B1 EP 2475797B1 EP 10757156 A EP10757156 A EP 10757156A EP 2475797 B1 EP2475797 B1 EP 2475797B1
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EP
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workpieces
chamber
carburizing
cooling chamber
temperature
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EP2475797A1 (de
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Volker Heuer
Klaus LÖSER
Gunther Schmitt
Gerhard Welzig
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ALD Vacuum Technologies GmbH
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ALD Vacuum Technologies GmbH
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    • C23C8/80—After-treatment

Definitions

  • the workpieces are, in particular, machine parts and gear parts made of metallic materials, for example ring gears, gears, shafts or injection components made of steel alloys such as 28Cr4 (according to ASTM 5130), 16MnCr5, 18CrNi8 and 18CrNiMo7-6.
  • DE 103 22 255 A1 discloses a method for carburizing steel parts at temperatures above 930 ° C with a carbon donor gas within an evacuable processing chamber, both during the heating phase and during the heating phase Diffusion phase nitrogen-emitting gas such as ammonia is entered into the treatment chamber.
  • DE 103 59 554 B4 describes a method for carburizing metallic workpieces in a vacuum furnace, the furnace atmosphere containing a carbon support which is cleaved under the carburization process conditions to release pure carbon, the supply of the carbon support being pulsed, diffusion puffing on each carbon pulse, and supplying the feed Hydrocarbon amount is varied during a Kohlungspulses so that it is adapted to the current absorption capacity of the material, including the Acetetenvolumenstrom measured high at the beginning of each Kohlungspulses and prevailing in the furnace atmosphere or in the exhaust gas concentration of hydrogen and / or acetylene and / or total carbon and then the acetylene volume flow is lowered accordingly.
  • DE 10 2006 048 434 A1 relates to a carburizing process carried out in a protective gas or treating atmosphere in a heat treatment furnace wherein an alcohol and carbon dioxide are introduced into the heat treatment furnace and chemically reacted. Ethanol and carbon dioxide are introduced into the heat treatment furnace, wherein the ratio of introduced ethanol to carbon dioxide introduced is preferably 1: 0.96.
  • a heat treatment atmosphere produced in this way is particularly suitable for carburizing and carbon neutral annealing of metallic materials, such as iron materials.
  • DE 10 2007 038 991 A1 describes a rotary hearth furnace for heat treatment of workpieces, in particular for Gasaufkohlung metal workpieces, with a furnace chamber, the furnace chamber bottom defining rotary hearth, the furnace chamber laterally enclosing outer wall and the furnace chamber ceiling side ceiling plate, wherein the furnace chamber with inner walls, with respect to a rotation axis extend radially of the turntable, is divided into at least two treatment zones.
  • each inner wall having a complementarily shaped to the racks passage through which the racks in rotating turntable in the circumferential direction by the respective Inner wall can be guided.
  • DE 10 2007 047 074 A1 discloses a method for carburizing workpieces made of steel, in particular workpieces with external and internal surfaces, wherein the workpiece is maintained at a temperature in the range of 850 to 1050 ° C in a gaseous hydrocarbon-containing atmosphere. At least two different gaseous hydrocarbons are used and / or the workpiece is held alternately during a carburizing pulse in the gaseous hydrocarbon-containing atmosphere and during a diffusion phase in an atmosphere devoid of hydrocarbon.
  • An object of the present invention is to provide a method for hardening workpieces which has a high productivity and in which the above disadvantages are largely avoided.
  • step (a) of the method according to the invention is accomplished in that the workpieces are arranged side by side in a position or row in the heating device. This type of arrangement is here and hereinafter also referred to by the term "2D batch".
  • Another object of the invention is to provide a device for hardening workpieces according to the above method.
  • a device comprises two or more carburizing chambers, at least one cooling chamber, a lock chamber arranged between the carburization chambers and the cooling chamber, and a transfer system for handling racks for the workpieces, wherein the cooling chamber is connectable to the lock chamber via a vacuum slide, each of the carburizing chambers being thermal Insulation slide is connectable to the lock chamber and each of thennenkohlhuntn has a receptacle for a frame and at least two heating elements, which are arranged such that the radiation emitted by them irradiates the surface of each of the workpieces at a mean solid angle of 0.5 ⁇ to 2 ⁇ ,
  • the deviation from the target value or range i.e., the difference between the largest and smallest measured values
  • the marginal carbon content and the core hardness is determined by measurements on 1 to 5 workpieces of a batch.
  • the workpieces are, in particular, machine parts and gear parts made of metallic materials, for example ring gears, gears, shafts or injection components made of steel alloys such as 28Cr4 (according to ASTM 5130), 16MnCr5, 18CrNi8 and 18CrNiMo7-6.
  • Fig. 1a an arrangement for heating workpieces 6 with two heating elements (21, 22) is shown.
  • the workpieces 6 are mounted on a rack 5 designed as a lattice-shaped pallet.
  • the heating elements (21, 22) are arranged relative to the pallet 5 or to the workpieces 6 in such a way that the radiation emitted by the heating elements (21, 22), which in FIG Fig. 1 is symbolized by arrow lines 8, from different spatial directions incident on the surface of the workpieces 6.
  • the heating elements (21, 22) on both sides of the pallet 5 and arranged opposite each other.
  • the arrangement of the heating elements (21, 22) is chosen so that 30 to 100% of the surface of each workpiece 6 is exposed to direct heat radiation 8, ie, is in direct visual contact with the surface of the heating elements (21,22).
  • the heating elements (21, 22) are designed and arranged relative to the workpieces 6 such that the solid angle that the heat radiation 8 incident on a point (9, 9 ') of the surface of a workpiece 6 illuminates on average 0.5 ⁇ to 2 ⁇ .
  • This configuration in which 30 to 100% of the surface of each workpiece 6 is irradiated with heat radiation 8 at a mean solid angle of 0.5 ⁇ to 2 ⁇ , enables rapid heating of the workpieces 6.
  • FIG. 1b shows in perspective view a maximum solid angle ⁇ of size 2 ⁇ for the irradiation of a point 9 on the surface of a workpiece 6.
  • Fig. 1a It can be seen that portions of the surface of the workpieces 6 are shaded by the pallet 5 and have no direct visual contact with the heating elements (21, 22). The same applies to areas in which the surface of the workpieces 6 is concave. The aforementioned surface areas are indirectly heated by heat conduction within the workpieces 6. If, according to the invention, at least 30% of the surface of each workpiece is in direct visual contact with one of the heating elements (21, 22), rapid heating of the workpieces 6 is ensured.
  • the heating elements (21, 22) are preferably "active heating radiators" operated with electrical energy.
  • passive radiant heaters are also included, such as the wall of a carburizing chamber, which has been heated to a high temperature of over 1000 ° C., in particular over 1400 ° C., by means of a radiant heater arranged in the carburizing chamber.
  • the walls of the carburizing chamber have a heat capacity which is a multiple of the heat capacity of the workpieces to be cured. This ensures that the temperature of the carburizing only slightly decreases during loading and unloading of the workpieces.
  • the effects of the invention are achieved in the same way with electric radiant heaters as with heated by a radiant heating walls of a carburizing chamber.
  • Fig. 2 shows a perspective view of an inventive single-layer arrangement of workpieces 6, which are, for example, gears, on a lattice-like pallet 5.
  • the ratio of open area to grid, measured in the transverse plane of symmetry 7 of the pallet 5 and based on a Transversal plane of symmetry 7 vertical surface normal 7 ' is here and hereinafter referred to as opening ratio and is greater than 60%, preferably greater than 70% and in particular greater than 80%.
  • the pallet 5 is made of Carbon Fiber Reinforced Carbon (CFC) so that it has high mechanical and thermal stability.
  • CFC Carbon Fiber Reinforced Carbon
  • An in Fig. 3 schematically illustrated device 100 includes a vertically movable cooling chamber 190 and four vertically stacked carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • the cooling chamber 190 and each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) is equipped with a vacuum pump or with a vacuum pump stand (in Fig. 3 not shown).
  • each of the chambers (190, 110, 120, 130, 140) can be evacuated independently of the other chambers to a pressure of less than 100 mbar, preferably of less than 20 mbar.
  • the cooling chamber 190 is also connected via a gas line with a pressure vessel (in Fig. 3 not shown) for a cooling gas such as helium or nitrogen.
  • the cooling gas is held in the pressure vessel under a pressure of 2 to 25 bar.
  • the pressure vessel is connected in a known manner with a compressor or a high-pressure gas supply.
  • the gas line from the pressure vessel to Cooling chamber 190 is equipped with a controllable valve.
  • the controllable valve is brought into the closed position, so that no cooling gas from the pressure vessel enters the cooling chamber 190.
  • Each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) has its own gas line with a container (in Fig. 3 not shown) for a carbon-containing gas such as acetylene.
  • each of the carburizing chambers is connected to another container for a nitrogen-containing gas.
  • the gas lines from the vessel (s) to the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) are equipped with controllable valves, preferably mass flow controllers (MFC), around the gas flow supplied to the respective carburizing chamber (110, 120, 130, 140) to control precisely.
  • MFC mass flow controllers
  • each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) comprises two heating elements (21, 22) and a - in Fig. 3 Not shown - recording or support for a pallet 5.
  • the heating elements (21, 22) are electrically operated, preferably formed areally and made of a material such as graphite or carbon fiber reinforced carbon (CFC or Carbon Fiber Reinforced Carbon).
  • the heating elements (21, 22) are designed as meander-shaped surface heaters (see Fig. 6 ).
  • the cooling chamber 190 is equipped at two opposite end faces with a first and second vacuum slide 191 and 192.
  • a pallet 5 with workpieces 6 can be introduced into or removed from the cooling chamber 190.
  • the cooling chamber 190 is equipped with an automated transfer system 153, in particular with a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • the cooling chamber 190 is mounted on a support of a vertical lifting device 160. By means of the lifting device 160, the cooling chamber 190 can be positioned in front of each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • Each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) is equipped with a vacuum gate valve (111, 121, 131, 141).
  • the cooling chamber 190 and the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) are configured such that they can be connected to one another in a vacuum-tight manner when the cooling chamber 190 is positioned in front of one of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • suitable vacuum components in Fig. 3 not shown
  • Fig. 3 By way of example, the vacuum-tight coupling between the cooling chamber 190 and the carburizing chamber 120 is shown.
  • the vacuum sliders 192 and 121 of the cooling chamber 190 and the carburizing chamber 120 may be opened simultaneously without breaking the vacuum in one of the chambers.
  • the vacuum technical design of the Chambers (190; 110, 120, 130, 140) thus allow a pallet 5 with workpieces 6 to be transferred back and forth between one of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) and the cooling chamber 190 without breaking the vacuum ,
  • Fig. 3A shows an advantageous embodiment 100A of the device with a cooling chamber 195 and a transfer chamber 196.
  • the transfer chamber 196 is mounted on the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) facing side of the cooling chamber 195 and serves to receive a horiziontalen transfer system 154. Due to its Arrangement in the transfer chamber 196, the transfer system 154 is independent of the operating state of the cooling chamber 195 available to load one of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) with a pallet 5 with workpieces 6.
  • the transfer system 154 is horizontally movable on both sides, so that the pallet 5 between the cooling chamber 195 and each of the Aufkohlbibn (110, 120, 130, 140) can be transferred.
  • the apparatus 100A On the uppermost carburizing chamber 140, there is also a (in Fig. 3A not shown) storage for parking a pallet 5 with "fresh", ie to be hardened workpieces 6 is provided.
  • a vacuum slide 197 is arranged between the cooling chamber 195 and the transfer chamber 196.
  • the transfer chamber 196 On an end face facing the carburizing chambers (110, 120, 130, 140), the transfer chamber 196 has an opening whose edge can be connected in a vacuum-tight manner to the carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • the edge of the opening with a circumferential vacuum seal 198 is equipped.
  • the vacuum seal 198 which consists for example of rubber, serves to dock the transfer chamber 196 to one of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • the transfer chamber 196 as well as the cooling chamber 195 and each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) are provided with a (in Fig. 3A not shown) own vacuum pump or connected to a vacuum pump stand. Accordingly, the transfer chamber 196 can be used as a vacuum lock between the cooling chamber 195 and the carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • the transfer chamber 196 can be moved together with the cooling chamber 195 in the vertical direction and before each of the Aufkohlbibn (110, 120, 130, 140) are positioned.
  • the transfer chamber 196 and the cooling chamber 195 are mounted on a (in Fig. 3A not shown) mounted horizontally mounted linear drive.
  • the horizontal linear actuator is in turn mounted on a support of the vertical lifting device 160.
  • the embodiment described above 100A with transfer chamber 196 corresponds to the concept of a system of the type ModulTherm ALD Vacuum Technologies AG.
  • Each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) is electrically heated.
  • the heating is preferably carried out by two areally formed, electrically operated heating elements (21, 22), which are arranged opposite each other at the bottom and top of each of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • the walls of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) are made of a metallic material, in particular of steel and are optionally double-walled and equipped with lines for a cooling fluid such as water.
  • the walls of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140) are lined with a thermally insulating material, such as graphite felt (in FIG Fig. 3 not shown).
  • the walls of the Aufkohlhuntn (110, 120, 130, 140) on the inside are also equipped with a heat-storing material such as steel or graphite.
  • a heat-storing material such as steel or graphite.
  • a carburizing chamber (110, 120, 130, 140) equipped in this way with a heat-storing inner lining can be operated in the manner of a thermal cavity radiator, the "dissipation power" radiated onto workpieces 6 and / or into the environment by means of an arbitrary location in the carburizing chamber (FIG. 110, 120, 130, 140) arranged electrical heating is tracked.
  • the workpieces 6 are heated by the radiation emitted by the "passive" inner lining of the carburizing chambers (110, 120, 130, 140).
  • Fig. 4 shows an inventive device 200 with a stationary cooling chamber 290, which communicates via a lock chamber 280 with four vertically stacked carburizing chambers (210, 220, 230, 240).
  • the Abkühlhunt 290 is provided with a first and second lock 291 and 292 for insertion and removal a pallet 5 equipped with workpieces 6.
  • a lifting device 260 is provided in the lock chamber 290 with a vertically movable carrier 250. On the carrier 250, an automated, horizontally movable on both sides transfer system 253 is mounted.
  • the vertical lifting device 260 in conjunction with the transfer system 253 serves to transfer a pallet 5 with workpieces 6 between the cooling chamber 290 to the carburizing chambers (210, 220, 230, 240).
  • the lock chamber 280 and the cooling chamber 290 are with - in Fig. 4 not shown - connected vacuum pumps or a vacuum pump stand and can be independently evacuated to a pressure of less than 100 mbar.
  • each of the carburizing chambers (210, 220, 230, 240) is connected to a vacuum pump or to the vacuum pump stand and can be evacuated independently of the other chambers. Analogous to the in Fig.
  • the device 100 shown is the cooling chamber 290 with a pressure vessel for a cooling gas, such as helium or nitrogen, and each of the carburizing chambers (210, 220, 230, 240) with a container for a carbon-containing gas, such as acetylene and / or a container for a nitrogen-containing gas connected.
  • a cooling gas such as helium or nitrogen
  • Each of the carburizing chambers (210, 220, 230, 240) is provided with movable slides (211, 221, 231, 241) primarily for thermal containment and storage of heat energy in the carburizing chambers (210, 220, 230, 240).
  • the thermal insulation slides (211, 221, 231, 241) are opened only for the introduction and removal of workpieces into and out of the carburization chambers (210, 220, 230, 240).
  • the thermal insulation slides (211, 221, 231, 241) can be designed as a vacuum slide, so that the carburizing chambers (210, 220, 230, 240) can be closed in a vacuum-tight manner against the lock chamber 280.
  • the carburizing chambers (210, 220, 230, 240) of the apparatus 200 are provided with a multilayer lining of a heat-storing material, such as graphite, and a thermally insulating material, such as graphite felt.
  • the lock chamber 280 comprises a receptacle for a pallet 5, which makes it possible to "park” the pallet 5 with workpieces 6 in order to keep them ready for loading one of the carburizing chambers (210, 220, 230 , 240) as soon as the latter is unloaded and released.
  • This "parking receptacle” is preferably arranged vertically above the carburizing chambers (210, 220, 230, 240). By means of parking, the cycle time for carburizing a pallet reduces and thus the throughput or the achievable with the device 200 productivity can be increased.
  • the Figures 5A-5B show a schematic front and side view of a preferred transfer device according to the invention (260, 253) for in Fig. 4 reproduced device 200 with lock chamber 280.
  • the transfer system (260, 253) comprises two vertically arranged chain drives with upper and lower deflections (261, 263, 261 ', 263') and chains (262, 262 ').
  • the chain 262 ' is connected to a horizontal platform 254.
  • the platform 254 is guided on one or two vertical bearings 265.
  • On the platform 254 a horizontally movable telescopic fork (255, 256) for receiving pallets 5 is mounted.
  • the telescopic fork (255, 256) is driven via a transmission 251 which is coupled to the chain 262.
  • the coupling between the chain 262 and the transmission 251 is effected by multiple deflections.
  • the baffles 263 and 263 ' which are preferably gears, are provided by shafts 264 with motors disposed outside the lock chamber 280 (in FIGS Fig. 5A-5B not shown).
  • the wall of the lock chamber 280 is equipped with vacuum-tight rotary feedthroughs.
  • the chain drives (261, 262, 263) and (261 ', 262', 263 ') are controlled synchronously, so that the position between the chain 262 and the transmission 251 remains unchanged and the telescopic fork (255, 256) maintains its horizontal position.
  • the horizontal movement of the telescopic fork (255, 256) occurs when the platform 254 is at fixed vertical positions by driving the chain 262 via the gear 263 and the shaft 264 from a motor located outside the lock chamber 280.
  • Fig. 6 shows a partial perspective view of another embodiment of the invention, in which workpieces 61, such as transmission shafts, are arranged in a vertical position or row between heating elements 21 and 22 in a carburizing chamber.
  • the workpieces 61 are by means of a frame (in Fig. 6 not shown) held in position.
  • the frame is designed as a frame with suspensions or as a support plate with mechanical holding devices, such as thorns for attachment or holes for insertion of waves.
  • a device for hardening workpieces in a vertical arrangement according to Fig. 6 is analogous to those in Fig. 3 and 4 darg Directoren devices designed and differs from these only in that the carburizing chambers are arranged in a horizontal direction next to each other instead of vertically stacked.
  • the cooling chamber is horizontally movable or arranged the lock chamber and the transfer device horizontally.
  • both the horizontal storage of workpieces (for example, on a pallet) according to the Fig. 3 and 4 as well as the vertical bracket or suspension Fig. 6 included.
  • Both of the embodiments mentioned have the common feature that the workpieces are arranged in one layer or one row, ie in the manner of a 2D batch in the heating device, so that 30 to 100% of the surface of each workpiece is directly emitted by the heating device Heat radiation is exposed.
  • heating elements (21, 22) are designed as meander-shaped surface heater made of graphite or CFC.
  • Such surface heaters (21, 22) are known in the art and are commercially available from various manufacturers.
  • the cooling chamber is equipped with a mechanical fixture and / or a flow guide apparatus for the cooling gas.
  • the fixture is adapted to the geometry of the workpieces and arranged according to the invention in the cooling chamber above the workpieces to be cooled.
  • the pallet with the workpieces with a defined force is pressed from below against the fixture, or the fixture is pressed before the start of the gas inlet with a defined force from above the workpieces.
  • the flatness of the workpieces is significantly improved after cooling and thus significantly reduces the delay of the workpieces.
  • the cooling chamber may be equipped with a Strömungsleitapparatur for low-distortion cooling of the workpieces.
  • This guide apparatus is arranged in the cooling chamber above the workpieces to be cooled and designed such that the components are flown at a high local gas velocity and also the cooling is very uniform.
  • component segments with a high wall thickness are subjected to a high flow velocity and component segments with a small wall thickness are subjected to a small flow velocity.
  • the conducting apparatus it is possible to make the conducting apparatus "three-dimensional", so that the workpieces are subjected to targeted cooling gas both from above and from the side. For this purpose, before starting the gas inlet, either the workpieces must be lifted from below into the conducting apparatus or the conducting apparatus must be lowered from above onto the workpieces.
  • the cooling rate of the workpieces is significantly increased. This allows the hardening of workpieces from less well alloyed materials.
  • the gas consumption costs are reduced because it can be quenched with smaller gas pressures.
  • the distortion of the workpieces is significantly reduced, since the cooling is more uniform and thus less stresses are generated in the workpiece.
  • thermocouples Methods for measuring the temperature of metallic workpieces are familiar to those skilled in the art.
  • the temperature of the workpiece surface was measured by means of thermocouples, pyrometer and thermal imaging camera.
  • Each of the thermocouples was attached to the workpieces by wire so that the entire sensor surface of the thermocouple contacts the workpiece surface.
  • a small groove is introduced into the component surface.
  • the thermocouple and the fastening wire have a negligible heat capacity compared to the workpiece.
  • the temperature in the core of the workpieces was also measured by means of thermocouples.
  • a blind hole was drilled with a diameter of 0.5 to 1.5 mm at the point to be measured of the workpiece and introduced the thermocouple in the blind hole.
  • the specific cooling rate is determined in units of [kJ ⁇ kg -1 ⁇ s -1 ].
  • the specific heat capacity at a temperature of 800 ° C is about 0.8 kJ ⁇ kg -1 ⁇ K -1 and increases to a multiple of this value in a narrow temperature range around 735 ° C.
  • thermo-elements The recording of the signals of the thermo-elements was carried out by means of a mobile thermo-insulated electronic data logger ("Furnace-Tracker"), which together with the workpieces in the curing device, i. was introduced into both the cooling chamber and in the Aufkohlwaitn.
  • Furnace-Tracker mobile thermo-insulated electronic data logger
  • the temperature profile during the heating of the workpieces in the carburizing chambers and during the cooling in the cooling chamber was determined on the one hand.
  • the workpiece surface was ground at a shallow angle of 10 ° to a depth of about 1000 ⁇ m and the milled surface after careful cleaning by optical spectral analysis, secondary ion mass spectrometry (SIMS), and Electron Probe Micro Analysis (Electron Probe Micro Analysis).
  • EPMA electron Probe Micro Analysis
  • the chemical detection limit for carbon achieved by SIMS is less than 1 ppm.
  • Fig. 7 shows a comparison of the temperature profile of workpieces that were hardened (2D batch, single-layered) and conventional (3D batch, multi-layered).
  • the temperature is measured by means of several thermocouples attached to workpieces positioned in the middle and at the edge of the respective batch.
  • the measurement data of the thermocouples were recorded using a furnace tracker.
  • the temperature rises rapidly, whereby no difference in the temperature profile can be detected between a workpiece centrally positioned and a workpiece positioned at the edge of the batch.
  • the temperature profile of a workpiece positioned in the middle of the batch and at the edge of the batch differs to a considerable extent.
  • the temperature of the workpieces in the 2D batch increases faster than that of the peripheral workpieces of the 3D batch. This difference is a consequence of the radiant energy which in the 3D batch releases or loses external workpieces to internal workpieces.
  • a time of about 130 minutes is needed. In contrast, the heating takes place in the 2D batch in about 15 min.
  • Fig. 8 the course of hardness as a function of the distance from the surface of the workpieces is reproduced. Based on the measured curves, the case hardening depth or so-called “Case Hardening Depth” (CHD) can be seen.
  • the determination of the CHD is carried out according to DIN ISO 2639 (2002).
  • the component to be tested is separated perpendicular to the surface while avoiding the development of heat.
  • the Vickers hardness HV1 is then measured - normally with a test load of 9.8 N.
  • the distance from the surface to the point at which the hardness of the limit hardness (Hs, in this case 610 HV1) corresponds is called CHD.
  • Fig. 9 shows a comparison of the measured values for the core hardness.
  • a hardened workpiece in the present case the above-described sun gears
  • the parting surface is sanded and polished.
  • the hardness is determined according to Vickers [HV10]. This measurement is carried out in accordance with DIN EN ISO 6507-1 (Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1: Test method ISO 6507-1: 2005, German version EN ISO 6507-1: 2005).
  • DIN EN ISO 6507-1 Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1: Test method ISO 6507-1: 2005, German version EN ISO 6507-1: 2005.
  • Fig. 10 shows in comparison the scattering of the edge carbon content of the treated according to Example 1 2D batch and the conventionally carburized 3D batch.
  • the marginal carbon content was determined by surface analysis as described above by spectral analysis, SIMS and EPMA by integrating the carbon signal over a depth range of 0 to 100 ⁇ m.
  • Fig. 11 the measurement results for the thermal distortion or the change in the ovality of 8 ring gears from the 2D batch and from 8 ring gears from the 3D batch are shown.
  • the positions of the 8 ring gears of the 2D batch and the 8 ring gears of the 3D batch were distributed uniformly over the area or the volume of the 2D and 3D batch.
  • the ovality was measured on the outer circumference of the ring gears before and after carburization by means of a 3D coordinate measuring system and the difference of the ovality values before and after carburization was formed.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Werkstücken und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
    1. (a) Erwärmen der Werkstücke auf eine Temperatur von 950 bis 1200 °C;
    2. (b) Beaufschlagen der Werkstücke mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C und einem Druck von unter 100 mbar;
    3. (c) Halten der Werkstücke in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C;
    4. (d) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (b) und (c); und
    5. (e) Abkühlen der Werkstücke nach Anspruch 1.
    Eine geeignete Vorrichtung umfasst zwei oder mehrere Aufkohlkammern, mindestens eine Abkühlkammer und ein Transfersystem zum Handhaben von Gestellen für Werkstücke, wobei jede der Aufkohlkammern über ein oder mehrere Vakuumschieber oder thermische Isolationsschieber mit der Abkühlkammer verbindbar ist und jede Aufkohlkammer eine Aufnahme für ein Gestell sowie Heizelemente aufweist.
  • Bei den Werkstücken handelt es sich vor allem um Maschinen- und Getriebeteile aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise um Hohlräder, Zahnräder, Wellen oder Einspritzkomponenten aus Stahllegierungen wie 28Cr4 (gemäß ASTM 5130), 16MnCr5, 18CrNi8 und 18CrNiMo7-6.
  • Verfahren und Vorrichtungen zum Härten von Werkstücken mittels Aufkohlen sind im Stand der Technik bekannt.
  • DE 103 22 255 A1 offenbart ein Verfahren zur Aufkohlung von Stahlteilen bei Temperaturen oberhalb von 930 °C mit einem Kohlenstoffspendergas innerhalb einer evakuierbaren Behandlungskammer, wobei sowohl während der Aufheizphase als auch während der Diffusionsphase stickstoffabgebendes Gas wie Ammoniak in die Behandlunsgskammer eingegeben wird.
  • DE 103 59 554 B4 beschreibt ein Verfahren zum Aufkohlen metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen, wobei die Ofenatmosphäre einen Kohlenstoffträger enthält, der unter den Prozessbedingungen der Aufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird, wobei die Zufuhr des Kohlenstoffträgers pulsweise erfolgt und sich an jeden Kohlungspuls eine Diffusionspause anschließt und die zuzuführende Kohlenwasserstoffmenge während eines Kohlungspulses so variiert wird, dass sie der aktuellen Aufnahmefähigkeit des Werkstoffes angepasst ist, wozu der Azetylenvolumenstrom zu Beginn eines jeden Kohlungspulses hoch bemessen und die in der Ofenatmosphäre oder im Abgas herrschende Konzentration von Wasserstoff und/oder Azetylen und/oder Gesamtkohlenstoff gemessen und danach der Azetylenvolumenstrom entsprechend abgesenkt wird.
  • DE 10 2006 048 434 A1 betrifft ein Aufkohlverfahren, das in einer Schutzgas- oder Behandlungsatmosphäre in einem Wärmebehandlungsofen vorgenommen wird, wobei ein Alkohol und Kohlendioxid in den Wärmebehandlungsofen eingebracht und chemisch umgesetzt werden. Es werden Ethanol und Kohlendioxid in den Wärmebehandlungsofen eingebracht, wobei das Verhältnis von eingebrachtem Ethanol zu eingebrachtem Kohlendioxid vorzugsweise 1:0.96 beträgt. Eine derart erzeugte Wärmebehandlungsatmosphäre eignet sich insbesondere zum Aufkohlen sowie kohlungsneutralen Glühen metallischer Werkstoffe, wie beispielsweise Eisenwerkstoffe.
  • DE 10 2007 038 991 A1 beschreibt einen Drehherdofen zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere zur Gasaufkohlung metallischer Werkstücke, mit einem Ofenraum, einem den Ofenraum bodenseitig begrenzenden Drehherd, einer den Ofenraum seitlich umschließenden Außenwand und einer den Ofenraum deckenseitig begrenzenden Deckenplatte, wobei der Ofenraum mit Innenwänden, die sich bezüglich einer Drehachse des Drehtellers radial erstrecken, in wenigstens zwei Behandlungszonen unterteilt ist. Zur Werkstückbehandlung sind auf dem Drehteller mehrere bezüglich der Drehachse des Drehtellers radial ausgerichtete und radial beschickbare Gestelle zur Aufnahme von Werkstücken oder Werkstückträgern angeordnet, wobei jede Innenwand einen komplementär zu den Gestellen geformten Durchgang aufweist, durch den die Gestelle bei drehendem Drehteller in Umfangsrichtung durch die jeweilige Innenwand hindurchführbar sind.
  • DE 10 2007 047 074 A1 offenbart ein Verfahren zur Aufkohlung von Werkstücken aus Stahl, insbesondere von Werkstücken mit außen- und innenliegenden Oberflächen, wobei das Werkstück bei einer Temperatur im Bereich von 850 bis 1050°C in einer gasförmigen Kohlenwasserstoff enthaltenden Atmosphäre gehalten wird. Es werden mindestens zwei unterschiedliche gasförmige Kohlenwasserstoffe eingesetzt und/oder das Werkstück wird alternierend während eines Aufkohlungspulses in der den gasförmigen Kohlenwasserstoff enthaltenden Atmosphäre und während einer Diffusionsphase in einer Atmosphäre, die frei von Kohlenwasserstoff ist, gehalten.
  • DE202008010215U1 offenbart einen Industrieofen mit mehreren Kammern, insbesondere Zweikammer-Vakuumofen zur Wärmebehandlung von Chargen (3.1) metallischer Werkstücke, aufweisend mindestens je eine Heizkammer (1.1) und eine Abschreckkammer (1.2), eine Kühleinrichtung (1.2.1) sowie eine Transporteinrichtung gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) Die Heizkammer und die Abschreckkammer sind in einem Gehäuse (1) integriert mit einer die Heizkammer (1.1) von der Abschreckkammer (1.2) räumlich trennenden hochdruckfesten Trennwand (1.3) mit Chargenöffnung (1.4) für den Transport der Charge (3.1), b) eine die Chargenöffnung (1.4) abdichtende und horizontal verfahrbare Trenntür (2), die im abgedichteten Zustand die Heizkammer (1.1) von der Abschreckkammer (1.2) Vakuum- und hochdruckfest trennt, c) ein in der Abschreckkammer (1.2) angeordnetes horizontal verfahrbares Chargentransportsystem (3) für den wechselseitigen Transport der Charge (3.1) zwischen Abschreckkammer (1.2) und Heizkammer (1.1) und d) ein in der Heizkammer (1.1) angeordnetes Chargenherdsystem (4), wobei e) das Chargenherdsystem (4) der Heizkammer (1.1) und das Chargentransportsystem (3) Abschreckkammer (1.2) Mittel zur Übergabe/Übernahme der Charge (3.1) aufweisen. (Siehe D5, Anspruch 1 und Abbildungen 1-3). Die im Stand der Technik bekannten Verfahren weisen einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf:
    • die zum Härten von Werkstücken mittels Aufkohlen erforderliche Temperatur liegt bei über 850 °C, wobei zum Aufheizen üblicherweise Zeiten von mehr als 45 min benötigt werden. Um eine ausreichende Produktivität bzw. einen hohen Durchsatz an Werkstücken zu erzielen, erfolgt die Aufkohlung chargenweise mit einer großen Anzahl von Werkstücken, die in mehreren übereinander angeordneten Lagen in einem Chargengestell angeordnet sind. Beispielsweise wird ein Chargengestell mit 10 Rosten mit insgesamt 160 Hohlrädern aus einer 28Cr4-Legierung (gemäß ASTM 5130) beladen, wobei auf jedem der 10 Roste 16 Hohlräder nebeneinander angeordnet werden. Typische Chargen bzw. Chargengestelle haben in jeder der drei Raumrichtungen eine Abmessung im Bereich von 400 mm bis zu 2000 mm. Hier und im Folgenden wird diese konventionelle Art der Chargierung auch mit dem Begriff "3D-Charge" bezeichnet. Die Aufkohlung schließt sich im Fertigungsablauf an die im wesentlichen serielle mechanische Bearbeitung (die sogenannte Weichbearbeitung) an. Hierzu werden Pufferbereiche angelegt, in denen die weichbearbeiteten Werkstücke gesammelt werden, bis eine 3D-Charge für die Aufkohlung komplettiert ist. Die Aufkohlung von 3D-Chargen beansprucht sowohl für den Heizofen wie auch für den Pufferbereich beträchtliche Flächen. Zudem unterbricht sie den quasi-kontinuierlichen Fluß der mechanischen Bearbeitung und verursacht logistischen Mehraufwand. So erfordert die 3D-Chargen-Pufferung die manuelle Handhabung von Werkstücken, weil hierfür geeignete Robotersysteme aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht einsetzbar sind;
    • bei der Aufkohlung von 3D-Chargen kommt es vermehrt zur Bildung von kohlenstoffhaltigen Rückständen, welche die Werkstücke wie auch die umgebende Fertigungslinie kontaminieren können;
    • in 3D-Chargen aufgekohlte Werkstücke weisen in der Regel erhebliche thermische Verzüge auf, die eine aufwendige mechanische Nachbearbeitung (die sogenannte Hartbearbeitung) erforderlich machen;
    • in 3D-Chargen aufgekohlte Werkstücke weisen bei charakteristischen Eigenschaften, wie der Aufkohlungstiefe, dem Randkohlenstoffgehalt und der Kernhärte eine breite Streuung auf, so dass es nicht möglich ist hiervon direkt oder mittelbar beeinflußte Qualitätskennwerte wie beispielsweise den Schlupf oder Reibungsverlust eines aus aufgekohlten Teilen zusammengesetzten mechanischen Getriebes zu verbessern.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Härten von Werkstücken bereitzustellen, das eine hohe Produktivität aufweist und bei dem die vorstehenden Nachteile weitgehend vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte:
    1. (a) Erwärmen der Werkstücke auf eine Temperatur von 950 bis 1200 °C, wobei 30 bis 100 % der Oberfläche jedes Werkstücks mit direkter Wärmestrahlung einer Heizvorrichtung erwärmt wird;
    2. (b) Beaufschlagen der Werkstücke mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C und einem Druck von unter 100 mbar;
    3. (c) Halten der Werkstücke in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C;
    4. (d) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (b) und (c); und
    5. (e) Abkühlen der Werkstücke.
  • Die Erwärmung der Werkstücke in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch bewerkstelligt, dass die Werkstücke nebeneinander in einer Lage oder Reihe in der Heizvorrichtung angeordnet sind. Diese Art der Anordnung wird hier und im Folgenden auch mit dem Begriff "2D-Charge" bezeichnet.
  • Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass:
    • in Schritt (a) jedes der Werkstücke mit Wärmestrahlung aus zwei oder mehreren Raumrichtungen erwärmt wird;
    • in Schritt (a) die oberflächennahe Zone jedes der Werkstücke mit einer Rate von 35 bis 135 °C·min-1, bevorzugt 50 bis 110 °C·min-1, und insbesondere 50 bis 75 °C·min-1 erwärmt wird;
    • in Schritt (a) der Kern jedes der Werkstücke mit einer Rate von 18 bis 120 °C·min-1 erwärmt wird;
    • in Schritt (e) die Werkstücke in einem Temperaturbereich von 800 bis 500 °C mit einer spezifischen Kühlrate von 2 bis 20 kJ·kg-1·s-1 abgekühlt werden;
    • in Schritt (b) die Werkstücke mit Azetylen (C2H2) und/oder Ammoniak (NH3) beaufschlagt werden;
    • in Schritt (e) die Werkstücke mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff abgekühlt werden;
    • die Werkstücke mittels Stickstoff bei einem Druck von 2 bis 20 bar, vorzugsweise 4 bis 8 bar und insbesondere 5 bis 7 bar abgekühlt werden;
    • in Schritt (e) die Oberfläche der Werkstücke von einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1200 °C innerhalb von 40 bis 100 s auf eine Temperatur von 300 °C abgekühlt wird; und
    • die Taktzeit für die Durchführung der Schritte (a) bis (e) bezogen auf ein Werkstück 5 bis 120 s, vorzugsweise 5 bis 60 s, und insbesondere 5 bis 40 s beträgt.
  • Zum Härten von kleinen Werkstücken bzw. Bauteilen wie Einspritzdüsen für Verbrennungsmotoren oder Gewindebolzen mit einer Masse von 50 bis 300 g nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden etwa 50 bis 400 Bauteile in Form einer ein- bis dreilagigen Schüttung in einem als Korb ausgebildeten Gestell oder in einem speziell angefertigten Gestell zum geordneten Aufstellen der Bauteile, angeordnet. Bedingt durch die große Anzahl an Werkstücken in dem Korb ist für die Durchführung der Schritte (a) bis (e) eine kurze Taktzeit im Bereich von 20 bis 5 s je Werkstück erzielbar. Die Schüttdichte der Werkstücke ist dabei so gewählt, dass mindestens 30 % der Oberfläche jedes Werkstücks mit direkter Wärmestrahlung einer Heizvorrichtung erwärmt wird.
  • Insbesondere umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:
    1. (i) einlagiges Anordnen der Werkstücke in/auf einem Gestell;
    2. (ii) Einbringen des Gestells mit den Werkstücken in eine Abkühlkammer, Evakuieren auf einen Druck von unter 100 mbar;
    3. (iii) Transfer des Gestells in eine Aufkohlkammer, wobei das Gestell vor dem Einbringen in die Aufkohlkammer gegebenenfalls in einer Parkaufnahme zwischengelagert wird;
    4. (iv) Erwärmen der Werkstücke auf eine Temperatur von 950 bis 1200 °C mittels Wärmestrahlung, wobei 30 bis 100 % der Oberfläche jedes Werkstücks mit direkter Wärmestrahlung der Aufkohlkammer erwärmt wird;
    5. (v) Beaufschlagen der Werkstücke mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C und einem Druck von unter 100 mbar;
    6. (vi) Halten der Werkstücke in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C;
    7. (vii) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (iv) und (v);
    8. (viii) Transfer des Gestells mit den Werkstücken in die Abkühlkammer;
    9. (ix) Abkühlen der Werkstücke mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff; und
    10. (x) Entnahme des Gestells mit den Werkstücken aus der Abkühlkammer.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Härten von Werkstücken gemäß dem vorstehenden Verfahren zu schaffen.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zwei oder mehrere Aufkohlkammern, mindestens eine Abkühlkammer, eine zwischen den Aufkohlkammern und der Abkühlkammer angeordnete Schleusenkammer und ein Transfersystem zum Handhaben von Gestellen für die Werkstücke, wobei die Abkühlkammer über einen Vakuumschieber mit der Schleusenkammer verbindbar ist, jede der Aufkohlkammern über thermische Isolationsschieber mit der Schleusenkammer verbindbar ist und jede der Aufkohlkammern eine Aufnahme für ein Gestell und mindestens zwei Heizelemente aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung die Oberfläche jedes der Werkstücke unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5 π bis 2 π bestrahlt.
  • Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass:
    • die thermischen Isolationsschieber als Vakuumschieber ausgestaltet sind;
    • die Abkühlkammer zwei Vakuumschieber zum Einbringen und Entnehmen von Werkstücken umfasst;
    • die Heizelemente als Flächenstrahler ausgebildet sind;
    • die Heizelemente aus Grafit oder Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen;
    • die Gestelle als gitterartige Paletten ausgebildet sind;
    • die Gestelle aus Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen; und
    • das Transfersystem vertikal angeordnete Kettenantriebe mit oberen und unteren Umlenkungen und Ketten sowie eine horizontal verfahrbare Teleskopgabel zur Aufnahme von Paletten umfasst, wobei die Teleskopgabel über ein Getriebe mit einer der Ketten gekoppelt ist.
    Durch das vorstehend beschriebenen Verfahrens können gehärtete Werkstücke mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere mit verringertem thermischen Verzug bereitzustellen. Aufgrund des verringerten Verzuges wird der Aufwand für mechanische Nachbearbeitung (sogenannte Hartbearbeitung) erheblich reduziert.
  • Das Werkstück zeichnet sich dadurch aus, dass:
    • die Einsatzhärtetiefe (CHD) innerhalb eines Bereiches von ± 0,05 mm, vorzugsweise ± 0,04 mm, und insbesondere ± 0,03 mm um einen Sollwert liegt, wobei der Sollwert 0,3 bis 1,4 mm beträgt;
    • der Randkohlenstoffgehalt innerhalb eines Bereiches von ± 0,025 Gew.-%, vorzugsweise ± 0,015 Gew.-%, und insbesondere ± 0,01 Gew.-% um einen Sollwert liegt, wobei der Sollwert 0,6 bis 0,85 Gew.-% beträgt; und
    • die Kernhärte innerhalb eines Bereiches von ± 30 HV, vorzugsweise ± 20 HV um einen Sollwert liegt, wobei der Sollwert 280 bis 480 HV beträgt.
  • Die Abweichung vom Sollwert bzw. der Streubereich (d.h. die Differenz zwischen dem größten und kleinsten Messwert) der Einsatzhärtetiefe (CHD), des Randkohlenstoffgehalts und der Kernhärte wird durch Messungen an 1 bis 5 Werkstücken einer Charge ermittelt.
  • Bei den Werkstücken handelt es sich vor allem um Maschinen- und Getriebeteile aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise um Hohlräder, Zahnräder, Wellen oder Einspritzkomponenten aus Stahllegierungen wie 28Cr4 (gemäß ASTM 5130), 16MnCr5, 18CrNi8 und 18CrNiMo7-6.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
    • Fig. 1a
    eine Anordnung eines Werkstücks mit zwei Heizelementen;
    Fig. 1b
    die Strahlungsaufheizung eines Werkstücks;
    Fig. 2
    eine Palette mit Werkstücken;
    Fig. 3
    eine Vorrichtung zum Härten mit einer vertikal verfahrbaren Abkühlkammer;
    Fig. 3A
    eine Vorrichtung mit einer Transferkammer;
    Fig. 4
    eine Vorrichtung zum Härten mit einer stationären Abkühl- und einer zentralen Schleusenkammer;
    Fig. 5 A-B
    Transfersystem für eine Vorrichtung mit zentraler Schleusenkammer;
    Fig. 6
    mehrere Werkstücke zwischen zwei Heizelementen in vertikaler Anordnung;
    Fig. 7
    Messdaten zur Aufheizung von Werkstücken;
    Fig. 8
    Messdaten zum Härteprofil von Werkstücken;
    Fig. 9
    Messdaten zur Kernhärte von Werkstücken;
    Fig. 10
    Messdaten zum Randkohlenstoff von Werkstücken; und
    Fig. 11
    Messdaten zur Ovalität von Werkstücken.
    zeigen.
  • In Fig. 1a ist eine Anordnung zum Erwärmen von Werkstücken 6 mit zwei Heizelementen (21, 22) dargestellt. Die Werkstücke 6 sind auf einem als gitterförmige Palette ausgebildeten Gestell 5 gelagert. Die Heizelemente (21, 22) sind relativ zur Palette 5 bzw. zu den Werkstücken 6 derart angeordnet, dass die von den Heizelementen (21,22) emittierte Strahlung, die in Fig. 1 durch Pfeillinien 8 symbolisiert ist, aus verschiedenen Raumrichtungen auf die Oberfläche der Werkstücke 6 einfällt. Bevorzugt sind die Heizelemente (21, 22) beidseitig der Palette 5 und einander gegenüberliegend angeordnet. Die Anordnung der Heizelemente (21, 22) ist so gewählt, dass 30 bis 100 % der Oberfläche jedes Werkstücks 6 direkter Wärmestrahlung 8 ausgesetzt ist, d.h. in direktem Sichtkontakt mit der Oberfläche der Heizelemente (21,22) steht. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Heizelemente (21, 22) derart ausgebildet und relativ zu den Werkstücken 6 angeordnet, dass der Raumwinkel, den die auf einen Punkt (9, 9') der Oberfläche eines Werkstücks 6 einfallende Wärmestrahlung 8 im Mittel ausleuchtet 0,5 π bis 2 π beträgt. Diese Konfiguration, bei der 30 bis 100 % der Oberfläche jedes Werkstücks 6 mit Wärmestrahlung 8 unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5 π bis 2 π angestrahlt wird, ermöglicht eine schnelle Aufheizung der Werkstücke 6. Fig. 1b zeigt in perspektivischer Ansicht einen maximalen Raumwinkel Ω der Größe 2 π für die Bestrahlung eines Punktes 9 auf der Oberfläche eines Werkstückes 6. Aus Fig. 1a ist ersichtlich, dass Teilbereiche der Oberfläche der Werkstücke 6 durch die Palette 5 abgeschattet sind und keinen direkten Sichtkontakt zu den Heizelementen (21, 22) haben. Gleiches gilt für Bereiche, in welchen die Oberfläche der Werkstücke 6 konkav ausgebildet ist. Die vorstehend genannten Oberflächenbereiche werden indirekt durch Wärmeleitung innerhalb der Werkstücke 6 aufgeheizt. Wenn erfindungsgemäß mindestens 30 % der Oberfläche jedes Werkstücks in direktem Sichtkontakt zu einem der Heizelemente (21, 22) steht, ist eine schnelle Aufheizung der Werkstücke 6 gewährleistet. Vorzugsweise handelt es sich bei den Heizelementen (21,22) um mit elektrischer Energie betriebene "aktive Heizstrahler". Erfindungsgemäß sind jedoch auch "passive Heizstrahler" einbezogen wie beispielsweise die Wand einer Aufkohlkammer, die mittels einer in der Aufkohlkammer angeordneten Strahlungsheizung auf eine hohe Temperatur von über 1000 °C, insbesondere von über 1400 °C aufgeheizt worden ist. Bevorzugt haben die Wände der Aufkohlkammer eine Wärmekapazität, die ein Mehrfaches der Wärmekapazität der zu härtenden Werkstücke beträgt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Temperatur der Aufkohlkammer bei der Beladung und Entnahme der Werkstücke nur geringfügig abfällt. Die erfindungsgemäßen Effekte werden in gleicher Weise mit elektrischen Heizstrahlern wie mit durch eine Strahlungsheizung aufgeheizten Wänden einer Aufkohlkammer erzielt.
  • Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine erfindungsgemäß einlagige Anordnung von Werkstücken 6, bei denen es sich beispielsweise um Zahnräder handelt, auf einer gitterartig ausgebildeten Palette 5. Das Verhältnis von offener Fläche zu Gitter, gemessen in der transversalen Symmetrieebene 7 der Palette 5 und bezogen auf eine zur transversalen Symmetrieebene 7 senkrechte Flächennormale 7' wird hier und im Folgenden als Öffnungsverhältnis bezeichnet und ist erfindungsgemäß größer 60 %, vorzugsweise größer 70 % und insbesondere größer 80 %. Zweckmäßig besteht die Palette 5 aus Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC bzw. Carbon Fiber Reinforced Carbon), so dass sie eine hohe mechanische und thermische Stabilität aufweist.
  • Eine in Fig. 3 schematisch dargestellte Vorrichtung 100 umfasst eine vertikal verfahrbare Abkühlkammer 190 und vier vertikal übereinander angeordnete Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140). Die Abkühlkammer 190 und jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist mit einer Vakuumpumpe bzw. mit einem Vakuumpumpenstand (in Fig. 3 nicht gezeigt) verbunden. Mittels der Vakuumpumpen kann jede der Kammern (190; 110, 120, 130, 140) unabhängig von den anderen Kammern auf einen Druck von unter 100 mbar, vorzugsweise von unter 20 mbar evakuiert werden.
    Die Abkühlkammer 190 ist zudem über eine Gasleitung mit einem Druckbehälter (in Fig. 3 nicht gezeigt) für ein Kühlgas wie Helium oder Stickstoff verbunden. Das Kühlgas wird in dem Druckbehälter unter einem Druck von 2 bis 25 bar vorgehalten. Zur Druckerzeugung ist der Druckbehälter in bekannter Weise mit einem Kompressor oder einer Hochdruckgasversorgung verbunden. Die Gasleitung von dem Druckbehälter zur Abkühlkammer 190 ist mit einem regelbaren Ventil ausgerüstet. Zum Belüften oder Evakuieren der Abkühlkammer 190 wird das regelbare Ventil in Schließstellung gebracht, so dass kein Kühlgas vom Druckbehälter in die Abkühlkammer 190 gelangt.
  • Jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist über eine eigene Gasleitung mit einem Behälter (in Fig. 3 nicht gezeigt) für ein Kohlenstoff-haltiges Gas, wie Azetylen verbunden. Optional ist jede der Aufkohlkammern mit einem weiteren Behälter für ein Stickstoff-haltiges Gas verbunden. Die Gasleitungen von dem/den Behälter/n zu den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) sind mit regelbaren Ventilen, vorzugsweise mit Mengenflußreglern (MFC) ausgestattet, um den der jeweiligen Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140) zugeführten Gasfluß präzise zu steuern.
  • Im Weiteren umfasst jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) zwei Heizelemente (21, 22) sowie eine - in Fig. 3 nicht gezeigte - Aufnahme bzw. Halterung für eine Palette 5. Die Heizelemente (21, 22) sind elektrisch betrieben, vorzugsweise flächenhaft ausgebildet und bestehen aus einem Werkstoff wie Grafit oder Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC bzw. Carbon Fiber Reinforced Carbon). Insbesondere sind die Heizelemente (21, 22) als mäanderförmige Flächenheizer ausgebildet (siehe Fig. 6).
  • Die Abkühlkammer 190 ist an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten mit einem ersten und zweiten Vakuumschieber 191 und 192 ausgestattet. Wenn die Vakuumschieber 191 und/oder 192 geöffnet sind, kann eine Palette 5 mit Werkstücken 6 in die Abkühlkammer 190 eingebracht oder daraus entnommen werden. Zum Transfer bzw. für die Handhabung der Palette 5 ist die Abkühlkammer 190 mit einem automatisierten, insbesondere mit einer Speicher-programmierbaren Steuerung (SPS) gekoppelten Transfersystem 153 ausgerüstet. Die Abkühlkammer 190 ist auf einem Träger einer vertikalen Hubvorrichtung 160 montiert. Mittels der Hubvorrichtung 160 kann die Abkühlkammer 190 vor jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) positioniert werden. Jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist mit einem Vakuumschieber (111, 121, 131, 141) ausgestattet. Die Abkühlkammer 190 und die Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) sind derart ausgestaltet, dass sie vakuumdicht miteinander verbindbar sind, wenn die Abkühlkammer 190 vor einer der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) positioniert wird. Für eine derartige Kopplung geeignete Vakuumkomponenten (in Fig. 3 nicht gezeigt) sind dem Fachmann bekannt und kommerziell verfügbar. In Fig. 3 ist beispielhaft die vakuumdichte Kopplung zwischen der Abkühlkammer 190 und der Aufkohlkammer 120 gezeigt. Hierbei können die Vakuumschieber 192 und 121 der Abkühlkammer 190 und der Aufkohlkammer 120 gleichzeitig geöffnet sein, ohne dass das Vakuum in einer der Kammern gebrochen wird. Die vakuumtechnische Ausgestaltung der Kammern (190; 110, 120, 130, 140) gestattet es somit, eine Palette 5 mit Werkstücken 6 zwischen einer der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) und der Abkühlkammer 190 hin und her zu transferieren, ohne das Vakuum zu brechen.
  • Fig. 3A zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform 100A der Vorrichtung mit einer Abkühlkammer 195 und einer Transferkammer 196. Die Transferkammer 196 ist auf der den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) zugewandten Seite der Abkühlkammer 195 montiert und dient zur Aufnahme eines horiziontalen Transfersystems 154. Aufgrund seiner Anordnung in der Transferkammer 196 steht das Transfersystem 154 unabhängig von dem Betriebszustand der Abkühlkammer 195 zur Verfügung, um eine der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) mit einer Palette 5 mit Werkstücken 6 zu beladen. Das Transfersystem 154 ist horizontal beidseitig verfahrbar, so dass die Palette 5 zwischen der Abkühlkammer 195 und jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) transferiert werden kann. In der Vorrichtung 100A ist auf der obersten Aufkohlkammer 140 zudem eine (in Fig. 3A nicht gezeigte) Ablage zum Parken einer Palette 5 mit "frischen", d.h. zu härtenden Werkstücken 6 vorgesehen. Zur vakuumdichten Abtrennung ist zwischen der Abkühlkammer 195 und der Transferkammer 196 ein Vakuumschieber 197 angeordnet. An einer den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) zugewandten Stirnseite weist die Transferkammer 196 eine Öffnung auf, deren Rand vakuumdicht mit den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) verbindbar ist. Hierzu ist der Rand der Öffnung mit einer umlaufenden Vakuumdichtung 198 ausgestattet. Die Vakuumdichtung 198, die beispielsweise aus Gummi besteht, dient zum Andocken der Transferkammer 196 an eine der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140). Die Transferkammer 196 ist ebenso wie die Abkühlkammer 195 und jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) mit einer (in Fig. 3A nicht gezeigten) eigenen Vakuumpumpe oder mit einem Vakuumpumpenstand verbunden. Dementsprechend kann die Transferkammer 196 als Vakuumschleuse zwischen der Abkühlkammer 195 und den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) eingesetzt werden. Mittels der Hubvorrichtung 160 kann die Transferkammer 196 zusammen mit der Abkühlkammer 195 in vertikaler Richtung verfahren und vor jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) positioniert werden. Zum Andocken an die Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) sind die Transferkammer 196 und die Abkühlkammer 195 auf einem (in Fig. 3A nicht gezeigten) horizontal angeordneten Lineartrieb gelagert. Der horizontale Lineartrieb ist seinerseits auf einem Träger der vertikalen Hubvorrichtung 160 montiert. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform 100A mit Transferkammer 196 entspricht dem Konzept einer Anlage vom Typ ModulTherm der Firma ALD Vacuum Technologies AG.
  • Jede der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) ist elektrisch beheizbar. Vorzugsweise erfolgt die Beheizung durch zwei flächenhaft ausgebildete, elektrisch betriebene Heizelemente (21, 22), die einander gegenüberliegend jeweils an der Unter- und Oberseite jeder der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) angeordnet sind. Die Wände der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) bestehen aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl und sind gegebenenfalls doppelwandig ausgeführt und mit Leitungen für ein Kühlfluid wie Wasser ausgerüstet. An ihrer dem Kammerinneren zugewandten Seite sind die Wände der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) mit einem thermisch isolierenden Material, wie Grafitfilz ausgekleidet (in Fig. 3 nicht dargestellt). In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wände der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) an der Innenseite zudem mit einem wärmespeichernden Material wie Stahl oder Grafit ausgestattet. Indem das Dicken- bzw. Massenverhältnis des wärmespeichernden Materials relativ zum thermisch isolierenden Material - beispielsweise Massenbelegung (kg/m2) Grafit im Verhältnis zu Massenbelegung (kg/m2) Grafitfilz - geeignet gewählt wird, kann die Wärmekapazität und die thermische Verlustleistung der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) an Vorgabewerte angepasst werden. So kann durch Verwendung von dicken Grafitplatten mit hoher Wärmekapazität der Temperaturabfall beim Einbringen und bei der Entnahme von Werkstücken 6 in/aus den Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) verringert werden. Dies ermöglicht es, die Heizdauer zu verkürzen und den Durchsatz bzw. die Produktivität der Vorrichtung zu erhöhen. Eine derart mit einer wärmespeichernden Innenauskleidung ausgestattete Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140) kann nach Art eines thermischen Hohlraumstrahlers betrieben werden, wobei die an Werkstücke 6 und/oder in die Umgebung abgestrahlte "Verlustleistung" mittels einer an beliebiger Stelle in der Aufkohlkammer (110, 120, 130, 140) angeordneten elektrischen Heizung nachgeführt wird. Bei- dieser Ausführungsform werden die Werkstücke 6 durch die von der "passiven" Innenauskleidung der Aufkohlkammern (110, 120, 130, 140) emittierte Strahlung aufgeheizt.
  • Fig. 4 zeigt eine erfinderische Vorrichtung 200 mit einer stationären Abkühlkammer 290, die über eine Schleusenkammer 280 mit vier vertikal übereinander angeordneten Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) in Verbindung steht. Die Abkühlkammer 290 ist mit einer ersten und zweiten Schleuse 291 und 292 zum Ein- und Ausbringen einer Palette 5 mit Werkstücken 6 ausgestattet. In der Schleusenkammer 290 ist eine Hubvorrichtung 260 mit einem vertikal verfahrbaren Träger 250 vorgesehen. Auf dem Träger 250 ist ein automatisiertes, horizontal beidseitig verfahrbares Transfersystem 253 montiert. Die vertikale Hubvorrichtung 260 in Verbindung mit dem Transfersystem 253 dient dazu, eine Palette 5 mit Werkstücken 6 zwischen der Abkühlkammer 290 den Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) zu transferieren.
  • Die Schleusenkammer 280 und die Abkühlkammer 290 sind mit - in Fig. 4 nicht gezeigten - Vakuumpumpen bzw. einem Vakuumpumpenstand verbunden und können unabhängig voneinander auf einen Druck von unter 100 mbar evakuiert werden. Optional ist zudem jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) mit einer Vakuumpumpe bzw. mit dem Vakuumpumpenstand verbunden und unabhängig von den anderen Kammern evakuierbar. Analog zu der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 100 ist die Abkühlkammer 290 mit einem Druckbehälter für ein Kühlgas, beispielsweise Helium oder Stickstoff, und jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) mit einem Behälter für ein Kohlenstoff-haltiges Gas, wie Azetylen und/oder einem Behälter für ein Stickstoff-haltiges Gas verbunden.
    Jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) ist mit beweglichen Schiebern (211, 221, 231, 241) ausgestattet, die primär zum thermischen Einschluß und zur Speicherung von Wärmeenergie in den Aufkohlkammern (210, 220, 230,240) dienen. Die thermischen Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) werden lediglich zur Einbringung und Entnahme von Werkstücken in bzw. aus den Aufkohlkammern (210,220, 230,240) geöffnet. Optional können die thermischen Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) als Vakuumschieber ausgebildet sein, so dass die Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) vakuumdicht gegen die Schleusenkammer 280 verschliessbar sind.
    Analog zu der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 100, sind die Aufkohlkammern (210, 220, 230,240) der Vorrichtung 200 mit einer mehrlagigen Auskleidung aus einem wärmespeichernden Material wie Grafit und einem thermisch isolierenden Material wie Grafitfilz ausgerüstet.
    In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung 200 umfasst die Schleusenkammer 280 eine Aufnahme für eine Palette 5, die es ermöglicht, die Palette 5 mit Werkstücken 6 zu "parken", um sie bereit zu halten für die Beladung einer der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240), sobald letztere entladen und freigegeben ist. Diese "Parkaufnahme" ist vorzugsweise vertikal oberhalb der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) angeordnet. Mittels der Parkaufnahme kann die Taktzeit für das Aufkohlen einer Palette verringert und somit der Durchsatz bzw. die mit der Vorrichtung 200 erzielbare Produktivität erhöht werden.
  • Die in Fig. 3 und 4 gezeigten Vorrichtungen 100 und 200 sind modular aufgebaut, so dass es möglich ist, weitere Aufkohlkammern hinzuzufügen, um die Produktivität zu erhöhen. Je nach Dauer der einzelnen, nachfolgend aufgelisteten Verfahrensschritte
    • Einbringen der Palette in die Abkühlkammer
    • Abpumpen der Abkühlkammer
    • Transfer in eine leere Aufkohlkammer, optional mit Zwischenlagerung in einer Parkaufnahme
    • Aufkohlen und Diffusion
    • Transfer in die Abkühlkammer
    • Abkühlen
    • Entnahme der Palette aus der Abkühlkammer
    kann es sich als zweckmäßig erweisen, 6 anstelle von 4 Aufkohlkammern, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, einzusetzen. Wenn die benötigte Produktionskapazität gering ist, können andererseits lediglich 2 oder 3 Aufkohlkammern verwendet werden, um die anfänglichen Investitionskosten zu verringern.
  • Die Figuren 5A-5B zeigen eine schematische Front- und Seitenansicht einer erfindungsgemäß bevorzugten Transfervorrichtung (260, 253) für die in Fig. 4 wiedergegebene Vorrichtung 200 mit Schleusenkammer 280.
    Das Transfersystem (260, 253) umfasst zwei vertikal angeordnete Kettenantriebe mit oberen und unteren Umlenkungen (261, 263; 261', 263') und Ketten (262; 262'). Die Kette 262' ist mit einer horizontalen Plattform 254 verbunden. Die Plattform 254 ist an einem oder zwei Vertikallagern 265 geführt. Auf der Plattform 254 ist eine horizontal verfahrbare Teleskopgabel (255, 256) zur Aufnahme von Paletten 5 montiert. Die Teleskopgabel (255, 256) wird über ein Getriebe 251, das mit der Kette 262 gekoppelt ist, angetrieben. Die Kopplung zwischen der Kette 262 und dem Getriebe 251 erfolgt durch mehrfache Umlenkungen.
    Die Umlenkungen 263 und 263', bei denen es sich vorzugsweise um Zahnräder handelt, sind über Wellen 264 mit außerhalb der Schleusenkammer 280 angeordneten Motoren (in Fig. 5A-5B nicht gezeigt) gekoppelt. Zur Durchführung der Wellen 264 ist die Wand der Schleusenkammer 280 mit vakuumdichten Drehdurchführungen ausgestattet. Zum vertikalen Verfahren der Plattform 254 werden die Kettenantriebe (261, 262, 263) und (261', 262', 263') synchron angesteuert, so dass die Anstellung zwischen der Kette 262 und dem Getriebe 251 unverändert bleibt und die Teleskopgabel (255, 256) ihre horizontale Position beibehält. Hierdurch werden Kollisionen der Teleskopgabel (255,256) mit anderen Teilen der Vorrichtung 200 wie etwa den Aufkohlkammern verhindert. Das horizontale Verfahren der Teleskopgabel (255, 256) erfolgt, wenn die Plattform 254 an festgelegten vertikalen Positionen steht, indem die Kette 262 über das Zahnrad 263 und die Welle 264 von einem außerhalb der Schleusenkammer 280 angeordneten Motor angesteuert wird.
  • Fig. 6 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der Werkstücke 61, wie beispielsweise Getriebewellen, in einer vertikalen Lage bzw. Reihe zwischen Heizelementen 21 und 22 in einer Aufkohlkammer angeordnet sind. Die Werkstücke 61 werden mittels eines Gestells (in Fig. 6 nicht gezeigt) in ihrer Position gehalten. Hierbei ist das Gestell als Rahmen mit Aufhängungen oder als Trägerplatte mit mechanischen Halteeinrichtungen, wie Dornen zum Aufstecken oder Bohrungen zum Einstecken von Wellen, ausgebildet. Eine Vorrichtung zum Härten von Werkstücken in vertikaler Anordnung gemäß Fig. 6 ist analog zu den in Fig. 3 und 4 dargstellten Vorrichtungen konzipiert und unterscheidet sich von diesen lediglich dadurch, dass die Aufkohlkammern in horizontaler Richtung nebeneinander statt vertikal übereinander angeordnet sind. Hierzu entsprechend ist die Abkühlkammer horizontal verfahrbar bzw. die Schleusenkammer und die Transfervorrichtung horizontal angeordnet. Erfindungsgemäß sind sowohl die horizontale Lagerung von Werkstücken (beispielsweise auf einer Palette) gemäß den Fig. 3 und 4 als auch die vertikale Halterung oder Aufhängung nach Fig. 6 einbegriffen. Beiden der genannten Ausführungsformen ist das erfindungswesentliche Merkmal gemein, dass die Werkstücke in einer Lage bzw. einer Reihe, d.h. nach Art einer 2D-Charge in der Heizvorrichtung angeordnet sind, so dass 30 bis 100 % der Oberfläche jedes Werkstücks direkt der von der Heizvorrichtung emittierten Wärmestrahlung ausgesetzt ist.
  • Die in Fig. 6 gezeigten Heizelemente (21, 22) sind als mäanderförmige Flächenheizer aus Grafit oder CFC ausgeführt. Derartige Flächenheizer (21, 22) sind im Stand der Technik bekannt und werden kommerziell von verschiedenen Herstellern angeboten.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist die Abkühlkammer mit einer mechanischen Fixtureinrichtung und/oder einer Strömungsleitapparatur für das Kühlgas ausgerüstet. Die Fixtureinrichtung ist an die Geometrie der Werkstücke angepasst und dabei erfindungsgemäß in der Abkühlkammer oberhalb der abzukühlenden Werkstücke angeordnet. Vor Beginn des Gaseinlasses wird entweder die Palette mit den Werkstücken mit einer definierten Kraft von unten gegen die Fixtureinrichtung gedrückt, oder die Fixtureinrichtung wird vor Beginn des Gaseinlasses mit definierter Kraft von oben auf die Werkstücke gedrückt. Mit Hilfe der Fixtureinrichtung wird die Ebenheit der Werkstücke nach dem Abkühlen deutlich verbessert und somit der Verzug der Werkstücke deutlich gemindert.
  • Außerdem kann die Abkühlkammer mit einer Strömungsleitapparatur zum verzugsarmen Abkühlen der Werkstücke ausgestattet sein. Diese Leitapparatur ist dabei in der Abkühlkammer oberhalb der abzukühlenden Werkstücke angeordnet und derart ausgestaltet, dass die Bauteile mit einer hohen lokalen Gasgeschwindigkeit angeströmt werden und zudem die Abkühlung sehr gleichmäßig erfolgt. Um eine möglichst gleichmäßige Abkühlung zu bewirken, werden dabei Bauteilsegmente mit großer Wandstärke mit hoher Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt und Bauteilsegmente mit kleiner Wandstärke mit kleiner Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt. Weiterhin ist es möglich die Leitapparatur "dreidimensional" zu gestalten, so dass die Werkstücke sowohl von oben als auch seitlich gezielt mit Kühlgas beaufschlagt werden. Dazu müssen vor Beginn des Gaseinlasses entweder die Werkstücke von unten in die Leitapparatur hineingehoben werden oder die Leitapparatur von oben auf die Werkstücke hinabgelassen werden.
  • Mit Hilfe der Strömungsleitapparatur wird die Abkühlgeschwindigkeit der Werkstücke deutlich erhöht. Dies ermöglicht die Härtung von Werkstücken aus weniger gut legierten Werkstoffen. Zudem werden die Gasverbrauchskosten gesenkt, da mit kleineren Gasdrücken abgeschreckt werden kann. Im Weiteren wird der Verzug der Werkstücke deutlich gemindert, da die Abkühlung gleichmäßiger erfolgt und somit weniger Spannungen im Werkstück erzeugt werden.
  • Nur aufgrund der erfindungsgemäß einlagigen Wärmebehandlung (2D-Chargierung) ist es möglich die Fixtureinrichtung und/oder die Strömungsleitapparatur einzusetzen. Beim Stand der Technik mit mehrlagiger 3D-Chargierung ist es nicht möglich, diese Optionen einzusetzen.
    • Messverfahren für Temperatur und Kohlenstoffgehalt
  • Verfahren zur Messung der Temperatur von metallischen Werkstücken sind dem Fachmann geläufig. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die Temperatur der Werkstückoberfläche mittels Thermolementen, Pyrometer und Wärmebildkamera gemessen. Jedes der Thermoelemente wurde mittels Draht an den Werkstücken derart befestigt, dass die gesamte Sensorfläche des Thermoelements mit der Werkstückoberfläche in Kontakt steht. Um einen guten Kontakt zwischen Sensor und Werkstück zu ermöglichen, wird dazu eine kleine Nut in die Bauteiloberfläche eingebracht. Das Thermoelement sowie der Befestigungsdraht haben eine im Vergleich zum Werkstück vernachlässigbare Wärmekapazität.
  • Die Temperatur im Kern der Werkstücke wurde ebenfalls mittels Thermolementen gemessen. Hierzu wurde an der zu messenden Stelle des Werkstücks ein Sackloch mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,5 mm gebohrt und das Thermolement in das Sackloch eingeführt. Anhand der Temperatur im Kern der Werkstücke wird die spezifische Kühlrate in Einheiten von [kJ·kg-1·s-1] ermittelt. Hierzu wird das Produkt aus der gemessenen Temperatur T und der spezifischen Wärmekapazität C (Einheit kJ·kg-1·K-1) des Werkstücks im Bereich von 800 bis 500 °C integriert, gemäß der Beziehung Q = ∫C(T)dT, und durch die zur Kühlung benötigte Zeit dividiert. Im Fall von Stahl beträgt die spezifische Wärmekapazität bei einer Temperatur von 800 °C etwa 0,8 kJ·kg-1·K-1 und steigt in einem schmalen Temperaturbereich um 735 °C auf ein Mehrfaches dieses Wertes.
  • Die Aufzeichnung der Signale der Thermolemente erfolgte mittels einer mobilen wärmegedämmten elektronischen Messwerterfassung ("Furnace-Tracker"), die zusammen mit den Werkstücken in die Härtungsvorrichtung, d.h. sowohl in die Abkühlkammer wie auch in die Aufkohlkammern eingebracht wurde.
  • Mittels der Thermolemente wurde zum Einen der Temperaturverlauf während der Aufheizung der Werkstücke in den Aufkohlkammern und während der Abkühlung in der Abkühlkammer bestimmt.
  • Zur Bestimmung des Randkohlenstoffgehalts wurde die Werkstückoberfläche unter einem flachen Winkel von 10° bis zu einer Tiefe von etwa 1000 µm abgeschliffen und die Schlifffläche nach sorgfältiger Reinigung mittels optischer Spektralanalyse, Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), sowie Elektronenstrahl-Mikroanalyse (Electron Probe Micro Analysis, EPMA) mit einer lateralen Auflösung von weniger als 10 µm, d.h. einer Tiefenauflösung von kleiner 3,5 µm (= 10 µm x sin(10°)) vermessen. Die mittels SIMS erzielte chemische Nachweisgrenze für Kohlenstoff liegt im Bereich von weniger als 1 ppm.
    • Beispiele Beispiel 1:
  • Aus Sonnenrädern aus dem Werkstoff 20MoCr4 mit Außendurchmesser 54 mm, Innendurchmesser 30 mm und Höhe 35 mm wurde eine 2D-Charge mit einer Lage aus 5 Reihen à 8 Stücken, d.h. 40 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 12,5 kg und eine 3D-Charge mit 8 Lagen mit jeweils 5 Reihen à 8 Stücken, d.h. 320 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 100 kg zusammengestellt. Als Chargiergestell für eine Lage wurden sowohl für die 2D-Charge wie für die 3D-Charge baugleiche Maschengitter aus CFC der Abmessung 450 mm x 600 mm eingesetzt.
  • Für das Ergebnis der Härtungsprozesse wurden folgende Zielwerte vorgegeben:
    • Einsatzhärtetiefe 0,3 bis 0,5 mm bei einer Grenzhärte von 610 HV;
    • Oberflächenhärte von 670 HV an der Stirnfläche; und
    • Kernhärte von größer 280 HV10 in der Mitte des Zahnes im Fußkreis.
  • Fig. 7 zeigt einen Vergleich des Temperaturverlaufs von Werkstücken, die (2D-Charge, einlagig) und konventionell (3D-Charge, mehrlagig) gehärtet wurden. Die Messung der Temperatur erfolgt in beiden Fällen mittels mehrerer Thermoelemente die an Werkstücken angebracht wurden, die in der Mitte und am Rand der jeweiligen Charge positioniert wurden. Die Messdaten der Thermoelemente wurden mittels eines Furnace-Trackers aufgzeichnet. Bei der 2D-Charge steigt die Temperatur rasch an, wobei zwischen einem mittig und einem randseitig in der Charge positionierten Werkstück kein Unterschied im Temperaturverlauf erkennbar ist. Demgegenüber unterscheidet sich bei der 3D-Charge der Temperaturverlauf eines in der Chargenmitte und eines am Chargenrand positionierten Werkstücks in erheblichem Maße. Außerdem steigt die Temperatur der Werkstücke in der 2D-Charge schneller an als die der randseitigen Werkstücke der 3D-Charge. Dieser Unterschied ist eine Folge der Strahlungsenergie, die in der 3D-Charge außenliegende Werkstücke an innen liegende Werkstücke abgeben bzw. verlieren. Um alle Werkstücke in der 3D-Charge, insbesondere die innenliegenden Werkstücke auf eine Temperatur von 1050 °C aufzuheizen, wird ein Zeit von etwa 130 min benötigt. Demgegenüber erfolgt die Aufheizung bei der 2D-Charge in etwa 15 min.
  • In Fig. 8 ist der Verlauf der Härte als Funktion des Abstandes von der Oberfläche der Werkstücke wiedergegeben. Anhand der Messkurven ist die Einsatzhärtetiefe oder sogenannte "Case Hardening Depth" (CHD) ersichtlich. Die Bestimmung der CHD erfolgt gemäß DIN ISO 2639 (2002). Hierzu wird das zu prüfende Bauteil unter Vermeidung von Wärmeentwicklung senkrecht zur Oberfläche getrennt. In zunehmendem Abstand von der Oberfläche wird dann - im Regelfall mit einer Prüflast von 9,8 N - die Vickershärte HV1 gemessen. Der Abstand von der Oberfläche bis zu dem Punkt an dem die Härte der Grenzhärte (Hs, in diesem Fall 610 HV1) entspricht, wird als CHD bezeichnet.
  • Aus Fig. 8 ist zu entnehmen dass die Streuung (Differenz zwischen dem größten und kleinsten Messwert) der CHD-Werte in der 2D-Charge mit etwa 0,06 mm wesentlich geringer ist als die der 3D-Charge mit etwa 0,12 mm.
  • Fig. 9 zeigt eine Gegenüberstellung der Messwerte für die Kernhärte. Zur Bestimmung der Kernhärte wird ein gehärtetes Werkstück (vorliegend die oben beschriebenen Sonnenräder) senkrecht zu seiner Symmetrieachse unter Vermeidung von Wärmenetwicklung getrennt. Die Trennfläche wird geschliffen und poliert. Dann wird im Zahnfußkern (= Mitte zwischen Zahnfußrundungen) die Härte nach Vickers [HV10] bestimmt. Diese Messung wird gemäß DIN EN ISO 6507-1 (Metallische Werkstoffe - Härteprüfung nach Vickers - Teil 1: Prüfverfahren ISO 6507-1 : 2005; Deutsche Fassung EN ISO 6507-1 : 2005) vorgenommen. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dass die Streuung der Kernhärte in der 2D-Charge wesentlich geringer ist als in der 3D-Charge.
  • Fig. 10 zeigt im Vergleich die Streuung des Randkohlenstoffgehalts der nach Beispiel 1 behandelten 2D-Charge und der konventionell aufgekohlten 3D-Charge. Der Randkohlenstoffgehalt wurde, wie vorstehend beschrieben, mittels Spektralanalyse, SIMS und EPMA an einem Oberflächenschliff ermittelt, indem das Kohlenstoffsignal über einen Tiefenbereich von 0 bis 100 µm integriert wurde.
    • Beispiel 2:
  • Aus Hohlrädern aus dem Werkstoff 28Cr4 mit Außendurchmesser 140 mm, Höhe 28 mm mit 98 Zähnen wurden eine 2D-Charge mit einer Lage mit 8 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 6,5 kg und eine 3D-Charge mit 10 Lagen mit 8 Stücken, d.h. 80 Stücken mit einem Gesamtgewicht von 65 kg zusammengestellt. Als Chargiergestell für eine Lage wurden sowohl für die 2D-Charge wie für die 3D-Charge baugleiche Maschengitter aus CFC der Abmessung 450 mm x 600 mm eingesetzt.
  • In Fig. 11 sind die Messergebnisse für den thermischen Verzug bzw. die Änderung der Ovalität von 8 Hohlrädern aus der 2D-Charge und von 8 Hohlrädern aus der 3D-Charge wiedergegeben. Die Positionen der 8 Hohlräder der 2D-Charge und der 8 Hohlräder der 3D-Charge waren hierbei gleichmäßig über die Fläche bzw. das Volumen der 2D- und 3D-Charge verteilt. Die Ovalität wurde am Außenumfang der Hohlräder vor und nach Aufkohlung mittels eines 3D-Koordinatenmessystems gemessen und die Differenz der Ovalitätswerte vor und nach Aufkohlung gebildet.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Härten von Werkstücken (6) umfassend die Schritte:
    (a) Erwärmen der Werkstücke (6) auf eine Temperatur von 950 bis 1200 °C, wobei 30 bis 100 % der Oberfläche jedes Werkstücks (6) mit direkter Wärmestrahlung einer Aufkohlkammer (210, 220, 230, 240) erwärmt wird;
    (b) Beaufschlagen der Werkstücke (6) mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C und einem Druck von unter 100 mbar;
    (c) Halten der Werkstücke (6) in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C;
    (d) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (b) und (c); und
    (e) Abkühlen der Werkstücke (6); wobei
    eine Vorrichtung (200) verwendet wird, die zwei oder mehrere Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240), mindestens eine Abkühlkammer (290), eine zwischen den Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) und der Abkühlkammer (290) angeordnete Schleusenkammer (280) und ein Transfersystem (260,253) zum Handhaben von Gestellen (5) für die Werkstücke (6) umfasst, wobei die Abkühlkammer (290) über einen Vakuumschieber (292) mit der Schleusenkammer (280) verbindbar ist, jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) über thermische Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) mit der Schleusenkammer (280) verbindbar ist und jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) eine Aufnahme für ein Gestell (5) und mindestens zwei Heizelemente (21, 22) aufweist; und
    die Taktzeit für die Durchführung der Schritte (a) bis (e) bezogen auf ein Werkstück (6) 5 bis 120 s beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) jedes der Werkstücke (6) mit Wärmestrahlung aus zwei oder mehreren Raumrichtungen erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) die oberflächennahe Zone jedes der Werkstücke (6) mit einer Rate von 35 bis 135 °C·min-1, bevorzugt 50 bis 110 °C·min-1, und insbesondere 50 bis 75 °C·min-1 erwärmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (a) der Kern jedes der Werkstücke (6) mit einer Rate von 18 bis 120 °C·min-1 erwärmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (e) die Werkstücke (6) in einem Temperaturbereich von 800 bis 500 °C mit einer spezifischen Kühlrate von 2 bis 20 kJ·kg-1·s-1 abgekühlt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) die Werkstücke (6) mit Azetylen und/oder Ammoniak beaufschlagt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (e) die Werkstücke (6) mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff abgekühlt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (6) mittels Stickstoff bei einem Druck von 2 bis 20 bar, vorzugsweise 4 bis 8 bar und insbesondere 5 bis 7 bar abgekühlt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (e) die Oberfläche der Werkstücke (6) von einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1200 °C innerhalb von 40 bis 100 s auf eine Temperatur von 300 °C abgekühlt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktzeit für die Durchführung der Schritte (a) bis (e) bezogen auf ein Werkstück (6) 5 bis 60 s, vorzugsweise 5 bis 40 s beträgt.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Schritte:
    (i) einlagiges Anordnen der Werkstücke (6) in/auf einem Gestell (5);
    (ii) Einbringen des Gestells (5) mit den Werkstücken (6) in eine Abkühlkammer (290), Evakuieren auf einen Druck von unter 100 mbar;
    (iii) Transfer des Gestells (5) in eine Aufkohlkammer (210, 220, 230, 240), wobei das Gestell vor dem Einbringen in die Aufkohlkammer (210, 220, 230, 240) gegebenenfalls in einer Parkaufnahme zwischengelagert wird;
    (iv) Erwärmen der Werkstücke (6) auf eine Temperatur von 950 bis 1200 °C mittels Wärmestrahlung, wobei 30 bis 100 % der Oberfläche jedes Werkstücks (6) mit direkter Wärmestrahlung der Aufkohlkammer (210, 220, 230, 240) erwärmt wird;
    (v) Beaufschlagen der Werkstücke (6) mit einem Kohlenstoff-haltigen Gas und/oder einem Stickstoff-haltigen Gas bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C und einem Druck von unter 100 mbar;
    (vi) Halten der Werkstücke (6) in einer Atmosphäre mit einem Druck von unter 100 mbar bei einer Temperatur von 950 bis 1200 °C;
    (vii) gegebenenfalls ein- oder mehrfache Wiederholung der Schritte (iv) und (v);
    (viii) Transfer des Gestells (5) mit den Werkstücken (6) in die Abkühlkammer (290);
    (ix) Abkühlen der Werkstücke (6) mit einem Gas, vorzugsweise mit Stickstoff; und
    (x) Entnahme des Gestells (5) mit den Werkstücken (6) aus der Abkühlkammer (290).
  12. Vorrichtung (200) zum Härten von Werkstücken (6) gemäß einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, umfassend zwei oder mehrere Aufkohlkammern (210,220,230,240), mindestens eine Abkühlkammer (290), eine zwischen den Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) und der Abkühlkammer (290) angeordnete Schleusenkammer (280) und ein Transfersystem (260,253) zum Handhaben von Gestellen (5) für die Werkstücke (6), wobei die Abkühlkammer (290) über einen Vakuumschieber (292) mit der Schleusenkammer (280) verbindbar ist, jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) über thermische Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) mit der Schleusenkammer (280) verbindbar ist und jede der Aufkohlkammern (210, 220, 230, 240) eine Aufnahme für ein Gestell (5) und mindestens zwei Heizelemente (21, 22) aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von ihnen emittierte Strahlung die Oberfläche jedes der Werkstücke (6) unter einem mittleren Raumwinkel von 0,5 π bis 2 π bestrahlt.
  13. Vorrichtung (200) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Isolationsschieber (211, 221, 231, 241) als Vakuumschieber ausgestaltet sind.
  14. Vorrichtung (200) nach den Ansprüchen 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlkammer (290) zwei Vakuumschieber (291, 292) zum Einbringen und Entnehmen von Werkstücken (6) umfasst.
  15. Vorrichtung (200) nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (21, 22) als Flächenstrahler ausgebildet sind.
  16. Vorrichtung (200) nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (21, 22) aus Grafit oder Kohlenstoffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen.
  17. Vorrichtung (200) nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestelle (5) als gitterartige Paletten ausgebildet sind.
  18. Vorrichtung (200) nach den Ansprüchen 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestelle (5) aus Grafit oder Kohlenstofffaser-verstärktem-Kohlenstoff (CFC) bestehen.
  19. Vorrichtung (200) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Transfersystem (260,253) vertikal angeordnete Kettenantriebe mit oberen und unteren Umlenkungen (261, 263; 261', 263') und Ketten (262; 262') sowie eine horizontal verfahrbare Teleskopgabel (255, 256) zur Aufnahme von Paletten (5) umfasst, wobei die Teleskopgabel (255, 256) über ein Getriebe (251) mit einer der Ketten (262) gekoppelt ist.
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