WO2002066698A1 - Vorrichtung zum partiellen aufkohlen von bauteilen - Google Patents

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Johann Kitzberger
Nils Lippmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • C23C—COATING 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
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/04—Treatment of selected surface areas, e.g. using masks

Definitions

  • the invention relates to a device for partially carburizing components according to the preamble of claim 1.
  • Vacuum carburizing processes are increasingly being used to carburize geometrically complex components with high strength requirements.
  • the heat treatment takes place in a vacuum furnace with hydrocarbons as the carburizing medium, which are either decomposed in a plasma or thermally and thereby provide the carbon required for the carburizing.
  • the carbon diffuses into the component on the surface and thereby increases the strength of the component on the surface.
  • Glow seam must be formed on the surface to be carburized.
  • the partial carburization is achieved by covering the non-carburized surface sections with a paste. This measure requires additional work steps to apply or remove the paste after the carburizing process has been carried out.
  • the pastes used also cause contamination during the process by non-adhering paste particles.
  • the device according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the productivity of the carburizing process is increased by dispensing with the application of the covering paste and its removal or cleaning.
  • an improved treatment of geometrically complex components is possible both on the component inside and outside and with regard to the uniformity in the batch, since the same cover is used for all components.
  • the covers can already be removed after the heat treatment at a slightly reduced temperature, as a result of which the subsequent quenching step for hardening the component is considerably more effective, since the previously covered sections of the component come into contact with the quenching medium in the same way. It also helps to increase productivity that the number of parts to be treated per batch can be increased.
  • the penetration of the process gas through the gap between the component and the cover is effectively prevented if the gap is reduced to the required minimum due to the adaptation of the thermal expansion coefficients of the cover body and the component during the heat treatment.
  • the use of ceramic material has proven to be particularly suitable for the covering body.
  • FIG. 1 shows a partial section through a component with a covering body according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a partial section through a component with a covering body according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a partial section through a component with a covering body according to a third exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a sectional view through an end-side component section 11 of a cylindrical component 10 with a carburizing section 12 and a carburizing-free section 13.
  • the component 10 is subjected to a carburizing process known per se, in which the component 10 is located in a vacuum furnace and there is exposed to a hydrocarbon-containing process gas during a thermal treatment.
  • the Hydrocarbons of the process gas are either decomposed in a plasma or thermally and thereby supply the carbon required for the carburizing, which is embedded in the surface of the component 10 and can penetrate further through diffusion processes.
  • the carburization-free section 13 has a dash-dot line
  • the carburization-free component surface 15 is provided with a covering body in the form of a cap closed on the inner end face
  • the cap 17 is designed so that it can be plugged onto the carburization-free section 13 of the component 10 and the carburization-free component surface
  • a gap 19 is present between the cap 17 and the carburization-free component surface 15.
  • the gap 19 should have the smallest possible gap width, at least during the thermal-chemical treatment.
  • a gap-free or at least approximately gap-free cover is achieved if the thermal expansion coefficient of the material of the cap 17 is less than the thermal expansion coefficient of the material of the component 10. This reduces the gap width of the gap 19 during the thermal treatment, with a corresponding Adjustment of the thermal expansion coefficient and a correspondingly narrow tolerance between the outer diameter of the carburization-free section 13 and the inner diameter of the cap 17, the gap width can be reduced so far that none Process gas can reach the carburization-free component surface 15.
  • the inner cylinder surface of the cap 17 In order to provide the entire carburization-free component surface 15 of the component 10 with a substantially gap-free cover, the inner cylinder surface of the cap 17 must be worked so that it is essentially adapted to the carburization-free component surface 15. In the case of large carburization-free component surfaces 15 in particular, this requires high demands on the precision with regard to the manufacturing tolerances both with regard to the component 10 and with respect to the cap 17.
  • a further cap 21 is provided in FIG. 2 for the same component 10 as in FIG. 1 to cover the surface 15 which is free of openings and which has an inwardly directed collar 22 at the beginning of the carburization-free component surface 15.
  • a wider gap 24 is thus formed between the cap 21 and the remaining carburization-free component surfaces 15.
  • This embodiment of the cover body has the advantage that an adjustment of the cylinder inner surface of the further cap 21 to the carburization-free component surface 15 is only necessary in the region of the inward collar 22.
  • the remaining inner surface of the further cap 21 therefore does not have to be adapted to the carburization-free component surface 15.
  • the section present at the beginning of the carburization-free component surface 15 thus forms the necessary barrier to keep the process gas at least as far as possible from the carburization-free component surface 15.
  • FIG. 3 A third exemplary embodiment is shown in FIG. 3, in which the component 10 also has a conical section 25 Conical carburization-free component surface 26 has.
  • the covering of the carburization-free component surface 26 is realized here by a sleeve 30 with an inwardly directed front collar 31 and an inwardly directed rear collar 32.
  • the collars 31, 32 are each provided with a conical inner contour adapted to the conical outer contour of the carburization-free component surface 26.
  • the conical inner contour of the sleeve 30 is pushed over the conical section 25 of the component 10 so that the front collar 31 and the rear collar 32 rest on the surface of the conical section 25 and inject the carburized component surface 26. This creates a shut-off, whereby the process gas is prevented from reaching the carburization-free component surface 26 of the conical section 25.
  • the carburization-free component surface is an inner surface or a section of an inner surface.
  • the covering body is designed as a bolt which is adapted with its outer surface to the carburization-free inner surface of the component. In order to reduce the gap width between the bolt and the component during the thermal treatment, care must be taken in this embodiment that the thermal expansion coefficient of the material of the bolt is greater than the thermal expansion coefficient of the material of the corresponding component.
  • a suitable material for the covering body in the form of the cap 17, the further cap 21 or the sleeve 30 is, for example, a ceramic or a composite material with ceramic parts.
  • Such ceramic materials, such as Al2 ⁇ 3-Si02 systems have a lower thermal Expansion coefficients on than the steel of the component 10 to be carburized.
  • Carburizing temperature is generated due to the different thermal expansion coefficients a positive connection between component 10 and covering body, so that the carburizing-free component surface 15, 26 is blocked off essentially without a gap relative to the carburizing section 12.
  • the process gas can therefore not penetrate to the carburization-free component surface 15, 26.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum partiellen Aufkohlen von Bauteilen mit einem Prozessgas als Aufkohlungsmedium vorgeschlagen, bei dem das Bauteil bei einer Aufkohlungstemperatur dem Prozessgas ausgesetzt ist. Die Vorrichtung weist eine Abdeckung auf, die eine aufkohlungsfreie Bauteilteiloberfläche (15, 26) am Bauteil (10) gegenüber dem Prozessgas abschirmt. Die Abdeckung ist von einem massiven Abdeckkörper (17, 21, 30) gebildet, der bei der Aufkohlungstemperatur zumindest in einem Grenzbereich zum Aufkohlungsmedium hin das Bauteil (10) zumindest annähernd spaltfrei berührt, so dass das Prozessgas gehindert wird, zur aufkohlungsfreien Bauteiloberfläche (15, 26) vorzudringen.

Description

Vorrichtung zum partiellen Aufkohlen von Bauteilen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum partiellen Aufkohlen von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Zum Aufkohlen geometrisch komplexer Bauteile mit hohen Festigkeitsanforderungen werden zunehmend Unterdruckaufkohlungsverfahren eingesetzt. Die Wärmebehandlung erfolgt dabei in einem Vakuumofen mit Kohlenwasserstoffen als Aufkohlungsmedium, die entweder in einem Plasma oder thermisch zersetzt werden und dabei den für das Aufkohlen benotigten Kohlenstoff zur Verfugung stellen. Der Kohlenstoff diffundiert dabei an der Oberflache in das Bauteil ein und erhöht dadurch an der Oberflache die Festigkeit des Bauteils.
Bei einzelnen Bauteilen ist es notwendig, daß bestimmte Oberflachenabschnitte, wie Gewinde- oder Dusenabschnitte, keine Aufkohlung erfahren dürfen. Zur Realisierung der partiellen Aufkohlung wird bei den Plasmaverfahren eine Maskierung der nicht aufzukohlenden Abschnitte durchgeführt. Das Plasmaverfahren ist jedoch bei der Behandlung komplexer Geometrien mit engen Bohrungen, Spalten und Sacklochbohrungen ungunstiger als das thermische
Aufkohlungsverfahren, da beim Plasmaaufkohlungsverfahren ein
Glimmsaum an der aufzukohlenden Oberflache ausgebildet sein muß.
Beim thermischen Aufkohlungsverfahren wird die partielle Aufkohlung durch eine Abdeckung der nicht aufzukohlenden Oberflachenabschnitte mit einer Paste realisiert. Diese Maßnahme erfordert zusatzliche Arbeitsgange zum Auftragen bzw. Abtragen der Paste nach dem durchgeführten Aufkohlungsverfahren. Die verwendeten Pasten bewirken außerdem eine Verschmutzung wahrend des Prozesses durch nicht anhaftende Pastenpartikel. Außerdem kommt es zu einer verringerten Abschreckwirkung im abgedeckten Oberflachenbereich, wodurch Harteverluste auftreten.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemaße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die Produktivität des Aufkohlungsverfahrens gesteigert wird, indem das Auftragen der Abdeckpaste und deren Abtragen bzw. Reinigen entfallt. Darüber hinaus ist eine verbesserte Behandlung geometrisch komplexer Bauteile sowohl am Bauteil innen und außen als auch hinsichtlich der Gleichmäßigkeit in der Charge möglich, da für alle Bauteile die gleiche Abdeckung verwendet wird. Außerdem können die Abdeckungen nach der Wärmebehandlung bereits bei einer geringfügig reduzierten Temperatur entfernt werden, wodurch der nachfolgende Abschreckschritt zum Harten des Bauteils wesentlich wirkungsvoller ist, da der vorher abgedeckte Abschnitte am Bauteil in gleicher Weise mit dem Abschreckmedium in Berührung kommt. Zur Steigerung der Produktivität tragt außerdem bei, daß die Anzahl der zu behandelnden Teile pro Charge erhöht werden kann. Durch die in den Unteranspruchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Das Eindringen des Prozeßgases durch den Spalt zwischen dem Bauteil und der Abdeckung wird dadurch wirkungsvoll verhindert, wenn sich der Spalt aufgrund der Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Abdeckkorpers und des Bauteils wahrend der Wärmebehandlung auf das erforderliche Minimum verringert. Die Verwendung von keramischem Material hat sich als besonders geeignet für den Abdeckkorper herausgestellt.
Zeichnung
Drei Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Figur 1 zeigt einen Teilschnitt durch ein Bauteil mit einem Abdeckkorper gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel, Figur 2 einen Teilschnitt durch ein Bauteil mit einem Abdeckkorper gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel und Figur 3 einen Teilschnitt durch ein Bauteil mit einem Abdeckkorper gemäß einem dritten Ausfuhrungsbeispiel .
Ausfuhrungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen endseitigen Bauteilabschnitt 11 eines zylinderformigen Bauteils 10 mit einem Aufkohlungsabschnitt 12 und einem aufkohlungsfreien Abschnitt 13. Zur Herstellung einer geharteten Oberflache wird das Bauteil 10 einem an sich bekannten Aufkohlungsverfahren ausgesetzt, bei dem sich das Bauteil 10 in einem Vakuumofen befindet und dort einem Kohlenwasserstoffe enthaltenden Prozeßgas wahrend einer thermischen Behandlung ausgesetzt wird. Die Kohlenwasserstoffe des Prozeßgases werden entweder in einem Plasma oder thermisch zersetzt und liefern dabei den für das Aufkohlen benotigten Kohlenstoff, der an der Oberflache in das Bauteils 10 eingelagert wird und durch Diffusionsprozesse weiter eindringen kann.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel weist der aufkohlungsfreien Abschnitt 13 eine Strich-Punkt-Linie
14 an der Oberflache auf, die an der Oberflache des Bauteils 10 eine aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 ausbildet.
Damit das Prozeßgas nicht oder nur schwer an die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 gelangt, ist die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 mit einem Abdeckkorper in Form einer an der inneren Stirnseite geschlossenen Kappe
17 versehen. Die Kappe 17 ist dabei so gestaltet, daß sie auf dem aufkohlungsfreien Abschnitt 13 des Bauteils 10 aufsteckbar ist und die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache
15 bedeckt.
Zwischen der Kappe 17 und der aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 15 ist ein Spalt 19 vorhanden. Der Spalt 19 sollte dabei eine geringstmogliche Spaltbreite zumindest wahrend der thermisch-chemischen Behandlung aufweisen. Eine spaltfreie bzw. zumindest annähernd spaltfreie Abdeckung wird dadurch erreicht, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Kappe 17 geringer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Bauteils 10. Dadurch verringert sich die Spaltbreite des Spalts 19 wahrend der thermischen Behandlung, wobei mit einer entsprechenden Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer entsprechend engen Toleranz zwischen Außendurchmesser des aufkohlungsfreien Abschnitts 13 und Innendurchmesser der Kappe 17 die Spaltbreite so weit verringert werden kann, daß kein Prozeßgas an die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 gelangen kann.
Um die gesamte aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 des Bauteils 10 mit einer im wesentlichen spaltfreien Abdeckung zu versehen, muß die innere Zylinderflache der Kappe 17 so gearbeitet sein, daß sie im wesentlichen an die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 angepaßt ist. Dies erfordert insbesondere bei großen aufkohlungsfreien Bauteiloberflachen 15 hohe Anforderungen an die Präzision hinsichtlich der Fertigungstoleranzen sowohl bezuglich des Bauteils 10 als auch bezuglich der Kappe 17.
Um diese Anforderungen zu vereinfachen, ist in Figur 2 für das gleiche Bauteil 10 wie in Figur 1 zur Abdeckung der auf ohlungsfreien Bauteiloberflache 15 eine weitere Kappe 21 vorgesehen, die am Anfang der aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 15 einen nach innen gerichteten Bund 22 aufweist. In der Tiefe der weiteren Kappe 21 bildet sich somit ein breiterer Spalt 24 zwischen Kappe 21 und der restlichen aufkohlungsfreien Bauteiloberflachen 15 aus. Diese Ausfuhrungsform des Abdeckkorpers bietet den Vorteil, daß lediglich im Bereich des nach innen gerichteten Bundes 22 eine Anpassung der Zylinderinnenflache der weiteren Kappe 21 an die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 notwendig ist. Die übrige innere Flache der weiteren Kappe 21 muß somit nicht an die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 15 angepaßt sein. Der am Anfang der aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 15 vorhanden Abschnitt bildet somit die erforderliche Sperre aus, um das Prozeßgas von der aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 15 zumindest weitestgehend fernzuhalten.
Ein drittes Ausfuhrungsbeispiel zeigt Figur 3, bei dem das Bauteil 10 einen konischen Abschnitt 25 mit einer ebenfalls konisch verlaufenden aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 26 besitzt. Die Abdeckung der aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 26 wird hierbei von einer Hülse 30 mit einem nach innen gerichteten vorderen Bund 31 und einem nach innen gerichteten hinteren Bund 32 realisiert. Die Bunde 31, 32 sind jeweils mit einer an die konische Außenkontur der aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 26 angepaßten konischen Innenkontur versehen. Die konische Innenkontur der Hülse 30 wird zur Realisierung der Abdeckung über den konischen Abschnitt 25 des Bauteils 10 geschoben, so daß der vordere Bund 31 und der hintere Bund 32 auf der Oberflache des konischen Abschnitts 25 aufliegen und dabei die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 26 einschießen. Dadurch entsteht eine Absperrung, wodurch das Prozeßgas gehindert wird, an die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache 26 des konischen Abschnitts 25 zu gelangen.
Neben den beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen in Figur 1, 2 und 3 sind auch Ausfuhrungsformen denkbar, bei denen die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache eine Innenflache oder ein Abschnitt einer Innenflache ist. In diesem Fall ist der Abdeckkorper als Bolzen ausgeführt, der mit seiner Außenflache an die aufkohlungsfreie Bauteilinnenflache angepaßt ist. Um die Spaltbreite zwischen Bolzen und Bauteil bei der thermischen Behandlung zu verringern, ist jedoch bei dieser Ausfuhrungsform darauf zu achten, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Bolzens großer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des entsprechenden Bauteils.
Als Material für den Abdeckkorper in Gestalt der Kappe 17, der weiteren Kappe 21 oder der Hülse 30 eignet sich beispielsweise eine Keramik oder ein Verbundwerkstoff mit Keramikanteilen. Derartige keramische Materialien, wie z.B. Al2θ3-Sιθ2-Systeme weisen einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als der aufzukohlende Stahl des Bauteils 10.
Wahrend der Erwärmung des Bauteils 10 auf
Aufkohlungstemperatur wird aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine formschlussige Verbindung zwischen Bauteil 10 und Abdeckkorper erzeugt, so daß die aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 15, 26 im wesentlichen spaltfrei gegenüber dem Aufkohlungsabschnitt 12 abgesperrt wird. Das Prozeßgas kann somit nicht zur aufkohlungsfreien Bauteiloberflache 15, 26 vordringen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum partiellen Aufkohlen von Bauteilen (10) mit einem Aufkohlungsmedium, insbesondere mit einem Prozeßgas, dem das Bauteil (10) bei einer Aufkohlungstemperatur ausgesetzt ist, und mit einer Abdeckung, die eine aufkohlungsfreien Bauteiloberflache
(15, 26) gegenüber dem Aufkohlungsmedium abschirmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung von einem massiven Abdeckkorper (17, 21, 30) gebildet ist, der die aufkohlungsfreie Bauteiloberflache (15, 26) derart umschließt, daß das Aufkohlungsmedium gehindert wird, zur aufkohlungsfreien Bauteiloberflache (15, 26) vorzudringen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckkorper (17, 21, 30) mit seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten derart auf das Bauteil (10) abgestimmt ist, daß bei der Aufkohlungstemperatur zumindest am Grenzbereich zum Aufkohlungsmedium hin eine zumindest annähernd spaltfreie Berührung zwischen Bauteil (10) und Abdeckkorper (17, 21, 30) erzeugt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckkorper (17, 21, 30) eine äußere Oberflache (14, 26) des Bauteils (10) bedeckt und daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Abdeckkorpers (17, 21, 30) geringer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Bauteils (10) .
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckkorper (17, 21, 30) eine innere Oberflache des Bauteils (10) bedeckt und daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Abdeckkorpers (17, 21, 30) großer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Bauteils (10) .
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckkorper (17, 21, 30) am Grenzbereich zum Aufkohlungsmedium hin mit einem Bund (22, 31, 32) versehen ist, derart, daß sich die spaltfrei Berührung zwischen Korper (17, 21, 30) und Bauteil (10) ausschließlich im Bereich des Bundes (22,31,32) vorliegt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckkorper (17, 21, 30) aus einem keramischen Material oder einem Verbundwerkstoff mit einem keramischen Material besteht.
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