專利名稱：用于對工件進行淬火的方法和裝置以及根據(jù)該方法被淬火的工件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于對工件進行淬火的方法、一種用于實施該方法的裝置以及根據(jù)該方法被淬火的工件。根據(jù)本發(fā)明的方法包括下述步驟(a)將工件加熱到950°C至1200°C的溫度；(b)在950°C至1200°C的溫度和小于100毫巴的壓力時，向工件加載含碳的氣體和/或含氮的氣體；(c)在950°C至1200°C的溫度，將工件保持在壓力小于100毫巴的氣氛中；(d)可選地將步驟(b)和(C)重復一次或多次；并且(e)冷卻工件。根據(jù)本發(fā)明的裝置包括兩個或更多個滲碳室、至少一個冷卻室和一個用于操作用于工件的托架的傳送系統(tǒng)，其中，每個滲碳室可通過一個或多個真空活門或熱絕緣活門與冷卻室連接并且每個滲碳室具有用于托架的接納部和加熱元件。工件主要是指由金屬材料制成的機器部件和傳動裝置部件、例如由鋼合金如28Cr4(根據(jù)ASTM 5130)、16MnCr5、18CrNi8和18CrNiMo7_6制成的齒圈、齒輪、軸或噴射組件。
背景技術：
借助滲碳對工件進行淬火的方法和裝置已被現(xiàn)有技術公開。DE 103 22 255A1公開了一種用于在可抽真空的處理室中在高于930°C的溫度下借助碳排放氣體對鋼部件進行滲碳的方法，其中，在加熱期間和擴散階段期間均向處理室中添加氮排放氣體、如氨氣。DE 103 59 554B4描述了一種用于在真空爐中對金屬工件進行滲碳的方法，其中，爐氣氛具有碳載體，其在滲碳的過程條件下裂解釋放出純碳，其中，碳載體的輸入脈沖式地進行，每次滲碳脈沖之后是擴散暫停并且待輸入的碳氫化合物量在滲碳脈沖期間這樣改變，使得其匹配材料當前的吸收性，為此，在每次滲碳脈沖開始時乙炔體積流設定得很大并且測量爐氣氛或廢氣中存在的氫氣和/或乙炔和/或碳總量的濃度并且依此相應降低乙炔體積流。DE 10 2006 048 434A1涉及一種滲碳方法，該方法在熱處理爐中的保護氣體或處理氣氛中得以實施，其中，酒精和二氧化碳被加入熱處理爐中并且發(fā)生化學反應。乙醇和二氧化碳被加入熱處理爐中，所加入的乙醇和二氧化碳的比例優(yōu)選為I : 0.96。由此產(chǎn)生的熱處理氣氛特別適合于對金屬材料、例如鋼鐵材料進行滲碳以及滲碳中性的退火。DE 10 2007 038 991A1描述了一種用于對工件進行熱處理的、尤其是用于對金屬工件進行氣體滲碳的轉(zhuǎn)底爐，該轉(zhuǎn)底爐具有爐空間、限定爐空間底側(cè)的轉(zhuǎn)底、在側(cè)面包圍爐空間的外壁和在頂部限定爐空間的頂板，其中，爐空間借助內(nèi)壁劃分為至少兩個處理區(qū)，所述內(nèi)壁相對于轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)軸徑向延伸。為了處理工件，在轉(zhuǎn)盤上設置多個相對于轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)軸徑向定向的并且可在徑向上裝料的用于接納工件或工件支架的托架，其中，每個內(nèi)壁具有與托架互補地成形的通道，托架通過所述通道可在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時在圓周方向上穿過相應的內(nèi)壁。DE 10 2007 047 974A1公開了一種用于對鋼工件、尤其是具有外表面和內(nèi)表面的工件進行滲碳的方法，其中，將工件在850至1050°C的溫度范圍中保持在含有氣態(tài)的碳氫化合物的氣氛中。使用至少兩種不同的氣態(tài)的碳氫化合物和/或交替地將工件在滲碳脈沖期間保持在含有氣態(tài)的碳氫化合物的氣氛中和在擴散階段期間保持在無碳氫化合物的氣氛中?，F(xiàn)有技術中公開的方法具有一個或多個下述缺點-借助滲碳對工件進行淬火所需的溫度大于850°C，其中，加熱所需時間常常大于45分鐘。為了實現(xiàn)足夠的生產(chǎn)率或工件的高生產(chǎn)量，滲碳分批進行，且每批工件數(shù)量較多，所述工件以多個上下疊置的層設置在爐料托架中。例如具有10個爐柵的爐料托架裝載共160個由28Cr4合金(根據(jù)ASTM 5130)制成的齒圈，其中，在10個爐柵的每個上并排設置16個齒圈。常見的爐料托架或裝載位置在三個空間方向上分別具有400mm至2000mm范圍中的尺寸。這種傳統(tǒng)的裝料方式(Chargierung)在此并且在下面也被稱為“3D裝料”。滲碳在制造過程中在基本上串聯(lián)的機械加工(所謂的軟加工)之后進行。為此設置緩沖區(qū)，軟加工的工件聚集其中，直到完成3D裝料以進行滲碳。無論對于加熱爐還是緩沖區(qū)來說，對3D裝料進行滲碳都需要相當?shù)拿娣e。此外，3D裝料的滲碳使機械加工的準連續(xù)流中斷并導致物流成本增加。在3D裝料的緩沖狀態(tài)中(3D-Chargen-Pufferung)需要手動操作工件，因為出于技術和經(jīng)濟原因無法使用適合與此的機器人系統(tǒng)；-3D裝料滲碳時產(chǎn)生更多的含碳殘留物，其可污染工件以及周圍的生產(chǎn)線；-在3D裝料中進行滲碳的工件通常具有顯著的熱翹曲，其需要進行高成本的機械再加工(所謂的硬處理)；-在3D裝料中進行滲碳的工件在典型的特性如滲碳深度、表面碳含量和芯部硬度中差異較大，從而不能改善直接或間接受其影響的質(zhì)量參數(shù)例如由滲碳部件構成的機械傳動裝置的打滑或摩擦損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務在于提供一種用于對工件進行淬火的方法，該方法具有高生產(chǎn)率并且其在很大程度上克服了上述缺點。該任務通過一種包括下述步驟的方法得以解決(a)將工件加熱到950°C至1200°C的溫度，其中，每個工件表面的30至100%借助加熱裝置的直接的熱輻射被加熱；(b)在950°C至1200°C的溫度和小于100毫巴的壓力下，向工件加載含碳的氣體和/或含氮的氣體；(c)在950°C至1200°C的溫度下，將工件保持在壓力小于100毫巴的氣氛中；(d)可選地將步驟(b)和(C)重復一次或多次；并且(e)冷卻工件。在根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟(a)中，以下述方式完成工件的加熱將工件并排地以一層或一列設置于加熱裝置中。這種布置方式在此并且在下面也被稱為“2D裝料”。根據(jù)本發(fā)明的方法的其它方案的特征在于-在步驟(a)中，每個工件借助來自兩個或更多個空間方向的熱輻射被加熱；-在步驟(a)中，每個工件的靠近表面的區(qū)域以35至135°Ciin'優(yōu)選50至Iio0C min—1、并且尤其是50至75°C min—1的速率被加熱；-在步驟(a)中，每個工件的芯部以18至120°C mirT1的速率被加熱；-在步驟(e)中，將在800至500°C的溫度范圍中的工件(6)以2至20kJ^kgf1 .s—1的冷卻比率冷卻；-在步驟(b)中，向工件加載乙炔(C2H2)和/或氨氣(NH3)；-在步驟(e)中,借助氣體、優(yōu)選氮氣冷卻工件；-借助氮氣在2至20巴的壓力、優(yōu)選4至8巴并且尤其是5至7巴的壓力下冷卻工件；-在步驟(e)中，在40至100秒之內(nèi)將工件的表面從900至1200°C溫度范圍冷卻為300°C ;并且-就一個工件而言實施步驟(a)至(e)的周期時間為5至120秒、優(yōu)選5至60秒、并且尤其是5至40秒。為了以本發(fā)明的方法對質(zhì)量為50至300克的小的工件或構件、例如用于內(nèi)燃機的噴嘴或螺栓進行淬火，大約50至400個構件以單層至三層散堆物的形式設置在構造為筐的托架或特別制造的用于規(guī)則安置構件的托架中。由于筐中工件的數(shù)量很多，為了實施步驟(a)至(e)，可實現(xiàn)20至5秒范圍內(nèi)的短的周期時間。在此這樣選擇工件的堆積密度，使得每個工件表面的至少30 %借助加熱裝置的直接的熱輻射被加熱。根據(jù)本發(fā)明的方法尤其是包括下述步驟(i)將工件單層地布置在托架中/上；(ii)將帶有工件的托架送入冷卻室，將冷卻室抽真空至小于100毫巴的壓力；(iii)將托架傳送到滲碳室中，其中，可選地將托架在送入滲碳室之前暫時存放在停放接納部中；(iv)借助熱輻射將工件加熱到950°C至1200°C的溫度，其中，每個工件表面的30至100%借助滲碳室的直接的熱輻射被加熱；(V)在950°C至1200°C的溫度和小于100毫巴的壓力的情況下，向工件加載含碳的氣體和/或含氮的氣體；(vi)在950°C至1200°C的溫度，將工件保持在壓力小于100毫巴的氣氛中；(vii)可選地一次或多次重復步驟(iv)和(V)；(viii)將帶有工件的托架傳送到冷卻室中；(ix)借助氣體、優(yōu)選氮氣冷卻工件；并且(X)將帶有工件的托架從冷卻室中取出。本發(fā)明的另一任務在于提供一種用于根據(jù)上述方法對工件進行淬火的裝置。
該任務通過這樣的裝置得以解決，該裝置包括兩個或更多個滲碳室、至少一個冷卻室和一個用于操作用于工件的托架的傳送系統(tǒng)，其中，冷卻室與每個滲碳室可通過一個或多個真空活門連接，每個滲碳室具有用于托架的接納部和至少兩個加熱元件，這樣設置所述加熱元件，使得由其發(fā)出的輻射以0.5^1至2^1的平均空間角度照射每個工件的表面。在一種替換的實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的裝置包括兩個或更多個滲碳室、至少一個冷卻室、一個設置在滲碳室和冷卻室之間的閘門室和一個用于操作用于工件的托架的傳送系統(tǒng)，其中，冷卻室可通過真空活門與閘門室連接，每個滲碳室可通過熱絕緣活門與閘門室連接并且每個滲碳室具有用于托架的接納部和至少兩個加熱元件，這樣設置所述加熱元件，使得由其發(fā)出的輻射以0. 5 至2 的平均空間角度照射每個工件的表面。根據(jù)本發(fā)明的裝置的擴展方案的特征在 于-所述熱絕緣活門構造為真空活門；-所述冷卻室具有兩個用于送入和取出工件的真空活門；-所述加熱元件構造為板式輻射器；-所述加熱元件由石墨或碳纖維增強碳(CFC)制成；-所述托架構造為格柵狀托盤；-所述托架由碳纖維增強碳(CFC)制成；-所述傳送系統(tǒng)具有垂直設置的包括上方和下方的轉(zhuǎn)向裝置和鏈的鏈傳動裝置以及可水平移動的用于接納托盤的伸縮叉，其中，伸縮叉通過傳動裝置與其中一個鏈耦合。此外，本發(fā)明的任務還在于提供一種被淬火的工件，其具有更好的特性、尤其是熱翹曲減少。由于熱翹曲減少，所以用于機械再加工(所謂的硬加工)的成本顯著降低。該任務通過一種由金屬材料制成的工件得以解決，該工件根據(jù)上述方法被淬火。根據(jù)本發(fā)明的工件的特征在于-表面硬化層深度(CHD)在額定值的±0.05mm、優(yōu)選±0. 04mm、并且尤其是±0. 03mm的范圍內(nèi)，其中，額定值為0. 3至I. 4mm ;-表面碳含量在額定值的±0.025重量％、優(yōu)選±0. 015重量％、并且尤其是±0.01重量％的范圍內(nèi)，其中，額定值為0. 6至0. 85重量％ ；-芯部硬度在額定值的±30HV、優(yōu)選±20HV的范圍內(nèi)，其中，額定值為280至480HV。表面硬化層深度(CHD)、表面碳含量和芯部硬度與額定值的差異或偏差范圍(即最大和最小測量值之間的差異)通過在一批爐料的I至5個工件上的測量來求出。工件主要是指由金屬材料制成的機器部件和傳動裝置部件、例如由鋼合金如28Cr4(根據(jù)ASTM 5130)、16MnCr5、18CrNi8和18CrNiMo7_6制成的齒圈、齒輪、軸或噴射組件。


接下來借助附圖詳述本發(fā)明，附圖如下圖Ia示出工件和兩個加熱元件的布置；圖Ib示出對工件的輻射加熱；圖2示出帶有工件的托盤；圖3示出用于淬火的具有垂直可移動的冷卻室的裝置；圖3A示出具有傳送室的裝置；圖4示出用于淬火的具有固定的冷卻室和中間的閘門室的裝置；
圖5A-B示出用于具有中間的閘門室的裝置的傳送系統(tǒng)；圖6示出垂直設置在兩個加熱元件之間的多個工件；圖7示出關于工件加熱的測量數(shù)據(jù)；圖8示出關于工件硬度分布的測量數(shù)據(jù)；圖9示出關于工件芯部硬度的測量數(shù)據(jù)；圖10示出關于工件表面碳含量的測量數(shù)據(jù)；以及 圖11示出關于工件橢圓度的測量數(shù)據(jù)。
具體實施例方式圖Ia中示出一種用于借助兩個加熱元件(21、22)加熱工件6的布置。工件6支承在構造為格柵狀托盤的托架5上。加熱元件(21、22)這樣相對于托盤5或工件6設置，使得由加熱元件(21、22)發(fā)出的在圖I中通過箭頭線8表示的輻射從不同的空間方向入射到工件6的表面上。優(yōu)選加熱元件(21、22)設置在托盤5的兩側(cè)并且彼此相對置。這樣選擇加熱元件(21、22)的設置，使得每個工件6表面的30至100%暴露在直接的熱輻射8下、SP與加熱元件(21、22)的表面處于直接的視覺接觸中。在本發(fā)明的一種適宜的擴展方案中，這樣構造并相對于工件6設置加熱元件(21、22)，使得入射到工件6表面的點(9、9')上的熱輻射8平均照亮的空間角度為0. 5 至2 。這種結(jié)構一熱輻射8以0. 5JI至231的平均空間角度照射30至100%的工件6表面一允許快速加熱工件6。圖Ib以透視圖示出用于照射工件6表面上的點9的數(shù)值為2 的最大空間角度Q。從圖Ia中可看出，工件6表面的局部區(qū)域被托盤5遮住并且與加熱元件(21、22)不具有直接的視覺接觸。對于工件6表面中的凹形區(qū)域也是一樣。上述表面區(qū)域間接通過工件6內(nèi)的熱傳導加熱。根據(jù)本發(fā)明，當每個工件表面的至少30%與加熱元件(21、22)之一處于直接的視覺接觸時，可確保工件6的迅速加熱。優(yōu)選加熱元件(21、22)為以電能運行的“有源的輻射加熱器”。但本發(fā)明也包括“無源的輻射加熱器”、例如滲碳室的壁，其借助設置在滲碳室中的輻射加熱裝置加熱到超過1000°C、尤其是超過1400°C的高溫。優(yōu)選滲碳室的壁的熱容數(shù)倍于待淬火工件的熱容。由此確保在裝載和取出工件期間滲碳室的溫度僅略微下降。借助電輻射加熱器和借助滲碳室的通過輻射加熱裝置加熱的壁以相同方式實現(xiàn)的本發(fā)明的效果。圖2以透視圖示出工件6、如齒輪在格柵狀構造的托盤5上的根據(jù)本發(fā)明的單層布置。開口面積與格子的比值一在托盤5的橫向?qū)ΨQ平面7中和參考垂直于該橫向?qū)ΨQ平面7的法線7'中測得一在此并且在下面被稱為開口比值并且根據(jù)本發(fā)明大于60%、優(yōu)選大于70%并且尤其是大于80%。托盤5優(yōu)選由碳纖維增強碳(CFC)制成，因此其具有高的機械和熱穩(wěn)定性。圖3示意性顯示的根據(jù)本發(fā)明的裝置100包括一個可垂直移動的冷卻室190和四個垂直地上下疊置的滲碳室(110、120、130、140)。冷卻室190和每個滲碳室(110、120、130、140)與真空泵或真空泵臺(在圖3中未示出)相連接。借助真空泵可將每個室(190 ;110、120、130、140)獨立于另外的室地抽真空到小于100毫巴、優(yōu)選小于20毫巴的壓力。另外，冷卻室190通過氣體管道與用于冷卻氣體如氦氣或氮氣的壓力容器(在圖3中未示出)連通。冷卻氣體在壓力容器中維持2至25巴的壓力。為了產(chǎn)生壓力，壓力容器以公知的方式與壓縮機或高壓氣體供應裝置連接。從壓力容器到冷卻室190的氣體管道配備可調(diào)節(jié)的閥。為了將冷卻室190通風或抽真空，所述可調(diào)節(jié)的閥被置入關閉位置，由此，冷卻氣體不能從壓力容器進入冷卻室190中。每個滲碳室(110、120、130、140)通過本身的氣體管道與用于含碳的氣體、如乙炔的容器(在圖3中未示出)連通。可選擇的是，每個滲碳室與一個另外的用于含氮的氣體的容器連接。從所述容器到滲碳室(110、120、130、140)的氣體管道設有可調(diào)節(jié)的閥、優(yōu)選質(zhì)量流量控制器(MFC)，以便精確控制輸入到各個滲碳室(110、120、130、140)中的氣體流 量。另外，每個滲碳室(110、120、130、140)還具有兩個加熱元件(21、22)以及一個在圖3中未示出的用于托盤5的接納部或固定裝置。加熱元件(21、22)是電運行的，優(yōu)選構造為平坦的，并且由一種材料如石墨或碳纖維增強碳(CFC)制成。加熱元件(21、22)尤其是構造為波紋形板式加熱器(參見圖6)。冷卻室190在兩個相對置的端面上具有第一真空活門191和第二真空活門192。當真空活門191和/或192打開時，帶有工件6的托盤5可被送入冷卻室190中或從其中取出。為了傳送或為了操作托盤5，冷卻室190設有自動的、尤其是與存儲器-可編程的控制器(SPS)耦合的傳送系統(tǒng)153。冷卻室190安裝在垂直的升降裝置160的支架上。借助該升降裝置160可將冷卻室190定位在每個滲碳室(110、120、130、140)前方。每個滲碳室(110、120、130、140)設有真空活門(111、121、131、141)。這樣構造冷卻室190和滲碳室(110、120、130、140)，使得當冷卻室190定位于滲碳室(110、120、130、140)之一前方時，冷卻室和該滲碳室可真空密封地彼此連接。適合于這種連接的真空組件(在圖3中未示出)對于技術人員來說是公知的并且在市場上可買到。圖3中示例性示出冷卻室190和滲碳室120之間的真空密封的連接。在此，冷卻室190和滲碳室120的真空活門192和121同時打開，并且并不破壞所述室之一中的真空。因此，所述室(190 ;110、120、130、140)的根據(jù)本發(fā)明的真空技術方面的結(jié)構允許帶有工件6的托盤5在滲碳室(110、120、130、140)之一和冷卻室190之間來回傳送，且不破壞真空。圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種有利的具有冷卻室195和傳送室196的實施方式100A。傳送室196安裝在冷卻室195的面向滲碳室(110、120、130、140)的一側(cè)上并且用于接納水平的傳送裝置154。由于傳送裝置154設置在傳送室196中，所述傳送裝置154可以與冷卻室195的運行狀態(tài)無關地用于向滲碳室(110、120、130、140)之一裝載帶有工件6的托盤5。傳送裝置154可水平地向兩側(cè)移動，由此托盤5可在冷卻室195和每個滲碳室(110、120、130、140)之間傳送。另外，在裝置100A中，在最上面的滲碳室140上此外設置用于停放帶有“新鮮的”、即待淬火的工件6的托盤5的存放處。為了真空密封地分離，在冷卻室195和傳送室196之間設置真空活門197。傳送室196在一個面向滲碳室(110、120、130、140)的端面上具有開口，其邊緣與滲碳室(110、120、130、140)可真空密封地連接。為此，開口的邊緣設有環(huán)繞的真空密封裝置198。該例如由橡膠制成的真空密封裝置198用于使傳送室196對接到滲碳室(110、120、130、140)之一上。傳送室196也如同冷卻室195和每個滲碳室(110、120、130、140)那樣與(在圖3中未示出的)本身的真空泵或真空泵臺連接。與此相應地，傳送室196可用作冷卻室195和滲碳室(110、120、130、140)之間的真空閘門。傳送室196可借助升降裝置160與冷卻室195 —起在垂直方向上移動并且定位于每個滲碳室(110、120、130、140)前方。為了對接到滲碳室(110、120、130、140)上，傳送室196和冷卻室195支承在(在圖3中未示出的)水平設置的線性驅(qū)動機構上。該線性驅(qū)動機構自身安裝在垂直的升降裝置160的支架上。上述具有傳送室196的實施方式100A相當于ALD Vacuum Technologies公司的ModulTherm型設備的設計。 每個滲碳室(110、120、130、140)都可電加熱。優(yōu)選通過兩個平坦構造的、電運行的加熱元件(21、22)來加熱，所述加熱元件彼此相對置地分別設置在每個滲碳室(110、120、130、140)的下側(cè)和上側(cè)上。滲碳室(110、120、130、140)的壁由金屬材料、尤其是由鋼制成并且可選地構造為雙層壁并且設有用于冷卻流體、如水的管道。滲碳室(110、120、130、140)的壁在其朝向室內(nèi)空間的一側(cè)上襯有熱絕緣材料、如石墨氈(在圖3中未示出)。在本發(fā)明的一種特別優(yōu)選的實施方式中，滲碳室(110、120、130、140)的壁在內(nèi)側(cè)上另外設有儲熱材料、如鋼或石墨。通過適當選擇儲熱材料相對于熱絕緣材料的厚度比或質(zhì)量比、例如石墨的質(zhì)量占用(kg/m2)與石墨租的質(zhì)量占用(kg/m2)之比，可使?jié)B碳室(110、120、130、140)的熱容和熱損耗功率匹配規(guī)定值。因此，可通過使用具有大熱容的厚的石墨板來減少工件6進入滲碳室(110、120、130、140)和從其中移出期間溫度的降低，這能夠縮短加熱持續(xù)時間并且提高裝置的產(chǎn)量或生產(chǎn)率。這種設有儲熱內(nèi)襯的滲碳室(110、120、130、140)可以以熱空腔輻射器的方式運行，其中，輻射到工件6上和/或環(huán)境中的“損耗功率”借助設置在滲碳室(110、120、130、140)中任意位置上的電加熱裝置得以補充。在該實施方式中，工件6通過滲碳室(110、120、130、140)的“無源”的內(nèi)襯所發(fā)出的輻射來加熱。圖4示出一種特別優(yōu)選的具有固定的冷卻室290的裝置200，所述冷卻室通過閘門室280與四個垂直地上下疊置的滲碳室(210、220、230、240)處于連接。冷卻室290具有用于送入和取出帶有工件6的托盤5的第一和第二閘門291和292。在閘門室280中設置具有可垂直移動的支架250的升降裝置260。在支架250上安裝自動的、可水平向兩側(cè)移動的傳送系統(tǒng)253。垂直的升降裝置260結(jié)合傳送系統(tǒng)253用于在冷卻室290和滲碳室(210、
220.230.240)之間傳送帶有工件6的托盤5。閘門室280和冷卻室290與在圖4中未示出的真空泵或真空泵臺連接并且可彼此獨立地被抽真空到小于100毫巴的壓力。此外，可選擇的是，每個滲碳室(210、220、230、
240)與真空泵或真空泵臺連接并且可獨立于其余室地被抽真空。與圖3所示的裝置100類似，冷卻室290與用于冷卻氣體、如氦氣或氮氣的壓力容器連接并且每個滲碳室(210、220、
230.240)與用于含碳的氣體、如乙炔的容器和/或用于含氮的氣體的容器連接。每個滲碳室(210、220、230、240)設有可動的活門(211、221、231、241)，其主要用于熱密封和滲碳室(210、220、230、240)中的熱能的儲存。所述熱絕緣活門(211、221、231、
241)僅在將工件送入滲碳室(210、220、230、240)或從其中取出時打開?？蛇x擇將熱絕緣活門(211、221、231、241)構造為真空活門，由此滲碳室(210、220、230、240)可相對于閘門室280真空密封地封閉。與圖3所示的裝置100類似，裝置200的滲碳室(210、220、230、240)設有由儲熱材料如石墨和熱絕緣材料如石墨氈構成的多層內(nèi)襯。在裝置200的一種適宜的擴展方案中，閘門室280具有用于托盤5的接納部，該接納部允許帶有工件6的托盤5的“停放”，以準備在滲碳室(210、220、230、240)之一被卸載和釋放的情況下被裝入該滲碳室。所述“停放接納部”優(yōu)選垂直地設置在滲碳室(210、220、230,240)上方。借助該“停放接納 部”可縮短用于托盤滲碳的周期時間并且由此提高了產(chǎn)量或可借助裝置200實現(xiàn)的生產(chǎn)率。圖3和4所示的裝置100和200模塊化地構造，因此可另外增加滲碳室，以便提高生產(chǎn)率。根據(jù)以下所列各方法步驟的持續(xù)時間-將托盤送入冷卻室中-將冷卻室抽真空-傳送到空的滲碳室中，可選擇暫時存放在停放接納部中-滲碳并擴散-傳送到冷卻室中-冷卻-將托盤取出冷卻室證明適宜用6個滲碳室來代替圖3和4中所示的4個滲碳室。另一方面，如所需產(chǎn)量較小，則可僅使用2或3個滲碳室，以便減少初始投資成本。圖5A-5B示出一種根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的用于圖4所示具有閘門室280的裝置200的傳送裝置(260、253)的示意性的前視圖和側(cè)視圖。傳送系統(tǒng)(260、253)具有兩個垂直設置的、包括上方和下方的轉(zhuǎn)向裝置(261、263;26廣,263/ )和鏈(262 ;262')的鏈傳動裝置。所述鏈262'與水平的平臺254連接。平臺254在一個或兩個垂直支座265上被引導。在平臺254上安裝可水平移動的用于接納托盤5的伸縮叉(255、256)。該伸縮叉(255、256)通過與鏈262耦合的傳動裝置251來驅(qū)動。鏈262和傳動裝置251之間的耦合通過多個轉(zhuǎn)向裝置來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)向裝置263和263'(其優(yōu)選是齒輪)通過軸264與設置在閘門室280之外的電動機(在圖5A-5B中未示出)耦合。為了軸264的通過，閘門室280的壁設有真空密封的回轉(zhuǎn)貫穿部。為了平臺254的垂直移動，鏈傳動裝置(261、262、263)和(261'、262'、263')受到同步控制，以致鏈262和傳動裝置251之間的設定保持不變并且伸縮叉(255、256)保持其水平的位置。由此避免了伸縮叉(255、256)與裝置200的其它部件、如滲碳室的碰撞。當鏈262通過齒輪263和軸264被設置在閘門室280外部的馬達控制以致平臺254位于固定的垂直的位置上時，伸縮叉(255、256)進行水平移動。圖6不出本發(fā)明的另一種實施方式的透視性的局部圖,其中，工件61如傳動軸以一個垂直的層或列設置在滲碳室中的加熱元件21和22之間。工件61借助托架(在圖6中未示出)保持在其位置。在此，托架構造為具有懸掛裝置的框架或支承板，該支承板具有機械保持裝置、如用于套上的芯件或用于軸插入的孔。根據(jù)本發(fā)明的用于對圖6中垂直設置的工件進行淬火的裝置與圖3和4所示裝置設計相似，其主要區(qū)別僅在于滲碳室在水平方向上并排設置，而不是垂直地上下疊置。與此相應地，冷卻室可水平地移動或閘門室和傳送裝置水平地設置。無論是根據(jù)圖3和4的工件的水平支承還是根據(jù)圖6的垂直的固定或懸掛都屬于本發(fā)明。所述兩種實施方式的共同的重要特征是工件以一層或一列、即以2D裝料的形式設置在加熱裝置中，以致每個工件表面的30至100%直接暴露在由加熱裝置發(fā)出的熱輻射中。圖6中所示的加熱元件(21、22)構造為由石墨或CFC制成的波紋形板式加熱器。這種板式加熱器(21、22)由現(xiàn)有技術公開并且由不同的制造商在市場上出售。
在本發(fā)明的一種擴展方案中，冷卻室配備機械固定裝置和/或用于冷卻氣體的流動導向裝置。固定裝置匹配工件的幾何形狀并且根據(jù)本發(fā)明在冷卻室中設置在待冷卻工件的上方。要么在氣體開始進入之前將帶有工件的托盤以定義的力從下方壓到固定裝置上，要么在氣體開始進入之前將固定裝置以定義的力從上方壓到工件上。借助固定裝置，工件在冷卻后的平整度明顯得到改善并且由此大大減少了工件的翹曲。此外，冷卻室可設有用于低翹曲地冷卻工件的流動導向裝置。該導向裝置在此在冷卻室中設置在待冷卻工件的上方并且這樣構造，使得氣體以較高的局部速度流向構件并且冷卻特別均勻地進行。為了盡可能均勻地進行冷卻，在此，向壁厚大的構件段加載高的流動速度并且向壁厚小的構件段加載低的流動速度。此外，可將導向裝置構造為“三維”的，使得既可從上面又可從側(cè)面有針對性地向工件加載冷卻空氣。為此，必須在氣體開始進入之前將工件從下面升起到導向裝置中或?qū)蜓b置從上面降下到工件上。借助流動導向裝置明顯提高了工件的冷卻速度。這使得由較差地制成合金的材料制成的工件的淬火成為可能。另外，降低了氣體消耗成本，因為可以以更小的氣壓進行淬火。此外，工件的翹曲大大減少，因為冷卻更均勻地進行并且由此在工件中產(chǎn)生較小的應力。只有在根據(jù)本發(fā)明的單層的熱處理(2D裝料)的情況下才可能使用固定裝置和/或流動導向裝置。在具有多層的3D裝料的現(xiàn)有技術中不可使用這些選裝件。溫度和碳含量的測量方法技術人員熟知用于測量金屬工件溫度的方法。在本發(fā)明中，借助熱電偶、高溫計和熱圖像攝像機來測量工件表面的溫度。借助電線將熱電偶這樣固定在工件上，使得熱電偶的整個傳感器表面與工件表面處于接觸中。為了實現(xiàn)傳感器和工件之間的良好接觸，為此在構件表面中設置小的凹槽。熱電偶以及固定電線具有與工件相比可忽略不計的熱容。工件芯部的溫度也借助熱電偶來測量。為此在工件的待測量的位置上鉆出直徑為0. 5至I. 5mm的盲孔并且將熱電偶插入盲孔中。根據(jù)工件芯部的溫度求出單位為[kj kg—1 s—1]的冷卻比率。為此，根據(jù)關系式Q = / C(T)dT求出測得的溫度T和工件的比熱容C(單位kj kg—1 r1)的乘積在800至500°C范圍內(nèi)的積分，并除以冷卻所需的時間。在鋼件情況下，比熱容在溫度為800°C時約為0. 8kJ kg—1 r1并且在約735°C的窄的溫度范圍內(nèi)上升為這個值的數(shù)倍。借助移動的隔熱的電子測量值采集器(“Furnace-Tracker”)來記錄熱電偶的信號，該測量值采集器與工件一起被送入淬火裝置，也就是說，既被送入冷卻室又被送入滲碳室。借助熱電偶來確定工件在滲碳室中的加熱期間和在冷卻室中的冷卻期間的溫度曲線。為了確定表面碳含量，將工件表面以10°的淺角研磨至約IOOOiim的深度并且在仔細清潔后借助光學頻譜分析、二次離子質(zhì)譜(SIMS)以及橫向分辨率小于IOy m、即深度分辨率小于3. 5 ii m( = 10iimXsin(10° ))的電子探針分析(EPMA)來測量該研磨面。借助SIMS所得到的用于碳的化學指示極限在小于Ippm 的范圍中。例子I由材料20MoCr4制成的外徑為54mm、內(nèi)徑為30mm并且高度為35mm的太陽輪被用來組合成根據(jù)本發(fā)明的具有一層5行每行8件、共40件且總質(zhì)量為12. 5kg的2D裝料和具有8層每層5行每行8件、共320件且總質(zhì)量為IOOkg的3D裝料。作為用于2D裝料和3D裝料的單層的爐料托架使用結(jié)構相同的由CFC制成的尺寸為450_X600_的網(wǎng)格。對于淬火過程的結(jié)果，規(guī)定下述目標值-在極限硬度為610HV的情況下表面硬化層深度為0.3至0. 5mm ;-端面上的表面硬度為670HV;并且-齒根圓中的齒中心 的芯部硬度大于280HV10。圖7為以本發(fā)明(2D裝料，單層)和傳統(tǒng)(3D裝料，多層)的方式進行淬火的工件的溫度曲線的比較圖。在兩種情況下，溫度的測量借助多個安裝在位于相應的爐料中間和邊緣的工件上的熱電偶來進行。熱電偶的測量數(shù)據(jù)借助Furnace-Tracker (爐跟蹤裝置)來記錄。在根據(jù)本發(fā)明的2D裝料中，溫度迅速上升，其中，位于爐料中間的工件和位于爐料邊緣的工件之間在溫度曲線方面沒有明顯區(qū)別。而在3D裝料中，位于爐料中間的工件和爐料邊緣的工件的溫度曲線存在顯著不同。此外，2D裝料中的工件的溫度上升比3D裝料中位于邊緣的工件的溫度上升要快。該區(qū)別的原因在于3D裝料中位于外側(cè)的工件向位于內(nèi)側(cè)的工件發(fā)出或散出輻射能量。為了將3D裝料中所有的工件、尤其是位于內(nèi)側(cè)的工件加熱到1050°C的溫度上，需要約130分鐘。而在2D裝料中，則只須加熱約15分鐘。圖8中示出作為與工件表面的距離的函數(shù)的硬度曲線。根據(jù)測量曲線可見表面硬化層深度或所謂的 Case Hardening Depth (CHD) CHD 根據(jù) DIN ISO 2639(2002)來確定。為此，將待檢測的構件在避免放熱的情況下垂直于表面地分割。一般借助9. SN的試驗負荷隨著與表面的距離的增加來測量維氏硬度HV1。從表面到一個硬度相應于極限硬度(Hs，在此情況下為610HV1)的點之間的距離被稱為CHD。從圖8中可看出，CHD值的偏差(最大和最小測量值之間的差異)在2D裝料中為
0.06臟，該值明顯小于3D裝料中的值0. 12mm。圖9中示出芯部硬度的測量值的對比圖。為了確定芯部硬度，將被淬火的工件(在當前情況下為上述太陽輪)在避免放熱的情況下垂直于其對稱軸線地分割。研磨并且拋光分割面。然后，確定齒根芯部(齒根倒圓之間的中心)中的維氏硬度[HV10]。該測量根據(jù)DIN EN ISO 6507-1 (金屬材料-維氏硬度檢測-部分I :檢測方法(ISO 6507-1 :2005 ;德文版EN ISO 6507-1 ；2005)來進行。從圖9中可見，2D裝料中的芯部硬度的偏差明顯小于3D裝料中的芯部硬度的偏差。圖10示出根據(jù)本發(fā)明的2D裝料的表面碳含量和傳統(tǒng)滲碳的3D裝料的表面碳含量的偏差的對比圖。如上所述，借助頻譜分析、SMS和EPMA在磨光表面上通過計算0至100 u m深度范圍上的碳信號的積分來求出表面碳含量。例子2:由材料28Cr4制成的外徑為140mm、高度為28mm并且具有98個齒的齒圈被用來組合成根據(jù)本發(fā)明的、具有一層8個工件總質(zhì)量為6. 5kg的2D裝料和具有10層每層8個工件、即總質(zhì)量65kg的80個工件的3D裝料。作為用于2D裝料和3D裝料的單層的爐料托架使用結(jié)構相同的由CFC制成的尺寸為450mmX600mm的網(wǎng)格。圖11示出2D裝料的8個齒圈和3D裝料的8個齒圈的熱翹曲或橢圓度變化的測量結(jié)果。2D裝料的8個齒圈和3D裝料的8個齒圈的定位在此均勻地分布在2D和3D裝料的面積或體積上。結(jié)合3D坐標系測量系統(tǒng)在滲碳前后測量齒圈外圓周上的橢圓度并得出滲碳前后橢圓度值的差異
權利要求
1.用于對エ件(6)進行淬火的方法，其包括下述步驟 (a)將エ件(6)加熱到950°C至1200°C的溫度，其中，每個エ件(6)的表面的30至100%利用加熱裝置(110、120、130、140 ;210、220、230、240)的直接的熱輻射被加熱； (b)在950°C至1200°C的溫度和小于100毫巴的壓カ下，向エ件(6)加載含碳的氣體和/或含氮的氣體； (c)在950°C至1200°C的溫度下，將エ件(6)保持在壓カ小于100毫巴的氣氛中； (d)可選地將步驟(b)和(c)重復一次或多次；和 (e)冷卻エ件(6)。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(a)中，每個エ件(6)借助來自兩個或更多個空間方向的熱輻射被加熱。
3.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(a)中，每個エ件￠)的靠近表面的區(qū)域以35至135°C · mirT1、優(yōu)選50至110°C · mirT1并且尤其是50至75°C · mirT1的速率被加熱。
4.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(a)中，每個エ件(6)的芯部以18至120°C · mirT1的速率被加熱。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(e)中，將在800至500°C的溫度范圍中的エ件(6)以2至20kJ · kg—1 · s—1的冷卻比率冷卻。
6.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(b)中，向エ件(6)加載こ炔和/或氨氣。
7.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(e)中，借助氣體、優(yōu)選氮氣冷卻エ件(6)。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，借助氮氣在2至20巴的壓力、優(yōu)選4至8巴并且尤其是5至7巴的壓カ下冷卻エ件(6)。
9.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(e)中，在40至100秒之內(nèi)將エ件(6)的表面從900至1200°C的范圍內(nèi)的溫度冷卻為300°C的溫度。
10.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，就一個エ件(6)而言實施步驟(a)至(e)的周期時間為5至120秒、優(yōu)選5至60秒并且尤其是5至40秒。
11.根據(jù)權利要求I至10所述的方法，其特征在于下述步驟 (i)將エ件(6)單層地布置在托架(5)中/上； (ii)將帶有エ件(6)的托架(5)送入冷卻室(190、290)，冷卻室抽真空至小于100毫巴的壓カ； (iii)將托架(5)傳送到滲碳室(110、120、130、140;210、220、230、240)中，其中，可選地將托架在送入滲碳室(110、120、130、140 ;210、220、230、240)之前暫時存放在停放接納部中； (iv)借助熱輻射將エ件(6)加熱到950°C至1200°C的溫度，其中，每個エ件(6)的表面的30至100%借助滲碳室(110、120、130、140 ;210、220、230、240)的直接的熱輻射被加熱； (V)在950°C至1200°C的溫度和小于100毫巴的壓カ下，向エ件(6)加載含碳的氣體和/或含氮的氣體； (vi)在950°C至1200°C的溫度下，將エ件(6)保持在壓カ小于100毫巴的氣氛中；(vii)可選地一次或多次重復步驟(iv)和(V)； (viii)將帶有エ件(6)的托架(5)傳送到冷卻室(190、290)中； (ix)借助氣體、優(yōu)選氮氣冷卻エ件(6);并且 (X)將帶有エ件(6)的托架(5)從冷卻室(190、290)中取出。
12.用于根據(jù)權利要求I至11所述的方法對エ件進行淬火出)的裝置(100)，其包括兩個或更多個滲碳室(110、120、130、140)、至少ー個冷卻室(190、195)和一個用于操作用于エ件(6)的托架(5)的傳送系統(tǒng)(160、153、154)，其中，冷卻室(190、195)與每個滲碳室(110、120、130、140)都能通過ー個或多個真空活門(111、121、131、141、192、197)相連接，每個滲碳室(110、120、130、140)具有用于托架(5)的接納部和至少兩個加熱元件(21、22)，這樣設置所述加熱元件，使得由其發(fā)出的輻射以0.5π至2π的平均的空間角度照射每個エ件(6)的表面。
13.用于根據(jù)權利要求I至11所述的方法對エ件進行淬火(6)的裝置(200)，其包括兩個或更多個滲碳室(210、220、230、240)、至少ー個冷卻室(290)、一個設置在滲碳室(210、220,230,240)和冷卻室(290)之間的閘門室(280)和一個用于操作用于エ件(6)的托架(5)的傳送系統(tǒng)(260、253)，其中，冷卻室(290)能夠通過真空活門(292)與閘門室(280)連接，每個滲碳室(210、220、230、240)都能夠通過熱絕緣活門(211、221、231、241)與閘門室(280)連接，并且每個滲碳室(210、220、230、240)具有用于托架(5)的接納部和至少兩個加熱元件(21、22)，這樣設置所述加熱元件，使得由其發(fā)出的輻射以0.5 π至2π的平均的空間角度照射每個エ件(6)的表面。
14.根據(jù)權利要求13所述的裝置(200)，其特征在于，所述熱絕緣活門(211、221、231、241)構造為真空活門。
15.根據(jù)權利要求12至14所述的裝置(100、200)，其特征在于，所述冷卻室(190、195、290)具有兩個用于送入和取出エ件(6)的真空活門(191、192、197 ;291、292)。
16.根據(jù)權利要求12至15所述的裝置(100、200)，其特征在于，所述加熱元件(21、22)構造為板式輻射器。
17.根據(jù)權利要求12至16所述的裝置(100、200)，其特征在于，所述加熱元件(21、22)由石墨或碳纖維增強碳(CFC)制成。
18.根據(jù)權利要求12至17所述的裝置(100、200)，其特征在于，所述托架(5)構造為格柵狀托盤。
19.根據(jù)權利要求12至18所述的裝置(100、200)，其特征在于，所述托架(5)由石墨或碳纖維增強碳(CFC)制成。
20.根據(jù)權利要求13所述的裝置(200)，其特征在于，所述傳送系統(tǒng)(260、253)具有垂直設置的鏈傳動裝置以及可水平移動的用于接納托盤(5)的伸縮叉(255、256)，所述鏈傳動裝置包括上方的和下方的轉(zhuǎn)向裝置(261、263 ;26廣、263')和多個鏈(262、262')，所述伸縮叉(255、256)通過傳動裝置(251)與其中ー個鏈(262)耦合。
21.由金屬材料制成的エ件出)，所述エ件業(yè)已根據(jù)權利要求I至10所述的方法被淬火。
22.根據(jù)權利要求21所述的エ件￠)，其特征在于，表面硬化層深度(CHD)在額定值的±0. 05mm、優(yōu)選±0. 04臟、并且尤其是±0. 03mm的范圍內(nèi)，其中，額定值為O. 3至I. 4臟。
23.根據(jù)權利要求21或22所述的エ件(6)，其特征在干，表面碳含量在額定值的±0. 025重量％、優(yōu)選±0.015重量％、并且尤其是±0.01重量％的范圍內(nèi)，其中，額定值為O.6至O. 85重量％。
24.根據(jù)權利要求21至23所述的エ件(6)，其特征在于，芯部硬度在額定值的±30HV、優(yōu)選±20HV的范圍內(nèi)，其中，額定值為280至480HV。
全文摘要
為一種用于對工件進行熱處理的方法設置一種裝置，該裝置具有一個冷卻室和兩個或更多個滲碳室，在其中工件借助加熱裝置的直接的熱輻射被加熱到950℃至1200℃的溫度。
文檔編號C23C8/22GK102625859SQ201080040072
公開日2012年8月1日 申請日期2010年9月6日 優(yōu)先權日2009年9月10日
發(fā)明者G·施密特, G·韋爾奇格, K·勒澤, V·霍伊爾 申請人:Ald真空技術有限公司