(19)
(11)EP 2 536 864 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
15.03.2017  Patentblatt  2017/11

(21)Anmeldenummer: 11700010.9

(22)Anmeldetag:  03.01.2011
(51)Internationale Patentklassifikation (IPC): 
C23C 8/30(2006.01)
C23C 8/34(2006.01)
C23C 8/32(2006.01)
(86)Internationale Anmeldenummer:
PCT/EP2011/050025
(87)Internationale Veröffentlichungsnummer:
WO 2011/098306 (18.08.2011 Gazette  2011/33)

(54)

VERFAHREN ZUR CARBONITRIERUNG MINDESTENS EINES BAUTEILS IN EINER BEHANDLUNGSKAMMER

METHOD FOR CARBONITRIDING AT LEAST ONE COMPONENT IN A TREATMENT CHAMBER

PROCÉDÉ DE CARBONITRURATION D'AU MOINS UN ÉLÉMENT DANS UNE CHAMBRE DE TRAITEMENT


(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorität: 15.02.2010 DE 102010001936

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
26.12.2012  Patentblatt  2012/52

(73)Patentinhaber: Robert Bosch GmbH
70442 Stuttgart (DE)

(72)Erfinder:
  • SCHWARZER, Jochen
    71634 Ludwigsburg (DE)
  • HAGYMASI, Laszlo
    70839 Gerlingen (DE)
  • WALDENMAIER, Thomas
    71691 Freiberg/Neckar (DE)


(56)Entgegenhaltungen: : 
EP-A2- 1 247 875
DE-A1- 3 937 699
WO-A1-01/55471
DE-A1- 19 644 051
  
  • DATABASE COMPENDEX [Online] ENGINEERING INFORMATION, INC., NEW YORK, NY, US; 2005, JORITZ D ET AL: "Controlled gasnitriding and nitrocarburizing in fully automatic retort furnaces", XP002622503, Database accession no. E2005429421446 & JORITZ D ET AL: "Vollautomatisches Gasnitrieren und Gasnitrocarburieren in Retorteöfen", HTM - HAERTEREI-TECHNISCHE MITTEILUNGEN 2005 CARL HANSER VERLAG DE, Bd. 60, Nr. 5, 2005, Seiten 294-300+258, XP008133130,
  
Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


Beschreibung

Stand der Technik



[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Behandlungskammer und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.

[0002] Verfahren zur Carbonitrierung von Metallteilen sind aus DE 199 09 694 A1, DE 101 18 494 A1 und DE 103 22 255 A1 bekannt. Carbonitrieren von metallischen Bauteilen ist ein thermochemisches Verfahren, bei dem in die Randschicht eines Eisenbasiswerkstoffs Kohlenstoff und Stickstoff eingebracht werden. Es ist eine besondere Art des "Einsatzhärtens". DE 199 09 694 A1 beschreibt ein Carbonitrierungsverfahren, in dem die Eindiffusion des Stickstoffs während des gesamten Prozesses oder bei Verwendung von Stickstoff als Spendergas vorzugsweise in der letzten Prozessphase erfolgt. DE 101 18 494 C2 beschreibt ein Niederdruck-Carbonitrierungsverfahren, in dem Stahlteile zunächst aufgekohlt und anschließend mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt werden. DE 103 22 255 A1 beschreibt ein Verfahren zur Aufkohlung von Stahlteilen, in dem sowohl während der Aufheizphase als auch während der Diffusionsphase stickstoffabgebendes Gas zugegeben wird. Der beim Carbonitrieren eindiffundierte Stickstoff führt in der Randschicht zu einem besseren Reibverschleißwiderstand und einer besseren Anlassbeständigkeit.

[0003] Die Prozessführung beim Carbonitrieren erfolgt in mindestens einer Behandlungskammer durch Vorgabe von Druck, Temperatur, Zeit, Prozessgaszusammensetzung und Prozessgasdurchsatz. Während der Carbonitrierung kann als Nebenprodukt aus den Kohlenstoff- und Stickstoffspendergasen molekularer Wasserstoff entstehen. Der Wasserstoffanteil kann durch geeignete Sensorik ermittelt werden. DE 199 47 381 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Gasnitrieren, Nitrocarburieren und Oxidieren von Werkstücken, die eine Messeinrichtung zur Erfassung des Wasserstoffgehalts aufweist. Die eingesetzten Sensoren müssen für den Einsatz in Niederdruck- bzw. Vakuumanlagen ausgelegt sein.

[0004] Kommerziell verfügbare Wasserstoffsensoren erlauben bei konventionellen GasNitrierprozessen die Regelung der Prozessgasatmosphäre mit Hilfe der Nitrierkennzahl. Die Nitrierkennzahl ist wie folgt definiert:

wobei

kN = Nitrierkennzahl,

PNH3 = Druck des Ammoniaks, und

PH2 = Druck des Wasserstoffs,

und beschreibt das Verhältnis zwischen Ammoniakangebot und -umsatz und legt somit das Ammoniaküberangebot fest. Durch die Regelung nach Nitrierkennzahl können bei Gasnitrierprozessen über die Prozessdauer hinweg gleichbleibende, reproduzierbare Nitrierbedingungen unabhängig von der Größe der Oberfläche der Bauteil-Charge eingestellt werden.

[0005] Bei Niederdruck-Carbonitrierprozessen ist eine Regelung nach Nitrierkennzahl nicht möglich, da sich während der Prozessführung an der Bauteiloberfläche die Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration und damit die Kohlenstoff- und Stickstoffaufnahme ständig ändert, wodurch sich bei konstant halten der Nitrierkennzahl keine gleichbleibenden, reproduzierbaren Aufkohlungs- und Nitrierbedingungen einstellen lassen. Der Fortschritt des Gaszerfalls bzw. der einsetzenden Reaktionen erfolgt in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und reaktiver bzw. katalytisch wirkender Oberfläche der Bauteil-Charge bzw. Ofenauskleidung.

[0006] Entscheidend für die Atmosphärenzusammensetzung in der Behandlungskammer ist somit die aus der Durchflussmenge resultierende Verweilzeit der Gase in der Kammer.

[0007] Aus diesem Grund werden in der Praxis durch aufwendige Versuchsreihen Festgasmengen für die Prozessführung empirisch ermittelt, die jedoch nur für den untersuchten Chargenaufbau, die Behandlungskammer und den verwendeten Werkstoff der metallischen Bauteile gelten. Eine Übertragung der Festgasmengen auf andere Prozessführungen, Werkstoffe, Chargenaufbau, Behandlungskammern ist nicht direkt möglich, diese müssen erneut empirisch ermittelt werden. DE 101 18 494 C2 beschreibt in einem Ausführungsbeispiel eine Niederdruck-Carbonitrierung mit Festgasmengen.

Offenbarung der Erfindung



[0008] Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Behandlungskammer und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, mittels einer Erfassung eines Wasserstoffanteils in einer Behandlungskammer eine gleichmäßige, reproduzierbare Carbonitrierung mittels Niederdruck-Carbonitrierung unabhängig von einer Chargengröße oder einer Ofenanlage an mindestens einem in der Behandlungskammer befindlichen Bauteil durchführen zu können.

[0010] Erfindungsgemäß wird in der Behandlungskammer zur Niederdruck-Carbonitrierung von Bauteilen mit Hilfe eines Wasserstoff-Sensors ein Wasserstoffanteil einer Prozessgasatmosphäre überwacht und dadurch mittels vorgegebener Grenzwerte für den Wasserstoffanteil ein Kohlenstoff- bzw. Stickstoffspendergasangebot eingestellt bzw. geregelt. Dem liegt die Überlegung zu Grunde, dass unabhängig vom Aufbau der Bauteil-Charge und/oder der Behandlungskammer mittels der Messgröße des Wasserstoffanteils auf ein Kohlenstoff- bzw. Stickstoffspendergasangebot in der Prozessgasatmosphäre geschlossen werden kann, so dass hierauf aufbauend die in die Behandlungskammer einströmende Menge des Prozessgases hinsichtlich Zeitpunkt und/oder Zeitraum und/oder Menge geregelt werden kann. Das Verfahren kann grundsätzlich bei verschiedenartigen Bauteilen zur Anwendung kommen und eignet sich besonders gut für metallische Bauteile, insbesondere für Eisenbasiswerkstoffe. Im Folgenden wird daher die Anwendung des Verfahrens auf metallische Bauteile beschrieben.

[0011] Bei einer Prozessphase des so genannten "Unterdruckaufkohlens", beispielsweise unter Verwendung von Acetylen, sollte ein maximaler Wasserstoffanteil in der Prozessgasatmosphäre ("Atmosphäre") von beispielsweise 75 Vol.-% nicht überschritten werden. Bei einer Prozessphase, in welcher ein Stickstoffspendergas, beispielsweise Ammoniak, in die Behandlungskammer eingebracht wird, sollte aufgrund der bekannten Stickstoffeffusion ein maximaler Wasserstoffanteil in der Atmosphäre von beispielsweise 50 Vol.-% nicht überschritten werden. Der Vorteil der Erfindung ist, dass lokal an einem oder mehreren metallischen Bauteilen einer Charge vergleichbare Kohlenstoff- bzw. Stickstoffangebote vorliegen und somit ein gleichmäßiger Kohlenstoff- bzw. Stickstoffeintrag in die Oberfläche(n) der metallischen Bauteile ermöglicht wird. Allgemein sieht das Verfahren vor, die einzelnen Prozessphasen in einer beliebigen Anzahl und/oder Reihenfolge durchzuführen.

[0012] Ferner verändert sich die Kohlenstoff- bzw. die Stickstoffaufnahme während der Prozesszeit durch den bereits aufgenommen Kohlenstoff bzw. Stickstoff und wegen der begrenzten Löslichkeit beider Elemente in der metallischen Matrix der Oberflächen der Bauteile. Durch die Regelung des Prozesses bzw. der Prozessgasatmosphäre mit Hilfe des von dem Wasserstoff-Sensor erfassten Wasserstoffanteil kann auch ein unnötig hohes Kohlenstoff- bzw. Stickstoffangebot vermieden werden, wodurch ein möglichst effizienter Prozessgaseinsatz und damit eine Reduzierung der Prozesskosten erreicht wird.

[0013] Weiterhin kann durch eine durch die Erfassung des Wasserstoffanteils mögliche Überwachung der Prozessgasatmosphäre die Bildung von toxischen Verbindungen, wie z.B. Cyaniden minimiert oder verhindert werden. Vorzugsweise wird zwischen aufeinanderfolgenden Prozessphasen, bei denen verschiedenartige Gaszusammensetzungen angewandt werden, die Behandlungskammer evakuiert oder mit einem Inertgas, wie etwa Stickstoff oder Argon, gespült, um eine gleichzeitige Anwesenheit beispielsweise von Kohlenstoff- und Stickstoffspendergas zu vermeiden. Damit können ungewollte chemische Reaktionen, wie z.B. die Bildung von Cyaniden unterbunden werden. Der beim Prozessgaswechsel erfasste Wasserstoffanteil in der Atmosphäre der Behandlungskammer kann indirekt auch als Messgröße für die Anteile der Kohlenstoff- bzw. Stickstoffspendergase verwendet werden. Wird bei einem Prozessgaswechsel mit einem Inertgas gespült, kann bei Wasserstoffanteilen kleiner 5 Vol.-%, wünschenswerterweise kleiner 1 Vol.-% davon ausgegangen werden, dass die Konzentrationen der Kohlenstoff- bzw. Stickstoffspendergase genügend gering sind, um eine Umweltschädigung ausreichend zu reduzieren oder zu vermeiden. Wird bei einem Prozessgaswechsel die Behandlungskammer evakuiert, ist es erforderlich einen Druck in der Behandlungskammer von mindestens kleiner 1x10-1 mbar, wünschenswerterweise kleiner 1x10-2 mbar zu unterschreiten, wodurch davon ausgegangen werden kann, dass die Konzentration der Kohlenstoff- bzw. Stickstoffspendergase genügend gering sind, um eine Umweltschädigung ausreichend zu reduzieren oder zu vermeiden.

[0014] Das Verfahren ist besonders einfach anzuwenden, wenn eine Durchflussmenge des in die Behandlungskammer eingebrachten Prozessgases geregelt wird. Beispielsweise kann durch ein verstellbares Ventil an einem Einlass der Behandlungskammer die Menge des eingebrachten Prozessgases gesteuert und/oder geregelt werden.

[0015] Ferner sieht das Verfahren vor, dass das Prozessgas ein Kohlenstoffspendergas umfasst. Damit wird ein erstes Gas bzw. eine erste Gaszusammensetzung für eine Prozessphase zur Carbonitrierung von Bauteilen bereit gestellt, mit dem der für die Carbonitrierung wichtige Kohlenstoffanteil direkt beeinflusst wird, was eine schnelle und präzise Steuerung bzw. Regelung gestattet.

[0016] Besonders günstig ist es, wenn das Kohlenstoffspendergas eine Verbindung, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Acetylen, Ethylen, Propan, Propen, Methan, Cyclohexan, Cyclopentan oder Mischungen davon, umfasst. Damit steht eine Auswahl handelsüblicher und damit vergleichsweise preiswerter Gase als Kohlenstoffspendergas zur Verfügung, um das Verfahren anzuwenden.

[0017] Ferner sieht das Verfahren vor, dass das Prozessgas ein Stickstoffspendergas umfasst. Damit wird ein zweites Gas bzw. eine zweite Gaszusammensetzung für eine Prozessphase zur Carbonitrierung von Bauteilen bereit gestellt, mit dem der für die Carbonitrierung wichtige Stickstoffanteil direkt beeinflusst wird, was eine schnelle und präzise Steuerung bzw. Regelung gestattet.

[0018] Dabei ist es günstig, wenn das Stickstoffspendergas eine Verbindung, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ammoniak, Stickstoff oder Mischungen davon, umfasst. Damit steht eine Auswahl handelsüblicher und damit vergleichsweise preiswerter Gase als Stickstoffspendergas zur Verfügung, um das Verfahren anzuwenden.

[0019] Das Verfahren arbeitet besonders vorteilhaft, wenn mindestens zwei chemisch verschiedene Prozessgase nacheinander auf das eine Bauteil chemisch einwirken, und dass zwischen den gasförmigen Prozessphasen die Behandlungskammer mindestens teilweise evakuiert wird. Durch die verschiedenartigen Gaszusammensetzungen, welche in verschiedenen Prozessphasen nacheinander auf das mindestens eine Bauteil einwirken - also beispielsweise ein Kohlenstoffspendergas und ein Stickstoffspendergas - können jeweils spezifische chemische Wirkungen in Bezug auf das Verfahren erreicht werden. Sinnvoll ist es dabei, diese Gaszusammensetzungen beim Wechsel der Prozessphasen nicht miteinander zu vermengen. Mittels des mindestens teilweisen Evakuierens der Behandlungskammer kann dies auf eine einfache Weise erreicht werden.

[0020] Alternativ ist vorgesehen, dass mindestens zwei chemisch verschiedene Prozessgase nacheinander auf das Bauteil chemisch einwirken, und dass zwischen den gasförmigen Prozessphasen die Behandlungskammer mit einem Inertgas gespült wird. Damit kann der Wechsel zwischen zwei gasförmigen Prozessphasen erfolgen, wobei der in der Behandlungskammer bestehende Druck im Wesentlichen unverändert bleiben kann.

[0021] Weiterhin ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Spülung oder die Evakuierung beendet wird, wenn der erfasste Wasserstoffanteil bzw. der Gesamtdruck der Atmosphäre einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Damit kann vorteilhaft die Erfassung des Wasserstoffanteils auch zwischen den Prozessphasen benutzt werden, um die Wirkung der Evakuierung bzw. der Spülung zu ermitteln. Damit können ungewollte chemische Reaktionen vermieden und die Menge des benötigten Spülgases bzw. die Stärke und/oder die Dauer der Evakuierung begrenzt werden.

[0022] Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass zwei Prozessphasen mit einem gleichartigen Prozessgas durchgeführt werden, und dass zwischen beiden Prozessphasen eine Evakuierung oder Spülung durchgeführt wird. Auf diese Weise wird zwischen beiden Prozessphasen vorteilhaft eine so genannte Diffusionsphase eingerichtet.

[0023] Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass zwei Prozessphasen mit einem gleichartigen Prozessgas durchgeführt werden, und dass zwischen beiden Prozessphasen kein Prozessgas der Behandlungskammer zugeführt und keine Evakuierung oder Spülung durchgeführt wird. Auf diese Weise wird zwischen den beiden Prozessphasen eine Diffusionsphase eingerichtet, bei der das noch in der Behandlungskammer verbliebene Prozessgas weiterhin auf die Bauteiloberfläche reaktiv wirksam bleiben kann.

[0024] Das Verfahren arbeitet besonders wirkungsvoll, wenn die Behandlungskammer, das Prozessgas und/oder die Atmosphäre beheizt wird. Die erwünschten chemischen Reaktionen an den Oberflächen der Bauteile laufen allgemein bei höheren Temperaturen der sich in der Behandlungskammer ergebenden Atmosphäre intensiver und/oder schneller ab. Dabei kann die Behandlungskammer selbst, ein darin befindlicher Heizkörper, die Atmosphäre und/oder das zugeführte Prozessgas beheizt bzw. aufgeheizt werden.

[0025] In einer Ausgestaltung sieht das Verfahren vor, dass die Behandlungstemperatur in einem Bereich von 750 °C bis 1050 °C liegt. Damit wird ein für viele Anwendungen günstiger Temperaturbereich beschrieben.

[0026] Ergänzend sieht das Verfahren vor, dass die Durchflussmenge des Kohlenstoffspendergases so weit abgesenkt wird, dass eine Rußbildung innerhalb der Atmosphäre der Behandlungskammer verringert oder vermieden wird. Auf diese Weise kann der ermittelte Wasserstoffanteil vorteilhaft dazu benutzt werden, eine Verrußung der Behandlungskammer bzw. der darin befindlichen Elemente oder Bauteile zu verringern oder zu verhindern.

[0027] Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1
eine schematische Darstellung einer Behandlungskammer zur Niederdruck-Carbonitrierung von Bauteilen;
Figur 2
ein Zeitdiagramm eines Niederdruck-Carbonitrierungsverfahrens mit einer Darstellung von Prozessphasen und Prozesstemperaturen; und
Figur 3
ein Zeitdiagramm des Niederdruck-Carbonitrierungsverfahrens mit einer Darstellung eines Wasserstoffanteils in einer Atmosphäre der Behandlungskammer.


[0028] Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.

[0029] Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anlage 10 zur Niederdruck-Carbonitrierung von metallischen Bauteilen 12, welche auf einer Auflage 14 in einer Behandlungskammer 16 angeordnet sind. Die Bauteile 12 können mittels einer im unteren Bereich der Zeichnung befindlichen Heizeinrichtung 18 aufgeheizt werden. Ein erster Einlass 20 und ein zweiter Einlass 22 mit zugehörigen Durchflussregelventilen 24 und 26 ermöglichen das Einbringen von Kohlenstoffspendergas 28 und Stickstoffspendergas 30. Ein Temperatursensor 32, ein Drucksensor 34 und ein für die Niederdruck-Carbonitrierung geeigneter Wasserstoffsensor 36 sind in der Zeichnung im oberen Bereich der Behandlungskammer 16 angeordnet. Eine oberhalb davon dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 nimmt unter anderem die von dem Temperatursensor 32, dem Drucksensor 34 und dem Wasserstoffsensor 36 kommenden Signale auf. Ein Auslass 40 der Behandlungskammer 16 führt auf den Eingang einer Pumpe 42.

[0030] Im Betrieb werden in verschiedenen Prozessphasen nacheinander mittels der Durchflussregelventile 24 und 26 das Kohlenstoffspendergas 28 bzw. das Stickstoffspendergas 30 in die Behandlungskammer 16 eingebracht. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 überwacht und steuert oder regelt unter anderem mittels der Sensoren 32, 34 und 36 den Prozess bzw. die einzelnen Prozessphasen. Insbesondere ist ein durch den Wasserstoffsensor 36 erfasster Wasserstoffanteil 44 von Bedeutung, der sich in einer Atmosphäre 46 der Behandlungskammer 16 ergibt, wie in den nachfolgenden Figuren 2 und 3 noch erläutert werden wird. Die Pumpe 42 wirkt zugleich als ein Ventil am Auslass 40 und wird prozessabhängig eingeschaltet, um die Behandlungskammer 16 teilweise zu evakuieren oder die darin befindlichen Gase auszulassen oder auszutauschen. Die Durchflussregelventile 24 und 26 werden von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 unter anderem abhängig von dem vom Wasserstoffsensor 36 erfassten Wasserstoffanteil 44 geregelt.

[0031] In Figur 2 ist ein Zeitdiagramm einer Prozessführung einer Niederdruck-Carbonitrierung dargestellt, welches beispielsweise bei der in der Figur 1 gezeigten Anlage 10 Anwendung findet. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur T der Atmosphäre 46 aufgetragen. Eine Kurve 48 zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperatur T. Die Niederdruck-Carbonitrierung umfasst eine Aufheizphase A, eine Temperaturvergleichmäßigungsphase B, drei Aufstickungsphasen C1, C2 und C3, drei Aufkohlungsphasen D1, D2 und D3, vier Prozessgaswechselphasen E1, E2, E3 und E4, sowie eine Diffusionsphase F und eine Abkühlungsphase G. Zwei Unterbrechungen 50 deuten an, das die dargestellten Prozessphasen nicht die jeweils gezeichneten Dauern aufweisen müssen, sondern auch beliebig von der Darstellung der Figur 2 abweichen können.

[0032] Der Unterschied zwischen der Diffusionsphase F und den durch die Bezugszeichen E1 bis E4 dargestellten Prozessgaswechselphasen ist, dass der erfasste Wasserstoffanteil 44 während der Prozessgaswechselphasen E1 bis E4 zur Überwachung und damit zur Reduzierung oder Vermeidung unerwünschter Reaktionsprodukte, wie z.B. Cyanide, eingesetzt wird, wobei kein Prozessgas zugeführt wird und kein Prozessgaswechsel stattfindet. Somit kann in einem Störfall, z.B. bei einem Ausfall der Pumpe 42 oder der Durchflussregelventile 24 und 26, der Prozess oder das Verfahren unterbrochen werden, um eine Umweltgefährdung zu verringern oder auszuschließen. Grundsätzlich wird im gesamten dargestellten Zeitraum der Figur 2 der Wasserstoffanteil 44 vom Wasserstoffsensor 36 erfasst und zur Prozesssteuerung benutzt.

[0033] Figur 2 zeigt, dass während der Aufheizphase A die Temperatur T mit einer in etwa konstanten Aufheizrate kontinuierlich bis auf eine Behandlungstemperatur von etwa 950 °C erhöht wird. Somit befindet sich die Temperatur T in einem für die vorliegende Anwendung optimalen Bereich von 750°C bis 1050°C.

[0034] In der an die Aufheizphase A anschließenden Temperaturvergleichmäßigungsphase B wird die Behandlungstemperatur konstant auf etwa 950 °C gehalten. Während der Aufheizphase A und der Temperaturvergleichmäßigungsphase B wird weder ein Stickstoffspendergas 30 noch ein Kohlenstoffspendergas 28 zugeführt.

[0035] In der an die Temperaturvergleichmäßigungsphase B anschließenden ersten Aufstickungsphase C1 wird ein Stickstoffspendergas 30, beispielsweise Ammoniak, mit einem Stickstoffspendergas-Partialdruck von etwa 50 mbar zugeführt. Dies ist auf der rechten senkrechten Achse des Diagramms der Figur 2 abzulesen. Daran anschließend erfolgt ein erster Prozessgaswechsel E1 bei dem die Behandlungskammer 16 evakuiert oder mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon gespült wird. In dieser Prozessphase wird der Gesamtdruck der Behandlungskammer 16 bzw. der erfasste Wasserstoffanteil 44 dazu verwendet, den noch verbleibenden Anteil des Stickstoffspendergases 30 aus der Aufstickungsphase C1 zu überwachen, um umweltgefährdende Reaktionsprodukte, wie z.B. Cyanide, während der anschließenden Aufkohlungsphase D1 zu reduzieren oder vermeiden zu können. Wird während der Prozessgaswechselphase E1 mit einem Inertgas gespült und wird der Wasserstoffanteil 44 kleiner als 5 Vol.-% idealerweise kleiner als 1 Vol.-%, kann die Aufkohlungsphase D1 beginnen. Wird während der Prozessgaswechselphase E1 evakuiert und der Gesamtdruck der Behandlungskammer 16 wird kleiner 1x10-1 mbar, idealerweise kleiner 1x10-2 mbar, kann die Aufkohlungsphase D1 beginnen. Anderenfalls erfolgt ein Warnhinweis durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 38 und es muss ein Eingriff des Anlagenbetreibers erfolgen.

[0036] An den ersten Prozessgaswechsel E1 schließt sich eine Aufkohlungsphase D1 mit einem Partialdruck des Kohlenstoffspendergases 28 von etwa 10 mbar an.

[0037] Die weitere Prozessführung wird analog durchgeführt, wobei zwischen den beiden Aufkohlungsphasen D2 und D3 eine Diffusionsphase F ohne Prozessgaswechsel stattfindet. In der Diffusionsphase F wird die Behandlungskammer 16 evakuiert oder alternativ mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon gespült.

[0038] Nach der letzten Aufstickungsphase C3 wird die Temperatur T der Atmosphäre 46 (Behandlungstemperatur) von 950 °C nicht weiter aufrecht gehalten und eine rasche Abkühlung in der Abkühlungsphase G auf Raumtemperatur durchgeführt, um die gewünschte Gefügezusammensetzung der metallischen Bauteile 12 einzustellen.

[0039] Es versteht sich von selbst, dass auf diese Weise zahlreiche Verfahren zur geregelten Carbonitrierung bzw. geregelten Niederdruck-Carbonitrierung möglich sind und die Erfindung nicht auf die in der Figur 2 erläuterte Abfolge und Anzahl von drei Aufstickungsphasen C1, C2 und C3, drei Aufkohlungsphasen D1, D2 und D3, vier Prozessgaswechsel EI, E2, E3 und E4 sowie eine Diffusionsphase F beschränkt ist.

[0040] In Figur 3 ist ein Zeitdiagramm zur Regelung eines Kohlenstoff- und Stickstoffspendergasangebots während einer Aufkohlungsphase D und einer nachfolgenden Aufstickungsphase C dargestellt. Die Abszisse des Diagramms der Figur 3 stellt die Zeit t dar, und die Ordinate stellt den Volumenanteil des Wasserstoffs (H2) in Vol.-% dar. Die Skala überstreicht dabei den Bereich von 0% bis 100%. Eine Kurve 43 gibt also den zeitlichen Verlauf des Wasserstoffanteils 44 wieder. Eine waagerechte Linie bedeutet einen Schwellwert 45 für den Wasserstoffanteil 44. Nach der Aufkohlungsphase D und vor der Aufstickungsphase C erfolgt eine Prozessgaswechselphase E.

[0041] Beim Start der Aufkohlungsphase D wird Kohlenstoffspendergas 28 in die Behandlungskammer 16 eingeleitet. Durch den Zerfall des Kohlenstoffspendergases 28 an der Oberfläche eines oder mehrerer metallischer Bauteile 12 wird Wasserstoff frei gesetzt und in Folge dessen steigt der gemessene Wasserstoffanteil 44 in der Atmosphäre 46 (Prozessgasatmosphäre) an. Gleichzeitig sinkt der Anteil des Kohlenstoffspendergases 28 in der Behandlungskammer 16 ab. Um eine ungleichmäßige Aufkohlung eines oder mehrerer metallischer Bauteile 12 durch einen zu geringen Anteil des Kohlenstoffspendergases 28 zu verhindern, wird der Anteil des Kohlenstoffspendergases 28 beispielsweise durch Variation des Durchflussregelventils 24 eingestellt oder geregelt. Dies ist in der Figur 3 durch einen Pfeil 51 dargestellt. Ein in der Figur 3 vorgesehener Bereich 55 für den Wasserstoffanteil 44 erstreckt sich zwischen 60 Vol.-% und 70 Vol.-%.

[0042] Im Anschluss an die Aufkohlungsphase D wird die Behandlungskammer 16 evakuiert oder mit einem Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon gespült. Dies wird durch einen Pfeil 52 veranschaulicht. Dadurch reduziert sich der gemessene Wasserstoffanteil 44 (Pfeil 53). Wenn der Wasserstoffanteil 44 während der Prozessgaswechselphase E beim Spülen mit einem Inertgas unter 5 Vol.-%, idealerweise unter 1 Vol.-% fällt, oder beim Evakuieren der Behandlungskammer 16 während der Prozessgaswechselphase E der Gesamtdruck kleiner 1x10-1 mbar, idealerweise kleiner 1x10-2 mbar wird, kann die Aufstickungsphase C beginnen. Dies wird durch den Pfeil 54 dargestellt.

[0043] Beim Start der Aufstickungsphase C wird Stickstoffspendergas 30 in die Behandlungskammer 16 eingeleitet. Durch den Zerfall des Stickstoffspendergases 30 an der Oberfläche eines oder mehrerer metallischer Bauteile 12 wird Wasserstoff frei gesetzt und in Folge dessen steigt der gemessene Wasserstoffanteil 44 wieder in der Atmosphäre 46 an. Gleichzeitig sinkt der Anteil des Stickstoffspendergases 30 in der Behandlungskammer 16 ab. Um eine ungleichmäßige Aufstickung eines oder mehrerer metallischer Bauteile 12 durch einen zu geringen Anteil des Stickstoffspendergases 30 zu vermeiden, wird anhand des erfassten Wasserstoffanteils 44 der Durchsatz des Stickstoffspendergases 30 mittels des Durchflussregelventils 26 geregelt, vergleiche die Figur 1. Dies erfolgt in der Figur 3 in dem durch den Pfeil 54 markierten Abschnitt mit einem Bereich 57 für den Wasserstoffanteil 44 zwischen 40 Vol.-% und 50 Vol.-%. Die Regelung des Stickstoffspendergasdurchsatzes auf Basis des gemessenen Wasserstoffanteils 44 stellt somit eine gleichmäßige Aufstickung eines oder mehrerer metallischer Bauteile 12 sicher. Nach erfolgter Aufstickung wird die Behandlungskammer 16 entweder evakuiert oder mit einem geeigneten Inertgas gespült.

[0044] Es versteht sich von selbst, dass auf diese Weise zahlreiche Verfahren zur geregelten Carbonitrierung möglich sind und die Erfindung nicht auf die in der Figur 3 erläuterte Abfolge und Anzahl von einer Aufkohlungsphase, einem Prozessgaswechsel und einer Aufstickungsphase beschränkt ist.


Ansprüche

1. Verfahren zur Carbonitrierung mindestens eines Bauteils (12) in einer Behandlungskammer (16), bei dem mindestens ein Prozessgas (28; 30) in die Behandlungskammer (16) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffanteil (44) in einer sich in der Behandlungskammer (16) ergebenden Atmosphäre (46) erfasst und durch Beeinflussung der Menge des zugeleiteten Prozessgases (28; 30) wenigstens zeitweise in einem gewünschten Bereich (55; 57) gehalten wird.
 
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflussmenge des in die Behandlungskammer (16) eingebrachten Prozessgases (28; 30) geregelt wird.
 
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein Kohlenstoffspendergas (28) umfasst.
 
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffspendergas (28) eine Verbindung, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Acetylen, Ethylen, Propan, Propen, Methan, Cyclohexan, Cyclopentan oder Mischungen davon, umfasst.
 
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein Stickstoffspendergas (30) umfasst.
 
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stickstoffspendergas (30) eine Verbindung, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ammoniak, Stickstoff oder Mischungen davon, umfasst.
 
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei chemisch verschiedene Prozessgase (28; 30) nacheinander auf das Bauteil (12) chemisch einwirken, und dass zwischen den gasförmigen Prozessphasen (D; C) die Behandlungskammer (16) mindestens teilweise evakuiert wird.
 
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei chemisch verschiedene Prozessgase (28; 30) nacheinander auf das Bauteil (12) chemisch einwirken, und dass zwischen den gasförmigen Prozessphasen (D; C) die Behandlungskammer (16) mit einem Inertgas gespült wird.
 
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Evakuierung oder die Spülung beendet wird, wenn der erfasste Wasserstoffanteil (44) der Atmosphäre (46) einen vorgegebenen Schwellwert (45) unterschreitet.
 
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Prozessphasen mit einem gleichartigen Prozessgas (28; 30) durchgeführt werden, und dass zwischen beiden Prozessphasen eine Evakuierung oder Spülung durchgeführt wird.
 
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Prozessphasen mit einem gleichartigen Prozessgas (28; 30) durchgeführt werden, und dass zwischen beiden Prozessphasen kein Prozessgas der Behandlungskammer (16) zugeführt wird und keine Evakuierung oder Spülung durchgeführt wird.
 
12. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (16), das Prozessgas (28; 30) und/oder die Atmosphäre (46) beheizt wird.
 
13. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungstemperatur (T) in einem Bereich von 750 °C bis 1050 °C liegt.
 
14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des Kohlenstoffspendergases (28) so weit abgesenkt wird, dass eine Rußbildung innerhalb der Atmosphäre (46) der Behandlungskammer (16) verringert oder vermieden wird.
 
15. Behandlungskammer (16) zur Carbonitrierung eines oder mehrerer Bauteile (12), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor (36) zur Ermittlung eines Wasserstoffanteils (44) in einer sich in der Behandlungskammer (16) ergebenden Atmosphäre (46), mindestens einen verstellbaren Einlass (20, 22) zum Einbringen eines Prozessgases mit jeweils einem zugehörigen von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung abhängig von dem vom Sensor erfassten Wasserstoffanteil geregelten Durchflussregelventil und einen Auslass (40) zum Auslassen eines Gases oder einer Gaszusammensetzung umfasst, so dass der Wasserstoffanteil (44) in der sich in der Behandlungskammer (16) ergebenden Atmosphäre (46) durch Beeinflussung der Menge des zugeleiteten Prozessgases (28; 30) wenigstens zeitweise in einem gewünschten Bereich (55; 57) gehalten wird.
 
16. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (38) für eine Behandlungskammer (16) zur Carbonitrierung eines oder mehrerer Bauteile (12), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 programmiert ist.
 


Claims

1. Method for carbonitriding at least one component (12) in a treatment chamber (16), in which at least one process gas (28; 30) is introduced into the treatment chamber (16), characterized in that a hydrogen fraction (44) in a resulting atmosphere (46) in the treatment chamber (16) is detected and is at least temporarily held in a desired range (55; 57) by influencing the quantity of supplied process gas (28; 30).
 
2. Method according to Claim 1, characterized in that a throughflow quantity of the process gas (28; 30) introduced into the treatment chamber (16) is regulated.
 
3. Method according to either of the preceding claims, characterized in that the process gas comprises a carbon donor gas (28).
 
4. Method according to Claim 3, characterized in that the carbon donor gas (28) comprises a compound chosen from a group consisting of acetylene, ethylene, propane, propene, methane, cyclohexane, cyclopentane or mixtures thereof.
 
5. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the process gas comprises a nitrogen donor gas (30).
 
6. Method according to Claim 5, characterized in that the nitrogen donor gas (30) comprises a compound chosen from a group consisting of ammonia, nitrogen or mixtures thereof.
 
7. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least two chemically different process gases (28; 30) act chemically in sequence on the component (12), and in that the treatment chamber (16) is at least partially evacuated between the gaseous process phases (D; C).
 
8. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least two chemically different process gases (28; 30) act chemically in sequence on the component (12), and in that the treatment chamber (16) is flushed with an inert gas between the gaseous process phases (D; C).
 
9. Method according to either of Claims 7 and 8, characterized in that the evacuation or the flushing is ended when the detected hydrogen fraction (44) of the atmosphere (46) drops below a predefined threshold value (45).
 
10. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that two process phases are carried out with a similar process gas (28; 30), and in that evacuation or flushing is carried out between the two process phases.
 
11. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that two process phases are carried out with a similar process gas (28; 30), and in that, between the two process phases, no process gas is supplied to the treatment chamber (16) and no evacuation or flushing is carried out.
 
12. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the treatment chamber (16), the process gas (28; 30) and/or the atmosphere (46) is heated.
 
13. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the treatment temperature (T) is within a range from 750°C to 1050°C.
 
14. Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the throughflow quantity of the carbon donor gas (28) is reduced to the point that soot formation in the atmosphere (46) of the treatment chamber (16) is reduced or avoided.
 
15. Treatment chamber (16) for carbonitriding one or more components (12), characterized in that it comprises a sensor (36) for determining a hydrogen fraction (44) in a resulting atmosphere (46) in the treatment chamber (16), at least one adjustable inlet (20, 22) for introducing a process gas within each case an associated throughflow regulating valve controlled by an open- and/or closed-loop control device in dependence on the hydrogen fraction detected by the sensor, and an outlet (40) for discharging a gas or a gas composition, such that the hydrogen fraction (44) in the resulting atmosphere (46) in the treatment chamber (16) is at least temporarily held in a desired range (55; 57) by influencing the quantity of supplied process gas (28; 30).
 
16. Open- and/or closed-loop control device (38) for a treatment chamber (16) for carbonitriding one or more components (12), characterized in that it is programmed for use in a method according to one of Claims 1 to 14.
 


Revendications

1. Procédé de carbonitruration d'au moins un composant (12) dans une chambre de traitement (16), selon lequel au moins un gaz de processus (28 ; 30) est introduit dans la chambre de traitement (16), caractérisé en ce qu'une part d'hydrogène (44) dans une atmosphère (46) qui se produit dans la chambre de traitement (16) est détectée et maintenue au moins temporairement dans une plage souhaitée (55 ; 57).en influençant la quantité du gaz de processus (28 ; 30) acheminé.
 
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un débit du gaz de processus (28 ; 30) introduit dans la chambre de traitement (16) est régulé.
 
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de processus comprend un gaz donneur de carbone (28).
 
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz donneur de carbone (28) comprend une combinaison, sélectionnée parmi un groupe constitué de l'acétylène, de l'éthylène, du propane, du propène, du méthane, du cyclohexane, du cyclopentane ou de mélanges de ceux-ci.
 
5. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de processus comprend un gaz donneur d'azote (30).
 
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz donneur d'azote (30) comprend une combinaison, sélectionnée parmi un groupe constitué de l'ammoniac, de l'azote ou de mélanges de ceux-ci.
 
7. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux gaz de processus (28 ; 30) chimiquement différents exercent l'un après l'autre une action chimique sur le composant (12), et en ce que la chambre de traitement (16) est au moins partiellement mise sous vide entre les phases du processus gazeux (D ; C).
 
8. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux gaz de processus (28 ; 30) chimiquement différents exercent l'un après l'autre une action chimique sur le composant (12), et en ce que la chambre de traitement (16) est rincée avec un gaz inerte entre les phases du processus gazeux (D ; C).
 
9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la mise sous vide ou le rinçage prend fin lorsque la part d'hydrogène (44) détectée de l'atmosphère (46) devient inférieure à une valeur de seuil (45) prédéfinie.
 
10. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux phases du processus sont exécutées avec un gaz de processus (28 ; 30) du même type, et en ce qu'une mise sous vide ou un rinçage est effectué entre les deux phases du processus.
 
11. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux phases du processus sont exécutées avec un gaz de processus (28 ; 30) du même type, et en ce qu'aucun gaz de processus n'est acheminé à la chambre de traitement (16) et aucune mise sous vide ou aucun rinçage n'est effectué entre les deux phases du processus.
 
12. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de traitement (16), le gaz de processus (28 ; 30) et/ou l'atmosphère (46) sont chauffés.
 
13. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de traitement (T) se trouve dans une plage de 750 °C à 1050 °C.
 
14. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit du gaz donneur de carbone (28) est diminué suffisamment pour réduire ou empêcher une formation de suie à l'intérieur de l'atmosphère (46) de la chambre de traitement (16).
 
15. Chambre de traitement (16) destinée à la carbonitruration d'un ou plusieurs composants (12), caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur (36) destiné à déterminer une part d'hydrogène (44) dans une atmosphère (46) qui se produit dans la chambre de traitement (16), au moins une entrée (20, 22) réglable destinée à l'introduction d'un gaz de traitement avec respectivement un régulateur de débit associé, régulé par un dispositif de commande et/ou de régulation en fonction de la part d'hydrogène détectée par le capteur, et une sortie (40) destinée à l'évacuation d'un gaz ou d'une composition gazeuse, de sorte que la part d'hydrogène (44) dans l'atmosphère (46) qui se produit dans la chambre de traitement (16) est maintenue au moins temporairement dans une plage souhaitée (55 ; 57) en influençant la quantité du gaz de processus (28 ; 30) acheminé.
 
16. Dispositif de commande et/ou de régulation (38) pour une chambre de traitement (16) destinée à la carbonitruration d'un ou plusieurs composants (12), caractérisé en ce qu'il est programmé pour une application dans un procédé selon l'une des revendications 1 à 14.
 




Zeichnung














Angeführte Verweise

IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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