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Benannte Vertragsstaaten: |
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AT CH DE FR GB IT LI |
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Priorität: |
16.12.1995 DE 19547131
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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18.06.1997 Patentblatt 1997/25 |
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Patentinhaber: Ipsen International GmbH |
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47533 Kleve (DE) |
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Erfinder: |
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- Gräfen, Winfried, Dipl.-Phys.
47198 Duisburg (DE)
- Edenhofer, Bernd, Dr. Mont.
47533 Kleve (DE)
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Vertreter: Stenger, Watzke & Ring
Patentanwälte |
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Kaiser-Friedrich-Ring 70 40547 Düsseldorf 40547 Düsseldorf (DE) |
(56) |
Entgegenhaltungen: :
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- CHEMICAL ABSTRACTS, vol. 102, no. 26, 1.Juli 1985 Columbus, Ohio, US; abstract no.
224092u, SGIBNEV V.V.: "machine experiment study of mechanisms of processes occuring
in a glow discharge in a medium of hydrocarbons" Seite 212; XP002028317 & FIZ. KHIM.
OBRAB. MATER., Bd. 2, Nr. 75-8, 1985, OMSK,SU,
- HAERTEREI TECHNISCHE MITTEILUNGEN, Bd. 49, Nr. 2, 1.März 1994, Seiten 103-111, XP000436013
HOFFMANN F ET AL: "ASPEKTE DES UNTERDRUCK- UND PLASMAAUFKOHLENS"
- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 7, no. 219 (C-188), 29.September 1983 & JP 58 113371
A (SUWA SEIKOSHA), 6.Juli 1983,
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[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke
in einem Ofen, wobei die Ofenatmosphäre einen Kohlenstoff-Träger enthält, der unter
den Prozeßbedingungen der Plasmaaufkohlung unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten
wird.
[0002] Unter den thermochemischen Behandlungsverfahren zur Einsatzhärtung metallischer Werkstücke
haben sich in den letzten Jahren neben der konventionellen Gasaufkohlung immer mehr
die Aufkohlungsprozesse in Vakuumanlagen durchgesetzt, da nur mit diesen Verfahren
eine randoxidationsfreie Aufkohlung realisierbar ist. Bei diesen Aufkohlungsprozessen
in Vakuumanlagen handelt es sich um die Niederdruck- und die Plasmaaufkohlung. Da
bei diesen Aufkohlungsverfahren ohne sauerstoffhaltige Reaktionsgase gearbeitet wird,
kann keine C-Pegelregelung erfolgen; die entscheidende Kenngröße für den Kohlenstoffübergang
ist bei diesen Verfahren die Kohlenstoff-Massenstromdichte, die als Kohlenstoffmenge
definiert ist, die pro Zeit- und Flächeneinheit in den Werkstoff übergeht. Dieser
zur Aufkohlung benötigte Kohlenstoff wird von einem in der Ofenatmosphäre befindlichen
Kohlenstoff-Träger - meist einem Kohlenwasserstoff - zur Verfügung gestellt, der bei
den gegebenen Prozeßbedingungen unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird.
[0003] Bei den bekannten Niederdruck-Aufkohlungsverfahren wird als Kohlenstoff-Träger in
der Regel Propan (C
3H
8) verwendet, welches im Laufe der sogenannten Propanpyrolyse nach folgenden Reaktionsgleichungen
gespalten wird:
[0004] Bei der Plasmaaufkohlung wird als Kohlenstoff-Träger meist Methan (CH
4) verwendet, welches im Wege der Methanpyrolyse nach der Gleichung
gespalten wird. Bei der Plasmaaufkohlung ist es jedoch auch möglich, anstelle von
Methan Propan zu verwenden.
[0005] Die Verwendung von Methan oder Propan als Kohlenstoff-Träger ist jeweils mit verschiedenen
Vor- und Nachteilen verbunden. So ist beispielsweise Propan aufgrund seiner größeren
Anzahl von Kohlenstoffatomen - 3 C-Atome beim Propan gegenüber 1 C-Atom beim Methan
- ein wirksamerer Kohlenstoff-Träger als Methan. Andererseits weist Propan jedoch
den Nachteil auf, daß Propan bereits im Temperaturbereich über 600°C thermisch gespalten
wird, wodurch bereits im Ofen eine Aufkohlung stattfindet, die zum Verrußen des Ofens
führt. Methan hingegen weist zwar nur ein C-Atom auf, jedoch ist das Methan-Molekül
so stabil, daß es nicht bereits bei der notwendigen Aufkohlungstemperatur gespalten
wird. Die Spaltung erfolgt vielmehr erst im Plasma und somit wirklich nur an der Werkstückoberfläche.
Da die Kohlenstoff-Massenstromdichte bei der Spaltung von Methan nur sehr gering ist,
lassen sich großflächige Chargen nur sehr schwer gleichmäßig mit Methan aufkohlen.
[0006] Die Verwendung von Methan, Propan oder Gemischen aus Methan und Stickstoff sowie
Propan und Stickstoff als Kohlenstoff-Träger ist beispielsweise aus der DE-Publikation
"Härterei-Technische Mitteilungen", Band 49, Nr. 2, März/April 1994, Seite 105 bekannt.
[0007] Aus den Chemical Abstracts, Vol. 102, No. 26, 1985, Abstract No. 224092 u ist schließlich
ein durch Computer-Simulation getestetes Verfahren zum Aufkohlen von Eisenlegierungen
mittels Glimm-Entladung bekannt, bei dem als Prozeßgas Methan, Propan und Methan-Propan-Gemisch
mit Ar oder H
2 mit Verdünnungszusätzen in einem Druckbereich zwischen 13,3 - 146,6 Pa bzw. 0,13
- 1,46 mbar (0,1 und 1,1 Torr) mit einer Konzentration der gasförmigen Verdünner von
80 - 95 %. Der Gegenwert von H und H-lonen verhindert hierdurch die Rußbildung.
[0008] In Anbetracht des voranstehend geschilderten Standes der Technik liegt der Erfindung
die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke bereitzustellen,
das eine Aufkohlung mit einer hohen Kohlenstoff-Massenstromdichte gewährleistet, ohne
daß gleichzeitig die Gefahr der Verrußung des Ofens besteht.
[0009] Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst wird, daß die Ofenatmosphäre aus einem Gemisch von Methan und Propan besteht, das
als Kohlenstoff-Träger dient, wobei das Methan-Propan-Gemisch bis zu 60 Vol.-% Propan
enthält, und daß der Gasdruck der Ofenatmosphäre unter 10 mbar beträgt.
[0010] Das Erreichen der hohen Kohlenstoff-Massenstromdichte einerseits und das Vermeiden
der Verrußung des Ofens andererseits kommt dabei dadurch zustande, daß Propan aufgrund
seiner drei C-Atome bei der thermischen und elektrischen Spaltung im Plasma viel mehr
Kohlenstoff zur Verfügung stellen kann als Methan. Das Methan auf der anderen Seite
spaltet sich bei den Aufkohlungstemperaturen zwischen 800°C und 1000°C fast gar nicht.
Die Spaltung des Methans findet erst im Plasma, also wirklich nur an der Werkstückoberfläche
statt, so daß diese frei werdenden Kohlenstoff-Atome nur zum Aufkohlen der Werkstücke,
nicht jedoch zur Verrußung des Ofens beitragen können.
[0011] Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Erhöhung der Kohlenstoff-Massenstromdichte
bei gleichzeitigem Vermeiden von Rußbildung dadurch erreicht wird, daß ein nur aus
Methan und Propan bestehendes Gasgemisch mit einem Propan-Anteil von bis zu 60 Vol.-%
bei einem Gasdruck in der Ofenatmosphäre von unter 10 mbar verwendet wird. Bei einem
Gasdruck von unter 10 mbar ist eine thermische Spaltung des Methans nahezu unmöglich.
Die Zugabe von weiteren Gasen wie beispielsweise Wasserstoff, zu dem Methan-Propan-Gemisch
ist zur Vermeidung der Rußbildung unter den erfindungsgemäßen Verfahrensparametern
nicht notwendig.
[0012] Bei den Versuchen hat sich herausgestellt, daß insbesondere ein Propan-Anteil von
5 bis 50 Vol.-% besonders geeignet ist, um ohne Rußbildung eine hohe Kohlenstoff-Massenstromdichte
bzw. Kohlenstoff-Übertragungsrate zu erhalten.
[0013] In der Zeichnung ist für den Werkstoff 27 CrMo 4 der Härteverlauf nach dem Plasmaaufkohlungsverfahren
mit einem Methan-Propan-Gemisch als Kohlenstoff-Träger dargestellt.
[0014] Die Prozeßparameter für den in der Abbildung dargestellten Plasmaaufkohlungsprozeß
waren:
- zehnminütiges Aufkohlen bei einer Aufkohlungstemperatur von 940°C.
- Die anschließende Diffusionsphase betrug 51 Minuten,
- woran anschließend nach dem Absenken auf die Härtetemperatur von 860°C die Charge
mittels Hochdruckgasabschreckung abgeschreckt wurde.
[0015] Als Ergebnis dieses Prozesses wurde eine Einsatzhärtungstiefe (550 HV 1) von 0,7
mm auf der Zahnflanke erzielt.
[0016] Mit dem voranstehend dargestellten Verfahren ist es somit möglich, durch die Verwendung
des Methan-Propan-Gemisches als Kohlenstoff-Träger die Kohlenstoff-Massenstromdichte
bei der Plasmaaufkohlung deutlich zu erhöhen, ohne daß die Gefahr der Verrußung des
Ofens besteht.
1. Verfahren zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen, wobei die Ofenatmosphäre
einen Kohlenstoff-Träger enthält, der unter den Prozeßbedingungen der Plasmaaufkohlung
unter Abgabe von reinem Kohlenstoff gespalten wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ofenatmosphäre aus einem Gemisch von Methan und Propan besteht, das als Kohlenstoff-Träger
dient, wobei das Methan-Propan-Gemisch bis zu 60 Vol.-% Propan enthält, und daß der
Gasdruck der Ofenatmosphäre unter 10 mbar beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Propan-Anteil in dem Methan-Propan-Gemisch
5 bis 50 Vol.-% beträgt.
1. Process for plasma carbonisation of metallic workpieces in a furnace, wherein the
furnace atmosphere contains a carbon substrate which is cleaved under the process
conditions of plasma carbonisation with release of pure carbon, characterised in that
the furnace atmosphere consists of a mixture of methane and propane serving as carbon
substrate, wherein the methane-propane mixture contains up to 60 volume % of propane,
and in that the gas pressure of the furnace atmosphere is below 10 mbar.
2. Process according to claim 1, characterised in that the propane portion in the methane-propane
mixture is 5 to 50 volume %.
1. Procédé de carburation par plasma de pièces métalliques dans un four, l'atmosphère
du four contenant un support de carbone qui, dans les conditions du processus de carburation
par plasma, se décompose en cédant du carbone pur, caractérisé en ce que l'atmosphère
du four est constituée d'un mélange de méthane et de propane qui sert de support de
carbone, le mélange méthane-propane contenant jusqu'à 60 % en volume de propane, et
en ce que la pression gazeuse de l'atmosphère du four est inférieure à 10 mbar.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion de propane dans
le mélange méthane-propane est comprise entre 5 et 50 % en volume.