Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke unter Vakuum

Abstract

 Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke unter Vakuum mit einem Rundtaktofen (5) mit einem ringförmigen Drehteller sowie einer Aufgabeschleuse (2) und einer Ausgabeschleuse (7), wobei die Werkstückchargen (1) mittels des Drehtellers zu verschiedenen Bearbeitungspositionen verfahrbar sind und wobei der Rundtaktofen (5) als Vakuumofen für die Diffusionsphase ausgebildet ist und entlang dem Umfang des Rundtaktofens (5) zumindest zwischen der Aufgabeschleuse (2) und der Ausgabeschleuse (7) mindestens eine Aufkohlungsofenkammer angeordnet ist, in die die Werkstückchargen (1) für eine Aufkohlungsbehandlung einbringbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke unter Vakuum mit einem Rundtaktofen mit einem ringförmigen Drehteller sowie einer Aufgabeschleuse und einer Ausgabeschleuse, wobei die Werkstückchargen mittels des Drehtellers zu verschiedenen Bearbeitungspositionen verfahrbar sind.

[0002] Eine solche Vorrichtung, bei der die zu behandelnden Werkstücke mittels eines Drehtellers verschiedenen Bearbeitungspositionen zuführbar sind, ist beispielsweise aus der DE-PS 40 05 956 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist der in einer Vakuumkammer angeordnete Drehteller durch Trennwände in verschiedene Räume unterteilt, so daß unterschiedliche Behandlungen an verschiedenen Bearbeitungspositionen möglich sind. Zur Behandlung werden die in den abgetrennten Räumen angeordneten Werkstückchargen verschiedenen Bearbeitungspositionen innerhalb der Vakuumkammer zugeführt, an denen die Werkstücke verschiedenen Plasma-Behandlungen und/oder Wärmebehandlungen unterzogen werden können.

[0003] Zwar ist es bei dieser bekannten Vorrichtung möglich, verschiedene Chargen verschiedenen Behandlungen zu unterziehen, jedoch leidet die Flexibilität dieser bekannten Vorrichtung darunter, daß die Verweilzeit der Chargen in der Vakuumkammer von der längsten Behandlungsdauer einer Charge abhängt, da alle Chargen auf einem gemeinsamen Drehteller angeordnet sind und somit ein Verfahren des Drehtellers zu einer neuen Bearbeitungsposition oder zur Ausgabeschleuse erst dann stattfinden kann, wenn alle Bearbeitungen an den einzelnen Bearbeitungspositionen abgeschlossen sind.

[0004] Ferner ist beispielsweise aus der EP-PS 0 198 871 die Verwendung eines Rundtaktofens zur Behandlung metallischer Werkstücke in einer Kohlungsatmosphäre bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung schließt sich an den ersten Rundtaktofen, in dem die Aufkohlungsphase abläuft, ein weiterer Rundtaktofen oder ein Durchstoßofen für die Diffusionsphase an. Dieses Anlagenkonzept ebenso wie das vorherbeschriebene Anlagenkonzept gemäß der DE-PS 40 05 956 sind im wesentlichen für zweistufige Aufkohlungsprozesse anwendbar, die aus einer Kohlungsphase und einer Diffusionsphase bestehen, die nacheinander ablaufen.

[0005] Für Vakuumprozesse oder Plasmaprozesse, bei denen mehrere Kohlungsphasen und mehrere Diffusionsphasen abwechselnd nacheinander durchlaufen werden, sind diese bekannten Vorrichtungen nicht geeignet oder aber nicht flexibel genug.

[0006] Aufgrund der hohen Stoffübertragungsrate bei Vakuumprozessen und Plasmaprozessen, bei denen schon nach wenigen Minuten die Karbidgrenze erreicht wird, muß sich an diese Stoffübertragungsphase eine Diffusionsphase anschließen, damit der Randkohlenstoffgehalt vor einer erneuten Stoffübertragungsphase absinkt. Je nach gewünschter Einsatzhärtetiefe muß dieser Wechsel zwischen Stoffübertragungsphase und Diffusionsphase mehrfach hintereinander wiederholt werden. Da bei der Vorrichtung gemäß der DE-PS 40 05 956 in der gesamten Vakuumkammer die gleiche Atmosphäre herrscht, können die Aufkohlungsbedingungen für einzelne Chargen nicht geändert werden, ohne die anderen im Rundtaktofen angeordneten Chargen in irgendeiner Weise zu beeinflussen.

[0007] Davon ausgehend liegt die Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke unter Vakuum zu schaffen, die einen flexiblen Wechsel zwischen verschiedenen Chargen mit unterschiedlichen Einsatzhärtetiefen gestattet, ohne das der Wechsel der Aufkohlungsbedingungen die übrigen Chargen beeinflußt.

[0008] Die technische Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Rundtaktofen als Vakuumringofen für die Diffusionsphase ausgebildet ist und daR am Umfang des Rundtaktofens zumindest zwischen der Aufgabeschleuse und der Ausgabeschleuse mindestens eine gesonderte Aufkohlungsofenkammer angeordnet ist, in die die Werkstückchargen für eine Aufkohlungsbehandlung einbringbar sind.

[0009] Der wesentliche Vorteil einer solchen erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, daß der Rundtaktofen nur für die Diffusion verwendet wird und die Werkstückchargen bedarfsweise für die Kohlungsphasen in die separat an dem Ring angeordneten einzelnen Aufkohlungskammern einschiebbar sind. Nach Ablauf einer Kohlungsphase wird die Werkstückcharge zur Diffusion zurück in den Rundtaktofen verfahren, bis diese für eine nächste Kohlungsphase erneut in eine Aufkohlungsofenkammer verbracht werden oder aber nach Abschluß des Aufkohlungsprozesses über die Ausgabeschleuse aus dem Rundtaktofen entnommen werden kann. Die Aufkohlungsofenkammern können bei einem erfindungsgemäßen Rundtaktofen als Plasmaöfen oder Vakuumöfen ausgebildet sein.

[0010] Um die Werkstücke vor der Aufgabe in den Rundtaktofen über die Aufgabeschleuse auf die Behandlungstemperatur vorzuheizen, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung zwischen die Aufgabeschleuse und den Rundtaktofen mindestens eine Aufheizkammer geschaltet. Da die Aufheizung der Werkstückchargen von außen erfolgt, kann es insbesondere bei massiveren Werkstücken vorteilhaft sein, daß zwischen der Aufheizkammer und dem Rundtaktofen eine Temperaturausgleichskammer zwischengeschaltet ist, in der sich eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Werkstückcharge einstellen kann.

[0011] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Ausgleichskammer als Wasserstoffsputter-Kammer zur Oberflächenreinigung der Werkstücke ausgebildet sein. Eine solche Reinigung der Werkstückoberflächen mittels eines Wasserstoffplasmas ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die mindestens eine am Rundtaktofen angeordnete Aufkohlungsofenkammer als Plasmaofen ausgebildet ist.

[0012] Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Ausgabeschleuse als Kühlkammer ausgebildet. Die direkte Ausbildung der Ausgabeschleuse als Kühlkammer ermöglicht eine besonders platzsparende und kompakte Bauweise der Anlage. Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Kühlkammer als Gasabschreckkammer ausgebildet oder mit einem Flüssigkeitsabschreckbad ausgerüstet sein.

[0013] Um auch Werkstückchargen behandeln zu können, bei denen die Kohlungstemperatur in der Aufkohlungsofenkammer deutlich über der Härtetemperatur liegt, kann zwischen dem Rundtaktofen und der Kühlkammer ein Härteofen zwischengeschaltet sein, in dem die Charge zuerst auf die Härtetemperatur abgekühlt wird, bevor sie anschließend in der Kühlkammer abgeschreckt wird.

[0014] Zum Verfahren der Werkstückchargen vom Rundtaktofen in eine Aufkohlungsofenkammer bzw. zum Verschieben aus einer Aufkohlungsofenkammer in den Rundtaktofen sind jeder Aufkohlungsofenkammer zwei Stoßeinrichtungen zugeordnet, die entweder elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betreibbar sind.

[0015] Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung schematisch dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines flexiblen Ring-Vakuumofens und

Fig. 2

eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines flexiblen Ring-Vakuumofens.

[0016] Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in Chargen 1 besteht in Richtung des Transportweges der Chargen 1 aus einer Aufgabeschleuse 2, einer Aufheizkammer 3, einer Ausgleichskammer 4, einem Rundtaktofen 5 als Diffusionsofen, zwei Aufkohlungsofenkammern 6 sowie einer Ausgabeschleuse 7.

[0017] Von einem nicht dargestellten Chargenspeicher wird die Aufgabeschleuse 2 über eine Transportvorrichtung 8 mit den zu behandelnden Werkstückchargen beschickt. Nach dem Beladen der Aufgabeschleuse 2 werden Türen 2a und 2b der Aufgabeschleuse 2 geschlossen und wird die Aufgabeschleuse 2 über eine nicht dargestellte Pumpe evakuiert, da die nachfolgende Behandlung der Chargen 1 in den Kammern 3 und 4 sowie dem Rundtaktofen 5 unter Vakuum erfolgt. Anschließend wird die Tür 2b geöffnet, die Charge 1 mittels einer Stoßeinrichtung 2c in die Aufheizkammer 3 befördert und die Tür 2b wieder verschlossen.

[0018] In der mit zwei Chargenplätzen dargestellten Aufheizkammer 3 wird die Charge 1 mittels nicht dargestellter Heizungen bis auf die Behandlungstemperatur aufgeheizt, d. h. bis auf die Temperatur, die auch im Rundtaktofen 5 herrscht.

[0019] Der Aufheizkammer 3 schließt sich die Ausgleichskammer 4 an, wobei zwischen der Aufheizkammer 3 und der Ausgleichskammer 4 eine Tür 3a angeordnet ist und der Transport der Charge 1 innerhalb der Aufheizkammer 3 über eine Stoßeinrichtung 3c und der Transport von der Aufheizkammer 3 in die Ausgleichskammer 4 über eine Stoßeinrichtung 3b erfolgt. Sobald eine Charge 1 die Aufheizkammer 3 in die Ausgleichskammer 4 verlassen hat, wird eine neue Charge 1 über die Aufgabeschleuse 2 in die Aufheizkammer 3 verbracht.

[0020] Da die Aufheizung der Chargen 1 in der Aufheizkammer 3 mittels der Heizungen nur von außen über Strahlung erfolgt, weisen insbesondere massive Werkstücke noch keine gleichmäßige Temperaturverteilung auf, wenn die Oberfläche bereits die Behandlungstemperatur erreicht hat und deshalb die Charge 1 aus der Aufheizkammer 3 entfernt wird, um das Werkstück nicht mit einer zu hohen Temperatur zu belasten. In der Ausgleichskammer 4, die ebenfalls mit nicht dargestellten Heizungen ausgerüstet ist, kann sich die Temperatur im Werkstück ausgleichen. Hierzu ist die Temperatur in der Ausgleichskammer 4 so geregelt, daß sie immer auf einer gleichbleibenden Temperatur, nämlich der gewünschten Behandlungstemperatur gehalten wird. Die üblichen Behandlungstemperaturen liegen zwischen 800°C und 1000°C.

[0021] Nach dem Erreichen der Behandlungstemperatur wird die Charge 1 nach dem Öffnen einer Tür 4a mittels einer Stoßeinrichtung 4b in den Rundtaktofen 5 geschoben und die Tür 4a wieder verschlossen. Mittels des ringförmigen Drehtellers des Rundtaktofens 5 wird die Charge 1 auf direktem Wege zu einer der Aufkohlungsofenkammern 6 transportiert. Die Kammern 6 werden vor dem Einschieben einer Charge 1 mittels einer nicht dargestellten Pumpe evakuiert. Dann wird eine Ofenkammertür 6a geöffnet und wird mittels einer, auf der Innenseite des Rundtaktofens angeordneten Stoßeinrichtung 6b die Charge 1 in die Aufkohlungsofenkammer 6 geschoben und die Ofenkammertür 6a wieder verschlossen. In der Aufkohlungsofenkammer, welche entweder als Plasmaofen oder als Vakuumofen ausgelegt ist, wird der eigentliche Aufkohlungsprozeß vollzogen. Nach Beendigung der vorgesehenen Kohlungsdauer wird der Aufkohlungsofen wieder abgeschaltet und ggfs. das Prozeßgas aus der Aufkohlungsofenkammer 6 entfernt. Nach erneuter Evakuierung der Aufkohlungsofenkammer 6 wird die Ofenkammertür 6a wieder geöffnet und die Charge 1 mittels einer der Stoßeinrichtung 6b gegenüber angeordneten Stoßeinrichtung 6c wieder zurück in den Rundtaktofen 5 geschoben.

[0022] Im Rundtaktofen 5 findet anschließend an den Aufkohlungsprozeß unter Vakuum bei gleichbleibender Temperatur die Diffusionsphase statt, bei der der Randkohlenstoffgehalt wieder absinkt. Je nach gewünschter Einsatzhärtetiefe werden der beschriebene Aufkohlungsprozeß und die Diffusionsphase mehrfach wiederholt. Aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung mit dem Rundtaktofen 5 für die Diffusionsphase und den außen liegenden Aufkohlungsofenkammern 6 für den eigentlichen Aufkohlungsprozeß ist eine optimale Ausnutzung der Vorrichtung gewährleistet, da während eine bereits in einer Aufkohlungsofenkammer 6 behandelte Charge 1 zur Diffusionsphase im Rundtaktofen 5 verweilt, eine andere Charge 1 mit eventuell anderen Aufkohlungsbedingungen in die Aufkohlunsofenkammer 6 verbracht werden kann. Je nachdem, wie viele Aufkohlungsofenkammern 6 entlang dem Umfang des Rundtaktofens 5 angeordnet sind, kann die Flexibilität dieser Vorrichtung gesteigert und die Behandlungsdauer verkürzt werden.

[0023] Sobald der letzte Diffusionsprozeß im Rundtaktofen 5 abgelaufen ist, wird die Charge 1 vor eine Tür 7a der Ausgabeschleuse 7 transportiert. Anschließend wird die Ausgabeschleuse 7 evakuiert, die Tür 7a geöffnet und die Charge 1 mittels einer Stoßeinrichtung 7b in die Ausgabeschleuse 7 befördert. Nach dem Verschließen der Tür 7a kann in der als Kühlkammer ausgebildeten Ausgabeschleuse 7 die Charge 1 mit Gas oder in einem Flüssigkeitsbad abgeschreckt werden.

[0024] Die in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Vorrichtung ist bis auf den Bereich der Ausgabeschleuse 7 identisch mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ausgebildet. Bei dieser alternativen Ausführungsform ist zwischen dem Rundtaktofen 5 und der als Kühlkammer ausgebildeten Ausgabeschleuse 7 ein Härteofen 9 zwischengeschaltet. Ein solcher Härteofen 9 ist notwendig, wenn die Kohlungstemperatur in den Aufkohlungsofenkammern 6 deutlich über der Härtetemperatur der Charge 1 liegt, und die Charge 1 nach dem Aufkohlungsprozeß und vor dem Abschrecken auf die Härtetemperatur abgekühlt werden muß. Zu diesem Zweck durchläuft die Charge 1 nach der letzten Diffusionsphase im Rundtaktofen 5 zuerst den Härteofen 9, um dann in der Kühlkammer der Ausgabeschleuse 7 abgeschreckt zu werden.

[0025] Mit einer solchermaßen ausgestalteten Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke wird somit gewährleistet, daß Werkstückchargen mit den unterschiedlichsten Härtebedingungen gleichzeitig mittels einer Vorrichtung behandelt werden können, ohne daß die anzuwendenden unterschiedlichen Härtebedingungen sich auf die anderen Chargen auswirken. Neben der hohen Flexibilität der voranstehend beschriebenen Anlage ermöglicht die Verwendung des Rundtaktofens 5 als reinem Diffusionsofen mit den angeschlossenen einzelnen Aufkohlungsofenkammern 6 eine optimale Ausnutzung der Vorrichtung, ohne daß einzelne Bearbeitungspositionen aufgrund möglicher Wechselwirkungen mit anderen Chargen leerstehen müßten.

Bezugszeichenliste

[0026] 

1

Charge

2

Aufgabeschleuse

2a

Tür

2b

Tür

2c

Stoßeinrichtung

3

Aufheizkammer

3a

Tür

3b

Stoßeinrichtung

3c

Stoßeinrichtung

4

Ausgleichskammer

4a

Tür

4b

Stoßeinrichtung

5

Rundtaktofen

6

Aufkohlungsofenkammer

6a

Ofenkammertür

6b

Stoßeinrichtung

6c

Stoßeinrichtung

7

Ausgabeschleuse

7a

Tür

7b

Stoßeinrichtung

8

Fördervorrichtung

9

Härteofen

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke unter Vakuum mit einem Rundtaktofen (5) mit einem ringförmigen Drehteller sowie einer Aufgabeschleuse (2) und einer Ausgabeschleuse (7), wobei die Werkstückchargen (1) mittels des Drehtellers zu verschiedenen Bearbeitungspositionen verfahrbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rundtaktofen (5) als Vakuumofen für die Diffusionsphase ausgebildet ist und entlang dem Umfang des Rundtaktofens (5) zumindest zwischen der Aufgabeschleuse (2) und der Ausgabeschleuse (7) mindestens eine Aufkohlungsofenkammer (6) angeordnet ist, in die die Werkstückchargen (1) für eine Aufkohlungsbehandlung einbringbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Aufkohlungsofenkammer (6) als Plasmaofen ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Aufkohlungsofenkammer (6) als Vakuumofen ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Aufgabeschleuse (2) und den Rundtaktofen (5) mindestens eine Aufheizkammer (3) geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die mindestens eine Aufheizkammer (3) und den Rundtaktofen (5) mindestens eine Ausgleichskammer (4) geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Ausgleichskammer (4) als Wasserstoffsputterkammer zur Oberflächenreinigung der Werkstückchargen (1) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabeschleuse (7) als Kühlkammer ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer als Gasabschreckkammer ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer mit einem Flüssigkeitsbad ausgerüstet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die als Kühlkammer ausgebildete Ausgabeschleuse (7) und den Rundtaktofen (5) ein Härteofen (9) geschaltet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Aufkohlungsofenkammer (6) zwei Stoßeinrichtungen (6b, 6c) zugeordnet sind, um elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben die Chargen (1) vom Rundtaktofen (5) in die Aufkohlungsofenkammer (6) bzw. von der Aufkohlungsofenkammer (6) zurück in den Rundtaktofen (5) zu verschieben.

Zeichnung