DE10021583A1

DE10021583A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufkohlen und Härten von Werkstückchargen

Info

Publication number: DE10021583A1
Application number: DE2000121583
Authority: DE
Inventors: Gerhard Welzig
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2001-11-15

Abstract

Zum Aufkohlen und Härten von Werkstückchargen (20, 21) in einer Tunnelanlage (1) sind an einen Transporttunnel (2) für die Werkstückchargen (20, 21) mindestens eine Chargierschleuse (3), mehrere Heizkammern (17, 18, 22, 23), mindestens eine Aufkohlungskammer (6, 7) und mindestens eine Abschreckkammer (14) angeschlossen. Ferner sind zwischen den einzelnen Kammern und dem Transporttunnel (2) Absperreinrichtungen für die Einstellung der jeweiligen Behandlungsatmosphäre angeordnet. Zur Erhöhung der Flexibilität der Tunnelanlage (1) und zur Verkürzung der Zykluszeiten für den Aufheiz-, Aufkohlungs- und den Diffusionsvorgang sowie für die Abkühlung von der Diffusions- auf die Austenitisierungstemperatur und damit zur Erhöhung der Produktionskapazität wird in dem Transporttunnel (2) und in den Heizkammern (17, 18, 22, 23) ein Druck zwischen 0,9 und 2 bar, in der mindestens einen Aufkohlungskammer (6, 7) ein Druck eines Aufkohlungsgases zwischen 1 und 50 mbar und in der Abschreckkammer (14) beim Härten ein Druck eines über einen Wärmetauscher umgewälzten Abschreckgases zwischen 5 und 50 bar eingestellt. Dadurch wird der Energiebedarf pro Werkstück gesenkt und der Wärmeübergang auf die Werkstücke gleichmäßig, ohne daß die Investitions- und Betriebskosten proportional mit der Kapazität mitsteigen. Zu diesem Zweck ist bei der Tunnelanlage (1) die mindestens eine Aufkohlungskammer (6, 7) durch eine druckfeste Absperreinrichtung (8, 9) von dem Transporttunnel (2) abtrennbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufkohlen und Härten von Werk stückchargen in einer Tunnelanlage, bei der an einen Transporttunnel für die Werkstückchargen mindestens eine Chargierschleuse, mehrere Heiz kammern, mindestens eine Aufkohlungskammer und mindestens eine Abschreckkammer angeschlossen sind und bei der zwischen den einzel nen Kammern und dem Transporttunnel Absperreinrichtungen für die Einstellung der jeweiligen Behandlungsatmosphäre angeordnet sind.

Bei derartigen - mehrstufigen - Verfahren werden die Werkstücke zunächst aufgeheizt, anschließend in einer Kohlenstoff haltigen Atmosphäre im Oberflächenbereich aufgekohlt, und nachfolgend wird ein Teil des Kohlen stoffs durch Diffusion bei einer sogenannten Diffusionstemperatur in die Tiefe der Werkstücke transportiert. Nach Beendigung des Diffusionsvor gangs wird die Temperatur der Werkstücke auf einen Wert, die soge nannte Härtetemperatur, abgesenkt, von dem aus der Vorgang der Martensitbildung beim Härten, ausgeht. Anschließend an das Härten durch Abschrecken unter die Martensittemperatur werden die Werkstücke auf eine Temperatur abgekühlt, bei der sie an die Atmosphäre ausgeschleust werden können.

Die Verfahrensparameter Druck, Temperatur und Verweilzeit sind stark abhängig von den Eigenschaften des Werkstoffs, der Werkstückgeo metrie bzw. -masse, der Werkstückanordnung bzw. der räumlichen Verteilung der Werkstücke, den Härtevorschriften, der Heiz- und Kühl leistung und der Bewegung und der Zusammensetzung der jeweiligen Behandlungsatmosphäre. Beispielhafte Werte für die Kohlungs- und Diffusionstemperatur sind 930 bis 950°C und für die Härtetemperatur 890°C. Das Problem besteht dabei darin, daß die längste Verweilzeit unter den gegebenen Prozeßbedingungen und Vorschriften auch die Verweil zeiten in den übrigen Prozeßschritten bestimmt, wenn nicht durch geschickte Mengenverteilungen in ein und derselben Anlage Abhilfe geschaffen wird. Der Stand der Technik aber ist diesen Weg nicht zu Ende gegangen.

Durch die EP 0 313 888 B2 ist es bekannt, Werkstücke aus Stahl, insbe sondere schwer härtbare, niedrig legierte Stähle, zunächst aufzuheizen und anschließend durch Gase aus der Gruppe Helium, Wasserstoff und Stickstoff und durch Gasgemische aus mindestens zwei Gasen dieser Gruppe bei Drücken zwischen 10 und 40 bar abzuschrecken und zu härten. Dadurch sollen die klassischen Härteverfahren mit Wasser, Ölen und Salzbädern mit ihren Umweltbelastungen abgelöst werden. Die Härtung geschieht mittels dieser Gase, die mit hoher Geschwindigkeit knapp unterhalb der Schallgeschwindigkeit mittels eines Gebläses über die Werkstücke bzw. Werkstückchargen und einen Wärmetauscher innerhalb der Anlage umgewälzt werden. Die Härtung kann dabei in einem beheizbaren Ein-Kammer-Ofen oder in einer zur Ofenanlage gehörenden nachgeschalteten besonderen Abschreckkammer durchgeführt werden.

Durch die EP 0 524 368 ist es bekannt, eine solche Anlage, die vorzugs weise mit Wasserstoff als Abschreckgas betrieben werden soll, auto matisch zu steuern, wobei ein in der Nähe der Anlage angeordneter Gas sensor den Austritt von Abschreckgas überwacht und im Gefahrenfalle ein Sicherheitsprogramm zur Unterbrechung des Abschreckzyklus und zum Absaugen des Gases auslöst.

Durch die DE 41 39 975 A1 ist es bekannt, die Werkstücke vor dem Ein diffundieren von Stickstoff, Bor und/oder Kohlenstoff zu entpassivieren, um Oberflächenbeläge, die das Eindiffundieren behindern könnten, zu entfernen oder umzuwandeln. Das Verfahren kann in einer Ein- oder Zwei-Kammer-Anlage durchgeführt werden, die nacheinander von den Werkstücken durchlaufen wird. Hierbei bestimmt jedoch der am langsam sten ablaufende Prozeß die Kapazität der Anlage.

Durch die EP 0 695 813 B1 ist ein einstufiger Aufkohlungsprozeß bekannt, bei dem das eingeleitete Aufkohlungsgas durch Elektroden in einen Plasmazustand versetzt wird, wobei einer Grundspannung für die Erhal tung des Plasmas periodische, höhere Spannungsimpulse überlagert werden, um die Aufkohlung zu beschleunigen.

Der Offenbarungsgehalt dieser Schriften wird, soweit die Verfahrensschrit te auch für die vorliegende Erfindung benutzt werden, ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt dieses Schutzrechts einbezogen.

Bei einer auf dem Markt befindlichen Tunnelanlage ist es auch bekannt, an einen linearen Tunnel runden Querschnitts auf einer Seite des Tunnels zwei Behandlungskammern anzuordnen, in denen wahlweise Aufheiz-, Aufkoh lungs- und Diffusionsprozesse durchgeführt werden können. Diese Kam mern sind jedoch nicht durch druckfeste Ventile gegenüber dem Tunnel absperrbar. Da der Aufkohlungsprozeß unter einem Vakuum zwischen 1 und 50 mbar durchgeführt werden muß, herrschen dieses Vakuum und die Aufkohlungsatmosphäre auch im Tunnel und in der jeweiligen Behand lungskammer, wodurch sich Aufheiz- und Abkühlvorgänge wegen des im Vakuum schlechten Wärmeübergangs in die Länge ziehen. Auch hierbei bestimmt der am langsamsten ablaufende Prozeß die Kapazität der Anlage. Außerdem ist es wegen der Ausbreitung der Aufkohlungsgase in die jeweils andere Kammer erforderlich, alle nicht druckfest gegenüber dem Tunnel absperrbare Kammern mit Wärmedämmungen aus teuren grafitischen Werkstoffen auszukleiden. Schließlich ist es wegen des Vakuums im Tunnel und in den Behandlungskammern erforderlich, elektrische Einrichtungen wie z. B. die elektrischen Heizungen und die Motoren für einen im Tunnel verfahrbaren Transportwagen wegen der Gefahr von Spannungsüberschlägen mit Niederspannung zu betreiben, so daß für jeden Einzelfall ein teurer Transformator erforderlich ist. Lediglich eine für den Abschreck- und Härtevorgang durch Kühlgase dienende Abschreckkammer ist durch einen Hochdruckschieber mit dem Tunnel verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Tunnelanlage der eingangs angegebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Flexibilität der Anlage hinsichtlich unterschiedlicher zu erzielender Werk stückeigenschaften deutlich erhöht wird, daß die Zykluszeiten für den Aufheiz-, Aufkohlungs- und den Diffusionsvorgang und die Abkühlung von der Diffusionstemperatur auf die Austenitisierungstemperatur vor der Abschreckung verkürzt werden, daß der Energiebedarf pro Werkstück gesenkt wird und daß die Produktionskapazität der Anlage deutlich erhöht wird, ohne daß die Investitions- und Betriebskosten proportional mit der Kapazität mitsteigen. Dabei soll auch der jeweilige Wärmeübergang auf die Werkstücke oder die Charge von Werkstücken vergleichmäßigt wer den, um schädliche Wärmespannungen zu vermeiden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß in dem Transporttunnel und in den Heizkammern ein Druck zwischen 0,9 und 2 bar, in der mindestens einen Aufkohlungskammer ein Druck eines Aufkohlgases zwischen 1 und 50 mbar und in der Abschreckkammer beim Härten ein Druck eines über einen Wärmetauscher umgewälzten Abschreckgases zwischen 5 und 50 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 30 bar, eingestellt wird.

Durch die Erfindung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, insbesondere wird eine Tunnelanlage der eingangs angegebenen Gattung dahingehend verbessert, daß die Flexibilität der Anlage hinsichtlich unter schiedlicher zu erzielender Werkstückeigenschaften deutlich erhöht wird, daß die Zykluszeiten für den Aufheiz-, Aufkohlungs- und den Diffusions vorgang und die Abkühlung von der Diffusionstemperatur auf die Härte- und Austenitisierungstemperatur vor der Abschreckung verkürzt werden, daß der Energiebedarf pro Werkstück gesenkt wird und daß die Produk tionskapazität der Anlage deutlich erhöht wird, ohne daß die Investitions- und Betriebskosten proportional mit der Kapazität mitsteigen. Dabei soll auch der jeweilige Wärmeübergang auf die Werkstücke oder die Charge von Werkstücken vergleichmäßigt werden, um schädliche Wärmespannun gen zu vermeiden.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombi nation:

- die Werkstückchargen in der mindestens einen Heizkammer unter Schutzgas konvektiv auf eine Temperatur zwischen 800 und 1100°C aufgeheizt werden,
- die Werkstückchargen in der mindestens einen Aufkohlungskammer unter Zufuhr des Aufkohlgases auf eine Temperatur zwischen 800 und 1100°C aufgekohlt werden,
- die Werkstückchargen in mindestens einer der Heizkammern unter Schutzgas konvektiv auf eine Temperatur zwischen 800 und 1100°C aufgeheizt und auf dieser gehalten werden,
- die Werkstückchargen in mindestens einer der Heizkammern unter Schutzgas konvektiv auf ihre Diffusionstemperatur aufgeheizt und auf dieser gehalten werden,
- die Werkstückchargen in mindestens einer der Heizkammern von ihrer Diffusionstemperatur auf ihre Austenitisierungstemperatur abgekühlt werden, bevor sie in die Abschreckkamer eingebracht werden,
- die Werkstückchargen in Intervallen aufgeheizt werden,
- der Aufkohlungsprozeß in Intervallen durchgeführt wird,
- der Aufkohlungsprozeß mit impulsförmiger Gaszufuhr durchgeführt wird,
- der Aufkohlungsprozeß unter Plasmaeinwirkung durchgeführt wird,
- der Aufkohlungsprozeß und der Diffusionsprozeß alternierend durch geführt werden, und/oder wenn
- im Transporttunnel eine Atmosphäre aus dem Abschreckgas einge stellt wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Tunnelanlage zum Aufkohlen und Härten von Werkstückchargen, bei der an einen Transporttunnel für die Werk stückchargen mindestens eine Chargierschleuse mindestens eine Aufkoh lungskammer, mindestens zwei Heizkammern und mindestens eine Abschreckkamer angeschlossen sind und bei der zwischen den einzelnen Kammern und dem Transporttunnel Absperreinrichtungen für die Einstel lung der jeweiligen Behandlungsatmosphäre angeordnet sind.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Tunnelanlage erfindungs gemäß dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Aufkohlungs kammer durch eine druckfeste Absperreinrichtung von dem Transport tunnel abtrennbar ist.

Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Tunnelanlage besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination:

- die Anzahl der Heizkammern das 2- bis 10-Fache, vorzugsweise das 4-Fache, einer Aufkohlungskammer beträgt,
- die Heizkammern mit nicht-grafitischen, mineralischen Isolations materialien ausgekleidet sind,
- ein im Transporttunnel verfahrbarer Transportwagen mit einer Heiz einrichtung und einer Wärmedämmung gegenüber den Werkstück chargen versehen ist,
- der Transportwagen einen Hubtisch mit einem seitlich verschiebbaren Ausleger besitzt, mittels welchem die Werkstückchargen in die einzelnen Kammern einbringbar und zurückziehbar sind und mittels welchem die Werkstückchargen für den Transport über den Trans portwagen verbringbar sind,
- in mindestens einer der Heizkammern mehr als ein Abstellplatz für die Werkstückchargen vorgesehen ist,
- die Abstellplätze der Heizkammern durch eine Wärmedämmung voneinander getrennt sind,
- die Abstellplätze und/oder die Heizkammern mit getrennt regelbaren Heizeinrichtungen versehen sind,
- mindestens eine der Aufkohlungskammern und die Chargierkammer durch identische Ausbildung der Anschlußflansche gegeneinander austauschbar sind,
- die mindestens eine Aufkohlungskammer an ihrer dem Transport tunnel abgekehrten Ende mit einer Revisionsöffnung versehen ist,
- der Transporttunnel an mindenstens einem Ende mit einem Verschluß element für eine Revision versehen ist,
- die Heizkammern auf gegenüberliegenden Seiten des Transporttun nels angeordnet sind,
- der Transporttunnel in Modulbauweise aus mehreren Tunnelabschnit ten zusammengesetzt ist, und/oder, wenn
- am Transporttunnel seitlich die Chargierschleuse auf einer Seite mindestens eine Aufkohlungskammer und auf der gegenüber liegenden Seite die Abschreckkammer und im weiteren Verlauf des Transporttunnels beiderseits mindestens je eine Heizkammer ange setzt sind.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der wesentlichen Teile einer Tunnel anlage zum thermischen Behandeln von Werkstücken aus Stählen in der Draufsicht und teilweise im Schnitt und

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den Gegenstand von Fig. 1 entlang der Linie II-II in vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 ist eine Tunnelanlage 1 gezeigt, deren zentraler Teil ein linearer Transporttunnel 2 mit rechteckigem Querschnitt ist, der aus einem ersten Tunnelabschnitt 2a, einem zweiten Tunnelabschnitt 2b, einem dritten Tunnelabschnitt 2c und einem vierten Tunnelabschnitt 2d mittels Flansch verbindungen zusammengesetzt ist. Hieran können noch weitere Tunnel abschnitte angesetzt werden. An beiden Enden ist der Transporttunnel 2 durch Verschlußelemente 2e und 2f verschlossen, von denen mindestens eine als Revisionstür ausgebildet ist.

An den ersten Tunnelabschnitt 2a ist seitlich eine Chargierschleuse 3 angesetzt, die an ihrem äußeren Ende ein Chargierventil 4 und gegenüber dem Tunnelabschnitt 2a eine Absperreinrichtung 5 besitzt.

An den zweiten Tunnelabschnitt 2b sind auf der gleichen Seite zwei Aufkohlungskammern 6 und 7 angesetzt, die an ihren äußeren Enden je eine Revisionsöffnung 6a bzw. 7a besitzen, die im Betrieb durch je einen Deckel verschlossen sind. Gegenüber dem Tunnelabschnitt 2b besitzt jede der Aufkohlungskammern 6 und 7 eine Absperreinrichtung 8 bzw. 9. Bei geschlossenen Absperreinrichtungen 8 bzw. 9 können die Kammern 6 und 7 zu Inspektions- und Wartungsarbeiten geöffnet werden, ohne daß der Betrieb im übrigen Teil der Anlage gestört würde.

Die beiden Aufkohlungskammern 6 und 7 können entweder einzeln, alter nierend oder gemeinsam betrieben werden. Zu diesem Zweck sind beide Kammern über Ventile 10 oder 11 mit einer Gasquelle 12 für ein Aufkoh lungsgas (beispielsweise Propan) verbindbar. über eine nicht gezeigte Steuereinrichtung können die Ventile 10 und 11 auch taktweise bzw. in Intervallen gesteuert werden, um beispielsweise den Aufkohlungsprozeß stufenweise durchzuführen. Die Kammern 6 und 7 sind mit hochwertigen Wärmedämmungen aus Grafit, z. B. Grafitfilz, ausgekleidet, um Wärmever luste an die gekühlten Kammerwandungen so gering wie möglich zu halten.

Die Absperreinrichtungen 8 und 9 sind druckfest ausgebildet, d. h. sie können vakuumdicht einer Druckdifferenz von mindestens 2 bar wider stehen, da in dem Transporttunnel 2 - mit Ausnahme einer anfänglichen Evakuierung zur Entfernung der Umgebungsluft bei Inbetriebnahme - Atmosphärendruck oder ein Überdruck von beispielsweise 2 bar herr schen kann, während die Aufkohlung aus prozeßbedingten Gründen überlicherweise bei Drücken zwischen 1 und 50 mbar, vorzugsweise zwischen 5 und 20 mbar, stattfindet.

Auf der gegenüberliegenden Seite ist an den Tunnelabschnitt 2b unter Zwischenschaltung einer Hochdruck festen Absperreinrichtung 13 eine Abschreckkammer 14 angesetzt, in der die Werkstücke oder Werkstück chargen zum Härten in kürzest möglicher Zeit auf Temperaturen unter der jeweiligen - Werkstück abhängigen - Martensittemperatur abgeschreckt werden.

Die Abschreckkammer 14 ist für Drücke bis zu 50 bar und ggf. auch darü ber ausgelegt, und als Abschreckgase werden vorzugsweise Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Gemische aus mindestens zwei dieser Gase verwendet. Diese Gase werden durch ein nicht dargestelltes Umwälzgebläse durch die Charge(n) geleitet und wieder abgesaugt. Auf ihrem Wege werden die Abschreckgase über hier nicht gezeigte Wärmetauscher geleitet und wieder abgekühlt.

Die erforderliche Antriebsleistung für die Gasumwälzung steigt mit dem Druck, sinkt aber mit dem Atomgewicht der Abschreckgase, so daß den Gasen Wasserstoff und Helium oder Gemischen daraus der Vorzug zu geben ist, zumal auch der Wärmeübergang an diese Gase besonders günstig ist und die Abschreckgeschwindigkeit gesteigert wird. Hierbei spielt nicht nur der Wärmeübergang an den Werkstücken, sondern auch an den Wärmetauschern eine Rolle. Die vorstehend genannten Gase werden auch zum Fluten des Transporttunnels 2 benutzt, da sie gegen über den Werkstücken inert sind.

An den zweiten Tunnelabschnitt 2b schließt sich der dritte Tunnelabschnitt 2c an, an dessen beide Seiten je eine Heizkammer 17 und 18 angesetzt ist. Die Heizkammer 17 ist im Horizontalschnitt gezeigt. Zwischen den kreuzschraffierten Wärmedämmungen 19, 19a und 19b sind zwei Abstell plätze für Werkstücke bzw. Werkstückchargen 20 und 21 angeordnet. Zum Tunnelabschnitt 2c hin sind die Abstellplätze durch die Wärmedäm mungen 19a und 19b verschließbar, die gleichfalls Absperreinrichtungen bilden, jedoch nicht vakuumdicht ausgebildet sein müssen, da auf beiden Seiten im wesentlichen der gleiche und relativ niedrige Druck herrscht und sie keinen Druckdifferenzen standhalten müssen. Auch herrschen auf beiden Seiten gleiche Gaszusammensetzungen, die vorzugsweise wiede rum den Abschreckgasen entsprechen. Sie sind als Türen ausgebildet, was gestrichelt und durch die beiden Pfeile angedeutet ist. Die gegenüber liegende Heizkammer 18 kann spiegelsymmetrisch zur Heizkammer 17 ausgebildet sein, muß dies aber nicht.

An den dritten Tunnelabschnitt 2c schließt sich wiederum der vierte Tunnel abschnitt 2d an, an den auf gegenüberliegenden Seiten zwei weitere Heiz kammern 22 und 23 angesetzt sind. Diese können den Heizkammern 17 und 18 entsprechen, müssen dies aber gleichfalls nicht. Bezüglich der Zahl der Heizkammern bzw. der Abstellplätze ist zu berücksichtigen, das die Dauer der Heizprozesse üblicherweise zwischen dem 2,5- bis 7-Fachen der Dauer des Aufkohlungsprozesses beträgt. Durch vier Heizkammern 17, 18, 22 und 23 mit insgesamt acht Abstellplätzen kann diesem Verhält nis der Verweilzeiten Rechnung getragen werden, so daß die gesamte Anlage optimal ausgenutzt werden kann. Dabei wird die Zyklusdauer durch die hohen Drücke bei der Aufheizung und bei der Diffusion von etwa 1 bis 2 bar zusätzlich verkürzt.

In den Heizkammern 17, 18, 22 und 23 werden wahlweise die Prozeß schritte Vorwärmen, Diffundieren, Absenken auf Härtetemperatur und ggf. auch Anlassen durchgeführt. Diese Prozesse werden durch den hohen Druck zwischen etwa 1 bis 2 bar sowie durch Konvektion, ggf. durch nicht dargestellte Umwälzgebläse, erheblich beschleunigt. Derartige Drücke sind auch für das Kohlungsergebnis nicht schädlich.

Für die in den Heizkammern 17, 18, 22 und 23 verwendeten Wärmedäm mungen kann wegen der in ihnen herrschenden inerten Atmosphäre nicht-grafitisches, mineralisches und preiswertes Isoliermaterial verwendet werden, und zwar in einer deutliche größeren Dicke als bei grafitischem Material, so daß auch die Wärmeverluste an die gekühlten metallischen Kammerwandungen und damit die Energiekosten pro Werkstück verrin gert werden.

Die Werkstücke bzw. Werkstückchargen werden nach Maßgabe des Prozeßablaufs von Kammer zu Kammer umgesetzt. Durch eine variable Programmsteuerung läßt sich die Produktivität der Anlage weiter verbes sern. Alle Absperreinrichtungen 5, 8, 9, 13, 19a und 19b sind also für das Hindurchführen der Werkstücke bzw. Werkstückchargen ausgelegt.

Die erforderlichen Heizeinrichtungen (Brennstoff- und/oder Elektroheizun gen) in bzw. an den einzelnen Kammern und die erforderlichen Druck- und Temperaturfühler sind der Einfachheit halber nicht dargestellt, da solche Einrichtungen - für sich genommen - bekannt sind. Auch wurde auf die zeichnerische Darstellung eines Druckspeichers und einer Gasaufbereitungsanlage für das Abschreckgas verzichtet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, jedem Abstellplatz in den Heizkammern eine eigene Tempera turregelung zuzuordnen. So kann beispielsweise in der Heizkammer 17 an den Werkstücken 20 bei 930°C ein Diffusionsprozess durchgeführt wer den, während die Temperatur der Werkstücke 21 auf eine Härtetemperatur von 880°C abgesenkt wird,

Zu erwähnen ist jedoch, daß durch den gegenüber dem Stand der Technik hohen Druck (Atmosphärendruck und darüber) im Transporttunnel 2 und in den Heizkammern 17, 18, 22 und 23 für die elektrischen Heizeinrichtun gen und für die Antriebsmotoren des Transportwagens Netzspannung verwendet werden kann, so daß auch auf teure Transformatoren für eine sonst notwendige Betriebsspannung von weniger als 100 Volt verzichtet werden kann.

In Fig. 2 ist zunächst links ein schematisierter Schnitt durch die Aufkoh lungskammer 7 gezeigt, in der außer einer geregelten und nicht dargestell ten Heizeinrichtung eine aus grafitischem Material bestehende Wärmedäm mung 15, und ein Chargentisch 16 angeordnet sind. Auf diesem ruht eine Charge 24 aus Werkstücken. Zum rechts daneben gezeigten Transporttun nel 2 führt die bereits beschriebene druckfeste Absperreinrichtung 9, die eine Ventilplatte 25 besitzt, an der auf der Seite der Aufkohlungskammer 7 eine Wärmedämmplatte 26, gleichfalls aus grafitischem Material, befestigt ist. Ventilplatte 25 und Wärmedämmplatte 26 sind in einen Ventilschacht 27 hochziehbar, die verkürzt dargestellt ist.

In dem Transporttunnel 2 ist ein Transportwagen 28 untergebracht, dessen Längsprofile 29 und 30 dick umrandet dargestellt sind. Dieser Transportwagen 28 ist mit nicht bezeichneten Rollen versehen, die in U-förmigen Schienen 31 geführt sind. Diese Schienen 31 liegen deutlich unterhalb der Oberseite des Chargentisches 16 und aller anderen Abstell plätze für die Chargen. Der Vortrieb erfolgt gesteuert durch einen Elektro motor, ein Ritzel und eine Zahnstange, die sämtlich gleichfalls nicht darge stellt sind. Auf der Oberseite des Transportwagens befindet sich ein Hubtisch 32 mit einem gestrichelt dargestellten teleskopierbaren Ausleger 33, der gesteuert nach links und rechts verfahrbar ist, um eine der Char gen 24 und 24' in die jeweils dafür vorgesehene Kammer einzubringen und/oder die Chargen aus der Chargierschleuse 3 (Fig. 1) aufzunehmen und in dieser wieder abzusetzen. Zum Schutze des Auslegers 33 und des Hubtisches 32 gegen den Wärmeeinfluß der Charge 24' ist unterhalb dieser eine nicht gezeigte Wärmedämmung vorgesehen. Zum Antrieb des Hubtisches 32 dient ein Elektromotor mit einem Getriebe 34, das über Gelenkwellen und Winkelgetriebe 35 auf Hubspindeln 36 einwirkt.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Verbindungsflansche der Aufkoh lungskammern 6 und 7 und der Verbindungsflansch der Chargierschleuse 3 (Fig. 1) zum Transporttunnel 2 identisch ausgeführt sind. Es ist dann nämlich möglich, bei zunächst kleinem Kapazitätsbedarf die Chargier schleuse 3 an die Stelle der Aufkohlungskammer 6 zu setzen und den ersten Tunnelabschnitt 2a wegzulassen. Die Anlage würde dann nur mit einer Aufkohlungskammer, der Kammer 7, betrieben werden. Bei einer späteren Erweiterung der Anlage kann dann der Tunnelabschnitt 2a angesetzt werden, und an den dadurch freigewordenen Flansch des Tunnelabschnitts 2b kann eine zweite Aufkohlungskammer, die Kammer 6 angesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Anlage zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus. Es ist möglich, Werkstücke bzw. Chargen mit unterschiedlichen Behandlungsrezepten gleichzeitig in der Anlage zu behandeln. Dazu können auch reine Vergütungschargen gehören, die nicht aufgekohlt werden. An das Abschrecken schließt sich in der Regel ein Anlaßprozeß an, der üblicherweise in einem getrennt Ofen durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße Anlage erlaubt es aber auch, das Anlassen in einer der Heizkammern 17, 18, 22 oder 23 durchzuführen. Für das Anlassen bei Temperaturen von 180 bis 500°C ist es auch hier vorteilhaft, daß die Heiz kammern konvektiv beheizbar sind. Gemäß den obigen Ausführungen herrscht im Transporttunnel 2 und in den Heizkammern zumindest annä hernd der gleiche Druck zwischen etwa 1 und 2 bar, woduch der Wärme austausch gegenüber Vakuumbedingungen erheblich beschleunigt wird. Nach Ablauf der Anlaßzeit kann die Charge dann erneut in die Abschreckkammer 14 eingebracht und kurzzeitig auf etwa Raumtemperatur abge kühlt werden.

Ausführungsbeispiele

Wärmebehandelt und gehärtet wurden in einer Anlage nach den Fig. 1 und 2 Chargen mit folgenden Daten:
Chargenabmessungen:
Breite: F 600 mm
Höhe: 600 mm
Länge: 1000 mm.
Chargengewicht: 250 kg
Chargenoberfläche: max. 7,5 m²
Abschreckung:
Druck: 20 bar
Medium: He, N₂
Gebläseleistung:
20 bar He: 132 kW
20 bar N₂: 250 kW
Heizen: 100 bis 150 kW
Drücke:
Endvakuum beim Entlüften: < 5 × 10^-2 mbar
Aufkohlen: 5 bis 20 mbar
Transporttunnel/Heizkammern: 1 bar
Temperaturen:
Heizkammern: max. 1100°C
Aufkohlen: 930°C
Diffundieren: 930°C
Abschreckung: 930°C (Beginn)
Gleichmäßigkeit: ±5 K
Kühlwasser: max. 25°C
Ausgang: +15 bis +40°C Stähle:
1. EHT 0,3 + 0,2 (Einsatzstahl ähnlich 16MnCr5)
Werkstücke: stationäre Getriebe, Zahnräder, Ritzel, Wellen
2. EHT 0,5 + 0,3 (Einsatzstahl ähnlich 16MnCr5)
Werkstücke: PKW-Getriebe, Zahnräder, Ritzel, Wellen, Schiebemuffen
3. EHT 1,5 + 0,5 (Einsatzstahl ähnlich 16MnCr5)
Werkstücke: Transporter-Getriebe, Zahnkränze, Wellen
4. 42 CrMo4 (Einspritzsysteme).

Zeiten (jeweils in Minuten)

Bezugszeichenliste

1

Tunnelanlage

2

Transporttunnel

2

a erster Tunnelabschnitt

2

b zweiter Tunnelabschnitt

2

c dritter Tunnelabschnitt

2

d vierter Tunnelabschnitt

2

e Verschlußelement

2

f Verschlußelement

3

Chargierschleuse

4

Chargierventil

5

Absperreinrichtung

6

Aufkohlungskammer

6

a Revisionsöffnung

7

Aufkohlungskammer

7

a Revisionsöffnung

8

Absperreinrichtung

9

Absperreinrichtung

10

Ventil

11

Ventil

12

Gasquelle

13

Absperreinrichtung

14

Abschreckkammer

15

Wärmedämmung

16

Chargentisch

17

Heizkammer

18

Heizkammer

19

Wärmedämmung

19

a Wärmedämmung (Tür)

19

b Wärmedämmung (Tür)

20

Charge

21

Charge

22

Heizkammer

23

Heizkammer

24

Charge

24

' Charge

25

Ventilplatte

26

Wärmedämmplatte

27

Ventilschacht

28

Transportwagen

29

Längsprofile

30

Längsprofile

31

Schienen

32

Hubtisch

33

Ausleger

34

Getriebe

35

Winkelgetriebe

36

Hubspindeln

Claims

1. Verfahren zum Aufkohlen und Härten von Werkstückchargen (20, 21, 24, 24') in einer Tunnelanlage (1), bei der an einen Transporttunnel (2) für die Werkstückchargen (20, 21, 24, 24') mindestens eine Char gierschleuse (3), mehrere Heizkammern (17, 18, 22, 23), mindestens eine Aufkohlungskammer (6, 7) und mindestens eine Abschreckkam mer (14) angeschlossen sind und bei der zwischen den einzelnen Kammern und dem Transporttunnel (2) Absperreinrichtungen für die Einstellung der jeweiligen Behandlungsatmosphäre angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Transporttunnel (2) und in den Heizkammern (17, 18, 22, 23) ein Druck zwischen 0,9 und 2 bar, in der mindestens einen Aufkohlungskammer (6, 7) ein Druck eines Aufkohlgases zwischen 1 und 50 mbar und in der Abschreckkammer (14) beim Härten ein Druck eines über einen Wärmetauscher umge wälzten Abschreckgases zwischen 5 und 50 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 30 bar, eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk stückchargen (20, 21, 24, 24') in der mindestens einen Heizkammer (17, 18, 22, 23) unter Schutzgas konvektiv auf eine Temperatur zwischen 800 und 1100°C aufgeheizt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk stückchargen (20, 21, 24, 24') in der mindestens einen Aufkohlungs kammer (6, 7) unter Zufuhr des Aufkohlgases auf eine Temperatur zwischen 800 und 1100°C aufgekohlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk stückchargen (20, 21, 24, 24') in mindestens einer der Heizkammern (17, 18, 22, 23) unter Schutzgas konvektiv auf eine Temperatur zwischen 800 und 1100°C aufgeheizt und auf dieser gehalten werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk stückchargen (20, 21, 24, 24') in mindestens einer der Heizkammern (17, 18, 22, 23) unter Schutzgas konvektiv auf ihre Diffusions temperatur aufgeheizt und auf dieser gehalten werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk stückchargen (20, 21, 24, 24') in mindestens einer der Heizkammern (17, 18, 22, 23) von ihrer Diffusionstemperatur auf ihre Austeniti sierungstemperatur abgekühlt werden, bevor sie in die Abschreck kammer (14) eingebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk stückchargen (20, 21, 24, 24') in Intervallen aufgeheizt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auf kohlungsprozeß in Intervallen durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auf kohlungsprozeß mit impulsförmiger Gaszufuhr durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auf kohlungsprozeß unter Plasmaeinwirkung durchgeführt wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufkohlungsprozeß und der Diffusionsprozeß alternierend durchgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Transporttunnel (2) eine Atmosphäre aus dem Abschreckgas eingestellt wird.

13. Tunnelanlage zum Aufkohlen und Härten von Werkstückchargen (20, 21, 24, 24'), bei der an einen Transporttunnel (2) für die Werkstück chargen (20, 21, 24, 24') mindestens eine Chargierschleuse (3), mindestens eine Aufkohlungskammer (6, 7), mindestens zwei Heiz kammern (17, 18, 22, 23) und mindestens eine Abschreckkamer (14) angeschlossen sind und bei der zwischen den einzelnen Kammern und dem Transporttunnel (2) Absperreinrichtungen (5, 8, 9, 13, 19a, 19b) für die Einstellung der jeweiligen Behandlungs atmosphäre angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Aufkohlungskammer (6, 7) durch eine druckfeste Absperreinrichtung (8, 9) von dem Transporttunnel (2) abtrennbar ist.

14. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Heizkammern (17, 18, 22, 23) das 2- bis 10-Fache, vor zugsweise das 4-Fache, einer Aufkohlungskammer (6, 7) beträgt.

15. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammern (17, 18, 22, 23) mit nicht-grafitischen, mineralischen Isolationsmaterialien (19, 19a, 19b) ausgekleidet sind.

16. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Transporttunnel (2) verfahrbarer Transportwagen (28) mit einer Heizeinrichtung und einer Wärmedämmung gegenüber den Werk stückchargen (20, 21, 24, 24') versehen ist.

17. Tunnelanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Transportwagen (28) einen Hubtisch (32) mit einem seitlich ver schiebbaren Ausleger (33) besitzt, mittels welchem die Werkstück chargen (20, 21, 24, 24') in die einzelnen Kammern einbringbar und zurückziehbar sind und mittels welchem die Werkstückchargen (20, 21, 24, 24') für den Transport über den Transportwagen (28) ver bringbar sind.

18. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der Heizkammern (17, 18, 22, 23) mehr als ein Abstellplatz für die Werkstückchargen (20, 21, 24, 24') vorgesehen ist.

19. Tunnelanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstellplätze der Heizkammern (17, 18, 22, 23) durch eine Wärme dämmung (19) voneinander getrennt sind.

20. Tunnelanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstellplätze und/oder die Heizkammern (17, 18, 22, 23) mit getrennt regelbaren Heizeinrichtungen versehen sind.

21. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Aufkohlungskammern (6, 7) und die Chargier kammer (3) durch identische Ausbildung der Anschlußflansche gegeneinander austauschbar sind.

22. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Aufkohlungskammer (6, 7) an ihrer dem Transport tunnel (2) abgekehrten Ende mit einer Revisionsöffnung (6a, 7a) versehen ist.

23. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Transporttunnel (2) an mindenstens einem Ende mit einem Ver schlußelement (2e, 2f) für eine Revision versehen ist.

24. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammern (17, 18, 22, 23) auf gegenüberliegenden Seiten des Transporttunnels (2) angeordnet sind.

25. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Transporttunnel (2) in Modulbauweise aus mehreren Tunnel abschnitten (2a, 2b, 2c, 2d) zusammengesetzt ist.

26. Tunnelanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Transporttunnel (2) seitlich die Chargierschleuse (3), auf einer Seite mindestens eine Aufkohlungskammer (6, 7) und auf der gegenüber liegenden Seite die Abschreckkammer (14) und im weiteren Verlauf des Transporttunnels (2) beiderseits mindestens je eine Heizkam mer (17, 18, 22, 23) angesetzt sind.