用于工件的热化学硬化的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于工件的热化学硬化的方法和设备
[0001] 本发明涉及用于工件的热化学硬化的方法和设备，其以可变的顺序包括：
[0002] -一个或多个渗碳步骤，均在压力小于50毫巴的含碳的气体气氛中实施，其中所 述工件保持在900°C至1050°C的温度下；
[0003] -任选地一个或多个扩散步骤，均在压力小于100毫巴的气体气氛中实施；和
[0004] -一个或多个渗氮步骤，均在压力小于50毫巴的含氮的气体气氛中实施，其中所 述工件保持在800°C至1050°C的温度下。
[0005] 本发明的目的在于，提供借助于渗碳和渗氮的用于工件热化学硬化的方法和设 备，它们具有以下优点：
[0006] -在工件的边缘区域中对碳分布和氮分布进行精确调节；
[0007] -高生产率和灵活的进料；以及
[0008] 一降低的能量消耗和环境负荷。
[0009] 所述目的通过以可变的顺序包括以下步骤的方法来实现：
[0010] -一个或多个渗碳步骤，均在压力小于50毫巴的含碳的气体气氛中实施，其中所 述工件保持在900°C至1050°C的温度下；
[0011] -任选地一个或多个扩散步骤，均在压力小于100毫巴的气体气氛中实施；和
[0012] -一个或多个渗氮步骤，均在压力小于50毫巴的含氮的气体气氛中实施，其中所 述工件保持在800°C至1050°C的温度下，所述含氮的气体气氛包含分子氮（N2)作为供体气 体并且借助放电等离子体激发；其中
[0013] -所述方法如下实施：即两个相继的方法步骤之间的时间间隔小于15分钟，并且 所述工件在所述时间间隔中保持在压力小于300毫巴的气体气氛中。
[0014] 根据本发明的方法的有利改进方案的特征在于：
[0015] -两个相继的方法步骤之间的时间间隔小于10分钟，优选小于5分钟和特别是小 于1分钟；
[0016] -在两个相继的方法步骤之间的时间间隔内，所述工件保持在压力小于200毫 巴，优选小于1〇〇毫巴的气体气氛中；
[0017] -在两个相继的方法步骤之间的时间间隔内，所述工件的温度大于600°C，优选大 于700°C和特别是大于800°C;
[0018] -所述方法按照顺序包括以下步骤：
[0019] -渗碳/渗氮；
[0020] 一渗碳/扩散/渗氮；
[0021] 一渗氮/渗碳/渗氮；
[0022] -渗氮/渗碳/渗氮/渗碳；或
[0023] -渗氮/渗碳/扩散/渗氮；
[0024] 一所述放电等离子体在200V至1000V的任选脉冲的直流电压，10A至200A的直流 电流和2kVA至200kVA的连续功率下操作；
[0025] -在一个或多个渗氮步骤中，所述含氮的气体气氛借助脉冲直流电流一放电等离 子体，优选结合点火脉冲进行激发；
[0026] -在一个或多个渗氮步骤中，所述放电等离子体借助于有源栅极产生；
[0027] -所述工件保持在相对于有源栅极来说负的电势（偏压）下，所述电势为10伏特 至400伏特，优选10伏特至200伏特；
[0028] -所述工件保持在相对于有源栅极来说负的电势（偏压）下，其中所述工件上的 负电势值是所述有源栅极的负电势值的2倍至12倍；
[0029] -在一个或多个渗氮步骤中，使用等离子体浸没离子注入过程；
[0030] 一所述工件在渗氮步骤期间保持在820 °C至1000 °C，优选920 °C至980 °C的温度 下；
[0031] 一所述工件在渗碳步骤期间保持在940°C至1050°C的温度下；
[0032] -在所述渗氮步骤中，所述含氮的气体气氛由N2和任选地一种或多种如H2和氩的 载体气体构成；
[0033] -在所述渗氮步骤中，所述含氮的气体气氛由队和一种或多种如C0 2或CH4的含 碳气体以及任选地一种或多种如氏和氩的载体气体构成；
[0034] 一在所述渗氮步骤中所述含碳气体的比例以N2计为2体积％至20体积％，优选4 体积％至15体积％和特别是4体积％至10体积％ ;
[0035] -在所述渗氮步骤中，所述含氮的气体气氛的压力小于40毫巴，优选小于30毫巴 和特别是小于20毫巴；
[0036] -在所述渗碳步骤中，所述含碳的气体气氛由一种或多种如C2H2、032和CH4的含 碳的供体气体和任选地一种或多种如氏和氩的载体气体构成；
[0037] -在所述渗碳步骤中，所述含碳的气体气氛的压力小于40毫巴，优选小于30毫巴 和特别是小于20毫巴；
[0038] -所述方法包括在压力为0? 9巴至2巴的N2气氛中的高压扩散步骤；和/或
[0039] 一所述方法按照顺序包括以下步骤：
[0040] -渗氮/渗碳/高压扩散。
[0041] 本发明另外的目的是，提供一种设备，利用所述设备可以精确地调节工件边缘区 域内的碳分布和氮分布，并且可以在降低的能量消耗和没有环境负荷的条件下实现高生产 率和灵活的进料。
[0042] 所述目的通过包括以下部分的设备来实现：
[0043] 一m个低压加热室，且m= 2、3、4、5、6、7、8、9 或 10 ;
[0044] 一与所述低压加热室相连的供气装置，设置所述供气装置用于为所述低压加热室 提供一种或更多种气体，所述气体选自N2，诸如C2H2、〇)2和CH4的含碳的供体气体，以及如 H2和氩的载体气体；
[0045] -转移室，它与每个低压加热室以及闸室和淬火室或双功能的闸一淬火室相连； 或
[0046] -闸室和淬火室，它们分别可运动并可以与每个低压加热室相连；或
[0047] -双功能的闸一淬火室，它是可运动的并可以与每个低压加热室相连；其中：
[0048] -个或多个低压加热室与供电装置相连，并且设置其用于在具有N2作为供体气体 的含氮气体气氛中，在800°C以上的温度和小于100毫巴的压力下产生放电等离子体。
[0049] 根据本发明的设备的有利改进方案的特征在于：
[0050] 一设置所述供电装置用于以200V至1000V的直流电压、10A至200A的直流电流和 2kVA至200kVA的连续功率来操作放电等离子体；
[0051] -设置所述供电装置用于以脉冲直流电压（优选与点火脉冲相结合的）来操作； 和/或
[0052] -一个或多个低压加热室装备有有源栅极。
[0053] 根据本发明的方法优选按顺序包括以下步骤：
[0054] -装料/排空/渗碳/渗氮/淬火/卸料；
[0055] -装料/排空/渗碳/扩散/渗氮/淬火/卸料；
[0056] -装料/排空/渗氮/渗碳/渗氮/淬火/卸料；
[0057] -装料/排空/渗氮/渗碳/渗氮/渗碳/淬火/卸料；
[0058] 或
[0059] -装料/排空/渗氮/渗碳/扩散/渗氮/淬火/卸料。
[0060] 所述排空在闸室或双功能的闸一淬火室中完成。另外，出于语言上简化的目的，仅 描述了与闸室相关的排空的方法步骤。根据本发明，在此也总是还包括在双功能的闸一淬 火室中的排空的替代方案。
[0061] 将待处理的工件直接放置在优选板状或栅格状的加料载体上和/或布置在加料 架内和所述加料架任选地在加料载体上。细长的工件，如传动轴优选悬挂地布置在加料载 体或加料架内。
[0062] 根据本发明的设备包括由一个或多个模块构建的加料传输系统，其中每个模块分 配给转移室和/或一个或多个闸室、淬火室和低压加热室。加料传输系统的每个模块配备 有调控机构，它经由电缆与设备的中央控制单元，例如可存储编程的控制器（SPS)连接。
[0063] 根据本发明的设备的优选实施形式包括静态的双功能的闸一淬火室，m个垂直叠 置的低压加热室（m= 2、3、4、5、6、7、8、9或10)以及转移室，其中双功能的闸一淬火室和低 压加热室连接在转移室上。每个低压加热室配备有真空阀或真空门，利用所述真空阀或真 空门将低压加热室的内部空间与转移室的内部空间气密地分隔开。双功能的闸一淬火室装 备有两个互相对立布置的真空阀或真空门。
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