WO2014016251A2 - Method for producing at least one component and open-loop and/or closed-loop control device - Google Patents

Method for producing at least one component and open-loop and/or closed-loop control device Download PDF

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Laszlo Hagymasi
Dominic BUCHHOLZ
Rainer Reimert
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    • C23C8/80—After-treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing at least one component and a control and / or regulating device according to the preamble of the independent claims.
  • Patent DE 199 09 694 A1 describes a carbonitriding process in which the diffusion of nitrogen takes place during the entire process or, when elemental nitrogen is used as the donor gas, preferably only in the last process phase.
  • Nitrogen donors are in particular molecular nitrogen, ammonia and other nitrogen-containing compounds. Carbon donors are not specified.
  • the document DE 101 18 494 C2 describes a low-pressure carbonitriding process in which steel parts are first carburized and then embroidered with a nitrogen donor gas.
  • Carbon donors are acetylene, propane and ethylene.
  • a nitrogen donor donor gas containing ammonia is called. Further information on the nitrogen donor will not be provided.
  • the document DE 103 22 255 A1 describes a method for carburizing steel parts, in which nitrogen-releasing gas is added both during the heating phase and during the diffusion phase.
  • Ammonia and nitrous oxide are indicated as nitrogen donors and acetylene, propane and ethylene as carbon donors.
  • the cited references DE 101 18 494 C2 and DE 103 22 255 AI describe low-pressure carbonitriding in the pulse mode in which nitrogen compounds, such as.
  • nitrogen compounds such as.
  • ammonia or nitrous oxide can be used as nitrogen donor gas, which can be used in the bidding phases between the carburizing offers and / or during heating of the batch and / or during the final carbon diffusion phase. be introduced chamber to introduce the nitrogen in the component surface.
  • Diethylamine and dibutylamine are used as carbon and nitrogen donors to simultaneously introduce carbon and nitrogen into the component surface.
  • the problem with this carbonitriding process is the high treatment temperatures of 1100 to 1200 ° C and the atmospheric pressure. At these temperatures, the conversion of amine compounds in the gas phase and on the component surface is so high that more complex geometries with internal surfaces such. B. holes, or densely packed component batches are carbonitrided unevenly. In addition, the process gas pressure of 1 bar complicates the diffusion of the donor gases within the batch and / or within internal geometries, such. B. blind holes, considerably.
  • this temperature range in conjunction with the high process gas pressure, is to be assessed as very maintenance-intensive.
  • low cost metallic materials tend to coarse grain at these temperatures, which can adversely affect the fatigue strength of the component, requiring the use of more expensive materials and / or an additional heat treatment step for grain refining.
  • Another essential aspect is that no control is provided for controlling the carbon and nitrogen uptake in all of the described low-pressure carbonitriding processes.
  • the ratio between the carbon and nitrogen introduced in the boundary layer is crucial for the resulting material and component properties. Disclosure of the invention
  • the inventive method for producing at least one component and the control and / or regulating device according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that in at least one treatment phase, a carbon emitting gas and a nitrogen-releasing gas are introduced simultaneously into the treatment chamber, that Depending on a predetermined ratio between a carbon and nitrogen concentration to be absorbed by at least one component in its boundary layer, a setpoint for the temperature and / or pressure to be set in the treatment chamber is determined and adjusted for a predetermined time in the treatment chamber. In this way it is possible to ensure a continuous carbon and nitrogen uptake. Carbon and nitrogen are offered simultaneously and thus without process gas exchange or diffusion phases between alternating carbon and nitrogen supply phases. This shortens the process times.
  • the low-pressure carbonization also allows homogeneous carburizing and nitriding even in densely packed batches or complex component geometries, such.
  • an amine compound is selected as such gas, preferably aliphatic monoamine as both primary, secondary and tertiary compounds, or aliphatic diamine or a mixture of both.
  • a further advantage results when the gas emitting carbon and nitrogen is selected as a gas which releases carbon and nitrogen in a ratio of less than or equal to three. In this way, the desired ratios in the case of adjust fuel and nitrogen profiles while reducing soot formation in the furnace.
  • the same advantage also results if, when using different gases for the discharge of carbon and nitrogen in the treatment chamber, the amount, in particular the volume flow, of the treatment chamber supplied carbon emitting gas and the amount, in particular the volume flow, of the treatment chamber supplied nitrogen donating gas is selected in proportion to the discharge of carbon and nitrogen in the treatment chamber smaller than three.
  • the control is also particularly simple and comfortable designed that the actual value for the temperature is tracked to the setpoint for the temperature via a control of a heater in the treatment chamber, wherein the temperature of the heater is increased when the actual value for the temperature is less than that Setpoint for the temperature is and the temperature of the heater is lowered, if the actual value for the temperature is greater than the setpoint for the temperature.
  • the regulation becomes correspondingly simple and comfortable when the actual value for the pressure is tracked to the desired value for the pressure via a setting of a gas quantity, in particular a volume flow, carried out from the treatment chamber, the gas quantity being reduced when the actual value for the pressure is lower than is the desired value for the pressure and wherein the amount of gas is increased when the actual value for the pressure is greater than the setpoint for the pressure.
  • the setpoint for the temperature in the treatment chamber is changed at least once. This makes it possible to set different ratios between the carbon and nitrogen concentrations used in different depth zones of the surface layer.
  • a further advantage results if at least one heating phase or at least one cooling phase in the treatment chamber is followed by a temperature equalization phase. In this way, the setpoint for the temperature can be adjusted as accurately as possible for all components within a batch. It is advantageous that the desired value for the pressure in the treatment chamber is changed at least once. This makes it possible to set different ratios between the carbon and nitrogen concentrations used in different depth zones of the surface layer.
  • the target pressure in the treatment chamber is less than or equal to 100 mbar, preferably between two and 30 mbar.
  • 650 ° C to 1050 ° C preferably in a range of 650 ° C to 960 ° C, is located.
  • a homogeneous carbonitriding densely packed component batches or complex geometries with internal surfaces such.
  • precipitates such as carbides, nitrides and carbonitrides in the surface layer of the at least one component can form unintentionally and uncontrolled as a function of the temperature and the carbon and nitrogen depth profiles that arise. It is therefore particularly advantageous in the method according to the invention for a plurality of treatment phases to be provided, which are separated from each other by a respective diffusion phase. That way you can
  • unwanted precipitates such as carbides, nitrides and carbonitrides are avoided in the surface layer of the at least one component and also set a desired or predetermined carbon and nitrogen depth profile in the surface layer of the at least one component.
  • Such a predetermined carbon and nitrogen depth profile can be produced particularly simply by selecting the predetermined ratio between the carbon and nitrogen concentration to be absorbed by at least one component in at least two of the treatment phases, depending on the given carbon and nitrogen depth profile in FIG the boundary layer of the at least one component.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a plant for low-pressure carbonitriding at least one component
  • Figure 2 shows the influence of temperature on the set in the boundary layer of a component ratio between carbon and nitrogen
  • Figure 3 schematically a process control of a low-pressure carbonitriding with controlled temperature
  • FIG. 4 schematically shows the construction of the surface layer of the treated components achieved by the process control according to FIG. 3
  • FIG. 5 shows a block diagram of a control and / or regulating device used for process control.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a plant 1 for Niederdruckcarbonitr Schlieren one or more components 2.
  • five components 2 are shown by way of example.
  • the components 2 are arranged on a support 3 in a treatment chamber 4.
  • the components 2 can be heated by means of a heater 5 shown in the lower part of the drawing.
  • An inlet 6 with associated flow control valve 7 allows the introduction of a carbon and nitrogen donor gas 8.
  • a temperature sensor 9 and a pressure sensor 10 are arranged in the upper region of the drawing of the treatment chamber 4.
  • a control and / or regulating device 11 shown above receives the signals coming from the temperature sensor 9 and the pressure sensor 10.
  • An outlet 12 of the treatment chamber 4 leads to the inlet of a pump 13, which may be formed for example as a vacuum pump. Upstream of the pump 13, a throttle valve 14 is arranged in particular for pressure control.
  • the carbon and the nitrogen donor gas 8 is simultaneously introduced into the treatment chamber 4 in various process phases by means of the flow control valve 7.
  • the control and / or regulating device 11 monitors and controls or regulates the process or the individual process phases, inter alia, by means of the temperature sensor 9 and the pressure sensor 10.
  • the temperature detected by the temperature sensor 9, which is also referred to below as the treatment temperature is important.
  • the treatment temperature results in the atmosphere of the treatment chamber 4, as will be explained to the following figures 2 and 3.
  • the pump 13 acts at the outlet 12 together with the throttle valve 14 as a valve.
  • the degree of opening of the throttle valve 14 is controlled by the control and / or regulating device 11, inter alia, depending on the pressure detected by the pressure sensor 10, which is also referred to below as the treatment pressure to adjust the required treatment pressure in the treatment chamber 4, the treatment chamber 4 to evacuate partially or omit or replace the gases contained therein.
  • the Heating device 5 is controlled by the control and / or regulating device 11, inter alia, as a function of the treatment temperature detected by the temperature sensor 9.
  • the flow control valve 7 is guided by the control and / or regulating device 11 in order to regulate the process-dependent throughputs of the process gas.
  • the carbon donor gas also referred to as carbon donating gas
  • the nitrogen donor gas also referred to as nitrogen donating gas
  • Mixed ratio of the treatment chamber 4 are supplied.
  • known gases can be selected.
  • the carbon donor gas for example, acetylene, propane or ethylene.
  • the nitrogen donor gas for example, ammonia or nitrous oxide.
  • the process gas composition for the treatment chamber 4 is adjusted via the gas quantities of the carbon-emitting gas and the nitrogen-releasing gas.
  • one and the same gas is selected for the carbon donor gas and for the nitrogen donor gas, for example an amine compound, preferably aliphatic monoamine as both primary, secondary and tertiary compounds, or aliphatic diamine or a mixture of both. This considerably facilitates the process management. A mixing chamber upstream of the flow control valve 7 or an additional flow control valve is not required in this case.
  • Pressure base alternatively only on temperature or only on pressure basis, so that only one of the two sensors is required.
  • FIG. 2 shows the influence of the treatment temperature on the introduced carbon and nitrogen in the edge zone of the components 2, at a distance from the component surface of 50 ⁇ m after a carbonitriding time of 20 minutes at a set treatment pressure of the dispenser gas dimethylamine (C2H 6 NH) of 10 mbar
  • FIG. 2 shows, for the two temperatures 800 ° C. and 850 ° C., by way of example the experimentally determined influence of the treatment temperature on the ratio of carbon and nitrogen concentration set in the boundary zone of the components 2.
  • the two temperatures were selected for presentation to illustrate the change in ratios of the amount of carbon and nitrogen taken up.
  • the absorbed nitrogen quantity while more carbon is absorbed for the same process duration and a temperature of 850 ° C.
  • FIG. 3 exemplarily shows a time course of treatment temperature and treatment pressure, also referred to as process gas pressure, during low-pressure carbonitriding.
  • process control of a low-pressure carbonitriding with controlled temperature is shown schematically, which is used for example in the plant 1 shown in Figure 1 application.
  • the process time t is shown on the abscissa of the diagram, the temperature T on the left ordinate, and the pressure p of the atmosphere in the treatment chamber 4 on the right ordinate.
  • the low-pressure carbonitriding comprises a heating phase A, two temperature equalization phases Bl, B2, two carbonitriding phases Cl, C2, two diffusion phases Dl, D2, a temperature change E and a cooling phase F.
  • An interruption on the abscissa indicates that the illustrated process phases are not each time must have drawn, but may also differ from the illustration of Figure 3.
  • FIG. 3 shows that, during a heating phase A, the temperature is increased continuously with an approximately constant heating rate up to a treatment temperature of approximately 950 ° C. by means of the heating device 5.
  • the heating device 5 is controlled accordingly by the control and / or regulating device 11 and the heating rate ⁇ / ⁇ regulated.
  • the treatment temperature is constant to a first setpoint for the temperature of about 950 ° C by the control and / or regulating device 11 by comparing the temperature measured by means of temperature sensor 9 with the first setpoint for the temperature controlled by 950 ° C by appropriate control of the heating device 5.
  • currency During the heating phase A and the first temperature equalization phase B, no carbon or nitrogen-emitting gas is supplied to the treatment chamber 4.
  • first treatment phase Bl first treatment phase also referred to as the first carbonitriding phase Cl
  • the treatment temperature remains adjusted to its first setpoint.
  • a carbon and nitrogen donating gas also referred to as carbon and nitrogen donor gas, for example methylamine
  • the treatment pressure is constant at a first setpoint value for the pressure of about 15 mbar by the control and / or regulating device 11 by comparing the pressure measured by pressure sensor 10 with the first setpoint value for the pressure of 15 mbar adjusted by appropriate control of the opening degree of the throttle valve 14.
  • the first setpoint for the treatment temperature and the first setpoint for the treatment pressure is determined in the control and / or regulating device 11 depending on the experimentally determined relationships described above by means of corresponding stored maps to a first predetermined ratio between the absorbed carbon and nitrogen amount for To obtain the components 2 in the edge zone. Due to the selected first treatment time Atl of the first carbonitriding phase Cl, the amount or penetration depth of the carbon and nitrogen introduced into the components 2 is determined according to the first predetermined ratio.
  • a first treatment time characteristic map is stored in the control and / or regulating device 11, which for the selected setpoint of the treatment temperature and the selected setpoint for the treatment pressure and the material composition of the components 2 - an experimentally or computationally determined relationship between the treatment time and describes the introduced into the components 2 carbon and / or nitrogen amount or penetration depth of the carbon and nitrogen in the boundary layer. All components 2 treated in the treatment chamber should have the same material composition in order to achieve the desired result with regard to the carbon and nitrogen concentration to be introduced.
  • the first carbonitriding phase C1 is optionally followed by a first diffusion phase D1, in which the treatment chamber 4 is evacuated by the control and / or regulating unit 11 by means of the pump 13 with the flow control valve 7 closed by corresponding control of the throttle valve 14 and the flow control valve 7 with an inert gas, z. B. nitrogen or argon is purged, which then instead of the Carbon and nitrogen donor gas is supplied via the flow control valve 7 of the treatment chamber 4 and pumped out by the pump 13 again.
  • a temperature change phase E for changing the treatment temperature to a second desired value of about 850 ° C. by corresponding activation of the heating device 5 in order to set the final ratio between carbon and nitrogen in the surface layer of the components 2 in this embodiment.
  • the treatment temperature is constant to the second setpoint for the temperature of about 850 ° C by the control and / or regulating device 11 by comparing the measured temperature by means of temperature sensor 9 with the second setpoint for the temperature of 850 ° C by appropriate control of Heater 5 regulated.
  • no carbon or nitrogen-emitting gas is supplied to the treatment chamber 4.
  • the treatment temperature is further adjusted to its second setpoint.
  • a gas emitting carbon and nitrogen for example methylamine, is supplied to the treatment chamber 4 via the flow control valve 7.
  • the treatment pressure is constantly adjusted to a second desired value for the pressure of about 10 mbar by the control and / or regulating device 11 by comparing the pressure measured by pressure sensor 10 with the second desired value for the pressure of 10 mbar by appropriate control of the flow control valve 7 ,
  • the second setpoint for the treatment temperature and the second setpoint for the treatment pressure is determined in the control and / or regulating device 11 depending on the experimentally determined relationships described above by means of corresponding stored maps to a second predetermined ratio between the absorbed carbon and nitrogen amount for To obtain the components 2 in the edge zone.
  • the amount or penetration depth of the introduced into the components 2 carbon and nitrogen is determined according to the second predetermined ratio.
  • a stored in the control and / or regulating device 11 second treatment duration map is used, depending on the selected setpoint treatment temperature and the selected setpoint for the treatment pressure and the material composition of the components 2 - - determined experimentally or computational relationship between the treat - duration and the addition of carbon and / or nitrogen in the components 2 or starting from the achieved in the first Carbonitrierpahse Cl penetration depth feasible additional penetration depth of the carbon and nitrogen into the boundary layer describes.
  • the first treatment duration characteristic field can also be used instead of the second treatment duration characteristic diagram.
  • the treatment chamber is adjusted to a temperature by the lowered second setpoint for the treatment temperature compared to the first carbonitriding phase Cl in the second carbonitriding C2, at which the nitrogen absorbed by the components 2 nitrogen content and the absorbed by the components 2 carbon content smaller becomes.
  • the ratio between the amount of carbon and nitrogen taken up by the components 2 is also shifted in favor of the nitrogen due to the lower treatment pressure in the second carbonitriding phase C 1 shown in the exemplary embodiment in the second carbonitriding phase C 2.
  • the second carbonitriding phase C2 may also be without a second one
  • Temperature equalization phase B2 connect directly to the temperature change phase E.
  • the amount of carbon and nitrogen taken up in the first carbonitriding phase Cl lies in a second zone 110 of the boundary layer 125 which is more widely spaced from the surface of the components 2 than the amount of carbon and nitrogen taken up during the second carbonitriding phase C2, which in one case reaches the second zone 110 adjacent and on the other hand by the surface 100 of the respective component 2 completed first zone 105 of the edge layer 125 is present, as Figure 4 can be seen.
  • the second treatment duration ⁇ 2 has been selected to be shorter than the first treatment period Atl. Therefore, the second zone 110 in the edge layer 125 of the components 2 is made thicker than the first zone 105.
  • the first zone 105 has a first thickness d1 which is smaller than a second thickness d2 of the second zone 110.
  • To the second zone 110 then, facing away from the first zone 105, joins a core 115 of the respective component into which no carbon or nitrogen has been taken up by the treatment.
  • the transition between the two zones 105, 110 is ideally jump-shaped in FIG. However, in reality, there will be a steady transition region between the ratios of the corresponding carbon and nitrogen concentrations of adjacent zones.
  • a further diffusion phase D2 in which the treatment chamber 4 is evacuated or with an inert gas, for. As nitrogen or argon is purged. Finally, a cooling phase F.
  • edge carbon concentration should be between 0.5 to 0.8 mass percent with an edge nitrogen concentration between 0.2 and 0.7 mass percent.
  • one or more diffusion phases can optionally be inserted to avoid unwanted precipitations of carbides, nitrides and carbonitrides and / or to set a given carbon and nitrogen depth profile in the surface layer of the components 2 as described.
  • the predetermined carbon and nitrogen depth profile indicates at what intervals from the surface of the components in the surface layer of the components which ratio should be present between the carbon and nitrogen concentration to be absorbed by the component in its boundary layer. For each of these zones of the boundary layer with individually predetermined ratio between carbon and nitrogen concentration, a corresponding carbonitriding phase is then provided as described above.
  • the desired carbon and nitrogen concentration distribution in the surface layer of the components 2 is thus adjusted by a controlled temperature control and / or regulation of the dispensing gas pressure during the low-pressure carbonitriding and by a suitable choice of the times and the treatment periods of the carbonitriding phases.
  • an advantage of the method according to the invention is that the process is carried out at low pressures of less than or equal to 100 mbar, advantageously between 2 and 30 mbar, whereby the accessibility of bore geometries for the uptake of carbon and nitrogen increases.
  • the process gas pressure of the carbon and nitrogen donor gas is advantageously controlled within a deviation of + / ⁇ 8 mbar, even better within a deviation of +/- 3 mbar.
  • Lower temperatures of less than or equal to 1050 ° C, advantageously less than or equal to 960 ° C and greater than or equal to 650 ° C, can be a homogeneous
  • the maps described are developed from a simulation model that calculates the diffusion of nitrogen and carbon as a function of time, temperature, pressure and material composition.
  • Figure 5 shows a block diagram of the control and / or regulating device 11 with the components which are provided for the control of the flow control valve 7, the opening degree of the throttle valve 14 and the heating device 5 for adjusting the carbonitriding phases.
  • the degree of opening of the throttle valve 14, with the vacuum pump 13 running is adjusted in the manner by the control and / or regulating device 11, so that the treatment pressure in the treatment chamber 4 is regulated to the respective desired value.
  • the control of the treatment pressure by means of appropriate adjustment of the opening degree of the throttle valve 14 takes place at the gas outlet from the treatment chamber 4 upstream of the pump 13 exceeds the measured by the pressure sensor 10 actual value of the treatment pressure the predetermined target value for the treatment pressure, then the throttle valve 14 by appropriate control on the part Control and / or regulating device 11 further open, so that the pump 13 can take a higher volume flow from the treatment chamber 4 and the actual value is lowered for the treatment pressure.
  • the throttle valve 14 is closed further by corresponding control by the control and / or regulating device 11, whereby the volume flow which the pump 13 takes from the treatment chamber 4 is reduced and an increase in the actual value for the treatment pressure in the treatment chamber 4 is achieved.
  • control and / or regulating device 11 as required, for example, for setting the heating phase A or the diffusion phases Dl, D2, are not shown for reasons of clarity and may be formed in a manner known to those skilled in the art.
  • a user can enter several parameters for a desired treatment of the components 2 in the treatment chamber 4. Thus, it can predetermine one or more ratios between the carbon and nitrogen concentration to be absorbed by the components 2 in their boundary layer 125 by corresponding input.
  • an assigned carbonitriding phase should be set in order to convert the predetermined ratio in the boundary layer 125.
  • a carbonitriding phase is set for each ratio data record, in the chronological order of their input or numbering.
  • a zone with the corresponding ratio of the carbon and nitrogen concentration in the boundary layer 125 is then formed for each ratio data set and therefore for each carbonitriding phase, the zones being assigned according to the chronological order of the input of the associated predetermined ratio and thus in the order of their numbering the surface 100 of the respective component 2 are formed.
  • the first ratio data set sets the carbon and nitrogen concentrations with the greatest edge distance to the surface 100 of the respective component 2 and the last-applied data set the surface-closest carbon and nitrogen concentrations.
  • the second zone 110 with the thickness d2 in the boundary layer of the component 2 was set with a first ratio data set and the first zone 105 with the thickness d1 with a second ratio data set.
  • a desired amount or penetration depth should also be indicated, in other words an associated thickness of the associated zone.
  • a first predetermined thickness data set in FIG. 5 is denoted by 225 and an nth predetermined thickness data set by 235.
  • the totality of the thick data sets is marked 240.
  • a temperature-pressure map 250 and the associated thickness data set the treatment duration map 255th supplied as input.
  • the temperature-pressure characteristic field was determined experimentally and gives for each predetermined at its input ratio between the 2 to be absorbed by the components in their boundary layer 125 carbon and nitrogen concentration a target value ST for the associated treatment temperature and a target value SD for the associated treatment pressure his exit.
  • the setpoint value ST for the treatment temperature and the setpoint value SD for the treatment pressure are also supplied as input variables to the treatment duration characteristic map 255.
  • the setpoint value ST for the treatment temperature is also supplied as input to a first comparison element 265.
  • the setpoint SD for the treatment pressure is also supplied as input to a second comparator 260.
  • a material composition for example.
  • the insert steel 20MnCr5 is further selected from a proposed amount, which characterizes the material composition of the components 2.
  • a material composition data set 245 is generated, which is likewise fed to the treatment duration characteristic map 255 as an input variable.
  • the treatment duration map 255 was also determined experimentally and indicates what treatment time is required to with a component of the selected material composition at the predetermined setpoint ST for the treatment temperature and the predetermined setpoint SD for the treatment pressure, the predetermined thickness of the zone to be formed with absorbed carbon and nitrogen according to the predetermined ratio of the carbon and the nitrogen concentration in the peripheral layer 125 of the respective component 2 to form.
  • a corresponding release signal is sent to the flow control valve 7, so that it is open during the determined treatment time for the associated carbonitriding phase.
  • the flow control valve 7 is closed or is only for possibly provided diffusion phases for purging with an inert gas, eg. For example, nitrogen or argon, opened in the skilled person known manner.
  • the first comparison element 265 is supplied with an actual value IT for the treatment temperature, which is determined by the temperature sensor 9.
  • the first comparison element 265 compares the setpoint value ST of the treatment temperature with the actual value IT of the treatment temperature and outputs a control signal to the heating device 5 as a function of the difference between the setpoint value ST for the treatment temperature and the actual value IT for the treatment temperature in order to minimize the control difference and the actual value IT for the treatment temperature to track the setpoint ST for the treatment temperature.
  • the second comparison element 260 is supplied with an actual value ID for the treatment pressure, which is determined by the pressure sensor 10.
  • the second comparator 260 compares the setpoint value SD of the treatment pressure with the actual value ID of the treatment pressure, and outputs a control signal to the throttle valve 14 depending on the difference between the setpoint value SD for the treatment pressure and the treatment pressure actual value ID, in order to minimize the control difference and the actual value Tracking the ID for the treatment pressure the setpoint SD for the treatment pressure.
  • the respective predetermined ratio between the carbon concentration and the nitrogen concentration in the boundary layer 125 of the respective component 2 in the desired thickness in the corresponding zone is set for the determined treatment duration. If a plurality of such ratios are specified, a carbon and nitrogen depth profile in the boundary layer 125 predetermined by the ratio data sets 205,..., 215 and the thickness data sets 225,..., 235 is then determined by the assigned and optional carbonitriding phases separated by a respective diffusion phase set.

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Abstract

The invention relates to a method for producing at least one, in particular metal, component (2), preferably a cylinder head, a nozzle body for a high-pressure injection pump, a component of a diesel injection engine, or a throttle disk, by means of low-pressure carbonitriding in at least one treatment chamber (4), which preferably can be evacuated, and an open-loop and/or closed-loop control device (11), which enables the setting of a specified ratio between a carbon concentration and a nitrogen concentration in a surface layer of the at least one component (2). In at least one treatment phase, a carbon-providing gas and a nitrogen-providing gas (8) are simultaneously introduced into the treatment chamber (4). Based on a specified ratio between a carbon concentration and a nitrogen concentration to be absorbed by the at least one component (2) in a surface layer of the component, a target value for the temperature and/or the pressure to be set in the treatment chamber is determined and is set in the treatment chamber for a specified time.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Verfahren zur Herstellung mindestens eines Bauteils und Steuer- und/oder Regeleinrichtung  Method for producing at least one component and control and / or regulating device
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines Bauteils und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. The present invention relates to a method for producing at least one component and a control and / or regulating device according to the preamble of the independent claims.
Stand der Technik State of the art
Die Druckschrift DE 199 09 694 AI beschreibt ein Carbonitrierverfahren, bei dem die Eindiffusion des Stickstoffs während des gesamten Prozesses oder, bei Verwendung von elementarem Stickstoff als Spendergas, vorzugsweise allein in der letzten Prozessphase erfolgt. Als Stickstoffspender werden insbesondere molekularer Stickstoff, Ammoniak und weitere stickstoffhaltige Verbindungen genannt. Kohlenstoffspender werden nicht spezifiziert. Document DE 199 09 694 A1 describes a carbonitriding process in which the diffusion of nitrogen takes place during the entire process or, when elemental nitrogen is used as the donor gas, preferably only in the last process phase. Nitrogen donors are in particular molecular nitrogen, ammonia and other nitrogen-containing compounds. Carbon donors are not specified.
Die Druckschrift DE 101 18 494 C2 beschreibt ein Niederdruck-Carbonitrierverfahren, bei dem Stahlteile zunächst aufgekohlt und anschließend mit einem Stickstoffspendergas aufgestickt werden. Als Kohlenstoffspender werden Acetylen, Propan und Ethylen angegeben. Als Stickstoffspender wird Spendergas, das Ammoniak enthält, genannt. Weitere Angaben zum Stickstoffspender werden nicht gemacht. The document DE 101 18 494 C2 describes a low-pressure carbonitriding process in which steel parts are first carburized and then embroidered with a nitrogen donor gas. Carbon donors are acetylene, propane and ethylene. As a nitrogen donor donor gas containing ammonia is called. Further information on the nitrogen donor will not be provided.
Die Druckschrift DE 103 22 255 AI beschreibt ein Verfahren zur Aufkohlung von Stahlteilen, bei dem sowohl während der Aufheizphase als auch während der Diffusionsphase Stickstoff abgebendes Gas zugegeben wird. Als Stickstoffspender werden Ammoniak und Lachgas und als Kohlenstoffspender Acetylen, Propan und Ethylen angegeben. The document DE 103 22 255 A1 describes a method for carburizing steel parts, in which nitrogen-releasing gas is added both during the heating phase and during the diffusion phase. Ammonia and nitrous oxide are indicated as nitrogen donors and acetylene, propane and ethylene as carbon donors.
Die genannten Druckschriften DE 101 18 494 C2 und DE 103 22 255 AI beschreiben Niederdruck-Carbonitrierverfahren im Pulsmodus, bei denen Stickstoffverbindungen, wie z. B. Ammoniak oder Lachgas als Stickstoffspendergas verwendet werden, die in den Angebotsphasen zwischen den Aufkohlungsangeboten und/oder beim Erwärmen der Charge und/oder bei der abschließenden Kohlenstoff- Diffusionsphase in die Be- handlungskammer eingebracht werden, um den Stickstoff in die Bauteiloberfläche einzubringen. The cited references DE 101 18 494 C2 and DE 103 22 255 AI describe low-pressure carbonitriding in the pulse mode in which nitrogen compounds, such as. For example, ammonia or nitrous oxide can be used as nitrogen donor gas, which can be used in the bidding phases between the carburizing offers and / or during heating of the batch and / or during the final carbon diffusion phase. be introduced chamber to introduce the nitrogen in the component surface.
Durch die verfahrensbedingt abwechselnden Kohlenstoff- und Stickstoffangebotsphasen ist es nicht möglich, eine kontinuierliche Kohlenstoff- und Stickstoffaufnahme zu gewährleisten. Dadurch bedingt verlängern sich die Prozesszeiten, da zwischen den Kohlenstoff- und den Stickstoffangebotsphasen Diffusionsphasen berücksichtigt werden müssen, um die Aufnahme von Kohlenstoff bzw. Stickstoff in einer nachfolgenden Angebotsphase zu beschleunigen. Due to the process-related alternating carbon and nitrogen supply phases, it is not possible to ensure a continuous carbon and nitrogen uptake. As a result, the process times are lengthened because diffusion phases must be taken into account between the carbon and nitrogen supply phases in order to accelerate the uptake of carbon or nitrogen in a subsequent bidding phase.
Das sowjetische Patent 1680798 beschreibt ein Verfahren zur Carbonitrierung von metallischen Bauteilen, bei dem Amin-Verbindungen, wie z. B. Methylamin, Soviet patent 1680798 describes a process for the carbonitriding of metallic components, in which amine compounds, such. Methylamine,
Diethylamin und Dibutylamin, als Kohlenstoff- und Stickstoffspender verwendet werden, um gleichzeitig Kohlenstoff und Stickstoff in die Bauteiloberfläche einzubringen. Bei diesem Verfahren werden Amine bei hohen Temperaturen (T = 1100 °C bis 1200 °C) in die Behandlungskammer gegeben, um eine kohlenstoff- und stickstoffreiche Atmosphäre zu erzeugen. Dieser Prozess läuft unter Atmosphärendruck ab. Diethylamine and dibutylamine are used as carbon and nitrogen donors to simultaneously introduce carbon and nitrogen into the component surface. In this process, amines are added to the treatment chamber at high temperatures (T = 1100 ° C to 1200 ° C) to produce a carbon and nitrogen rich atmosphere. This process takes place under atmospheric pressure.
Problematisch bei diesem Carbonitrierverfahren sind die hohen Behandlungstemperaturen von 1100 bis 1200 °C und der Atmosphärendruck. Bei diesen Temperaturen ist der Umsatz der Aminverbindungen in der Gasphase und an der Bauteiloberfläche so hoch, dass komplexere Geometrien mit innen liegenden Oberflächen, wie z. B. Bohrungen, oder dicht gepackten Bauteilchargen ungleichmäßig carbonitriert werden. Darüber hinaus erschwert der Prozessgasdruck von 1 bar die Diffusion der Spendergase innerhalb der Charge und/oder innerhalb innen liegender Geometrien, wie z. B. Sacklochbohrungen, erheblich. The problem with this carbonitriding process is the high treatment temperatures of 1100 to 1200 ° C and the atmospheric pressure. At these temperatures, the conversion of amine compounds in the gas phase and on the component surface is so high that more complex geometries with internal surfaces such. B. holes, or densely packed component batches are carbonitrided unevenly. In addition, the process gas pressure of 1 bar complicates the diffusion of the donor gases within the batch and / or within internal geometries, such. B. blind holes, considerably.
Anlagentechnisch ist dieser Temperaturbereich in Verbindung mit dem hohen Prozessgasdruck als sehr wartungsintensiv zu beurteilen. Des Weiteren neigen kostengünstige metallische Werkstoffe bei diesen Temperaturen zur Grobkornbildung, was sich ungünstig auf die Dauerfestigkeit des Bauteils auswirken kann, wodurch teurere Werkstoffe eingesetzt werden müssen und/oder ein zusätzlicher Wärmebehandlungsschritt zur Kornfeinung durchgeführt werden muss.  In terms of plant technology, this temperature range, in conjunction with the high process gas pressure, is to be assessed as very maintenance-intensive. Furthermore, low cost metallic materials tend to coarse grain at these temperatures, which can adversely affect the fatigue strength of the component, requiring the use of more expensive materials and / or an additional heat treatment step for grain refining.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist, dass bei allen beschriebenen Niederdruck- Carbonitrierverfahren keine Regelung zur Steuerung der Kohlenstoff- und der Stickstoffaufnahme vorgesehen ist. Das Verhältnis zwischen dem in der Randschicht eingebrachten Kohlenstoff und Stickstoff ist jedoch entscheidend für die resultierenden Material- und Bauteileigenschaften. Offenbarung der Erfindung Another essential aspect is that no control is provided for controlling the carbon and nitrogen uptake in all of the described low-pressure carbonitriding processes. However, the ratio between the carbon and nitrogen introduced in the boundary layer is crucial for the resulting material and component properties. Disclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung mindestens eines Bauteils und die erfindungsgemäße Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass in mindestens einer Behandlungsphase ein Kohlenstoff abgebendes Gas und ein Stickstoff abgebendes Gas gleichzeitig in die Behandlungskammer eingebracht werden, dass abhängig von einem vorgegebenen Verhältnis zwischen einer vom mindestens einen Bauteil in seiner Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration ein in der Behandlungskammer einzustellender Sollwert für die Temperatur und/oder den Druck ermittelt und für eine vorgegebene Zeit in der Behandlungskammer eingeregelt wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine kontinuierliche Kohlenstoff- und Stickstoffaufnahme zu gewährleisten. Kohlenstoff und Stickstoff werden gleichzeitig und damit ohne Prozessgaswechsel bzw. Diffusionsphasen zwischen abwechselnden Kohlenstoff- und Stickstoffangebotsphasen angeboten. Dadurch verkürzen sich die Prozesszeiten. Die Niederdruck-Carbonitirierung ermöglicht darüber hinaus eine homogene Aufkohlung und Aufstickung auch bei dicht gepackten Chargen oder komplexen Bauteilgeometrien, wie z. B. Bohrungsgeometrien. Durch die Regelung von Temperatur und/oder Druck lässt sich ein vorgegebenes Verhältnis zwischen den in der Randschicht eingebrachten Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen einstellen und damit Einfluss auf die resultierenden Material- und Bauteileigenschaften nehmen. The inventive method for producing at least one component and the control and / or regulating device according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that in at least one treatment phase, a carbon emitting gas and a nitrogen-releasing gas are introduced simultaneously into the treatment chamber, that Depending on a predetermined ratio between a carbon and nitrogen concentration to be absorbed by at least one component in its boundary layer, a setpoint for the temperature and / or pressure to be set in the treatment chamber is determined and adjusted for a predetermined time in the treatment chamber. In this way it is possible to ensure a continuous carbon and nitrogen uptake. Carbon and nitrogen are offered simultaneously and thus without process gas exchange or diffusion phases between alternating carbon and nitrogen supply phases. This shortens the process times. The low-pressure carbonization also allows homogeneous carburizing and nitriding even in densely packed batches or complex component geometries, such. B. Bore Geometries. By regulating the temperature and / or pressure, it is possible to set a given ratio between the carbon and nitrogen concentrations introduced in the boundary layer and thus to influence the resulting material and component properties.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the main claim method are possible.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Kohlenstoff abgebendes Gas und als Stickstoff abgebendes Gas ein und dasselbe Gas in die Behandlungskammer eingebracht wird. Dies vereinfacht das Verfahren erheblich, da nur ein Gas in die Behandlungskammer eingebracht werden muss. It is particularly advantageous if one and the same gas is introduced into the treatment chamber as the carbon-emitting gas and as the nitrogen-emitting gas. This simplifies the process considerably, since only one gas has to be introduced into the treatment chamber.
In vorteilhafter Weise wird als ein solches Gas eine Amin-Verbindung gewählt, vorzugsweise aliphatisches Monoamin sowohl als primäre, sekundäre und auch tertiäre Verbindungen, oder aliphatisches Diamin oder eine Mischung aus beiden. Advantageously, an amine compound is selected as such gas, preferably aliphatic monoamine as both primary, secondary and tertiary compounds, or aliphatic diamine or a mixture of both.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dabei, wenn als Kohlenstoff und Stickstoff abgebendes Gas ein Gas gewählt wird, das Kohlenstoff und Stickstoff im Verhältnis kleiner gleich drei abgibt. Auf diese Weise lassen sich die gewünschten Verhältnisse bei den Koh- lenstoff- und Stickstoffprofilen einstellen bei gleichzeitiger Verringerung der Rußbildung in der Ofenanlage. A further advantage results when the gas emitting carbon and nitrogen is selected as a gas which releases carbon and nitrogen in a ratio of less than or equal to three. In this way, the desired ratios in the case of adjust fuel and nitrogen profiles while reducing soot formation in the furnace.
Der gleiche Vorteil ergibt sich auch, wenn bei Verwendung von verschiedenen Gasen für die Abgabe von Kohlenstoff und Stickstoff in der Behandlungskammer die Menge, insbesondere der Volumenstrom, des der Behandlungskammer zugeführten Kohlenstoff abgebenden Gases und die Menge, insbesondere der Volumenstrom, des der Behandlungskammer zugeführten Stickstoff abgebenden Gases im Verhältnis der Abgabe von Kohlenstoff und Stickstoff in der Behandlungskammer kleiner drei gewählt wird. The same advantage also results if, when using different gases for the discharge of carbon and nitrogen in the treatment chamber, the amount, in particular the volume flow, of the treatment chamber supplied carbon emitting gas and the amount, in particular the volume flow, of the treatment chamber supplied nitrogen donating gas is selected in proportion to the discharge of carbon and nitrogen in the treatment chamber smaller than three.
Vorteilhaft für die Regelung ist es, wenn der Druck und/oder die Temperatur in der Behandlungskammer gemessen und als Istwert dem ermittelten Sollwert nachgeführt wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache und zuverlässige Regelung auf das vorgegebene Verhältnis zwischen der vom mindestens einen Bauteil in seiner Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration. It is advantageous for the control if the pressure and / or the temperature in the treatment chamber are measured and the actual value is tracked to the determined desired value. This allows a particularly simple and reliable control of the predetermined ratio between the carbon and nitrogen concentration to be absorbed by at least one component in its boundary layer.
Die Regelung wird auch dadurch besonders einfach und komfortabel gestaltet, dass der Istwert für die Temperatur dem Sollwert für die Temperatur über eine Ansteuerung einer Heizeinrichtung in der Behandlungskammer nachgeführt wird, wobei die Temperatur der Heizeinrichtung erhöht wird, wenn der Istwert für die Temperatur kleiner als der Sollwert für die Temperatur ist und die Temperatur der Heizeinrichtung gesenkt wird, wenn der Istwert für die Temperatur größer als der Sollwert für die Temperatur ist. The control is also particularly simple and comfortable designed that the actual value for the temperature is tracked to the setpoint for the temperature via a control of a heater in the treatment chamber, wherein the temperature of the heater is increased when the actual value for the temperature is less than that Setpoint for the temperature is and the temperature of the heater is lowered, if the actual value for the temperature is greater than the setpoint for the temperature.
Entsprechend einfach und komfortabel wird die Regelung, wenn der Istwert für den Druck dem Sollwert für den Druck über eine Einstellung einer aus der Behandlungskammer ausgeführten Gasmenge, insbesondere Volumenstrom, nachgeführt wird, wobei die ausgeführte Gasmenge gesenkt wird, wenn der Istwert für den Druck kleiner als der Sollwert für den Druck ist und wobei die ausgeführte Gasmenge erhöht wird, wenn der Istwert für den Druck größer als der Sollwert für den Druck ist. The regulation becomes correspondingly simple and comfortable when the actual value for the pressure is tracked to the desired value for the pressure via a setting of a gas quantity, in particular a volume flow, carried out from the treatment chamber, the gas quantity being reduced when the actual value for the pressure is lower than is the desired value for the pressure and wherein the amount of gas is increased when the actual value for the pressure is greater than the setpoint for the pressure.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn der Sollwert für die Temperatur in der Behandlungskammer mindestens einmal gewechselt wird. Dies ermöglicht die Einstellung verschiedener Verhältnisse zwischen der eingesetzten Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration in unterschiedlichen Tiefenzonen der Randschicht. It is also advantageous if the setpoint for the temperature in the treatment chamber is changed at least once. This makes it possible to set different ratios between the carbon and nitrogen concentrations used in different depth zones of the surface layer.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn mindestens einer Aufheizphase oder mindestens einer Abkühlungsphase in der Behandlungskammer eine Temperaturvergleichmäßigungsphase nachgeschaltet wird. Auf diese Weise lässt sich der Sollwert für die Temperatur möglichst exakt für alle Bauteile innerhalb einer Charge einregeln. Vorteilhaft ist, dass der Sollwert für den Druck in der Behandlungskammer mindestens einmal gewechselt wird. Dies ermöglicht die Einstellung verschiedener Verhältnisse zwischen der eingesetzten Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration in unterschiedlichen Tiefenzonen der Randschicht. A further advantage results if at least one heating phase or at least one cooling phase in the treatment chamber is followed by a temperature equalization phase. In this way, the setpoint for the temperature can be adjusted as accurately as possible for all components within a batch. It is advantageous that the desired value for the pressure in the treatment chamber is changed at least once. This makes it possible to set different ratios between the carbon and nitrogen concentrations used in different depth zones of the surface layer.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Solldruck in der Behandlungskammer kleiner oder gleich 100 mbar ist, vorzugsweise zwischen zwei und 30 mbar. Auf diese Another advantage is that the target pressure in the treatment chamber is less than or equal to 100 mbar, preferably between two and 30 mbar. To this
Weise werden Diffusionsvorgänge des entsprechenden Gases innerhalb einer Charge oder innerhalb innen liegender Geometrien, wie z. B. Sacklochbohrungen, erheblich erleichtert. Way are diffusion processes of the corresponding gas within a batch or within internal geometries such. B. blind holes, greatly facilitated.
Vorteilhaft ist außerdem, dass der Sollwert für die Temperatur in einem Bereich von It is also advantageous that the setpoint for the temperature in a range of
650 °C bis 1050 °C, vorzugsweise in einem Bereich von 650°C bis 960°C, liegt. Auf diese Weise lässt sich eine homogene Carbonitrierung dicht gepackter Bauteilchargen oder komplexer Geometrien mit innen liegenden Oberflächen, wie z. B. mit 650 ° C to 1050 ° C, preferably in a range of 650 ° C to 960 ° C, is located. In this way, a homogeneous carbonitriding densely packed component batches or complex geometries with internal surfaces such. B. with
Bohrungsgeometrien sicherstellen. Ensure bore geometries.
Bei einem kontinuierlichen Prozessgasangebot können sich ungewollt und unkontrolliert Ausscheidungen wie Carbide, Nitride und Carbonitride in der Randschicht des mindestens einen Bauteils in Abhängigkeit der Temperatur und den sich einstellenden Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofilen bilden. Daher ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft, dass mehrere Behandlungsphasen vorgesehen sind, die durch jeweils eine Diffusionsphase voneinander getrennt werden. Auf diese Weise können In the case of a continuous supply of process gas, precipitates such as carbides, nitrides and carbonitrides in the surface layer of the at least one component can form unintentionally and uncontrolled as a function of the temperature and the carbon and nitrogen depth profiles that arise. It is therefore particularly advantageous in the method according to the invention for a plurality of treatment phases to be provided, which are separated from each other by a respective diffusion phase. That way you can
ungewollteAusscheidungen wie Carbide, Nitride und Carbonitride in der Randschicht des mindestens einen Bauteils vermieden werden und außerdem ein gewünschtes bzw. vorgegebenes Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofil in der Randschicht des mindestens einen Bauteils eingestellt werden. unwanted precipitates such as carbides, nitrides and carbonitrides are avoided in the surface layer of the at least one component and also set a desired or predetermined carbon and nitrogen depth profile in the surface layer of the at least one component.
Ein solches vorgegebenes Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofil kann besonders einfach dadurch hergestellt werden, dass das vorgegebene Verhältnis zwischen der vom mindestens einen Bauteil in seiner Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration in mindestens zwei der Behandlungsphasen unterschiedlich gewählt wird, abhängig von dem vorgegebenen Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofil in der Randschicht des mindestens einen Bauteils. Such a predetermined carbon and nitrogen depth profile can be produced particularly simply by selecting the predetermined ratio between the carbon and nitrogen concentration to be absorbed by at least one component in at least two of the treatment phases, depending on the given carbon and nitrogen depth profile in FIG the boundary layer of the at least one component.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zum Niederdruck-Carbonitrieren mindestens eines Bauteils, Figur 2 den Einfluss der Temperatur auf das in der Randschicht eines Bauteils eingestellte Verhältnis zwischen Kohlenstoff und Stickstoff, Figur 3 schematisch eine Prozessführung einer Niederdruck- Carbonitrierung mit geregelter Temperatur, Figur 4 schematisch den durch die Prozessführung nach Figur 3 erreichten Aufbau der Randschicht der behandelten Bauteile und Figur 5 ein Blockschaltbild einer zur Prozessführung verwendeten Steuer- und/oder Regeleinrichtung. drawing An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. 1 shows a schematic representation of a plant for low-pressure carbonitriding at least one component, Figure 2 shows the influence of temperature on the set in the boundary layer of a component ratio between carbon and nitrogen, Figure 3 schematically a process control of a low-pressure carbonitriding with controlled temperature, FIG. 4 schematically shows the construction of the surface layer of the treated components achieved by the process control according to FIG. 3, and FIG. 5 shows a block diagram of a control and / or regulating device used for process control.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage 1 zum Niederdruckcarbonitrieren eines oder mehrerer Bauteile 2. In Figur 1 sind beispielhaft fünf Bauteile 2 dargestellt. Die Bauteile 2 sind auf einer Auflage 3 in einer Behandlungskammer 4 angeordnet. Die Bauteile 2 lassen sich mittels einer im unteren Bereich der Zeichnung dargestellten Heizeinrichtung 5 erwärmen. Ein Einlass 6 mit zugehörigem Durchflussregelventil 7 erlaubt das Einbringen eines Kohlenstoff- und Stickstoffspendergases 8. Ein Temperatursensor 9 und ein Drucksensor 10 sind im oberen Bereich der Zeichnung der Behandlungskammer 4 angeordnet. Eine darüber dargestellte Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 11 nimmt die von dem Temperatursensor 9 und dem Drucksensor 10 kommenden Signale auf. Ein Auslass 12 der Behandlungskammer 4 führt auf den Eingang einer Pumpe 13, die beispielsweise als Vakuumpumpe ausgebildet sein kann. Stromauf der Pumpe 13 ist eine Drosselklappe 14 insbesondere zur Druckregelung angeordnet. 1 shows a schematic representation of a plant 1 for Niederdruckcarbonitrieren one or more components 2. In Figure 1, five components 2 are shown by way of example. The components 2 are arranged on a support 3 in a treatment chamber 4. The components 2 can be heated by means of a heater 5 shown in the lower part of the drawing. An inlet 6 with associated flow control valve 7 allows the introduction of a carbon and nitrogen donor gas 8. A temperature sensor 9 and a pressure sensor 10 are arranged in the upper region of the drawing of the treatment chamber 4. A control and / or regulating device 11 shown above receives the signals coming from the temperature sensor 9 and the pressure sensor 10. An outlet 12 of the treatment chamber 4 leads to the inlet of a pump 13, which may be formed for example as a vacuum pump. Upstream of the pump 13, a throttle valve 14 is arranged in particular for pressure control.
Im Betrieb der Anlage 1 wird in verschiedenen Prozessphasen mittels des Durchflussregelventils 7 das Kohlenstoff- und das Stickstoffspendergas 8 gleichzeitig in die Behandlungskammer 4 eingebracht. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 überwacht und steuert oder regelt unter anderem mittels des Temperatursensors 9 und des Drucksensors 10 den Prozess bzw. die einzelnen Prozessphasen. Insbesondere ist die durch den Temperatursensor 9 erfasste Temperatur, die im Folgenden auch als Behandlungstemperatur bezeichnet wird, von Bedeutung. Die Behandlungstemperatur ergibt sich in der Atmosphäre der Behandlungskammer 4, wie noch zu den nachfolgenden Figuren 2 und 3 erläutert wird. Die Pumpe 13 wirkt am Auslass 12 zusammen mit der Drosselklappe 14 wie ein Ventil. Der Öffnungsgrad der Drosselklappe 14 wird prozessabhängig durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 unter anderem abhängig von dem vom Drucksensor 10 erfassten Druck, der im Folgenden auch als Behandlungsdruck bezeichnet wird, geregelt, um den erforderlichen Behandlungsdruck in der Behandlungskammer 4 einzustellen, die Behandlungskammer 4 teilweise zu evakuieren oder die darin befindlichen Gase auszulassen oder auszutauschen. Die Heizungseinrichtung 5 wird von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 unter anderem abhängig von der vom Temperatursensor 9 erfassten Behandlungstemperatur geregelt. Das Durchflussregelventil 7 wird von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 geführt, um die prozessabhängigen Durchsätze des Prozessgases zu regeln. During operation of the plant 1, the carbon and the nitrogen donor gas 8 is simultaneously introduced into the treatment chamber 4 in various process phases by means of the flow control valve 7. The control and / or regulating device 11 monitors and controls or regulates the process or the individual process phases, inter alia, by means of the temperature sensor 9 and the pressure sensor 10. In particular, the temperature detected by the temperature sensor 9, which is also referred to below as the treatment temperature, is important. The treatment temperature results in the atmosphere of the treatment chamber 4, as will be explained to the following figures 2 and 3. The pump 13 acts at the outlet 12 together with the throttle valve 14 as a valve. The degree of opening of the throttle valve 14 is controlled by the control and / or regulating device 11, inter alia, depending on the pressure detected by the pressure sensor 10, which is also referred to below as the treatment pressure to adjust the required treatment pressure in the treatment chamber 4, the treatment chamber 4 to evacuate partially or omit or replace the gases contained therein. The Heating device 5 is controlled by the control and / or regulating device 11, inter alia, as a function of the treatment temperature detected by the temperature sensor 9. The flow control valve 7 is guided by the control and / or regulating device 11 in order to regulate the process-dependent throughputs of the process gas.
Das Kohlenstoffspendergas, auch als Kohlenstoff abgebendes Gas bezeichnet, und das Stickstoffspendergas, auch als Stickstoff abgebendes Gas bezeichnet, können voneinander verschieden sein. In diesem Fall können die verschiedenen Gase in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Mischkammer stromauf des Durchflussregelventils 7 oder mittels jeweils eines separaten Durchflussregelventils in einem gewünschten The carbon donor gas, also referred to as carbon donating gas, and the nitrogen donor gas, also referred to as nitrogen donating gas, may be different from each other. In this case, the various gases in a mixing chamber, not shown in the drawing upstream of the flow control valve 7 or by means of a separate flow control valve in a desired
Mischverhältnis der Behandlungskammer 4 zugeführt werden. Dabei können bekannte Gase gewählt werden. Für das Kohlenstoffspendergas zum Beispiel Acetylen, Propan oder Ethylen. Für das Stickstoffspendergas zum Beispiel Ammoniak oder Lachgas. Die Prozessgaszusammensetzung für die Behandlungskammer 4 wird über die Gasmengen des Kohlenstoff abgebenden Gases und des Stickstoff abgebenden Gases eingestellt. Mixed ratio of the treatment chamber 4 are supplied. In this case, known gases can be selected. For the carbon donor gas, for example, acetylene, propane or ethylene. For the nitrogen donor gas, for example, ammonia or nitrous oxide. The process gas composition for the treatment chamber 4 is adjusted via the gas quantities of the carbon-emitting gas and the nitrogen-releasing gas.
Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch herausgestellt, wenn für das Kohlenstoffspendergas und für das Stickstoffspendergas ein und dasselbe Gas gewählt wird, beispielsweise eine Amin-Verbindung, vorzugsweise aliphatisches Monoamin sowohl als primäre, sekundäre und auch tertiäre Verbindungen, oder aliphatisches Diamin oder eine Mischung aus beiden. Dies erleichtert die Prozessführung erheblich. Eine Mischkammer stromauf des Durchflussregelventils 7 oder ein zusätzliches Durchflussregelventil ist in diesem Fall nicht erforderlich. However, it has proved to be particularly advantageous if one and the same gas is selected for the carbon donor gas and for the nitrogen donor gas, for example an amine compound, preferably aliphatic monoamine as both primary, secondary and tertiary compounds, or aliphatic diamine or a mixture of both. This considerably facilitates the process management. A mixing chamber upstream of the flow control valve 7 or an additional flow control valve is not required in this case.
Die Regelung bzw. Steuerung kann statt wie beschrieben auf Temperatur- und auf The regulation or control, instead of as described on temperature and on
Druckbasis alternativ nur auf Temperatur- oder nur auf Druckbasis erfolgen, so dass nur einer der beiden Sensoren erforderlich ist. Bei der Regelung auf die Temperatur nur der Temperatursensor und bei der Regelung auf den Druck nur der Drucksensor. Pressure base alternatively only on temperature or only on pressure basis, so that only one of the two sensors is required. When controlling on the temperature only the temperature sensor and in the regulation on the pressure only the pressure sensor.
Figur 2 zeigt den Einfluss der Behandlungstemperatur auf den eingebrachten Kohlenstoff und Stickstoff in der Randzone der Bauteile 2, in einem Abstand von der Bauteiloberfläche von 50 μηη nach einer Carbonitrierdauer von 20 min bei einem eingestellten Behandlungsdruck des Spendergases Dimethylamin (C2H6NH) von 10 mbar. Dabei zeigt Figur 2 für die beiden Temperaturen 800 °C und 850 °C exemplarisch den experimentell ermittelten Einfluss der Behandlungstemperatur auf das in der Randzone der Bauteile 2 eingestellte Verhältnis aus Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration. Die beiden Temperaturen wurden für die Darstellung ausgewählt, um den Wechsel der Verhältnisse der aufgenommen Kohlenstoff- und Stickstoffmenge zu verdeutlichen. Bei 800 °C überwiegt die aufgenommene Stickstoff- menge, während bei gleicher Prozessdauer und einer Temperatur von 850 °C mehr Kohlenstoff aufgenommen wird. Generell ist bei steigender Behandlungstemperatur davon auszugehen, dass das Verhältnis aus aufgenommener Kohlenstoff- und Stickstoffmenge hin zu höheren Kohlenstoffaufnahmen verschoben wird. Mit der Kenntnis des Temperatureinflusses auf das Verhältnis aus aufgenommener Kohlenstoff- und Stickstoffmenge kann eine geregelte Temperaturführung erfolgen, die je nach vorgegebenem Verhältnis zwischen einer von den Bauteilen 2 in ihrer Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration eine konstant geregelte Temperatur und oder ein Absenken bzw. Anheben der Behandlungstemperatur notwendig macht. FIG. 2 shows the influence of the treatment temperature on the introduced carbon and nitrogen in the edge zone of the components 2, at a distance from the component surface of 50 μm after a carbonitriding time of 20 minutes at a set treatment pressure of the dispenser gas dimethylamine (C2H 6 NH) of 10 mbar , FIG. 2 shows, for the two temperatures 800 ° C. and 850 ° C., by way of example the experimentally determined influence of the treatment temperature on the ratio of carbon and nitrogen concentration set in the boundary zone of the components 2. The two temperatures were selected for presentation to illustrate the change in ratios of the amount of carbon and nitrogen taken up. At 800 ° C, the absorbed nitrogen quantity, while more carbon is absorbed for the same process duration and a temperature of 850 ° C. In general, as the treatment temperature rises, it can be assumed that the ratio of the amount of carbon and nitrogen taken up is shifted towards higher carbon exposures. With the knowledge of the influence of temperature on the ratio of the amount of carbon and nitrogen taken in a controlled temperature can be carried out, depending on the predetermined ratio between a recorded by the components 2 in its edge layer carbon and nitrogen concentration a constant temperature and or or lowering or raising the treatment temperature necessary.
Des Weiteren wurde experimentell nachgewiesen, dass durch ein Erhöhen des Behandlungsdruckes das Verhältnis zwischen Kohlenstoff und Stickstoff zu Gunsten des Kohlenstoffs verschoben wird. Furthermore, it has been experimentally proven that by increasing the treatment pressure, the ratio between carbon and nitrogen is shifted in favor of the carbon.
In Figur 3 ist exemplarisch ein zeitlicher Verlauf von Behandlungstemperatur und Behandlungsdruck, auch als Prozessgasdruck bezeichnet, beim Niederdruck-Carbonitrieren dargestellt. Zur Veranschaulichung ist die Prozessführung einer Niederdruck-Carbonitrierung mit geregelter Temperatur schematisch dargestellt, welche beispielsweise bei der in Figur 1 gezeigten Anlage 1 Anwendung findet. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Prozessdauer t, auf der linken Ordinate die Temperatur T und auf der rechten Ordinate der Druck p der Atmosphäre in der Behandlungskammer 4 dargestellt. Die Niederdruck-Carbonitrierung um- fasst eine Aufheizphase A, zwei Temperaturvergleichmäßigungsphasen Bl, B2, zwei Carbonitrierphasen Cl, C2, zwei Diffusionsphasen Dl, D2, einen Temperaturwechsel E und eine Abkühlphase F. Eine Unterbrechung auf der Abszisse deutet an, dass die dargestellten Prozessphasen nicht die jeweils gezeichneten Dauern aufweisen müssen, sondern auch von der Darstellung der Figur 3 abweichen können. FIG. 3 exemplarily shows a time course of treatment temperature and treatment pressure, also referred to as process gas pressure, during low-pressure carbonitriding. To illustrate, the process control of a low-pressure carbonitriding with controlled temperature is shown schematically, which is used for example in the plant 1 shown in Figure 1 application. The process time t is shown on the abscissa of the diagram, the temperature T on the left ordinate, and the pressure p of the atmosphere in the treatment chamber 4 on the right ordinate. The low-pressure carbonitriding comprises a heating phase A, two temperature equalization phases Bl, B2, two carbonitriding phases Cl, C2, two diffusion phases Dl, D2, a temperature change E and a cooling phase F. An interruption on the abscissa indicates that the illustrated process phases are not each time must have drawn, but may also differ from the illustration of Figure 3.
Figur 3 zeigt, dass während einer Aufheizphase A die Temperatur mit einer näherungsweise konstanten Aufheizrate kontinuierlich bis auf eine Behandlungstemperatur von etwa 950 °C mittels der Heizungseinrichtung 5 erhöht wird. Dazu wird die Heizungseinrichtung 5 von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 entsprechend angesteuert und die Aufheizrate ΔΤ/Δί geregelt. FIG. 3 shows that, during a heating phase A, the temperature is increased continuously with an approximately constant heating rate up to a treatment temperature of approximately 950 ° C. by means of the heating device 5. For this purpose, the heating device 5 is controlled accordingly by the control and / or regulating device 11 and the heating rate ΔΤ / Δί regulated.
In einer an die Aufheizphase A anschließenden ersten Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl wird die Behandlungstemperatur konstant auf einen ersten Sollwert für die Temperatur von etwa 950 °C durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 durch Vergleich der mittels Temperatursensor 9 gemessenen Temperatur mit dem ersten Sollwert für die Temperatur von 950 °C durch entsprechende Ansteuerung der Heizungseinrichtung 5 eingeregelt. Wäh- rend der Aufheizphase A und der ersten Temperaturvergleichmäßigungsphase B wird kein Kohlenstoff oder Stickstoff abgebendes Gas der Behandlungskammer 4 zugeführt. In a subsequent to the heating phase A first temperature equalization phase Bl, the treatment temperature is constant to a first setpoint for the temperature of about 950 ° C by the control and / or regulating device 11 by comparing the temperature measured by means of temperature sensor 9 with the first setpoint for the temperature controlled by 950 ° C by appropriate control of the heating device 5. currency During the heating phase A and the first temperature equalization phase B, no carbon or nitrogen-emitting gas is supplied to the treatment chamber 4.
In einer an die erste Temperaturvergleichmäßigungsphase Bl anschließenden ersten Behandlungsphase, auch als erste Carbonitrierphase Cl bezeichnet, bleibt die Behandlungs- temperatur weiterhin auf ihren ersten Sollwert eingeregelt. Zusätzlich wird ein Kohlenstoff und Stickstoff abgebendes Gas, auch als Kohlenstoff- und Stickstoffspendergas bezeichnet, beispielsweise Methylamin, über das Durchflussregelventil 7 der Behandlungskammer 4 zugeführt. Dabei wird der Behandlungsdruck, auch als Prozessgasdruck oder Spendergasdruck oder Partialdruck des Spendergases bezeichnet, konstant auf einen ersten Sollwert für den Druck von etwa 15 mbar durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 durch Vergleich des mittels Drucksensor 10 gemessenen Drucks mit dem ersten Sollwert für den Druck von 15 mbar durch entsprechende Ansteuerung des Öffnungsgrades der Drosselklappe 14 eingeregelt. In a subsequent to the first temperature equalization phase Bl first treatment phase, also referred to as the first carbonitriding phase Cl, the treatment temperature remains adjusted to its first setpoint. In addition, a carbon and nitrogen donating gas, also referred to as carbon and nitrogen donor gas, for example methylamine, is supplied to the treatment chamber 4 via the flow control valve 7. The treatment pressure, also referred to as process gas pressure or donor gas pressure or partial pressure of the donor gas, is constant at a first setpoint value for the pressure of about 15 mbar by the control and / or regulating device 11 by comparing the pressure measured by pressure sensor 10 with the first setpoint value for the pressure of 15 mbar adjusted by appropriate control of the opening degree of the throttle valve 14.
Der erste Sollwert für die Behandlungstemperatur und der erste Sollwert für den Behandlungsdruck wird in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 abhängig von den oben beschriebenen experimentell ermittelten Zusammenhängen mittels entsprechend gespeicherter Kennfelder ermittelt, um ein erstes vorgegebenes Verhältnis zwischen der aufgenommenen Kohlenstoff- und Stickstoffmenge für die Bauteile 2 in deren Randzone zu erhalten. Durch die gewählte erste Behandlungsdauer Atl der ersten Carbonitrierphase Cl wird die Menge bzw. Eindringtiefe des in die Bauteile 2 eingebrachten Kohlenstoffs und Stickstoffs gemäß dem ersten vorgegebenen Verhältnis bestimmt. Diesbezüglich ist ein erstes Behandlungsdauer-Kennfeld in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 hinterlegt, das für den gewählten Sollwert der Behandlungstemperatur und den gewählten Sollwert für den Behandlungsdruck sowie die Werkstoffzusammensetzung der Bauteile 2 einen - experimentell oder rechnerisch - ermittelten Zusammenhang zwischen der Behandlungsdauer und der in die Bauteile 2 eingebrachten Kohlenstoff- und/oder Stickstoffmenge bzw. Eindringtiefe des Kohlenstoffs und Stickstoffs in die Randschicht beschreibt. Alle in der Behandlungskammer behandelten Bauteile 2 sollten dabei eine gleiche Werkstoffzusammensetzung haben, damit das gewünschte Ergebnis bezüglich der einzubringenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration erreicht wird. The first setpoint for the treatment temperature and the first setpoint for the treatment pressure is determined in the control and / or regulating device 11 depending on the experimentally determined relationships described above by means of corresponding stored maps to a first predetermined ratio between the absorbed carbon and nitrogen amount for To obtain the components 2 in the edge zone. Due to the selected first treatment time Atl of the first carbonitriding phase Cl, the amount or penetration depth of the carbon and nitrogen introduced into the components 2 is determined according to the first predetermined ratio. In this regard, a first treatment time characteristic map is stored in the control and / or regulating device 11, which for the selected setpoint of the treatment temperature and the selected setpoint for the treatment pressure and the material composition of the components 2 - an experimentally or computationally determined relationship between the treatment time and describes the introduced into the components 2 carbon and / or nitrogen amount or penetration depth of the carbon and nitrogen in the boundary layer. All components 2 treated in the treatment chamber should have the same material composition in order to achieve the desired result with regard to the carbon and nitrogen concentration to be introduced.
An die erste Carbonitrierphase Cl anschließend folgt im vorliegenden Beispiel optional eine erste Diffusionsphase Dl, bei der durch entsprechende Ansteuerung der Drosselklappe 14 und des Durchflussregelventils 7 durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 11 die Behandlungskammer 4 mittels der Pumpe 13 bei geschlossenem Durchflussregelventil 7 evakuiert oder mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff oder Argon gespült wird, welches dann statt des Kohlenstoff- und Stickstoffspendergases über das Durchflussregelventil 7 der Behandlungskammer 4 zugeführt und durch die Pumpe 13 wieder abgepumpt wird. In the present example, the first carbonitriding phase C1 is optionally followed by a first diffusion phase D1, in which the treatment chamber 4 is evacuated by the control and / or regulating unit 11 by means of the pump 13 with the flow control valve 7 closed by corresponding control of the throttle valve 14 and the flow control valve 7 with an inert gas, z. B. nitrogen or argon is purged, which then instead of the Carbon and nitrogen donor gas is supplied via the flow control valve 7 of the treatment chamber 4 and pumped out by the pump 13 again.
Darauf folgt eine Temperaturwechselphase E zum Wechsel der Behandlungstemperatur auf einen zweiten Sollwert von etwa 850 °C durch entsprechende Ansteuerung der Heizungseinrichtung 5, um in der Randschicht der Bauteile 2 bei diesem Ausführungsbeispiel das abschließende Verhältnis zwischen Kohlenstoff und Stickstoff einzustellen. This is followed by a temperature change phase E for changing the treatment temperature to a second desired value of about 850 ° C. by corresponding activation of the heating device 5 in order to set the final ratio between carbon and nitrogen in the surface layer of the components 2 in this embodiment.
In einer an die Temperaturwechselphase E anschließenden zweiten In a subsequent to the temperature change phase E second
Temperaturvergleichmäßigungsphase B2 wird die Behandlungstemperatur konstant auf den zweiten Sollwert für die Temperatur von etwa 850 °C durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 durch Vergleich der mittels Temperatursensor 9 gemessenen Temperatur mit dem zweiten Sollwert für die Temperatur von 850 °C durch entsprechende Ansteuerung der Heizungseinrichtung 5 eingeregelt. Während der Temperaturwechselphase E und der zweiten Temperaturvergleichmäßigungsphase B2 wird kein Kohlenstoff oder Stickstoff abgebendes Gas der Behandlungskammer 4 zugeführt.  Temperaturvergleichmäßigungsphase B2, the treatment temperature is constant to the second setpoint for the temperature of about 850 ° C by the control and / or regulating device 11 by comparing the measured temperature by means of temperature sensor 9 with the second setpoint for the temperature of 850 ° C by appropriate control of Heater 5 regulated. During the temperature change phase E and the second temperature comparison phase B2, no carbon or nitrogen-emitting gas is supplied to the treatment chamber 4.
In einer an die zweite Temperaturvergleichmäßigungsphase B2 anschließenden zweiten Behandlungsphase, auch als zweite Carbonitrierphase C2 bezeichnet, wird die Behandlungstemperatur weiterhin auf ihren zweiten Sollwert eingeregelt. Zusätzlich wird ein Kohlenstoff und Stickstoff abgebendes Gas, beispielsweise Methylamin, über das Durchflussregelventil 7 der Behandlungskammer 4 zugeführt. Dabei wird der Behandlungsdruck konstant auf einen zweiten Sollwert für den Druck von etwa 10 mbar durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 durch Vergleich des mittels Drucksensor 10 gemessenen Drucks mit dem zweiten Sollwert für den Druck von 10 mbar durch entsprechende Ansteuerung des Durchflussregelventils 7 eingeregelt. In a subsequent to the second temperature equalization phase B2 second treatment phase, also referred to as second carbonitriding C2, the treatment temperature is further adjusted to its second setpoint. In addition, a gas emitting carbon and nitrogen, for example methylamine, is supplied to the treatment chamber 4 via the flow control valve 7. In this case, the treatment pressure is constantly adjusted to a second desired value for the pressure of about 10 mbar by the control and / or regulating device 11 by comparing the pressure measured by pressure sensor 10 with the second desired value for the pressure of 10 mbar by appropriate control of the flow control valve 7 ,
Der zweite Sollwert für die Behandlungstemperatur und der zweite Sollwert für den Behandlungsdruck wird in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 abhängig von den oben beschriebenen experimentell ermittelten Zusammenhängen mittels entsprechend gespeicherten Kennfeldern ermittelt, um ein zweites vorgegebenes Verhältnis zwischen der aufgenommenen Kohlenstoff- und Stickstoffmenge für die Bauteile 2 in deren Randzone zu erhalten. Durch die gewählte zweite Behandlungsdauer Δί2 der zweiten Carbonitrierphase C2 wird die Menge bzw. Eindringtiefe des in die Bauteile 2 eingebrachten Kohlenstoffs und Stickstoffs gemäß dem zweiten vorgegebenen Verhältnis bestimmt. Diesbezüglich wird ein in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 hinterlegtes zweites Behandlungsdauer- Kennfeld verwendet, das abhängig vom gewählten Sollwert der Behandlungstemperatur und vom gewählten Sollwert für den Behandlungsdruck sowie die Werkstoffzusammensetzung der Bauteile 2 den - experimentell oder rechnerisch - ermittelten Zusammenhang zwischen der Behand- lungsdauer und der in die Bauteile 2 zusätzlich eingebrachten Kohlenstoff- und/oder Stickstoffmenge bzw. ausgehend von der in der ersten Carbonitrierpahse Cl erreichten Eindringtiefe realisierbaren zusätzlichen Eindringtiefe des Kohlenstoffs und Stickstoffs in die Randschicht beschreibt. Sofern die Behandlungstemperatur und der Behandlungsdruck der zweiten Carbonitrierphase entsprechend der ersten Carbonitrierphase gewählt werden, kann statt des zweiten Behandlungsdauer- Kennfelds auch das erste Behandlungsdauer- Kennfeld verwendet werden. The second setpoint for the treatment temperature and the second setpoint for the treatment pressure is determined in the control and / or regulating device 11 depending on the experimentally determined relationships described above by means of corresponding stored maps to a second predetermined ratio between the absorbed carbon and nitrogen amount for To obtain the components 2 in the edge zone. By the selected second treatment period .DELTA.ί2 of the second carbonitriding C2, the amount or penetration depth of the introduced into the components 2 carbon and nitrogen is determined according to the second predetermined ratio. In this regard, a stored in the control and / or regulating device 11 second treatment duration map is used, depending on the selected setpoint treatment temperature and the selected setpoint for the treatment pressure and the material composition of the components 2 - - determined experimentally or computational relationship between the treat - duration and the addition of carbon and / or nitrogen in the components 2 or starting from the achieved in the first Carbonitrierpahse Cl penetration depth feasible additional penetration depth of the carbon and nitrogen into the boundary layer describes. If the treatment temperature and the treatment pressure of the second carbonitriding phase are selected according to the first carbonitriding phase, the first treatment duration characteristic field can also be used instead of the second treatment duration characteristic diagram.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch den abgesenkten zweiten Sollwert für die Behandlungstemperatur im Vergleich zur ersten Carbonitrierphase Cl in der zweiten Carbonitrierphase C2 die Behandlungskammer auf eine Temperatur eingeregelt, bei der der von den Bauteilen 2 aufgenommene Stickstoffanteil größer und der von den Bauteilen 2 aufgenommene Kohlenstoffanteil kleiner wird. In the illustrated embodiment, the treatment chamber is adjusted to a temperature by the lowered second setpoint for the treatment temperature compared to the first carbonitriding phase Cl in the second carbonitriding C2, at which the nitrogen absorbed by the components 2 nitrogen content and the absorbed by the components 2 carbon content smaller becomes.
Durch den im Ausführungsbeispiel dargestellten niedrigeren Behandlungsdruck in der zweiten Carbonitrierphase C2 im Vergleich zur ersten Carbonitrierphase Cl wird ebenfalls, wie durch die abgesenkte Behandlungstemperatur, das Verhältnis zwischen von den Bauteilen 2 aufgenommener Kohlenstoff- und Stickstoffmenge zu Gunsten des Stickstoffs verschoben. As a result of the lowered treatment temperature, the ratio between the amount of carbon and nitrogen taken up by the components 2 is also shifted in favor of the nitrogen due to the lower treatment pressure in the second carbonitriding phase C 1 shown in the exemplary embodiment in the second carbonitriding phase C 2.
Die zweite Carbonitrierphase C2 kann sich alternativ auch ohne zweite Alternatively, the second carbonitriding phase C2 may also be without a second one
Temperaturvergleichmäßigungsphase B2 direkt an die Temperaturwechselphase E anschließen. Temperature equalization phase B2 connect directly to the temperature change phase E.
Die in der ersten Carbonitrierphase Cl aufgenommene Kohlenstoff- und Stickstoffmenge liegt in einer von der Oberfläche der Bauteile 2 weiter beabstandeten zweiten Zone 110 der Randschicht 125 als die während der zweiten Carbonitrierphase C2 aufgenommene Kohlenstoff- und Stickstoffmenge, die in einer einerseits an die zweite Zone 110 angrenzenden und andererseits durch die Oberfläche 100 des jeweiligen Bauteils 2 abgeschlossenen ersten Zone 105 der Randschicht 125 vorliegt, wie Figur 4 zu entnehmen ist. The amount of carbon and nitrogen taken up in the first carbonitriding phase Cl lies in a second zone 110 of the boundary layer 125 which is more widely spaced from the surface of the components 2 than the amount of carbon and nitrogen taken up during the second carbonitriding phase C2, which in one case reaches the second zone 110 adjacent and on the other hand by the surface 100 of the respective component 2 completed first zone 105 of the edge layer 125 is present, as Figure 4 can be seen.
Somit entsteht ein entsprechendes Tiefenprofil der in die Randschicht 125 der Bauteile 2 aufgenommenen Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zweite Behandlungsdauer Δί2 kürzer als die erste Behandlungsdauer Atl gewählt worden. Daher ist die zweite Zone 110 in der Randschicht 125 der Bauteile 2 dicker ausgebildet als die erste Zone 105. Die erste Zone 105 weist dabei eine erste Dicke dl auf, die kleiner ist als eine zweite Dicke d2 der zweiten Zone 110. An die zweite Zone 110 schließt sich dann abgewandt von der ersten Zone 105 ein Kern 115 des jeweiligen Bauteils an, in den kein Kohlenstoff oder Stickstoff durch die Behandlung aufgenommen wurde. Der Übergang zwischen den beiden Zonen 105, 110 ist dabei in Figur 4 idealerweise sprungför- mig eingetragen, in der Realität wird sich jedoch ein stetiger Übergangsbereich zwischen den Verhältnissen der entsprechenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen benachbarter Zonen einstellen. This results in a corresponding depth profile of the carbon and nitrogen concentration absorbed in the boundary layer 125 of the components 2. In the present exemplary embodiment, the second treatment duration Δί2 has been selected to be shorter than the first treatment period Atl. Therefore, the second zone 110 in the edge layer 125 of the components 2 is made thicker than the first zone 105. The first zone 105 has a first thickness d1 which is smaller than a second thickness d2 of the second zone 110. To the second zone 110 then, facing away from the first zone 105, joins a core 115 of the respective component into which no carbon or nitrogen has been taken up by the treatment. The transition between the two zones 105, 110 is ideally jump-shaped in FIG. However, in reality, there will be a steady transition region between the ratios of the corresponding carbon and nitrogen concentrations of adjacent zones.
Anschließend erfolgt eine weitere Diffusionsphase D2, bei der die Behandlungskammer 4 evakuiert oder mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff oder Argon gespült wird. Abschließend erfolgt eine Abkühlphase F. Subsequently, a further diffusion phase D2, in which the treatment chamber 4 is evacuated or with an inert gas, for. As nitrogen or argon is purged. Finally, a cooling phase F.
Es versteht sich von selbst, dass auf diese Weise zahlreiche Verfahren zur Carbonitrierung möglich sind und die Erfindung nicht auf die erläuterte Abfolge und Anzahl von zwei It goes without saying that numerous carbonitriding processes are possible in this way, and the invention is not limited to the sequence and number of two explained
Temperaturvergleichmäßigungsphasen Bl, B2, zwei Carbonitrierphasen Cl, C2, zwei Diffusionsphasen Dl, D2, einen Temperaturwechsel E sowie eine Abkühlphase F beschränkt ist. Temperaturgleichmäßigungsphasen Bl, B2, two carbonitriding phases Cl, C2, two diffusion phases Dl, D2, a temperature change E and a cooling phase F is limited.
Je nach gewünschten Material- und Bauteileigenschaften, wie z. B. Verschleiß- und Depending on the desired material and component properties, such. B. Wear and
Temperaturbeständigkeit, und verwendetem Eisenwerkstoff für die Bauteile 2 ist eine maximale Randkonzentration von Kohlenstoff und Stickstoff in Summe von 1,5 Massenprozent einzuhalten. Wünschenswerterweise sollte die Randkohlenstoffkonzentration zwischen 0,5 bis 0,8 Massenprozent bei einer Randstickstoffkonzentration zwischen 0,2 und 0,7 Massenprozent liegen. Temperature resistance, and used ferrous material for the components 2, a maximum edge concentration of carbon and nitrogen in the sum of 1.5 mass percent is to be observed. Desirably, the edge carbon concentration should be between 0.5 to 0.8 mass percent with an edge nitrogen concentration between 0.2 and 0.7 mass percent.
Zwischen einzelnen Carbonitrierphasen können zur Vermeidung ungewollter Ausscheidungen von Carbiden, Nitriden und Carbonitriden und/oder zur Einstellung eines vorgegebenen Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofils in der Randschicht der Bauteile 2 wie beschrieben optional eine oder mehrere Diffusionsphasen eingefügt werden. Das vorgegebene Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofil gibt dabei an, in welchen Abständen von der Oberfläche der Bauteile in der Randschicht der Bauteile welches Verhältnis zwischen der vom Bauteil in seiner Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration vorliegen soll. Für jede dieser Zonen der Randschicht mit individuell vorgegebenem Verhältnis zwischen Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration wird dann eine entsprechende Carbonitrierphase wie oben beschrieben vorgesehen. Between individual carbonitriding phases, one or more diffusion phases can optionally be inserted to avoid unwanted precipitations of carbides, nitrides and carbonitrides and / or to set a given carbon and nitrogen depth profile in the surface layer of the components 2 as described. The predetermined carbon and nitrogen depth profile indicates at what intervals from the surface of the components in the surface layer of the components which ratio should be present between the carbon and nitrogen concentration to be absorbed by the component in its boundary layer. For each of these zones of the boundary layer with individually predetermined ratio between carbon and nitrogen concentration, a corresponding carbonitriding phase is then provided as described above.
Die gewünschte Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationsverteilung in der Randschicht der Bauteile 2 wird somit durch eine geregelte Temperaturführung und/oder Regelung des Spendergasdrucks während des Niederdruck-Carbonitrierens und durch geeignete Wahl der Zeitpunkte und der Behandlungsdauern der Carbonitrierphasen eingestellt. Bei The desired carbon and nitrogen concentration distribution in the surface layer of the components 2 is thus adjusted by a controlled temperature control and / or regulation of the dispensing gas pressure during the low-pressure carbonitriding and by a suitable choice of the times and the treatment periods of the carbonitriding phases. at
Carbonitrierphasen, in denen das Kohlenstoff- und Stickstoffspendergas der Behandlungskammer 4 zugeführt wird, wird die Behandlungstemperatur der Bauteile zu diesem Zweck vorteilhaft innerhalb einer maximalen Abweichung von +/" 15 °C, wünschenswerterweise innerhalb einer maximalen Abweichung von +/" 8 °C geregelt. Darüber hinaus ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass der Prozess bei niedrigen Drücken kleiner oder gleich 100 mbar, vorteilhafterweise zwischen 2 und 30 mbar, durchgeführt wird, wodurch die Zugänglichkeit von Bohrungsgeometrien für die Aufnahme von Kohlenstoff und Stickstoff ansteigt. Der Prozessgasdruck des Kohlenstoff- und Stickstoffspendergases wird dazu vorteilhaft innerhalb einer Abweichung von +/■ 8 mbar, noch besser innerhalb einer Abweichung von +/- 3 mbar geregelt. Carbonitriding phases in which the carbon and nitrogen donor gas is supplied to the treatment chamber 4, the treatment temperature of the components for this purpose is advantageously controlled within a maximum deviation of + / "15 ° C, desirably within a maximum deviation of + /" 8 ° C. Moreover, an advantage of the method according to the invention is that the process is carried out at low pressures of less than or equal to 100 mbar, advantageously between 2 and 30 mbar, whereby the accessibility of bore geometries for the uptake of carbon and nitrogen increases. The process gas pressure of the carbon and nitrogen donor gas is advantageously controlled within a deviation of + / ■ 8 mbar, even better within a deviation of +/- 3 mbar.
Durch niedrigere Temperaturen kleiner oder gleich 1050 °C, vorteilhafterweise kleiner oder gleich 960 °C und größer oder gleich 650°C, kann eine homogene Lower temperatures of less than or equal to 1050 ° C, advantageously less than or equal to 960 ° C and greater than or equal to 650 ° C, can be a homogeneous
Carbonitrierung dichter Bauteilchargen oder komplexer Geometrien, wie z. B. mit Carbonitrierung dendicht component batches or complex geometries, such. B. with
Bohrungsgeometrien, durchgeführt werden. Bore geometries, to be performed.
Die beschriebenen Kennfelder sind aus einem Simulationsmodell entwickelt, das die Diffusion von Stickstoff und Kohlenstoff in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur, Druck und Werkstoffzusammensetzung berechnet. The maps described are developed from a simulation model that calculates the diffusion of nitrogen and carbon as a function of time, temperature, pressure and material composition.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 mit den Komponenten, die für die Ansteuerung des Durchflussregelventils 7, des Öffnungsgrades der Drosselklappe 14 und der Heizungseinrichtung 5 zur Einstellung der Carbonitrierphasen vorgesehen sind. Dabei wird während der Carbonitrierphasen der Öffnungsgrad der Drosselklappe 14, bei laufender Vakuumpumpe 13, in der Weise durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 eingestellt, so dass der Behandlungsdruck in der Behandlungskammer 4 auf den jeweiligen Sollwert geregelt wird. Die Regelung des Behandlungsdruckes mittels entsprechender Einstellung des Öffnungsgrades der Drosselklappe 14 erfolgt am Gasaustritt aus der Behandlungskammer 4 stromauf der Pumpe 13. Übersteigt der vom Drucksensor 10 gemessene Istwert des Behandlungsdruckes den vorgegebenen Sollwert für den Behandlungsdruck, dann wird die Drosselklappe 14 durch entsprechende Ansteuerung seitens der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 11 weiter geöffnet, sodass die Pumpe 13 einen höheren Volumenstrom aus der Behandlungskammer 4 entnehmen kann und der Istwert für den Behandlungsdruck abgesenkt wird. Unterschreitet der vom Drucksensor 10 gemessene Istwert des Behandlungsdruckes den vorgegebenen Sollwert für den Behandlungsdruck, dann wird die Drosselklappe 14 durch entsprechende Ansteuerung seitens der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 11 weiter geschlossen wodurch der Volumenstrom, den die Pumpe 13 der Behandlungskammer 4 entnimmt, verringert wird und ein Anstieg des Istwertes für den Behandlungsdruck in der Behandlungskammer 4 erreicht wird. Figure 5 shows a block diagram of the control and / or regulating device 11 with the components which are provided for the control of the flow control valve 7, the opening degree of the throttle valve 14 and the heating device 5 for adjusting the carbonitriding phases. In this case, during the carbonitriding phases, the degree of opening of the throttle valve 14, with the vacuum pump 13 running, is adjusted in the manner by the control and / or regulating device 11, so that the treatment pressure in the treatment chamber 4 is regulated to the respective desired value. The control of the treatment pressure by means of appropriate adjustment of the opening degree of the throttle valve 14 takes place at the gas outlet from the treatment chamber 4 upstream of the pump 13 exceeds the measured by the pressure sensor 10 actual value of the treatment pressure the predetermined target value for the treatment pressure, then the throttle valve 14 by appropriate control on the part Control and / or regulating device 11 further open, so that the pump 13 can take a higher volume flow from the treatment chamber 4 and the actual value is lowered for the treatment pressure. If the actual value of the treatment pressure measured by the pressure sensor 10 falls below the predetermined setpoint for the treatment pressure, then the throttle valve 14 is closed further by corresponding control by the control and / or regulating device 11, whereby the volume flow which the pump 13 takes from the treatment chamber 4 is reduced and an increase in the actual value for the treatment pressure in the treatment chamber 4 is achieved.
Die übrigen Komponenten der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11, wie sie beispielsweise zur Einstellung der Aufheizphase A oder der Diffusionsphasen Dl, D2 benötigt werden, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt und können in dem Fachmann bekannter Weise ausgebildet sein. The remaining components of the control and / or regulating device 11, as required, for example, for setting the heating phase A or the diffusion phases Dl, D2, are not shown for reasons of clarity and may be formed in a manner known to those skilled in the art.
An einer Eingabeeinheit 200 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 11 kann ein Benutzer mehrere Parameter für eine gewünschte Behandlung der Bauteile 2 in der Behandlungskammer 4 eingeben. So kann er ein oder mehrere Verhältnisse zwischen der von den Bauteilen 2 in ihrer Randschicht 125 aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration durch entsprechende Eingabe vorgeben. Ein erstes derart vorgegebenes Verhältnis ist in Figur 5 als erster Verhältnisdatensatz 205 gekennzeichnet, ein n-tes vorgegebenes Verhältnis, wobei n größer oder gleich Eins gewählt sein kann, ist als n-ter Verhältnisdatensatz 215 gekennzeichnet. Wenn n=l ist, dann gibt es nur einen Verhältnisdatensatz für das vorgegebene Verhältnis, der dem ersten Verhältnisdatensatz 205 entspricht. Bei Vorgabe von mehr als einem Verhältnis liegt die entsprechende Anzahl an Verhältnisdatensätzen vor. Die Gesamtheit aller vorgegebenen Verhältnisdatensätze ist mit 220 gekennzeichnet. Für jeden Verhältnisdatensatz soll dabei eine zugeordnete Carbonitrierphase eingestellt werden, um das vorgegebene Verhältnis in der Randschicht 125 umzusetzen. Dabei wird es bei Vorgabe nur eines Verhältnisdatensatzes auch nur eine Zone der Randschicht 125 mit dem entsprechend vorgegebenen Verhältnis geben, bei mehreren Verhältnisdatensätzen wird für jeden Verhältnisdatensatz eine Carbonitrierphase eingestellt, in der zeitlichen Reihenfolge ihrer Eingabe bzw. Nummerierung. Dabei bildet sich dann für jeden Verhältnisdatensatz und damit für jede Carbonitrierphase eine Zone mit dem entsprechenden Verhältnis der Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration in der Randschicht 125 aus, wobei die Zonen nach der zeitlichen Reihenfolge der Eingabe des zugehörigen vorgegebenen Verhältnisses und damit in der Reihenfolge ihrer Nummerierung zu der Oberfläche 100 des jeweiligen Bauteils 2 hin gebildet werden. Dabei stellt der erste Verhältnisdatensatz die Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen mit dem größten Randabstand zur Oberfläche 100 des jeweiligen Bauteils 2 und der zuletzt angewendete Datensatz die oberflächennächsten Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentrationen ein. Ein Beispiel mit zwei solcher Zonen und damit zwei solcher vorgegebenen Verhältnisse wurde anhand von Figur 4 beschrieben. Dabei wurde die zweite Zone 110 mit der Dicke d2 in der Randschicht des Bauteils 2 mit einem ersten Verhältnisdatensatz eingestellt und die erste Zone 105 mit der Dicke dl mit einem zweiten Verhältnisdatensatz . At an input unit 200 of the control and / or regulating device 11, a user can enter several parameters for a desired treatment of the components 2 in the treatment chamber 4. Thus, it can predetermine one or more ratios between the carbon and nitrogen concentration to be absorbed by the components 2 in their boundary layer 125 by corresponding input. A first such predetermined ratio is indicated in Figure 5 as the first ratio data set 205, an n-th predetermined ratio, where n may be greater than or equal to one is designated as n-th ratio data set 215. If n = 1, then there is only one ratio data set for the given ratio corresponding to the first ratio data set 205. If more than one ratio is specified, the corresponding number of ratio data sets is available. The totality of all predefined ratio data records is marked with 220. For each ratio data set, an assigned carbonitriding phase should be set in order to convert the predetermined ratio in the boundary layer 125. In this case, when specifying only one ratio data set, there will also be only one zone of the boundary layer 125 with the corresponding predefined ratio; in the case of several ratio data records, a carbonitriding phase is set for each ratio data record, in the chronological order of their input or numbering. In this case, a zone with the corresponding ratio of the carbon and nitrogen concentration in the boundary layer 125 is then formed for each ratio data set and therefore for each carbonitriding phase, the zones being assigned according to the chronological order of the input of the associated predetermined ratio and thus in the order of their numbering the surface 100 of the respective component 2 are formed. In this case, the first ratio data set sets the carbon and nitrogen concentrations with the greatest edge distance to the surface 100 of the respective component 2 and the last-applied data set the surface-closest carbon and nitrogen concentrations. An example with two such zones and thus two such predetermined ratios has been described with reference to FIG. In this case, the second zone 110 with the thickness d2 in the boundary layer of the component 2 was set with a first ratio data set and the first zone 105 with the thickness d1 with a second ratio data set.
Für jedes vorgegebene Verhältnis ist auch eine gewünschte Menge oder Eindringtiefe anzugeben, mit anderen Worten eine zugehörige Dicke der zugeordneten Zone. Entsprechend ist ein erster vorgegebener Dickendatensatz in Figur 5 mit 225 und ein n-ter vorgegebener Dickendatensatz mit 235 gekennzeichnet. Die Gesamtheit der Dickendatensätze ist mit 240 gekennzeichnet. In der Reihenfolge ihrer zeitlichen Eingabe wird für jede erforderliche Carbonitrierphase der entsprechende Verhältnisdatensatz einem Temperatur- Druck- Kennfeld 250 und der zugeordnete Dickendatensatz dem Behandlungsdauer- Kennfeld 255 als Eingangsgröße zugeführt. Das Temperatur- Druck- Kennfeld wurde dabei experimentell ermittelt und gibt für jedes an seinem Eingang vorgegebene Verhältnis zwischen der von den Bauteilen 2 in ihrer Randschicht 125 aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration einen Sollwert ST für die zugeordnete Behandlungstemperatur und einen Sollwert SD für den zugeordneten Behandlungsdruck an seinem Ausgang ab. Anhand von Figur 2 wurde beispielhaft das Ergebnis einer solchen experimentellen Auswertung für die Behandlungstemperatur und den Behandlungsdruck angegeben. Der Sollwert ST für die Behandlungstemperatur und der Sollwert SD für den Behandlungsdruck werden als Eingangsgrößen ebenfalls dem Behandlungsdauer- Kennfeld 255 zugeführt. Der Sollwert ST für die Behandlungstemperatur wird außerdem als Eingangsgröße einem ersten Vergleichsglied 265 zugeführt. Der Sollwert SD für den Behandlungsdruck wird außerdem als Eingangsgröße einem zweiten Vergleichsglied 260 zugeführt. For any given ratio, a desired amount or penetration depth should also be indicated, in other words an associated thickness of the associated zone. Accordingly, a first predetermined thickness data set in FIG. 5 is denoted by 225 and an nth predetermined thickness data set by 235. The totality of the thick data sets is marked 240. In the order of their time input for each required carbonitriding phase of the corresponding ratio data set a temperature-pressure map 250 and the associated thickness data set the treatment duration map 255th supplied as input. The temperature-pressure characteristic field was determined experimentally and gives for each predetermined at its input ratio between the 2 to be absorbed by the components in their boundary layer 125 carbon and nitrogen concentration a target value ST for the associated treatment temperature and a target value SD for the associated treatment pressure his exit. The result of such an experimental evaluation for the treatment temperature and the treatment pressure was given by way of example with reference to FIG. The setpoint value ST for the treatment temperature and the setpoint value SD for the treatment pressure are also supplied as input variables to the treatment duration characteristic map 255. The setpoint value ST for the treatment temperature is also supplied as input to a first comparison element 265. The setpoint SD for the treatment pressure is also supplied as input to a second comparator 260.
An der Eingabeeinheit 200 wird weiterhin eine Werkstoffzusammensetzung, bspw. der Einsatzstahl 20MnCr5 aus einer vorgeschlagenen Menge ausgewählt, die die Werkstoffzusammensetzung der Bauteile 2 charakterisiert. Dabei wird ein Werkstoffzusammensetzungsdatensatz 245 generiert, der ebenfalls dem Behandlungsdauer- Kennfeld 255 als Eingangsgröße zugeführt wird. Das Behandlungsdauer- Kennfeld 255 wurde dabei ebenfalls experimentell ermittelt und gibt an, welche Behandlungsdauer erforderlich ist, um bei einem Bauteil der ausgewählten Materialzusammensetzung bei dem vorgegebenen Sollwert ST für die Behandlungstemperatur und dem vorgegebenen Sollwert SD für den Behandlungsdruck die vorgegebene Dicke der zu bildenden Zone mit aufgenommenem Kohlenstoff und Stickstoff gemäß dem vorgegebenen Verhältnis aus der Kohlenstoff- und der Stickstoffkonzentration in der Randschicht 125 des jeweiligen Bauteils 2 zu bilden. Für die so ermittelte Behandlungsdauer am Ausgang des Behandlungsdauer- Kennfeldes 255 wird ein entsprechendes Freigabesignal an das Durchflussregelventil 7 gesandt, so dass dieses während der ermittelten Behandlungsdauer für die zugeordnete Carbonitrierphase geöffnet ist. Außerhalb der ermittelten Behandlungsdauer ist das Durchflussregelventil 7 geschlossen bzw. wird nur für eventuell vorgesehene Diffusionsphasen zur Spülung mit einem Inertgas, z. B. Stickstoff oder Argon, in dem Fachmann bekannter Weise geöffnet. At the input unit 200, a material composition, for example. The insert steel 20MnCr5 is further selected from a proposed amount, which characterizes the material composition of the components 2. In this case, a material composition data set 245 is generated, which is likewise fed to the treatment duration characteristic map 255 as an input variable. The treatment duration map 255 was also determined experimentally and indicates what treatment time is required to with a component of the selected material composition at the predetermined setpoint ST for the treatment temperature and the predetermined setpoint SD for the treatment pressure, the predetermined thickness of the zone to be formed with absorbed carbon and nitrogen according to the predetermined ratio of the carbon and the nitrogen concentration in the peripheral layer 125 of the respective component 2 to form. For the duration of treatment thus determined at the output of the treatment duration map 255, a corresponding release signal is sent to the flow control valve 7, so that it is open during the determined treatment time for the associated carbonitriding phase. Outside the determined duration of treatment, the flow control valve 7 is closed or is only for possibly provided diffusion phases for purging with an inert gas, eg. For example, nitrogen or argon, opened in the skilled person known manner.
Als weitere Eingangsgröße wird dem ersten Vergleichsglied 265 ein Istwert IT für die Behandlungstemperatur zugeführt, der vom Temperatursensor 9 ermittelt wird. Das erste Vergleichsglied 265 vergleicht den Sollwert ST der Behandlungstemperatur mit dem Istwert IT der Behandlungstemperatur und gibt abhängig von der Differenz zwischen Sollwert ST für die Behandlungstemperatur und Istwert IT für die Behandlungstemperatur ein Steuersignal an die Heizungseinrichtung 5 ab, um die Regeldifferenz zu minimieren und den Istwert IT für die Behandlungstemperatur dem Sollwert ST für die Behandlungstemperatur nachzuführen. Als weitere Eingangsgröße wird dem zweiten Vergleichsglied 260 ein Istwert ID für den Behandlungsdruck zugeführt, der vom Drucksensor 10 ermittelt wird. Das zweite Vergleichsglied 260 vergleicht den Sollwert SD des Behandlungsdrucks mit dem Istwert ID des Behandlungsdrucks und gibt abhängig von der Differenz zwischen Sollwert SD für den Behandlungsdruck und Istwert ID für den Behandlungsdruck ein Steuersignal an die Drosselklappe 14 ab, um die Regeldifferenz zu minimieren und den Istwert ID für den Behandlungsdruck dem Sollwert SD für den Behandlungsdruck nachzuführen. As a further input variable, the first comparison element 265 is supplied with an actual value IT for the treatment temperature, which is determined by the temperature sensor 9. The first comparison element 265 compares the setpoint value ST of the treatment temperature with the actual value IT of the treatment temperature and outputs a control signal to the heating device 5 as a function of the difference between the setpoint value ST for the treatment temperature and the actual value IT for the treatment temperature in order to minimize the control difference and the actual value IT for the treatment temperature to track the setpoint ST for the treatment temperature. As a further input variable, the second comparison element 260 is supplied with an actual value ID for the treatment pressure, which is determined by the pressure sensor 10. The second comparator 260 compares the setpoint value SD of the treatment pressure with the actual value ID of the treatment pressure, and outputs a control signal to the throttle valve 14 depending on the difference between the setpoint value SD for the treatment pressure and the treatment pressure actual value ID, in order to minimize the control difference and the actual value Tracking the ID for the treatment pressure the setpoint SD for the treatment pressure.
Auf diese Weise wird für die ermittelte Behandlungsdauer das jeweils vorgegebene Verhältnis zwischen der Kohlenstoff- und der Stickstoffkonzentration in der Randschicht 125 des jeweiligen Bauteils 2 in der gewünschten Dicke in der entsprechenden Zone eingestellt. Bei Vorgabe mehrerer solcher Verhältnisse, wird dann durch die zugeordneten und optional durch jeweils eine Diffusionsphase voneinander getrennten Carbonitrierphasen ein durch die Verhältnisdatensätze 205, ...,215 und die Dickendatensätze 225, ..., 235 vorgegebenes Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofil in der Randschicht 125 eingestellt. In this way, the respective predetermined ratio between the carbon concentration and the nitrogen concentration in the boundary layer 125 of the respective component 2 in the desired thickness in the corresponding zone is set for the determined treatment duration. If a plurality of such ratios are specified, a carbon and nitrogen depth profile in the boundary layer 125 predetermined by the ratio data sets 205,..., 215 and the thickness data sets 225,..., 235 is then determined by the assigned and optional carbonitriding phases separated by a respective diffusion phase set.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen mindestens eines, insbesondere metallischen, Bauteils (2), vorzugsweise eines Zylinderkopfes, eines Düsenkörpers für eine Hochdruck- Einspritzpumpe, einer Komponente eines Dieseleinspritzmotors oder einer Drosselscheibe, durch Nieder- druck-Carbonitrieren in mindestens einer, vorzugsweise evakuierbaren, Behandlungskammer (4), dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Behandlungsphase ein Kohlenstoff abgebendes Gas und ein Stickstoff abgebendes Gas (8) gleichzeitig in die Behandlungskammer (4) eingebracht werden, dass abhängig von einem vorgegebenen Verhältnis zwischen einer vom mindestens einen Bauteil (2) in seiner Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration ein in der Behandlungskammer einzustellender Sollwert für die Temperatur und/oder den Druck ermittelt und für eine vorgegebene Zeit in der Behandlungskammer eingeregelt wird. 1. A method for producing at least one, in particular metallic, component (2), preferably a cylinder head, a nozzle body for a high-pressure injection pump, a component of a diesel injection engine or an orifice plate, by low-pressure carbonitriding in at least one, preferably evacuated, treatment chamber (4), characterized in that in at least one treatment phase, a carbon emitting gas and a nitrogen-releasing gas (8) are simultaneously introduced into the treatment chamber (4) that depends on a predetermined ratio between one of the at least one component (2) in determined to be set in the treatment chamber setpoint for the temperature and / or pressure and adjusted for a predetermined time in the treatment chamber.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoff abgebendes Gas und als Stickstoff abgebendes Gas ein und dasselbe Gas in die Behandlungskammer eingebracht wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that as the carbon-emitting gas and nitrogen-releasing gas, one and the same gas is introduced into the treatment chamber.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas eine Amin- Verbindung gewählt wird, vorzugsweise aliphatisches Monoamin sowohl als primäre, sekundäre und auch tertiäre Verbindungen, oder aliphatisches Diamin oder eine Mischungen aus beiden. 3. The method according to claim 2, characterized in that an amine compound is selected as the gas, preferably aliphatic monoamine as both primary, secondary and tertiary compounds, or aliphatic diamine or a mixture of the two.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoff und Stickstoff abgebendes Gas ein Gas gewählt wird, das Kohlenstoff und Stickstoff im Verhältnis kleiner gleich drei abgibt. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that as the carbon and nitrogen donating gas, a gas is selected, the carbon and nitrogen in the ratio less than or equal three releases.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge, insbesondere der Volumenstrom, des der Behandlungskammer zugeführten Kohlenstoff abgebenden Gases und die Menge, insbesondere der Volumenstrom, des der Behandlungskammer zugeführten Stickstoff abgebenden Gases im Verhältnis der Abgabe von Kohlenstoff und Stickstoff in der Behandlungskammer kleiner drei gewählt wird. 5. The method according to claim 1, characterized in that the amount, in particular the volume flow, of the treatment chamber supplied carbon emitting gas and the amount, in particular the volume flow, of the treatment chamber supplied nitrogen-releasing gas in the ratio of the release of carbon and nitrogen in the Treatment chamber smaller than three is selected.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck und/oder die Temperatur in der Behandlungskammer (4) gemessen und als Istwert dem ermittelten Sollwert nachgeführt wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pressure and / or the temperature in the treatment chamber (4) is measured and updated as the actual value of the determined setpoint.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert für die Temperatur dem Sollwert für die Temperatur über eine Ansteuerung einer Heizeinrichtung (5) in der Behandlungskammer (4) nachgeführt wird, wobei die Temperatur der Heizeinrichtung (5) erhöht wird, wenn der Istwert für die Temperatur kleiner als der Sollwert für die Temperatur ist und die Temperatur der Heizeinrichtung (5) gesenkt wird, wenn der Istwert für die Temperatur größer als der Sollwert für die Temperatur ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the actual value for the temperature of the target value for the temperature via a control of a heater (5) in the treatment chamber (4) is tracked, wherein the temperature of the heater (5) is increased if the actual value for the temperature is less than the setpoint for the temperature and the temperature of the heating device (5) is lowered, if the actual value for the temperature is greater than the setpoint for the temperature.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert für den Druck dem Sollwert für den Druck über eine Einstellung einer aus der Behandlungskammer (4) ausgeführten Gasmenge, insbesondere Volumenstrom, wobei die ausgeführte Gasmenge gesenkt wird, wenn der Istwert für den Druck kleiner als der Sollwert für den Druck ist und wobei die ausgeführte Gasmenge erhöht wird, wenn der Istwert für den Druck größer als der Sollwert für den Druck ist. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the actual value for the pressure of the setpoint for the pressure on a setting of the treatment chamber (4) running gas quantity, in particular volume flow, wherein the amount of gas is reduced when the actual value for the pressure is less than the set point for the pressure, and wherein the amount of gas carried is increased when the actual value for the pressure is greater than the setpoint for the pressure.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für die Temperatur in der Behandlungskammer (4) mindestens einmal gewechselt wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the desired value for the temperature in the treatment chamber (4) is changed at least once.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Aufheizphase oder mindestens einer Abkühlungsphase in der Behandlungskammer (4) eine Temperaturvergleichmäßigungsphase nachgeschaltet wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one heating phase or at least one cooling phase in the treatment chamber (4) is followed by a temperature equalization phase.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für den Druck in der Behandlungskammer (4) mindestens einmal gewechselt wird. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the desired value for the pressure in the treatment chamber (4) is changed at least once.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solldruck in der Behandlungskammer (4) kleiner oder gleich 100 mbar ist, vorzugsweise zwischen zwei und 30 mbar. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the target pressure in the treatment chamber (4) is less than or equal to 100 mbar, preferably between two and 30 mbar.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert für die Temperatur in einem Bereich von 650 °C bis 1050 °C, vorzugsweise in einem Bereich von 650°C bis 960°C, liegt. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the target value for the temperature in a range of 650 ° C to 1050 ° C, preferably in a range of 650 ° C to 960 ° C, is located.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Behandlungsphasen vorgesehen sind, die durch jeweils eine Diffusionsphase voneinander getrennt werden. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a plurality of treatment phases are provided, which are separated by a respective diffusion phase.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Verhältnis zwischen der vom mindestens einen Bauteil (2) in seiner Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration in mindestens zwei der Behandlungsphasen unterschiedlich gewählt wird, abhängig von einem vorgegebenen Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofil in der Randschicht des mindestens einen Bauteils (2). 15. The method according to claim 14, characterized in that the predetermined ratio between the at least one component (2) to be included in its edge layer carbon and nitrogen concentration in at least two of the treatment phases is selected differently, depending on a given carbon and nitrogen depth profile in the Outer layer of the at least one component (2).
16. Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Herstellen mindestens eines, insbesondere metallischen, Bauteils (2), vorzugsweise eines Zylinderkopfes, eines Düsenkörpers für eine Hochdruck- Einspritzpumpe, einer Komponente eines Dieseleinspritzmotors oder einer Drosselscheibe, durch Niederdruck-Carbonitrieren in mindestens einer, vorzugsweise 16. Control and / or regulating device for producing at least one, in particular metallic, component (2), preferably a cylinder head, a nozzle body for a high-pressure injection pump, a component of a diesel injection engine or a throttle disk, by low-pressure carbonitriding in at least one, preferably
evakuierbaren, Behandlungskammer (4), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (250) zur Ermittlung eines Sollwertes für die Temperatur und/oder den Druck in der Behandlungskammer (4) abhängig von einem vorgegebenen Verhältnis zwischen einer vom mindestens einen Bauteil (2) in seiner Randschicht aufzunehmenden Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration von einem in mindestens einer Behandlungsphase gleichzeitig in die Behandlungskammer (4) eingebrachten Kohlenstoff abgebenden Gas und Stickstoff abgebenden Gas (8) vorgesehen sind und dass Mittel (255, 260, 265) zur Regelung vorgesehen sind, die in der mindestens einen Behandlungsphase den in der Behandlungskammer (4) einzustellenden Sollwert für die Temperatur und/oder den Druck für eine vorgegebene Zeit in der Behandlungskammer (4) einregeln. evacuable, treatment chamber (4), characterized in that means (250) for determining a desired value for the temperature and / or pressure in the treatment chamber (4) depending on a predetermined ratio between one of the at least one component (2) in its edge layer are to be received carbon and nitrogen concentration of a simultaneously introduced into at least one treatment phase in the treatment chamber (4) carbon emitting gas and nitrogen releasing gas (8) and that means (255, 260, 265) are provided for the control, in the at least a treatment phase adjust the set in the treatment chamber (4) setpoint for the temperature and / or pressure for a predetermined time in the treatment chamber (4).
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