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EP1333105A1 - Process and apparatus for heat treating metallic articles and heat treated article - Google Patents

Process and apparatus for heat treating metallic articles and heat treated article Download PDF

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Publication number
EP1333105A1
EP1333105A1 EP02002530A EP02002530A EP1333105A1 EP 1333105 A1 EP1333105 A1 EP 1333105A1 EP 02002530 A EP02002530 A EP 02002530A EP 02002530 A EP02002530 A EP 02002530A EP 1333105 A1 EP1333105 A1 EP 1333105A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase
workpieces
temperature
cooling
during
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP02002530A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1333105B1 (en
Inventor
Bernd Edenhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ipsen International GmbH
Original Assignee
Ipsen International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ipsen International GmbH filed Critical Ipsen International GmbH
Priority to DE50212014T priority Critical patent/DE50212014D1/en
Priority to EP02002530A priority patent/EP1333105B1/en
Priority to AT02002530T priority patent/ATE391193T1/en
Priority to US10/328,555 priority patent/US7559995B2/en
Publication of EP1333105A1 publication Critical patent/EP1333105A1/en
Priority to US11/339,032 priority patent/US20060119021A1/en
Priority to US11/339,033 priority patent/US20060118209A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1333105B1 publication Critical patent/EP1333105B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0062Heat-treating apparatus with a cooling or quenching zone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/34Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/04Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/06Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B5/12Arrangement of devices for charging
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B5/00Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
    • F27B5/06Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B5/13Arrangement of devices for discharging

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treatment of metallic Workpieces, in particular for the combined carburizing, boronizing and hardening of Ferrous materials. It also relates to a device by means of which a can carry out such procedure, and one by the procedure heat-treated workpiece.
  • thermochemical heat treatment To create defined workpiece properties, such as a high one Hardness or wear resistance, metallic workpieces are usually subjected to a thermochemical heat treatment.
  • the goal of this Heat treatment is, for example, case hardening, the surface layer of the Carburizing workpieces first, i.e. enriching them with carbon in order to due to the resulting change in material composition the workpieces through a subsequent hardening a relatively high Hardness.
  • Types of heat treatment are also known, in which the Surface of the work pieces with the required mechanical properties causing layer are coated. For example, at Boronize by diffusing boron a hard boride layer on the surface of the Workpieces produced that are highly wear and corrosion resistant of the workpieces.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for the heat treatment of metallic workpieces, by means of which a comparatively large strength, in particular time and fatigue strength, can be achieved with high wear resistance of the workpieces.
  • Such a method is based on the knowledge that the boronation phase can be used to control the during the enrichment phase in the Surface layer of the enriched carbon workpieces inside the To let workpieces diffuse.
  • An independent diffusion phase for Generate the desired carbon content in the surface layer, as in the conventional carburizing is therefore unnecessary.
  • Under carburizing in The above-mentioned sense is also to be understood as carbonitriding, if additional Nitrogen is added to the gas atmosphere.
  • Cooling phase temperature difference to be bridged is generally low is. Because the second temperature required for boronizing is about for most low-carbon iron materials, such as case hardening steel C 15, or not only slightly less than the first necessary for the enrichment phase Temperature. Depending on the application, the second temperature can also be higher than the first temperature, so the workpieces are not in this case are to be cooled but warmed up.
  • the first temperature at which the workpieces reach during the heating phase heated and where the workpieces carburized during the enrichment phase or carbonitrided, the second temperature at which the workpieces during exposed to the boronation phase, the third temperature from which the Workpieces are quenched, the length of the first period, the length of the second period and that in the enrichment phase and in the boronation phase the amounts of carbon and boron donating agents supplied depends primarily on the material of the workpieces to be treated, which for Reaching the desired carbon content in the surface layer of the workpieces required specific composition of the gas atmosphere and the desired treatment success, such as the desired carburization depth and Boride layer thickness.
  • the of the material properties of the to be treated Workpiece dependent process parameters can be for a specific Material from generally accessible databases, such as Calphad (Calculation of Phase Diagrams). Depending on the application, it can thereafter, the workpieces may be required during the first and / or second Heat the cooling phase to the second or third temperature. With cooling in the above-mentioned sense, heating is also necessary understand.
  • first Warm temperature between 800 ° C and 1100 ° C.
  • Workpieces to a second temperature during the first cooling phase between 800 ° C and 950 ° C to cool one for the boronization of the Workpieces to get usable temperature.
  • Workpieces to a third temperature during the second cooling phase cool between 800 ° C and 900 ° C to match the material to achieve the appropriate hardening temperature.
  • the workpieces are preferred cooled to room temperature during the quenching phase, so that they are in the Have the connection processed immediately.
  • a particularly advantageous procedure also results when the first period between 60 min and 360 min and the second period be between 30 min and 360 min.
  • the first and second periods are in Depending on the prevailing temperatures expediently so chosen that a boride layer with a thickness of 10 microns to 100 microns is formed and the edge carbon content directly under the boride layer between 0.6% by weight and 0.9% by weight is an insert depth between 0.2 mm and 2.0 mm.
  • a support by a plasma takes place during the enrichment phase and / or during the boronization phase.
  • a plasma-activated process is described in connection with boronizing, for example by H.-J. Hunger et al. in the article "Plasma-activated gas boronization with boron trifluoride", HTM 52 (1997) 1.
  • the support by a plasma usually takes place at negative pressure and offers the advantage of a lower consumption of carbon or boron donors compared to a purely thermal activation.
  • the gas atmosphere expediently contains boron trichloride (BCl 3 ) and / or boron trifluoride (BF 3 ) and / or diborane (B 2 H 6 ) during the boronation phase.
  • BCl 3 boron trichloride
  • BF 3 boron trifluoride
  • B 2 H 6 diborane
  • the use of boron trifluoride as a boron donor has proven to be advantageous for plasma-activated boriding. This is because, on the one hand, there is no thermal activation during boronization with boron trifluoride, so that the boronization process is limited to the workpieces located in the region of the cathode case and boronization, for example of the inner walls of a boronization chamber, is avoided.
  • boron trifluoride is gaseous even at room temperature, so that an evaporator can be dispensed with economically.
  • a third pressure preferably a high pressure of more than 1,013.25 mbar, in a reducing or neutral gas atmosphere or in a liquid Quenching medium are quenched to provide adequate Ensure cooling rate.
  • the workpieces consist of a low-carbon iron material, preferably a case hardening steel according to DIN 17 210.
  • the method according to the invention is not limited to ferrous materials which initially have a relatively high carbon content, such as conventional quenched and tempered steels Ck 45, Ck 60 or 42 CrMo 4. Rather, the method according to the invention makes it possible to use low-carbon Boronize ferrous materials, such as common case-hardened steels Ck 10, C 15 or 20 MoCr 4.
  • both the first pressure and the second pressure are between 0.1 mbar and 30 mbar.
  • the pressure depends primarily on the prevailing temperature and the respective composition of the gas atmosphere.
  • the first pressure should be set so that on the one hand a comparatively rapid carburization of the surface layer of the workpieces is achieved and on the other hand a generally undesirable carbide or soot formation on the surface of the workpieces is avoided.
  • the first pressure and the second pressure do not have to be the same and not necessarily constant during the enrichment phase and the boronation phase. Rather, they can be varied, for example pulsed, according to the desired treatment result.
  • a device for performing the method described above comprising at least one treatment chamber, in succession, the heating-up phase, the enrichment phase, the first cooling phase, the boriding, the second cooling phase and Quenching phase are feasible.
  • such a device can be a single-chamber vacuum furnace be in which the process steps described above in succession and without Batch transport can be carried out.
  • a first preferred embodiment of such a device sees two Treatment chamber before, the in the first treatment chamber Heating phase, the enrichment phase, the first cooling phase, the Boronization phase and the second cooling phase are carried out and the quenching phase being carried out in the second treatment chamber.
  • a second looks preferable Design of the device according to the invention three treatment chambers before, in the first treatment chamber the heating phase and Enrichment phase are carried out, being in the second Treatment chamber the first cooling phase, the boronization phase and the second cooling phase are carried out and being in the third Treatment chamber the quenching phase is carried out.
  • a third preferred embodiment of the device according to the invention provides four treatment chambers arranged in succession or in parallel, the heating phase being carried out in the first treatment chamber, in the second chamber the enrichment phase or Enrichment phase and the first cooling phase are carried out, wherein in the third treatment chamber the first cooling phase, the Boronization phase and the second cooling phase or the boronization phase and the second cooling phase can be carried out and being in the fourth Treatment chamber the quenching phase is carried out.
  • a fourth preferred embodiment of the device according to the invention provides six treatment chambers in front, arranged sequentially or in parallel are, the first treatment chamber as a heating chamber for Perform the heating phase, the second treatment chamber as Enrichment chamber for carrying out the enrichment phase, the third Treatment chamber as a cooling chamber for performing the first Cooling phase, the fourth treatment chamber as a boronization chamber Carrying out the boronization phase, the fifth treatment chamber as Cooling chamber for performing the second cooling phase and the sixth treatment chamber as a quenching chamber for carrying out the Quenching phase are formed.
  • the first treatment chamber as a heating chamber for Perform the heating phase
  • the second treatment chamber as Enrichment chamber for carrying out the enrichment phase
  • the third Treatment chamber as a cooling chamber for performing the first Cooling phase
  • the fourth treatment chamber as a boronization chamber Carrying out the boronization phase
  • the sixth treatment chamber as a quenching chamber for carrying out the Quenching phase are formed.
  • a workpiece that consists of a metallic material and the inventive Process is heat-treated, the workpiece with an outer Iron boride layer from 10 microns to 100 microns thick and one under the Iron boride layer, case hardening layer, which has a Vickers hardness between 600 and 900 and a case hardening depth between 0.2 mm and 2.0 mm has, is provided.
  • FIG. 1 the time t and are on the abscissa the temperature ⁇ and the pressure p are plotted on the ordinate. That based on Fig. 1 illustrated heat treatment process is a duplex process in the mentioned above and serves for combined carburizing, boronizing and Hardening of workpieces made of a low-carbon iron material, for example case hardening steel C 15 (material number 1.0401). The The entire process can be divided into six phases A to F.
  • heating phase A the workpieces to be treated are heated to a first temperature ⁇ 1 of approx. 1000 ° C.
  • the device used for this purpose for example a heat treatment system according to FIG. 5, is first evacuated after the workpieces have been introduced and then heated to the temperature ⁇ 1 .
  • the workpieces can also be heated to the temperature ⁇ 1 in an inert or reducing gas atmosphere, such as nitrogen (N 2 ).
  • the workpieces After heating to the temperature ⁇ 1 , the workpieces are transported to a second treatment chamber, where during the second phase immediately following the first phase, the enrichment phase B, for a first period of time ⁇ t 1 , which, depending on the required carburizing depth, between 60 min and 360 minutes, are exposed to a hydrocarbon-containing gas atmosphere.
  • the level of the pressure p 1 prevailing during the enrichment phase B depends in principle on the desired treatment result and the type of hydrocarbon used and in the present case is approximately 10 mbar.
  • Enrichment phase B can be plasma activated if necessary.
  • the workpieces are conveyed into a third treatment chamber, where they are cooled from the temperature ⁇ 1 to a second temperature ⁇ 2 of approximately 900 ° C. under vacuum during a first cooling phase C immediately following the enrichment phase B.
  • the workpieces can be cooled to a temperature of ⁇ 2 in a gas atmosphere that mainly contains nitrogen and is therefore inert.
  • the workpieces are placed in a fourth treatment chamber and borated at a temperature ⁇ 2 and a second pressure p 2 of approx. 0.1 mbar for a second time period ⁇ t 2 in a gas atmosphere containing boron.
  • the carbon enriched in the boundary layer of the workpieces during the enrichment phase B diffuses into the interior of the workpieces, so that the boronization phase D also represents a diffusion phase for the carburizing process.
  • the time period ⁇ t 2 for this boronation phase D which immediately follows the cooling phase C, is between 30 minutes and 360 minutes, depending on the required treatment result.
  • the gas atmosphere contains boron trichloride, boron trifluoride, diborane or several of the aforementioned substances during the boronation phase. If necessary, the boronation phase D can be plasma-activated. In this case, the use of boron trifluoride as a boron donor is particularly suitable.
  • a second cooling phase E during which the workpieces are cooled in a fifth treatment chamber of the heat treatment system from the temperature ⁇ 2 to a third temperature ⁇ 3 of approx. 800 ° C under vacuum or alternatively in an inert gas atmosphere .
  • the workpieces are held at the third temperature ⁇ 3 for about 15 minutes to 30 minutes, as can be seen in FIG. 1.
  • the workpieces are quenched from the quenching temperature ⁇ 3 to a temperature of less than 150 ° C., for example room temperature, during a quenching phase F immediately following the second cooling phase E.
  • the workpieces are transported to a sixth treatment chamber and cooled at a high pressure p 3 of more than 1,013.25 mbar in a reducing or neutral gas atmosphere.
  • the workpieces can also be quenched in a liquid quenching medium.
  • 2 to 6 are different embodiments of a device shown in which the method described above can be carried out.
  • 2 is a single-chamber vacuum furnace 10, in which all process steps A to F in one and the same treatment chamber 11 be performed.
  • the workpieces assembled into a batch 12 are quenched by gas during the quenching phase F.
  • the device shown in Fig. 3 is a two-chamber vacuum furnace 20, which has a first treatment chamber 21 and a second Treatment chamber 22 has.
  • first treatment chamber 21 Process steps A to E performed, whereas the as Gas quenching chamber designed second treatment chamber for Quenching the batch 12 serves during the quenching phase F.
  • the device according to FIG. 3 differs from a two-chamber vacuum furnace shown in FIG. 4 30 mainly by the fact that in a second treatment chamber 32, which is separated from the first treatment chamber 31 by a door 33 Oil bath 34 is present, in which the charge 12 during the quenching phase F is deterred.
  • the process steps A to E are analogous to that 3 carried out in the first treatment chamber 31.
  • the treatment chamber 41 serves as a rinsing lock when the charge 12 enters the heat treatment system 40 and as a high-pressure quenching chamber during the quenching phase F at the end of the treatment cycle.
  • the treatment chamber 42 is designed as a heating chamber in which the charge 12 is heated to the first temperature ⁇ 1 during the heating phase A.
  • the charge 12 is carburized in the treatment chamber 43 during the enrichment phase B.
  • the cooling of the charge 12 to the second temperature ⁇ 2 during the first cooling phase C takes place in the treatment chamber 44.
  • the batch 12 is borated during the boronation phase D in the treatment chamber 45, whereas the treatment chamber 46 is provided for cooling and equalizing the batch 12 to the third temperature ⁇ 3 during the second cooling phase E.
  • a three-chamber vacuum furnace 50 can be seen in FIG. 6.
  • the vacuum oven 50 has a rinsing lock 54, through which the charge 12 is introduced into the vacuum oven 50.
  • the treatment chamber 51 is used for heating to the first temperature ⁇ 1 during the heating-up phase A and for carburizing the charge 12 during the enrichment phase B.
  • the cooling to the second temperature ⁇ 2 during the first cooling phase C takes place, the boronization of the charge 12 during the boronation phase D and the cooling and equalization of the charge 12 to the third temperature ⁇ 3 during the second cooling phase E.
  • the treatment chamber 53 is provided for a final gas quenching during the quenching phase F.
  • the workpieces treated by the method described above have a outer iron boride layer from 10 microns to 100 microns thick and one under the Case hardening layer with iron boride layer and Vickers hardness between 600 and 900 and a case hardening depth between 0.2 mm and 2.0 mm on. They are characterized by a comparatively high fatigue strength and fatigue strength with high wear resistance.
  • Process steps A to F obtained combination of carburizing, boronizing and Hardening. So arise from the immediately consecutive Process steps A to F synergy effects that an efficient process management Take into account. Because the process can be done in a single cycle and in perform a single heat treatment plant without interruption, which means significant economic advantages compared to the previous one separate carburizing, cooling, boriding and hardening can be achieved.

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Abstract

Process for heat treating metallic workpieces comprises: heating workpieces to a first temperature in a vacuum or in a neutral or reducing gas atmosphere; carburizing the workpieces at the first temperature reached at the end of the heating up phase; cooling the workpieces to a second temperature; boriding the workpieces; cooling the workpieces to third temperature; and quenching the workpieces. Process for heat treating metallic workpieces comprises: heating the workpieces to a first temperature in a vacuum or in a neutral or reducing gas atmosphere during the heating up phase; carburizing the workpieces at the first temperature reached at the end of the heating up phase and at a first pressure for a first time period in a gas atmosphere containing a hydrocarbon during an enriching phase next to the heating up phase; cooling the workpieces to a second temperature; boriding the workpieces; cooling the workpieces to a third temperature; and quenching the workpieces from the third temperature to a temperature of less than 150 degreesC. Independent claims are also included for the following: (a) a device for carrying out the heat treating process; and (b) a heat treated workpiece. Preferred Features: The workpieces are heated in the first step to 800-1100 degreesC and cooled to 800-950 degreesC. The workpieces are cooled to room temperature during quenching. During boriding, the gas atmosphere contains boron trichloride, boron trifluoride and/or diboran.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung, mittels der sich ein solches Verfahren durchführen läßt, und ein durch das Verfahren wärmebehandeltes Werkstück.The invention relates to a method for heat treatment of metallic Workpieces, in particular for the combined carburizing, boronizing and hardening of Ferrous materials. It also relates to a device by means of which a can carry out such procedure, and one by the procedure heat-treated workpiece.

Zum Erzeugen von definierten Werkstückeigenschaften, wie etwa einer hohen Härte oder Verschleißbeständigkeit, werden metallische Werkstücke üblicherweise einer thermochemischen Wärmebehandlung unterzogen. Das Ziel dieser Wärmebehandlung ist beispielsweise beim Einsatzhärten, die Randschicht der Werkstücke zunächst aufzukohlen, das heißt mit Kohlenstoff anzureichern, um aufgrund der sich daraus ergebenden veränderten Werkstoffzusammensetzung den Werkstücken durch ein anschließendes Härten eine verhältnismäßig hohe Härte zu verleihen. Bekannt sind ferner Wärmebehandlungsarten, bei denen die Oberfläche der Werkstücke mit einer die geforderten mechanischen Eigenschaften hervorrufenden Schicht überzogen werden. So werden beispielsweise beim Borieren durch Eindiffusion von Bor eine harte Boridschicht auf der Oberfläche der Werkstücke erzeugt, die zu einer hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit der Werkstücke führt. To create defined workpiece properties, such as a high one Hardness or wear resistance, metallic workpieces are usually subjected to a thermochemical heat treatment. The goal of this Heat treatment is, for example, case hardening, the surface layer of the Carburizing workpieces first, i.e. enriching them with carbon in order to due to the resulting change in material composition the workpieces through a subsequent hardening a relatively high Hardness. Types of heat treatment are also known, in which the Surface of the work pieces with the required mechanical properties causing layer are coated. For example, at Boronize by diffusing boron a hard boride layer on the surface of the Workpieces produced that are highly wear and corrosion resistant of the workpieces.

Eine Zusammenstellung der unterschiedlichsten Wärmebehandlungsarten findet sich zum Beispiel in DIN 8580. Im Stand der Technik sind außerdem Verfahren bekannt, welche einzelne Wärmebehandlungsarten miteinander kombinieren. Diese sogenannten Kombinations-, Hybrid- oder Duplex-Verfahren machen sich Synergieeffekte zu nutze, die bei einer Kombination der verschiedenen Wärmebehandlungsarten entstehen (vergleiche O. H. Kessler et al.: "Combinations of coating and heat treating processes: establishing a system for combined processes and examples", Surface and Coatings Technology 108 - 109 (1998) Seiten 211 bis 216; T. Bell et al.: "Realising the potential of duplex surface engineering", Tribology International Volume 31 Nummer 1 - 3 (1998) Seiten 127 bis 137). Auf diese Weise lassen sich den Werkstücken Eigenschaften verleihen, die durch die einzelnen Wärmebehandlungsarten allein nicht zu erreichen wären. Die Werkstücke können somit komplexen Beanspruchungen, die beispielsweise sowohl eine große Dauerfestigkeit als auch eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und Korrosion erfordern, genügen.A compilation of the most diverse types of heat treatment takes place for example in DIN 8580. The prior art also includes processes Known which individual types of heat treatment combine with each other. These so-called combination, hybrid or duplex processes are making themselves felt Use synergy effects when combining the different Types of heat treatment arise (see O. H. Kessler et al .: "Combinations of coating and heat treating processes: establishing a system for combined processes and examples ", Surface and Coatings Technology 108-109 (1998) pages 211 to 216; T. Bell et al .: "Realizing the potential of duplex surface engineering ", Tribology International Volume 31 Number 1 - 3 (1998) pages 127 to 137). In this way, the workpieces can be given properties that could not be achieved by the individual types of heat treatment alone. The workpieces can thus handle complex stresses, for example both a high fatigue strength and a high resistance to Wear and corrosion are sufficient.

Nicht jede beliebige Kombination verschiedener Wärmebehandlungsarten ruft allerdings ein synergistisches Resultat hervor, wie Bell et al. aufzeigen (a. a. O., Seite 128). Dagegen hat eine positive Wirkung in Hinsicht auf mit einer harten Oberfläche versehene Werkstücke zum Beispiel die Kombination von CVD (Chemical Vapor Deposition) und Abschreckhärten. Denn, wie Kessler et al. (a. a. O.) darlegen, verfügt die bei einem solchen Duplex-Verfahren durch den plasmaaktivierten Dampfabscheideprozeß erzeugte Oberflächenschicht über eine hohe Härte.Not every combination of different types of heat treatment calls however, a synergistic result emerges, as Bell et al. point out (loc. cit., Page 128). Conversely, has a positive effect in terms of having a hard one Workpieces with a surface, for example, the combination of CVD (Chemical Vapor Deposition) and quench hardening. Because, as Kessler et al. (a. a. O.) set out, in such a duplex process by the plasma-activated vapor deposition process generated surface layer over a high hardness.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke zu schaffen, mittels denen sich auf effiziente Weise eine vergleichsweise große Festigkeit, insbesondere Zeit- und Dauerfestigkeit, bei zugleich hoher Verschleißbeständigkeit der Werkstücke erzielen läßt. The invention has for its object to provide a method and an apparatus for the heat treatment of metallic workpieces, by means of which a comparatively large strength, in particular time and fatigue strength, can be achieved with high wear resistance of the workpieces.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen, in Übereinstimmung mit Anspruch 1 folgende Verfahrensschritte auf:

  • a) Erwärmen der Werkstücke auf eine erste Temperatur unter Vakuum oder in einer neutralen oder reduzierenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase;
  • b) Aufkohlen der Werkstücke bei der am Ende der Aufheizphase erreichten ersten Temperatur und einem ersten Druck für eine erste Zeitdauer in einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Aufheizphase anschließenden Anreicherungsphase;
  • c) Abkühlen der Werkstücke von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff (N2) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase anschließenden ersten Abkühlungsphase;
  • d) Borieren der Werkstücke bei der am Ende der ersten Abkühlungsphase erreichten zweiten Temperatur und einem zweiten Druck für eine zweite Zeitdauer in einer Bor (B) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die erste Abkühlungsphase anschließenden Borierungsphase;
  • e) Abkühlen der Werkstücke von der zweiten Temperatur auf eine dritte Temperatur unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff (N2) enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Borierungsphase anschließenden zweiten Abkühlungsphase und
  • f) Abschrecken der Werkstücke von der dritten Temperatur auf eine Temperatur unter 150 °C während einer sich an die zweite Abkühlungsphase anschließenden Abschreckphase.
  • To achieve this object, a method for the heat treatment of metallic workpieces, in particular for the combined carburizing, boronizing and hardening of iron materials, has the following method steps in accordance with claim 1:
  • a) heating the workpieces to a first temperature under vacuum or in a neutral or reducing gas atmosphere during a heating phase;
  • b) carburizing the workpieces at the first temperature and pressure reached at the end of the heating phase for a first period of time in a hydrocarbon-containing gas atmosphere during an enrichment phase immediately following the heating phase;
  • c) cooling the workpieces from the first temperature to a second temperature under vacuum or in a gas atmosphere containing mainly nitrogen (N2) during a first cooling phase immediately following the enrichment phase;
  • d) Boronizing the workpieces at the second temperature and a second pressure reached at the end of the first cooling phase in a gas atmosphere containing boron (B) for a second period of time during a boronation phase immediately following the first cooling phase;
  • e) cooling the workpieces from the second temperature to a third temperature under vacuum or in a gas atmosphere mainly containing nitrogen (N2) during a second cooling phase immediately following the boronation phase and
  • f) quenching the workpieces from the third temperature to a temperature below 150 ° C. during a quenching phase following the second cooling phase.
  • Ein derartiges Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß die Borierungsphase genutzt werden kann, um den während der Anreicherungsphase in der Randschicht der Werkstücke angereicherten Kohlenstoff in das Innere der Werkstücke diffundieren zu lassen. Eine eigenständige Diffusionsphase zum Erzeugen des gewünschten Kohlenstoffgehalts in der Randschicht, wie sie beim herkömmlichen Aufkohlen üblich ist, wird folglich entbehrlich. Unter Aufkohlen im oben genannten Sinne ist auch ein Carbonitrieren zu verstehen, wenn zusätzlich Stickstoff der Gasatmosphäre beigegeben wird.Such a method is based on the knowledge that the boronation phase can be used to control the during the enrichment phase in the Surface layer of the enriched carbon workpieces inside the To let workpieces diffuse. An independent diffusion phase for Generate the desired carbon content in the surface layer, as in the conventional carburizing is therefore unnecessary. Under carburizing in The above-mentioned sense is also to be understood as carbonitriding, if additional Nitrogen is added to the gas atmosphere.

    Zu einer effizienten Verfahrensführung trägt außerdem bei, daß die während der sich an die Anreicherungsphase unmittelbar anschließenden ersten Abkühlungsphase zu überbrückende Temperaturdifferenz im allgemeinen gering ist. Denn die zum Borieren erforderliche zweite Temperatur ist etwa für die meisten kohlenstoffarmen Eisenwerkstoffen, wie zum Beispiel Einsatzstahl C 15, nicht oder nur geringfügig geringer als die für die Anreicherungsphase notwendige erste Temperatur. Je nach Anwendungsfall kann die zweite Temperatur auch größer sein als die erste Temperatur, so daß die Werkstücke in diesem Fall nicht abzukühlen sondern zu erwärmen sind.An efficient process management also contributes to the fact that during the immediately following the enrichment phase Cooling phase temperature difference to be bridged is generally low is. Because the second temperature required for boronizing is about for most low-carbon iron materials, such as case hardening steel C 15, or not only slightly less than the first necessary for the enrichment phase Temperature. Depending on the application, the second temperature can also be higher than the first temperature, so the workpieces are not in this case are to be cooled but warmed up.

    Das während der Anreicherungsphase und der als Diffusionsphase für den Kohlenstoff dienenden Borierungsphase erzeugte Kohlenstoffprofil in der Randschicht der Werkstücke führt zusammen mit dem abschließenden Abschrecken zu Druckeigenspannungen in der Randschicht der Werkstücke und damit zu einer Zeit- und Dauerfestigkeit, die verhältnismäßig hohen dynamischen Belastungen standhält. Darüber hinaus wird die während der Borierungsphase auf der Oberfläche der Werkstücke gebildete verschleißbeständige Boridschicht durch das abschließende Abschrecken der Werkstücke höher belastbar. Denn das unterhalb der Boridschicht vorhandene aufgekohlte und gehärtete Gefüge der Werkstücke besitzt eine ausreichend hohe Härte von üblicherweise ca. 800 HV, die auf diese Weise einen tragfähigen Unterbau für die in der Regel eine Härte nach Vickers von ca. 2000 aufweisende Boridschicht bildet. Im Unterschied zu etwa einem CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) ist die Gefahr eines Abplatzens der harten Boridschicht bei hoher dynamischer Belastung somit ausgeschlossen.That during the enrichment phase and as a diffusion phase for the Carbon-serving boronation phase generated carbon profile in the Edge layer of the workpieces leads together with the final one Quenching to residual compressive stresses in the surface layer of the workpieces and thus to a time and fatigue strength, the relatively high dynamic Withstands loads. It also turns on during the boronation phase wear-resistant boride layer formed on the surface of the workpieces the final quenching of the workpieces is more resilient. Because that The carburized and hardened structure of the existing beneath the boride layer Workpieces have a sufficiently high hardness of usually approx. 800 HV, which in this way is a stable substructure for which usually a hardness according to Vickers of about 2000 boride layer. In contrast to such as a CVD process or PVD process (Physical Vapor Deposition) the risk of chipping of the hard boride layer with a high dynamic So there is no burden.

    Die erste Temperatur, auf welche die Werkstücke während der Aufheizphase erwärmt und bei der die Werkstücke während der Anreicherungsphase aufgekohlt oder carbonitriert werden, die zweite Temperatur, bei der die Werkstücke während der Borierungsphase ausgesetzt werden, die dritte Temperatur, von der aus die Werkstücke abgeschreckt werden, die Länge der ersten Zeitdauer, die Länge der zweiten Zeitdauer und die in der Anreicherungsphase und in der Borierungsphase jeweils zugeführten Mengen an Kohlenstoff und Bor spendenden Mitteln richten sich vor allem nach dem Werkstoff der zu behandelnden Werkstücke, der zum Erreichen des angestrebten Kohlenstoffgehalts in der Randschicht der Werkstücke erforderlichen spezifischen Zusammensetzung der Gasatmosphäre und dem angestrebten Behandlungserfolg, etwa der gewünschten Aufkohlungstiefe und Dicke der Boridschicht. Die von den Werkstoffeigenschaften der zu behandelnden Werkstücke abhängenden Prozeßparameter lassen sich für einen bestimmten Werkstoff aus allgemein zugänglichen Datenbanken, wie etwa Calphad (Calculation of Phase Diagrams), entnehmen. Je nach Anwendungsfall kann es danach erforderlich sein, die Werkstücke während der ersten und/oder zweiten Abkühlungsphase auf die zweite beziehungsweise dritte Temperatur zu erwärmen. Unter Abkühlen im oben genannten Sinne ist insofern auch ein Erwärmen zu verstehen.The first temperature at which the workpieces reach during the heating phase heated and where the workpieces carburized during the enrichment phase or carbonitrided, the second temperature at which the workpieces during exposed to the boronation phase, the third temperature from which the Workpieces are quenched, the length of the first period, the length of the second period and that in the enrichment phase and in the boronation phase the amounts of carbon and boron donating agents supplied depends primarily on the material of the workpieces to be treated, which for Reaching the desired carbon content in the surface layer of the workpieces required specific composition of the gas atmosphere and the desired treatment success, such as the desired carburization depth and Boride layer thickness. The of the material properties of the to be treated Workpiece dependent process parameters can be for a specific Material from generally accessible databases, such as Calphad (Calculation of Phase Diagrams). Depending on the application, it can thereafter, the workpieces may be required during the first and / or second Heat the cooling phase to the second or third temperature. With cooling in the above-mentioned sense, heating is also necessary understand.

    Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens stellen die Gegenstände der abhängigen Ansprüche dar.Advantageous refinements of the method according to the invention represent the Objects of the dependent claims.

    So ist es von Vorteil, die Werkstücke während der Aufheizphase auf eine für das Aufkohlen oder Carbonitrieren gängiger Eisenwerkstoffe geeignete erste Temperatur zwischen 800 °C und 1100 °C zu erwärmen. Von Vorteil ist ferner, die Werkstücke während der ersten Abkühlungsphase auf eine zweite Temperatur zwischen 800 °C und 950 °C abzukühlen, um eine für das Borieren der Werkstücke verwendbare Temperatur zu erhalten. Vorteilhaft ist zudem, die Werkstücke während der zweiten Abkühlungsphase auf eine dritte Temperatur zwischen 800 °C und 900 °C abzukühlen, um eine dem jeweiligen Werkstoff entsprechende Härtetemperatur zu erreichen. Bevorzugt werden die Werkstücke während der Abschreckphase auf Raumtemperatur abgekühlt, so daß sie sich im Anschluß unverzüglich weiterverarbeiten lassen.So it is advantageous to place the workpieces on one for the Carburizing or carbonitriding of common iron materials suitable first Warm temperature between 800 ° C and 1100 ° C. Another advantage is that Workpieces to a second temperature during the first cooling phase between 800 ° C and 950 ° C to cool one for the boronization of the Workpieces to get usable temperature. It is also advantageous that Workpieces to a third temperature during the second cooling phase cool between 800 ° C and 900 ° C to match the material to achieve the appropriate hardening temperature. The workpieces are preferred cooled to room temperature during the quenching phase, so that they are in the Have the connection processed immediately.

    Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ergibt sich außerdem dann, wenn die erste Zeitdauer zwischen 60 min und 360 min und die zweite Zeitdauer zwischen 30 min und 360 min betragen. Die erste und zweite Zeitdauer werden in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Temperaturen zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine Boridschicht mit einer Dicke von 10 µm bis 100 µm entsteht und der Rand-Kohlenstoffgehalt direkt unter der Boridschicht zwischen 0,6 Gew.-% und 0,9 Gew.-% ein einer Einsatztiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm beträgt.A particularly advantageous procedure also results when the first period between 60 min and 360 min and the second period be between 30 min and 360 min. The first and second periods are in Depending on the prevailing temperatures expediently so chosen that a boride layer with a thickness of 10 microns to 100 microns is formed and the edge carbon content directly under the boride layer between 0.6% by weight and 0.9% by weight is an insert depth between 0.2 mm and 2.0 mm.

    Einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend findet während der Anreicherungsphase und/oder während der Borierungsphase eine Unterstützung durch ein Plasma, das heißt einer stromstarken Glimmentladung, statt. Ein solcher plasmaaktivierter Prozeß ist im Zusammenhang mit Borieren beispielsweise von H.-J. Hunger et al. in dem Aufsatz "Plasmaaktiviertes Gasborieren mit Bortrifluorid", HTM 52 (1997) 1, beschreiben. Die Unterstützung durch ein Plasma findet in der Regel bei Unterdruck statt und bietet im Vergleich zu einer rein thermischen Aktivierung den Vorteil eines geringeren Verbrauchs an Kohlenstoff beziehungsweise Bor spendenden Mitteln. Zweckmäßigerweise enthält die Gasatmosphäre während der Borierungsphase Bortrichlorid (BCl3) und/oder Bortrifluorid (BF3) und/oder Diboran (B2H6). Vor allem die Verwendung von Bortrifluorid als Bor spendendes Mittel hat sich für ein plasmaaktiviertes Borieren als vorteilhaft erwiesen. Denn zum einen unterbleibt beim Borieren mit Bortrifluorid eine thermische Aktivierung, so daß der Borierprozeß auf die im Bereich des Kathodenfalls befindlichen Werkstücke beschränkt ist und ein Borieren etwa der Innenwandungen einer Borierungskammer vermieden wird. Zum anderen ist Bortrifluorid schon bei Raumtemperatur gasförmig, so daß in ökonomischer Weise auf einen Verdampfer verzichtet werden kann.According to an advantageous development of the method according to the invention, a support by a plasma, that is to say a current-rich glow discharge, takes place during the enrichment phase and / or during the boronization phase. Such a plasma-activated process is described in connection with boronizing, for example by H.-J. Hunger et al. in the article "Plasma-activated gas boronization with boron trifluoride", HTM 52 (1997) 1. The support by a plasma usually takes place at negative pressure and offers the advantage of a lower consumption of carbon or boron donors compared to a purely thermal activation. The gas atmosphere expediently contains boron trichloride (BCl 3 ) and / or boron trifluoride (BF 3 ) and / or diborane (B 2 H 6 ) during the boronation phase. Above all, the use of boron trifluoride as a boron donor has proven to be advantageous for plasma-activated boriding. This is because, on the one hand, there is no thermal activation during boronization with boron trifluoride, so that the boronization process is limited to the workpieces located in the region of the cathode case and boronization, for example of the inner walls of a boronization chamber, is avoided. On the other hand, boron trifluoride is gaseous even at room temperature, so that an evaporator can be dispensed with economically.

    Zweckmäßig ist weiterhin, wenn die Werkstücke während der Abschreckphase bei einem dritten Druck, vorzugsweise einem Hochdruck von mehr als 1.013,25 mbar, in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden, um eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit sicherzustellen. Die auf diese Weise gehärteten Werkstücke können anschließend - wie vom Einsatzhärten bekannt - bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 200 °C in einem separaten Ofen angelassen werden.It is also useful if the workpieces during the quenching phase a third pressure, preferably a high pressure of more than 1,013.25 mbar, in a reducing or neutral gas atmosphere or in a liquid Quenching medium are quenched to provide adequate Ensure cooling rate. The hardened in this way Workpieces can then - as is known from case hardening - at a Leave the temperature between 150 ° C and 200 ° C in a separate oven become.

    Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ist ferner dann gegeben, wenn die Werkstücke aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, vorzugsweise einem Einsatzstahl nach DIN 17 210, bestehen. Im Unterschied zum Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Eisenwerkstoffe beschränkt, die anfänglich schon über einen relativ hohen Gehalt an Kohlenstoff verfügen, wie beispielsweise herkömmliche Vergütungsstähle Ck 45, Ck 60 oder 42 CrMo 4. Vielmehr ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren möglich, kohlenstoffarme Eisenwerkstoffe, wie zum Beispiel geläufige Einsatzstähle Ck 10, C 15 oder 20 MoCr 4, zu borieren. Grund hierfür ist, daß die der Borierungsphase vorgeschaltete Anreicherungsphase eine Anreicherung der Randschicht der Werkstücke mit Kohlenstoff ermöglicht, die nach Beendigung der Borierungsphase und damit der Diffusionsphase einen hinsichtlich der geforderten Aufkohlung ausreichenden Kohlenstoffgehalt in der Randschicht verbleiben läßt.
    In bevorzugter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens betragen sowohl der erste Druck als auch der zweite Druck zwischen 0,1 mbar und 30 mbar. Der Druck hängt dabei in erster Linie von der jeweils herrschenden Temperatur und der jeweiligen Zusammensetzung der Gasatmosphäre ab. So sollte zum Beispiel während der Anreicherungsphase der erste Druck so eingestellt werden, daß einerseits ein vergleichsweise schnelles Aufkohlen der Randschicht der Werkstücke erreicht und andererseits eine im allgemeinen unerwünschte Carbidoder Rußbildung auf der Oberfläche der Werkstücke vermieden wird. Der erste Druck und der zweite Druck müssen während der Anreicherungsphase und der Borierungsphase nicht gleich und auch nicht notwendigerweise konstant sein. Sie können vielmehr entsprechend dem gewünschten Behandlungsergebnisses gezielt variiert, beispielsweise gepulst, werden.
    A particularly advantageous procedure is also given when the workpieces consist of a low-carbon iron material, preferably a case hardening steel according to DIN 17 210. In contrast to the prior art, the method according to the invention is not limited to ferrous materials which initially have a relatively high carbon content, such as conventional quenched and tempered steels Ck 45, Ck 60 or 42 CrMo 4. Rather, the method according to the invention makes it possible to use low-carbon Boronize ferrous materials, such as common case-hardened steels Ck 10, C 15 or 20 MoCr 4. The reason for this is that the enrichment phase upstream of the boronation phase enables the surface layer of the workpieces to be enriched with carbon which, after the boronization phase and thus the diffusion phase has ended, leaves a sufficient carbon content in the surface layer with regard to the required carburization.
    In a preferred development of the method according to the invention, both the first pressure and the second pressure are between 0.1 mbar and 30 mbar. The pressure depends primarily on the prevailing temperature and the respective composition of the gas atmosphere. For example, during the enrichment phase, the first pressure should be set so that on the one hand a comparatively rapid carburization of the surface layer of the workpieces is achieved and on the other hand a generally undesirable carbide or soot formation on the surface of the workpieces is avoided. The first pressure and the second pressure do not have to be the same and not necessarily constant during the enrichment phase and the boronation phase. Rather, they can be varied, for example pulsed, according to the desired treatment result.

    Zur Lösung der oben genannte Aufgabe wird im Einklang mit Anspruch 14 überdies eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, die wenigstens eine Behandlungskammer aufweist, in der nacheinander die Aufheizphase, die Anreicherungsphase, die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase, die zweite Abkühlungsphase und die Abschreckphase durchführbar sind.To achieve the above object, moreover, a device for performing the method described above is proposed in accordance with claim 14, comprising at least one treatment chamber, in succession, the heating-up phase, the enrichment phase, the first cooling phase, the boriding, the second cooling phase and Quenching phase are feasible.

    Eine solche Vorrichtung kann im einfachsten Fall ein Ein-Kammer-Vakuumofen sein, in dem die oben beschriebenen Verfahrensschritte nacheinander und ohne Transport der Charge durchgeführt werden.In the simplest case, such a device can be a single-chamber vacuum furnace be in which the process steps described above in succession and without Batch transport can be carried out.

    Eine erste bevorzugte Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung sieht zwei Behandlungskammer vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase, die Anreicherungsphase, die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der zweiten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird. Indem für die Abschreckphase eine separate Behandlungskammer vorhanden ist, läßt sich auf einfache Weise eine Hochdruckgasabschreckung durchführen, mittels der verhältnismäßig hohe Abschreckraten erreicht werden. A first preferred embodiment of such a device sees two Treatment chamber before, the in the first treatment chamber Heating phase, the enrichment phase, the first cooling phase, the Boronization phase and the second cooling phase are carried out and the quenching phase being carried out in the second treatment chamber. By having a separate treatment chamber for the quenching phase, high-pressure gas quenching can be carried out in a simple manner by means of the relatively high quenching rates can be achieved.

    In Hinsicht auf einen höheren Durchsatz sieht eine zweite bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung drei Behandlungskammern vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase und die Anreicherungsphase durchgeführt werden, wobei in der zweiten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der dritten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird.In terms of higher throughput, a second looks preferable Design of the device according to the invention three treatment chambers before, in the first treatment chamber the heating phase and Enrichment phase are carried out, being in the second Treatment chamber the first cooling phase, the boronization phase and the second cooling phase are carried out and being in the third Treatment chamber the quenching phase is carried out.

    Eine dritte bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vier aufeinanderfolgend oder parallel angeordnete Behandlungskammern vor, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase durchgeführt wird, wobei in der zweiten Kammer die Anreicherungsphase oder die Anreicherungsphase und die erste Abkühlungsphase durchgeführt werden, wobei in der dritten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase, die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase oder die Borierungsphase und die zweite Abkühlungsphase durchgeführt werden und wobei in der vierten Behandlungskammer die Abschreckphase durchgeführt wird.A third preferred embodiment of the device according to the invention provides four treatment chambers arranged in succession or in parallel, the heating phase being carried out in the first treatment chamber, in the second chamber the enrichment phase or Enrichment phase and the first cooling phase are carried out, wherein in the third treatment chamber the first cooling phase, the Boronization phase and the second cooling phase or the boronization phase and the second cooling phase can be carried out and being in the fourth Treatment chamber the quenching phase is carried out.

    Eine vierte bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht sechs Behandlungskammern vor, die aufeinanderfolgend oder parallel angeordnet sind, wobei die erste Behandlungskammer als Erwärmungskammer zum Durchführen der Aufheizphase, die zweite Behandlungskammer als Anreicherungskammer zum Durchführen der Anreicherungsphase, die dritte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der ersten Abkühlungsphase, die vierte Behandlungskammer als Borierungskammer zum Durchführen der Borierungsphase, die fünfte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der zweiten Abkühlungsphase und die sechste Behandlungskammer als Abschreckkammer zum Durchführen der Abschreckphase ausgebildet sind. Indem für jeden Verfahrensschritt eine eigene Behandlungskammer vorhanden ist, zeichnet sich eine derartige Wärmebehandlungsanlage bei einem besonderes hohen Durchsatz durch eine vergleichsweise einfach zu steuernde Verfahrensführung aus.A fourth preferred embodiment of the device according to the invention provides six treatment chambers in front, arranged sequentially or in parallel are, the first treatment chamber as a heating chamber for Perform the heating phase, the second treatment chamber as Enrichment chamber for carrying out the enrichment phase, the third Treatment chamber as a cooling chamber for performing the first Cooling phase, the fourth treatment chamber as a boronization chamber Carrying out the boronization phase, the fifth treatment chamber as Cooling chamber for performing the second cooling phase and the sixth treatment chamber as a quenching chamber for carrying out the Quenching phase are formed. By having a separate one for each process step Treatment chamber is present, such is distinguished Heat treatment plant with a particularly high throughput through a comparatively easy to control process management.

    Schließlich wird im Einklang mit Anspruch 19 ein Werkstück vorgeschlagen, das aus einem metallenen Werkstoff besteht und durch das erfindungsgemäße Verfahren wärmebehandelt ist, wobei das Werkstück mit einer äußeren Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und einer unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht, die eine Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und eine Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist, versehen ist.Finally, in accordance with claim 19, a workpiece is proposed that consists of a metallic material and the inventive Process is heat-treated, the workpiece with an outer Iron boride layer from 10 microns to 100 microns thick and one under the Iron boride layer, case hardening layer, which has a Vickers hardness between 600 and 900 and a case hardening depth between 0.2 mm and 2.0 mm has, is provided.

    Einzelheiten und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen im einzelnen:

    Fig. 1
    ein den Temperatur- und Druckverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens über der Zeit veranschaulichendes Diagramm;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Ein-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines Zwei-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung;
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung eines Zwei-Kammer-Vakuumofens mit Ölabschreckung;
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung einer Wärmebehandlungsanlage mit sechs Behandlungskammern und
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung eines Drei-Kammer-Vakuumofens mit Gasabschreckung und Spülschleuse.
    Details and further advantages of the method according to the invention and the corresponding device result from the following description of preferred exemplary embodiments. The accompanying drawings show in detail:
    Fig. 1
    a diagram illustrating the temperature and pressure profile of the method according to the invention over time;
    Fig. 2
    a schematic representation of a single-chamber vacuum furnace with gas quenching;
    Fig. 3
    a schematic representation of a two-chamber vacuum furnace with gas quenching;
    Fig. 4
    a schematic representation of a two-chamber vacuum furnace with oil quenching;
    Fig. 5
    a schematic representation of a heat treatment plant with six treatment chambers and
    Fig. 6
    a schematic representation of a three-chamber vacuum furnace with gas quenching and flushing lock.

    Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm sind auf der Abszisse die Zeit t sowie auf der Ordinate die Temperatur ϑ und der Druck p abgetragen. Das anhand von Fig. 1 veranschaulichte Wärmebehandlungsverfahren ist ein Duplex-Verfahren im eingangs genannten Sinne und dient zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Werkstücken, die aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, beispielsweise Einsatzstahl C 15, (Werkstoffnummer 1.0401) bestehen. Der gesamte Verfahrensablauf läßt sich in sechs Phasen A bis F untergliedern.In the diagram shown in FIG. 1, the time t and are on the abscissa the temperature ϑ and the pressure p are plotted on the ordinate. That based on Fig. 1 illustrated heat treatment process is a duplex process in the mentioned above and serves for combined carburizing, boronizing and Hardening of workpieces made of a low-carbon iron material, for example case hardening steel C 15 (material number 1.0401). The The entire process can be divided into six phases A to F.

    Während der ersten Phase, der Aufheizphase A, werden die zu behandelnden Werkstücke auf eine erste Temperatur ϑ1 von ca. 1000 °C erwärmt. Die zu diesem Zweck verwendete Vorrichtung, etwa eine Wärmebehandlungsanlage gemäß Fig. 5, wird nach Einbringen der Werkstücke zunächst evakuiert und anschließend auf die Temperatur ϑ1 erwärmt. Alternativ können die Werkstücke auch in einer inerten oder reduzierenden Gasatmosphäre, etwa aus Stickstoff (N2), auf die Temperatur ϑ1 erwärmt werden.During the first phase, heating phase A, the workpieces to be treated are heated to a first temperature ϑ 1 of approx. 1000 ° C. The device used for this purpose, for example a heat treatment system according to FIG. 5, is first evacuated after the workpieces have been introduced and then heated to the temperature ϑ 1 . Alternatively, the workpieces can also be heated to the temperature ϑ 1 in an inert or reducing gas atmosphere, such as nitrogen (N 2 ).

    Nach dem Erwärmen auf die Temperatur ϑ1 werden die Werkstücke in eine zweite Behandlungskammer transportiert, wo sie während der sich an die erste Phase unmittelbar anschließenden zweiten Phase, der Anreicherungsphase B, für eine erste Zeitdauer Δt1, die je nach geforderter Aufkohlungstiefe zwischen 60 min und 360 min beträgt, einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre ausgesetzt sind. Die Höhe des während der Anreicherungsphase B herrschenden Drucks p1 richtet sich grundsätzlich nach dem gewünschten Behandlungsergebnis sowie der Art des verwendeten Kohlenwasserstoffs und beträgt im vorliegenden Fall ca. 10 mbar. Die Anreicherungsphase B kann im Bedarfsfall plasmaaktiviert sein. After heating to the temperature ϑ 1 , the workpieces are transported to a second treatment chamber, where during the second phase immediately following the first phase, the enrichment phase B, for a first period of time Δt 1 , which, depending on the required carburizing depth, between 60 min and 360 minutes, are exposed to a hydrocarbon-containing gas atmosphere. The level of the pressure p 1 prevailing during the enrichment phase B depends in principle on the desired treatment result and the type of hydrocarbon used and in the present case is approximately 10 mbar. Enrichment phase B can be plasma activated if necessary.

    Im Anschluß an die Anreicherungsphase B werden die Werkstücke in eine dritte Behandlungskammer befördert, wo sie während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase B anschließenden ersten Abkühlungsphase C von der Temperatur ϑ1 auf eine zweite Temperatur ϑ2 von ca. 900 °C unter Vakuum abgekühlt werden. Alternativ können die Werkstücke in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden und damit inerten Gasatmosphäre auf die Temperatur ϑ2 abgekühlt werden.Following the enrichment phase B, the workpieces are conveyed into a third treatment chamber, where they are cooled from the temperature ϑ 1 to a second temperature ϑ 2 of approximately 900 ° C. under vacuum during a first cooling phase C immediately following the enrichment phase B. , Alternatively, the workpieces can be cooled to a temperature of ϑ 2 in a gas atmosphere that mainly contains nitrogen and is therefore inert.

    Am Ende der Abkühlungsphase C werden die Werkstücke in eine vierte Behandlungskammer verfrachtet und bei der Temperatur ϑ2 und einem zweiten Druck p2 von ca. 0,1 mbar für eine zweite Zeitdauer Δt2 in einer Bor enthaltenden Gasatmosphäre boriert. Während des Borierens diffundiert der während der Anreicherungsphase B in der Randschicht der Werkstücke angereicherte Kohlenstoff in das Innere der Werkstücke, so daß die Borierungsphase D zugleich eine Diffusionsphase für den Aufkohlungsprozeß darstellt. Die Zeitdauer Δt2 für diese sich unmittelbar an die Abkühlungsphase C anschließende Borierungsphase D beträgt je nach gefordertem Behandlungsergebnis zwischen 30 min und 360 min. Als Bor spendendes Mittel enthält die Gasatmosphäre während der Borierungsphase D Bortrichlorid, Bortrifluorid, Diboran oder mehrere der vorgenannten Stoffe. Im Bedarfsfall kann die Borierungsphase D plasmaaktiviert sein. Für diesen Fall eignet sich besonders die Verwendung von Bortrifluorid als Bor spendendes Mittel.At the end of the cooling phase C, the workpieces are placed in a fourth treatment chamber and borated at a temperature ϑ 2 and a second pressure p 2 of approx. 0.1 mbar for a second time period Δt 2 in a gas atmosphere containing boron. During boriding, the carbon enriched in the boundary layer of the workpieces during the enrichment phase B diffuses into the interior of the workpieces, so that the boronization phase D also represents a diffusion phase for the carburizing process. The time period Δt 2 for this boronation phase D, which immediately follows the cooling phase C, is between 30 minutes and 360 minutes, depending on the required treatment result. As a boron donating agent, the gas atmosphere contains boron trichloride, boron trifluoride, diborane or several of the aforementioned substances during the boronation phase. If necessary, the boronation phase D can be plasma-activated. In this case, the use of boron trifluoride as a boron donor is particularly suitable.

    Unmittelbar an die Borierungsphase D schließt sich eine zweite Abkühlungsphase E an, während der die Werkstücke in einer fünften Behandlungskammer der Wärmebehandlungsanlage von der Temperatur ϑ2 auf eine dritte Temperatur ϑ3 von ca. 800 °C unter Vakuum oder alternativ in einer inerten Gasatmosphäre abgekühlt werden. Zum Ausgleich der Temperatur innerhalb der Charge werden die Werkstücke für ca. 15 min bis 30 min bei der dritten Temperatur ϑ3 gehalten, wie in Fig. 1 zu erkennen ist.
    Zum Schluß werden die Werkstücke während einer sich unmittelbar an die zweite Abkühlungsphase E anschließenden Abschreckphase F von der Abschrecktemperatur ϑ3 auf eine Temperatur von weniger als 150 °C, beispielsweise Raumtemperatur, abgeschreckt. Die Werkstücke werden hierfür in eine sechste Behandlungskammer transportiert und bei einem Hochdruck p3 von mehr als 1.013,25 mbar in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre abgekühlt. Alternativ können die Werkstücke auch in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden.
    Immediately after the boronation phase D there is a second cooling phase E, during which the workpieces are cooled in a fifth treatment chamber of the heat treatment system from the temperature ϑ 2 to a third temperature ϑ 3 of approx. 800 ° C under vacuum or alternatively in an inert gas atmosphere , To compensate for the temperature within the batch, the workpieces are held at the third temperature ϑ 3 for about 15 minutes to 30 minutes, as can be seen in FIG. 1.
    Finally, the workpieces are quenched from the quenching temperature ϑ 3 to a temperature of less than 150 ° C., for example room temperature, during a quenching phase F immediately following the second cooling phase E. For this purpose, the workpieces are transported to a sixth treatment chamber and cooled at a high pressure p 3 of more than 1,013.25 mbar in a reducing or neutral gas atmosphere. Alternatively, the workpieces can also be quenched in a liquid quenching medium.

    In den Fig. 2 bis 6 sind verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung gezeigt, in denen das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist ein Ein-Kammer-Vakuumofen 10, bei dem sämtliche Verfahrensschritte A bis F in ein und derselben Behandlungskammer 11 durchgeführt werden. Die zu einer Charge 12 zusammengestellten Werkstücke werden dabei während der Abschreckphase F durch Gas abgeschreckt.2 to 6 are different embodiments of a device shown in which the method described above can be carried out. 2 is a single-chamber vacuum furnace 10, in which all process steps A to F in one and the same treatment chamber 11 be performed. The workpieces assembled into a batch 12 are quenched by gas during the quenching phase F.

    Dagegen ist die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ein Zwei-Kammer-Vakuumofen 20, der über eine erste Behandlungskammer 21 und eine zweite Behandlungskammer 22 verfügt. In der ersten Behandlungskammer 21 werden die Verfahrensschritte A bis E durchgeführt, wohingegen die als Gasabschreckkammer ausgebildete zweite Behandlungskammer zum Abschrecken der Charge 12 während der Abschreckphase F dient. Von der Vorrichtung gemäß Fig. 3 unterscheidet sich ein in Fig. 4 gezeigter Zwei-Kammer-Vakuumofen 30 hauptsächlich dadurch, daß in einer zweiten Behandlungskammer 32, die durch eine Tür 33 von der ersten Behandlungskammer 31 getrennt ist, ein Ölbad 34 vorhanden ist, in dem die Charge 12 während der Abschreckphase F abgeschreckt wird. Die Verfahrensschritte A bis E werden analog zu der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in der ersten Behandlungskammer 31 durchgeführt. In contrast, the device shown in Fig. 3 is a two-chamber vacuum furnace 20, which has a first treatment chamber 21 and a second Treatment chamber 22 has. In the first treatment chamber 21 Process steps A to E performed, whereas the as Gas quenching chamber designed second treatment chamber for Quenching the batch 12 serves during the quenching phase F. Of the The device according to FIG. 3 differs from a two-chamber vacuum furnace shown in FIG. 4 30 mainly by the fact that in a second treatment chamber 32, which is separated from the first treatment chamber 31 by a door 33 Oil bath 34 is present, in which the charge 12 during the quenching phase F is deterred. The process steps A to E are analogous to that 3 carried out in the first treatment chamber 31.

    In Fig. 5 ist eine Wärmebehandlungsanlage 40 gezeigt, die mit sechs parallel angeordneten Behandlungskammern 41 bis 46 versehen ist. Die Behandlungskammer 41 dient als Spülschleuse beim Eintritt der Charge 12 in die Wärmebehandlungsanlage 40 und als Hockdruckabschreckkammer während der Abschreckphase F am Ende des Behandlungszykluses. Die Behandlungskammer 42 ist als Erwärmungskammer ausgebildet, in der die Charge 12 während der Aufheizphase A auf die erste Temperatur ϑ1 erwärmt wird. In der Behandlungskammer 43 wird die Charge 12 während der Anreicherungsphase B aufgekohlt. Das Abkühlen der Charge 12 auf die zweite Temperatur ϑ2 während der ersten Abkühlungsphase C findet in der Behandlungskammer 44 statt. Das Borieren der Charge 12 während der Borierungsphase D erfolgt in der Behandlungskammer 45, wohingegen für das Abkühlen und Ausgleichen der Charge 12 auf die dritte Temperatur ϑ3 während der zweiten Abkühlungsphase E die Behandlungskammer 46 vorgesehen ist.5 shows a heat treatment system 40 which is provided with six treatment chambers 41 to 46 arranged in parallel. The treatment chamber 41 serves as a rinsing lock when the charge 12 enters the heat treatment system 40 and as a high-pressure quenching chamber during the quenching phase F at the end of the treatment cycle. The treatment chamber 42 is designed as a heating chamber in which the charge 12 is heated to the first temperature ϑ 1 during the heating phase A. The charge 12 is carburized in the treatment chamber 43 during the enrichment phase B. The cooling of the charge 12 to the second temperature ϑ 2 during the first cooling phase C takes place in the treatment chamber 44. The batch 12 is borated during the boronation phase D in the treatment chamber 45, whereas the treatment chamber 46 is provided for cooling and equalizing the batch 12 to the third temperature ϑ 3 during the second cooling phase E.

    Ein Drei-Kammer-Vakuumofen 50 ist in Fig. 6 zu erkennen. Neben drei hintereinander angeordneten Behandlungskammern 51 bis 53 weist der Vakuumofen 50 eine Spülschleuse 54 auf, durch welche die Charge 12 in den Vakuumofen 50 eingeführt wird. Die Behandlungskammer 51 dient zum Erwärmen auf die erste Temperatur ϑ1 während der Aufheizphase A und zum Aufkohlen der Charge 12 während der Anreicherungsphase B. In der Behandlungskammer 52 findet das Abkühlen auf die zweite Temperatur ϑ2 während der ersten Abkühlungsphase C, das Borieren der Charge 12 während der Borierungsphase D und das Abkühlen und Ausgleichen der Charge 12 auf die dritte Temperatur ϑ3 während der zweiten Abkühlungsphase E statt. Für ein abschließendes Gasabschrecken während der Abschreckphase F ist die Behandlungskammer 53 vorgesehen. A three-chamber vacuum furnace 50 can be seen in FIG. 6. In addition to three treatment chambers 51 to 53 arranged one behind the other, the vacuum oven 50 has a rinsing lock 54, through which the charge 12 is introduced into the vacuum oven 50. The treatment chamber 51 is used for heating to the first temperature ϑ 1 during the heating-up phase A and for carburizing the charge 12 during the enrichment phase B. In the treatment chamber 52 the cooling to the second temperature ϑ 2 during the first cooling phase C takes place, the boronization of the charge 12 during the boronation phase D and the cooling and equalization of the charge 12 to the third temperature ϑ 3 during the second cooling phase E. The treatment chamber 53 is provided for a final gas quenching during the quenching phase F.

    Die durch das oben beschriebene Verfahren behandelten Werkstücke weisen eine äußere Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und eine unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht mit einer Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und einer Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm auf. Sie zeichnen sich durch eine vergleichsweise große Zeit- und Dauerfestigkeit bei zugleich hoher Verschleißbeständigkeit aus. Grund hierfür ist die durch die Verfahrensschritte A bis F erhaltene Kombination von Aufkohlen, Borieren und Härten. So ergeben sich durch die unmittelbar aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte A bis F Synergieeffekte, die einer effizienten Verfahrensführung Rechnung tragen. Denn das Verfahren läßt sich in einem einzigen Zyklus und in einer einzigen Wärmebehandlungsanlage ohne Unterbrechung durchführen, wodurch signifikante wirtschaftliche Vorteile im Vergleich zu dem bislang üblichen getrennten Aufkohlen, Abkühlen, Borieren und Härten erreicht werden. The workpieces treated by the method described above have a outer iron boride layer from 10 microns to 100 microns thick and one under the Case hardening layer with iron boride layer and Vickers hardness between 600 and 900 and a case hardening depth between 0.2 mm and 2.0 mm on. They are characterized by a comparatively high fatigue strength and fatigue strength with high wear resistance. The reason for this is that by Process steps A to F obtained combination of carburizing, boronizing and Hardening. So arise from the immediately consecutive Process steps A to F synergy effects that an efficient process management Take into account. Because the process can be done in a single cycle and in perform a single heat treatment plant without interruption, which means significant economic advantages compared to the previous one separate carburizing, cooling, boriding and hardening can be achieved.

    BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

    1010
    Ein-Kammer-VakuumofenSingle-chamber vacuum furnace
    1111
    Behandlungskammertreatment chamber
    1212
    Chargecharge
    2020
    Zwei-Kammer-VakuumofenTwo-chamber vacuum furnace
    2121
    Behandlungskammertreatment chamber
    2222
    Behandlungskammertreatment chamber
    3030
    Zwei-Kammer-VakuumofenTwo-chamber vacuum furnace
    3131
    Behandlungskammertreatment chamber
    3232
    Behandlungskammertreatment chamber
    3333
    Türdoor
    3434
    Ölbadoil bath
    4040
    WärmebehandlungsanlageHeat treatment plant
    4141
    Behandlungskammertreatment chamber
    4242
    Behandlungskammertreatment chamber
    4343
    Behandlungskammertreatment chamber
    4444
    Behandlungskammertreatment chamber
    4545
    Behandlungskammertreatment chamber
    4646
    Behandlungskammertreatment chamber
    5050
    Drei-Kammer-VakuumofenThree-chamber vacuum furnace
    5151
    Behandlungskammertreatment chamber
    5252
    Behandlungskammertreatment chamber
    5353
    Behandlungskammertreatment chamber
    5454
    Spülschleuseflushing sluice
    AA
    Aufheizphaseheating phase
    BB
    Anreicherungsphaseenrichment phase
    CC
    erste Abkühlungsphasefirst cooling phase
    DD
    Borierungsphaseboriding
    Ee
    zweite Abkühlungsphasesecond cooling phase
    FF
    Abschreckphasequenching
    tt
    Zeittime
    Δt1 Δt 1
    erste Zeitdauerfirst period
    Δt2 Δt 2
    zweite Zeitdauersecond period
    ϑθ
    Temperaturtemperature
    ϑ1 ϑ 1
    erste Temperaturfirst temperature
    ϑ2 ϑ 2
    zweite Temperatursecond temperature
    ϑ3 ϑ 3
    dritte Temperaturthird temperature
    pp
    Druckprint
    p1 p 1
    erster Druckfirst print
    p2 p 2
    zweiter Drucksecond print

    Claims (19)

    Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere zum kombinierten Aufkohlen, Borieren und Härten von Eisenwerkstoffen, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Erwärmen der Werkstücke auf eine erste Temperatur (ϑ1) unter Vakuum oder in einer neutralen oder reduzierenden Gasatmosphäre während einer Aufheizphase (A); b) Aufkohlen der Werkstücke bei der am Ende der Aufheizphase (A) erreichten ersten Temperatur (ϑ1) und einem ersten Druck (p1) für eine erste Zeitdauer (Δt1) in einer Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Aufheizphase (A) anschließenden Anreicherungsphase (B); c) Abkühlen der Werkstücke von der ersten Temperatur (ϑ1) auf eine zweite Temperatur (ϑ2) unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Anreicherungsphase (B) anschließenden ersten Abkühlungsphase (C); d) Borieren der Werkstücke bei der am Ende der ersten Abkühlungsphase (C) erreichten zweiten Temperatur (ϑ2) und einem zweiten Druck (p2) für eine zweite Zeitdauer (Δt2) in einer Bor enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die erste Abkühlungsphase (C) anschließenden Borierungsphase (D); e) Abkühlen der Werkstücke von der zweiten Temperatur (ϑ2) auf eine dritte Temperatur (ϑ3) unter Vakuum oder in einer hauptsächlich Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre während einer sich unmittelbar an die Borierungsphase (D) anschließenden zweiten Abkühlungsphase (E) und f) Abschrecken der Werkstücke von der dritten Temperatur (ϑ3) auf eine Temperatur unter 150 °C während einer sich an die zweite Abkühlungsphase (E) anschließenden Abschreckphase (F). Process for the heat treatment of metallic workpieces, in particular for the combined carburizing, boronizing and hardening of ferrous materials, with the following process steps: a) heating the workpieces to a first temperature (ϑ 1 ) under vacuum or in a neutral or reducing gas atmosphere during a heating phase (A); b) carburizing the workpieces at the first temperature (ϑ 1 ) and a first pressure (p 1 ) reached at the end of the heating phase (A) for a first period of time (Δt 1 ) in a hydrocarbon-containing gas atmosphere during a heating phase immediately following ( A) subsequent enrichment phase (B); c) cooling the workpieces from the first temperature (ϑ 1 ) to a second temperature (ϑ 2 ) under vacuum or in a gas atmosphere mainly containing nitrogen during a first cooling phase (C) immediately following the enrichment phase (B); d) Boronizing the workpieces at the second temperature (ϑ 2 ) and a second pressure (p 2 ) reached at the end of the first cooling phase (C) for a second time period (Δt 2 ) in a gas atmosphere containing boron during a period immediately adjacent to the first Cooling phase (C) subsequent boronation phase (D); e) cooling the workpieces from the second temperature (ϑ 2 ) to a third temperature (ϑ 3 ) under vacuum or in a gas atmosphere mainly containing nitrogen during a second cooling phase (E) immediately following the boronation phase (D) and f) quenching the workpieces from the third temperature (ϑ 3 ) to a temperature below 150 ° C during a quenching phase (F) following the second cooling phase (E). Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Aufheizphase (A) auf eine erste Temperatur (ϑ1) zwischen 800 °C und 1100 °C erwärmt werden.
    Method according to claim 1,
    characterized in that the workpieces are heated to a first temperature (ϑ 1 ) between 800 ° C and 1100 ° C during the heating phase (A).
    Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der ersten Abkühlungsphase (C) auf eine zweite Temperatur (ϑ2) zwischen 800 °C und 950 °C abgekühlt werden.
    Method according to claim 1 or 2,
    characterized in that the workpieces are cooled to a second temperature (ϑ 2 ) between 800 ° C and 950 ° C during the first cooling phase (C).
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der zweiten Abkühlungsphase (D) auf eine dritte Temperatur (ϑ3) zwischen 800 °C und 900 °C abgekühlt werden.
    Method according to one of claims 1 to 3,
    characterized in that the workpieces are cooled to a third temperature (ϑ 3 ) between 800 ° C and 900 ° C during the second cooling phase (D).
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Abschreckphase (F) auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
    Method according to one of claims 1 to 4,
    characterized in that the workpieces are cooled to room temperature during the quenching phase (F).
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    gekennzeichnet durch eine erste Zeitdauer (Δt1) zwischen 60 min und 360 min.
    Method according to one of claims 1 to 5,
    characterized by a first time period (Δt 1 ) between 60 min and 360 min.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    gekennzeichnet durch eine zweite Zeitdauer (Δt2) zwischen 30 min und 360 min.
    Method according to one of claims 1 to 6,
    characterized by a second time period (Δt 2 ) between 30 min and 360 min.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet durch eine Unterstützung durch ein Plasma während der Anreicherungsphase (B) und/oder während der Borierungsphase (D).
    Method according to one of claims 1 to 7,
    characterized by support by a plasma during the enrichment phase (B) and / or during the boriding phase (D).
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    gekennzeichnet durch eine Gasatmosphäre während der Borierungsphase (D), die Bortrichlorid und/oder Bortrifluorid und/oder Diboran enthält.
    Method according to one of claims 1 to 8,
    characterized by a gas atmosphere during the boronation phase (D), which contains boron trichloride and / or boron trifluoride and / or diborane.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke während der Abschreckphase (F) bei einem dritten Druck (p3), vorzugsweise einem Hochdruck von mehr als 1.013,25 mbar, in einer reduzierenden oder neutralen Gasatmosphäre oder in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt werden.
    Method according to one of claims 1 to 9,
    characterized in that the workpieces are quenched during the quenching phase (F) at a third pressure (p 3 ), preferably a high pressure of more than 1013.25 mbar, in a reducing or neutral gas atmosphere or in a liquid quenching medium.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    gekennzeichnet durch Werkstücke, die aus einem kohlenstoffarmen Eisenwerkstoff, vorzugsweise einem Einsatzstahl nach DIN 17 210, bestehen.
    Method according to one of claims 1 to 10,
    characterized by workpieces made of a low-carbon iron material, preferably a case hardening steel according to DIN 17 210.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    gekennzeichnet durch einen ersten Druck (p1) zwischen 0,1 mbar und 30 mbar.
    Method according to one of claims 1 to 11,
    characterized by a first pressure (p 1 ) between 0.1 mbar and 30 mbar.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    gekennzeichnet durch einen zweiten Druck (p2) zwischen 0,1 mbar und 30 mbar.
    Method according to one of claims 1 to 12,
    characterized by a second pressure (p 2 ) between 0.1 mbar and 30 mbar.
    Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    gekennzeichnet durch wenigstens eine Behandlungskammer, in der nacheinander die Aufheizphase (A), die Anreicherungsphase (B), die erste Abkühlungsphase (C), die Borierungsphase (D), die zweite Abkühlungsphase (E) und die Abschreckphase (F) durchführbar sind.
    Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 13,
    characterized by at least one treatment chamber in which the heating phase (A), the enrichment phase (B), the first cooling phase (C), the boronization phase (D), the second cooling phase (E) and the quenching phase (F) can be carried out in succession.
    Vorrichtung nach Anspruch 14,
    gekennzeichnet durch zwei Behandlungskammern, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase (A), die Anreicherungsphase (B), die erste Abkühlphase (C), die Bohrierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) durchführbar sind und wobei in der zweiten Behandlungskammer die Abschreckphase (F) durchführbar ist.
    Device according to claim 14,
    characterized by two treatment chambers, the heating phase (A), the enrichment phase (B), the first cooling phase (C), the drilling phase (D) and the second cooling phase (E) being feasible in the first treatment chamber, and wherein in the second treatment chamber Quenching phase (F) is feasible.
    Vorrichtung nach Anspruch 14,
    gekennzeichnet durch drei Behandlungskammern, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase (A) und die Anreicherungsphase (B) durchführbar sind, wobei in der zweiten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase (C), die Borierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) durchführbar sind und wobei in der dritten Behandlungskammer die Abschreckphase (F) durchführbar ist.
    Device according to claim 14,
    characterized by three treatment chambers, the heating phase (A) and the enrichment phase (B) being feasible in the first treatment chamber, the first cooling phase (C), the boronation phase (D) and the second cooling phase (E) being feasible in the second treatment chamber and wherein the quenching phase (F) can be carried out in the third treatment chamber.
    Vorrichtung nach Anspruch 14,
    gekennzeichnet durch vier aufeinanderfolgend oder parallel angeordnete Behandlungskammern, wobei in der ersten Behandlungskammer die Aufheizphase (A) durchführbar ist, wobei in der zweiten Kammer die Anreicherungsphase (B) oder die Anreicherungsphase (B) und die erste Abkühlungsphase (C) durchführbar sind, wobei in der dritten Behandlungskammer die erste Abkühlungsphase (C), die Borierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) oder die Borierungsphase (D) und die zweite Abkühlungsphase (E) durchführbar sind und wobei in der vierten Behandlungskammer die Abschreckphase (F) durchführbar ist.
    Device according to claim 14,
    characterized by four successively or parallel treatment chambers, the heating phase (A) being feasible in the first treatment chamber, the enrichment phase (B) or the enrichment phase (B) and the first cooling phase (C) being feasible in the second chamber, in in the third treatment chamber, the first cooling phase (C), the boronization phase (D) and the second cooling phase (E) or the boronization phase (D) and the second cooling phase (E) can be carried out and the quenching phase (F) can be carried out in the fourth treatment chamber ,
    Vorrichtung nach Anspruch 14,
    gekennzeichnet durch sechs aufeinanderfolgend oder parallel angeordnete Behandlungskammern, wobei die erste Behandlungskammer als Erwärmungskammer zum Durchführen der Aufheizphase (A), die zweite Behandlungskammer als Anreicherungskammer zum Durchführen der Anreicherungsphase (B), die dritte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der ersten Abkühlungsphase (C), die vierte Behandlungskammer als Borierungskammer zum Durchführen der Borierungsphase (D), die fünfte Behandlungskammer als Abkühlungskammer zum Durchführen der zweiten Abkühlungsphase (E) und die sechste Behandlungskammer als Abschreckkammer zum Durchführen der Abschreckphase (F) ausgebildet sind.
    Device according to claim 14,
    characterized by six successively or parallel arranged treatment chambers, the first treatment chamber as a heating chamber for performing the heating phase (A), the second treatment chamber as an enrichment chamber for carrying out the enrichment phase (B), the third treatment chamber as a cooling chamber for performing the first cooling phase (C), the fourth treatment chamber is designed as a boronization chamber for carrying out the boronation phase (D), the fifth treatment chamber as a cooling chamber for carrying out the second cooling phase (E) and the sixth treatment chamber as a quenching chamber for carrying out the quenching phase (F).
    Werkstück, das aus einem metallenen Werkstoff besteht und durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wärmebehandelt ist,
    gekennzeichnet durch eine äußere Eisenboridschicht von 10 µm bis 100 µm Dicke und eine unter der Eisenboridschicht liegende Einsatzhärteschicht, die eine Härte nach Vickers zwischen 600 und 900 und eine Einsatzhärtetiefe zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist.
    Workpiece, which consists of a metallic material and is heat-treated by a method according to one of claims 1 to 13,
    characterized by an outer iron boride layer of 10 µm to 100 µm thickness and a case hardening layer lying under the iron boride layer, which has a Vickers hardness between 600 and 900 and a case hardening depth between 0.2 mm and 2.0 mm.
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