EP0695813A2 - Process for carburizing carburisable work pieces under the action of plasma-pulses - Google Patents

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EP0695813A2
EP0695813A2 EP95109082A EP95109082A EP0695813A2 EP 0695813 A2 EP0695813 A2 EP 0695813A2 EP 95109082 A EP95109082 A EP 95109082A EP 95109082 A EP95109082 A EP 95109082A EP 0695813 A2 EP0695813 A2 EP 0695813A2
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volts
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Frank Dr. Schnatbaum
Albrecht Dr. Melber
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ALD Vacuum Technologies GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING 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
    • C23C—COATING 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
    • C23C8/00—Solid 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
    • C23C8/06—Solid 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
    • C23C8/36—Solid 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 using ionised gases, e.g. ionitriding
    • C23C8/38—Treatment of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for carburizing components made of carbonizable materials, in particular steels, by means of a pulsed plasma discharge in a carbon-containing atmosphere at pressures between 0.1 and 30 mbar and at pulse voltages between 200 and 2000 volts, preferably between 300 and 1000 volts.
  • the anode 4 and the cathode 7 are connected to a power supply 9, which is used to generate voltage pulses for the formation of the plasma.
  • a control unit 10 is assigned to the power supply 9, with which the electrical process parameters for influencing the plasma can be set.
  • the power supply 9 also supplies a constant basic voltage which is superimposed on the pulses. Both the amount of Pulses as well as the level of the basic voltage can be influenced by the control device 10.
  • the distance "T” from the component surface is shown on the abscissa, which is designated by 0.0.
  • the carbon content "C” is given in percent on the ordinate.
  • the lower curve 22 shows the conditions for a pulsed DC voltage without superimposing a basic voltage
  • the curve 23 shows the conditions for a Superposition of a pulsed DC voltage with a constantly present basic voltage. A significantly higher carbon content is thus achieved both on the surface and to a depth of 0.5 mm.
  • the following ratios were chosen: The pulsed DC voltage was 600 volts, the ratio of pulse duration t 1 to pause duration t 2 was 1:10, and the level of the constant base voltage was 100 volts.

Abstract

Workpieces of carburizable materials, especially steels, are carburized by means of a pulsed plasma discharge in a carbon-containing atmosphere at pressures of 0.1-30 mbars and at pulsed voltages of 200-2,000 V, preferably of 300-1,000 V. A continuously applied baseline voltage, which is below the breakdown voltage, is superimposed on the pulsed voltage. The baseline voltage is preferably a direct-current voltage, which is in the range of 10-150 V, preferably of 20-100 V.

Description

Die Erfindung ein Verfahren zum Aufkohlen von Bauteilen aus kohlungsfähigen Werkstoffen, insbesondere aus Stählen, mittels einer impulsförmig betriebenen Plasmaentladung in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei Drücken zwischen 0,1 und 30 mbar und bei Impulsspannungen zwischen 200 und 2000 Volt, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 Volt.The invention relates to a method for carburizing components made of carbonizable materials, in particular steels, by means of a pulsed plasma discharge in a carbon-containing atmosphere at pressures between 0.1 and 30 mbar and at pulse voltages between 200 and 2000 volts, preferably between 300 and 1000 volts.

Bei einem derartigen, durch die EP 0 552 460 A1 bekannten Verfahren beträgt die an den Elektroden, die aus mindestens einer vorrichtungsseitigen Elektrode einerseits und aus den Bauteilen bzw. der Halterung für die Bauteile andererseits bestehen, anliegende Spannung in den sogenannten Impulspausen Null, d.h. das Verfahren wird ohne eine sogenannte Grundspannung betrieben.In such a method, known from EP 0 552 460 A1, the voltage applied to the electrodes, which consist of at least one device-side electrode on the one hand and the components or the holder for the components on the other hand, is zero in the so-called pulse pauses, i.e. the process is operated without a so-called basic voltage.

Zu den kohlungsfähigen Werkstoffen gehören außer eisenhaltigen Werkstoffen auch Nichteisenwerkstoffe wie beispielsweise Titan.In addition to ferrous materials, the carbonizable materials also include non-ferrous materials such as titanium.

Beim Aufkohlen von Bauteilen aus Stahl in einer impulsförmig betriebenen Glimmentladung (Plasma) wird zu Beginn der Aufkohlung ein hoher Kohlenstoffstrom eingestellt, damit der Randkohlenstoffgehalt im Bauteil möglichst rasch auf Werte bis knapp unter die Sättigungsgrenze ansteigt. Dadurch wird zu Beginn der Behandlung ein möglichst steiler Kohlenstoffgradient in das Bauteil hinein eingestellt, was sich positiv auf die Eigenschaften der Endprodukte auswirkt.When carburizing steel components in a pulsed glow discharge (plasma), a high carbon flow is set at the beginning of carburization so that the marginal carbon content in the component rises as quickly as possible to values just below the saturation limit. As a result, the steepest possible carbon gradient is set into the component at the beginning of the treatment, which has a positive effect on the properties of the end products.

Der Kohlenstoffstrom ist von den Plasmaparametern abhängig: Um einen hohen Kohlenstoffstrom zu erzeugen, muß in das Plasma eine entsprechend hohe Plasmaleistung eingebracht werden. Der sich im Plasma einstellende elektrische Strom ist dabei während eines Impulses abhängig von der Größe der Oberfläche der zu behandelnden Bauteile und erreicht dabei üblicherweise Größenordnungen von 25 A/m² Oberfläche. Für die Behandlung großer Chargen ist es daher notwendig, Generatoren mit Pulsleistungen von mehr als 200 A bei Spannungen zwischen 500 und 1000 Volt einzusetzen. Die entsprechenden Leistungen müssen dabei im Bereich zwischen etwa 10 und 100 µs geschaltet werden. Generatoren mit derartigen Leistungen sind serienmäßig nicht verfügbar; es handelt sich um aufwendige Sonderkonstruktionen.The carbon flow depends on the plasma parameters: In order to generate a high carbon flow, a correspondingly high plasma power must be introduced into the plasma. The electrical current arising in the plasma during a pulse depends on the size of the surface of the components to be treated and usually reaches orders of magnitude of 25 A / m² surface. For the treatment of large batches, it is therefore necessary to use generators with pulse powers of more than 200 A at voltages between 500 and 1000 volts. The corresponding power must be switched in the range between approximately 10 and 100 µs. Generators with such performances are not available as standard; they are complex special constructions.

Durch die DE-PS 601 847 ist es bekannt, beim Vergüten von einzelnen Werkstücken aus Metallen durch Gasdiffusion unter Zusatzbeheizung und impulsförmiger Plasmaeinwirkung die Pausen zwischen den einzelnen Stoßimpulsen so lang zu wählen, mindestens zehnmal so lang wie die Stoßimpulse selbst, daß in der Zwischenzeit eine Entionisierung der Gasstrecke eintreten kann. Infolgedessen muß die Ionisation jedesmal vom Energiepegel Null neu aufgebaut werden. Beispielhaft beträgt die Impulsfrequenz 10 Hz und der mittlere Strom 100 mA.From DE-PS 601 847 it is known, when tempering individual workpieces made of metals by gas diffusion with additional heating and pulsed plasma action, to choose the pauses between the individual shock pulses as long as at least ten times as long as the shock pulses themselves that in the meantime one Deionization of the gas route can occur. As a result, the ionization must be rebuilt from zero energy level each time. For example, the pulse frequency is 10 Hz and the average current is 100 mA.

Durch die US-PS 4 490 190 ist es bei Anwendung einer herkömmlichen Zusatzbeheizung der Werkstücke bekannt, durch eine entsprechend hohe Frequenz kurzzeitiger Impulse und langer Pausendauern ein kaltes Plasma zu erzeugen und dadurch die Heizwirkung des Plasmas von seiner thermochemischen Einwirkung auf die Werkstücke zu entkoppeln. Dadurch soll eine thermische Schädigung der Werkstücke vermieden werden. Maßnahmen zur Erhaltung eines Teils des Ionisationszustandes in den Impulspausen sind jedoch nicht angegeben, so daß eine längere Einwirkungsdauer und/oder eine geringere Eindringtiefe der Gase unterstellt werden kann. Die Größe der Werkstücke oder gar der Charge, die Stromdichte oder der Gesamtstrom sind gleichfalls nicht angegeben.From US Pat. No. 4,490,190, when using a conventional additional heating of the workpieces, it is known to generate a cold plasma by means of a correspondingly high frequency of short-term pulses and long pause times and thereby to decouple the heating effect of the plasma from its thermochemical action on the workpieces. This is to avoid thermal damage to the workpieces. Measures to maintain a part of the ionization state during the pulse pauses are not specified, however, so that a longer exposure time and / or a lower penetration depth of the gases can be assumed. The size of the workpieces or even the batch, the current density or the total current are also not specified.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, höhere Kohlenstoffströme unter Einsatz kleinerer Generatoren zu erzeugen und dadurch die Investitions- und Betriebskosten einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens zu reduzieren.The invention is therefore based on the object of generating higher carbon flows using smaller generators and thereby reducing the investment and operating costs of a plant for carrying out the method.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß der Impulsspannung eine ständig anstehende Grundspannung überlagert wird, die unterhalb der Durchschlagsspannung liegt.In the method described at the outset, the object is achieved in that the pulse voltage is superimposed on a constant basic voltage which is below the breakdown voltage.

Die Durchschlagsspannung ist diejenige Spannung, bei der unter den gegebenen Parametern in der Vorrichtung ein Plasma gezündet werden kann. Die Einhaltung der erfindungsgemäßen Bedingung läßt sich also dadurch kontrollieren, daß beim Anlegen der Grundspannung an die Elektroden gerade eben keine Zündung eines Plasmas erfolgt.The breakdown voltage is the voltage at which a plasma can be ignited under the given parameters in the device. Adherence to the condition according to the invention can thus be checked in that when the basic voltage is applied to the electrodes, there is just no ignition of a plasma.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn für die Grundspannung Werte zwischen 2 % und 35 % der Impulsspannung gewählt werden, insbesondere dann, wenn als Grundspannung eine Gleichspannung mit Werten zwischen 10 und 150 Volt, vorzugsweise zwischen 20 und 100 Volt, gewählt wird.It is advantageous if values between 2% and 35% of the pulse voltage are selected for the basic voltage, in particular if a DC voltage with values between 10 and 150 volts, preferably between 20 and 100 volts, is selected as the basic voltage.

Die Impulsfrequenz ist dabei keine allzu kritische Grenze; vorteilhafte Ergebnisse haben sich bei einer Impulsfrequenz von 15 kHz eingestellt.The pulse frequency is not an overly critical limit; advantageous results have been obtained at a pulse frequency of 15 kHz.

Auch das Verhältnis von Impulsdauer t₁ zu Pausendauer t₂ ist wenig kritisch, es kann mit besonderem Vorteil zwischen 4:1 und 1:100 gewählt werden. In besonders zweckmäßiger Weise wird dabei die Impulsdauer zwischen 50 und 200 µs und die Pausendauer zwischen 500 und 2000 µs gewählt.The ratio of pulse duration t 1 to pause t 2 is not very critical, it can be chosen between 4: 1 and 1: 100 with particular advantage. The pulse duration between 50 and 200 microseconds and the pause duration between 500 and 2000 microseconds are selected in a particularly expedient manner.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.Further advantageous refinements of the method according to the invention result from the remaining subclaims.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ein Verfahren nach dem Stande der Technik und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.A device for carrying out the method according to the invention, a method according to the prior art and the method according to the invention are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 4.

Es zeigen:

Figur 1
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2
ein Diagramm zur Erläuterung eines Impuls-Plasma-Verfahrens nach dem Stande der Technik,
Figur 3
ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Impuls-Plasma-Verfahrens und
Figur 4
ein weiteres Diagramm mit einer Gegenüberstellung der Verfahren nach dem Stande der Technik und nach der Erfindung.
Show it:
Figure 1
1 shows a schematic representation of a device for carrying out the method according to the invention,
Figure 2
1 shows a diagram for explaining a pulse plasma method according to the prior art,
Figure 3
a diagram for explaining the pulse plasma method according to the invention and
Figure 4
another diagram with a comparison of the methods according to the prior art and according to the invention.

Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, deren wesentlicher Teil ein Vakuumofen 1 mit einer Ofenkammer 2 ist, die mit einer Wärmedämmeinrichtung 3 ausgekleidet ist. Vor den Seitenwänden 3a der Wärmedämmeinrichtung 3 befindet sich eine an Masse gelegte Elektrode, die als Anode 4 eines Stromkreises dient. Durch die Ofendecke 2a ist mittels einer Isolierdurchführung 5 eine senkrechte Tragstange 6 hindurchgeführt, die an ihrem unteren Ende einen plattenförmigen, waagrechten Werkstückhalter trägt, der gleichfalls Elektrodenfunktion hat und als Katode 7 dient. Von den auf diesem Werkstückhalter angeordneten Werkstücken 8 ist nur ein einziges dargestellt.FIG. 1 shows a vertical section through a device for carrying out the method according to the invention, the essential part of which is a vacuum furnace 1 with a furnace chamber 2, which is lined with a heat insulation device 3. In front of the side walls 3a of the thermal insulation device 3 there is an electrode which is grounded and which serves as an anode 4 of a circuit. A vertical support rod 6 is guided through the furnace ceiling 2a by means of an insulating bushing 5 and carries at its lower end a plate-shaped, horizontal workpiece holder, which also has an electrode function and serves as a cathode 7. Only one of the workpieces 8 arranged on this workpiece holder is shown.

Die Anode 4 und die Katode 7 sind an eine Stromversorgung 9 angeschlossen, die zur Erzeugung von Spannungsimpulsen für die Bildung des Plasmas dient. Der Stromversorgung 9 ist ein Steuergerät 10 zugeordnet, mit dem die elektrischen Verfahrensparameter für die Beeinflussung des Plasmas einstellbar sind. Insbesondere liefert die Stromversorgung 9 außer den Impulsen auch eine ständig anstehende Grundspannung, die den Impulsen überlagert ist. Sowohl die Höhe der Impulse als auch die Höhe der Grundspannung sind durch das Steuergerät 10 beeinflußbar.The anode 4 and the cathode 7 are connected to a power supply 9, which is used to generate voltage pulses for the formation of the plasma. A control unit 10 is assigned to the power supply 9, with which the electrical process parameters for influencing the plasma can be set. In particular, in addition to the pulses, the power supply 9 also supplies a constant basic voltage which is superimposed on the pulses. Both the amount of Pulses as well as the level of the basic voltage can be influenced by the control device 10.

Katode 7 und Werkstücke 8 sind konzentrisch von einem Widerstandsheizkörper 11 umgeben, der an eine regelbare Stromquelle 12 angeschlossen ist. Die Energiebilanz des Ofens und damit die Werkstücktemperatur wird von den Verlusten einerseits und von der Summe der Energiebeiträge des Plasmas und der Strahlung des Widerstandsheizkörpers andererseits bestimmt.Cathode 7 and workpieces 8 are concentrically surrounded by a resistance heating element 11, which is connected to a controllable current source 12. The energy balance of the furnace and thus the workpiece temperature is determined on the one hand by the losses and on the other by the sum of the energy contributions from the plasma and the radiation from the resistance heating element.

In die Ofenkammer 2 mündet eine Versorgungsleitung 13, die mit einer regelbaren Gasquelle 14 verbunden ist und durch die die gewünschten Prozeßgase oder Gasgemische zugeführt werden. Die Gasbilanz wird durch die Gaszufuhr, den Verbrauch durch die Werkstücke und gegebenenfalls Verlustsenken, nicht zuletzt aber durch den Einfluß der Vakuumpumpe 15 bestimmt, die über eine Saugleitung 16 mit der Ofenkammer 2 verbunden ist und auch als Pumpsatz ausgebildet sein kann.A supply line 13 opens into the furnace chamber 2, which is connected to a controllable gas source 14 and through which the desired process gases or gas mixtures are supplied. The gas balance is determined by the gas supply, the consumption by the workpieces and possibly loss sinks, but not least by the influence of the vacuum pump 15, which is connected to the furnace chamber 2 via a suction line 16 and can also be designed as a pump set.

Im Boden 2b der Ofenkammer 2 befindet sich eine Öffnung 17, die durch einen Absperrschieber 18 verschließbar ist und unter der sich - vakuumdicht angeschlossen - ein beheizbarer Flüssigkeitstank 19 mit einer Abschreckflüssigkeit befindet. Über der Öffnung 17 befindet sich in der Katode 7 eine Öffnung 20, durch die die Werkstücke 8 mittels eines nicht gezeigten Manipulators in die Abschreckflüssigkeit abgesenkt werden können. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ergibt sich aus der allgemeinen Beschreibung und aus dem Ausführungsbeispiel.In the bottom 2b of the furnace chamber 2 there is an opening 17 which can be closed by a gate valve 18 and under which - connected in a vacuum-tight manner - there is a heatable liquid tank 19 with a quenching liquid. Above the opening 17 there is an opening 20 in the cathode 7 through which the workpieces 8 can be lowered into the quenching liquid by means of a manipulator (not shown). The mode of operation of this device results from the general description and from the exemplary embodiment.

In den Figuren 2 und 3 ist jeweils auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen, und zwar kennzeichnet t₁ die Impulsdauer und t₂ die Impulspause. Jedes Diagramm enthält übereinander die jeweilige Impulsspannung U, den während eines Impulses fließenden Strom I und einen Kurvenzug, der den Zustand der Anregung durch Ionisation und Dissoziation und der Abregung durch Rekombination symbolisiert. In Figur 3 ist außer der Impulsspannung auch die Grundspannung dargestellt, die unterhalb der sogenannten Durchschlagsspannung liegt, die durch eine strichpunktierte Linie 21 dargestellt ist.In Figures 2 and 3, the time t is plotted on the abscissa, namely, t₁ denotes the pulse duration and t₂ the pulse pause. Each diagram contains the respective pulse voltage U, one above the other during a pulse flowing current I and a curve that symbolizes the state of excitation by ionization and dissociation and the excitation by recombination. In addition to the pulse voltage, FIG. 3 also shows the basic voltage, which lies below the so-called breakdown voltage, which is represented by a dash-dotted line 21.

Wird gemäß Figur 2 eine gepulste Gleichspannung ohne überlagerte Grundspannung verwendet, so werden während eines Spannungsimpulses Kohlenwasserstoffmoleküle angeregt, die über die Versorgungsleitung 13 zugeführt werden. Diese Kohlenwasserstoffmoleküle werden dissoziiert und ionisiert. In Abhängigkeit von der Höhe der verwendeten Spannung und der Dauer der verwendeten Spannungsimpulse werden die Höhe der Anregung und der Umfang der Dissoziation und Ionisation der Teilchen beeinflußt, und es fließt ein entsprechender Strom I, der durch den mittleren Kurvenzug in Figur 2 angedeutet wird. In der Impulspause, d.h. in dem Zeitraum, in dem keine Spannung anliegt, überwiegen Rekombinationsvorgänge, und die angeregten Spezies fallen auf Energieniveaus zurück, in denen sie weniger oder nicht mehr zum Aufkohlvorgang bzw. zu einem Schichtbildungsvorgang beitragen. Dies geht aus dem oberen Kurvenzug von Figur 2 hervor, bei dem die nahezu mit den Impulspausen t₂ zusammenfallenden Kurvenabschnitte den Wert 0 haben.If, according to FIG. 2, a pulsed DC voltage without superimposed basic voltage is used, hydrocarbon molecules are excited during a voltage pulse and are supplied via the supply line 13. These hydrocarbon molecules are dissociated and ionized. Depending on the level of the voltage used and the duration of the voltage pulses used, the level of excitation and the extent of the dissociation and ionization of the particles are influenced, and a corresponding current I flows, which is indicated by the middle curve in FIG. 2. In the pulse pause, i.e. in the period when there is no voltage, recombination processes predominate and the excited species fall back to energy levels in which they make little or no contribution to the carburization process or to a layer formation process. This can be seen from the upper curve of FIG. 2, in which the curve sections which coincide almost with the pulse pauses t 2 have the value 0.

Die Rekombinationsvorgänge und der Rückfall aus energiereichen in energetisch stabilere oder energieärmere Zustände erfordert Zeit. Durch Variation von Spannung und Impulsdauer (entspricht Umfang und Höhe der Anregung, Dissoziation und Ionisation) und Pausendauer (entspricht Rekombination und Abregung) zwischen den Spannungsimpulsen wird der Kohlenstoffstrom gezielt beeinflußt.The recombination processes and the relapse from high-energy to more energetically stable or low-energy states takes time. The carbon flow is influenced in a targeted manner by varying the voltage and pulse duration (corresponds to the extent and amount of excitation, dissociation and ionization) and the pause duration (corresponds to recombination and de-excitation) between the voltage pulses.

Figur 3 zeigt anhand des unteren Kurvenzuges die erfindungsgemäße Überlagerung einer ständig anstehenden Grundspannung Ug, die unterhalb einer von den gegebenen Prozeßparametern abhängigen Durchschlagsspannung liegt, wie sie durch die Linie 21 angedeutet ist, und einer gepulsten Gleichspannung von mehrfacher Höhe. Dadurch werden die Anregung, Dissoziation und Ionisation sowie die Abregung und Rekombination beeinflußt. Da die ständig anstehende Grundspannung Ug unterhalb der Durchschlagsspannung liegt, fließt während der Impulspause der gepulsten Gleichspannung auch kein Strom, wie sich aus dem Kurvenzug I in Figur 3 ergibt.FIG. 3 shows, based on the lower curve, the superimposition of a constant basic voltage U g according to the invention, which is below a breakdown voltage dependent on the given process parameters, as indicated by line 21, and a pulsed DC voltage of multiple levels. This influences the excitation, dissociation and ionization as well as the de-excitation and recombination. Since the constant basic voltage U g is below the breakdown voltage, no current flows during the pulse pause of the pulsed direct voltage, as can be seen from the curve I in FIG. 3.

Für die ständig anstehende Grundspannung wird infolgedessen keine Lichtbogen-Erkennungseinrichtung benötigt, da von dieser Grundspannung kein Plasma erzeugt wird. Durch die Grundspannung fallen aber die angeregten Spezies während der Impulspausen der gepulsten Gleichspannung nicht auf derart energiearme Zustände zurück, wie sie in den Impulspausen ohne überlagerte Grundspannung nach dem Stande der Technik (Figur 2) vorhanden sind. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme werden die angeregten Spezies in energiereicheren Zuständen gehalten, und aus diesen Zuständen heraus können die besagten Spezies im nachfolgenden Impuls leichter angeregt, ionisiert und dissoziiert werden. Bei gleicher Spannung, Impulsdauer und Pausendauer können damit im Vergleich zum Stande der Technik ohne überlagerte Grundspannung höhere Kohlenstoffströme erzeugt werden, wie dies in Figur 4 dargestellt ist.As a result, no arc detection device is required for the constant basic voltage, since no plasma is generated from this basic voltage. Due to the basic voltage, however, the excited species do not fall back to low-energy states during the pulse pauses of the pulsed DC voltage, as are present in the pulse pauses without a superimposed basic voltage according to the prior art (FIG. 2). The measure according to the invention keeps the excited species in higher-energy states, and from these states the said species can be more easily excited, ionized and dissociated in the subsequent pulse. With the same voltage, pulse duration and pause duration, compared to the prior art, higher carbon flows can be generated without a superimposed basic voltage, as shown in FIG.

In Figur 4 ist auf der Abszisse der Abstand "T" von der Bauteiloberfläche dargestellt, die mit 0,0 bezeichnet ist. Auf der Ordinate ist der Kohlenstoffgehalt "C" in Prozent angegeben. Die untere Kurve 22 gibt die Verhältnisse bei einer gepulsten Gleichspannung ohne Überlagerung einer Grundspannung wieder, während die Kurve 23 die Verhältnisse bei einer Überlagerung einer gepulsten Gleichspannung mit einer ständig anstehenden Grundspannung wiedergibt. Es wird also sowohl an der Oberfläche als auch bis zu einer Tiefe von 0,5 mm ein deutlich höherer Kohlenstoffgehalt erreicht. Dabei wurden folgende Verhältnisse gewählt: Die gepulste Gleichspannung betrug 600 Volt, das Verhältnis von Impulsdauer t₁ zu Pausendauer t₂ betrug 1:10, und die Höhe der ständig anstehenden Grundspannung betrugt 100 Volt.In Figure 4, the distance "T" from the component surface is shown on the abscissa, which is designated by 0.0. The carbon content "C" is given in percent on the ordinate. The lower curve 22 shows the conditions for a pulsed DC voltage without superimposing a basic voltage, while the curve 23 shows the conditions for a Superposition of a pulsed DC voltage with a constantly present basic voltage. A significantly higher carbon content is thus achieved both on the surface and to a depth of 0.5 mm. The following ratios were chosen: The pulsed DC voltage was 600 volts, the ratio of pulse duration t 1 to pause duration t 2 was 1:10, and the level of the constant base voltage was 100 volts.

Beispiel:Example:

In einer Vorrichtung nach Figur 1 mit einem Nutzvolumen innerhalb des Widerstandsheizkörpers 11 von 0,25 m³ wurde eine Anzahl von zylindrischen Bolzen mit einer Länge von 150 mm und einem Durchmesser von 16 mm aus der Legierung 16MnCr5 während einer Dauer von 120 Minuten einer gepulsten Gleichspannung von 600 Volt und einer Grundspannung von 100 Volt ausgesetzt. Die Impulsdauer betrug t₁ = 100 µs, die Impulspause betrugt t₂ = 1000 µs. Die Zusammensetzung des über die Versorgungsleitung 13 zugeführten Gasgemisch betrug 10 Volumenprozent Argon, 10 Volumenprozent Methan und 80 Volumenprozent Wasserstoff. Unter diesen Bedingungen wurde das Ergebnis gemäß der Kurve 23 in Figur 4 erzielt. Will man keinen höheren Kohlenstoffgehalt erzielen, so führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer sehr viel schnelleren Aufkohlung sowohl an der Oberfläche als auch in der Tiefe. Dennoch können kleinere Spannungs- bzw. Stromquellen eingesetzt werden.In a device according to FIG. 1 with a usable volume within the resistance heating element 11 of 0.25 m³, a number of cylindrical bolts with a length of 150 mm and a diameter of 16 mm were made from the alloy 16MnCr5 for a period of 120 minutes of a pulsed DC voltage of 600 volts and a basic voltage of 100 volts. The pulse duration was t 1 = 100 microseconds, the pulse pause was t 2 = 1000 microseconds. The composition of the gas mixture supplied via the supply line 13 was 10 volume percent argon, 10 volume percent methane and 80 volume percent hydrogen. Under these conditions, the result according to curve 23 in FIG. 4 was achieved. If one does not want to achieve a higher carbon content, the process according to the invention leads to a much faster carburization both on the surface and in depth. Nevertheless, smaller voltage or current sources can be used.

Claims (7)

Verfahren zum Aufkohlen von Bauteilen aus kohlungsfähigen Werkstoffen, insbesondere aus Stählen, mittels einer impulsförmig betriebenen Plasmaentladung in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei Drücken zwischen 0,1 und 30 mbar und bei Impulsspannungen zwischen 200 und 2000 Volt, vorzugsweise zwischen 300 und 1000 Volt, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsspannung eine ständig anstehende Grundspannung überlagert wird, die unterhalb der Durchschlagsspannung liegt.Process for carburizing components made of carbonizable materials, in particular steel, by means of a pulsed plasma discharge in a carbon-containing atmosphere at pressures between 0.1 and 30 mbar and at pulse voltages between 200 and 2000 volts, preferably between 300 and 1000 volts, characterized in that that the pulse voltage is superimposed on a constant basic voltage which is below the breakdown voltage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Grundspannung Werte zwischen 2 % und 35 % der Impulsspannung gewählt werden..Method according to Claim 1, characterized in that values between 2% and 35% of the pulse voltage are selected for the basic voltage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Grundspannung eine Gleichspannung mit Werten zwischen 10 und 150 Volt, vorzugsweise zwischen 20 und 100 Volt, gewählt wird..Method according to Claim 1, characterized in that a DC voltage with values between 10 and 150 volts, preferably between 20 and 100 volts, is selected as the basic voltage. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Impulsdauer t₁ zu Pausendauer t₂ zwischen 4:1 und 1:100 gewählt wird.Method according to Claim 1, characterized in that the ratio of pulse duration t₁ to pause duration t₂ is chosen between 4: 1 and 1: 100. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer zwischen 50 und 200 µs und die Pausendauer zwischen 500 und 2000 µs gewählt wird.Method according to Claim 3, characterized in that the pulse duration is chosen between 50 and 200 µs and the pause duration between 500 and 2000 µs. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaentladung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die 2 bis 50 % Argon, 3 bis 50 % gasförmigen Kohlenwasserstoff, Rest Wasserstoff, enthält, jeweils in Volumensprozenten.A method according to claim 1, characterized in that the plasma discharge is carried out in an atmosphere containing 2 to 50% argon, 3 to 50% gaseous hydrocarbon, the rest hydrogen, each in volume percent. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaentladung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die 10 bis 30 % Argon, 10 bis 30 % gasförmigen Kohlenwasserstoff, Rest Wasserstoff, enthält, jeweils in Volumensprozenten.A method according to claim 1, characterized in that the plasma discharge is carried out in an atmosphere containing 10 to 30% argon, 10 to 30% gaseous hydrocarbon, the rest hydrogen, each in volume percent.
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