DD215804A5

DD215804A5 - Verfahren zum haerten von metallwerkstuecken

Info

Publication number: DD215804A5
Application number: DD84259544A
Authority: DD
Inventors: Friedhelm Kuehn
Original assignee: Ruhrgas Ag
Priority date: 1983-01-25
Filing date: 1984-01-23
Publication date: 1984-11-21
Also published as: GB2134548A; ZA84520B; BR8400280A; JPS59140371A; DE3302338A1; KR840007443A; US4596610A; GB2134548B; GB8401686D0; FR2539762A1

Abstract

Um einzelne Werkstuecke mit kontinuierlichem Verfahrensablauf, mit geringem Energieverbrauch und mit Sprungfunktionen zwischen den einzelnen Behandlungsstufen haerten zu koennen, wird ein Werkstueck in eine geschlossene Waermebehandlungsbox eingesetzt und in dieser von einer Boxauskleidung aus zwei gasdicht voneinander getrennten, durchgehend poroesen Schichten umgeben. In der Erwaermungsstufe werden beide Schichten mit einer waermeabgebenden Atmosphaere beschickt, die von der inneren Schicht in das Boxinnere eintritt zum Erwaermen des Werkstuecks auf eine Stoffuebergangstemperatur oberhalb der Haertetemperatur. In der Stoffuebergangsstufe wird durch die innere Schicht eine stoffabgebende Atmosphaere in das Boxinnere eingeleitet und nur noch die aeussere Schicht mit waermeabgebender Atmosphaere beschickt. In der Temperaturabsenkstufe wird die Waermezufuhr in die aeussere Schicht beendet und wird durch die innere Schicht eine abgekuehlte Atmosphaere in das Boxinnere eingeleitet zur Einstellung des Werkstuecks auf die Haertetemperatur, nach deren Annahme das Abschrecken des Werkstuecks in der Abkuehlstufe mittels eines Haertemediums erfolgt, vorzugsweise nach Umladen des Werkstuecks in eine gesonderte Kuehlbox und durch Einleiten des Haertemediums in die Kuehlbox durch eine durchgehend poroese Kuehlboxauskleidung. Mehrere Waermebehandlungs- und Kuehlboxen koennen mittels Karussellautomaten im Kreislauf durch die einzelnen Behandlungsstufen gefuehrt werden.

Description

AP G 21 D/259 544/3

63 422/25/20 , ^: .· . '

Verfahren zum Härten von Metallwerkstücken Anwendungsgebiet der Erfindung !

Die Erfindung, betrifft ein Verfahren zum Härten von Metall-.'Werkstücken durch Wärmebehandlung in einer Erwärmungsstufe 2um Erhitzen der Werkstücke über die Härtetemperatur, einer

Stoffübergangsstufe zur .Diffusionsbehandlung der Werkstücks ..-*. in einer stoff abgebenden Atmosphäre, e^ner Teinperaturabsenk-T-"' stufe zum Einstellen der.Werkstücke auf die Härtetemperatur und einer Abkühlst.ufe z<um Abschrecken der Werkstücke»

Gharakteriatik der bekannten technischen Lösungen .

Härteverfahren der vorgenannten Art werden angewendet, uia • Metallwerkstücke, 'die gehärtet werden sollen, zunächst ' bi3 zum Kern oder bei größeren Ausmaßen ,wenigstens in der Oberflächenschicht über eine übliche Härtetemperatur hinaus auf eine StoffÜbertragungstemperatur von zum Beispiel 920 ⁰G oder mehr zu erhitzen und bei Aufrechterhaltung dieser St of fübert.ragungstemper at ur während einiger Zeit'durch Auf koh- -y le'n oder Karbonitri'eren mittels eines den jeweiligen Stoff """ durch Diffusion an die '.Verkstückoberflache abgebenden Gase: zu behandeln, wonach die Werkstücke durch temperaturabSenkung und gegebenenfalls mit Hachdiffusion auf die eigentliche Härtetemperatur eingestellt und. dann in einem-Härtemedium abgeschreckt werden,- Um mit kontinuierlicher Verfahrensdurchführung größere Leistungen zu erreichen, sind' Durchstoßanlagen gebräuchlich, bei denen die Werkstücke, in aller Regel in Chargen aus einer größeren Anzahl von Einzelteilen, ,die. Erwärmungs-, St off über gangs- und i^emperaturabsenkstufe in , einem durchgehenden Ofenkanal durchlaufen· Hierbei beein- flüssen sich,die den Behandlungsstufen zugeordneten einzelnen

-P-

Kanalzionen, so daß nur ein gleitender übergang -hinsichtlich Temperatur und Atmosphäre von einer Stufe beziehungsweise Zone in die nächste möglich ist· Sprungfunktionen 'für temperatur und Atmosphäre, die eine Beschleunigung des Wärmeüberganges sowie des .Stoffüberganges bewirken wurden, sind nicht möglich· Diese wurden aber den Energiehaushalt erheblich verringern, und eine gezieltere metallurgische Werkstückbehand- ; lung ermöglichen· Wollte man derartige Sprungfunktionen aufprägen, müßte man sich einer Unterteilung des Durchlaufka-; nals in einzelne kammerartige -Zonen bedienen» Schleusen und gasdichte Türen zur Zonentrennung sind jedoch bei den vorkommenden hohen Temperaturen sehr aufwendig· Ebenso wie bei den bekannten Kannneranlagen für periodischen Betrieb beziehungsweise intermittierende Verfahrensdurchführung ergibt auch die bei den gebräuchlichen kontinuierlichen Verfahrensweisen in einem Durchiaufkanal angewendete Ghargenbehandlung häufig eine, dicht gepackte Werkstückcharge, an die die Wärme und die Behandlungsgase von außen herangebracht werden. Die Ghargenbehandlung.hat den Nachteil, daß sie eine wesentlich längere Erwärmungszeit und Stoffübergangszeit benötigt als eine Einzelteilbehandlung und daß ein unterschiedlicher Wärmeübergang ..an. den Einzelteilen der Charge auftreten kann mit der Gefahr eines beträchtlichen, Verzugs der Einzelteile, der eine kostspielige Nachbearbeitung erfordert* ^: . .

Ziel der -'ISrf indung , .

^ . - " . ·

Siel der Erfindung ist die Bereitstellung eines wirtschaft- ' ' licher einsetzbaren Verfahrens sum Härten von Metaliwerk-. stücken*

Darlegung des Wesens der Erfind uns; . ,

Die Erfindung hat sich die.Aufgäbe gestellt, ein Verfahren -'der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine Einzelteilbehandlung vorgenommen werden kaiin und damit gegenüber der Chargenbehandlung der Vorteil der schnelleren, , . gleichmäßiger en'.Erwärmung mit kurzfristigem Stoffübergang

sowie der gleichmäßigeren, kürzeren Abkühlung erreicht werden kann, mit dem bei ^inzelteilbe.handlung aber auch ein —/ , kontinuierlicher Verfahrensablauf mit hoher Ausstoßleistung und vor allem mit wesentlich geringerem Energieverbrauch möglich ist und vorgenommen werden kann^ *

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in erster Linie dadurch gelöst, daß ein Werkstück in. eine gasdicht verschließbare Wärmebehandlungsbox eingesetzt wird, in der das v/erk stück ' von einer porösen inneren Auskieidunssschicht der Box mit durchgehenden, zum Boxinnern offenen Porenräumen. umgeben wird und die innere Auskleidungsschicht wärmeleitend von „ einer porösen äußeren Auskleidungsschicht mit durchgehenden, von der inneren'Auskleidungsschicht gasdicht getrennten,

*r-y . .Porenräumen umgeben wird, daß in der Srwärmungsstufe eine ;

'- "' wärmeabgebende Atmosphäre durch die Porenräume beider Auskleidungsschichten geführt und mittels der inneren Ausklei-.dungsschicht durch das Innere der tfärmebehandlungsbox zirkuliert wird, daß in der Stoffübergangsstufe eine stoffabge-• bende Atmosphäre durch die innere Auskleidungsschicht geführt und' mittels dieser durch das Boxinnere zirkuliert wird und ^die Stoffübergangstemperatur in der V/ärmebehandlungs-. box durch Hindurchführen der wärmeabgebenden Atmosphäre nur durch die äußere 'Aaskleidungsachicht gehalten wird, daß in der Temperaturabsenkstufe die Wärmezufuhr in die äußere': Auskleidungsschicht unterbrochen wird und durch die innere '·' Auskleidungsschicht eine abkühlende Atmosphäre in das Box-

innere/eingeleitet wird, und daß* nach Annahme der Härte-, temperatur'durch das Werkstück das 'Abschrecken·des Werkstücks in der Abkühlstufe durchgeführt wird.

Mit diesem Verfahren kann durch die Anwendung einer Jäinzelbox. zur Aufnahme jeweils¹ eines Einzelteils eine sehr rasche ürwärmung der zum Beispiel keramischen porösen ßosauskleldung und des eingesetzten Werkstücks erreicht werden. Die durch die innere Auskleidungsschicht in das Boxinnere eingeleitete heiße Atmosphäre kann derart unter Druck im Kreislauf geführt werden, daß sie aus den Porenräumen in einer Prallströmung auf das Werkzeug auftrifft und dadurch einen .um ein Vielfaches höheren V/ä-rmeübergang erzeugt, als er bei einer' Chargenbehandlung möglich ware, irotz' äinzelteilbehandlung ist eine, kontinuierliche Verfahrensdurch-' . führung mit hoher Ausstoßleistung möglich, indem eine Mehrzahl von Einzelboxen beispielsweise.von einem Automaten— karussell aufgenommen wird und jede einzelne Wärmebehandlungsbox im Kreislauf durch Bozenstationen für die Srwärmungs—, Stoffübergangs- und Temperaturabsenkstufe geführt wird, mit denen die Wärmebehandlungsbox an ihren Auskleidungsschichten zur Beschickung mit der jeweiligen wärmeabgebenden, stoff abgebenden beziehungsweise abkühlenden Atmosphäre verbunden wird» .''"-. . ..

Nachdem beide Auskleidungsschichten der Wärmebehändlungs-box zum Beispiel auf etwa 700 ⁰G erwärmt sind, braucht nur noch die äußere Auskleidungsschicht mit wärmeabgebender Atmosphäre beschickt au werden, um Wandverluste zu decken, und^: um durch Wärmeleitung an die innere Auskleidungsschicht und ,-Wärme austausch an die durch diese Schicht hindurchgeführte Atmosphäre die nö'tige Wärme zum Erwärmen des Werkstücks bis auf die StoffÜbertragungstemperatur von zum Beispiel <

920 ⁰G nacnζufuhren. Vorteilhafterweise wird in der Erwärmungsstufe als wärmeäbgebende Atmosphäre ein unter- * stöchiometrisches Gemisch aus Luft und Brenngas, zum,Beispiel Erdgas, in die innere und äußere Auskleidungsschicht , der Wärmebehandlungsbox eingeleitet und derart in den Por.enräumen der Schichten verbrannt, daß wenigstens aus den Porenräumen der inneren Auskleiäungsschicht-keine flammen austreten. Nach iörwärmung beider Auskleidungsschlohten auf eine ausreichend hohe temperatur und während der anschließenden ^toffÜbergangsstufe wird dann vorteilhafterweise ein stöchiometrisches Gemisch aus Luft und Brenngas nur noch in die äußere Auskleidungsschicht eingeleitet und in deren' Porenräumen verbrannt. Über die äußer«-Auskleidungsschicht wird dann eine innere Atmosphäre, die nur noch im Kreislauf durch die innere ^uskleidungsschicht geführt zu werden braucht, von innen, das heißt ohne zusätzliche äußere Beheizung, aufgeheizt und die Verlustwärme der 'wärmebehandlung s box gedeckt, . ·

Sobald das Werkstück die gewünschte Stoffübertragungstemperatur _angenommen hat, kann die durch die "Innere Auskleidungsschicht und das Boxinnere zirkulierende Atmosphäre spontan in die für den vorgesehenen ^toffübergang, erforderliche stoffabgebende Atmosphäre geändert .werden, so daß ι. der Stoffübergang an das Werkstück mit vorteilhafter Sprung-funktion einsetzt und rasch durchgeführt werden kann*. Der Järwärmungs- und StoffÜbergangsvorgang kann vorzugsweise

oder in einer bei Werkstücken mit größeren Ausmaßen gewünschten Welse derart gezielt durchgeführt werden, daß 'der

. Kern des Werkstücks nur Härtetemperatur .annimmt· und die Oberfläche des «erkstücks über eine gewünschte Schichtdicke auf die .Stoffübertragungstemperatur ansteigt und bei dieser Temperatur durch Diffusion aus dem Behandlungsgas aufgekohlt oder karbonxtriert wird.

Nach Beendigung des Stoffüberganges wird in der anschließenden Temperaturabsenkstufe die Energiezufuhr in die äußere Auskleidungsschicht der Wärmebehändlungsbox beendet ^; beziehungsv/eise so lange unterbrochen, bis das Werkstück die Härtetemperatur angenommen hat» Hierbei kann aogar, um ebenfalls eine günstige Sprungfunktion'zwischen der Stoff-Übergangs« und Temperaturabsenkstufe zu erreichen, kurzfristig eine abgekühlte innere Atmosphäre durch die innere Auskleidungsschicht- in das Boxinnere eingeleitet werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Srfindung erfolgt mit Vorteil auch in der Abkühlstufe das Abschrecken des Werkstücks in einer Box durch Einleiten des Härteinediums in das .Boxinnere über eine poröse Boxauskleidung.mit durchgehenden, zum Boxinneren offenen Porenräumen» Dazu kann zur Ver- .'·· minderung' des,: Energieverbrauchs und weiteren Förderung dea sparsamen Energiehaushaltes^.das erfindungsgemä'i3e Verfahren vorteilhäfterweise/so durchgeführt werden, daß, die Wärmebehändlungsbox mit dem Werkstück nur die heißen Er- ^: wärmungs-, Stoffübergangs- und Temperaturabsenkstufen durchläuft und'daß das Werkstück nach Annahme der Härtetemperatur von der Wärmebehändlungsbox in eine für die kältere Abkühlstufe gesondert vorgesehene Kühlbox umgeladen wird, vorzugsweise unter Anwendung einer die beiden Boxen überbrückenden Schleuse mit Schulatmosphäre* Beispielsweise kann die Wärmebehandlungsbox von einem diese Box im Kreislauf führenden Karussellautomaten in einen Schleusenautomaten gegeben werden, in dem die Wärme behandlufigsbox entleert und das , . Werkstück in die separate, gesonderte Kühlbox gelegt wird» Die entleerte Wärmebehandlungabpx kann dann von den Schleusenautomaten an den Karussellautoraaten sur¹ erneuten Beschickung mit einem äYerkstück .und erneutem Kreislauf von der iSrwärsbis sur 'Teniperaturabsenkstufe zurückgegeben werden,

Die Anwendung einer gesonderten Kühlbox in der Abkühlstufe,_κ macht ea auch möglich, diese Box mit einer; speziell für die. Durchführung der Abkühlstufe;geeigneten und ausgebildeten porösen Kühlboxauskleidung zu versehen, um vorteilhafterweise, ein flüssiges Härtemedium unter Druck durch im wesent-' liehen lotrecht zur Werkstückoberfläche verlaufende Porenräume auf eas Werkstück aufleiten.zu können. Das "Aufleiten des flüssigen Härte- beziehungsweise Kühlmediums" unter Druck ·---, auf das Werkstück kann während des Abkühl verlauf es gezielt •erfolgen, damit die einzelnen Kühlphasen (Pilmverdampfung, ^x Kochphase, Konvektlonsphase) je nach Art des Kühlmediums in günstigster Wei3e ablaufen· Hierzu kann zum Beispiel ein Kühlautomat angewendet, werden, der die von dem Schleusenatomaten mit dem. Werkstück beschickte Kühlbox durch die einzelnen Kühlphasen des Abkühlverlaufes führt. '

Mit dem erfindungagemäßen Verfahren ist es möglich, zum Beispiel unter Anwendung eines entsprechenden Automaten

' ,, gleichseitig an unterschiedlichen, in Einzelboxen ent- .

haltenen werkstücken eine dem -Sin^elteil angepaßte Wärmebehandlung, insbesondere in der Srwärmungs- und Stoffüber-;

ΐΓγ gangs.stufe, durchzuführen und eine maximal mögliche _: . Anpassung der Wärmebehandlung an den Haterialfluß und an die Anforderung zur Oberflächenbehandlung au erreichen. Dadurch kann der Nachteil der bisher für die kontinuierliche Verfahrensweise gebräuchlichen Ofenanlagen aufgehoben werden, daß in ihnen nur eine spezielle Wärmebehandlung durchgeführt werden kann und daß sie nicht zur Wärmebehandlung gleichzeitig an unterschiedlichen Werkstücken betrieben werden können mangels entsprechender geeigneter und notwendiger · !Teile dafür, ' . -

Claims

Br find ungsans pr uch . · · -.

1. Verfahren sum Härten von Metallwerkstücken durch Wärme- ; behandlung in einer Erwärmung^stufe zum Erhitzen der 'Werkstücke über die Härtetemperatur, einer StoffÜbergangsstufe zur Diffusionsbehandlung der Werkstücke-in einer stoffahgebenden Atmosphäre, einer Temperaturabaenkstufe zum Einstellen der Werkstücke auf die Härtetemperatur und , einer Abkühlstufe zum Abschrecken der Werkstücke, gekennzeichnet dadurch, daß ein Werkstück in eine gasdicht verschließbare Wärmebehandlungsbox eingesetzt wird,· in der das Werkstück von einer porösen inneren Auskleidungsschicht der Box mit durchgehenden, zum Boxinneren offenen Porenräumen umgeben -wird und die innere Auskleidungsschicht/wärmeleitend von. einer porösen äußeren Auskleidungsschicht mit durchgehenden, von der inneren Auskleidungsachicht gasdicht getrennten Porenraumen umgeben wird,. daß in der Erwärmungsstufe eine wärmeabgebende Atmosphäre durch die Porenräume beider Auskleidungsschichten geführt und mittels der inneren Auskleidungsschicht durch das Innere der Wärmebehändlungsbox zirkuliert wird, daß in der Stoffübergangsstufe eine stof-fabgebende Atmosphäre . durch die innere Auskleidungsschicht geführt und mittels dieser durch das Boxinnere zirkuliert wird und die Stoff-' .Übergangstemperatur in der Wärmebehandlungsbox durch Hindurchführen der wärmeabgebenden Atmosphäre nur durch die , äußere ^uskleidungsschicht gehalten wird, daß in der Temperaturabsenkstufe die Wärmezufuhr in die äußere Auskleidüngsschicht unterbrochen wird und durch die innere Aus- kleidungsschicht eine abkühlende Atmosphäre, in das Boxinnere eingeleitet wird, und daß nach Annahme der Härtetemperatur durch das Werkstück das Abschrecken des Werkstücks in der Abkühlstufe durchgeführt wird. ...

2, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Werkstück in der Abkühlstufe mit einem Härteinedium be- .' auf schlagt, wird j das ebenfalls in eLne Box durch eine poröse Boxauskleidung mit durchgehenden, zum Boxinneren offenen Porenräumen eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2,'gekennzeichnet dadurch* daß ' die Wärmebehändlungsbox im Kreislauf durch Boxenstationen für die ärwärmungs-, StoffÜbergangs- und Temperaturab— ; senkstufe geführt wird, mit denen die Wärmebehandlungsbox an ihren Auskleidungsschichten zur Beschickung, mit der jeweiligem wärmeabgebenden, stoffabgebenden beziehungsweise abkühlenden Atmosphäre verbunden wird,

4» Verfahren nach. Punkt 2 oder 3» gekennzeichnet dadurch,, daß das Werkstück nach Annahme der Härtetemperatur in der ^emperaturabsenkstufe von der'Wärmebehandlungsbox in eine für die Abkühlstufe gesonderte Kühlbox umgeladen , wird, vorzugsweise unter Anwendung einer die beiden Boxen .überbrückenden Schleuse mit Schutsatmosphäre,

5· Verfahren nach Punkt 2 oder 4, gekennzeichnet dadurchj daß ^ -ein flüssiges Härtemedium unter Druck durch die Porenräume der porösen Kühlboxauskleidung auf das .Werkstück' . aufgeleitet wird, ' -

6· Verfahren nach Punkt 1 oder 3» gekennzeichnet dadurch, daß in der Brwärmungs'stufe ein unterstöchiometrisches Gemisch aua Luft und Brenngas Ln die innere und äußere Aus-. kleidungsschicht der Wärmebehandlungsbox eingeleitet und _: '··... derart in den Porenräumen der Schichten verbrannt 'wird, . :; daß wenigstens aus den Porenräumen der inneren Auskleidungsschicht keine flammen austreten, und -daß in der Stoff-

übergangsstufe ein stöchiometrisches Gemisch, aus Luft und -Brenngas in die äußere Auskleidungssohicht einge-, leitet und in den Porenräumen verbrannt wird»