DE10044362A1

DE10044362A1 - Verfahren und Ofenanlage zum Vergüten einer Charge von Werkstücken aus Stahl

Info

Publication number: DE10044362A1
Application number: DE2000144362
Authority: DE
Inventors: Klaus Loeser; Volker Heuer
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2020-09-09
Also published as: DE10044362C2

Abstract

Eine Charge von Werkstücken aus Stahl, insbesondere aus schwer härtbaren Stählen, wird durch Abschrecken aus dem Austenitbereich (A) vergütet. Dies erfolgt in einer Abschreckkammer durch Umwälzen von unter Überdruck stehendem Kühlgas zwischen einem Kühler und der Charge. Dabei wird bei unverändertem Gasdruck und unveränderter Gasgeschwindigkeit: DOLLAR A a) in einem ersten Verfahrensabschnitt eine maximale Kühlleistung des Kühlers zur Verfügung gestellt, derart, daß der zeitliche Verlauf der Abkühlung der Charge weder durch den Perlitbereich (P) noch durch den Bainitbereich (B) geführt wird, DOLLAR A b) in einem zweiten Verfahrensabschnitt in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur (TK, TR, TZ) mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers abgeschirmt und die Umwälzung des Kühlgases fortgesetzt wird, derart, daß in diesem Verfahrensabschnitt die Temperatur oberhalb des Martensitbereichs (M) zumindest im wesentlichen konstant gehalten und eine homogene Temperaturverteilung in der Charge erreicht wird, und ferner wird DOLLAR A c) in einem weiteren Verfahrensabschnitt die Temperatur der Charge durch Zwangskühlung ohne Durchlaufen des Martensitbereichs (M) weiter abgesenkt.

Description

Die Erfindung betriff ein Verfahren zum Vergüten einer Charge von Werk stücken aus Stahl durch Abschrecken aus dem Austenitbereich, insbe sondere von schwer härtbaren Stählen, durch Umwälzen von unter Über druck stehendem Kühlgas in einer kalten Abschreckkammer einer Ofen anlage mittels mindestens eines Kühlgebläses zwischen mindestens einem Kühler und der Charge.

Derartige Verfahren sind unter dem Begriff "Hochdruckgasabschreckung" in verschiedenen Varianten bekannt. Auch die Ausdrücke Austenitbereich, Perlitbereich (Zwischengefügebereich) und Martensitbereich sind auf dem Gebiet der Härtung und Vergütung von Stählen stehende Begriffe, für die es in Abhängigkeit von dem jeweiligen Werkstoff spezifische sogenannte Z-T-U-Diagramme (Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme) gibt. Auch der Ausdruck "kalte Abschreckkammer" ist ein stehender Begriff: Er beschreibt eine Kammer, die keine eigenen Heizeinrichtungen besitzt, und in die die in einer vorgeschalteten Ofenkammer entsprechend aufgeheizten Chargen bzw. Werkstücke überführt werden. Dies hat den Vorteil, daß die Ofenkammer und ihre Einbaukomponenten nicht mit der Charge abgekühlt werden müssen.

Durch die Hochdruckgasabschreckung kann ein großer Teil der klassischen Abschreckverfahren mit Wasser, Ölen und/oder Härtesalzen mit ihren umweltschädlichen Begleiterscheinungen durch Entsorgung der Abschreckmedien und Waschen der Werkstücke mehr als gleichwertig ersetzt werden. Daneben besitzt die Gasabschreckung auch ökonomische Vorteile: Gase als Abschreckmedium erfahren im Gegensatz zu Ölen keine Phasenänderungen, so daß sich während der gesamten Abschreckung ein gleichmäßigerer Wärmeübergang an den Werkstücken ergibt. Dies führt wiederum zu einer deutlichen Reduktion von Maß- und Formänderungen an den abgeschreckten Werkstücken.

Ein weiterer Vorteil der Gasabschreckung besteht darin, daß die Abschreckintensität und dadurch die Abkühlung der Werkstücke durch Änderung von Gasdruck und Gasgeschwindigkeit gesteuert werden können. Hierbei gilt der Grundsatz: Abschreckung so rasch wie nötig, aber so schonend wie möglich. Einzelheiten werden anhand der Fig. 2 noch näher erläutert.

Werkstücke aus metallischen Werkstoffen werden überwiegend marten sitisch gehärtet, d. h. die Werkstücke werden auf Austenitisierungs temperatur erwärmt und dann mit hoher Geschwindigkeit auf Raum temperatur abgekühlt. Dabei stellt sich zwar ein hartes, aber auch sehr sprödes Gefüge ein. Um ein für den späteren Beanspruchungsfall günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit zu erhalten, werden die Werkstücke in einem zweiten Wärmebehandlungsschritt wieder angelas sen.

Werden bei rißempfindlichen Stählen und/oder bei Werkstücken mit komplizierten Formen besonders hohe Anforderungen an die Zähigkeit gestellt, so werden die Werkstücke zwischenstufenvergütet, d. h. von der Austenitisierungstemperatur sehr rasch auf eine Temperatur zwischen 250 und 400°C abgeschreckt und bei dieser Temperatur längere Zeit gehalten. Die isotherme Umwandlung in der Zwischenstufe erzeugt wegen der gerin gen thermischen Spannungen ein Werkstoffgefüge mit guten Zähigkeits eigenschaften und guter dynamischen Beanspruchbarkeit. Ein Anlassen, wie nach dem martensitischen Härten ist dann nicht mehr erforderlich.

Die Zwischenstufenvergütung erfolgt in der Praxis dadurch, daß die Werk stücke unter Schutzgas erwärmt werden und zur Abschreckung in ein auf Zwischentemperatur gehaltenes Salzbad getaucht werden. Die in solchen Bädern enthaltenen Salpetersalze geben allerdings Sauerstoff ab und erzeugen somit eine Randoxidation der Werkstücke, was sich nachteilig auf deren Eigenschaften auswirkt. Weitere Nachteile dieser Technik sind die Giftigkeit der Salze und die Gefahr einer örtlichen Überhitzung des Bades. Die Bäder müssen regelmäßig gepflegt, d. h. entschlammt werden, und die zur Reinigung notwenigen Waschflüssigkeiten müssen aufbereitet werden. Die Integration einer solchen Verfahrensstufe in die Fertigung ist nur mit hohem Aufwand möglich.

Weiterhin ist es bekannt, beim Abschrecken von rißempfindlichen Stählen und/oder komplizierten Werkstückformen in Einkammer-Vakuum-Öfen eine sogenannten "Warmbadsimulation" durchzuführen: Dazu werden im Rand- und im Kernbereich einzelner Werkstücke Themoelemente, sogenannte Schleppelemente, befestigt, die die lokalen Werkstücktemperaturen regi strieren. Erreicht das Werkstück in Randbereich eine Temperatur von etwa 50°C oberhalb des Martensitstartpunktes, so wird die Abschreckintensität durch Verringerung des Gasdrucks und der Gasumwälzgeschwindigkeit so lange reduziert, bis sich zwischen dem Rand- und dem Kernbereich des Werkstücks ein Temperaturgleichgewicht eingestellt hat. Nach dem Temperaturausgleich wird die Abschreckintensität durch umgekehrte Maßnahmen wieder erhöht und martensitisch abgeschreckt. Die rege lungstechnischen Eingriffe verlaufen jedoch für die meisten der infrage kommenden Stähle zu langsam.

Auch hat es sich nicht als möglich erwiesen, mit den beschriebenen Steuerungen in Ein-Kammer-Vakuumöfen ein Zwischenstufenvergüten durchzuführen, da sich die notwendige hohe Abschreckgeschwindigkeit nicht erreichen läßt. Weiterhin läßt sich durch das Regeln des Gasdrucks und der Drehzahl des Kühlgebläses das bei der Zwischenstufenvergütung erforderliche enge Temperaturband weder über die gesamte Charge noch über den Querschnitt der einzelnen Werkstücke erreichen. Als problematisch stellt sich dabei heraus, daß die Ermittlung der Werkstück temperatur mit Schleppelementen nicht mit hinreichender Genauigkeit möglich ist. Dies gilt sowohl für Ein-Kammer-Vakuumöfen als auch für das Abschrecken in den kalten Abschreckkammern.

Durch die DE 28 44 843 A1 ist es bei einem Einkammer-Ofen mit einem Heiz- und Abschreckbereich und mit einem Gebläse und einem Kühler bekannt, in der Abschreckphase einen Teil der den Heizbereich umge benden Wärmedämmung zu verlagern, um nach dem Anlaufen des Gebläses einen Kreislauf von Kühlgas über die Charge und den Kühler zu erzwingen. Eine in diesem Kreislauf vor der Charge angebrachte schwenk bare Klappe dient durch ihre periodische Bewegung nur zur Kühlgas verteilung über die ausgebreitete Charge. Stets ist die gesamte Ober fläche des Kühlers dem Kühlgasstrom ausgesetzt, so daß die Abschrec kung der Charge stets den Auslegungs- und Betriebsparametern ent spricht, also den maximal möglichen Werten. Eine kontinuierliche oder stufenweise Veränderung bzw. Reduzierung der Kühlleistung des Kühlers ist damit weder beabsichtigt noch möglich.

Durch die DE 35 36 155 A1 ist ein ähnlicher Einkammer-Ofen bekannt, der zum Zwecke der Wärmebehandlung von langen Werkstücken an beiden Enden je einen Kühler und ein Gebläse aufweist, wobei beide Gebläse ständig in Betrieb gehalten werden. Zur Erzwingung einer raschen Umkeh rung der Strömungsrichtung sind Steuerschieber vorgesehen, und der jeweils nicht benötigte Kühler wird vollständig aus dem Gaskreislauf zurückgezogen, während der jeweils andere Kühler vollständig im Gas kreislauf gehalten wird. Auch dadurch entspricht die Abschreckung der Charge stets den Auslegungs- und Betriebsparametern, also den maximal möglichen Werten. Eine kontinuierliche oder stufenweise Veränderung bzw. Reduzierung der Kühlleistungen der Kühler ist damit weder beab sichtigt noch möglich.

Durch die EP 0 798 391 A1 ist es bekannt, einen Wärmetauscher bzw. Kühler mit einem eigenen Gehäuse zu umgeben, das seinerseits wiederum von einem hohlzylindrischen Bypass umgeben ist. Dabei sind auf der Anströmseite des Kühlers Regelklappen vorgesehen, mit denen es möglich ist, nur einen Teil des umgewälzten Gasstromes über den Kühler zu leiten. Die Regelklappen werden jedoch in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz gesteuert, die einerseits im Bypass und andererseits unmittelbar hinter dem Kühler gemessen wird. Dadurch soll die Abkühlrate der Charge minimiert werden. Andererseits ist ausgesagt, daß durch eine Erhöhung des Gasdrucks und der Gasgeschwindigkeit eine Erhöhung der Abkühlleistung mit Stickstoff bis in der Bereich der Helium-Abschreckung führen soll. Mit einer derartigen Druckdifferenz-Steuerung ist es jedoch nicht möglich, einen automatischen bzw. geregelten Übergang von einer maximalen Abschreckgeschwindigkeit auf eine Haltetemperatur herbei zu führen, bei der die Temperaturverteilung in der Charge homogenisiert werden kann, ohne daß (zunächst) eine weitere Abkühlung erfolgt. Eine Temperaturregelung ist weder vorgesehen, noch mit der bekannten Lösung möglich. Außerdem ist angegeben, daß die Abkühlrate so bemessen ist, daß eine Abkühlung von 800 auf 500°C eine Zeitdauer von ca. 35 Sekunden erforderlich macht, die für das Härten oder Vergüten von niedrig legierten Stählen wie den 100Cr6 absolut zu lang ist. Eine Unter brechung oder Reduzierung der maximalen Kühlleistung zur Haltung der Werkstücke auf einer Zwischentemperatur und zu einer Homogenisierung der Temperaturverteilung in einer Charge ist hierbei also weder vorgese hen, noch möglich.

Durch die EP 0 313 888 B2 ist es bekannt, durch die Wahl hoher Kühl gasdrücke und -geschwindigkeiten und entsprechende Kühlgase auch niedrig legierte Werkstücke und/oder Werkstücke mit großer oder komplizierter Form wirtschaftlich zu härten, also Werkstücke die bisher nur durch Abschreckung in Wasser, Öl oder Salzbädern zu härten waren. In der genannten Schrift sind auch die Hintergründe für die Ablösung der bekannten Härteverfahren angegeben. Ein solches Verfahren kann auch ohne weiteres für die erste Phase der Erfindung eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen es möglich ist, in einer ersten Phase eines Abkühlvorgangs eine möglichst große Abschreckwirkung zu erzeugen und in einer zweiten Phase eine Haltung der Charge auf einer definierten Zwischentemperatur in Verbindung mit einem raschen Tempe raturausgleich über alle Werkstücke dieser Charge zu ermöglichen, d. h., eine Homogenisierung der Haltetemperatur.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegeben Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß bei im wesentlichen unveränder tem Gasdruck und im wesentlichen unveränderter Gasgeschwindigkeit

a) in einem ersten Verfahrensabschnitt eine maximale Kühlleistung des Kühlers zur Verfügung gestellt wird, derart, daß der zeitliche Verlauf der Abkühlung der Charge weder durch den Perlitbereich noch durch den Bainitbereich geführt wird, die beide vom Werkstoff abhängig sind,
b) in einem zweiten Verfahrensabschnitt in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers abgeschirmt und die Umwälzung des Kühlgases fortgesetzt wird, derart, daß in diesem Verfahrensabschnitt die Temperatur oberhalb des vom Werkstoff abhängigen Martensitbereichs zumin dest im wesentlichen konstant gehalten und eine homogene Tempe raturverteilung in der Charge (8) erreicht wird, und daß
c) in einem weiteren Verfahrensabschnitt die Temperatur der Charge durch Zwangskühlung ohne Durchlaufen des Martensitbereichs weiter abgesenkt wird.

Durch diese Lösung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, insbesondere werden ohne Verwendung von Wasser-, Salz- und Ölbädern in einer ersten Phase eines Abkühlvorgangs eine möglichst große Abschreckwirkung erzeugt und in einer zweiten Phase eine Haltung der Charge auf einer definierten Zwischentemperatur in Verbindung mit einem raschen Temperaturausgleich über alle Werkstücke dieser Charge, d. h., eine Homogenisierung der Haltetemperatur.

Die Abschreckgeschwindigkeit wird im Anschluß eine steile Phase mit höchstmöglicher Abschreckintensität in nenneswerte Veränderung von Gasdruck und Gasgeschwindigkeit in eine Zwischenstufentemperatur übergeleitet und zum Vergüten eine vorgegegebene Zeit lang bis zum Temperaturausgleich zwischen allen Werkstücken gehalten. Dadurch werden eine Versprödung und Übermäßige Wärmespannungen wirksam vermieden, was sich besonders bei rißempfindlichen Werkstoffen und bei Werkstücken mit starken Querschnittsänderungen und/oder komplizierten Formen vorteilhaft auswirkt. Die Kühlwirkung des Kühlers wird rein temperaturabhängig durch die Veränderung der wirksamen Fläche des Kühlers geregelt. Dadurch wird nur noch ein Teilstrom des Kühlgases gekühlt, und ggf. steigt die Gastemperatur auch wieder an. Auch eine negative Beeinflussung der Gastemperatur durch die Wand der kalten Abschreckkammer wird vermieden.

Es ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfah rens besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination -:

- die Temperatur der Charge (8) im zweiten Verfahrensabschnitt auf Werten zwischen 400°C und 250°C gehalten wird,
- die Charge nach Erreichen einer im wesentlichen homogenen Tempe raturverteilung im zweiten Verfahrensabschnitt aus der kalten Abschreckkammer bis zur Beendigung der Vergütung in eine Glüh kammer übergeführt und in dieser auf einer Temperatur oberhalb des Martensitbereichs gehalten wird,
- im zweiten Verfahrensabschnitt mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur aus dem Strömungsweg des umgewälzten Kühlgases zurückgezogen wird,
- im zweiten Verfahrensabschnitt mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur durch min destens einen Strömungswiderstand gegenüber der Strömung des umgewälzten Kühlgases abgeschirmt wird,
- die Charge (8) nach Verlassen der Glühkammer in einer Abkühl kammer auf eine vorgegebene Entnahmetemperatur abgekühlt wird,
- die Abkühlung der Charge im ersten und im zweiten Verfahrens abschnitt unter einen Kühlgasdruck von mindestens 10 bar durchgeführt wird,
- als Kühlgas ein Gas oder Gasgemisch aus der Gruppe Wasserstoff und Helium verwendet wird,
- als Kühlgas ein Gas oder Gasgemisch mit Gasen aus der Gruppe Wasserstoff und Helium mit maximal 50 Volumensprozent eines anderen Inertgases verwendet wird, und/oder, wenn
- als Kühlgas ein Gas oder Gasgemisch mit Gasen aus der Gruppe Wasserstoff und Helium mit maximal 50 Volumensprozent Stickstoff verwendet wird,

Die Erfindung betrifft auch eine Ofenanlage zum Vergüten von Chargen von Werkstücken aus Stahl durch Abschrecken, insbesondere von schwer härtbaren Stählen, mit einer kalten Abschreckkammer, die mindestens einen Kühler mit einer Kühlfläche und mindestens ein Kühlgebläse zum Umwälzen von Kühlgas in einem Kühlgaskreislauf zwischen dem minde stens einem Kühler und der Charge aufweist.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Ofenanlage erfindungs gemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlgaskreislauf vor dem Eintritt des Kühlgases in die Charge eine Temperaturmeßeinrichtung zur Messung des Temperaturverlaufs des Kühlgases angeordnet ist, und daß die dem Kühlgas ausgesetzte Kühlfläche des Kühlers nach Maßgabe der Tempera turmessung veränderbar ist.

Es ist im Zuge weiterer Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vor richtung besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombina tion -:

- mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur aus dem Strömungsweg des umgewälzten Kühlgases zurückziehbar ist,
- die kalte Abschreckkammer eine Ausnehmung besitzt, in die der Kühler zurückziehbar ist,
- mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers in durch mindestens einen Strömungswiderstand gegenüber der Strömung des umgewälz ten Kühlgases abschirmbar ist,
- der Strömungswiderstand als Klappe oder Schieber ausgebildet ist,
- der kalten Abschreckkamer eine Glühkammer nachgeschaltet ist, in der die Charge für eine vorgegebene Zeitspanne zumindest im wesentlichen auf der Temperatur am Ende des zweiten Verfahrens abschnitts haltbar ist,
- der Glühkamer eine Abkühlkammer nachgeschaltet ist, in der die Charge auf eine vorgebbare Entnahmetemperatur abkühlbar ist,
- die kalte Abschreckkammer von Wandungen umgeben ist, die mit einer Wärmedämmung versehen sind,
- die kalte Abschreckkammer mindestens einen Chargenträger für die waagrechte Halterung von Tragrosten für die Charge besitzt, wenn der Kühler unterhalb des mindestens einen Chargenträgers ange ordnet ist und die Querschnittsfläche der Charge ausfüllt, wenn ober halb der Charge eine Leiteinrichtung für das Kühlgas angeordnet ist, die die Querschnittsfläche der Charge ausfüllt und durch die die Kühl gasströmung aus der Waagrechten in die Senkrechte umlenkbar ist, und wenn das Kühlgebläse ein Radialgebläse ist, das mit senkrechter Gebläseachse seitlich neben und oberhalb der Leiteinrichtung ange ordnet ist,
- die Temperaturmeßeinrichtung für das Kühlgas zwischen dem Kühl gebläse und der Leiteinrichtung angeordnet ist,
- der Ausgang der Temperaturmeßeinrichtung einer Regelanordnung aufgeschaltet ist, durch die die gegenüber der Kühlgasströmung wirksame Fläche des Kühlers veränderbar ist,
- die dem Kühlgas ausgesetzte Kühlfläche des Kühlers zwischen 0 und 100% veränderbar ist,
- die kalte Abschreckkammer und eine Glühkammer in Parallelanord nung zwischen ersten und zweiten Schienen angeordnet sind, wobei von der ersten Schiene aus die kalte Abschreckkamer und die Glüh kammer mittels eines beheizbaren und isolierten Transportwagens beschickbar sind,
- in Transportrichtung der Chargen hinter der Glühkammer eine Abkühl kammer angeordnet ist, aus der die Chargen auf einen Transport wagen auf der zweiten Schiene umladbar sind,
- auf der der ersten Schiene abgekehrten Seite der kalten Abschreck kammer eine Heizkammer angeordnet ist, die durch die kalte Abschreckkammer hindurch mit den Chargen beladbar ist, und/oder, wenn
- die ersten und die zweiten Schienen einerseits und die Glühkammer sowie die Abkühlkammer andererseits in Form eines "U" angeordnet sind und wenn die kalte Abschreckkamer mit der Heizkammer inner halb des "U" angeordnet sind.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes, ihre Betriebsweisen und metallurgischen Auswirkungen sowie eine komplette Ofenanlage werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein erstes Ausführungs beispiel einer kalten Abschreckkammer bei maximaler Wirkung des Kühlers,

Fig. 2 ein ZTU-Diagramm mit Abkühlkurven für den Stahl 100Cr6,

Fig. 3 und 4 den Gegenstand von Fig. 1 in einer mittleren Stellung (Fig. 3) und bei völliger Ausschaltung (Fig. 4) der wirksamen Fläche des Kühlers,

Fig. 5 eine stark schematisierte Draufsicht einer Ofenanlage,

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch ein zweites Ausführungs beispiel einer kalten Abschreckkammer bei maximaler Wirkung des Kühlers, und

Fig. 7 und 8 den Gegenstand von Fig. 6 in einer mittleren Stellung (Fig. 7) und bei völliger Ausschaltung (Fig. 8) der wirksamen Fläche der Kühlers.

In den Fig. 1, 3 und 4 ist eine kalte Abschreckkammer 1 dargestellt, die von einem druckfesten Kammergehäuse 2 umgeben und absperrbar an eine nicht gezeigte Druckgasquelle angeschlossen ist. Das Kammer gehäuse 2 ist größtenteils mit einer Wärmedämmung 3 ausgekleidet. Im Unterteil des Kammergehäuses 2 ist eine Ausnehmung 4 angeordnet, in die mittels eines Hubantriebes 5 ein Kühler 6 raumfüllend absenkbar ist (Fig. 4). Im Kammergehäuse 2 ist ferner ein Chargenträger 7 angeord net, der aus zwei seitlichen Schienen besteht, die senkrecht zur Zeichen ebene verlaufen. Auf dem Chargenträger 7 ruht eine Charge 8, bestehend aus zwei Tragrosten 9 und 10, auf denen Gruppen von Werkstücken 11 in stehender und räumlich verteilter Anordnung vom Kühlgas durchströmbar aufgereiht sind. Wie zu erkennen ist, füllt der Kühler 6, in einer vertikalen Projektion gesehen, die Querschnittsfläche der Charge 8 voll aus.

Oberhalb der Charge 8 ist eine Leiteinrichtung 12 für das Kühlgas ange ordnet, die gleichfalls die Querschnittsfläche der Charge 8 voll ausfüllt. Das Kühlgas wird durch ein Kühlgebläse 13 mit einem Antriebsmotor 14 im Kreislauf gefördert, und zwar wird es seitlich aus dem Kühler 6 abgezo gen, dann an einer gekrümmten Leitfläche 15 aufwärts umgelenkt und der Ansaugöffnung 16 des Kühlgebläses 13 zugeführt. Von dessen Umfang strömt das Kühlgas zur Leiteinrichtung 12, durch die es von der Waag rechten in die Senkrechte nach unten umgelenkt wird und die Charge 8 durchströmt. Die Transportrichtung der Charge 8 beim Be- und Entladen verläuft in Richtung der Chargenträger 7, also gleichfalls senkrecht zur Zeichenebene. Die hierfür erforderliche mindestens eine Kammertür ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Zwischen dem als Radialgebläse ausgeführten Kühlgebläse 13 und der Umlenkeinrichtung 12 befindet sich im Kühlgasstrom eine Temperatur meßeinrichtung 17, deren Ausgang einer Regelanordnung 18 aufgeschaltet ist, die ein Steuerventil 19 des Hubantriebes 5 temperaturabhängig und nach Maßgabe eines Sollwertes steuert. Um Strömungskurzschlüsse zu vermeiden, ist in der Abschreckkammer 1 eine Trennwand 20 angeordnet, die vom Chargenträger 7 bis zur Eintrittsöffnung 16 des Kühlgebläses reicht. Wie zu erkennen ist, ist das Kühlgebläse 13 mit senkrechter Gebläseachse seitlich neben und höher als die Leiteinrichtung 12 ange ordnet. Auch oberhalb der Umlenkeinrichtung 12 hat die Oberfläche 21 der Wärmedämmung 3 einen strömungsgünstigen Verlauf.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse in logarithmischem Maßstab die Zeit von 1 Sekunde bis 1000 Sekunden, also ca. 17 Minuten, aufgetragen ist und auf der Ordinate in linearem Maßstab die Temperatur von 0 bis 900 in Grad Celsius. Die Austenit-, Perlit- Bainit- und Martensit bereiche A, P, B und M sind schraffiert hervorgehoben. Zwecks Vermei dung einer Perlit- und Bainitbildung dürfen die Abkühlkurven für die Randtemperatur TR und die Kerntemperatur TK auf keinen Fall durch die entsprechenden Bereich P und B verlaufen, d. h. bis kurz vor Erreichen der Zwischenstufentemperatur TZ müssen die Abkühlkurven TR und TK durch entsprechende Kühlleistung möglich steil verlaufen, wie dies dargestellt ist. Dies wird durch eine Stellung des Kühlers 6 gemäß Fig. 1 erreicht, in der das gesamte Volumen des Kühler vom Kühlgas durchströmt wird. Zur besseren Erläuterung der EP 0 798 391 A1 ist nun die dort angegebene Abkühldauer von 35 Sekunden für die Absenkung der Temperatur von 800 auf 500°C als Punkt "X" in dieses Diagramm eingetragen, und es ist zu erkennen, daß zumindest bei dem Stahl 100Cr6 ein Perlitgefüge entstehen würde, weil die Abkühlkurve durch den Punkt "X" verlaufen würde.

Die Fig. 3 und 4 zeigen nun, auf welche Weise die Kühlleistung des Kühlers 6 veränderbar ist. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Zwi schenstufentemperatur TZ wird der Kühler 6 zum gegeben Zeitpunkt in eine der möglichen Stellungen mittels des Hubantriebs 5 zwischen der jenigen nach Fig. 1 und Fig. 4 verfahren, so daß variable Anteile der im Kreislauf geführten Kühlgasmenge durch den Kühler 6 oder an diesem vorbei durch den Spalt zwischen der Oberseite des Kühlers 6 und der Unterkante der Trennwand 20 geführt werden. Siehe die Pfeile 22 in den Fig. 3 und 4. In der Stellung nach Fig. 4 ist der Kühler 6 praktisch völlig aus dem Kühlgaskreislauf zurückgezogen. Auf diese Weise läßt sich die Zwischenstufentemperatur TZ vorwählbar und automatisch erreichen und über fange Zeiträume aufrecht erhalten, zumindest solange, bis ein Temperaturausgleich zwischen allen Werkstücken der Charge erreicht ist.

Die Ofenanlage nach Fig. 5 besitzt eine Heizkammer 23 zum Aufheizen der Charge(n) 8 und eine kalte Abschreckkammer 1 gemäß den Fig. 1, 3 und 4 oder gemäß den Fig. 6 bis 8. Neue Chargen 8 werden mittels eines Transportwagens 24 auf Schienen 25 vorgefahren und durch die kalte Abschreckkammer 1 hindurch in die Heizkammer 23 geladen und dort auf die erforderliche Austenittemperatur aufgeheizt. Nach erreichen dieser Temperatur wird die jeweilige Charge 8 in die kalte Abschreck kammer 1 umgeladen und dort auf die vorgegebene Zwischenstufen temperatur TZ abgeschreckt.

Nach dem Temperaturausgleich wird die jeweilige Charge 8 in eine beheizte und thermisch isolierte Transportkammer 26 umgeladen und auf den gleichen Schienen vor die nicht näher bezeichnete Schleusentür einer Glühkammer 27 gefahren und eingeschleust. Wegen der erforderlichen Verweilzeiten sind in der Glühkammer 27 mehrere Glühzonen und mehrere Chargen 8 untergebracht, die jedoch einzeln ein- und ausgeladen werden. An die Glühkammer 27 schließt sich eine Abkühlkammer 28 an, in der die Chargen einzeln auf die Entnahmetemperatur (z. B. Umgebungstempe ratur) abgekühlt werden. Der Abtransport der abgekühlten Charge 8 erfolgt wiederum über einen Transportwagen 29 auf Schienen 30.

In den Fig. 6 bis 8 werden für gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zu den Fig. 1, 3 und 4 ist jedoch der Kühler 6 ortsfest angeordnet, was die Kühlwasserführung erleichtert, und zwar unterhalb des Kühlgebläses 13. Die Regulierung der über den Kühler 6 geführten Kühlgasmenge erfolgt jetzt durch einen Strömungswiderstand 31, der als Schieber ausgebildet ist und nach Maßgabe der Temperaturmeßeinrichtung 17, der Regelanord nung 18 und des Hubantriebs 5 einen mehr oder wenig großen Anteil der Kühlfläche des Kühlers 6 freigibt.

Die Fig. 7 und 8 zeigen nun, auf welche Weise die Kühlleistung des Kühlers 6 veränderbar ist. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Zwischenstufentemperatur TZ wird der Strömungswiderstand 31 zum gegeben Zeitpunkt in eine der möglichen Stellungen mittels des Huban triebs 5 zwischen derjenigen nach Fig. 6 und Fig. 8 verfahren, so daß variable Anteile der im Kreislauf geführten Kühlgasmenge durch den Kühler 6 oder an diesem vorbei durch den Spalt zwischen der Oberkante des Strömungswiderstandes 31 und der Unterkante der Trennwand 20 geführt werden. Siehe die Pfeile 32 in den Fig. 6 und 7. In der Stellung nach Fig. 8 ist der Kühler 6 praktisch völlig gegenüber dem Kühlgaskreislauf abgeschirmt. Auf diese Weise läßt sich die Zwischenstufentemperatur TZ vorwählbar und automatisch erreichen und über lange Zeiträume aufrecht erhalten, zumindest solange, bis eine Temperaturausgleich zwischen allen Werkstücken der Charge erreicht ist.

Bezüglich der metallurgischen Überlegungen gelten auch hier die Ausfüh rungen zur Fig. 2.

Beispiel

In einer Vorrichtung nach den Fig. 1, 3, 4 und 5 wurde eine Charge aus Werkstücken (PKW-Getriebeteile) aus der Legierung 100Cr6 nach dem Zeit-Temperaturprofil gemäß Fig. 2 von einer Anfangstemperatur T1 von 850°C im Austenitbereich A mit maximal möglicher Abkühlgeschwindigkeit auf eine Zwischenstufentemperatur TZ von 250°C abgekühlt. Die Charge war mittels zweier Roste auf zwei Etagen verteilt. Die Gesamtoberfläche des Kühlers (100%) war beim ersten Verfahrensabschnitt dem Kühlgas strom ausgesetzt; die Temperatur des zugeführten Kühlwassers betrug 30°C. Als Kühlgas wurde Helium bei einem Druck von 20 bar verwendet. Die Umwälzgeschwindigkeit des Kühlgases betrug an der Werkstück oberfläche 20 m/sec. Kurz vor Erreichen der Zwischenstufentemperatur TZ von 250°C wurde der Kühler aus dem Kühlgaskreislauf temperaturgeregelt gemäß den Fig. 3 oder 4 herausgefahren, das Kühlgas im zweiten Verfahrensabschnitt aber weiterhin in voller Menge und bei im wesentli chen der gleichen Temperatur wie die Zwischenstufentemperatur TZ über die Charge geführt. Durch Einzelmessungen an exponierten Werkstücken (Mitte, Randbereiche) wurde festgestellt, daß sich die Werkstücktempera turen TR und TK in Rand- und Kernbereich aller Werkstücke sehr rasch homogenisierten. Anschließend wurde die Charge bei der gleichen Zwischenstufentemperatur TZ in die Glühkammer 27 nach Fig. 5 über führt. Nach einer Haltedauer von mehreren Stunden wurde die Charge in die Abkühlkammer 28 nach Fig. 5 überführt und dort auf nahezu Raum temperatur abgekühlt und alsdann an Atmosphäre ausgefahren.

Bezugszeichenliste

1

kalte Abschreckkammer

2

Kammergehäuse

3

Wärmedämmung

4

Ausnehmung

5

Hubantrieb

6

Kühler

7

Chargenträger

8

Charge

9

Tragrost

10

Tragrost

11

Werkstücke

12

Leiteinrichtung

13

Kühlgebläse

14

Antriebsmotor

15

Leitfläche

16

Ansaugöffnung

17

Temperaturmeßeinrichtung

18

Regelanordnung

19

Steuerventil

20

Trennwand

21

Oberfläche

22

Pfeile

23

Heizkammer

24

Transportwagens

25

Schienen

26

Transportkammer

27

Glühkammer

28

Abkühlkammer

29

Transportwagen

30

auf Schienen

31

Strömungswiderstand

32

Pfeile
A Austenitbereich
B Bainitbereich
M Martensitbereiche
P Perlitbereich
TR Randtemperatur
TK Kerntemperatur
TZ Zwischenstufentemperatur
X Punkt

Claims

1. Verfahren zum Vergüten einer Charge (8) von Werkstücken (11) aus Stahl durch Abschrecken aus dem Austenitbereich, insbesondere von schwer härtbaren Stählen, durch Umwälzen von unter Überdruck stehendem Kühlgas in einer kalten Abschreckkammer (1) einer Ofen anlage mittels mindestens eines Kühlgebläses (13) zwischen minde stens einem Kühler (6) und der Charge (8), dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen unverändertem Gasdruck (p) und im wesentlichen unveränderter Gasgeschwindigkeit (v)

a) in einem ersten Verfahrensabschnitt eine maximale Kühlleistung des Kühlers (6) zur Verfügung gestellt wird, derart, daß der zeitliche Verlauf der Abkühlung der Charge (8) weder durch den Perlitbereich (P) noch durch den Bainitbereich (B) geführt wird, die beide vom Werkstoff abhängig sind,
b) in einem zweiten Verfahrensabschnitt in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur (T) mindestens ein Teil der Kühl fläche des Kühlers (6) abgeschirmt und die Umwälzung des Kühlgases fortgesetzt wird, derart, daß in diesem Verfahrens abschnitt die Temperatur oberhalb des vom Werkstoff abhängi gen Martensitbereichs (M) zumindest im wesentlichen konstant gehalten und eine homogene Temperaturverteilung in der Charge (8) erreicht wird, und daß
c) in einem weiteren Verfahrensabschnitt die Temperatur der Char ge (8) durch Zwangskühlung ohne Durchlaufen des Martensit bereichs (M) weiter abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tem peratur der Charge (8) im zweiten Verfahrensabschnitt auf Werten zwischen 400°C und 250°C gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Charge (8) nach Erreichen einer im wesentlichen homogenen Temperatur verteilung im zweiten Verfahrensabschnitt aus der kalten Abschreck kammer (1) bis zur Beendigung der Vergütung in eine Glühkammer (27) übergeführt und in dieser auf einer Temperatur oberhalb des Martensitbereichs (M) gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Verfahrensabschnitt mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers (6) in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur (T) aus dem Strömungsweg des umgewälzten Kühlgases zurückgezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Verfahrensabschnitt mindestens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers (6) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur durch minde stens einen Strömungswiderstand (31) gegenüber der Strömung des umgewälzten Kühlgases abgeschirmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Charge (8) nach Verlassen der Glühkammer (27) in einer Abkühlkammer (28) auf eine vorgegebene Entnahmetemperatur abgekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abküh lung der Charge (8) im ersten und im zweiten Verfahrensabschnitt unter einen Kühlgasdruck von mindestens 10 bar durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl gas ein Gas oder Gasgemisch aus der Gruppe Wasserstoff und Helium verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl gas ein Gas oder Gasgemisch mit Gasen aus der Gruppe Wasser stoff und Helium mit maximal 50 Volumensprozent eines anderen Inertgases verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühl gas ein Gas oder Gasgemisch mit Gasen aus der Gruppe Wasser stoff und Helium mit maximal 50 Volumensprozent Stickstoff ver wendet wird.

11. Ofenanlage zum Vergüten von Chargen (8) von Werkstücken (11) aus Stahl durch Abschrecken, insbesondere von schwer härtbaren Stählen, mit einer kalten Abschreckkammer (1), die mindestens einen Kühler (6) mit einer Kühlfläche und mindestens ein Kühl gebläse (13) zum Umwälzen von Kühlgas in einem Kühlgaskreislauf zwischen dem mindestens einem Kühler (6) und der Charge (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlgaskreislauf vor dem Eintritt des Kühlgases in die Charge (4) eine Temperaturmeßeinrich tung (17) zur Messung des Temperaturverlaufs des Kühlgases angeordnet ist, und daß die dem Kühlgas ausgesetzte Kühlfläche des Kühlers (6) nach Maßgabe der Temperaturmessung veränder bar ist.

12. Ofenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß min destens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers (6) in Abhängigkeit von der gemessenen Gastemperatur aus dem Strömungsweg des umgewälzten Kühlgases zurückziehbar ist.

13. Ofenanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Abschreckkammer (1) eine Ausnehmung (4) besitzt, in die der Kühler (8) zurückziehbar ist.

14. Ofenanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß min destens ein Teil der Kühlfläche des Kühlers (6) in durch mindestens einen Strömungswiderstand (31) gegenüber der Strömung des umgewälzten Kühlgases abschirmbar ist.

15. Ofenanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand (31) als Klappe oder Schieber ausgebildet ist.

16. Ofenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der kalten Abschreckkamer (1) eine Glühkammer (27) nachgeschaltet ist, in der die Charge (8) für eine vorgegebene Zeitspanne zumin dest im wesentlichen auf der Temperatur am Ende des zweiten Verfahrensabschnitts haltbar ist.

17. Ofenanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkamer (27) eine Abkühlkammer (28) nachgeschaltet ist, in der die Charge (8) auf eine vorgebbare Entnahmetemperatur abkühlbar ist.

18. Ofenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Abschreckkammer (1) von Wandungen umgeben ist, die mit einer Wärmedämmung (3) versehen sind.

19. Ofenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Abschreckkammer (1) mindestens einen Chargenträger (7) für die waagrechte Halterung von Tragrosten (9, 10) für die Charge (8) besitzt, daß der Kühler (6) unterhalb des mindestens einen Char genträgers (7) angeordnet ist und die Querschnittsfläche der Charge (8) ausfüllt, daß oberhalb der Charge (8) eine Leitein richtung (12) für das Kühlgas angeordnet ist, die die Querschnitts fläche der Charge (8) ausfüllt und durch die die Kühlgasströmung aus der Waagrechten in die Senkrechte umlenkbar ist, und daß das Kühlgebläse (13) ein Radialgebläse ist, das mit senkrechter Gebläseachse seitlich neben und oberhalb der Leiteinrichtung (12) angeordnet ist.

20. Ofenanlage nach den Ansprüchen 11 und 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (17) für das Kühlgas zwischen dem Kühlgebläse (13) und der Leiteinrichtung (12) ange ordnet ist.

21. Ofenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Temperaturmeßeinrichtung (17) einer Regelanordnung (18) aufgeschaltet ist, durch die die gegenüber der Kühlgasströ mung wirksame Fläche des Kühlers (6) veränderbar ist.

22. Ofenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kühlgas ausgesetzte Kühlfläche des Kühlers (6) zwischen 0 und 100% veränderbar ist.

23. Ofenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Abschreckkammer (1) und eine Glühkammer (27) in Paral lelanordnung zwischen ersten und zweiten Schienen (25, 30) angeordnet sind, wobei von der ersten Schiene (25) aus die kalte Abschreckkamer (1) und die Glühkammer (27) mittels eines beheizbaren und isolierten Transportwagens (29) beschickbar sind.

24. Ofenanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß in Transportrichtung der Chargen (8) hinter der Glühkammer (27) eine Abkühlkammer (28) angeordnet ist, aus der die Chargen (8) auf einen Transportwagen (29) auf der zweiten Schiene (30) umladbar sind.

25. Ofenanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den ersten Schienen (25) abgekehrten Seite der kalten Abschreckkammer (1) eine Heizkammer (23) angeordnet ist, die durch die kalte Abschreckkammer (1) hindurch mit den Chargen (8) beladbar ist.

26. Ofenanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Schienen (25, 30) einerseits und die Glüh kammer (27) sowie die Abkühlkammer (28) andererseits in Form eines "U" angeordnet sind und daß die kalte Abschreckkamer (1) mit der Heizkammer (23) innerhalb des "U" angeordnet sind.