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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gasabschreckung von wärmebehandelten Bauteilen mit einer Abschreckkammer zur chargenweisen Aufnahme der Bauteile, mit einem einen Ventilator aufweisenden, an die Abschreckkammer angeschlossenen Kühlgaskreislauf und einer Kühleinrichtung zur Kühlung des an den Bauteilen erwärmten Kühlgases sowie eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Temperatur des Kühlgases an zumindest einer Stelle im Kühlgaskreislauf sowie eine Regeleinrichtung zur Regelung der Kühleinrichtung.
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Mit einer solchen Vorrichtung können wärmebehandelte Bauteile abgeschreckt werden, so dass ihr austenitisches Gefüge in Bainit umgewandelt wird. Voraussetzung für diese Umwandlung ist eine rasche Abkühlung der Bauteile von der Austenisierungstemperatur, die typischerweise bei 850 bis 950° C liegt, auf eine Haltetemperatur, die je nach Werkstoff zwischen 150 und 400° C liegt. Nach der Abkühlung wird das Bauteil auf der Haltetemperatur gehalten. Eine rasche Abschreckung und ein Halten auf einer spezifischen Haltetemperatur sind wichtig für den Prozess, da ein zu langsames Abkühlen zur Bildung von Perlit und ein Unterschreiten der Haltetemperatur zur Bildung von Martensit führt. Beide Gefügeformen sind unerwünscht und mindern die Bauteilqualität. Derzeit erfolgt das bainitische Härten überwiegend im Salzbad. Dabei werden die Bauteile aus dem Austenisierungsofen offen zu einem flüssigen Salzbad, das auf Haltetemperatur steht, geführt und darin eingetaucht. Nachdem die Bauteile im Salzbad auf Haltetemperatur abgekühlt sind, werden sie direkt in einen Luftumwälzofen umgesetzt, in dem die Umwandlung in ein bainitisches Gefüge erfolgt. Nachteilig ist hierbei der Aufwand für die anschließende Reinigung der Bauteile. Bei hoch beanspruchten Bauteilen mit feinen Bohrungen – zum Beispiel für die Kraftstoffeinspritztechnik – ist eine Reinigung nicht produktionssicher möglich, was zu einem Korrosionsangriff und damit verbundenen Bauteilausfällen führen kann. Einen weiteren Nachteil stellt das Umsetzen der Bauteile über Luft dar, da hierbei die Bauteil Oberfläche oxidiert. Weitere Nachteile ergeben sich dadurch, dass die verwendeten Abschrecksalze umweltschädlich sind und die Behandlung nur schwer zu automatisieren ist, d. h. nicht in eine Fertigungslinie integriert werden kann.
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Es wurde daher schon vorgeschlagen, die Abschreckung in einem Gasstrom durchzuführen. Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist in der
DE 199 02 032 C1 beschrieben. Demnach werden die Bauteile in eine kalte Abschreckkammer eingebracht und ein kaltes Kühlgas, vorzugsweise Stickstoff, in die Kammer eingelassen, wobei es anschließend über einen externen, in einer Rohrleitung angeordneten Ventilator umgewälzt wird. Das umgewälzte Gas strömt durch zwei Zweigleitungen, wobei es in der einen Zweigleitung erwärmt und in der anderen gekühlt werden kann. Durch eine Regelung der Durchflussrate durch die beiden Zweigleitungen mittels zweier Ventile soll der Abschreckprozess sowohl in der Abschreckphase als auch in der Haltephase gesteuert werden. Auf Grund der in der Regel großen Masse der Kammer und der angeschlossenen Rohrleitungssysteme sowie auf Grund der großen Menge an eingebrachtem Gas in Relation zu dem Gewicht der zu behandelnden Bauteile ergeben sich regelungstechnische Probleme, so dass insbesondere ein Unterkühlen von dünnwandigen Bauteilsegmenten nicht ausgeschlossen werden kann. Dies würde dazu führen, dass das Bauteil an diesen Stellen martensitisch umgewandelt wird.
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Die Erfindung beruht somit auf dem Problem, Maßnahmen zu schaffen, mit denen die Prozessführung vereinfacht und sicherer gestaltet wird, wobei insbesondere eine auch nur abschnittsweise auftretende Unterkühlung der Bauteile vermieden werden soll.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, dass in dem Kühlgaskreislauf ein thermischer Puffer angeordnet ist.
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Unter einem thermischen Puffer soll ein Gebilde mit hoher Wärmekapazität verstanden werden, das in der Lage ist, große Wärmemengen aufzunehmen, ohne dass dabei seine Temperatur wesentlich erhöht wird. Dabei ist die Wärmekapazität zu messen an den Wärmekapazitäten der Anlage selbst und der Menge des umzuwälzenden Kühlgases. Ein solcher Puffer kann insbesondere in der Abschreckphase eine große Menge an Wärme aufnehmen, so dass die Regelung der weiteren Einrichtungen zur Kühlung des Kühlgases nur eine geringe Regelintensität aufweist, wodurch insbesondere Übersteuerungen vermieden werden. In der Temperaturhaltephase nimmt das Kühlgas wieder Wärmeenergie vom Puffer auf, aber ohne dabei stark in der Temperatur anzusteigen, da der Puffer wegen seiner hohen Wärmekapazität zuvor nur eine geringe Temperaturerhöhung erfahren hat und seine Temperatur damit praktisch auf der vorgegebenen Haltetemperatur liegt. Auch in der Temperaturhaltephase sind daher zusätzliche Regeleingriffe nur im geringen Maße notwendig, so dass hier ebenfalls Übersteuerungen vermieden werden.
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Eine Form der Kühleinrichtung zur Kühlung des an den Bauteilen erwärmten Kühlgases besteht aus einem Gasauslass aus dem Kühlgaskreislauf stromabwärts der Abschreckkammer und aus einem an einen Gasvorrat angeschlossenen, ventilgesteuerten Kühlgaseinlass stromaufwärts der Abschreckkammer. Das Gas befindet sich entweder auf Raumtemperatur oder auf der Haltetemperatur. Aus dem Gasauslass wird druckgesteuert gerade die Kühlgasmenge abgelassen, die der Menge des über den Kühlgaseinlass zugeführten Gases in den Kühlgaskreislauf entspricht.
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Bei einer solchen Vorrichtung wird der thermische Puffer vorzugsweise in Strömungsrichtung betrachtet vor dem Kühlgaseinlass angeordnet, so dass zunächst eine Temperaturregelung "durch den Puffer" erfolgt und erst dann eine nachfolgende Feinregelung durch die Zufuhr von gekühltem Gas, die daher übersteuerungsfrei durchgeführt werden kann.
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Für den Fall, dass das zugeführte Kühlgas ein tiefkaltes, flüssiges Kühlgas ist, ist es sinnvoll, den thermischen Puffer in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem Kühlgaseinlass anzuordnen, damit das Kühlgas, bevor es in die Abschreckkammer gelangt, durch den Puffer strömen kann und dabei dessen Temperatur annimmt. Auf diese Weise wird eine Vergleichmäßigung der Temperatur erreicht, mit der das Kühlgas in die Abschreckkammer eintritt, so dass weniger Regeleingriffe notwendig werden und eine Unterkühlung des Kühlgases unter die Haltetemperatur vermieden wird.
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Die Kühlung kann auch durch eine parallel zum thermischen Puffer angeordnete Parallelleitung zum Kühlgaskreislauf bestehen, in der ein Wärmetauscher angeordnet ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Puffer um ein metallisches Gebilde mit einer großen Oberfläche und mit einer im Verhältnis zum umgewälzten Gasstrom hohen thermischen Masse. Bei dem Puffer kann es sich zum Beispiel um ein Rohrbündel handeln. Ein solches Rohrbündel ist einfach herzustellen und braucht, um die gewünschte Pufferwirkung zu entfalten, lediglich im Kühlgaskreislauf angeordnet werden.
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Um eine Vorheizung der Vorrichtung zu bewirken, ist im Kühlgaskreislauf eine Heizung angeordnet, die vorzugsweise vor dem thermischen Puffer liegt. Mit der Heizung soll die Vorrichtung auf die projektierte Haltetemperatur gebracht werden, bevor die abzuschreckende Charge in die Abschreckkammer eingebracht wird. Da die Heizung unmittelbar vor dem Puffer liegt, wird dieser ebenfalls vor dem Einbringen der Charge auf die Haltetemperatur vorgeheizt, so dass sich für die selbsttätige Regelung durch die Wirkung des Puffers eine Grundtemperatur einstellt.
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Die Kühlung des Kühlgases während des Abschreckvorganges kann durch die Zufuhr von auf Raumtemperatur liegendem Gas oder aber mit einem tiefgekühlten Gas erfolgen, was besonders effektiv ist.
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Durch das System, nämlich die Verwendung eines heißen Gasstromes zum Kühlen und eines großen thermischen Puffers, werden in idealer Weise die thermischen Bedingungen in einem Salzbad nachgebildet, ohne allerdings die eingangs beschriebenen großen Nachteile von Salzbädern in Kauf nehmen zu müssen. Weiterhin besteht der Vorteil, dass gegenüber der Salzbadabschreckung die Bauteile nicht mehr nach der Wärmebehandlung gereinigt werden müssen, so dass auch Teile mit engen Bohrungen behandelt werden können, die mit Anlagen gemäß dem Stand der Technik nicht bainitisch gehärtet werden konnten. Gegenüber dem bekannten trockenen Verfahren besteht der Vorteil, dass die Bauteile während des gesamten Abschreckprozesses mit Heißgas abgeschreckt werden, so dass auch komplizierte Bauteilgeometrien prozesssicher behandelt werden können.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung kann vor allem ein Abschreckverfahren gemäß des beigefügten Verfahrensanspruches durchgeführt werden.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in der beigefügten, einzigen Figur eine Vorrichtung schematisch angedeutet.
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Die Vorrichtung besteht aus einer Abschreckkammer 1, in die eine zu kühlende Charge aus Bauteilen 2 eingebracht wird und die, was hier nicht näher dargestellt ist, hermetisch geschlossen werden kann. Die Abschreckkammer 1 ist in einem Kühlgaskreislauf 3 angeordnet, wobei Kühlgas über einen Zulauf 4 in die Abschreckkammer 1 gelangt und über einen Ausgang 5 aus ihr wieder herausgeführt wird, nachdem es zuvor über die Bauteile 2 geleitet worden ist. Unmittelbar vor dem Zulauf 4 befindet sich ein von einem Elektromotor angetriebener Ventilator 6, der das im Kühlgaskreislauf 3 vorhandene Gas umwälzt.
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Hinter dem Ausgang 5 zweigt an einem Auslass 7 eine Leitung zu einem Sammelbehälter 8 ab. In dieser Leitung befindet sich ein Überdruckventil 9, das zum Beispiel auf 0,6 MPa eingestellt ist, so dass bei einer weiter unten näher beschriebenen Zufuhr von Gas in den Kühlgaskreislauf 3, die eine Druckerhöhung zur Folge hätte, am Auslass 7 eine entsprechende Gasmenge dem Kühlgaskreislauf 3 wieder entnommen wird, so dass im Kreislauf stets die gleiche Gasmenge vorhanden ist. In der Leitung befindet sich weiterhin ein Wärmetauscher 9a, der das erwärmte Kühlgas wieder auf dem Weg in den Sammelbehälter 8 rückkühlt.
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In Strömungsrichtung betrachtet folgt dem Auslass 7 eine Heizung 10 im Kühlgaskreislauf 3, der ein thermischer Puffer 11 nachgeordnet ist, wobei der Puffer die Form eines Rohrbündels haben kann. Für die genaue Position des Puffers liegen zwei Möglichkeiten vor:
- (1) In Strömungsrichtung hinter dem thermischen Puffer 11 bzw. auf Höhe des thermischen Puffers 11 befinden sich ein oder mehrere Einlässe 12 zur Zufuhr von Kühlgas, vorzugsweise Stickstoff. Die Einlässe 12 sind mit einem ersten Vorratsbehälter 13 für Kühlgas, das auf Haltetemperatur vorgewärmt ist, verbunden. Eine weitere Verbindung besteht mit einem zweiten Vorratsbehälter 14, bei dem das Kühlgas auf Raumtemperatur gehalten wird. Dieser zweite Vorratsbehälter 14 wird aus dem Sammelbehälter 8 über einen Kompressor 15 gespeist. Eine weitere Verbindung der Einlässe 12 besteht zu einem dritten Vorratsbehälter 16 mit einem stark unterkühlten verflüssigten Gas, z. B. mit einem flüssigen Stickstoff. Alle Verbindungen sind ventilgesteuert (Einlassventile 17, 18, 19).
- (2) Der thermische Puffer kann gemäß der strichpunktiert dargestellten Position 11' auch unmittelbar vor dem Ventilator 6 und hinter den Einlässen 12 angeordnet sein. Die Position ist insbesondere dann von Interesse, wenn über den Einlass 12 als zusätzliches Kühlgas ein tiefkaltes Gas aus dem dritten Vorratsbehälter 16 in den Kühlgaskreislauf eingelassen wird. Der Temperaturausgleich im Puffer verhindert dann ein mögliches Unterkühlen der Bauteile.
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Ein Temperatursensor 20 befindet sich innerhalb der Abschreckkammer 1 im Zulauf 4 zu den Bauteilen 2. Mittels einer Regeleinrichtung 21 wird die vom Temperatursensor 20 gemessene Temperatur aufgenommen und zur Regelung der Kühlgastemperatur durch eine Ansteuerung der Einlassventile 17, 18, 19 und der Heizung 10 herangezogen.
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Zusätzlich zu der beschriebenen Anordnung kann eine parallel zum Abschnitt des Kühlgaskreislaufes mit dem thermischen Puffer 11 verlaufende Parallelleitung 22 vorgesehen werden, die ebenfalls ventilgesteuert ist (Ventil 23) und einen Wärmetauscher 24 aufweist.
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Zum Abschrecken der Bauteile 2 einer Charge wird wie folgt vorgegangen: Falls dies noch nicht erfolgt ist, wird durch eine Inbetriebnahme der Heizung 10 und durch ein Umwälzen von z.B. Luft im Kühlgaskreislauf mittels des Ventilators 6 die Abschreckkammer 1 und der Kühlgaskreislauf 3, die beide nach außen thermisch durch eine geeignet angeordnete Isolierschicht 25 isoliert sind, auf die gewünschte Haltetemperatur von z. B. 250° C vorgeheizt. Ebenfalls auf die Haltetemperatur vorgeheizt wird der Gasvorrat in dem ersten Vorratsbehälter 13. Das Gas im zweiten Vorratsbehälter 14 besitzt Raumtemperatur.
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Dieses Vorheizen wird ggf. bei folgenden Abschreckvorgängen wiederholt und die Anlage auf Haltetemperatur gebracht. Für ein wiederholtes Vorheizen reicht es möglicherweise aus, die mit dem Ventilator 6 über das umgewälzte Gasvolumen in die Kammer eingebrachte Wärmeenergie zu nutzen.
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Danach wird die Abschreckkammer evakuiert und eine Charge mit Hilfe einer Transportvorrichtung einem vorgeschalteten Vakuumofen entnommen und in die vorgewärmte Abschreckkammer umgesetzt. Die Abschreckkammer wird zusätzlich mit einem Schutzgas gefüllt, wenn der vorgeschaltete Ofen ein Schutzgasofen ist, um die Schutzgasatmosphäre für die Bauteile aufrecht zu erhalten. Für diesen Fall kann auch schon das Vorheizen der Abschreckkammer mit Schutzgas erfolgen.
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Sobald sich die Bauteile in der Abschreckkammer befinden, wird der Ventilator 6 gestartet. Anschließend wird das vorgewärmte Kühlgas über das erste Einlassventil 17 aus dem ersten Vorratsbehälter 13 in die Abschreckkammer 1 eingelassen, bis der gewünschte Arbeitsdruck erreicht ist. Der Arbeitsdruck kann je nach der Legierungszusammensetzung der bainitisch zu härtenden Werkstücke zwischen 0,1 bis 2 MPa liegen. Dabei wird die Temperatur des Kühlgases im Zulauf 4 zu der Abschreckkammer 1 gemessen. Durch die aus der Charge abgeführte Wärmeenergie erwärmt sich das Kühlgas über die Haltetemperatur hinaus. Um es aber auf dieser Temperatur zu halten, wird über das zweite Einlassventil 18 das auf Raumtemperatur stehende Kühlgas aus dem zweiten Vorratsbehälter 14 in den Kühlgaskreislauf eingelassen. Gleichzeitig wird eine entsprechende Gasmenge über das Druckventil 9 in den Sammelbehälter 8 abgelassen. Das zweite Einlassventil 18 wird zur Temperaturregelung mittels des Reglers 21 abhängig von der gemessenen Gastemperatur angesteuert. Dabei kann auch die Heizung 10 als weiteres Regelelement in die Regelung einbezogen werden.
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Anstelle des Raumtemperatur aufweisenden Kühlgases kann auch ein tiefkaltes, flüssiges Kühlgas, z. B. Stickstoff, aus dem dritten Vorratsbehälter 16 in die Abschreckkammer 1 eingesprüht werden. Dies hat den Vorteil, dass eine wesentlich höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Zulauf 4 und dem Ausgang 5 der Abschreckkammer 1 erzielt wird und zusätzlich die Verdampfungsenthalpie des Gases zur Wärmeabfuhr aus der Abschreckkammer 1 genutzt werden kann. Dadurch wird der Gasverbrauch erheblich gesenkt und das Verfahren wirtschaftlicher.
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Eine weitere Variante der Wärmeabfuhr bezieht die Parallelleitung 22 ein. Über das regelbare Ventil 23 in der Parallelleitung 22 kann ein Teilstrom des umlaufenden Kühlgases über den Wärmetauscher 24 geführt und somit gekühlt werden.
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Mit allen oben erwähnten Methoden soll erreicht werden, dass am Zulauf 4 in die Abschreckkammer 1 die Haltetemperatur nicht unterschritten wird.
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Mit Hilfe des thermischen Puffers 11 wird diese Regelung verbessert und weniger empfindlich. Der thermische Puffer 11 wird zu Beginn des Vorganges ebenfalls auf Haltetemperatur erwärmt. Wenn während der Abschreckung das heiße Gas diesen Puffer 11 durchströmt, wird ein Großteil der Wärmemenge zunächst an diesen Puffer abgegeben. Aufgrund seiner hohen thermischen Masse erhöht sich dabei die Temperatur des Puffers 11 nur geringfügig. Am Ende des Abschreckprozesses wird der Puffer 11 durch den inzwischen auf Haltetemperatur stehenden Gasstrom wieder zurück gekühlt. Auf diese Weise verringert sich der regelungstechnische Aufwand, da die Temperaturspitzen wirksam in der thermischen Masse gepuffert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abschreckkammer
- 2
- Bauteil
- 3
- Kühlgaskreislauf
- 4
- Zulauf
- 5
- Ausgang
- 6
- Ventilator
- 7
- Auslass
- 8
- Sammelbehälter
- 9
- Überdruckventil
- 9a
- Wärmetauscher
- 10
- Heizung
- 11
- Puffer
- 12
- Einlass
- 13
- erster Vorratsbehälter
- 14
- zweiter Vorratsbehälter
- 15
- Kompressor
- 16
- dritter Vorratsbehälter
- 17
- erstes Einlassventil
- 18
- zweites Einlassventil
- 19
- drittes Einlassventil
- 20
- Temperatursensor
- 21
- Regeleinrichtung
- 22
- Parallelleitung
- 23
- Ventil
- 24
- Wärmetauscher
- 25
- Isolierschicht
