DE102008036490B4 - Verfahren zur Hochdruckgasabschreckung und Vorrichtung dafür - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Hochdruckgasabschreckung mit den folgenden Schritten: – Einbringen wenigstens eines heißen Werkstückes in eine Hochdruckgasabschreckkammer mit einem Kühlgaseinlass und einem Kühlgasauslass, – Abschrecken des Werkstückes in einem Kühlgasstrom durch Umwälzen eines Kühlgases in der Hochdruckgasabschreckkammer, wobei das Gas im Umlauf über das heiße Werkstück und anschließend über einen Gaskühler strömt, so dass das Werkstück kontinuierlich abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abschreckung oder bei einer darauf folgenden thermischen Behandlung des Werkstückes ein Strahlen des Werkstückes mit einem Strahlmittel erfolgt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Hochdruckgasabschreckung mit den folgenden Schritten:
• – Einbringen wenigstens eines heißen Werkstückes in eine Hochdruckgasabschreckkammer mit einem Kühl gaseinlass und einem Kühlgasauslass,
• – Abschrecken des Werkstückes in einem Kühlgasstrom durch Umwälzen eines Kühlgases in der Hochdruckgasabschreckkammer, wobei das Gas im Umlauf über das heiße Werkstück und anschließend über einen Gaskühler strömt, so dass das Werkstück kontinuierlich abkühlt.
• Ein solches als Hochdruckgasabschreckung bezeichnetes Verfahren ist zum Beispiel in dem Aufsatz: Entwicklung des dynamischen Abschreckens in Hochdruckgasabschreckanlagen, V. Heuer, K. Löser in Mat.-wiss u. Werkstofftech. 34, 56–63 (2003) sowie in der DE 10 2004 051 546 beschrieben.
• Die Hochdruck-Gasabschreckung hat sich als zuverlässiges Abschreckverfahren in der industriellen Praxis etabliert. Dabei ist die Hochdruck-Gasabschreckung zumeist Bestandteil einer Vakuumwärmebehandlung wie z. B. Vakuumhärtung, Vakuumaufkohlung oder Plasmaaufkohlung. Die Vorteile der Hochdruck-Gasabschreckung bestehen insbesondere darin, dass nur geringe Verzüge an den Werkstücken induziert werden, wozu die Abschreckparameter, wie Gasdruck und Gasgeschwindigkeit, sorgfältig auszuwählen sind.
• Zur Verfestigung von Werkstückoberflächen ist es bekannt, Werkstücke mit einem Strahlmittel zu strahlen. Das Strahlen erfolgt unabhängig von einer thermischen Behandlung und somit erst, wenn eine durchgeführte thermische Behandlung der Werkstücke schon abgeschlossen wurde.
• Ein Beispiel für das Strahlen von Werkstücken ist das Kugelstrahlen oder Kugelstrahlverfestigen als ein Anwendungsgebiet des Strahlens nach DIN 8200. Der Name Kugelstrahlen lässt sich auf die Verwendung von kugeligem Strahlmittel zurückführen.
• Kugelstrahlen ist eine Oberflächenbehandlung. Dabei werden mittels Schleuderrad-, Druckluft- oder Injektor-Strahlanlagen kleine Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks geschleudert. Bedingt durch die hohe Geschwindigkeit und den hohen Luftdruck (bis ca. 1 MPa, normalerweise 0,2–0,5 MPa) in der Leitung wird das Strahlmittel beschleunigt und zum Aufprall auf die zu bearbeitende Oberfläche gebracht. Dadurch kommt es zu einer Verfestigung und einer elastischen-plastischen Verformung im Bereich der Oberfläche, was Druckeigenspannungen zur Folge hat, die die Dauerfestigkeit des Werkstückes steigern.
• Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, die Festigkeit des Werkstückes und insbesondere seine Dauerfestigkeit weiter zu steigern.
• Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass während der Abschreckung oder bei einer darauf folgenden thermischen Behandlung des Werkstückes ein Strahlen des Werkstückes mit einem Strahlmittel in der Hochdruckgasabschreckkammer erfolgt.
• Auf diese Weise ist zu erwarten, dass durch eine Überlagerung der Thermo- und der Umwandlungsspannungen aus dem Abschreckprozess mit den Druckeigenspannungen aus dem Strahlprozess eine Erhöhung der Dauerfestigkeit erzielt werden kann.
• Weitere Effekte, die durch ein Strahlen während des Abschreckvorganges oder während einer darauf folgenden thermischen Behandlung erreicht werden können, sind: Die Schaffung von räumlichen Oberflächenstrukturen, um z. B. eine bessere Haftung für Schmiermittel zu erzielen, und eine generelle Qualitätsverbesserung von Werkstücken.
• Das Verfahren kann sowohl mit nur einem Werkstück, aber auch mit mehreren Werkstücken gleichzeitig durchgeführt werden, wobei die maximale Anzahl im Wesentlichen durch die Erreichbarkeit der Werkstücke für das Strahlmittel bestimmt wird. Die Verwendung des Singulars in den Ansprüchen ist daher nicht einschränkend zu verstehen.
• Das Strahlen kann während der Abschreckung selbst oder bei einer der Abschreckung folgenden thermischen Behandlung erfolgen. Beispiele für eine thermische Behandlung sind: Das Anlassen und das Bainitisieren. Beim Anlassen werden die in der Regel auf Raumtemperatur abgeschreckten Werkstücke in einem Anlassofen bei Temperaturen zwischen 160°C und 190°C angelassen. Ein Bainitisieren erfolgt bei Temperaturen um die 250°C, wobei der Abschreckvorgang bei dieser Temperatur abgebrochen wird und die Werkstücke unmittelbar über Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden. Häufig erfolgt dies in einem gesonderten Halteofen.
• Wenn das Strahlen mit einem Strahlmittel in Abhängigkeit von der durch die Abschreckung der Werkstücke vorliegenden aktuellen Temperatur der Werkstücke erfolgt, kann die Wirkung des Strahlens exakt gesteuert werden. Dabei kann die Temperatur der Werkstücke unmittelbar oder mittelbar durch die Gastemperatur bestimmt werden.
• Gute Effekte sind auch zu erwarten, wenn das Strahlen in Intervallen erfolgt.
• Eine hohe Dauerfestigkeit der Oberfläche der Werkstücke ist auch zu erwarten, wenn das Strahlen während der Phasenumwandlung des Werkstoffes des Werkstückes in ein Bainit oder während des Anlassens erfolgt.
• Anlassen ist ein Verfahren der Wärmebehandlung, bei dem das Werkstück durch Erwärmen auf Temperaturen unterhalb des Umwandlungspunktes erhitzt wird. Dabei werden innere Spannungen abgebaut.
• Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens besteht aus einer Hochdruckgasabschreckkammer, in der Mittel zum Strahlen des Werkstückes vorhanden sind, oder aus einer einer Abschreckkammer nachgeordneten Halte- oder Anlasskammer, in der Mittel zum Strahlen des Werkstückes vorhanden sind.
• Neben den oben erwähnten Vorteilen der Prozessführung ergibt sich bei der baulichen Zusammenführung von Abschreckung bzw. Anlassen und Bainitisieren einerseits und Strahlen andererseits auch eine Vereinfachung der Vorrichtung, da beide Prozessschritte in einer Anordnung durchgeführt werden, so dass die Prozesskette sowohl in räumlicher als auch in zeitlicher Hinsicht verkürzt wird.
• Im Folgenden soll anhand zweier Ausführungsbeispiele die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Abschreckvorrichtung mit Mitteln zum Strahlen und
• 2 eine schematische Darstellung einer Ofenkammer mit Mitteln zum Strahlen.
• Die Abschreckvorrichtung besteht aus einer die abzuschreckenden Werkstücke 3 aufnehmenden Hochdruckgasabschreckkammer 1, durch die in einem Kreislauf 2 ein Kühlgasstrom geleitet werden kann, wobei das Gas abwechselnd über die heißen Werkstücke 3 und einen oberhalb und unterhalb der Werkstücke 3 angeordneten Gaskühler 4 strömt. Die Umwälzung des Gases übernehmen zwei im Kreislauf angeordnete Ventilatoren 5. Die Steuerung des Abschreckvorgangs erfolgt über eine Prozesssteuerung 6, die mit dem Ventilator 5 und einem Gaseinlassventil 7 bzw. Gasauslassventil 8 an der Hochdruckgasabschreckkammer 1 verbunden ist. Durch Steuerung des Ventilators 5, der die Gasgeschwindigkeit bestimmt, und/oder des Gaseinlassventils 7 bzw. Gasauslassventils 8, mit dem der Abschreckdruck bestimmt wird, ist es möglich, dass ein zeitlicher Temperaturverlauf erreicht wird.
• In der Figur sind außerdem schematisch Mittel 10 zum Strahlen der Werkstücke 3 dargestellt, deren Steuerung temperaturabhängig oder nach einem bestimmten Zeitschema erfolgt.
• Der Austritt für das Strahlmittel kann so gelegt werden, dass es von dem Abschreckgas mitgerissen wird (z. B. oberhalb der Werkstücke 3), so dass gesonderte Mittel zum Beschleunigen des Strahlmittels nicht unbedingt notwendig sind. Falls höhere Geschwindigkeiten des Strahlmittels benötigt werden, müssen aber zusätzliche Beschleunigungsmittel, wie z. B. ein Schleuderrad oder ein Hochdruckdüsensystem zum Einsatz kommen.
• Ein Temperatursensor 11 bestimmt die Temperatur der Charge oder des Abschreckgases, so dass mit Hilfe der Prozess-Steuerung zu einem geeigneten Zeitpunkt, zu dem eine für ein Strahlen geeignete Temperatur vorliegt, das Mittel 10 zum Strahlen durch Zuführung eines Strahlmittels aktiviert werden kann.
• Eine zum Strahlen geeignete Temperatur kann während des Abschreckvorganges selbst oder einer der Abschreckung folgenden Phase des Anlassens oder des Bainitisierens vorliegen.
• Bei der Ausführung nach 1 erfolgt das Strahlen in der Abschreckkammer vorzugsweise während des Abschreckens selbst. Falls nicht nur ein Werkstück, sondern gleichzeitig mehrere Werkstücke sowohl abgeschreckt als auch gestrahlt werden sollen, darf die in die Abschreckkammer eingebrachte Charge nicht zu viele Werkstücke umfassen: Der zwischen den einzelnen Werkstücken vorliegende Abstand muss so groß sein, dass das Strahlmittel alle Werkstücke im gleichen Maße erreicht. Um dies zu bewerkstelligen, kann die Charge als Ganzes drehbar gelagert sein oder die einzelnen Werkstücke in einem Gestell drehbar angeordnet werden.
• Die 2 zeigt eine Ausführung, bei der ein einzelnes Werkstück 12 in einem Halte- oder Anlassofen 13 gestrahlt wird. Ein solcher Ofen ist einer Abschreckkammer nachgeordnet und dient dem Bainitisieren oder Anlassen von Werkstücken. Die darin angeordneten Mittel (10) zum Strahlen können dabei so angesteuert werden, dass nur Teilbereiche des Werkstückes gestrahlt werden. Bei der in der 2 dargestellten Zahnradwelle 14 können z. B. nur die Flanken des Zahnrades gestrahlt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Hochdruckgasabschreckkammer

2

Kreislauf

3

Werkstücke

4

Gaskühler

5

Ventilator

6

Prozesssteuerung

7

Gaseinlassventil

8

Gasauslassventil

9

10

Mittel zum Strahlen

11

Temperatursensor

12

Werkstück

13

Halte- oder Anlassofen

14

Zahnradwelle

Claims (8)

1. Verfahren zur Hochdruckgasabschreckung mit den folgenden Schritten: – Einbringen wenigstens eines heißen Werkstückes in eine Hochdruckgasabschreckkammer mit einem Kühlgaseinlass und einem Kühlgasauslass, – Abschrecken des Werkstückes in einem Kühlgasstrom durch Umwälzen eines Kühlgases in der Hochdruckgasabschreckkammer, wobei das Gas im Umlauf über das heiße Werkstück und anschließend über einen Gaskühler strömt, so dass das Werkstück kontinuierlich abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abschreckung oder bei einer darauf folgenden thermischen Behandlung des Werkstückes ein Strahlen des Werkstückes mit einem Strahlmittel erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen mit einem Strahlmittel in Abhängigkeit von der durch die Abschreckung der Werkstücke vorliegenden aktuellen Temperatur der Werkstücke erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Temperatur, auf Grund derer das Strahlen gesteuert wird, auf einer Messung der Gastemperatur oder der Werkstücktemperatur beruht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen in Intervallen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen während der Phasenumwandlung des Werkstoffes des Werkstückes in ein Bainit erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlen während des Anlassens erfolgt.
7. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Hochdruckgasabschreckkammer (1), in der Mittel (10) zum Strahlen des Werkstückes vorhanden sind.
8. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer einer Hochdruckgasabschreckkammer (1) nachgeordneten Halte- oder Anlasskammer, in der Mittel (10) zum Strahlen des Werkstückes vorhanden sind.

Images