DE102011116903A1

DE102011116903A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontrollierten Abschreckung durch Heißgas-Sprühkühlung in der Wärrnebehandlung

Info

Publication number: DE102011116903A1
Application number: DE102011116903A
Authority: DE
Inventors: Udo Fritsching; Björn Hinrichs
Original assignee: IWT BREMEN STIFTUNG INST fur WERKSTOFFTECHNIK; Iwt Bremen Stiftung Institut fur Werkstofftechnik
Current assignee: IWT BREMEN STIFTUNG INST fur WERKSTOFFTECHNIK; Iwt Bremen Stiftung Institut fur Werkstofftechnik
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-04-25

Abstract

Die präzise Wärmebehandlung im Bereich neuartiger metallischer Werkstoffe erfordert die Durchführung eines kontrollierten und regelbaren Temperatur/Zeit – Abkühlverlaufs der Bauteile. Diese Prozessabläufe können zurzeit nur in bedingtem Umfang durch Salzbäder oder mittels Hochdruckgasabschreckung realisiert werden. Diese Methoden bieten aber keine Möglichkeiten für die lokal begrenzte Wärmebehandlung und nur bedingte Potentiale im Bereich der Wärmeübergangskoeffizientenvariation sowie der Temperaturkontrolle und -regelung. Eine Heißgas-Sprühkühlung (Zweistoff-Sprühkühlung mit fluidem Abschreckmedium und wahlweise erhitzbarem Gas) ermöglicht eine lokal begrenzte und regelbare Wärmebehandlung mit variablen Wärmeübergangskoeffizienten. Durch die Gestaltung der Sprays/Jets und ihre Anordnung im Düsenfeld ist es möglich, die Wärmebehandlung lokal definiert auf das Bauteil auf zubringen. Desweitern kann durch die Variation der Sprayparameter der Wärmeübergangskoeffizient von einer schroffen Abkühlung bis hin zur isothermen Wärmebehandlung eingestellt werden. Das Verfahren eignet sich besonders zur regelbaren lokalen Wärmebehandlung einzelner Hochleistungsbauteile mit komplexer Geometrie.

Description

Im Bereich der Wärmebehandlung von metallischen Bauteilen bspw. aus Stählen oder Aluminiumlegierungen sind durch die Weiterentwicklung im Bereich der Materialwissenschaften und der Nachfrage nach besseren Materialeigenschaften für eine optimierende Konstruktion auch die Anforderungen an die Wärmebehandlung gestiegen. Die Wärmebehandlungsvorgänge sind in den letzten Jahren komplexer geworden und benötigen eine präzise Steuerung im Bereich der Abschreckgeschwindigkeiten und Temperaturverteilungen. So werden bspw. für hochduktile, bainitische Stähle (HDB) Wärmebehandlungen angestrebt, die eine schroffe Abkühlung des Erzeugnisteils aus der Austenitisierungstemperatur von ca. 900°C auf Bainitisierungstemperatur von ca. 400°C und anschließend ein isothermes Halten auf dieser Bainitisierungstemperatur fordern, um das gewünschte Gefüge vollständig einzustellen. Diese Art der Wärmebehandlung wird nach dem Stand der Technik durch zwei Varianten befriedigend gelöst. Die erste Variante ist eine Abschreckung der Erzeugnisteile in einem Salzbad mit anschließendem Verweilen in diesem bis zur gewünschten Gefügeeinstellung. Diese Variante ist besonders durch die kostenintensive und umweltproblematische Haltung und Wartung von Salzbädern und deren hohes Gefahrenpotential nicht optimal. Die zweite Variante ist eine Methode zur trockenen Bainitisierung. Dieses Verfahren ist in der Patentschrift DE 199 02 032 C1 niedergelegt. Durch die gesteuerte Einstellung der Temperatur und des Druckes in einer Hochdruckgasabschreckanlage ist es möglich, ähnliche Wärmebehandlungsverläufe vorzunehmen. Bei dieser Variante sind aber, bedingt durch das Abschreckmedium Gas/Luft, nur begrenzte Abkühlgeschwindigkeiten erreichbar. Des Weiteren bieten beide Varianten keine Möglichkeit zur lokal begrenzten Wärmebehandlung im Erzeugnisteil.
Der im Patentanspruch 1. angegebenen Erfindung liegen folgende Probleme zugrunde:

– hohe Gefahrenpotentiale durch Abschreckmedien, wie z. B. Salzbäder
– geringe Wärmeübergangskoeffizienten/Abkühlgeschwindigkeiten bei der Gaskühlung
– keine Möglichkeit zur lokal begrenzten Wärmebehandlung.

Diese Probleme werden durch die Anwendung der Einzelverfahren oder die Kombination mehrerer Verfahren nach den Patentansprüchen 1. bis 5. gelöst.
Die mit dieser Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, dass ein Verfahren oder eine Verfahrenskombination aus den Patentansprüchen 1. bis 5. zur Wärmebehandlung erarbeitet wurde, mit der eine Vielzahl von unterschiedlichen Parametern für die Wärmebehandlung metallischer Bauteile kontrolliert und gesteuert werden kann. Die Kombination der verschiedenen Verfahren bietet die Möglichkeit einer hochflexiblen Wärmebehandlung mit stark gemindertem Gefahrenpotential. Durch den Einsatz von bspw. Luft und Wasser sind Probleme, welche bei der Anwendung von Salzbädern vorhanden sind, ausgeschlossen. Des Weiteren sind geringe Wärmeübergangskoeffizienten, welche einer isothermen Wärmebehandlung entsprechen, bis zu 20 000 W/m²K, welche einer Wärmebehandlung durch Spraykühlung entsprechen, möglich. Somit lässt sich ein größerer Bereich der Wärmeübergangskoeffizienten abdecken als bei der Hochdruckgasabschreckung (bis ca. 1000 W/m²K im Mittel).
Eine zweckmäßige Prozessführung der Erfindung nutzt als Medien

– auf der Gasseite inerte oder reaktive Gase wie Stickstoff, Sauerstoff, Helium, Argon, Wasserstoff oder Mischungen dieser wie z. B. Luft,
– auf der Flüssigkeitsseite Abschreckmedien wie Wasser, Öle oder Polymerlösungen.

Eine vorteilhafte 1. Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2. angegeben. Die Implementierung des Verfahrens in Patentanspruch 1. ermöglicht eine lokal begrenzte Wärmebehandlung des Erzeugnisteils. Hierdurch lassen sich auch gezielt lokale Gefügeunterschiede im Werkstück einstellen.
Eine 2. Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 3. ermöglicht eine energie- und ressourcenschonende, isotherme Wärmebehandlung. Durch die Nutzung der Eigenwärme der Erzeugnisteile wird der Heißgasstrom erwärmt und benötigt somit keine oder nur eine geringe zusätzliche Wärmezufuhr für die isotherme Wärmebehandlung.
Die 3. Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 4. und 5. ermöglicht eine gezielte und der Anwendung angepassten Gefügeeinstellung im Erzeugnisteil. So ist es möglich, Erzeugnisteile mit Härtegradienten oder Duktilitätsgradienten, je nach Anwendungsfall, zu erzeugen. Die Wärmebehandlung ist durch die Kombination der verschiedenen Verfahren nach Patentanspruch 1. bis 5. lokal unabhängig an der Bauteiloberfläche einsetzbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung ( ) dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Bezogen auf die . wird das Erzeugnisteil (9) in der Abschreckvorrichtung (1) von einer hohen Temperatur über die Düsen (2) abgekühlt. Diese Abkühlung kann, je nach Düsenkonfiguration, lokal begrenzt oder homogen verteilt über das Erzeugnisteil (9) erfolgen. Die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit kann hierbei über die Regelung der einzelnen Volumenströme der versprühten Medien (Gas und Flüssigkeit) erfolgen. Die Volumenströme können über die Pumpe (4) oder den Kompressor (5) reguliert werden. Zusätzlich ist es ebenfalls möglich die Drücke über Ventile (3) zu steuern. Durch das Besprühen des Bauteils mit einer Mehrphasenströmung sind hohe Abkühlgeschwindigkeiten und deren präzise Kontrolle möglich. Nach der Abkühlung kann eine isotherme Wärmebehandlung erfolgen. Hierfür wird der Massenfluss der Flüssigkeitszufuhr gestoppt. Synchron hierzu wird der Massenstrom des Heißgases geregelt. Das Heißgas strömt nun aus den Düsen (2) auf das Bauteil und erzeugt dadurch ein ähnliches Temperaturniveau in der direkten Umgebung des Erzeugnisteils (9), wie das Erzeugnisteil selbst. Durch das hohe Temperaturniveau der Umgebung wird eine isotherme Wärmebehandlung ermöglicht.
Das Gas wird vor dem Prozess kalt bereitgestellt. Das Gas wird durch einen Wärmetauscher (7) geführt und kann auch durch die Abwärme des schon genutzten Gases (8) vorgewärmt. Schließlich wird das warme Gas durch einen Wärmetauscher (6) auf Prozesstemperatur erhitzt. Das nun vorhandene Heißgas strömt, gesteuert durch die Ventile (3) und gerichtet durch die Düsen auf das Erzeugnisteil. Je nach Anordnung der Düsen erfolgt eine lokal begrenzte oder homogen verteilte Abkühlung. Durch die Kombination der Gasdüsen und der Zweistoffdüsen ist es möglich, starke Gradienten mit unterschiedlichen Gefügen im Bauteil herzustellen oder komplexe Abkühlverläufe zu realisieren. Ein abwechselndes Aufheizen mit Heißgas und Abkühlen mit Spraykühlung ist ebenso möglich wie eine isotherme Wärmebehandlung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19902032 C1 [0001]

Claims

Verfahren zur gesteuerten Wärmebehandlung von metallischen Bauteilen mit anspruchsvollen Abkühlverläufen, bei dem die lokale Abkühlgeschwindigkeit über die Spray- und Strahlparameter sowie den Heißgasparametern auf die Wärmebehandlung eingestellt werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine sich in der Abschreckvorrichtung befindende metallische Probe durch einen Zweistoff-Strahl/Spray, wobei der Gasstrom wahlweise vorerhitzt werden kann, abgeschreckt wird und danach über eine bestimmte Zeit auf einer Haltetemperatur, welche durch die Anströmung von Heißgas erzeugt wird, gezielt wärmebehandelt werden kann.
Verfahren zur lokalen Gefügeeinstellung durch gerichtetes Halten/Erwärmen mit Heißgasdüsen und gerichtetes Abkühlen mit Strahl/Spray-Düsen (2 und 1). Dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter zur Gefügeeinstellung nach Patentanspruch 1. eingestellt werden, jedoch die Wärmebehandlung nur lokal an dem Erzeugnisteil angewandt wird.
Verfahren zur Nutzung der Eigenwärme als Vorwärme oder als vollständige Energiequelle zur Erwärmung des Heißgases (8 und 7). Dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Umgebungsmedium als Wärmeträger die Energie über einen Wärmetauscher (7) dem Heißgas zuführt, sodass die Energieverluste gering sind.
Verfahren zur Kombination von Heißgas und Strahlkühlung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmebehandlung als Abkühlverfahren ein Prall- oder Spraystrahl und als Wärmequelle Heißgas eingesetzt wird.
Verfahren zur Durchführung komplexer Abkühlverläufe, bei denen durch eine Steuerung Abkühl- und Aufwärmvorgänge kombiniert werden können. Dadurch gekennzeichnet, dass die Kombinationsmöglichkeiten sich aus dem zeitabhängigen Beaufschlagen des Erzeugnisteils mit Zweistoff-Spray und Kalt/Heißgas oder Fluidstrahl und Kalt/Heißgas oder Kalt/Heißgas allein zusammensetzen.