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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur chargenweisen Wärmebehandlung von Leichtmetall-Gussteilen, insbesondere zur Wärmebehandlung von Aluminium-Gussteilen, durch Lösungsglühen und Abschrecken.
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Leichtmetall-Gussteile, wie insbesondere Aluminium-Gussteile, können einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um bestimmte Bauteil- bzw. Werkstoffeigenschaften zu erzielen. So können bspw. aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung gefertigte Gussteile einer sogenannten T6- oder T7-Wärmebehandlung (umfassend ein Lösungsglühen mit anschließendem Abschrecken und nachfolgendem Warmauslagern) unterzogen werden, um einen Festigkeits- und Härteanstieg zu erreichen.
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Für eine wirtschaftliche Wärmebehandlung werden zumeist mehrere Leichtmetall-Gussteile, die eine sogenannte Charge bilden, auf einem sogenannten Chargiergestell angeordnet und dann zusammen mit dem Chargiergestell in einen Ofen (oder dergleichen) sowie, falls vorgesehen, anschließend auch in eine Abschreckkammer (oder dergleichen) eingebracht (sogenannter Chargenbetrieb). Aus der hohen Gesamtmasse (Bauteil- bzw. Werkstückmassen + Chargiergestellmasse) resultiert mitunter eine sehr lange Aufheiz- und Abkühlzeit, was sowohl wirtschaftlich als auch energetisch ungünstig ist.
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In der
DE 10 2011 119 002 A1 derselben Anmelderin sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Leichtmetall-Gussteilen beschrieben.
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Vorgesehen ist die Durchführung einer Wärmebehandlung mittels eines Wirbelbettofens. Durch die Verwendung des Wirbelbettverfahrens zur Wärmebehandlung gegossener Leichtmetall-Gussteile wird eine sehr kurze Wärmebehandlungsdauer bspw. gegenüber konventionellen Konvektionsöfen erreicht.
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Mit der Erfindung soll wenigstens ein mit dem Stand der Technik einhergehender Nachteil vermieden oder zumindest vermindert werden.
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Dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 und mit der erfindungsgemäßen Anlage (Vorrichtung) des nebengeordneten Patentanspruchs, wobei die erfindungsgemäße Anlage insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen und entsprechend ausgebildet ist. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung von Leichtmetall-Gussteilen umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- - Anordnen mehrerer Leichtmetall-Gussteile in bzw. auf einem Chargiergestell;
- - Vorerwärmen der im Chargiergestell angeordneten Leichtmetall-Gussteile in einer (ersten) Wirbelbett-Heizkammer;
- - anschließendes Lösungsglühen der im Chargiergestell angeordneten Leichtmetall-Gussteile in einem Lösungsglühofen;
- - anschließendes Abschrecken bzw. Abschreckkühlen der im Chargiergestell angeordneten lösungsgeglühten Leichtmetall-Gussteile.
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Eine Wirbelbett-Heizkammer ist ein Behälter (auch als Retorte bezeichnet), welcher bis zu einer gewissen Höhe mit einem erhitzten Granulat (Wirbelgut) zur Bildung eines Heizwirbelbetts gefüllt ist. (Die Wirbelbett-Technologie ist als solche bekannt, wozu im Weiteren auf entsprechende Fachliteratur verwiesen wird.) Das Chargiergestell kann zusammen mit den darin angeordneten bzw. aufgenommenen Leichtmetall-Gussteilen in das Heizwirbelbett eingetaucht werden. Durch Einblasen eines Gases (der Ausdruck „Gas“ bezeichnet im Rahmen der Erfindung sowohl Luft als auch andere Gase, wie sie bei der Wirbelbettbehandlung metallischer Werkstücke bzw. Bauteile üblich sind) wird das erhitzte Granulat fluidisiert und verhält sich wie ein Heizfluid (Heizmedium), wobei es zu einem engen Kontakt und zu einem guten Wärmeübergang zwischen dem Granulat und den Leichtmetall-Gussteilen bzw. dem Chargiergestell kommt. Als Granulat bzw. Heizmedium wird bevorzugt Quarzsand oder Aluminiumoxidkorund verwendet. Bevorzugt weist die Wirbelbett-Heizkammer eine Heizeinrichtung für das Granulat bzw. Heizmedium auf.
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Bei den mit Wärme zu behandelnden Leichtmetall-Gussteilen handelt es sich bevorzugt um Aluminium-, Titan- oder Magnesium-Gussteile und insbesondere um Aluminium-, Titan- oder Magnesium-Druckgussteile. D. h., diese Leichtmetall-Gussteile sind urformend aus einer im Wesentlichen Aluminium, Titan oder Magnesium enthaltenden Gusslegierung gefertigt. Bevorzugt handelt es sich bei den Leichtmetall-Gussteilen um schalenartige, d. h. flächige und dünnwandige, und somit besonders verzugsanfällige Gussteile, die bspw. an der dünnsten Stelle eine Wanddicke von nicht mehr 2,5 mm, bevorzugt von nicht mehr als 2,0 mm und insbesondere von nicht mehr als 1,5 mm aufweisen. Die Leichtmetall-Gussteile sind insbesondere Karosseriebauteile, speziell Strukturbauteile, oder Fahrwerksbauteile für ein Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung sieht also vor, dass quasi als Vorstufe zum Lösungsglühen im Lösungsglühofen ein chargenweises Erwärmen bzw. Vorerwärmen der Leichtmetall-Gussteile in einem Heizwirbelbett bzw. in einer Wirbelbett-Heizkammer erfolgt. Aus dem guten Wärmeübergang (s. o.) resultiert eine schnelle und homogene Erwärmung bzw. Aufheizung der Leichtmetall-Gussteile (und auch des Chargiergestells), wodurch einerseits Maßabweichungen verringert werden und sich andererseits wirtschaftliche sowie energetische Vorteile ergeben. Das Lösungsglühen erfolgt jedoch in einem Lösungsglühofen, der insbesondere als Konvektionsofen ausgebildet ist bzw. betrieben wird (s. u.), sodass keine Gefahr besteht, dass sich die Leichtmetall-Gussteile durch die mechanische Einwirkung des Wirbelbetts bzw. des Granulats verziehen. Mit der Erfindung kann also die Maßhaltigkeit der wärmebehandelten Leichtmetall-Gussteile verbessert werden. Die Erfindung ist daher insbesondere auch für die Wärmebehandlung von dünnwandigen Leichtmetall-Gussteilen (s. o.) geeignet. Ferner begünstigt die Erfindung einen hohen Anlagendurchsatz.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen:
- - Vorerwärmen der im Chargiergestell angeordneten (und zuvor) abschreckgekühlten Leichtmetall-Gussteile in einer anderen (zweiten) Wirbelbett-Heizkammer;
- - anschließendes Warmauslagern der im Chargiergestell angeordneten Leichtmetall-Gussteile in einem Auslagerungsofen.
Analog zu den vorausgehenden Erläuterungen ist also ein Erwärmen bzw. Vorerwärmen der Leichtmetall-Gussteile in einem Heizwirbelbett bzw. in einer Wirbelbett-Heizkammer quasi als Vorstufe für das Warmauslagern in einem Auslagerungsofen vorgesehen, wodurch sich entsprechende Vorteile ergeben.
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Der Lösungsglühofen und/oder der Auslagerungsofen ist bevorzugt als Konvektionsofen ausgebildet bzw. wird als Konvektionsofen betrieben. D. h., der Wärmeübergang auf die Leichtmetall-Gussteile (und das Chargiergestell) geschieht fast ausschließlich durch (erzwungene) Konvektion.
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Beim Vorerwärmen kann die Lösungsglühtemperatur bzw. die Warmauslagerungstemperatur erreicht werden. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die beim Vorerwärmen (im Heizwirbelbett bzw. in der Wirbelbett-Heizkammer) erreichte Temperatur (womit zumindest die Temperatur der Leichtmetall-Gussteile gemeint ist) unterhalb der Lösungsglühtemperatur bzw. unterhalb der Warmauslagerungstemperatur liegt. D. h., die Leichtmetall-Gussteile (und das Chargiergestell) werden beim Vorerwärmen vor dem Lösungsglühen und/oder beim Vorerwärmen vor dem Warmauslagern nicht auf die Lösungsglühtemperatur bzw. Warmauslagerungstemperatur erwärmt. Um dies zu erreichen, ist die Temperatur das Granulats (Wirbelguts) in der Wirbelbett-Heizkammer geringer als die Temperatur im Lösungsglühofen bzw. im Auslagerungsofen. Bevorzugt liegt die beim Vorerwärmen erreichte Temperatur zwischen 50 K und 100 K (deutlich) unterhalb der Lösungsglühtemperatur bzw. Warmauslagerungstemperatur. Dies wirkt sich vorteilig auf die Maßhaltigkeit der Leichtmetall-Gussteile aus. Ferner ergeben sich auch energetische Vorteile.
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Das Abschrecken der im Chargiergestell angeordneten lösungsgeglühten Leichtmetall-Gussteile kann in einem Wasser- oder Ölbad oder ein einer Abschreckkammer durch Anblasen mit Luft oder Luft-Wasser-Gemisch erfolgen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das Abschrecken in einem Kühlwirbelbett bzw. in einer Wirbelbett-Kühlkammer erfolgt. Dadurch kann eine besonders schnelle und homogene Abkühlung der Leichtmetall-Gussteile (und auch des Chargiergestells) erreicht werden. Analog zu den vorausgehenden Erläuterungen ist eine Wirbelbett-Kühlkammer ein Behälter, welcher bis zu einer gewissen Höhe mit einem kühlen Granulat (Wirbelgut) gefüllt ist, das sich wie ein Kühlfluid (Kühlmedium) verhält. Als Granulat bzw. Kühlmedium wird bevorzugt Quarzsand oder Aluminiumoxidkorund verwendet. Das Granulat bzw. Kühlmedium kann eine Temperatur aufweisen, die unterhalb der Raumtemperatur liegt. Bevorzugt weist die Wirbelbett-Kühlkammer eine Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung des Granulats bzw. Kühlmediums auf (s. u.). Das Granulat bzw. Kühlmedium kann bspw. auch durch Einblasen eines kalten Gases (z. B. Stickstoff, gegebenenfalls auch flüssiger Stickstoff) aktiv gekühlt werden.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren vollautomatisiert ausgeführt. Für den Transfer eines Chargiergestells zusammen mit den darin angeordneten Leichtmetall-Gussteilen wird bevorzugt wenigstens ein Roboter oder dergleichen verwendet. Der Transfer umfasst bevorzugt alle Transportwege sowie auch das Eintauchen bzw. Einbringen und Ausheben bzw. Ausbringen des Chargiergestells an den Wirbelbettkammern und Öfen.
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Die erfindungsgemäße Anlage bzw. Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Leichtmetall-Gussteilen, die hierzu (in Mehrzahl) auf einem Chargiergestell angeordnet sind, umfasst zumindest die folgenden Komponenten, die insbesondere in einer vorbestimmten Durchlaufrichtung für das Chargiergestell angeordnet oder sogar aneinandergereiht sind:
- - eine, d. h. wenigstens eine, (erste) Wirbelbett-Heizkammer zum Vorerwärmen der im Chargiergestell angeordneten Leichtmetall-Gussteile (diese Wirbelbett-Heizkammer ist quasi als Vorerwärmungseinrichtung vorgesehen);
- - einen, d. h. wenigstens einen, Lösungsglühofen zum Lösungsglühen der im Chargiergestell angeordneten (und in der Wirbelbett-Heizkammer) vorerwärmten Leichtmetall-Gussteile, wobei dieser Lösungsglühofen insbesondere als Konvektionsofen ausgebildet ist;
- - eine, d. h. wenigstens eine, Abschreckeinrichtung, wie bspw. ein Wasser- oder Ölbad oder eine Abschreckkammer, zum Abschrecken der im Chargiergestell angeordneten (und im Lösungsglühofen) lösungsgeglühten Leichtmetall-Gusstei le.
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Bevorzugt ist die Abschreckeinrichtung als Wirbelbett-Kühlkammer ausgebildet und weist insbesondere eine Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung des Kühlmediums, insbesondere Quarzsand oder Aluminiumoxidkorund, auf. Bei dieser Kühleinrichtung handelt es sich bspw. um wenigstens eine den Behälter bzw. die Retorte umgebende außenliegende Kühlleitung, bspw. in Gestalt einer Kühlspirale oder dergleichen, die mit einem Kühlmittel durchströmt wird und quasi als Wärmetauscher fungiert. Ferner kann die Wirbelbett-Kühlkammer eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung für die Kühleinrichtung aufweisen, durch welche eine bestimme Kühlmedium- bzw. Kühlfluidtemperatur und damit ein gewünschter Abkühlgradient für die Leichtmetall-Gussteile realisierbar sind. Bevorzugt ist dieser Abkühlgradient frei und stufenlos einstellbar.
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Die erfindungsgemäße Anlage kann ferner noch folgende Komponenten umfassen:
- - einen, d. h. wenigstens einen, Auslagerungsofen zum Warmauslagern der im Chargiergestell angeordneten (und zuvor) abschreckgekühlten Leichtmetall-Gussteile, wobei dieser Auslagerungsofen insbesondere als Konvektionsofen ausgebildet ist;
- - eine, d. h. wenigstens eine, andere (zweite) Wirbelbett-Heizkammer zum Vorerwärmen der im Chargiergestell angeordneten (und zuvor) abschreckgekühlten Leichtmetall-Gussteile vor dem Warmauslagern im Auslagerungsofen (auch diese Wirbelbett-Heizkammer ist quasi als Vorerwärmungseinrichtung vorgesehen), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass diese (zweite) Wirbelbett-Heizkammer in Durchlaufrichtung nach der Abschreckeinrichtung und/oder vor dem Auslagerungsofen angeordnet ist;
- - wenigstens einen Roboter oder dergleichen für den Transfer eines Chargiergestells; und/oder
- - eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Anlage.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage können auch zur Wärmebehandlung von Werkstücken bzw. Bauteilen, die aus einer Leichtmetall-Knetlegierung gebildet sind, angewendet bzw. verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in der einzigen Figur der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
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- 1 veranschaulicht schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Wärmebehandlung von Leichtmetall-Gussteilen.
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Das in 1 veranschaulichte Verfahren wird mit einer Anlage 300 ausgeführt, die eine erste Wirbelbett-Heizkammer 310, einen Lösungsglühofen 320, eine Wirbelbett-Kühlkammer 330, eine zweite Wirbelbett-Heizkammer 340 und einen Auslagerungsofen 350 umfasst. Die Komponenten 310 bis 350 der Anlage 300 können in der gezeigten Reihenfolge baulich aneinandergereiht sein, wobei dies nicht zwingend erforderlich ist. Bei dem Lösungsglühofen 320 und dem Auslagerungsofen 340 handelt es sich insbesondere um Konvektionsöfen, die bspw. als Kammeröfen ausgebildet sind. Die Wirbelbett-Kühlkammer 330 und die beiden Wirbelbett-Heizkammern 310, 340 können einen bspw. als Tauchbecken, Wanne oder dergleichen ausgebildeten Behälter, der z. B. mit Quarzsand oder Aluminiumoxidkorund gefüllt ist, aufweisen.
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Die Leichtmetall-Gussteile 100, wobei es sich insbesondere um Aluminium-Gussteile handelt, werden für die Wärmebehandlung in der Anlage 300 in einem Chargiergestell 200 angeordnet. Das Chargiergestell 200 durchläuft dann zusammen mit den darin angeordneten Leichtmetall-Gussteilen 100 in der mit Pfeilen dargestellten Durchlaufrichtung die einzelnen Komponenten 310 bis 350 der Anlage 300. Der Betrieb der Anlage 300 erfolgt insbesondere vollautomatisch. Der Transfer des Chargiergestells 200 kann mithilfe wenigstens eines (nicht dargestellten) Roboters bewerkstelligt werden.
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In einem ersten Verfahrensschritt werden die auf dem Chargiergestell 200 angeordneten Leichtmetall-Gussteile 100 in der ersten Wirbelbett-Heizkammer 310 vorerwärmt und dann in einem zweiten Schritt im Lösungsglühofen 320 lösungsgeglüht. Der Transfer der vorerwärmten Leichtmetall-Gussteile 100 von der ersten Wirbelbett-Heizkammer 310 zum Lösungsglühofen 320 erfolgt möglichst schnell, sodass die vorerwärmten Leichtmetall-Gussteile 100 bei der Umlagerung nicht auskühlen und weitgehend ohne Temperaturverlust in den Lösungsglühofen 320 einbebracht werden. Bevorzugt ist daher die erste Wirbelbett-Heizkammer 310 in räumlicher Nähe zum Lösungsglühofen 320 angeordnet, um eine kurze Transferzeit (Handlingszeit) zu ermöglichen. Beispielhaft ist hier eine Lösungsglühtemperatur von 500°C angegeben. (Das Lösungsglühen von Aluminium-Gussteilen wird üblicherweise bei Temperaturen zwischen 450°C und 545°C durchgeführt.) Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beim Vorerwärmen in der ersten Wirbelbett-Heizkammer 310 erreichte Temperatur unterhalb der Lösungsglühtemperatur liegt, wie oben erläutert. Beispielhaft ist hier eine Vorerwärmungstemperatur von 450°C angegeben.
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In einem dritten Verfahrensschritt werden die im Lösungsglühofen 320 lösungsgeglühten Leichtmetall-Gussteile 100 zusammen mit dem Chargiergestell 200 in der Wirbelbett-Kühlkammer 330 abschreckgekühlt, bevorzugt bis zur Raumtemperatur (RT) oder sogar bis zu einer Temperatur, die unterhalb der Raumtemperatur liegt.
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In einem vierten Verfahrensschritt werden die zuvor abschreckgekühlten und immer noch auf dem Chargiergestell 200 angeordneten Leichtmetall-Gussteile 100 in der zweiten Wirbelbett-Heizkammer 340 vorerwärmt und dann in einem fünften Schritt im Auslagerungsofen 350 warmausgelagert. Auch hier erfolgt der Transfer der vorerwärmten Leichtmetall-Gussteile 100 von der zweiten Wirbelbett-Heizkammer 340 zum Auslagerungsofen 350 möglichst schnell, sodass die vorerwärmten Leichtmetall-Gussteile 100 bei der Umlagerung nicht auskühlen und weitgehend ohne Temperaturverlust in den Auslagerungsofen 350 einbebracht werden. Bevorzugt ist daher die zweite Wirbelbett-Heizkammer 340 in räumlicher Nähe zum Auslagerungsofen 350 angeordnet, um eine kurze Transferzeit (Handlingszeit) zu ermöglichen. Beispielhaft ist hier eine Warmauslagerungstemperatur von 200°C angegeben. (Das Warmauslagern von Aluminium-Gussteilen wird üblicherweise bei Temperaturen zwischen 150°C und 250°C durchgeführt.) Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beim Vorerwärmen in der zweiten Wirbelbett-Heizkammer 340 erreichte Temperatur unterhalb der Warmauslagerungstemperatur liegt, wie oben erläutert. (Hierdurch ergeben sich insbesondere Zeitvorteile durch Verkürzug der Prozesszeit, sowie auch energetische Vorteile.) Beispielhaft ist hier eine Vorerwärmungstemperatur von 150°C angegeben.
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Nach dem Warmauslagern und Auskühlen werden die wärmebehandelten Leichtmetall-Gussteile 100 aus dem Chargiergestell 200 entnommen. Das Chargiergestell 200 kann dann wiederverwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011119002 A1 [0004]
