DE10352622A1 - Method and device for quenching workpieces - Google Patents

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Jörg ZIMMERMANN
Robert Dr. Ehart
Peter Dr. Nefischer
Dietmar Holzenbecher
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Abstract

In a process to manufacture a one-piece automotive cylinder head, the heat-treated cylinder head is quenched by simultaneous exposure to cooling gases on both the top and lower faces. The feed of cooling gas is sub-divided and the flow speed and rate are regulated to each face. Also claimed is a suitable quenching assembly in which aluminium cylinder heads (4) are placed on a grid (11) under an overhead cold gas blower (8) and above a lower cold gas blower (9). The cooling gas is air. The cylinder heads are presented to the cooling system on a trolley rack.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschreckung von Werkstücken aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumgusslegierung, die im Anschluss an eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung der Werkstücke angeordnet ist, wobei die Abschreckung mittels Gas erfolgt.The The invention relates to a method and a device for Deterrence of workpieces of metal, in particular of an aluminum casting alloy, in the Connection to a device for heat treatment of the workpieces is arranged, wherein the quenching is effected by means of gas.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden in Anlagen verwendet, bei denen bei den Werkstücken, z.B. Aluminiumgussteilen, durch eine Wärmebehandlung, in der Regel bestehend aus einem Lösungsglühen, einem anschließenden Abschrecken und einem daran anschließenden Warmauslagern, die Festigkeitswerte eingestellt bzw. verbessert werden.such Methods and devices are used in plants in which at the workpieces, e.g. Aluminum castings, by a heat treatment, usually consisting of a solution annealing, a subsequent Quenching and subsequent heat aging, the strength values be adjusted or improved.

Das Lösungsglühen erfolgt in Industrieöfen bei ca. 470–530°C und 3–6 Stunden Haltezeit. Das nachfolgende Abschrecken geschieht mit Luft und/oder anderen Gasen, Wasser oder in Polymerbädern. Meist erfolgt noch ein 2–4 stündiges Warmauslagern bei ca. 160–180°C.The Solution annealing takes place in industrial furnaces about 470-530 ° C and 3-6 hours Hold time. The subsequent quenching is done with air and / or other gases, water or in polymer baths. Most is still one 2-4 hour hot aging at about 160-180 ° C.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Abschreckung der Werkstücke gleichmäßig und in kurzer Zeit zu erreichen ist.task It is the object of the present invention to provide a method and an apparatus of the type mentioned above, with a deterrent workpieces evenly and can be reached in a short time.

Diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und vierten Patentanspruchs gelöst.These Task according to the invention the features of the first and fourth claim solved.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein regelbarer Wärmeentzug und damit eine gleichmäßige Abschreckung bzw. Abkühlung und allein durch die Verwendung eines Gasstromes erreicht, das eine definierte Einstellung von unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten oder Abkühlgradienten ermöglicht. Dadurch werden mehrere Werkstückeigenschaften, insbesondere die Eigenspannungen und die Festigkeitswerte, erheblich verbessert und können je nach eingestellter Abkühlgeschwindigkeit individuell zueinander abgestimmt werden. Die Abkühlung ist betriebssicher und betriebsstabil und jeder Abkühlvorgang ist reproduzierbar. Ein anschließendes Abschrecken in einer Flüssigkeit ist nicht mehr notwendig. Dadurch wird der apparative Aufwand wesentlich reduziert.at the method according to the invention becomes a controllable heat withdrawal and thus a uniform deterrent or cooling and achieved solely by the use of a gas stream, the one defined setting of different cooling rates or cooling gradients allows. As a result, several workpiece properties, in particular the residual stresses and the strength values, considerably improved and can depending on the set cooling rate individually coordinated with each other. The cooling is Reliable and stable in operation and every cooling process is reproducible. A subsequent one Quenching in a liquid is no longer necessary. As a result, the equipment cost is essential reduced.

Eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung beschreibt Anspruch 4A to carry out The method particularly suitable device describes claim 4

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.advantageous Further developments of the invention describe the dependent claims.

Um die Abschreckungswirkung einzustellen ist es sinnvoll, die Weiterbildung nach Anspruch 2 und/oder nach Anspruch 3 vorzunehmen. Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Gas zum einen in seiner Gesamtmenge und zum anderen unterschiedlich für die Oberseite und Unterseite des Werkstückes geregelt werden kann und zwar sowohl bezüglich der Gasmenge als auch der Gasgeschwindigkeit.Around to adjust the deterrent effect, it makes sense, the training make according to claim 2 and / or claim 3. Here it is advantageous that the gas in its entirety and the different for others the top and bottom of the workpiece can be fixed and although both regarding the gas quantity as well as the gas velocity.

Durch die Verwendung von Luft als Kühlgas, wie Anspruch 5 vorschlägt, wird eine besonders kostengünstig und betriebssicher arbeitende Vorrichtung erreicht.By the use of air as a cooling gas, like Claim 5 proposes will be a particularly cost effective and operating device achieved.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 erleichtert das Be- und Entladen der Vorrichtung erheblich.The Development of the invention according to claim 6 facilitates the and unloading the device significantly.

Vorteilhaft ist dabei das Gestell gegen das Werkstück oder das Werkstück gegen das Gestell verschiebbar, wie Anspruch 7 vorschlägt.Advantageous is the frame against the workpiece or the workpiece against the frame displaceable, as claim 7 proposes.

Ein besonders ökonomischer Betrieb wird durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 erzielt. Damit ist die gleichzeitige Behandlung mehrerer Werkstücke auf einfache Weise möglich.One especially economical Operation is achieved by the embodiment of the invention according to claim 8 scored. This is the simultaneous treatment of several workpieces on easy way possible.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 erleichtert das Umspülen der Werkstücke.The Development of the invention according to claim 9 facilitates the washing around the Workpieces.

Durch die Merkmale des Anspruchs 10 wird eine einstellbare, gleichmäßige Luftströmung innerhalb der oberen und unteren Kästen erreicht.By The features of claim 10 will be an adjustable, uniform air flow within the upper and lower boxes reached.

Je nach abzuschreckender Bauteilgeometrie hat sich die Weiterbildung nach Anspruch 11 bewährt, um eine gleichmäßige Abkühlung zu erzielen.ever After abzureckender component geometry has the training proven according to claim 11, for a uniform cooling achieve.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines schematisierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es stellen dar:in the The following is the invention with reference to a schematic embodiment explained in more detail. It represent:

1 eine Ansicht, teilweise geschnitten, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a view, partially in section, of a device according to the invention;

2 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer möglichen Aufteilung der Roste und Kästen; 2 a schematic cross section through a device according to the invention with a possible division of the grates and boxes;

3 eine Darstellung der Luftströmung; 3 a representation of the air flow;

4 einen Schnitt nach der Linie A-A in 3. 4 a section along the line AA in 3 ,

In 1 schließt an einen Ofen 1 zum Lösungsglühen von Werkstücken eine Zwischenkammer 2 an, die durch Tore 3 verschließbar ist. Mehrere Werkstücke 4 liegen in einem Werkstückträger 5, der durch einen Förderer 6 aus der Zwischenkammer 2 transportiert werden kann.In 1 connects to a furnace 1 for solution annealing of workpieces an intermediate chamber 2 on, through the gates 3 is closable. Several workpieces 4 lie in a workpiece carrier 5 by a sponsor 6 from the intermediate chamber 2 can be transported.

Von einem Gestell 7 kragen obere Kästen 8 und untere Kästen 9 aus, welche einzeln mit Luft beaufschlagt werden, die von Ventilatoren 10 geliefert werden. Diese werden von Motoren M angetrieben und über Steuerungen SIC gesteuert. Damit kann die verwendete Gesamtgasmenge für jedes Kastenpaar 8, 9 eingestellt werden.From a rack 7 collar upper boxes 8th and lower boxes 9 which are individually supplied with air from fans 10 to be delivered. These are driven by motors M and controlled by controls SIC. Thus, the total amount of gas used for each box pair 8th . 9 be set.

Wie aus den 2, 3 und 4 ersichtlich ist, umfassen die oberen Kästen 8 die Werkstücke von vier Seiten, nämlich von oben, und drei Seiten. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Werkstücke 4 Zylinderköpfe von Verbrennungskraftmaschinen, die auf ihrer Brennraumseite gelagert sind.Like from the 2 . 3 and 4 As can be seen, the upper boxes comprise 8th the workpieces from four sides, namely from above, and three sides. In the illustrated embodiment, the workpieces 4 Cylinder heads of internal combustion engines, which are stored on their combustion chamber side.

Die Werkstücke 4 lagern je auf einem Rost 11, so dass eine von den unteren Kästen 9 über beispielsweise als Löcher ausgebildete Austrittsöffnungen 12 austretende Luft die Werkstücke 4 von unten her im Sinne der eingetragenen Pfeile überströmen kann.The workpieces 4 ever store on a grid 11 so one of the lower boxes 9 about, for example, formed as holes outlet openings 12 escaping air the workpieces 4 from the bottom in the sense of the registered arrows can flow over.

Damit wird in diesem Beispiel der Zylinderkopf von oben, seinen beiden Längsseiten und der hinteren Querseite durch den oberen Kasten 8 umschlossen und durch den unteren Kasten 9 auf seiner Brennraumseite, so dass nur die vordere Stirnseite offen bleibt. Diese schließt bündig mit den Vorderfronten der Kästen 8 und 9 ab oder wird von diesen überragt, wie 4 zeigt.Thus, in this example, the cylinder head from above, its two longitudinal sides and the rear transverse side through the upper box 8th enclosed and through the lower box 9 on its combustion chamber side, so that only the front end remains open. This closes flush with the front fronts of the boxes 8th and 9 from or is surpassed by these, like 4 shows.

Im oberen Kasten 8 sind Austrittsöffnungen 13 angeordnet, die beim Ausführungsbeispiel als Schlitze 13 ausgebildet sind. Die aus den Schlitzen 13 austretende Luft umspült das Werkstück 4 von oben her, wie es in den 3 und 4 angedeutet ist.In the upper box 8th are outlet openings 13 arranged in the embodiment as slots 13 are formed. The out of the slots 13 escaping air flows around the workpiece 4 from above, as in the 3 and 4 is indicated.

Aus jeder Austrittsöffnung 12 bzw. 13 eines Kastens 8 bzw. 9 tritt immer die gleiche Luftmenge aus, d.h. es ist durch die Größe der einzelnen Austrittsöffnungen dafür Sorge getragen, dass über die Länge des Werkstückes keine unterschiedliche Luftmenge austritt.Out of each outlet 12 respectively. 13 a box 8th respectively. 9 occurs always the same amount of air, ie it is ensured by the size of the individual outlet openings that over the length of the workpiece no different amount of air leaks.

Insbesondere aus 4 ergibt sich die Luftführung für jeden einzelnen der Luftkästen 8 und 9. Vom Ventilator 10 wird die Luft über eine Luftvergleichmäßigungsstrecke 14 einer Messstrecke 15 zugeführt, in der Mess- und Regelgeräte VIC (Geschwindigkeit), PIC (Druck) und QIC (Menge) angeordnet sind. Nach der Messstrecke 15 gelangt die Luft in den Vorkasten 16, von wo sie über Regelklappen 17 den beiden Kästen 8 und 9 zugeführt wird. Durch die Regelklappen 17 kann die zu der Werkstückoberseite und -unterseite strömende Luft auf gleiche oder unterschiedliche Menge eingestellt werden.In particular from 4 results in the air duct for each individual air boxes 8th and 9 , From the fan 10 is the air over a Luftgleichmäßigungsstrecke 14 a measuring section 15 in which the measuring and control devices VIC (speed), PIC (pressure) and QIC (quantity) are arranged. After the test section 15 the air enters the Vorkasten 16 from where they have control valves 17 the two boxes 8th and 9 is supplied. Through the control valves 17 For example, the air flowing to the workpiece top and bottom can be set to the same or different amount.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Beispiel näher erläutert. Ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschinen aus einer Aluminiumgusslegierung mit einen Gewicht von etwa 24 kg wird mit seiner Brennraumseite auf dem Rost 11 gelagert und in einem Glühofen bei einer Temperatur von ca. 525°C ca. 5,50 Stunden geglüht.In the following, the operation of the device according to the invention will be explained in more detail using an example. A cylinder head of an internal combustion engine made of an aluminum casting alloy with a weight of about 24 kg, with its combustion chamber side on the grate 11 stored and annealed in an annealing furnace at a temperature of about 525 ° C for about 5.50 hours.

Anschließend wird er in die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung gebracht und dort gleichmäßig von oben und unten mit Luft abgeschreckt. Ein Abschrecken auf ca. 200°C wird in weniger als zwei Minuten erzielt. Hierbei wird die Luft zu gleichen Teilen auf die Ober- und Unterseite des Zylinderkopfes geleitet, wobei aus jeder Austrittsöffnung 12, 13 die gleiche Luftmenge austritt.Then it is brought into the quenching device according to the invention and there quenched evenly from the top and bottom with air. Quenching to about 200 ° C is achieved in less than two minutes. Here, the air is passed in equal parts on the top and bottom of the cylinder head, with each outlet opening 12 . 13 the same amount of air escapes.

Anschließend wird der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen und liegen gelassen, bis er auf Raumtemperatur abgekühlt ist.Subsequently, will taken from the cylinder head of the device according to the invention and let stand until it has cooled to room temperature.

Durch das regelbare Anströmen des Zylinderkopfes von oben und unten mit Luft wurden im Gegensatz zum bekannten Abschrecken in Flüssigkeiten die Eigenspannungen im Zylinderkopf messbar gesenkt und der Temperaturgradient während der Abschreckung und damit der verfahrensbedingte Vergüteverzug minimiert, weil eine gezielte Abkühlung zwei Seiten, nämlich von oben und unten, stattfindet. Damit kann das vorhandene Werkstoffpotenzial optimal ausgenutzt werden. Die Werkstoffkennwerte Rm, Rp0,2, A5 und HB werden genauso wie bei der Abschreckung in Flüssigkeiten eingehalten.By the controllable flow the cylinder head from above and below with air were in contrast for the known quenching in liquids The residual stresses in the cylinder head are measurably lowered and the temperature gradient during the Deterrence and thus the procedural delay minimized, because a targeted cooling two sides, namely of above and below, takes place. This allows the existing material potential be used optimally. The material properties Rm, Rp0,2, A5 and HB become the same as deterrents in liquids respected.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das Abschrecken derartiger Zylinderköpfe beschränkt. Vielmehr können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch andere Werkstücke aus anderen Materialien wirkungsvoller als bisher abgeschreckt werden.The Invention is self-evident not limited to the quenching of such cylinder heads. Rather, by means of the device according to the invention also other workpieces be quenched from other materials more effectively than before.

Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung auch eine andere Aufteilung der Werkstücke 4 bzw. Kästen 8, 9 als in 2 beispielsweise dargestellt, gewählt werden. In Sonderfällen können auch einzelne Werkstücke 4 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung abgeschreckt werden.In principle, within the scope of the invention, a different division of the workpieces 4 or boxes 8th . 9 as in 2 For example, shown, are selected. In special cases, individual workpieces can also be used 4 quenched with a device according to the invention.

Claims (11)

Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumgusslegierung, das im Anschluss an eine Wärmebehandlung der Werkstücke (4) anschließt, wobei die Abschreckung mittels Gas erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück gleichzeitig an seiner Ober- und Unterseite von dem Gas angeströmt wird.Process for quenching workpieces of metal, in particular of cast aluminum alloy following a heat treatment of the workpieces ( 4 ), wherein the quenching takes place by means of gas, characterized in that the workpiece is simultaneously flowed on its top and bottom of the gas. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Gasstromes auf die Ober- und Unterseite des Werkstückes geregelt wird.Method according to claim 1, characterized in that that regulated the distribution of the gas flow to the top and bottom of the workpiece becomes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Gasstromes geregelt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that the amount of the gas stream is controlled. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Abschreckung von Werkstücken (4) aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumgusslegierung, welche Vorrichtung im Anschluss an eine Vorrichtung (1) zur Wärmebehandlung der Werkstücke (4) angeordnet ist, wobei die Abschreckung mittels Gas erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) auf einem Rost (11) gelagert ist, unterhalb dem ein unterer Kasten (9) mit Gasaustrittsöffnungen (12) angeordnet ist, und dass oberhalb des Werkstückes (4) ein oberer Kasten (8) mit Gasaustrittsöffnungen (13) angeordnet ist.Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 3 for quenching workpieces ( 4 ) made of metal, in particular of an aluminum casting alloy, which device is connected to a device ( 1 ) for the heat treatment of the workpieces ( 4 ), wherein the quenching takes place by means of gas, characterized in that the workpiece ( 4 ) on a grate ( 11 ), below which a lower box ( 9 ) with gas outlet openings ( 12 ) is arranged, and that above the workpiece ( 4 ) an upper box ( 8th ) with gas outlet openings ( 13 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass deren Beaufschlagung mit Luft erfolgt.Device according to claim 4, characterized in that that they are exposed to air. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, da sowohl der untere Kasten (9) als auch der obere Kasten (8) von einem Gestell (7) auskragen und das auf dem Rost (11) lagernde Werkstück (4) zwischen den beiden Kästen (8, 9) einschieb- bzw. einfahrbar istDevice according to claim 4 or 5, characterized in that both the lower box ( 9 ) as well as the upper box ( 8th ) from a rack ( 7 ) and stick it on the grid ( 11 ) stored workpiece ( 4 ) between the two boxes ( 8th . 9 ) can be inserted or retracted Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, das Gestell (7) gegen das Werkstück (4) oder das Werkstück (4) gegen das Gestell (7) verschiebbar ist.Device according to claim 6, characterized in that the frame ( 7 ) against the workpiece ( 4 ) or the workpiece ( 4 ) against the frame ( 7 ) is displaceable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7. dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werkstücke (4) auf Rosten (11) eines Werkstückträgers (5) gelagert sind und jedem Werkstück (4) ein oberer Kasten (8) sowie ein unterer Kasten (9) zugeordnet ist.Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that a plurality of workpieces ( 4 ) on rusting ( 11 ) of a workpiece carrier ( 5 ) and each workpiece ( 4 ) an upper box ( 8th ) as well as a lower box ( 9 ) assigned. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, der obere Kasten (8) zur teilweisen Umfassung des Werkstückes (4) u-förmig ausgebildet ist.Apparatus according to claim 8, characterized in that, the upper box ( 8th ) for partially enclosing the workpiece ( 4 ) is U-shaped. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem oberen Kasten (8) und zugehörigem unteren Kasten (9) eine von einem Ventilator (10) gespeiste Luftzuführung zugeordnet ist, von der mittels Regelklappen (17) oder dgl. gesteuerte Abzweigungen zum unteren (9) bzw. oberen (8) Kasten ausgehen.Device according to one of claims 4 to 8, characterized in that each upper box ( 8th ) and associated lower box ( 9 ) one of a fan ( 10 ) is assigned to the supplied air supply, by means of control valves ( 17 ) or the like. controlled branches to the lower ( 9 ) or upper ( 8th ) Go out box. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsöffnungen im unteren Kasten (9) als Löcher (12), im oberen Kasten (8) als Schlitze (13) ausgebildet sind.Device according to one of claims 4 to 10, characterized in that the gas outlet openings in the lower box ( 9 ) as holes ( 12 ), in the upper box ( 8th ) as slots ( 13 ) are formed.
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