DE19824574A1 - Verfahren und Vorrichtung zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut nach einer Wärmebehandlung oder Wärmeeinwirkung in einem Ofen mittels strömendem Druckkühlgas in einer Kühlkammer, bei dem DOLLAR A - das Behandlungsgut bereits im Ofen mittels eines gerichteten Gasstroms oder Gasstrahls/Gasstrahlen bis auf eine erste kritische Temperaturschwelle abgekühlt wird, DOLLAR A - das Behandlungsgut nach Erreichen dieser Temperaturschwelle ohne Kontakt zu schädlichen Atmosphären in die Kühlkammer überführt wird, DOLLAR A - das Behandlungsgut in der Kühlkammer einer Abschreckung/Abkühlung in strömendem Gas unter Überdruck unterworfen wird. DOLLAR A Ebenso ist eine spezielle Abkühleinrichtung mit Abkühlkammer und ausfahrbarem, in ausgefahrenem Zustand aus der Abkühlkammer herausragendem Werkstücktransport vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut nach einer Wärmebehandlung oder Wärmeeinwirkung in einem Ofen mittels Kühlgas in einer eigenständigen Kühlkammer.

In einer Reihe von Wärmebehandlungsprozessen, beispielsweise Härtungs- und Präzisionslötprozessen, sind schnelle Abkühl- bzw. Abschreckgeschwindigkeiten zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses erforderlich. Die diese Anforderung erfüllen­ den, unter dem Begriff Hochdruckgasabschreckung zusammengefaßten Abkühlpro­ zesse werden häufig in der Anlage durchgeführt, in der auch die vorausgehende Wärmebehandlung erfolgt ist.

Beispielsweise ist aus der EP-PS 313 888 ein Härtungsprozeß bekannt, bei dem Be­ handlungsgut in einem Vakuumofen nach der Hitzephase mittels eines Kühlgasstro­ mes auf einem Druck von mehr als 10 bar abgeschreckt wird, wobei als Kühlgas He­ lium, Wasserstoff, eine Helium-Wasserstoffmischung oder eine Helium-Wasserstoff­ mischung mit bis zu 30% Inertgas angewandt werden kann. Nachteilig ist, daß der gesamte Ofen auch als Druck- und Kühlapparat ausgelegt werden muß.

Die Nachteile entfallen, wenn eine eigenständige Abkühlkammer vorgesehen wird. Damit gehen jedoch ein Transportvorgang und die damit verbundene Erschütterung der Werkstücke - insbesondere nachteilig bei Lötprozessen - der zeitweilige Verlust der Temperaturkontrolle und eine Zeitverzögerung einher, sowie die Problematik, einen Transport ohne Zutritt schädlicher Atmosphären zum Behandlungsgut zu gewährleisten.

Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, eine Schnell­ abkühlung von Behandlungsgut nach dem Zweikammerprinzip (Ofenkammer, Kühl­ kammer) zu gestalten, die die genannten Nachteile bei vertretbarem Aufwand mög­ lichst weitgehend vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, bei dem

• - das Behandlungsgut bereits im Ofen mittels eines gerichteten Gasstroms oder Gasstrahls/Gasstrahlen bis auf eine erste kritische Temperaturschwelle abgekühlt wird,
• - das Behandlungsgut nach Erreichen dieser Temperaturschwelle ohne Kontakt zu schädlichen Atmosphären in die Kühlkammer überführt wird,
• - das Behandlungsgut in der Kühlkammer einer Abschreckung/Abkühlung unter strö­ mendem Gas unter Überdruck unterworfen wird.

Die Erfindung weist mit dem ersten Abkühlschritt im Ofen den Vorteil auf, daß das Behandlungsgut zunächst in keiner Weise zu bewegen ist und damit Nachteile aus einer Bewegung, wie unerwünschte Lotversetzungen, Verlust der Temperaturkon­ trolle, entfallen. Andererseits ist dieser erste Abkühlschritt, der in seinem Ausmaß nur einen relativ kleinen Temperaturbereich erfaßt, nämlich nur den bis zu einer ersten kritischen Temperaturschwelle - Lotverfestigung, Gefügestabilisierung, z. B. Einfrieren des Austenitzustandes - mit vergleichsweise einfachen Mitteln wie Gaszuleitungen und Gaseindüsvorrichtungen realisierbar. Zudem wirkt sich im oberen Temperatur­ bereich auch der Umstand, daß alle umgebenden Ofenteile auf einem ebensolchen Temperaturniveau sind, noch relativ wenig auf die Abkühlrate aus.

Nach Unterschreiten der ersten, kritischen Temperaturschwelle wird dann - gemäß der Erfindung - das Behandlungsgut aus dem Ofen heraus in die Kühlkammer hinein transportiert, wobei dieser Transportvorgang nunmehr mit geringerer Vorsicht und Sensibilität bei fortgesetzter Wärmeabfuhr erfolgen kann. Die Überführung in eine, speziell für den Abkühlzweck gestaltete, nach dem Prinzip der Druckgasabkühlung arbeitende Kühlkammer ergibt die Möglichkeit einer hocheffektiven Abkühlung, bei der das Behandlungsgut keinem flüssigen Kühlmittel auszusetzen ist.

Erfindungsgemäß wird die Abkühlung speziell mit strömendem Überdruckgas bis zu 80 bar ausgeführt, bevorzugt wird jedoch im Bereich zwischen 5 und 50 bar und mit Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb 5 m/sec gearbeitet. Als Kühlgas können vor allem Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff oder Gemische daraus eingesetzt wer­ den können. Erfindungsgemäß kommen jedoch - für niedrige bis mittlere Abkühlge­ schwindigkeiten - bevorzugt die klassischen Inertgase Stickstoff und/oder Argon zur Anwendung, bei höheren Anforderungen hinsichtlich der Abkühlgeschwindigkeiten werden vorzugsweise Helium oder Gemische mit wesentlichen Anteilen Helium (< 25%) mit Stickstoff oder Argon eingesetzt. Insbesondere werden dadurch die, mit einer Wasserstoffanwendung einhergehenden, Sicherheitsanforderungen vermieden.

Im Grundsatz ist die erfindungsgemäße Hochdruckgasabkühlung mit jeder, hin­ sichtlich Druckfestigkeit entsprechend gestalteten Kühlkammer möglich, etwa einer solchen entsprechend der DE-PS 195 01 873.

Erfindungsgemäß wird jedoch eine Abkühleinrichtung vorgeschlagen, die insbeson­ dere

• - einen die Kammerzufuhröffnung umgebenden Anschlußflansch (3) geeignet zum Andocken an einen Wärmebehandlungsofen,
• - einen aus- und einfahrbaren, in ausgefahrenem Zustand aus der Einrichtung hinaus­ ragenden Werkstücktransport (5) zur Einführung des Behandlungsguts in einen an­ gedockten Wärmebehandlungsofen sowie
• - eine Absperreinrichtung (4) zur Abtrennung von Ofen- und Kühlkammer bei ange­ docktem Wärmebehandlungsofen

aufweist. Mit der druckfesten Variante dieser Abkühleinrichtung können erfindungs­ gemäße Abkühlprozesse besonders einfach und effizient an verschiedenen Wärme­ behandlungs- oder Lötanlagen durchgeführt werden. Der besondere Vorzug dieser Abkühleinrichtung liegt darin, daß mit ihr das bei einem "Zweikammer-Verfahren" vor­ handene Transportproblem bereits gelöst ist. Das Behandlungsgut ist lediglich auf dem Werkstücktransport der Abkühleinrichtung zu plazieren und diese an die jewei­ lige Wärmebehandlungseinrichtung anzudocken. Bei geeignet ausgefahrener Trans­ porteinrichtung ist das Werkstück dann bereits im Wärmebehandlungsofen richtig plaziert. Im Anschluß - und unter der Voraussetzung, daß z. B. im Wärmebehand­ lungsofen die für den ersten Abkühlschritt erforderlichen Gasdüsen und/oder Gas­ zuleitungen vorhanden sind - kann der erfindungsgemäße Prozeß dann durchgeführt werden, ohne daß weitere Modifikationen an vorhandenen Öfen oder zusätzliche Einrichtungen, wie etwa ein eigenständiges Transportsystem, notwendig wären.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Abkühleinrichtung ist ferner die Gaszuleitung für den ersten Abkühlschritt (7) bereits an der Abkühleinrichtung, und zwar insbeson­ dere am Anschlußflansch (3) angeordnet, und zwar derart, daß bei ausgefahrenem Werkstücktransport das Behandlungsgut im Ausströmungsbereich des über die Gaszuleitung zu fließenden Gases angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Abkühleinrichtung ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß sie neben der, dem Anschluß an einen Wärmebehand­ lungsofen dienenden Öffnung eine zusätzliche Öffnung zur andockunabhängigen Behandlungsgutzugabe aufweist. Behandlungsgut kann in dieser Gestaltungsvariante also zugegeben werden, ohne daß die Abkühleinrichtung vom jeweiligen Wärmebe­ handlungsofen abgetrennt werden muß.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Hierzu dient auch die schematische Darstellung: die eine Ofen/Abkühlkammer-Kombi­ nation gemäß der Erfindung zeigt.

Ein Vakuumofen 1 ist in der linken Bildhälfte dargestellt, während in der rechten Bildhälfte eine erfindungsgemäße Abkühleinrichtung A mit Kühlkammer 6, Werkstück­ transport 5, Abtrennschieber 4 sowie Anschlußflansch 3 gezeigt ist. Stirnseitig am Stirnteil 3b des Anschlußflansches 3 und senkrecht dazu orientiert ist eine Gaszulei­ tung 7 mit frontseitigem Düsenstock 8 angeordnet, wobei das dort ausströmende Gas den Endbereich des in ausgefahrenem Zustand befindlichen Werkstücktransports 5 beaufschlagt. Der einen tunnelartigen Zugang zur Kühlkammer 6 bildende und mit dieser fest verbundene Anschlußflansch 3 wird an seinem Fußende von dem Schie­ ber 4 durchdrungen. Dieser kann die Kühlkammer 6 bei eingefahrenem Werkstück­ transport 5 gas- und druckdicht gegenüber dem Vakuumofen 1 abschließen. Auf der Kühlkammer 6 ist eine, aus einer Gaszuleitung 10 und einem Gaszwischenspeicher 11 bestehende Kühlgasversorgung der Kammer angeordnet. Zentral im Deckenbe­ reich der Kühlkammer 6 ist ferner ein Umwälzventilator 12 plaziert.

Ein Prozeßablauf gemäß Erfindung ist wie folgt: In getrennter Stellung von Vaku­ umofen 1 und Abkühleinrichtung A wird auf den ausgefahrenen Werkstücktransport 5 ein Werkstück 2 aufgebracht, beispielsweise ein mit Lot versehenes, zu verlötendes Lamellenpaket. Die Abkühleinrichtung wird im folgenden an den Vakuumofen 1 her­ angeführt und mittels Anschlußflansch 3 und nicht gezeigten Anspannelementen vakuumdicht angekoppelt. Es folgt der Evakuierungsprozeß mittels der im Vakuum­ ofen vorhandenen Einrichtungen, wobei sowohl im Ofeninnenraum als auch in der Kühlkammer 6 das gewünschte Vakuum hergestellt wird. Parallel dazu oder nachge­ ordnet beginnt das Aufheizen des Werkstücks - im vorliegenden Beispielfall auf die Löttemperatur von etwa 900°C. Nach Erreichen von Zieldruck und Zieltemperatur ist der Temperaturausgleich im Werkstück sowie insbesondere die Lotverflüssigungs- und -verteilungszeit abzuwarten, um im Anschluß daran den erfindungsgemäßen Ab­ kühlprozeß einzuleiten.

Dieser beginnt - nach Abschaltung der Heizeinrichtungen im Ofen 1 - mit der Einlei­ tung von etwa auf Umgebungstemperatur befindlichem Kühlgas in die Gaszuleitung 7 und den Düsenstock 8. Dieser bildet Gasstrahlen aus, die auf das Werkstück 2 ge­ richtet sind. Auf diese Weise ergibt sich eine erste Beschleunigung der Abkühlung des Werkstücks 2 auf dem in ausgefahrenem Zustand befindlichen, in dieser Phase statisch positionierten Werkstücktransport 5. Als Kühlgas kommt Stickstoffgas zur An­ wendung, womit nach kurzer Zeit (einige Sekunden bis ca. 20 sec.) die Solidustempe­ ratur des Lots erreicht wird. Die exakt erforderliche Zeit für diesen ersten Kühlschritt ist - wie generell auch - abhängig vom Werkstück (Form, Dicke) und Lot und kann gegebenenfalls durch Versuche ermittelt werden oder ist mittels eines - unter Um­ ständen im Vakuumofen ohnehin vorhandenen - Temperaturmessers bestimmbar.

Nach Erreichen des Soliduszeitpunkts wird der Werkstücktransport 5, beispielsweise eine über angetriebene Rollen und in Führungsschienen laufende Drahtgeflechtbahn, in Betrieb gesetzt, und das Werkstück 2 ohne sensible Regelung der Transportbe­ wegung zügig in die Kühlkammer 6 befördert. Der erfindungsgemäße Transportvor­ gang beansprucht lediglich einige, wenige Sekunden, während derer bereits die Flu­ tung der Kühlkammer 6 aus dem Gas-Zwischenspeicher 11 eingeleitet wird, der Kühl­ kammerventilator 12 an läuft und sich der Abtrennschieber 4 zu senken beginnt. Kurz nach dem Erreichen der Werkstückendposition in der Kühlkammer 6 ist auch der druckdichte Verschluß der Kammer durch den Schieber 4 hergestellt, und es erfolgt dann bereits der Druckaufbau in der Kühlkammer aus dem Gaszwischenspeicher 11 über entsprechende Gasregelglieder. Hierfür kann der Gaszwischenspeicher 11 mit bis zu 100 bar vorgespannt sein, wobei für seine Nachfüllung über die Zuleitung 10 eine hinsichtlich des gewünschten Vorspann- und Enddrucks passend gestaltete Gasversorgung vorausgeschaltet sein muß (z. B. Gasflaschenbündel mit entsprechen­ der Gasregeltechnik). Aufgrund des Gaszwischenspeichers 11 kann ein schneller Druckaufbau in der Kühlkammer 6 erzielt und die Hauptkühlphase innerhalb weniger Sekunden eingeleitet werden. Mit einem Druck von ca. 40 bar, wiederum Stickstoff als Kühlgas und einer Ventilatorleistung, die Gasgeschwindigkeiten von ca. 10 m/sec gewährleistet, wird das zu behandelnde, relativ voluminöse Lamellenpaket innerhalb eines Zeitraums in der Größenordnung von einer Minute abgekühlt.

Mit der erfindungsgemäßen Kühlweise und insbesondere den leistungsfähigeren Kühlgasen - Helium und Wasserstoff - können nahezu alle gewünschten Kühlabläufe bei Lötungen ebenso wie bei diversen Wärmebehandlungen, insbesondere auch sol­ che für anspruchsvolle Härtungen, ausgeführt werden. Mit der gezeigten, speziellen Abkühleinrichtung ist dies darüber hinaus in besonders vorteilhaftere Weise möglich, da im Regelfall keine oder nur geringfügige Modifikationen an vorhandenen Wärme­ behandlungsöfen vorzunehmen sind und insbesondere der im Prozeß erforderliche Werkstücktransport bereits durch die entsprechende Gestaltung der Abkühleinrich­ tung ermöglicht ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut nach einer Wärmebe­ handlung oder Wärmeeinwirkung in einem Ofen mittels strömendem Druckkühl­ gas in einer Kühlkammer, bei dem

• - das Behandlungsgut bereits im Ofen mittels eines gerichteten Gasstroms oder Gasstrahls/Gasstrahlen bis auf eine erste kritische Temperaturschwelle abgekühlt wird,
• - das Behandlungsgut nach Erreichen dieser Temperaturschwelle ohne Kontakt zu schädlichen Atmosphären in die Kühlkammer überführt wird,
• - das Behandlungsgut in der Kühlkammer einer Abschreckung/Abkühlung in strömendem Gas unter Überdruck unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlkammer mit Überdrucken zwischen 1 und 80 bar, vorzugsweise 5 und 50 bar, und mit Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb 5 m/sec gearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für niedrige bis mittlere Abkühlgeschwindigkeiten klassische Inertgase wie Stickstoff und/oder Argon als Kühlgas zur Anwendung kommen, und daß bei höheren Anforderungen hinsichtlich der Abkühlgeschwindigkeiten Helium oder Gemische mit wesentlichen Anteilen von Helium (< 25%) und ansonsten Stickstoff oder Argon eingesetzt werden.

4. Abkühleinrichtung mit einer Kühlkammer (6) mit Kühlgasversorgung (10, 11) und Kammerzutrittsöffnung gekennzeichnet durch

• - einen die Kammeröffnung (9) umgebenden Anschlußflansch (3) geeignet zum Andocken an einen Wärmebehandlungsofen,
• - einen aus- und einfahrbaren, in ausgefahrenem Zustand aus der Einrichtung hinausragenden Werkstücktransport (5) zur Einführung des Behandlungsguts in einen angedockten Wärmebehandlungsofen sowie
• - eine Absperreinrichtung (4) zur Abtrennung von Ofen- und Kühlkammer bei angedocktem Wärmebehandlungsofen.

5. Abkühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkam­ mer (6) druckfest ausgebildet ist.

6. Abkühleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorstehende Gaszuleitung (7) am Anschlußflansch (3) angeordnet ist, und zwar derart, daß bei ausgefahrenem Werkstücktransport (5) das auf dem Werkstück­ transport (5) befindliche Behandlungsgut im Ausströmungsbereich des über die Gaszuleitung (7) zufließenden Gases angeordnet ist.

7. Abkühleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben der, dem Anschluß an einen Wärmebehand­ lungsofen dienenden Kammeröffnung (9) eine zusätzliche Öffnung zur andock­ unabhängigen Behandlungsgutzugabe aufweist.