DE19902032C1

DE19902032C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturregelung beim trockenen Bainitisieren

Info

Publication number: DE19902032C1
Application number: DE1999102032
Authority: DE
Inventors: Peter Schluck; Tilman Botsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2019-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturregelung beim Trockenen Bainitisieren mit einer Abschreckkammer (1), die eine zu bainitisierenden Charge (2) aufnimmt und durch die ein Abschreckgas zur Umströmung der Charge (2) geleitet wird und mit einer Regelvorrichtung (6), zur Regelung der Temperatur des Abschreckgases auf eine vorbestimmte Umwandlungstemperatur, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskreislauf (10) zwei parallel geschaltete Strömungskanäle (11 und 12) aufweist, die jeweils eine Kühlvorrichtung (4) und eine Heizvorrichtung (5) zur Kühlung und Heizung des Abschreckgases beinhalten und daß die Regelvorrichtung (6) die Temperatur des Abschreckgases durch die Regelung der durch jeden der beiden parallelen Kanäle strömenden Teilmenge des Abschreckgases über eine entsprechende Verstellung von zwei Ventilen (7, 8) regelt (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Temperaturregelung beim trockenen Bainitisieren jeweils gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6.

Bei dem Wärmebehandlungsverfahren des Bainitisierens von Erzeugnisteilen aus 100 Cr₆ müssen diese von der Austenitisierungstemperatur bei 850°C auf die Umwand lungstemperatur bei 220°C abgeschreckt und über eine längere Zeitdauer, z. B. 5 bis 6 Stunden, bei der Umwandlungstemperatur gehalten werden. Nach dem heutigen Stand der Technik werden die Erzeugnisteile durch Eintauchen in ein Salzbad abgeschreckt. In diesem verweilen sie entweder solange, bis die erforderliche Haltezeit abgelaufen ist, oder sie werden nach der Abkühlung in einen Umluftofen umgesetzt, in dem dieselbe Betriebstemperatur herrscht, wie in dem Salzbad. Während umwandlungsträge Stähle bereits trocken bainitisiert werden, ist dies bei umwandlungsfreudigen Stählen bisher noch nicht verwirklicht. Die Abkühlung der Erzeugnisteile von der Austenitisierungstemperatur auf die Umwandlungs temperatur muß schnell erfolgen, und die Temperatur des zum Ab schrecken verwendeten Mediums darf nicht von der Bainitisierung stemperatur abweichen. Dies konnte bislang bei der trockenen Bainitisierung nur in einem Vakuumofen mit Hilfe einer Heizung realisiert werden, die der Kühlung des für die trockene Bainiti sierung verwendeten Abschreckgases nachgeschaltet ist. Da dieses System sehr langsam reagiert, können bei seiner Verwendung nur sehr umwandlungsträge Werkstoffe bainitisiert werden. Dagegen lassen sich mit dieser bekannten Methode umwandlungsfreudige Werkstoffe, wie z. B. 100 Cr₆ nicht trocken bainitisieren.

Aus dem Abstract der JP 063 36 623 A ist es bekannt, daß bei der Temperaturregelung eines im Kreislauf geführten Abkühlgases das Gas in Reihe über eine Abkühlvorrichtung und eine Heizvorrich tung geleitet wird.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturregelung beim trockenen Bainitisieren anzugeben, die durch eine vorteilhafte Gasführung des Abschreckgases eine trockene Abschreckung auch beim Bainitisieren von umwandlungs freudigen Stählen ermöglicht.

Der Kern der Erfindung liegt darin, daß das aus der Abschreck kammer ausströmende, erhitzte Abschreckgas in einem Gaskreislauf durch zwei parallel geschaltete Strömungskanäle jeweils zum Küh len und Heizen des Abschreckgases geleitet wird, und daß die Temperaturregelung mittels einer Durchflußmengenregelung des Abschreckgases separat in jedem der parallelen Strömungskanäle ausgeführt wird.

Man erreicht dadurch nicht nur, daß auch umwandlungs freudige Stähle trocken bainitisiert werden können, sondern daß bei der Temperaturregelung nur mit kleinen Zeitkonstanten gerechnet werden muß und daß eine konstante Eingangstemperatur eingehalten werden kann.

Im Ergebnis läßt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung das bisher übliche Salzbad durch eine trockene Abschreckkammer ersetzen. Eine nachfolgende Reinigungsanlage für die bainitisierten Teile kann entfallen, wodurch geringere Investitionen notwendig sind. Der Umgang mit flüssigem Salz und die dadurch häufig verursachten Verletzungen des Bedienungspersonals sind vermieden. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr so umweltschädlich. Durch die Umströmung der zu bainitisierenden Werkstücke mit einem zur Abschreckung dienenden "trockenen" Gas, lassen sich auch geometrisch komplizierte Erzeugnisse abschrecken, weil keine Probleme mit Rückständen des Abschreckmediums, z. B. in Sacklöchern der Werkstücke auftreten. Der erfindungsgemäße Bainitisierungsprozeß läßt sich leicht in die Fertigungslinie integrieren.

In der nachfolgenden Beschreibung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführung der Gasführung bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturregelung beim trockenen Bainitisieren, bei der das Abschreckgas in den zur Kühlung dienenden Strömungs kanal in einem Wärmetauscher gekühlt wird, und

Fig. 2 schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Gasführung ebenfalls zur Temperaturregelung beim trockenen Bainitisieren, bei der das Abschreckgas im für die Kühlung vorgesehenen Strömungskanal durch Einsprühen von flüssigem Stickstoff gekühlt wird.

Ausführungsbeispiele

Bezogen auf Fig. 1 wird eine in einer Abschreckkammer 1 liegende zu bainitisierende Charge 2 vom Abschreckgas umströmt. Dieses erwärmt sich hierbei, verläßt die Kammer 1 an einer beliebigen Stelle (d. h. in der Figur oben) und wird vor dem Wiedereintritt in die Abschreckkammer in einem Heiz-Kühlmodul 3, das zwei parallel geschaltete Strömungskanäle 11 und 12, jeweils zur Kühlung und zur Heizung des Abschreckgases vorsieht auf die gewünschte Bainitisierungstemperatur gebracht. Die beiden parallel geschalteten Strömungskanäle 11, 12 enthalten jeweils einen Wärmetauscher 4 und eine elektrische Heizung 5, jeweils zum Kühlen bzw. Erwärmen des Abschreckgases und jeweils ein Durchflußmengenregelventil 7, 8. Die Regelung der Durchflußmenge über die beiden Ventile 7 und 8 macht eine genaue Regelung der Temperatur des in die Abschreck kammer 1 eintretenden Abschreckgases möglich.

Während der Abkühlung der Charge erwärmt sich das Gas stark, so daß die Gastemperatur an der Meßstelle T steigt. Da diese durch die Regelung auf der Bainiti sierungstemperatur gehalten werden soll, wird das Ventil 7 in dem zur Kühlung vorgesehenen Strömungskanal 11 durch den Prozessregler 6 automatisch geöffnet, um den zur Temperaturregelung erforderlichen Gasanteil über den Kühler 4 strömen zu lassen. Nach der Abkühlung der Charge ist eine Haltezeit auf Bainitisierungstemperatur vorgesehen. Während dieser Zeit müssen die Wärmeverluste nach außen ausgeglichen werden. Dies geschieht durch Zuschaltung einer elektrischen Heizung in dem Heizmodul 5 des zur Erwärmung dienenden Strömungskanals 12. Der Prozessregler 6, der in der Figur nicht detailliert dargestellt ist, stellt dabei sicher, daß die Heizung 5 nur einschaltet, wenn das Ventil 7 im Strömungskanal 11 vollständig offen ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten alternativen erfindungs gemäßen Ausführungsform der Gasführung zur Temperatur regelung beim trockenen Bainitisieren ist die zuvor beschriebene Kühlung durch den Wärmetauscher 4 im Strömungskanal 11 ersetzt durch eine dosierte Einsprühung von flüssigem Stickstoff LN₂ in den Strömungskanal 11. Die an der Meßstelle T gemessene Temperatur wird dabei durch die Menge des bei 4 eingesprühten Flüssigstick stoffs LN₂ geregelt. Der Einsprühlanze für den flüssigen Stickstoff LN₂ ist ein Modul 16 nachgeschaltet, in dem durch geeignete Strömungsführung und die Erzeugung von Turbulenzen eine vollständige Verdampfung des einge sprühten Stickstoffs sichergestellt und ein guter Temperaturausgleich im Abschreckgas erreicht wird. Nach der Ausströmöffnung der Abschreckkammer 1 ist ein Überdruckventil 17 vorgesehen, durch das der in der Anlage verdampfte Stickstoff abgelassen und einem Stickstofftank 18 zugeführt wird. Aus diesem Tank kann der für Prozessgasanlagen oder andere herkömmliche Vakuumofenanlagen erforderliche Stickstoff entnommen werden. Selbstverständlich gilt für die in Fig. 2 gezeigte alternative Ausführungsform auch, daß der Prozessregler 6 sicherstellen muß, daß die Heizung 5 nur dann einschaltet, wenn das Ventil 7 vollständig offen ist.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung durch ihr vorteilhaftes Gasführungskonzept eine schnelle Regelung der Temperatur des zur Abschreckkammer 1 strömenden Abschreckgases und dadurch eine Einhaltung einer konstanten Eingangstemperatur, was die Voraussetzung für den Einsatz von Gas als Abschreckmedium beim trockenen Bainitisierung umwandlungsfreudiger Stähle ist.

Claims

1. Verfahren zur Temperaturregelung beim trockenen Bainitisieren, wobei eine in einer Abschreckkammer (1) liegende Charge (2) von einem Abschreckgas umströmt und dadurch auf Umwandlungstemperatur abgeschreckt und danach während einer vorbestimmten Haltezeit bei dieser Temperatur gehalten wird und eine Regelung dieser Temperatur durch die Regelung der Temperatur des Abschreckgases durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Abschreckkammer (1) ausströmende, erhitzte Abschreckgas in einem Gaskreislauf (10) durch zwei parallel geschaltete Strömungskanäle (11 und 12) jeweils zum Kühlen und Heizen des Abschreckgases geleitet wird, und daß die Temperaturregelung mittels einer Durchflußmengenregelung des Abschreckgases separat in jedem der parallelen Strömungskanäle (11 und 12) ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung im ersten Kanal (11) der parallel geschalteten Strömungskanäle durch Wärmetausch durchge führt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung im ersten Kanal (11) der parallel geschalteten Strömungskanäle durch Zugabe eines leicht verdampfbaren Kühlfluids in den ersten Strömungskanal (11) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid Flüssigstickstoff (LN₂) ist, der in den ersten Strömungskanal (11) eingesprüht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine geeignete Strömungsführung im ersten Strömungskanal nach der Einsprühstelle eine vollständige Verdampfung des Flüssigstickstoffs und ein guter Tempera turausgleich im Abschreckgas ausgeführt wird.

6. Vorrichtung zur Temperaturregelung beim trockenen Bainitisieren mit einer Abschreckkammer (1) zur Aufnahme einer zu bainitisierenden Charge (2), einer Gaszufuhr- und Ausströmöffnung an der Abschreckkammer (1) durch die ein Abschreckgas zur Umströmung der Charge (2) jeweils zu- und abgeleitet wird und mit einer Regelvorrichtung (6) zur Regelung der Temperatur des der Abschreckkammer (1) zuströmenden Abschreckgases auf eine vorbestimmte Umwandlungstemperatur während einer vorbestimmten Zeit dauer, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gaskreislauf (10) für das Abschreckgas zwei parallel geschaltete Strömungs kanäle (11 und 12) aufweist, die jeweils eine Kühlvor richtung (4) und eine Heizvorrichtung (5) zur Kühlung und Heizung des Abschreckgases sowie jeweils ein Ventil (7, 8) zur Einstellung der durch jeden der parallelen Strömungskanäle (11 und 12) strömenden Menge des Abschreckgases beinhalten und daß die Regelvorrichtung die Temperatur des Abschreckgases durch die Regelung der durch jeden der beiden parallelen Kanäle strömenden Teilmenge des Abschreckgases über eine entsprechende Verstellung der beiden Ventile (7, 8) regelt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (6) dazu eingerichtet ist, eine Erhitzung des durch den Bainitisierungsprozeß und durch Umgebungsverluste abgekühlten Abschreckgases im zweiten Strömungskanal (12) mit der Heizvorrichtung (5) nur dann durchzuführen, wenn das Ventil (7) im ersten Strömungs kanal (11) vollständig geöffnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (4) einen Wärmetauscher aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (4) Mittel (15) zum Einsprühen von Flüssigstickstoff (LN₂) in den ersten Strömungskanal (11) aufweist und daß die Regelvorrichtung bei der Kühlung die Temperatur des Abschreckgases durch die Menge des durch die Einsprühmittel (15) in den ersten Strömungskanal (11) eingesprühten Flüssigstickstoffs (LN₂) regelt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Strömungskanal (11) den Einsprühmitteln (15) stromabwärts ein Modul (16) nachgeschaltet ist, in dem durch geeignete Strömungsführung und Erzeugung von Turbulenzen eine vollständige Verdampfung des einge sprühten Stickstoffs sichergestellt und ein guter Temperaturausgleich im Abschreckgas erreicht wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Anlage verdampfte Flüssig stickstoff durch ein stromabwärts von der Ausströmöffnung der Abschreckkammer (1) liegendes Überdruckventil abge lassen und einem Stickstofftank zugeführt wird.