DE2219111B2

DE2219111B2 - Vorrichtung zur Wärmebehandlung kleiner Teile

Info

Publication number: DE2219111B2
Application number: DE2219111A
Authority: DE
Inventors: Jack Ryland Palos Verdes Peninsula Calif. Bryant; Robert Joseph Edison N.J. Sisolak
Original assignee: Electronic Memories & Magnetics Corp Hawthorne Calif (vsta)
Current assignee: Electronic Memories & Magnetics Corp Hawthorne Calif (vsta)
Priority date: 1971-04-21
Filing date: 1972-04-19
Publication date: 1973-11-08
Also published as: CA970965A; GB1391849A; FR2133993A1; FR2133993B1; DE2219111C3; DE2219111A1; NL7205460A; US3733171A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung kleiner Teile in einem Trägerrohr, durch das die Teile während der Behandlung hindurchgeführt werden und das einen als F.inlaß dienenden Anfangsbereich und einen als Auslaß dienenden Endbereich aufweist, und mit Einrichtungen zum Erwärmen eines Mittelbereichs des Trägerrohrs zwischen Anfangs- und Endbereich.

Kleine Magnetkerne, die ein Beispiel für die erfindungsgemäß zu behandelnden Teile sind, werden in großem Umfang für Computer und andere Anwendungszwecke verwendet. Ein pulverförmiges Metall wird gepreßt und der Preßkörper sodann auf genau gesteuerte Weise erwärmt und damit gesintert. Bei einem bekannten Verfahren werden die Kerne in Keramikkapseln untergebracht, die langsam durch einen Ofen bewegt werden. Es ist oft mehr als eine Stunde erforderlich, um einen Kern durch den Wärmebehandlungszyklus zu fördern, so daß die Produktionsrate gering ist und Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung einer genauen Steuerung durch Prüfung der fertigen Kerne und entsprechenden Änderungen der

*5 Ofenbedingungen auftreten. Außerdem kann die Atmosphäre in dem Ofen nicht sehr genau gesteuert werden, da jedesmal Luft eintreten kann, wenn die Türen zum Einbringen oder Entnehmen einer Kapsel geöffnet werden.

^ao Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird ein Platinband verwendet, das sich durch einen Ofen erstreckt und einzelne Kerne trägt. Obwohl diese Vorrichtung eine kürzere Durchlaufzeit wie etwa eine oder zwei Minuten ermöglicht, hat sie zahlreiche

^a5 Nachteile. Eine Durchlaufzeit dieser Größenordnung hat zur Folge, daß eine große Anzahl von Kernen falsch gesintert werden kann, bevor die Ofenbedingungen korrigiert werden können, selbst wenn die Proben unmittelbar em Ende des Bandes untersucht werden. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß ungesteuerte Mengen von Luft in den Ofen durch die Eintritts- und Austrittsöffnung des Bandes eintreten können, und daß die Kerne, die in der Nähe der Mitte des Bandes liegen, auf andere Art wärmebehandelt werden können als diejenigen in der Nähe des Randes des Bandes, so daß eine genaue Steuerung des Sintervorganges schwierig ist. Ein weiteres Problem besteht dariii, daß das Platinband verschleißt und altert und daß die Kosten für den Austausch hoch sind. Außerdem können sich die Kerne auf dem Band innerhalb des Ofens übereinanderschieben oder vom Band herabfallen, und wenn sie schließlich nach der Durchführung zahlreicher Wärmebehandlungszyklen in den Sammelkasten fallen, können sie beschädigt werden.

Die US A.-Patentschrif12 994 522 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung mit einem waagerecht angeordneten Trägerrohr, die die zuvor genannten Nachteile aufweist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wärmbehandlungsvorrichtung für kleine Teile zu schaffen, die mit geringen Kosten hergestellt, betrieben und unterhalten werden kann und dennoch eine genaue Steuerung des Wärmevorganges bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gekennzeichnet durch Einrichtungen, die das Trägerrohr in einer im wesentlichen senkrechten Lage halten, wobei der Anfangsbereich oberhalb des Endbereichs liegt, durch Einrichtungen zum Zuführen der Teile in den Anfangsbereich des Trrägerrohrs, durch Einrichtungen zum Aufnehmen der Teile nach dem Verladen des Endbereichs des Trägerrohrs, durch einen Gaseinlaß, der mit dem Anfangsbereich des Trägerrohrs verbunden ist und durch Einrichtungen zum Zuführen von Druckgas zu dem Gaseinlaß.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind Einrichtungen zum Einleiten eines Kühlgases in

das Trägerrohr zwischen dem beheizten Mittelbereich und dem Endbereich des Trägerrohrs vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Wärmebehandlungsvorrichtung kann mit relativ geringen Kosten hergestellt werden, da sie keine beweglichen Teile im Hochtemperaturbereich des Ofens aufweist. Die behandelten Teile können in kurzer Zeit, wie etwa wenigen Sekunden, gesintert werden, so daß ein hoher Produktionsausstoß und eine genaue Steuerung erzielt werden können. Die Atmosphäre in dem Trägerrohr kann genau gesteuert werden, so daß sich sehr gleichmäßige Ergebnisse erzielen lassen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen.

Im folgenden werden beispielsweise, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt der Wärmebehandlungsvorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Bereiches 3-3 der Fig. 1;

F i g. 4 ist eine vergrößerte Darstellung des Bereiches 4-4 der Fig. 2;

F i g. 5 ist ein vergrößerter Schnitt eines Teiles des Rohres der Fig. 1, der die Art veranschaulicht, auf die die Magnetkerne hindurchfallen.

Fig. 1 zeigt die Wärmebehandlungsvorrichtung, die einen Ofen 12, eine Zufuhreinrichtung 14 zum Einbringen der kleinen magnetischen Kerne oder anderer kleiner Teile in den Ofen und einen Kasten 16 zum Sammeln der Kerne nach dem Durchgang durch den Ofen umfaßt. Der Ofen weist weiterhin ein senkrecht verlaufendes Trägerrohr 18, ein senkrecht verlaufendes Mantelrohr 20, das über dem Trägerrohr angeordnet ist, und zahlreiche Heizelemente 22 auf, die nahezu entlang der gesamten Länge der Rohre vorgesehen sind. Eine Feuerziegel-Isolierung 24 umgibt die Rohre und die Heizelemente, und ein Stahlrahmen 26 schließt die Feuerziegel-Isolierung ein. Die Zufuhreinrichtung 14 ist mit ungesinterten, magnetischen Kernen gefüllt und leitet sie in den Anfangsbereich 28 des Trägerrohres, von dem aus sie frei durch das Rohr fallen. Während dieses freien Falles werden die Kerne intensiver Erwärmung ausgesetzt, soweit ein langer Mittelbereich des Trägerrohres 18 geheizt ist. Wenn die Kerne aus dem Endbereich 30 des Rohres austreten, sind sie vollständig wärmebchandelt und fertig für die Untersuchung und anschließend für den Einbau in elektrische Geräte.

Wenn die Kerne lediglich in ein Trägerrohr fallen gelassen würden, dessen unteres Ende offen ist, so würden sie nicht hindurchfallen. Dies beruht darauf, daß das Trägerrohr auf Grund der intensiven Beheizung als Kamin wirkt und eine starke Aufwärtsströmung in dem Rohr erzeugt wird. Zur Überwindung dieser starken Aufwärtsströmung wird Gas aus einer Druckgasquelle 32 über einen Volumenstromrelger 34 dem Anfangsbereich 28 des Trägerrohres 18 zugeleitet, so daß Gas durch das Rohr nach unten gepumpt wird. Dadurch wird es möglich, daß die in das Rohr durch die Zufuhreinrichtung 14 eingebrachten Kerne durch das Rohr fallen und aus dem Endbereich 30 in den Kasten 16 austreten. Der Volumenstromregler 34 bewirkt nicht nur, daß die Kerne in dem Rohr nach unten fallen, sondern ermöglicht ebenso eine relativ genaue Steuerung der Geschwindigkeit, mit der der Gasstrom durch das Trägerrohr 18 hindurchgeht. Eine Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases führt zu einer Steuerung der Geschwindigkeit, mit der

die Kerne durch das Rohr fallen. Das beruht darauf, daß die Kerne klein sind, so daß sie ein hohes Verhältnis von Luftwiderstand zu Gewicht aufweisen. Eine weitere Gasquelle 36 ist mit dem Endbereich 30 des Trägerrohres unterhalb des geheizten Mittelbereiches

des Rohres verbunden und leitet Kühlgas ein. Das Kühlgas trägt zur Kühlung der Kerne bei, bevor sie am Ende des Trägerrohres 18 in den Kasten 16 austreten.

Die Gasquellen 32 und 36 sind mit dem Trägerrohr

*5 nicht nur zur Steuerung der Geschwindigkeit des Falles der Kerne durch das Rohr und zum Kühlen der Kerne verbunden, sondern ermöglichen es ebenfalls, die Atmosphäre während des Vorganges genau zu steuern. Das heißt, daß die Gasquellen eine Auswahl der Atmosphäre ermöglichen, die die Kerne während der Erwärmung und Kühlung umgibt. Magnetische Kerne können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, die unterschiedliche Atmosphären während der Wärmebehandlung erforderlich machen.

Beispielsweise erfordern Magnesium-Mangan-Ferrit-Kerne eine oxydierende Atmosphäre während der Wärmebehandlung, jedoch eine inerte Atmosphäre während des Kühlens. Für einige Kerne dieses Aufbaus kann die Druckgasquelle 32, die mit dem An-

fangsbereich des Trägerrohres verbunden ist, Sauerstoff, der in einem vorbestimmten Verhältnis mit anderen Gasanteilen vermischt ist, zuführen, während die Gasquelle 36, die mit dem Endbereich des Rohres verbunden ist, Stickstoff enthalten kann. In vielen Fällen können die Gase Luft sein, so daß die Druckgasquelle 32 durch eine Pumpe gebildet wird und die Gasquelle 36 lediglich aus einer Öffnung in die Umgebungsatmosphäre besteht.

F i g. 4 zeigt den Abschnitt, in dem der Endbereich

30 des Trägerrohres 18 mit dem Kühlgasrohr 38 verbunden ist, das das Kühlgas von der Gasquelle 36 zuleitet. Das Kühlgasrohr 38 ist mit dem Trägerrohr 18 in Richtung einer stromabwärts gerichteten Komponente verbunden, so daß ein Teildruck in dem Kühlgasrohr 38 erzeugt wird. Dadurch wird die Luft der Umgebungsatmosphäre in das Kühlgasrohr 38 gesaugt, wenn das Kühlgasrohr lediglich gegenüber der Atmosphäre offen und nicht mit einer Druckgarquelle verbunden ist.

Im allgemeinen ist es notwendig, daß sich das Trägerrohr 18 in einer im wesentlichen senkrechten Richtung erstreckt. Untersuchungen unter Verwendung eines waagerecht angeordneten Trägerrohres, bei denen Luftdruck an ein Ende angelegt wurde, durch den die kleinen Teile hindurchgeblasen wurden, haben ergeben, daß es sehr schwierig ist, die Bewegungsgeschwindigkeit der Teile durch das Rohr genau zu steuern, insbesondere, wenn es erwünscht ist, sie langsam durch das Rohr hindurch zu bewegen. Es sind zufriedenstellend arbeitende Öfen hergestellt worden, bei denen das Trägerrohr innerhalb von wenigen Graden abweichend von der Vertikalen angeordnet war.

Die Neigung zu einer starken Aufwärtsströmung durch das Trägerrohr 18 kann verhindert werden, indem der Endbereich 30 des Trägerrohres gegenüber der Umgebungsatmosphäre verschlossen wird, indem er beispielsweise mit einem dichten Kasten 16 verbunden wird. Die in eine solche Vorrichtung einge-

worfenen Kerne können durch das Trägerrohr hindurchfallen. Die Atmosphäre in diesem Trägerrohr ist jedoch sehr schnell nicht mehr zufriedenstellend, und zwar vor allem auf Grund des Sauerstoffverbrauches durch die Kerne. Daher wird nach der Wärmebehandlung einer ganzen Anzahl von Kernen das Verfahren unzureichend, selbst wenn die Kerne in Luft wärmebehandelt und gekühlt werden können.

Weiterhin kann Luft am oberen Ende des Trägerrohres durch das Zufuhrrohr 40, das die Zufuhreinrichtung 14 mit dem Trägerrohr 18 verbindet, eintreten. Wenn dieser Lufteintritt ein erhebliches Problem ist, kann die Zufuhreinrichtung zum Verhindern des Lufteintrittes in einen luftdichten Kasten eingeschlossen sein. Üblicherweise kann eine Vibrations-Zufuhreinrichtung für Teile verwendet werden.

Der Ofen 12 ist so aufgebaut, daß vier unterschiedliche Heizzonen 41, 42,43 und 44 längs des Mittelbereiches des Trägerrohres 18 und des Mantelrohres 20 entstehen. Drei Blenden 48 zwischen der Feuerziegel-Isolierung 24 und dem Mantelrohr 20 dichten die Heizzonen voneinander ab. Vier Thermoelemente 50, die mit nicht gezeigten Meßgeräten verbunden sind, messen die Temperatur des Mantelrohres 20 in der Nähe des oberen Endes jeder Heizzone. Die Heizelemente 22 können Silikonkarbidstangen mit hohem elektrischen Widerstand sein. Die Anordnung von mehreren Heizzonen ermöglicht die Durchführung von komplizierteren Wärmebehandlungsverfahren.

Das Mantelrohr 20 besteht aus hoch warmfestem Material, wie etwa Aluminiumoxyd. Das Trägerrohr 18 ist vorzugsweise aus warmfestem Material mit hohem Korrosionswiderstand, wie etwa Platin, hergestellt. Die Kosten des Platinrohres sind relativ gering, da das Trägerrohr 18 einen geringen Durchmesser aufweist. Die Wärmebehandlung der magnetischen Kerne wird üblicherweise bei Temperaturen von z. B. 1260° bis 1316° C durchgeführt; manchmal sind höhere Temperaturen notwendig. Bei diesen Temperaturen kann eine große Wärmemenge durch Strahlung übertragen werden. Dementsprechend erwärmen die Heizelemente 22 das Mantelrohr 20, das Mantelrohr 20 erwärmt das Trägerrohr 18, und das Trägerrohr 18 erwärmt die hindurchtretenden Kerne. Jeder dieser Erwärmungsvorgänge erfolgt im wesentlichen durch Strahlung. Obwohl Luftströmungen in dem Raum zwischen dem Mantelrohr 20 und dem Trägerrohr 18 entstehen, wird eine schnelle Aufwärtsströmung durch Verwendung einer Kappe 52 im oberen Bereich der Rohre zum Abdichten des Zwischenraumes zwischen diesen verhindert. Die Konvektionsströme zwischen den Rohren 18 und 20 sind gering. Eine zusätzliche Kappe ist am unteren Ende der Rohre nicht erforderlich, jedoch kann ein Distanzstück verwendet werden, durch das die Rohre 18 und 20 im gegenseitigen Abstand gehalten werden.

Die Fig. 5 zeigt die Art des Falles der Kerne 54 durch das Trägerrohr 18. Die hohe Erwärmung der durch das Trägerrohr strömenden Atmosphäre erzeugt Luftströmungen, und diese zusammen mit dem unterschiedlichen Luftwiderstand der taumelnden Kerne führt dazu, daß sich die Kerne auf zufällige Art in unterschiedlichen Stellungen innerhalb des Rohres bewegen und manchmal leicht gegen die Wände des Rohres prallen. Während des Falles werden alle Oberflächen der Kerne der Wärme ausgesetzt. So werden alle Kerne nahezu auf identische Art wärmebehandelt. Es ist erkennbar, daß der Innendurchmesser D₁ des Rohres wesentlich größer als der Durchmesser D_c der Kerne ist. Das ermöglicht ein freies Taumeln der Kerne und führt nur gelegentlich zu einem Aufprallen der Kerne gegen die Wand des Rohres 18. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daß der

¹S Durchmesser D₁ des Rohres wenigstens viermal so groß oder größer als die größte lineare Abmessung der hindurchfallenden Teile ist.

Eine Wärmebehandlungsvorrichtung ist unter Verwendung eines Ofens mit einer Länge L von etwa 2,4 m und eines Platin-Trägerrohres 18 mit einem Innendurchmesser von etwa 6 mm hergestellt worden. Kerne mit einem Durchmesser von 0,6 mm wurden wärmebehandelt. Die Geschwindigkeit des Gasstromes durch das Trägerrohr wurde so gesteuert, daß

^a5 etwa 3 Sekunden für den Durchgang der Kerne durch den geheizten Bereich des Trägerrohres, der etwa 2,1 m lang war, erforderlich waren. Dies ist etwa die vierfache Dauer, die für den freien Fall eines Gegenstandes aus derselben Höhe im Vakuum erforderlich wäre. Daher kann ein Ofen geringer Länge für die Wärmebehandlung frei fallender Teile verwendet werden, selbst wenn die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von wenigen Sekunden durchgeführt wird. Natürlich sind wenige Sekunden ein relativ ge-

ringer Zeitraum im Vergleich mit bekannten Verfahren. Dieser geringe Zeitraum wird ermöglicht, da die Kerne nicht dem Kühleffekt des Bandes od. dgl. unterliegen, auf dem sie bei bekannten Vorrichtungen getragen wurden, und da die Kerne angesichts ihrer

♦° geringen Größe sehr schnell erwärmt werden können.

Eine Prüfvorrichtung kann zum Untersuchen der Kerne unmittelbar nach dem Austritt aus dem Endbereich 30 des Trägerrohres 18 vorgesehen sein. Die

♦5 Prüfergebnisse können eine Temperaturänderung im Ofen und/oder eine andere Strömungsgeschwindigkeit notwendig machen. Korrekturen können bei einer gegebenen Produktionsgeschwindigkeit schnell durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Wärmebehandlungsvorrichtung hat zahlreiche Vorteile gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen, die zur Wärmebehandlung von kleinen Teilen, insbesondere von magnetischen Kernen, verwendet worden sind, und in denen die Kerne auf Bändern oder in Kapseln durch den Ofen getragen wurden. Die kurze Durchlaufzeit gestattet eine sehr hohe Produktion von etwa mehreren Millionen Kernen pro Stunde in einem relativ kleinen oben beschriebenen Ofen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung kleiner Teile in einem Trägerrohr, durch das die Teile während der Behandlung hindurchgeführt werden und das einen als Einlaß dienenden Anfangsbereich und einen als Auslaß dienenden Endbereich aufweist, und mit Einrichtungen zum Erwärmen eines Mittelbereichs des Trägerrohres zwischen Anfangs- und Endbereich, gekennzeichnet durch Einrichtungen (20, 52...), die das Trägerrohr (18) in einer im wesentlichen senkrechten Lage halten, wobei der Anfangsbereich (28) oberhalb des Endbereichs (30) liegt, durch Einrichtungen (14,40) zum Zuführen der Teile (54) in den Anfangsbereich (28) des Trägerrohrs (18), durch Einrichtungen (16) zum Aufnehmen der Teile (54) nach dem Verlassen des Endbereichs (30) des Trägerrohrs (18), durch einen Gaseinlaß, der mit dem Anfangsbereich (28) des Trägerrohrs (18) verbunden ist, und durch Einrichtungen (32, 34) zum Zuführen von Druckgas zu dem Gaseinlaß.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (36. 38) zum Einleiten eines Kühlgases in das Trägerrohr (18) zwischen dem beheizten Mittelbereich und dem Endbereich (30) des Trägerrohres (18).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (D₁) des Trägerrohres (18) mehr als viermal so groß wie der maximale Durchmesser (D_c) der zu behandelnden Teile (54) ist, zumindest entlang des durch die Einrichtungen (22) beheizten Bereichs des Trägerrohres (18).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Zuführen von Druckgas zu dem Gaseinlaß einen Volumenstrom-Regler (34) umfassen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes, beheiztes Mantelrohr (20), innerhalb dessen das Trägerrohr (18) ohne gegenseitige Berührung angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Mantelrohr (20) und dem Trägerrohr (18) wenigstens an einem Ende in Axialrichtung verschlossen ist und daß die Einrichtungen zum Beheizen des Mantelrohres eine Anzahl von getrennt steuerbaren Heizeinrichtungen (22,50) umfassen, die im Abstand längs des Mantelrohres zur Bildung eine Anzahl von getrennten Heizzonen (41, 42, 43, 44) angeordnet sind.