DE2338020A1

DE2338020A1 - Verfahren zum gesteuerten abkuehlen heisser gegenstaende mittels fluessigkeit oder fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2338020A1
Application number: DE19732338020
Authority: DE
Inventors: Birger David Lineberg
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1972-07-28
Filing date: 1973-07-26
Publication date: 1974-02-14
Also published as: GB1438686A; FR2194787A1; FR2194787B1; US3963535A; SE387961B

Description

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DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL·, ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

patkntanwaltk

d-8000 mönchen 81 · arabellastrasse 4 · telefon (0811) 911087

AB Volvo, Göteborg / Schweden

Verfahren zum gesteuerten Abkühlen heißer Gegenstände mittels Flüssigkeit oder Flüssigkeiten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum gesteuerten Abkühlen heißer Gegenstände mittels Flüssigkeit oder Flüssigkeiten und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit dem gesteuerten Abschrecken beim Härten.

Von den verschiedenen, das Ergebnis des Härtens beeinflussenden Faktoren ist es heutzutage möglich, alle zufriedenstellend

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zu steuern, mit Ausnahme der tatsächlichen Abschreckwirkung. Es ist möglich, einen Stahl mit einer geeigneten Härtbarkeit auszuwählen, ebenso wie die Temperatur, die Zeit und den Kohlenstoffgehalt im Heizofen zu messen und zu steuern. Die Steuerung und Regulierung des Abschreckens des zu härtenden Materials gibt jedoch Anlaß zu großen Schwierigkeiten. Während theoretischer als auch experimenteller Untersuchungen der Wärmeübertragung von einem flüssigen Kühlmittel auf einen festen Körper hat es sich herausgestellt, daß die Wärmeübertragung von den Eigenschaften, der Temperatur und dem Umrühren des Kühlmittels und in großem Maße sogar vom Druck abhängig ist, der in und oberhalb der Flüssigkeit herrscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Abschrecken beim Härten wirksam zu steuern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abkühlung durch Verändern des Druckes, bei welchem die Abkühlung stattfindet, geändert wird.

Es wurde gefunden, daß gesteigerter Druck zu gesteigerter Wärmeübertragung bei im übrigen unveränderten Bedingungen im Kühlmittel führt. So wird es durch die Erfindung mit Hilfe des Druckes möglich, die Abschreckgeschwindigkeit zu beeinflussen, d.h. vorzugsweise zu steigern. Der in dem Kühlmittel oder oberhalb des Kühlmittels vorherrschende Druck bildet eine besondere Veränderliche, die es beim Abschrecken ermöglicht, das Abschrekken mit einer bestimmten Intensität zu steuern, wodurch folgende Vorteile erreicht werden:

Es ist möglich, einen niedriger legierten Stahl auszuwählen als beim Abschrecken unter Atmosphärendruck.

Die Eindringtiefe der Härtung und die Härte eines gegebenen Materials können gesteuert werden.

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Durch Ändern des Druckes kann verschieden schnelles Abschrecken in verschiedenen Temperaturbereichen erzielt werden. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, am Anfang schnell abzuschrekken und dann langsamer (was durch Verringern des Druckes erzielt werden kann) bis auf den Temperaturbereich abzuschrecken, in welchem Martensit gebildet wird.

Eine sehr kräftige Wärmeübertragung wird erzielt, indem der Druck so eingestellt wird, daß er auf einem Druck gehalten wird, der dem Sättigungsdruck des Kühlmittels bei der Oberflächentemperatur des zu härtenden Materials entspricht.

Der Druck kann entweder oberhalb oder unterhalb des Atmosphärendruckes gewählt werden. Sogar wenn das Verfahren durch ständiges Ändern des Druckes mit der Temperatur im gesamten Abschreckverlauf optimiert wird, wird eine starke Verbesserung der Abschreckwirkung erreicht, indem vor Beginn des AbkUhlens ein Druck aufgebracht wird, der eine optimale Abschreckgeschwindigkeit bei einer Temperatur oder in einem Temperaturbereich ergibt und beim Erreichen dieser Temperatur oder dieses Temperaturbereichs schnell der Druck auf einen niedrigeren Wert ober- und unterhalb des Atmosphärendruckes geändert wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist so aufgebaut, daß ein offener oder geschlossener Behälter für das Kühlmittel oder die Kühlmittel mit einer Einrichtung zum Regulieren der Temperatur des Kühlmittels, eine Einrichtung zum Umwälzen des Kühlmittels, eine Einrichtung zum Leiten des Kühlmittels zu einem einen Schacht bildenden Teil des Behälters, eine Einrichtung zum Einbringen des Gegenstandes in den Schacht und eine Einrichtung zum Steuern des Druckes des Kühlmittels im Schacht vorgesehen sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so ausgelegt, daß die Einrichtung zum Leiten des

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Kühlmittels zum Beeinflussen des Druckes im Schacht angeordnet ist, und daß die Einrichtung zum Einsetzen des Gegenstandes in den Schacht so ausgebildet ist, daß der Schacht einen geschlossenen Raum bildet, wenn der abzukühlende Gegenstand in das Kühlmittel im Schacht abgesenkt ist, wobei der Behälter oder Schacht mit Einlassen und Auslassen für das Kühlmittel versehen ist, und das Kühlmittel durch den im Schacht vorherrschenden Druck beeinflußbar ist.

Erfindungsgemäß kann der für das Kühlmittel vorgesehene Behälter geschlossen sein, und oberhalb der Oberfläche des Kühlmittels in dem Behälter kann ein kompressibles Gas eingebracht werden, das in ein geschlossenes, einstellbares System eintritt, um den Druck im Gas und damit auch den Druck im Kühlmittel zu steuern. Es ist auch möglich, dem Kühlmittel ein Strömungsmittel mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatür,als sie das Kühlmittel im Schacht aufweist, zuzuführen, um den Druck im Schacht zu beeinflussen. Diese Zufuhr kann von der Außenseite des Behälters in denselben erfolgen. Das Kühlmittel im Schacht wird auf eine der im Schacht vorherrschenden Verdampfungstemperatur entsprechende Temperatur erwärmt.

Zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so aufgebaut, daß die Einrichtung zum Einbringen des abzukühlenden Gegenstandes als oben geschlossener, unten offener und den Gegenstand umschließender Behälter ausgelegt ist und gegenüber dem übrigen Teil des Schachtes abdichtbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Verlauf des Abschreckens, und

Fig. 2 bis 5 schematische Darstellungen der Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das Abschrecken von auf eine hohe Temperatur erwärmten Metallen, ist jedoch nicht zur Bildung irgendeiner Einschränkung des erfindungsgemäßen Verfahrens gedacht.

Bezüglich des Betriebsverhaltens des Kühlmittels ist es bekannt, daß das Abschrecken in vier Stufen unterteilt werden kann, insbesondere eine Hoch-Temperaturstufe mit einer Dauer von einem Bruchteil von Sekunden, einer Stufe, in welcher ein Dampffilm siedet, mit einer Dauer von 10 bis 15 Sekunden, eher Stufe, in der sich Blasen bilden, mit einer Dauer von 15 Sekunden bis 5 Minuten, und einer Konvektionsstufe mit einer Dauer von 3 bis 4 Minuten. Die Hoch-Temperaturstufe zeichnet sich dadurch aus, daß der Kontakt zwischen dem Kühlmittel und der sehr heißen Metalloberfläche, eine intensive Wärmeübertragung verursacht. Diese starke Wärmeübertragung dauert nur wenige Augenblicke. Danach wird ein Dampffilm um das Metall gebildet, der die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Metall stark verringert. Dies ist in Pig. 1 durch den Bereich DE dargestellt, welcher definiert, daß der Wärmeübergang pro Oberflächeneinheit -f von der Oberfläche des Metalls zum umgebenden Kühlmittel eine Punktion der Temperaturdifferenz T^ - T^ zwischen der Oberfläche des Metalls und dem Kühlmittel ist. Der Bereich DC, zwischen dem Punkt D, wo das stabile Sieden des Dampffilms beginnt, und dem Punkt C, wo die maximale Blasenbildung vorherrscht, wird als instabiler, kochender Dampffilm bezeichnet und ist durch ein abwechselndes Anwachsen und Zusammenfallen des Dampfes gekennzeichnet. Der Wärmeübergang von C nach B ist kräftig und stabil. Eine große Anzahl von Blasen wird in diesem Bereich gebildet, was dazu führt, daß der Wärmeübergang stark ansteigt. Im Bereich BA findet der Wärmeübergang durch natürliche Konvektion statt. Das Abkühlen wird nicht bemerkenswert verringert, und der Wert des Wärmeübergangs nimmt ab.

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Bei einem Ansteigen des Druckes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Blasenbildung in einem bemerkenswert größeren Bereich zu erzielen als er bei einem bestimmten Druck erzielt werden kann," d.h. der Bereich BC in Fig. 1 erstreckt sich über einen vergrößerten Temperaturbereich.

Der Druck beeinflußt auch die Temperatur, bei welcher das Sieden des Dampffilms in eine Blasenbildung übergeht, und aufgrund der Änderung des Siedepunkts durch den Druck auch die Temperatur, bei welcher der Wärmeübergang durch Blasenbildung in den Wärmeübergang durch Konvektion übergeht. Ein Ansteigen des Druckes führt dazu, daß das Sieden des Dampffilms bei höheren Temperaturen in die Blasenbildung übergeht, was für ein schnelles Anfangsabschrecken wesentlich ist.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt, in welcher ein Behälter 1 mit einem Kühlmittel gefüllt ist, das dem abzukühlenden Gegenstand mittels einer Pumpe 4 über ein System von Rohren und Leitblechen 5 zugeführt wird. Der Gegen stand wird in den innerhalb des Behälters angeordneten vertikalen Schacht 6 mittels einer Hubanordnung eingebracht, die so ausge legt ist, daß ein Deckel 7 den übrigen Teil des Schachtes ab dichtet. Der gewünschte Druck im Schacht wird teilweise durch die Pumpe 4 und teilweise durch den Deckel 7 erzielt, welcher mit Hilfe der Steuereinrichtung 8 geöffnet werden kann« so daß ein vorbestimmter Druck im Schacht herrscht.

Die Drehrichtung der Pumpe wird so ausgewählt, daß Druck ober- oder unterhalb des Atmosphärendruckes erzielt wird. Wenn niederer Druck gewünscht wird, können das erforderliche Umrühren und der Druck durch das Kühlmittel erzielt werden, das dem Schacht über druckabhängige Einlaßventile 9 zugeführt wird. Die Temperatur des Kühlmittels wird z.B. durch Tauchsieder 10 über eine Temperatursteuereinrichtung 11 gesteuert. Das Umrühren des

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Kühlmittels wird ebenfalls durch die Pumpe 4 über deren Drehzahlregler 12 gesteuert.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zum Erzielen des gewünschten Druckes im Kühlmittel ist in Fig. 3 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel kann allein oder in Verbindung mit der Anordnung nach Fig. 2 verwendet werden. Die Vorrichtung nach Fig. ist in der Hauptsache der Vorrichtung nach Fig. 2 ähnlich, wird jedoch durch eine Vorrichtung ergänzt, mit welcher dem Kühlmittel gesteuert eine Flüssigkeit mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur als der des Kühlmittels zugeführt werden kann. Wenn das Kühlmittel z.B. öl ist, das durch den Tauchsieder oder lokal durch den zu härtenden Gegenstand auf eine Temperatur oberhalb 100 C erwärmt ist, kann z.B. durch ein Rohr IJ Wasser zugeführt werden. Das Wasser wird unmittelbar verdampft, wodurch ein Druckanstieg verursacht wird, der in seiner Größe und Dauer teilweise durch die zugeführte Wassermenge und die Zufuhrzeitdauer und teilweise durch das Druckregelsystem nach Fig. 2 gesteuert werden kann. Natürlich kann zu einem öl mit einer Temperatur oberhalb 100 C Wasser aus einem Behälter zugeführt werden, das mit dem Kühlmittel in dem Schacht 6 in Berührung steht und dadurch ein schneller Anstieg des Druckes im Kühlmittel erzielt werden.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem AusfUhrungsbeispiel wird der Gegenstand innerhalb einer Glocke 14 angeordnet, ehe er in das Kühlmittel getaucht wird. Wenn die den Gegenstand enthaltende Glocke in das Kühlmittel getaucht wird, wird ein Druck aufgebaut, der teilweise davon abhängt, wie tief die Glocke und der Gegenstand in das Kühlmittel getaucht werden, und teilweise vom Volumenanstieg abhängt, der stattfindet, wenn der Gegenstand J5 das Kühlmittel aufheizt, das in der Glocke 14 vorhanden ist. Dieser Druck wird in derselben Weise gesteuert, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, d.h. durch eine Dichtung 15. Es versteht

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sich, daß dieses Ausführungsbeispiel allein oder zusammen mit einem der vorhergehenden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und j5 verwendet werden kann.

Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kühlmittel ist hier vollständig im Behälter eingeschlossen, und der gewünschte Druck im Kühlmittel wird durch den Druck in einem gasförmigen Medium oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit erzielt, der durch eine Anordnung 17* einen Gaszutritt 21 und Steuereinrichtungen 18 angehoben oder abgesenkt wird, ehe der abzuschreckende Gegenstand in das Kühlmittel abgesenkt wird. Das Kühlmittel wird durch eine Pumpe 19 umgewälzt, und die Temperatur des Kühlmittels wird durch eine Anordnung ähnlich der in Fig. 2 gezeigten gesteuert. Die Strömung des Kühlmittels wird durch ein System von Rohren und Leitblechen 5 und den Schacht gesteuert. Die Hubeinrichtung 20 kann verwendet werden, ohne daß irgendein Teil derselben eine Abdichtung gegenüber dem Schacht 6 aufweist* Es versteht sich, daß dieses Ausführungsbeispiel in Kombination mit einer oder mehreren der Vorrichtungen nach den Fig. 2 bis 4 verwendet werden kann.

Wie der Fachmann leicht einsieht, sind andere Ausführungsbeispiele zum Erzielen eines Druckanstiegs bzw. einer Druckverringerung in einem Kühlmittel während eines Abschreckvorganges denkbar, und sogar die hier dargestellte Vorrichtung kann abgewandelt werden, um dasselbe Ergebnis zu erzielen, ohne daß vom Gedanken und Anwendungsbereich der Erfindung abgewichen wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum gesteuerten Abkühlen heißer Gegenstände mittels Flüssigkeit oder Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet , daß die Abkühlung durch Verändern des Druckes, bei welchem die Abkühlung stattfindet, geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Druck über dem Atmosphärendruck liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. , daß der Druck unter dem Atmosphärendruck liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß vor Beginn des Abkühlens ein Druck über dem Atmosphärendruck aufgebracht wird und der Druck beim Erreichen einer bestimmten Temperatur des heißen Gegenstands auf einen niedrigeren Wert oberhalb oder unterhalb des Atmosphärendrucks geändert wird.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein offener oder geschlossener Behälter (1, 16) für das Kühlmittel (2) oder die Kühlmittel mit einer Einrichtung (10, 11) zum Regulieren der Temperatur des Kühlmittels, eine Einrichtung (4, 19) zum Umwälzen des Kühlmittels, eine Einrichtung (5) zum Leiten des Kühlmittels zu einem einen Schacht (6) bildenden Teil des Behälters, eine Einrichtung (7, 20) zum Einbringen des Gegenstandes (3) in den Schacht und eine Einrichtung (8, 18) zum Steuern des Druckes des Kühlmittels im Schacht vorgesehen sind.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (5) zum Leiten des Kühlmittels (2) zum Beeinflussen des Druckes im Schacht (6) angeordnet ist, und daß die Einrichtung (7) zum Einsetzen des Gegenstandes (j5) in den Schacht so ausgebildet ist, daß der Schacht einen geschlossenen Flaum bildet, wenn der abzukühlende Gegenstand in das Kühlmittel im Schacht abgesenkt ist, wobei der Behälter oder Schacht mit Einlassen und Auslässen für das Kühlmittel versehen ist, und das Kühlmittel durch den im Schacht vorherrschenden Druck beeinflußbar ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch

gekennzeichnet , daß der Behälter (16) für das Kühlmittel (2) geschlossen ist, und daß oberhalb der Oberfläche des Kühlmittels im Behälter ein kompressibles Gas vorhanden ist, um den Druck im Kühlmittel in einem geschlossenen, gesteuerten System zu steuern.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (9) zum Leiten einer Flüssigkeit mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur als das Kühlmittel (2) im Schacht (6) zur Beeinflussung des Druckes im Schacht vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (9) zum Leiten einer Flüssigkeit mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur als das Kühlmittel (2) im Schacht (6) außerhalb, doch in Verbindung mit dem Behälter angeordnet ist, wobei das im Schacht befindliche Kühlmittel auf eine der im Schacht vorherrschenden Verdampfungstemperatur entsprechende Temperatur erwärmt wird.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Einbringen des abzukühlenden Gegenstandes (3) als

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oben geschlossener, unten offener und den Gegenstand umschließender Behälter (14) ausgelegt ist und gegenüber dem übrigen Teil des Schachtes (6) abdichtbar ist.

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