DE2830153C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Wärmebehandeln von zu Ringen gehaspeltem Draht oder Band - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Wärmebehandeln von zu Ringen gehaspeltem Draht oder Band wobei die Ringe austenitisiert, unter Erregung zu Eigenschwingungen abgekühlt und anschließend angelassen werden.

Solche Vorrichtungen, bei denen das zu behandelnde Gut zu Eigenschwingungen angeregt wird, sind aus der DE-PS 21 58 459 und der DE-OS 23 27 603 bekannt. Mit diesen Vorrichtungen werden gute Ergebnisse erzielt, es hat sich jedoch gezeigt, daß wesentliche Verbesserungen möglich sind, insbesondere, wenn größere Mengen pro Zeiteinheit durchgesetzt werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften des wärmebehandelten Drahtes oder Bandes zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Erregung zu Eigenschwingungen vor dem Beaufschlagen mit dem Abkühlmedium einsetzt und unter Durchflutung des Ringes mit dem Abkühlmedium während des Abkühlvorganges so lange fortgesetzt wird, bis alle Volumenteile des Ringes martensitisch umgewandelt sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Ring aus Draht oder Band ab der Aufnahme während oder unmittelbar nach dem Austenitisieren bis zum Abkühlen in seiner Höhe auf das 1,2- bis Dreifache vergrößert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die mechanischen Eigenschaften des wärmebehandelten und danach angelassenen Drahtes oder Bandes über den gesamten Ring in hohem Maße übereinstimmen. Außerdem sind die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen und die Vorrichtungen zum Durchführen derselben für Anlagen geeignet, die für eine hohe Produktion ausgelegt werden müssen.

Das neue Verfahren und die dafür einzusetzenden Vorrichtungen werden im folgenden näher beschrieben:

Das Ziel des Verfahrens, die hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften des gehärteten und angelassenen Ringes in allen Elementen wird erreicht, indem der von einem schwingungssteifen Träger aufzunehmende, vorher auf Austenitisierungstemperatur gebrachte Ring von Beginn der Aufnahme des Ringes an zu Resonanzschwingungen angeregt und diese Anregung fortgesetzt und insbesondere in der Phase des Eintauchens in das Abkühlmedium sowie bei völlig eingetauchtem Ring beibehalten wird, bis alle Volumeneleniente des Drahtes martensitisch umgewandelt sind.

Die Folge dieser Maßnahme ist unter anderem eine

nur kurzfristige, nicht permanente Berührung zwischen kaltem Träger und heißem Ring und damit ein besserer Ausgleich des Temperaturverlustes im Bereich der kurzfristigen Kontaktstellen. Hinzu kommt, daß durch die tangential Bewegung des Ringes immer wieder neue Kontaktstellen als Auflagepunkt hinzukommen, also keine Stellen des Ringes benachteiligt sind

Die Erregung des Ringes zu Eigenschwingungen während des Eintauchens in das AbkühLmedium ist ebenso zwingend, weil damit erreicht wird, daß jedes Element des Ringes unter nahezu gleichen Bedingungen abgeschreckt wird. Würde erst nach vollzogenem Eintauchen mit der Vibration begonnen, so wäre die vorausgehende Abkühlung ohne Vibration von den zuerst eingetauchten Elementen des Ringes eine andere als die der zuletzt eingetauchten. Zudem wäre die Phase der ersten Abkühlung — und diese ist entscheidend für den gesamten Abkühlungsverlauf — so ungleichmäßig wie jede bisherige konventionelle Abkühlung von Ringen.

Die tragende Fläche des schwingungssteifen Trägers hat erfindungsgemäß die 1,2- bis 3fache Länge der Ringhöhe, vorzugsweise die 2- bis 3fache. Der am Austenitisierungsofen aufgenommene, in Resonanz schwingende Ring breitet sich über diese Tragfläche während des Transportes zum Abkühlbad gleichmäßig aus. Diese Maßnahme der im Vergleich zur Ringhöhe größeren Länge des Trägers wirkt einer unzulässigen Überhitzung des Abkühlmediums im Bereich der Drahtwindungen entgegen. Werden mehrere Ringe auf einmal abgekühlt, so sind diese in diesem Zusammenhang als ein Ring anzusehen.

Diese vergrößerte Länge eines Ringes auf beispielsweise einem Haken schließt zudem den Vorteil ein, daß die strömungstechnischen Bedingungen für jede einzelne Windung des Ringes idealen Abkühlbedingungen noch näher kommen.

Das Schwingen von Teilen des Ringes im Abkühlmedium hat nicht nur — wie beim Beizen — den Vorteil des Auflösens permanenter Kontaktstellen zwischen den Windungen und damit das Auflösen von quasi geschlossenen Hohlräumen, die von drei dicht beieinander liegenden Windungen gebildet werden, zur Folge, sondern auch die Erhöhung der Wärmeübergangszahl aufgrund der in der Richtung ständig wechselnden Relativbewegung zwischen Drahtelement und Abkühlmedium. Die in Grenzen gegebene Ternperaturabhängigkeit des £-Mnduls und damit die Verschiebung der Resonanzfrequenzen mit fallender Temperatur, muß bei der Wahl der Erregerfrequenz berücksichtigt werden.

Zu der Maßnahme, ab der Übernahme des Ringes bis zum Abschluß der Martensitbildung den Ring zu Eigenschwingungen anzuregen, wird erfindungsgemäß das radiale Durchströmen des Ringes mit dem Abkühlmedium vorgesehen. Dabei ist eine Geschwindigkeit beim Anströmen von 0,1 bis 5 m/s, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 m/s aufrecht zu erhalten. Diese Geschwindigkeit ist die zu wählende absolute Geschwindigkeit des Abkühlmediums beim Eintritt oder Austritt aus dem Ring. Die relative Geschwindigkeit zwischen Abkühlmedium und Draht bzw. Band ist höher, und zwar einerseits wegen der Schwingungen der Elemente von Draht bzw. Band und andererseits wegen der Raumerfüllung durch die Drahtwindungen.

Es ist bekannt, den Ring von einer Stirnseite anzuströmen (DE-PS 21 58 459). Die zweite Stirnseite wird dabei mit einer Platte verschlossen, so daß das Abkühlmedium gezwungen ist, radial durch den Ring zu

treten.

Diese bekannte Maßnahme hat jedoch Nachteile. Der Ring muß verhältnismäßig genau positioniert werden und durch das Anschlagen des schwingenden Ringes an die abschließende Platte wird der Lärmpegel unnötig erhöht Dagegen strömt gemäß der Erfindung das Abkühlmedium von beiden Seiten des Ringes so zu, daß die axiale Geschwindigkeit des Mediums in der Mitte der einen Stirnseite des Ringes oder aber in der Mitte der Höhe des Ringes Null ist

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform des Abkühlbades gemäß der Erfindung. Der schwingende C-Haken 1, der den Ring 2 trägt, wird in das AbkühJmedium 3 getaucht Die zwei Stirnseiten 4 des Ringes 2 werden mit Abkühlmedium angeströmt Das Abkühlmedium gelangt im wesentlichen axial von beiden Seiten in den Innenraum des Ringes 2 und tritt radial durch den Ring 2 aus. Die Pumpen 5 sind so gewählt, daß die gewünschte radiale Strömungsgeschwindigkeit resultiert

Die Lage der Ebene mit der axialen Strömungsgeschwindigkeit Null kann während des Abkühlvorganges zwischen Stirnseite und Mitte oder zwischen der einen und der anderen Stirnseite wandern, indem die Leistungen der Pumpen 5 entsprechend variiert werden.

Vor dem Wärmebehandeln muß der Draht oder das Band auf die vorgesehene Temperatur, in der Regel (bei Stahl) die Austenitisierungstemperatur gebracht werden. Dazu bedient man sich in vielen Fällen eines Rollenherdofens.

Fig.2 zeigt den Auslauf eines solchen Rollenherdofens, der mit einer Tür 7 abgeschlossen ist. In das Rollenbett 8 greift der eine Schenkel 9 eines Kippstuhles ein, der mit dem Lager 10 außerhalb des Ofens 6 befestigt ist. Sobald der Haken 1 in der Ausgangsposition ist und der Ring 2 oberhalb des Schenkels 9 auf dem Rollenherd zur Verfügung steht, wird die Tür 7 geöffnet und Kippstuhl wie C-Haken aufeinander zu bewegt. Während sich der Kippstuhl dreht, wird der C-Haken abgestimmt auf diese Drehung horizontal und vertikal so bewegt, daß der Ring 2 auf den C-Haken 1 zu liegen kommt. Die Palette 11 wird mechanisch auf dem Kippstuhl festgehalten und erst nach Übergabe des Ringes 2 vom Kippstuhl genommen und zum Ofeneingang zurückgeführt

Es kann zweckmäßig sein, die tragende Fläche des Hakens 1 mit einer wärmeisolierenden Schicht zu versehen. Auch ist es denkbar, den Haken 1 zeitweise oder ständig zu beheizen, insbesondere wenn Haken 1 in Wartestellung vor dem Ofen 6 verharren.

Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme ist die äußerst rasche Übergabe auf den Träger und das nachfolgende rasche Eintauchen. Dieser Bewegungsablauf wird in weniger als 30 s, vorzugsweise in weniger als 10 s, durchgeführt. Diese Zeitspanne zählt vom Augenblick des öffnens des Ofens 6 bis zum Augenblick des völligen Eintauchens des Ringes 2. Eine zusätzliche Maßnahme, die besonders bei kleinen Drahtdurchmessern von z. B. von 5,5 mm hilfreich ist, ist ein während des Transportes vom Ofen 6 zum Abkühlbad den Ring umfassender Strahlenschutz geringer Wärmekapazität, der vorzugsweise aus mehreren Lagen dünner Metallfolien besteht.

Diese schnelle Übergabe vom Austenitisierungsofen zum Abkühlbad ist für eine hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften von gehärtetem und angelassenem Ring wichtig; denn bei langsamerer Übergabe kühlen außenliegende Elemente des Drahtes oder Bandes mehr ab als innenliegende und die Folge ist

eine unterschiedliche Temperatur des Ringes im Augenblick des Härtens. Unterschiedliche Härtegefüge und damit unterschiedliche Eigenschaften von beispiels-

' weise Drahtelement zu Drahtelement, wären die Folge.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Wärmebehandein besteht aus den Schritten Austenitisieren, Abkühlen und Anlassen. Alle Maßnahmen dieser drei Verfahrensstufen müssen aufeinander abgestimmt sein, um ein optimales Arbeiten zu gewährleisten. Dasselbe gilt für zwischen den einzelnen Schritten liegende Abläufe, die oft einen erheblichen Einfluß auf die davor und/oder danach liegenden Maßnahmen haben.

So ist es zweckmäßig, nach dem Abkühlen des Ringes in gleicher Weise, bei härterißempfindlichen Qualitäten schwächer, zu Eigenschwingungen anzuregen, um das im Ring haftende Abkühlmedium über einer Auffangwanne auszuschütteln. Die Reste des Abkühlmediums werden z. B. in einer Abdampfkammer bei anhaltender Erregung zu Eigenschwingungen entfernt, wobei ein heißes Gas oder heiße Luft radial durch den Ring strömt. In manchen Fällen genügt es, ohne Erregung zu Eigenschwingungen z. B. heiße Luft durch den Ring zu drücken.

Auch diese Maßnahme hat zum Ziel, die hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften des gehärtetem und angelassenen Drahtringes nicht zu gefährden. Würden Reste des Abkühlmediums, die z. B. zwischen drei eng beieinanderliegenden Windungen eingefangen sind, im Ring verbleiben, so würden diese Reste beim Anlassen erst allmählich verdampfen und die betroffenen Windungselemente im Gegensatz zu trockenen Elementen des Ringes aus Draht oder Band sehr viel länger verhältnismäßig kalt bleiben und demzufolge weniger lang angelassen werden.

F i g. 3 zeigt den Querschnitt einer Abdampfkammer 12, durch die die Ringe 2 zwischen dem Abkühlen und dem Anlassen geschleust werden. In dieser Abdampfkammer 12 werden die Reste des Abkühlmediums aus dem Ring 2 dadurch entfernt, daß ein Saugrohr 13 an die eine Stirnseite des Ringes 2 gelegt, während die andere Stirnseite mit einer Platte 14 verschlossen ist. Heißes Gas wird über den Stutzen 15 in die Abdampfkammer 12 geleitet. Es tritt radial von außen durch den Ring 2 und wird innen über das Saugrohr 13 abgesaugt. Getragen wird der Ring 2 durch den Haken 1. Dieser wiederum wird getragen vom Tragholm 16, der in eine Transportkette 17 eingreift Diese Kette wird durch Räder 18 in Schritten bewegt. Die Abdichtung 19 schließt aus, daß heiße Luft in die über der Abdampfkammer 12 liegende zweite Kammer 20 eindringt. In dieser Kammer 20 wird vorteilhafterweise ein geringer Oberdruck aufrechterhalten.

Für das über den Stutzen 15 zugeführte heiße Gas soll die Strömungsgeschwindigkeit bei 1 bis 10 m/s und die Temperatur bis maximal etwa 300° C liegen.

Das mit den öldämpfen angereicherte heiße Gas bzw. die mit den Dämpfen angereicherte heiße Luft kann außerhalb der Abdampfkammer 12 beispielsweise durch eine Brennkammer geführt werden. In ihr werden die öldämpfe verbrannt Die freiwerdende Wärme kann zum Vorwärmen des Ringes in der Abdampfkammer 12 genutzt werden.

Für das Ziel, eine über den ganzen Ring hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften des Drahtes oder Bandes zu erreichen, sind auch die Vorgänge beim abschließenden Anlassen von wesentlicher Bedeutung. Entsprechend der Arbeitsweise beim Abkühlen (Fig. 1) ist deshalb gemäß der Erfindung vorgesehen, die vertikal gelagerten Ringe beidseitig radial mit einem heißen Gas zu durchströmen, wie das in den F i g. 4 und 5 gezeigt ist.

Diese Art des Anlassens von Ringen hat gegenüber dem üblichen Anlassen oder Glühen von Ringen, bei dem die stehenden Ringe auf Paletten durch einen Rollenherdofen geführt werden, den Vorzug, daß die hohe Durchlässigkeit des auf das 1,2- bis 3fache verlängerten Ringes erhalten bleibt, die gezielte radiale Durchströmung eine um das 3fache höhere mittlere Wärmeübergangszahl zu erzielen erlaubt und die Gleichmäßigkeit des Anlassens im Vergleich zur konventionellen Vorgehensweise entscheidend verbessert ist. Die im zweiten Verfahrensschritt, beim Abkühlen gemachten Anstrengungen, eine hohe Gleichmäßigkeit über alle Elemente des Drahtringes zu erreichen, wird durch die beschriebene Art des Anlassens ergänzt.

Die F i g. 4 und 5 zeigen Quer- und einen Längsschnitt des neuen Anlaßofens 24. Vorgesehen ist die beschriebene (F i g. 3) Art des Transportes der Ringe 2 mit Hilfe von Haken 1 und einer Transportkette 17. Die beiden Stirnseiten 4 der Ringe 2 werden mit heißem Gas angeströmt. Die Strömungsführung ist der Fig.4 zu entnehmen. Das Gas wird aus dem Ofen 24 über den Ventilator 21 abgesaugt und über die strömungsführenden Rohre 22 auf beide Stirnseiten 4 des Ringes 2 gerichtet. Die Beheizung des Gases erfolgt in diesem Beispiel durch senkrecht hängende Strahlheizrohre 23.

In dem Anlaßofen 24 haben die Ringe 2 vorzugsweise die gleiche Lage wie in der Abdampfkammer 12 in Fig.3; sie hängen auf einem Haken 1. Damit ist der Vorteil verbunden, daß sie auf Grund ihrer um das 1,2-bis 3fache vergrößerten Ringhöhe radial leicht vom Wärmeträger durchströmt werden können. Die beschriebene spezielle Ausführung des Anlaßofens 24 sichert eine hohe Gleichmäßigkeit beim Anlassen und damit gleichmäßige mechanische Eigenschaften aller Elemente des Ringes.

Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtungen zum Durchführen desselben sind speziell zum Vergüten von Stählen entwickelt worden, die je nach Wahl des Abkühlmediums und seiner Temperatur vorzugsweise in Martensit und ggf. auch in Bainit umwandeln und die nach dem Abkühlen je nach gewünschter Festigkeit mehr oder weniger hoch angelassen werden. Das Verfahren und die Vorrichtungen, insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis 7, sind jedoch auch für nicht umwandlungsfähige Stähle geeignet, z. B. austenitische, nichtrostende Stähle, die von hoher Temperatur abgekühlt werden müssen, um die Chromkarbidbildung und damit einen Verlust an Korrosionswiderstand auszuschließen. Auch Nichteisenmetalle, die von Lösungstemperatur abgeschreckt werden, um sie gut verformen zu können, können nach dem beschriebenen Verfahren behandelt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von zu Ringen gehaspeltem Draht oder Band, wobei die Ringe austenitisiert, unter Erregung zu Eigenschwingungen durch Beaufschlagen mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium abgekühlt und anschließend angelassen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung zu Eigenschwingungen vor dem Beaufschlagen mit dem Abkühlmedium einsetzt und unter Durchflutung des Ringes mit dem Abkühlmedium während des Abkühlvorganges so lange fortgesetzt wird, bis alle Volumenteile des Ringes martensitisch umgewandelt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring ab der Aufnahme während oder unmittelbar nach dem Austenitisieren bis zum Abkühlen in seiner Höhe auf das 1,2- bis Dreifache vergrößert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerfrequenz innerhalb des Eigenfrequenzbereiches der einzelnen Windungen oder Teilen von Windungen des Ringes liegt und sie so gewählt wird, daß sie während des Abkühlens im Resonanzfrequenzbereich des Ringes bleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe stirnseitig von beiden Seiten mit Abkühlmedium angeströmt werden und die beiden Strömungsgeschwindigkeiten so aufeinander abgestimmt werden, daß die Lage der Ebene mit der axialen Strömungsgeschwindigkeit Null während des Abkühlvorganges zwischen Stirnseite und Mitte oder zwischen der einen und der anderen Stirnseite liegt oder auch wandert, indem die Leistungen der Pumpen entsprechend variiert werden und die Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 5 m/sec gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport des Ringes vom Austenitisierungsofen bis zum völligen Eintauchen des Ringes in das Abkühlmedium in weniger als 30 Sekunden durchgeführt wird und bei schnell ■Umwandelnden Qualitäten sowie kleinen Abmessungen des wärmezubehandelnden Gutes dieses während des Transportes von einem Strahlenschutz umfangen wird.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger, der den heißen Drahtring zu übernehmen hat, μ eine wärmeisolierende Tragflächenschicht aufweist und/oder die Tragfläche zeitweise oder ständig beheizt ist.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Austenitisierungsofens (6) ein Kippstuhl (9) so angeordnet ist, daß der heiße Ring (2) mit Palette Π1) vom Ofenherd (8) anhebbar, ankippbar und nach Öffnen des Austenitisierungsofens (6) weiter um 90° kippbar und ein Haken (1) zur Übernahme des Ringes (2) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abkühlbad (3) und Anlaßofen (24) eine Kammer (12) und ein an die Stirnseite des Ringes anlegbares Saugrohr (13), eine an die andere Stirnseite des Ringes anlegbare Platte (14) und ein Stutzen (15) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die auf Haken (1) vertikal gelagerten Ringe (2) mit oder ohne Erregung zu Eigenschwingungen radial von heißem Gas oder heißer Luft durchströmt sind.

9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Anlaßofen (24) einen Ventilator (21) und Rohre (22) aufweist, mit denen beide Stirnseiten (4) der auf Haken (1) vertikal gelagerten Ringe (2) mit heißem Gas anströmbar und die Ringe (2) radial durchflutbar sind.