DE29800571U1

DE29800571U1 - Ofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus pulvermetallurgischen Werkstoffen

Info

Publication number: DE29800571U1
Application number: DE29800571U
Authority: DE
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 1998-01-15
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2008-01-16

Description

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PATENTANWÄLTE

Unser Zeichen:

97 0891

Ipsen International GmbH Flutstraße 78, 47533 Kleve

WOLFRAM WATZKE HEINZ J. RING ULRICH CHRISTOPHERSEN MICHAEL RAUSCH WOLFGANG BRINGMANN

DIPL.-ING DIPL.-ING DIPL.-ING DIPL.-ING DIPL:-ING PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Datum

14. Januar 1998

Ofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus

pulvermetallurgischen Werkstoffen

Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus pulvermetallurgischen Werkstoffen, mit wenigstens zwei hintereinander geschalteten Kammern.

Derartige Mehrkammerofen sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt und werden für die verschiedensten Wärmebehandlungsverfahren, wie beispielsweise Blankhärten, Glühen, Sintern, Entgasen, Hartlöten, Spannungsarmglühen, Aufkohlen, etc., verwendet. Mehrkammerofen werden im Vergleich zu Einkammerofen dann eingesetzt, wenn kurze Zykluszeiten gefordert sind und hohe Produktionsmengen zu behandeln sind. Mehrkammerofen zeichnen sich durch eine geringe Leerlaufzeit aus, so daß sich eine optimale Nutzung der Heizkammer und damit eine günstige Wirtschaftlichkeit ergibt.

Im Stand der Technik ist es bekannt, für jede Art von Wärmebehandlung einen separaten Wärmebehandlungsofen zu verwenden. Ursächlich hierfür ist, daß jede Art von Wärmebehandlung ein spezielles Fachwissen hinsichtlich Konzeption, Auslegung, Bau und Montage des jeweiligen Wärmebehandlungsofens erfordert. So sind beispielsweise Wärmebehandlungsöfen zum Sintern mit Einrichtungen zum Entwachsen ausgerüstet und auf Drücke bis zu 100 bar ausgelegt, um den gewünschten Sintereffekt zu erzeugen. Demgegenüber sind beispielsweise Wärmebehandlungsöfen zum Plasma-Aufkohlen hinsichtlich der Erzeugung genau definierter Randschichten mit steuerbaren Chargen-Kühleinrichtungen versehen.

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Es ist weiterhin bekannt, durch den Einsatz computergestützter Prozeßtechnik unterschiedliche Wärmebehandlungsprozesse in ein verkettetes Anlagensystem einzubeziehen, was jedoch mit einem erheblichen Aufwand hinsichtlich der Abstimmung der einzelnen, nachgeschalteten Wärmebehandlungsprozesse verbunden ist. Als nachteilig hat sich ferner herausgestellt, daß die Verwendung zwar verketteter, aber hinsichtlich des einzelnen Wärmebehandlungsprozesses separierter Wärmebehandlungsöfen für eine Wärmebehandlungsanlage Zykluszeiten erfordert, die mit zu hohen Prozeß- und Anlagekosten verbunden sind. Hierzu trägt auch der notwendige Transport einer Charge von einem Wärmebehandlungsofen zum nächsten bei, was einerseits einen hohen logistischen und konzeptionellen Aufwand hinsichtlich Anlagengestaltung mit Fördereinrichtungen und Puffersystemen und andererseits eine unerwünschte, nachteilige Beeinflussung der Werstückeigenschaften einer Charge infolge unkontrollierter Temperatur- und Druckeinwirkungen während des Transports mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ofen zur Wärmebehandlung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich bei Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile eine energieeffiziente und kostengünstige Wärmebehandlung erzielen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Kammern zur Durchführung eines Sinterprozesses und zumindest eine weitere, dieser nachgeschalteten Kammer zur Durchführung einer Einsatzhärtung vorgesehen ist.

Ein solchermaßen ausgestalteter Wärmebehandlungsofen räumt ein bis dato herrschendes Vorurteil der Fachwelt aus, daß eine Beherrschung der prozeßtechnisch unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren des Sinterns und Einsatzhärtens nur in separaten, speziell ausgelegten Öfen bei vertretbarem wirtschaftlichen Aufwand verfahrenstechnisch möglich ist. Durch den erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofen ergeben sich kurze Zykluszeiten, da der Transport von einem Sinterofen zu einer Härtevorrichtung auf ein Minimum verkürzt ist. Darüber hinaus läßt sich die Gefahr von nachteiligen Werkstückbeeinflussungen, wie beispielsweise Verunreinigungen oder Oxidation, während des Transports ausschließen, da es zu keinem

Kontakt der Werkstücke mit einer unkontrollierten Atmosphäre, das heißt der Umgebung, kommt. Schließlich ergeben sich Kosteneinsparungen auch aus einer geringeren Baugröße und eines demnach geringeren Raumbedarfes einer gesamten Wärmebehandlungsanlage.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind jeweils mehrere Kammern zur Durchführung des Sinterprozesses und/oder Härteprozesses ausgebildet, um eine Steigerung der Durchsatzleistung zu erzielen. Von besonderem Vorteil ist es, wenn der oder den Kammern zum Sintern separate Entwachsungs- und/oder Abkühlkammern vor- bzw. nachgeschaltet sind, so daß geringe Zykluszeiten und eine hohe Produktqualität sichergestellt sind. Zu dem gleichen Zweck wird weiterhin vorgeschlagen, daß der oder den Kammern zum Härten eine separate Abschreckkammer nachgeschaltet ist. Vorzugsweise ist die Abschreckkammer mit einer Hochdruckgasabschreckeinrichtung und/oder einem Ölabschreckbad versehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Kammern durch druckdichte und thermisch isolierende Türen voneinander getrennt. Dies bietet den Vorteil einer zeitgleichen Durchführung der unterschiedlichen Wärmebehandlungsprozesse, ohne daß eine gegenseitige Beeinflussung stattfindet. Zweckmäßigerweise ist vor der ersten Kammer eine Belade- und nach der letzten Kammer eine Entladeschleuse angeordnet, so daß eine Erhöhung der Zykluszeiten durch Be- oder Entladen auszuschließen ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Kammer zum Härten für die Erzeugung einer Plasmaatmosphäre ausgelegt, so daß sich auf wirtschaftliche Art und Weise die verfahrenstechnisch bedeutende Kombination von Sintern und Aufkohlen oder Karbonitrieren in ein und demselben Ofen mit einer hohen Durchsatzleistung realisieren läßt. Zweckmäßig hierzu ist ferner, wenn die Kammern zum Sintern und Härten evakuierbar sind, um die bekannten Vorteile des Vakuumsinterns oder -härtens zu gewährleisten. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung sind die Kammern zum Sintern und Härten in horizontaler und/oder vertikaler Weise angeordnet, so daß sich eine optimale Anpassung an die jeweiligen Aufstellungsbedingungen erreichen läßt. Schließlich wird vorgeschlagen, daß

eine computergestützte Prozeßsteuerung vorgesehen ist, um einen hohen Automatisierungsgrad und damit eine kostengünstige Betriebsweise zu erzielen.

Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, und zwar zeigt die einzige Figur:

den schematischen Aufbau eines Wärmebehandlungsofens zur gleichzeitigen Verwendung für Sintern und Härten.

Der in Figur 1 gezeigte Wärmebehandlungsofen umfaßt eine Vorkammer 1, eine Sinterkammer 2, eine Aufkohlungskammer 3, sowie eine Abschreckkammer 4. Der als Durchstoßofen konzipierte Wärmebehandlungsofen ist mit druckdichten und thermisch isolierenden Türen 5a bis 5e versehen, die ein unabhängig voneinander stattfindendes Sintern und Aufkohlen und damit eine quasi-kontinuierliche Betriebsweise ermöglichen. Für den Transport von einer Kammer in die andere ist ein nicht dargestelltes Transportsystem vorgesehen, das beispielsweise als Stoßer oder angetriebene Rollen realisiert sein kann.

Die Vorkammer 1 ist als Beladeschleuse ausgebildet und dementsprechend mit den notwendigen Evakuierungs- und/oder Entwachsungseinrichtungen versehen. Um eine möglichst hohe Temperaturgleichmäßigkeit zu erreichen, ist die Sinterkammer 2 als mit Graphit ausgekleidete Vakuumkammer ausgestaltet, die das Sintern von Hartmetall, Schnellarbeitsstahl, Keramik, Aluminium, rost- und säurebeständigem Stahl sowie weich- und dauermagnetischer Werkstoffe ermöglicht. Die Sinterkammer 2 ist mit Heizelementen versehen, welche über eine entsprechende Regelung und Anordnung den prozeßabhängigen Energiebedarf zur Verfugung stellen. Darüber hinaus ist es möglich, die Sinterkammer 2 optional mit einer Hochdruck-Gasabschreckeinrichtung auszurüsten, um bestimmte technologische Eigenschaften der Werkstücke zu erzielen.

Die Aufkohlungskammer 3 ist ebenfalls als Vakuumkammer ausgebildet und gestattet die Verwendung von Plasmaatmosphären, mittels denen ein effizientes Aufkohlen durchführbar ist. Zudem läßt sich durch einfache

Modifikation anstelle eines Aufkohlungsprozesses ein Nitrocarburier- oder Karbonitrierprozeß realisieren.

Die der Aufkohlungskammer 3 nachgeschaltete Abschreckkammer 4 ist mit einem Olabschreckbad und/oder einer Hochdruck-Gasabschreckeinrichtung mit mehreren Düsen versehen, die eine den jeweiligen Anforderungen entsprechende Abschreckung gewährleistet.

Zum Betrieb des Wärmebehandlungsofens wird zunächst eine Charge 6 metallischer Werkstücke in die Vorkammer 1 eingeführt, worauf diese nach Schließen einer druckdichten Tür 5a evakuiert wird. Mittels einer internen Transporteinrichtung wird die Charge 6 durch eine druckdichte und thermisch isolierte Tür 5b in die Sinterkammer 2 bewegt, in der zunächst über eine - nicht dargestellte - Entwachseinrichtung eine Reinigung der Werkstücke der Charge 6 von Verunreinigungen und Konservierungsmitteln vorgenommen wird. Der Sinterkammer 2 kann aber auch eine separate Entwachsungskammer vorgeschaltet sein. Bei dem unter Vakuum stattfindenden Sinterprozeß werden die aus einem pulvermetallurgischen Werkstoff bestehenden Werkstücke der Charge 6 bei einer Sintertemperatur von ca. 2/3 bis 3/4 der betreffenden Schmelztemperatur verfestigt, wodurch die Werkstücke aufgrund tiefgreifender Veränderungen des Gefüges an dichte zu- und an Porosität entsprechend abnehmen.

Beim nachfolgenden Aufkohlen in der Aufkohlungskammer 3 erfolgt eine Anreicherung der Randschicht der Werkstücke der Charge 6 mit Kohlenstoff, und zwar in einer Plasmaatmosphäre, wozu die Aufkohlungskammer 3 über eine Vakuumpumpe evakuierbar und mit Prozeßgas in Form einer Gasdosiervorrichtung beaufschlagbar ist. Zum Härten der Werkstücke der Charge 6 findet nach erfolgtem Aufkohlen ein Abkühlen in der Abschreckkammer 4 statt, wobei dies mittels eines Ölabschreckbades oder einer Hochdruck-Gaseinrichtung geschehen kann. Auch eine Kombination beider ist in bekannterweise möglich. Die Abschreckkammer 4 dient gleichzeitig als Entladeschleuse, so daß in der Plasmaatmosphäre der Aufkohlungskammer 3 bereits die nächste Charge 6 aufgekohlt werden kann. Der zuvor beschriebene Wärmebehandlungsofen ermöglicht durch die Integration von Sinter- und Aufkohlungskammer, das heißt die gleichzeitige

Durchführung einer Sinter- und Einsatzhärtung, aufgrund des kurzen Transportweges von Sinterkammer 2 zur Aufkohlungskammer 3 minimalste Zykluszeiten. Neben der dadurch bedingten Kostenersparnis ergeben sich zudem prozeßablaufbedingte Vorteile, indem beispielsweise die Temperatur der Werkstücke von der Sinterkammer 2 zur Aufkohlungskammer 3 lediglich abgesenkt wird und nicht wie bei herkömmlichen verketteten Einzelöfen Schwankungen infolge eines Abkühlens während des Transports zu einem nächsten Ofen und einer erneuten Erwärmung unterliegt. Neben der Verkürzung der Zykluszeiten wird damit auch einer wesentlichen Steigerung der Produktqualität Rechnung getragen.

BezuQszeichenliste

1 Vorkammer

2 Sinterkammer

3 Aufkohlungskammer

4 Abschreckkammer
5a druckdichte Tür

5b druckdichte und thermisch isolierendeTür

5c druckdichte und thermisch isolierendeTür

5d druckdichte und thermisch isolierendeTür

5e druckdichte Tür

6 Charge

Claims

• ti · · Ansprüche

1. Ofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus pulvermetallurgischen Werkstoffen, mit wenigstens zwei hintereinander geschalteten Kammern,

dadurch gekennzeic hn e t,

daß zumindest eine der Kammern (2) zur Durchführung eines Sinterprozesses und zumindest eine weitere, dieser nachgeschalteten . Kammer (3) zur Durchführung einer Einsatzhärtung vorgesehen ist.

2. Ofen, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch jeweils mehrere Kammern (2, 3) zur Durchführung des Sinter- und/oder Härteprozesses.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder den Kammern (2) zum Sintern separate Entwachsungs- (1) und/oder Abkühlkammern vor- bzw. nachgeschaltet sind.

4. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder den Kammern (3) zum Härten eine separate Abschreckkammer (4) nachgeschaltet ist.

5. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckkammer (4) mit einer Hochdruck-Gasabschreckeinrichtung und/oder einem Ölabschreckbad versehen ist.

6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kammern (1 bis 4) durch druckdichte und thermisch isolierende Türen (5a bis 5e) voneinander getrennt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor der ersten Kammer (2) eine Belade- (1) und nach der letzten Kammer (3) eine Entladeschleuse (4) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer zum Einsatzhärten (3) für die Erzeugung einer Plasmaatmosphäre ausgebildet ist.

9. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern zum Sintern und Einsatzhärten (2, 3) evaküierbar sind.

10. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern zum Sintern und Einsatzhärten (2, 3) in horizontaler und/oder vertikaler Weise angeordnet sind.

11. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine computergestützte Prozeßsteuerung.

R/br/li