DE3037639C2

DE3037639C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Flüssigkeits-, insbesondere Ölbad

Info

Publication number: DE3037639C2
Application number: DE19803037639
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr.-Ing. 7250 Leonberg Wünning
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-04
Filing date: 1980-10-04
Publication date: 1986-03-20
Also published as: EP0049339A1; WO1982001194A1; DE3037639A1

Description

Δφ · V/A Q

bis zu einem Maximalwert von f_max = XO-bemessen wird, wobei

f die Zeit in Sekunden,

Q die Abschreckleistung in MW/m².

Δφ die Differenz zwischen der Härtetemperatur und der Temperatur der Werkstücke, bei der die stabile Blasenverdampfung einsetzt in K,

V das Volumen der Werkstücke in m³ und

A die Oberfläche der Werkstücke in m² ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Flüssigkeits-, insbesondere Ölbad, mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Badbewegung und im Bad befindlichen Düsen zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit während der Dampfmantelphase. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Abschrecken mit Hilfe dieser Vorrichtung.

Zum Abschrecken von metallischen Werkstücken und insbesondere zum Härten von Stahlteile ist es bekannt, Abschreckflüssigkeitsbäder zu verwenden, durch die eine schroffe Abkühlung der eingetauchten, auf eine vorbestimmte hohe Temperatur gebrachten Werkstükke erfolgt. Als Badflüssigkeit werden vorzugsweise Wasser und Mineralöle verwendet Die Wärmeabfuhr von der Oberfläche der Werkstücke erfolgt während der Abkühlung nicht gleichmäßig, weil der Wärmetransport durch Verdampfungsvorgänge auf der Oberfläche der Werkstücke beeinflußt wird. Es ist bekannt, daß sich in der ersten Abschreckphase, der sogenannten Dampffilrrmhase. auf der Oberfläche der Werkstücke ein Film verdampfter Abschreckflüssigkeit bildet, der die Wärmeabfuhr behindert

Um den Wärmeübergang von den Werkstücken auf die Badflüssigkeit während dieser Dampffilm- oder -mantelphase zu verbessern, ist es beispielsweise aus der DE-PS 26 22 551 bekannt, die Badflüssigkeit relativ zu den Werkstücken zu bewegen. Bei dieser Einrichtung zum Härten von Werkstücken in einem Hänebecken ist das Härtemittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt, der einen oder mehrere Düsenstöcke mit auf die Werkstücke gerichteten Düsen am Boden des Härtebeckens, einen Oberlauf am Härtebecken, eine Umwälzpumpe und einen Wärmetauscher umfaßt, der auf der anderen Seite an einen geschlossenen Kreislauf für einen Wärmeträger angeschlossen ist Zusätzlich können zur Unterstützung des möglichst frühen Zusammenbruchs der Dampfmantelphase in dem Härtebecken Umwälzer angeordnet sein, die zusammen mit einer Vorrichtung zum Tragen der Werkstücke in das Härtebecken absenkbar sein können. Die bei einer solchen Einrichtung erzielbare Strömungsgeschwindigkeit in dem Flüssigkeitsbad ist beschränkt; sie liegt Üblicherweise in der Größenordnung von bis zu 1 m/sek.
Versuche im Labormaßstab, wie sie beispielsweise in »Metals Handbook, 8th Edition, Vol. 2 der American Society for Metals«, Seite 27, erwähnt sind, haben gezeigt, daß durch Erhöhung der Strömungseschwindigkeit die Abschreckwirkung in der Dampffilmphase wesentlich erhöht werden kann. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2 m/s läßt sich mit öl die Abschreckwirkung von Wasser erreichen. Derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten werden in der Praxis deshalb nicht angewendet, weil der Leistungsbedarf für die Umwälzpumpen mit der dritten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit steigt, was bedeutet, daß z. B. eine Verdoppelung der Strömungsgeschwindigkeit eine Steigerung des Leistungsbedarfes der Umwälzpumpen auf das Achtfache erforderlich machen würde. Außerdem gibt es keine klare Anweisung für die daraus notwendig werdende Abstufung der Strömungsgeschwindigkeit, um Verzug und Rißbildung bei den Werkstücken zu vermeiden, die insbesondere durch zu schnelle Abkühlung im unteren Temperaturbereich hervorgerufen werden können. Es wird deshalb bis heute bei verzugsempfindlichen Werkstücken durchweg mit mäßiger Badbewegung nach Erfahrungsgrundsätzen gearbeitet, die sich bei den einzelnen Herstellungsbetrieben im Laufe der Jahre als zweckmäßig herausgestellt haben.
Zur Verbesserung der Abschreckwirkung ist es auch bekannt (US-PS 39 61 777), eine anfängliche Erhöhung der Abschreckgeschwindigkeit dadurch zu erzielen, daß der Druck des das Werkstück umgebenden Flüssigkeitsbades zeitabhängig gesteuert wird. Diese Beeinflussung des Flüssigkeitsdruckes erfolgt durch eine entsprechende Steuerung der Pumpenleistung, welche aber in wirtschaftlichem Rahmen nicht beliebig gesteigert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die es gestatten, den Abschreckvorgang in vorhersagbarer Weise zu optimieren, derart, daß die Zeitspanne der hohen Strömungsgeschwindigkeit exakt einstellbar ist, und zwar ohne daß damit ein hoher Leistungsbedarf für Umwälzpumpen verbunden oder eine Beeinträchtigung der Qualität der behandelten Werkstücke durch Verzug oder Rißbildung zu befürchten wäre.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet.

daß die durch die Düsen einspritzbare Kühlflüssigkeit in einem außerhalb des Flüssigkeitsbads unter Gasdruck stehenden Behälter bevorratet ist und daß der Zeitraum, in welchem die zusätzliche Kühlflüssigkeit eingespritzt wird, durch Ventile steuerbar ist

Damit läßt sich eine wesentliche Verbesserung des Abschreckprozesses dadurch erzielen, daß eine extreme Abstufung der Badbewegung zu einem genau vorherbestimmten Zeitpunkt erfolgt Die Vorteile der Wasserhärtung (hohe Abschreckleistung) sind mit jenen der ölhärtung (milde Abkühlung im unteren Temperaturbereich) kombiniert

Die Abschreckwirkung kann noch dadurch erhöht werden, daß sich die Düse» an gegenüberliegenden Düsenfeldern befinden, so daß mit Hilfe der Ventile die Strömungsrichtung im Bad umkehrbar ist

Beim Abschrecken mit Hilfe der neuen Vorrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn gemäß der Erfindung der Zeitraum für das Einspritzen der Flüssigkeit durch die Düsen zur Erzeugung einer Abschreckleistung von mindestens 0,75 MW/m² nach der Formel

Δφ - V/A ¹ - W · Q

bis zu einem Maximalwert von t_max =
messen wird, wobei

t die Zeit in Sekunden,

Q die Abschreckleistung in MW/m²,

Ag> die Differenz zwischen der Härtetemperatur und der Temperatur der Werkstücke, bei der die stabile

Blasenverdampfung eingesetzt in K,
V das Volumen der Werkstücke in m³ und
A die Oberfläche der Werkstücke in m² ist.

Nach dieser Zeit t hat, wie festgestellt wurde, die Werkstückoberfläche die Temperatur der stabilen Blasenverdampfung erreicht in der auch bei mäßiger Badbewegung ein ausreichend hoher Wärmeübergang gewährleistet ist Dadurch, daß die extrem starke Badbewegung lediglich während einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne aufrechterhalten wird, ist auch der Energieeinsatz zur Erzeugung dieser Badbewegung begrenzt, mit dem Ergebnis, daß sich das Verfahren durch hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet.

Für kleinere Werte von V/A gilt die Formel für t; nach Erreichen von t_max ist die Zeit (t_mWi) unabhängig von V/A.

Nach Ablauf der Zeitspanne der starken Badbewegung kann das Flüssigkeitsbad zur Erzeugung der verlangsamten Badbewegung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von maximal ca. 0,5 m/s umgewälzt werden, wobei diese Umwälzung mit mäßiger Strömungsgeschwindigkeit die Aufgabe hat, die jeweils erwärmte Flüssigkeit aus dem Werkstückbereich wegzuführen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur zeigt eine Abschreckvorrichtung gemäß der Erfindung im axialen Schnitt in einer Seitenansicht und in schematischer Darstellung.

In dem bei 1 veranschaulichten Badbehälter befindet sich ein aus Mineralöl bestehendes Abschreckbad 2, das durch eine durch einen Elektromotor 3 angetriebene Umwälzpumpe 4 in mäßiger Bewegung gehalten wird. Das Pumpenrad 5 der Umwälzpumpe 4, das über eine Welle 6 mit dem Elektromotor 3 verbunden ist, läuft in einem in dem Badbehälter 1 angeordneten, einen Leitannarat 7 enthaltenden Rohrstutzen 8 um, der durch eine Lochplatte 9 abgeschlossen ist. Auf die Lochplatte 9 sind Chargengestelle 10 aufgesetzt, die die zu härtenden, aus Stahl bestehenden Werkstücke II, beispielsweise Kugellagerringe, tragen.

In dem Abschreckbehälter 1 ist seitlich durch eine Überlaufwand 12 eine Kammer 13 abgeteilt die über eine Pumpe 14 und eine ein Füllventil 16 enthaltende Fülleitung 17 an einen druckfesten Vorratsbehälter 18 angeschlossen ist, der außerhalb des Badbehälters 1 sich ίο befindet Der Druckbehälter 18 ist oben über ein Ventil 19 mit einer bei 20 angedeuteten Druckgasquelle verbunden und steht mit einem Entlüftungsventil 21 in Verbindung. Als Druckgas kommt beispielsweise Druckluft oder Stickstoff in Frage.

Beidseitig der Chargengestelle 10 sind in dem Badbehälter 1, in dem Flüssigkeitsbad 2 untergetaucht zwei Düsenfelder 22,23 angeordnet, die als Zusatzgeräte einfach in den mit der beschriebenen Umwälzvorrichtung versehenen Badbehälter 1 eingesetzt sind. Jedes der Düsengestelle 22, 23 weist eine Anzahl Düsen 24 auf, die über eine nicht weiter dargestellte Sammelleitung mit einer Zuleitung 25 bzw. 26 verbunden sind. Die Zuleitungen 25, 26 enthalten jeweils ein Absperrventil 27 bzw. 28 und sind über eine Leitung 29 mit der Fülleitung 17 verbunden.

Die Ventile 16,19,21,27 und 28 sind als Elelktroventi-Ie ausgebildet die von einem Programmgeber 30 entsprechend einem vorgegebenen zeitlichen Programmablauf angesteuert sind.

Die Umwälzpumpe 4 ist derart ausgelegt, daß sie jn dem Flüssigkeitsbad 2 eine Strömungsgeschwindigkeit von maximal 0,5 m/s relativ zu den Werkstücken 11 aufrechterhält Der eigentliche Abschreckvorgang läuft wie folgt ab:

Vor dem Einbringen der Chargengestelle 10 in das Flüssigkeitsbad 2 wird — jeweils selbsttätig von dem Programmgeber 30 gesteuert — bei geschlossenen Ventilen 27, 28, 19 von der Pumpe 14 Flüssigkeit aus der Kammer 13 in den Vorratsbehälter 18 eingepumpt. Das Entlüftungsventil 21 ist geöffnet, so daß nur eine verhältnismäßig geringe Pumpenleistung erforderlich ist Nachdem die Befüllung des Vorratsbehälters 18 mit der jeweils erforderlichen Flüssigkeitsmenge beendet ist, schließen die Ventile 16,21, während die Pumpe 14 abgeschaltet wird.

Nunmehr werden die in einem Glühofsn auf die entsprechende Temperatur gebrachten Werkstücke 11 auf ihren Chargengestellen 10 bei laufender Umwälzpumpe 4 in der in der Figur dargestellten Weise in das Flüssigkeitsbad eingebracht und untergetaucht auf die Lochplatte 9 aufgesetzt, während das Ventil 19 schon geöffnet ist, so daß die in dem Vorratsbehälter 18 enthaltene Flüssigkeitsmenge von der Druckgasquelle 20 aus unter Druck gesetzt ist. Beim Absenken der Charge werden die beiden Ventile 27, 28 geöffnet, so daß die in dem Vorratsbehälter 18 enthaltene Flüssigkeitsmenge von dem auf ihr lastenden Druckgaspolster gefördert, schlagartig durch die Düsen 24 mit hoher Geschwindigkeit ausströmt und Jabei auf die Werkstücke 11 zu gerichtete Düsenstrahlen in dem Flüssigkeitsbad bildet. Diese Düsenstrahlen verursachen in dem Flüssigkeitsbad 2 eine Sekundärströmung, die bei entsprechender Auslegung mehr als das Zehnfache der Strahlmenge betragen kann.

P5 Bei einem Querschnitt der Düsengestelle 22, 23 von 0,5 χ 0,5 = 0,25 m² und einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Flüssigkeitsbad von 2 m/s müssen insgesamt 0,5 mVs Abschreckflüssigkeit durch die Düsengestelle

strömen, wofür 0,05 m³/s Abschreckflüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 30 m/s aus den Düsen 24 eines Düsengestelles 22 bzw. 23 austreten müssen. Der Austrieb der Flüssigkeit aus den Düsen 24 geschieht durch die in dem Druckpolster in dem Vorratsbehälter 18 gespeicherte Energie und damit mit einem verhältnismäßig geringen Energieaufwand. Bei den angegebenen Zahlenwerten genügt ein Vorratsbehälter 18 mit einem Fassungsvermögen von 0,5 m³. Sollte — um einen Vergleich zu geben — der gleiche Flüssigkeitsstrom mittels einer Pumpe durch die Düsen 24 gepreßt werden, so wäre dazu ein Pumpenantriebsmotor mit einem Anschlußwert von ca. 50 kW erforderlich.

Bei einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Flüssigkeitsbad von 2 m/s liegt die Wärmestromdichte an der Werkstückoberfläche, d. h. die Abschreckleistung Q, bei ca. 1,5 MW/m². Bei Teilen mit V/A = 0,02 m (Wellen mit 80 mm Durchmesser, V= Volumen in m³. A = Oberfläche in m²) und Δφ = 400 K ist

5,5 χ 400 χ 0,02
1,5

29 s.

zwar dann, wenn ohne besondere Zusätze die Dampffilmbildung auf der Oberfläche der Werkstücke vermieden werden soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Da somit r> f_m„ ist, ist lediglich f_ma, für die Dauer der starken Badbewegung gültig; d. h. nach 7 s wird die beschriebene Düsenkühlung schlagartig abgeschaltet, was durch entsprechendes Absperren der Ventile 27, 28 geschieht.

Anschließend werden die Werkstücke 11 unter der von der Umwälzpumpe 4 mit einer Strömungsge-5CnWinuig<cii VGu Weniger Si5 0,5 ΓΠ/S uCWirivtcu ffiaßi- gen Badbewegung vollständig ausgekühlt, bis sie aus dem Flüssigkeitsbad 2 entnommen werden können.

Die durch die Düsen 24 in das Flüssigkeitsbad 2 eingeführte Flüssigkeitsmenge läuft über die Überlaufwand 12 in die Kammer 13, von wo aus sie mittels der Pumpe 14 wiederum in den Vorratsbehälter 18 zurückgepumpt wird, so daß die Anlage für ein neues Arbeitsspiel bereitsteht, das in der bereits beschriebenen Weise abläuft.

Die Düsen 24 der beiden Düsengestelle 22,23 können während der in der Dampffilmphase erfolgenden, mittels der Düsenstrahlen hervorgerufenen, genau bemessenen Zeitspanne der starken Badbewegung gemeinsam mit Flüssigkeit beaufschlagt werden. Um die hohe Ab-Schreckleistung symmmetrisch aufzubringen, kann der Düsenstrom aber auch in kurzer TaktfoJge von z. B. 1 s mittels der Ventile 27,28 abwechselnd von der einen auf die andere Seite der Chargengestelle 10 umgeschaltet werden.

Die Düsengestelle 22,23 mit dem Vorratsbehälter 18 und den zugeordneten Leitungen sowie Ventilen bilden eine verhältnismäßig einfache Zusatzeinrichtung, die in vorhandene, eine Umwälzpumpe 4 enthaltene Abschreckbadbehälter 1 eingesetzt werden kann. Dem Vorratsbehälter 18 ist eine Sicherheitsarmatur in der Leitung 17 (nicht weiter dargestellt) zugeordnet die ein Eindringen von Gas in das Düsensystem 24 verhütet Das beschriebene Verfahren, das in der Dampffilmphase mit der erläuterten, extrem starken, dafür aber zeit- !ich scharf begrenzten Badbewegung arbeitet findet in der Regel bei Ölbädern Verwendung. In Sonderfällen kommt es aber auch für Wasserbäder in Frage, und

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstükken aus Stahl in einem Flüssigkeits-, insbesondere ölbad (2) mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Badbewegung (4,8) und im Bad befindlichen Düsen (24) zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit während der Dampfmantelphase, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Düsen (24) einspritzbare Kühlflüssigkeit in einem außerhalb des Flüssigkeitsbads (2) unter Gasdruck stehenden Behälter (18) bevorratet ist und daß der Zeitraum, in welchem die zusätzliche Kühlflüssigkeit eingespritzt wird, durch Ventile (27,28) steuerbarist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Düsen (24) an gegenüberliegenden Düsenfeldern (22, 23) befinden, so daß mit Hilfe der Veatile (27,28) die Strömungsrichtung im Bad umkehrbar ist

3. Verfahren zum Abschrecken mit Hilfe der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum für das Einspritzen der Flüssigkeit durch die Düsen zur Erzeugung einer Abschreckleistung von mindestens 0,75 MW/m² nach der Formel