DE3244202A1

DE3244202A1 - Verfahren und vorrichtung zum haerten von werkstuecken in einem fluessigen haertemittel

Info

Publication number: DE3244202A1
Application number: DE19823244202
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dipl.-Ing. Dr. 4330 Mülheim Kühn
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1982-11-30
Filing date: 1982-11-30
Publication date: 1984-05-30
Also published as: SE454445B; GB8331669D0; SE8306536L; DE3244202C2; GB2131835B; GB2131835A; DD211584A5; SE8306536D0

Description

Ruhrgas Aktiengesellschaft in Essen

Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Werkstücken in.einem flüssigen Härtemittel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von !

Werkstücken durch Abkühlen der erhitzten Werkstücke j

in einem flüssigen Härtemittel, das durch Zwangsum- ■ wälzung mittels einer Umwälzeinrichtung einen die j Werkstücke aufnehmenden Abschreckschacht einer Härte- | mittelwanne durchströmt, wobei während der Werkstückabkühlung eine Filmverdampfungsphase mit Verdampfungsfilmbildung auf der Werkstückoberfläche und danach eine Kochphase mit Dampfblasenablösung von der Werkstückoberfläche durchschritten wird, die unter Martensitbildung an der Werkstückoberfläche in eine Konvektionsphase übergeht. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung.

Die Zwangsumwälzung von flüssigem Härtemittel durch einen in einer Härtemittelwanne unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitsbades abgeteilten, meist senkrecht angeordneten Abschreckschacht wird angewendet, um die Kühlwirkung des Härtemittels zu verbessern und um insbesondere mit einer Ausbildung des Abschreck-Schachtes und ΑηοΓαημ^ der Umwälzeinrichtung, wie sie in der DE-OS 30 27 463 beschrieben ist, eine möglichst gleichmäßige Strömungs- und Abkühlbeaufschlagung aller Werkstücke einer in den Abschreckschacht eingesetzten Werkstückcharge zu erhalten. Eine grundsätzliche Schwierigkeit bei der Abschreckhärtung besteht darin, einen Verzug der Werkstücke zu vermeiden, der Spannungen in den Werkstücken und Rißbildungen an den Werkstücken hervorruft. Aufgrund der bisher gemachten Erfahrungen, daß ein Werkstück-

4100

28. 10. 1982 /Gö

BAD ORIGINAL

verzug bei zu schnellen Abkühlgeschwindigkeiten infolge hoher Strömungsgeschwindigkeit des Abschreckmittels auftritt, hat man bisher beim Härten mit Zwangsumwälzung des Härtemittels die Strömungsgeschwindigkeit zwangsläufig niedrig gehalten und hat es sich in der Praxis als üblich durchgesetzt, mit Ausnahme der zum Beispiel in der DE-OS 30 37 639 beschriebenen Anwendung einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit in der Filmverdampfungsphase durchweg mit einer mäßigen Strömungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von 0,5 bis etwa 1 m/sec zu arbeiten. Die gebräuchlichen Verfahrensweisen haben jedoch insbesondere bei verzugserapfindlichen Werkstücken keine befriedigende Vermeidung eines Werkstückverzugs erbracht.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Weg zu finden, auf dem beim Härten nach der eingangs genannten Verfahrensweise das Problem des Werkstückverzugs und der Rißbildung beherrscht werden kann, und hat gefunden, daß dieses Problem dadurch lösbar ist, daß während der Kochphase durch Unterbrechen der Durchströmung des Abschreckschachtes die Strömungsgeschwindigkeit des Härtemittels an der Werkstückoberfläche wenigstens nahezu auf Null abgesenkt wird und nach dem Übergang der Kochphase in die Konvektionsphase die Durchströmung des Abschreckschachtes unter Zwangsumwälzung des Härtemittels wieder forgesetzt wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß während des Abkühlens der Werkstücke in den drei eingangs genannten, bei der gebräuchlichen niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Härtemittels nacheinander ablaufenden Phasen der Übergang von der Kochphase zur Konvek-

tionsphase der für ein Entstehen eines Werkstückverzugs kritische Teil des Abkühlvorganges ist. In dem dabei durchschrittenen Temperaturbereich tritt die Martensitbildung auf, die eine Volumenvergrößerung des Materials der Werkstücke mit sich bringt. Durch das Ablösen und Aufsteigen der Dampfblasen in der Kochphase, wodurch eine Benetzung der Werkstückoberfläche durch das flüssige Abschreckmittel an den Dampfblasenablösungsstellen eintritt bei gleichzeitig sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten in den benetzten Bereichen, besitzt die Werkstückoberfläche keine gleichmäßige Temperatur. Außerdem ist der Temperaturgradient von der Werkstückoberfläche in das Werkstück hinein sehr groß. Daher kommt es beim Übergang zur Konvektionsphase zu einer ungleichmäßigen Martensitbildung und dementsprechend zu einer ungleichmäßigen Volumenvergrößerung, aus der Spannungen resultieren, die den Verzug des Werkstücks mit der Gefahr von Rißbildungen herbeiführen. Wird nun aber erfindungsgemäß in der Kochphase eine Zwangsdurchströmung des Abschreckschachtes mit Härtemittel unterlassen und auch einer natürlichen Auftriebsströmung des im Abschreckschacht von den Werkstücken erhitzten Härtemittels so entgegengewirkt, daß wenigstens nahezu keine Strömungsgeschwindigkeit des Härtemittels an der Werkstückoberfläche stattfindet, wird die Dampfblasenablösung vermindert, so daß der damit zusammenhängende und mit sprunghaft ansteigendem Temperaturgradienten verbundene wechselnde Benetzungsprozeß an der Werkstückoberfläche während der Kochphase stark unterbunden wird. Dadurch verläuft der Temperaturgradient (Verlauf des Temperaturabfalls pro Zeiteinheit und Ort) in der Kochphase flacher und geht er wesentlich stetiger von der 5 Filmverdampfungsphase zur Konvektionsphase über,

iAD ORIGINAL

.6·

so daß sich die Temperatur der Werkstückoberfläche und Oberflächenrandzone während der Martensitbildung vergleichmäßigt mit dem"Ergebnis, daß eine ebenso gleichmäßige Volumenvergrößerung eintritt und also spannungs- und verzugsfreie Werkstücke erhalten werden.

Die Absenkung der Strömungsgeschwindigkeit des Härtemittels an der Werkstückoberfläche während der Kochphase auf Null oder wenigstens annähernd Null kann in besonders einfacher und vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgendermaßen bewirkt und erreicht werden. Wenn während der Filmverdampfungsphase eine Zwangsumwälzung des Härtemittels angewendet wird, die zu einer Durchströmung des Abschreckschachtes von oben nach unten führt, wird die Zwangsumwälzung zu Beginn und während der Kochphase nicht völlig stillgesetzt, sondern so weit vermindert, daß am Eintritt des Abschreckschachtes eine von oben nach unten gerichtete Geschwindigkeitskomponente erzeugt wird, die die natürliche Auftriebsströmung des Härtemittels im Abschreckschacht unterdrückt und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Härtemittels im Abschreckschacht und an der Werkstückoberfläche im wesentlichen Null werden läßt.

Wird in der Filmverdampfungsphase eine Zwangsumwälzung angewendet, die zu einer Durchströmung des Abschreckschachtes von unten nach oben führt, wird zu Beginn der Kochphase die Strömungsrichtung der Zwangsumwälzung umgekehrt und während der Kochphase auf eine abwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente am Eintritt des Abschreckschachtes eingestellt, die die natürliche Auftriebsströmung des Härtemittels im Abschreckschacht unterdrückt. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können aber auch andere

BAD

geeignete Maßnahmen getroffen werden, die während der Kochphase eine Fortsetzung der in der Filmverdampfungsphase angewendeten Zwangsumwälzungsströmung wie auch eine natürliche Auftriebsströmung des erhitzten Härtemittels durch den Abschreckschacht verhindern und während der Kochphase die Strömungsgeschwindigkeit des Härtemittels an der Werkstückoberfläche ganz oder wenigstens nahezu zum Stillstand bringen. Nach dem Übergang der Kochphase in die anschließende Konvektionsphase des Abkühlvorganges kann die Durchströmung des Abschreckschachtes unter Zwangsumwälzung des Härtemittels in beliebiger Strömungsrichtung wieder fortgesetzt werden. Auch können die Strömungsgeschwindigkeiten in der Filmverdampfungsphase und in der Konvektionsphase gegenüber der bisher in der Praxis gebräuchlichen und angewendeten konstanten Geschwindigkeit erheblich erhöht werden,da die erste und die letzte Phase für das Problem des Werkstückverzugs nicht kritisch sind. Im Ergebnis wird dadurch für das erfindungsgemäße Verfahren trotz der Verringerung der Abkühlgeschwindigkeit in der Kochphase, die durch die Absenkung der Härtemittelströmungsgeschwindigkeit praktisch auf Null eintritt, nicht mehr Zeit benötigt als bei den gebräuchlichen, konventionellen Verfahren.

Für das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Vorrichtung mit einem windkanalartig ausgebildeten Abschreckschacht angewendet werden, wie sie in der DE-OS 30 27 463 beschrieben ist. Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhafte Weiterbildung dieser Vorrichtung besteht darin, daß der in Form eines Windkanals mit Einlaufdüse und Konstantstrecke ausgeführte Abschreckschacht an beiden Enden eine Einlaufdüse für eine mittels der Umwälzeinrichtung umkehrbare Durchströmungsrichtung der Zwangsumwälzung aufweist, und ist in einem Ausfüh-

— 6 ~

rungsbeispiel in der Zeichnung schematisiert dargestellt. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Härtemittelwanne 1, die ein Härtemittelbad 2 enthält _t einem vertikal im Härtemittelbad angeordneten Abschreckschacht 3, der die beispielsweise auf einen einsetzbaren Rost 4 aufgelegten Werkstücke aufnimmt, und einer Untwälzeinrichtung 5 für die Erzeugung" einer Zwangsumwälzung des Härtemittels in der Härtemittelwanne 1 und durch den Abschreck-I schacht 3. Zur Förderung der Zwangsumwälzungsströmung ist , der Abschreckschacht 3 unterhalb der Badoberfläche und in einem geeigneten Abstand vom Wannenboden an die Seitenwände der Härtemittelwanne 1 durch eine horizontale Trennwand 6 angeschlossen, die eine.öffnung enthält, in der die Umwälzeinrichtung 5 liegt. Der Abschreckschacht 3 \ ist sowohl am oberen als auch am unteren Ende mit einer · Einlaufdüse 7 ausgebildet, zwischen denen der Abschreck- ' schacht 3 eine Konstantstrecke 8 mit gleichbleibendem Querschnitt enthält. Die-Ausbildung des Abschreckschachtes 3 an beiden Enden mit einer Einlaufdüse hat den Vorteil, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit unterschiedlichen Strömungsrichtungen, beispielsweise mit Aufwärtsströmung im Abschreckschacht für eine auf einem Rost liegende Werkstückcharge oder mit Abwärtsströmung im Abschreckschacht für hängend in den Abschreckschacht eingesetzte langgestreckte Werkstücke, sowie auch mit wechselnden Strömungsrichtungen während des Abkühlvorganges durchgeführt werden kann. Dadurch wird es beispielsweise möglich, mit der durch Einlaufdüse und Konstantstrecke bezweckten günstigen Strömungsverteilung im Abschreckschacht und Werkstückbeaufschlagung durch das abkühlende Härtemittel in der Filmverdampfungsphase und in der Konvektionsphase entgegengesetzte Strömungsrichtungen anzuwenden, wenn dies für den Abkühlvorgang bestimmter Werkstücke vorteilhafter ist und zu bevorzugen wäre.

Claims

Ruhrgas Aktiengesellschaft in Essen Verfahren und Vorrichtung zum Härten von Werkstücken in einem flüssigen Härtemittel . P. a t e. ii'.t-a. χι s ρ r .ü c. h e

1. Verfahren zum Härten von Werkstücken durch Abkühlen der erhitzten Werkstücke in einem flüssigen Härtemittel, das durch Zwangsumwälzung mittels einer Umwälzeinrichtung einen die Werkstücke aufnehmenden Abschreckschacht einer Härtemittelwanne durchströmt, wobei während der Werkstückabkühlung eine Filmverdampfungsphase mit Verdampfungsfilmbildung auf der Werkstückoberfläche und danach eine Kochphase mit Dampfblasenablösung von der Werkstückoberfläche durchschritten'..wird'prdie^ unter Martensitbildung an der Werkstückoberfläche in eine Konventionsphase übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kochphase durch Unterbrechen der Durchströmung des Abschreckschachtes die Strömungsgeschwindigkeit des Härtemittels an der Werkstückoberfläche wenigstens nahezu auf Null abgesenkt wird und nach dem Übergang der Kochphase in die Konvektionsphase die Durchströmung des Abschreckschachtes unter Zwangsumwälzung des Härtemittels wieder fortgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Filmverdampfungsphase angewendete, eine Durchströmung des Abschreckschachtes von oben nach unten bewirkende Zwangsumwälznrtg des Härtemittels während der Kochphase bis auf eine die

- 2 BAD ORIGINAL COPY Λ

natürliche Auftriebsströmung des Härtemittels im Ab- _; schreckschacht unterdrückende Geschwindigkeitskomponente vermindert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Filmverdampfungsphase angewendete, eine Durchströmung des Abschreckschachtes von unten nach oben bewirkende Zwangsumwälzung des Härtemittels bei Beginn der Kochphase in der Strömungsrichtung umgekehrt wird und während der Kochphase auf eine die natürliche Auftriebsströmung des Härtemittels im Abschreckschacht unterdrückende Geschwindigkeitskomponente eingestellt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere nach Anspruch 3, mit einer

15' Härtemittelwanne, einer steuerbaren Umwälzeinrichtung für eine Zwangsumwälzung des flüssigen Härtemittels und einem vertikal im Härtemittelbad angeordneten' Abschreckschacht, dadurch gekennzeichnet, daß der in Form sines Windkanals mit Einlaufdüse (7) und Konstantstrecke (8) ausgeführte Abschreckschacht (3) an beiden Enden eine Einlauf düse (7) für eine mittels der Umwälzeinrichtung (5) umkehrbare Durchströmungsrichtung der Zwangsumwälzung aufweist.

BAD ORIGINAL