DE3302338A1

DE3302338A1 - Verfahren zum haerten von metallwerkstuecken

Info

Publication number: DE3302338A1
Application number: DE19833302338
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dipl.-Ing. Dr. 4330 Mülheim Kühn
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1983-01-25
Filing date: 1983-01-25
Publication date: 1984-07-26
Also published as: GB2134548A; ZA84520B; GB2134548B; BR8400280A; JPS59140371A; FR2539762A1; KR840007443A; US4596610A; DD215804A5; GB8401686D0

Description

Ruhrgas Aktiengesellschaft in Essen

Verfahren zum Härten von Metallwerkstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Metallwerkstücken durch Wärmebehandlung in einer Erwärmungsstufe zum Erhitzen der Werkstücke über die Härtetemperatur, einer StoffÜbergangsstufe zur Diffusionsbehandlung der Werkstücke in einer stoffabgebenden Atmosphäre, einer Temperaturabsenkstufe zum Einstellen der Werkstücke auf die Härtetemperatur und einer Abkühlstufe zum Abschrecken der Werkstücke.

Härteverfahren der vorgenannten Art werden angewendet, um Metallwerkstücke, die gehärtet werden sollen, zunächst bis zum Kern oder bei größeren Ausmaßen wenigstens in der Oberflächenschicht über eine übliche Härtetemperatur hinaus auf eine Stoffübertragungstemperatur von zum Beispiel 920 C oder mehr zu erhitzen und bei Aufrechterhaltung dieser Stoffübertragungstemperatur während einiger Zeit durch Aufkohlen oder !Carbonitrieren mittels eines den jeweiligen Stoff durch Diffusion an die Werkstückoberfläche abgebenden Gases zu behandeln, wonach die Werkstücke durch Temperaturabsenkung und gegebenenfalls mit Nachdiffusion auf die eigentliche Härtetemperatur eingestellt und dann in einem Härtemedium abgeschreckt werden. Um mit kontinuierlicher Verfahrensdurchführung größere Leistungen zu erreichen, sind Durchstoßanlagen gebräuchlich, bei denen die Werkstücke, in aller Regel in Chargen aus einer größeren Anzahl von Einzelteilen, die Erwärmungs-, Stoffübergangs- und Temperaturabsenkstufe in einem durchgehenden Ofenkanal durchlaufen. Hierbei beeinflussen sich'die den Behandlungsstufen zugeordneten einzelnen Kanalzonen, so daß nur ein gleitender Übergang hinsichtlich Temperatur und Atmosphäre von einer Stufe beziehungsweise Zone in die nächste möglich ist. Sprungfunktionen für Temperatur und Atmosphäre,

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die eine Beschleunigung des Wärmeüberganges sowie des StoffÜberganges bewirken würden, sind nicht möglich. Diese würden aber den Energiehaushalt erheblich verringern und eine gezieltere metallurgische Werkstückbehandlung ermöglichen. Wollte man derartige Sprungfunktionen aufprägen, müßte man sich einer Unterteilung des Durchlaufkanals in einzelne kammerartige Zonen bedienen. Schleusen und gasdichte Türen zur Zonentrennung sind jedoch bei den vorkommenden hohen Temperaturen sehr aufwendig. Ebenso wie bei den bekannten Kammeranlagen für periodischen Betrieb beziehungsweise intermittierende Verfahrensdurchführung ergibt auch die bei den gebräuchlichen kontinuierlichen Verfahrensweisen in einem Durchlaufkanal angewendete Chargenbehandlung häufig eine dicht gepackte Werkstückcharge, an die die Wärme und die Behandlungsgase von außen herangebracht werden. Die Chargenbehandlung hat den Nachteil, daß sie eine wesentlich längere Erwärmungszeit und Stoffüber-. gangszeit benötigt als eine Einzelteilbehandlung und daß ein unterschiedlicher Wärmeübergang an den Einzelteilen der Charge auftreten kann mit der Gefahr eines beträchtlichen Verzugs der Einzelteile, der eine kostspielige Nachbearbeitung erfordert.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine Einzelteilbehandlung vorgenommen werden kann und damit gegenüber der Chargenbehandlung der Vorteil, der schnelleren, gleichmäßigeren Erwärmung mit kurzfristigem Stoffübergang sowie der gleichmäßigeren, kürzeren Abkühlung erreicht werden kann, mit dem bei Einzelteilbehandlung aber auch ein kontinuierlicher Verfahrensablauf mit hoher Ausstoßleistung und vor allem mit wesentlich geringerem Energieverbrauch möglich ist und vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in erster Linie da-

durch gelöst, daß ein Werkstück in eine gasdicht ver- ; schließbare Wärmebehandlungsbox eingesetzt wird, in | der das Werkstück von einer porösen inneren Auskleidungsschicht der Box mit durchgehenden, zum Boxinnern offe-j nen Porenräumen umgeben wird und die innere Ausklei- ; dungsschicht wärmeleitend von einer porösen äußeren Auskleidungsschicht mit durchgehenden, von der inneren. Auskleidungsschicht gasdicht getrennten Porenräumen umgeben wird, daß in der Erwärmungsstufe eine wärmeabgebende Atmosphäre durch die Porenräume beider Auskleidiingsschichten geführt und mittels der inneren Auskleidungsschicht durch das Innere der Wärmebehandlungsbox zirkuliert wird, daß in der StoffÜbergangsstufe eine stoffabgebende Atmosphäre durch die innere Auskleidungsschicht geführt und mittels dieser durch,das Boxinnere zirkuliert wird und die Stoffübergangstemperatur in der Wärmebehandlungsbox durch Hindurchführen der wärmeabgebenden Atmosphäre nur durch die äußere Auskleidungsschicht gehalten wird, daß in der/ Temperaturabsenkstufe die Wärmezufuhr in die äußere Auskleidungsschicht unterbrochen wird und durch die innere Auskleidungsschicht eine abkühlende Atmosphäre in das Boxinnere eingeleitet wird, und daß nach Annahme der Härtetemperatur durch das Werkstück das Abschrecken des Werkstücks in der Abkühlstufe durchgeführt wird.

Mit diesem Verfahren kann durch die Anwendung einer Einzelbox zur Aufnahme jeweils eines Einzelteils eine •sehr rasche Erwärmung der zum Beispiel keramischen porösen Boxauskleidung und des eingesetzten Werkstücks erreicht werden. Die durch die innere Auskleidungsschicht in das Boxinnere eingeleitete heiße Atmosphäre kann derart unter Druck im Kreislauf geführt werden, daß sie aus den Porenräumen in einer Prallströmung auf das Werkzeug auftrifft und dadurch einen um ein Viel- .

faches höheren Wärmeübergang erzeugt, als er bei einer Chargenbehandlung möglich wäre. Trotz Einzelteilbe-

handlung ist eine kontinuierliche Verfahrensdurchführung, mit hoher Ausstoßleistung möglich, indem eine Mehrzahl von Einzelboxen beispielsweise von einem Automatenkarussell aufgenommen wird und jede einzelne Wärmebe- \ handlungsbox im Kreislauf durch Boxenstationen für die Erwärmungs-, StoffÜbergangs- und Temperaturabsenkstufe geführt wird, mit denen die Wärmebehandlungsbox an ihren Auskleidungsschichten zur Beschickung mit der jeweiligen wärmeabgebenden, stoffabgebenden beziehungsweise abkühlenden Atmosphäre verbunden wird.

Nachdem beide Auskleidungsschichten der Wärmebehandlungsbox zum Beispiel auf etwa 700° C erwärmt sind, braucht nur noch die äußere Auskleidungsschicht mit wärmeabgebender Atmosphäre beschickt zu werden, um Wandverluste zu decken und um durch Wärmeleitung an die innere Auskleidungsschicht und Wärmeaustausch an die durch diese Schicht hindurchgeführte Atmosphäre die nötige Wärme zum Erwärmen des Werkstücks bis auf die StoffÜbertragungstemperatur von zum Beispiel 920° C nachzuführen. Vorteil- hafterweise wird in der Erwärmungsstufe als wärmeabgebende Atmosphäre ein unterstochiometrisch.es Gemisch aus Luft und Brenngas, zum Beispiel Erdgas, in die innere und äußere Auskleidungsschicht der Wärmebehandlungsbox eingeleitet und derart in den Porenräumen der ■ Schichten verbrannt, daß wenigstens aus den Porenräumen der inneren Auskleidungsschicht keine Flammen austreten. Nach Erwärmung beider Auskleidungsschichten auf eine ausreichend hohe Temperatur und während der anschließenden Stoffübergangsstufe wird dann vorteilhafterweise ein stöchiometrisches Gemisch aus Luft und Brenngas nur noch in die äußere Auskleidungsschicht eingeleitet und in deren Porenräumen verbrannt. Über die äußere Auskleidungsschicht wird dann eine innere Atmosphäre, die nur noch im Kreislauf durch die innere Auskleidungsschicht geführt zu werden braucht, von innen, das heißt ohne zu- \ sätzliche äußere Beheizung, aufgeheizt und die Verlust-

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wärme der Wäriaebehandlungsbox gedeckt.

Sobald das Werkstück die gewünschte StoffÜbertragungstemperatur angenommen hat, kann die durch die innere ^: Auskleidungsschicht und das Boxinnere zirkulierende Atmosphäre spontan in die für den vorgesehenen Stoffübergang erforderliche stoffabgebende Atmosphäre geändert werden,so daß der Stoffübergang an das Werkstück mit vorteilhafter Sprungfunktion einsetzt und rasch durchgeführt werden kann. Der Erwärmungs- und Stoff-Übergangsvorgang kann vorzugsweise oder in einer bei Werkstücken mit größeren Ausmaßen gewünschten Weise derart gezielt durchgeführt werden, daß der Kern des Werkstückes nur härtetemperatur annimmt und die Oberfläche des Werkstückes über eine gewünschte Schichtdicke auf die StoffÜbertragungstemperatur ansteigt und bei dieser Temperatur durch Diffusion aus dem Behandlungsgas aufgekohlt oder karbonitriert wird.

Nach Beendigung des Stoffüberganges wird in der anschließenden Temperaturabsenkstufe die Energiezufuhr in die äußere Auskleidungsschicht der Wärmebehandlungsbox beendet-beziehungsweise so lange unterbrochen, bis das Werkstück die Härtetemperatur angenommen hat. Hierbei kann sogar, um ebenfalls eine günstige Sprungfunktion zwischen der Stoffübergangs- und Temperaturabsenkstufe zu erreichen, kurzfristig eine abgekühlte innere Atmosphäre durch die innere Auskleidungsschicht in das Boxinnere eingeleitet werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung erfolgt mit Vorteil auch in der Abkühlstufe das Abschrecken des Werkstücks in einer Box durch Einleiten des Härtemediums in das Boxinnere über eine poröse Boxauskleidung mit durchgehenden, zum Boxinneren offenen Porenräumen. Dazu kann zur Veriänderung des Energieverbrauchs und weiteren Fördorunq des sparsamen Energiehaushaltes das er-

findungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise so durchgeführt werden, daß die Wärmebehandlungsbox mit dem Werkstück nur die heißen Erwärmungs-, StoffÜbergangs- und Temperaturabsenkstufen durchläuft und daß das Werkstück nach Annahme der Härtetemperatur von der Wärmebehandlung box in eine für die kältere Abkühlstufe gesondert vorgesehene Kühlbox umgeladen wird, vorzugsweise unter Anwendung einer die beiden Boxen überbrückenden Schleuse mit Schutzatmosphäre, Beispielsweise kann die Wärmebehandlungsbox von einem diese Box im Kreislauf führenden Karussellautomaten in einen Schleusenautomaten gegeben werden, in dem die Wärmebehandlungsbox entleert und das Werkstück in die separate, gesonderte Kühlbox gelegt wird. Die entleerte Wärmebehandlungsbox kann dann von dem Schleusenautomaten an den Karussellautomaten zur erneuten Beschickung mit einem Werkstück und erneutem Kreislauf von der Erwärmungs- bis zur Temperaturabsenkstufe zurückgegeben werden. Die Anwendung einer geson-, derten Kühlbox in der Abkühlstufe macht es auch möglichj diese Box mit einer speziell für die Durchführung der Abkühlstufe geeigneten und ausgebildeten porösen Kühlboxauskleidung zu versehen, um vorteilhafterweise ein flüssiges Härtemedium unter Druck durch im wesentlichen lotrecht zur Werkstückoberfläche verlaufende.Porenräume auf das Werkstück aufleiten zu können. Das Aufleiten des flüssigen Härte- beziehungsweise Kühlmediums unter Druck auf das Werkstück kann während des Abkühlverlaufes gezielt erfolgen, damit die einzelnen Kühlphasen (Filmverdampfung, Kochphase, Konvektionsphase) je nach Art des Kühlmediums in günstigster Weise ablaufen. Hierzu kann zum Beispiel ein Kühlautomat angewendet werden, der die von dem Schleusenautomaten mit dem Werkstück beschickte Kühlbox durch die einzelnen Kühlphasen des Abkühlverlaufes führt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, zum Beispiel unter Anwendung eines entsprechenden Automaten

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gleichzeitig an unterschiedlichen, in Einzelboxen enthaltenen Werkstücken eine dem Einzelteil angepaßte Wärmebehandlung insbesondere in der Erwärmungs- und Stoff-i Übergangsstufe durchzuführen und eine maximal mögliche Anpassung der Wärmebehandlung an den Materialfluß und an die Anforderung zur Oberflächenbehandlung zu erreichen. Dadurch kann der Nachteil der bisher für die kontinuierliche Verfahrensweise gebräuchlichen Ofenanlagen aufgehoben werden, daß in ihnen nur eine spezielle Wärmebehandlung durchgeführt werden kann und daß sie nicht zur Wärmebehandlung gleichzeitig an unterschiedlichen Werkstücken betrieben werden können mangels entsprechender geeigneter und notwendiger Teile dafür.

Claims

; ■;;■■: 330233s Ruhrgas Aktiengesellschaft in Essen Verfahren zum Härten von Metallwerkstücken Patentansprüche

1. Verfahren zum Härten von Metallwerkstücken durch Wärmebehandlung in einer Erwärmungsstufe zum Erhitzen der Werkstücke über die Härtetemperatur, einer Stoffübergangsstufe zur Diffusionsbohandlung der Werkstücke in einer stoffabgebenden Atmosphäre, einer Temperaturabsenkstufe zum Einstellen der Werkstücke auf die Härtetemperatur und einer Abkühlstufe zum Abschrecken der Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstück in eine gasdicht verschließbare Wärmebehandlungsbox eingesetzt wird, in der das Werkstück von einer porösen inneren Auskleidungsschicht der Box mit durchgehenden, zum Boxinneren offenen Porenräumen umgeben wird und die innere Auskleidungsschicht wärmeleitend von einer porösen äußeren Auskleidungsschicht mit durchgehenden, von der inneren Auskleidungsschicht gasdicht getrennten Porenräumen umgeben wird, daß in der Erwärmungsstufe eine wärmeabgebende Atmosphäre durch die Porenräüme beider Auskleidungsschichten geführt und mittels der inneren Auskleidungsschicht durch das Innere der Wärmebehandlungsbox zirkuliert wird, daß in der StoffÜbergangsstufe eine stoffabgebende Atmosphäre durch die innere Auskleidungsschicht geführt und mittels dieser durch das Boxinnere zirkuliert wird und die Stoffüberqangstemperatur in der Wärmebehandlungsbox durch Hindurchführen der wärmeabgebenden Atmosphäre nur durch die äußere Auskleidungsschicht gehalten wird, daß in der Temperaturabsenkstufe die Wärmezufuhr in die äußere Auskleidungsschicht unterbrochen wird und durch die innere Auskleidungsshicht eine abkühlende Atmosphäre in das Boxinnere eingeleitet wird, und daß nach Annahme der Härtetemperatur durch das Werkstück das Abschrecken

des Werkstücks in der Abkühlstufe durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in der Abkühlstufe mit einem Härtemedium beaufschlagt wird, das ebenfalls in eine Box

. 5 durch eine poröse Boxauskleidung mit durchgehenden, zum Boxinneren offenen Porenräumen eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungsbox im Kreislauf durch Boxenstationen für die Erwärmungs-, Stoffübergangs- und Temperaturabsenkstufe geführt wird, mit denen die Wärmebehandlungsbox an ihren Auskleidungsschichten zur Beschickung mit der jeweiligen wärmeabgebenden, stoffabgebenden beziehungsweise abkühlenden Atmosphäre verbunden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach Annahme der Härtetemperatur in der Temperaturabsenkstufe von der Wärmebehandlungsbox in eine für die Abkühlstufe gesonderte Kühlbox umgeladen wird, vorzugsweise unter Anwendung einer die beiden Boxen überbrückenden Schleuse mit Schutzatmosphäre.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiges Härtemedium unter Druck durch die Porenräume der porösen Kühlboxauskleidung auf das Werkstück aufgeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Erwärmungsstufe ein unterstöchiometrisches Gemisch aus Luft un,d Brenngas in die innere und äußere Auskleidungsschicht der Wärmebehandlungsbox eingeleitet und derart in den Porenräumen der Schichten verbrannt wird, daß wenigstens aus den Porenräumen der inneren Auskleidungsschicht keine Flammen austreten, und daß in der Stoffüber -

gangsstufe ein stöchiometrisches Gemisch aus Luft und Brenngas in die äußere Auskleidungsschicht eingeleitet und in deren Porenräumen verbrannt wird.