DE4100989A1

DE4100989A1 - PROCESS FOR HEAT TREATMENT IN VACUUM OVENS

Info

Publication number: DE4100989A1
Application number: DE4100989A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Ing Jurmann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1991-01-15
Filing date: 1991-01-15
Publication date: 1992-07-16
Also published as: EP0495151A1; DE59102016D1; EP0495151B1; ATE107707T1

Abstract

The invention relates to the heat treatment of workpieces in a vacuum furnace, using hydrogen. For convective heating and for high-pressure gas-quenching of the workpieces, usually nitrogen and helium are used. To achieve shorter heating and/or cooling times, the use of hydrogen is desirable, but this raises safety engineering problems. The risks are here considerably reduced if, according to the invention, a space which surrounds at least a part of the vacuum furnace and is insulated gas-tight is flushed with an inert gas and continuously checked for its hydrogen content and oxygen content.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken im Vakuumofen unter Verwendung von Wasserstoff.The invention relates to a method for the heat treatment of Workpieces in a vacuum furnace using hydrogen.

Bei der Wärmebehandlung von Werkstücken im Vakuumofen werden die Werkstücke häufig zuerst mit Hilfe eines Gases konvektiv erwärmt, um eine schnelle und gleichmäßige Temperaturerhöhung im Werkstück zu erzielen. Anschließend erfolgt im Vakuum die Aufheizung des Werkstückes über Strahlungstransport. In vielen Anwendungsfällen ist nach der Wärmebehandlung ein schnelles Abkühlen der Werkstücke erwünscht, um z. B. bei Stahlwerkzeugen einen hohen Härtegrad zu erreichen. Dazu wird unter hohem Druck ein Gas in den Ofen geleitet, das in kurzer Zeit eine große Wärmemenge von den Werkstücken abführt.During the heat treatment of workpieces in a vacuum furnace the workpieces are first convectively using a gas heated to a quick and even To achieve an increase in temperature in the workpiece. Subsequently the workpiece is heated in a vacuum Radiation transport. In many applications is after Heat treatment a quick cooling of the workpieces desired to z. B. with steel tools a high degree of hardness to reach. For this purpose, a gas is injected into the Oven conducted, which in a short time a large amount of heat the workpieces.

Um eine effektive Erwärmung bzw. Abkühlung zu erreichen, muß im Ofen eine Gasströmung hergestellt werden, über die der Wärmeaustausch stattfindet. Physikalische Parameter, wie Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Geschwindigkeit der Gase bei den herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen im Ofen bestimmen die Güte dieses Wärmetransports. Die Gase sollen außerdem die Wärme transportieren, ohne chemisch mit den Werkstücken oder der Umgebungsatmosphäre zu reagieren. Schließlich müssen die Gase in großer Menge preisgünstig erhältlich und sicherheitstechnisch unbedenklich sein. To achieve effective heating or cooling, must a gas flow is produced in the furnace, via which the Heat exchange takes place. Physical parameters, such as Thermal conductivity, viscosity and velocity of the gases with the prevailing temperature and pressure conditions in Furnaces determine the quality of this heat transfer. The gases should also transport the heat without using chemicals to react to the workpieces or the surrounding atmosphere. After all, the gases have to be inexpensive in large quantities available and safe in terms of safety.

Zur konvektiven Erwärmung und zur Hochdruck-Gasabschreckung im Vakuumofen werden deshalb in erster Linie die beiden Inertgase Stickstoff und Helium einzeln oder im Gemisch verwendet. Nach physikalisch-technischen Aspekten ist jedoch Wasserstoffgas, das in großen Mengen einfach herstellbar ist, günstiger. Die Abkühl- bzw. Aufheizzeiten sind bei Verwendung von Wasserstoff im Vergleich zu Helium um fast 20%, im Vergleich zu Stickstoff um etwa 30% verkürzt. Dies hat eine höhere Geschwindigkeit des Verfahrensablaufs zur Folge, die produktionstechnisch erwünscht ist. Außerdem kann beispielsweise durch die verkürzte Abkühlzeit bei der Hochdruck-Gasabschreckung ein höherer Härtegrad der behandelten Stahlwerkstücke erzielt werden.For convective heating and high-pressure gas quenching in the vacuum oven, therefore, the two are primarily Inert gases nitrogen and helium individually or as a mixture used. According to physical-technical aspects, however Hydrogen gas that can be easily produced in large quantities is cheaper. The cooling down or heating up times are at Use of hydrogen compared to helium by almost 20%, reduced by about 30% compared to nitrogen. This has a higher process speed Sequence that is technically desirable. Besides, can for example due to the shorter cooling time at High pressure gas quenching is a higher degree of hardness treated steel workpieces can be achieved.

Sicherheitstechnisch hat Wasserstoff jedoch den Nachteil, innerhalb bestimmter Konzentrationsgrenzen mit dem Sauerstoff der Luft ein explosives Gemisch zu bilden. Die untere Explosionsgrenze liegt für das Gemisch Wasserstoff/Luft bei einer Wasserstoffkonzentration von etwa 4 Vol%, die obere bei über 70 Vol%.In terms of safety, however, hydrogen has the disadvantage within certain concentration limits with the Oxygen in the air to form an explosive mixture. The lower explosion limit for the mixture Hydrogen / air at a hydrogen concentration of around 4 vol%, the upper at over 70 vol%.

Bei der Verwendung von Wasserstoff als Gas für die konvektive Erwärmung oder für die Hochdruck-Gasabschreckung im Vakuumofen muß folglich garantiert sein, daß der Wasserstoff weder innerhalb noch außerhalb des Ofens mit vorhandenem Sauerstoff der Umgebungsatmosphäre eine explosive Mischung bilden kann. Im Ofeninneren muß deshalb vor Einleiten des Wasserstoffs eine sauerstoffreie Atmosphäre hergestellt werden. Das verbleibende, größte sicherheitstechnische Risiko sind die Dichtungsstellen des Vakuumofens. Kleinste Undichtigkeiten aufgrund von Fehlern oder Altersverschleiß des Dichtungsmaterials führen zum Ausströmen von Wasserstoff bei Ofenüberdruck oder zum Einströmen von Sauerstoff aus der Umgebungsluft bei Ofenunterdruck. Um die Vorteile der Verwendung von Wasserstoff bei der Wärmebehandlung im Vakuumofen großtechnisch nutzen zu können, müssen derartige Sicherheitsrisiken ausgeschaltet werden. When using hydrogen as a gas for the convective heating or for high pressure gas quenching in the vacuum oven must therefore be guaranteed that the Do not use hydrogen inside or outside the furnace existing oxygen in the surrounding atmosphere can form an explosive mixture. Therefore, inside the oven an oxygen-free one before introducing the hydrogen Atmosphere. The remaining, largest the sealing points of the Vacuum oven. Smallest leaks due to errors or age wear of the sealing material lead to Escaping hydrogen at furnace pressure or to Influx of oxygen from the ambient air Furnace vacuum. To take advantage of using Hydrogen during heat treatment in a vacuum furnace To be able to use it on an industrial scale, such Security risks are eliminated.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken im Vakuumofen unter Verwendung von Wasserstoff zu entwickeln, bei dem das sicherheitstechnische Risiko auf ein Minimum reduziert ist.The invention is therefore based on the object Process for the heat treatment of workpieces in a vacuum furnace using hydrogen, in which the security risk is reduced to a minimum.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an dem Vakuumofen befindlichen Dichtungsstellen von Kapselungen umgeben sind, die mit einem Inertgas gespült werden.The object is achieved in that the sealing points of encapsulations located in the vacuum furnace are surrounded, which are flushed with an inert gas.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, daß weder im Ofeninneren noch in der Umgebung des Vakuumofens eine explosive Wasserstoffanreicherung auftritt. Die Verwendung von Wasserstoffgas bei der konvektiven Erwärmung und der Hochdruck-Gasabschreckung kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens großtechnisch realisiert werden. Im Falle eines Defektes einer Dichtungsstelle an dem mit Wasserstoff beladenen Ofen wird beim erfindungsgemäßen Verfahren Inertgas in den Ofen einströmen, wenn dieser mit Unterdruck betrieben wird. Das Einströmen von Luft in den Ofen und damit die Bildung eines explosiven Gemisches wird ausgeschlossen. Wird eine Anreicherung an Inertgas im Ofeninneren detektiert, läßt dies auf eine Leckstelle im Dichtungssystem schließen.The inventive method ensures that neither in The inside of the furnace is still in the vicinity of the vacuum furnace explosive hydrogen enrichment occurs. The usage of hydrogen gas in convective heating and High pressure gas quenching can occur when using the Process according to the invention implemented on an industrial scale will. In the event of a defect in a sealing point on the hydrogen-laden furnace is in the invention Process Inert gas flow into the furnace if it is with Vacuum is operated. The inflow of air into the Furnace and thus the formation of an explosive mixture locked out. If an enrichment of inert gas in the Detected inside the furnace, this indicates a leak in the Close the sealing system.

Bei der konvektiven Erwärmung wird der Ofen in der Regel mit einem Druck zwischen 1,5 und 2,5 bar, bei der Hochdruck- Gasabschreckung mit bis zu 20 bar betrieben. Liegt dieser Druck oberhalb des in den Kapselungen herrschenden, so wird im Falle eines Dichtungsdefektes Wasserstoff in die mit Inertgas gespülten Kapselungen aus dem Ofen ausströmen. Die Möglichkeit der explosionsartigen Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft wird beseitigt. In the case of convective heating, the oven is usually also used a pressure between 1.5 and 2.5 bar, at high pressure Gas quenching operated at up to 20 bar. If this is Pressure above that prevailing in the encapsulations, so in the event of a seal defect, use hydrogen in the Flush the inert gas purged encapsulations out of the oven. The Possibility of explosive reaction of the hydrogen with the oxygen in the ambient air is eliminated.

Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Kapselungen auf ihren Wasserstoffgehalt zu überprüfen. Eine Steuereinrichtung kann bei Detektion von Wasserstoff in den Kapselungen, die ein Indiz für eine Undichtigkeit am Ofen darstellt, automatisch für eine Unterbrechung des Verfahrensablaufs sorgen. Das Wasserstoffgas wird aus dem Ofen entfernt und die betreffende Dichtungsstelle wird erneuert.In this case it is advantageous to have the encapsulations on their Check hydrogen content. A control device can upon detection of hydrogen in the encapsulations, the one Indicates a leak in the furnace, automatically ensure an interruption of the process. The Hydrogen gas is removed from the furnace and the the relevant sealing point is renewed.

Zweckmäßig verwendet man als Inertgas Stickstoff, der unter den herrschenden Bedingungen im Gemisch mit Wasserstoff kein sicherheitstechnisches Risiko darstellt.Appropriately, nitrogen is used as the inert gas, the under the prevailing conditions in a mixture with hydrogen none represents technical security risk.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel das erfindungs gemäße Verfahren erläutern.The following is an embodiment of the Invention explain appropriate procedures.

Bei der Wärmebehandlung im Vakuumofen werden Werkstücke aus Stahl zunächst im Vakuum geglüht und dann mit einem Gas unter hohem Druck abgeschreckt. Ein mit einem Elektromotor betriebener Lüfter sorgt dabei im Ofeninneren für eine Gasströmung. Das Abschreckgas wird mit einem Druck von etwa 6 bar (absolut) in den Ofen eingeleitet und die Temperatur im Kern eines Referenzblocks mit den Abmessungen 80×100×240 mm wird gemessen. Bei Verwendung von Stickstoff hat sich der Referenzblock nach etwa 12 Minuten von etwa 1000°C auf 400°C abgekühlt. Die Abkühlzeit bei Verwendung von Helium beträgt etwa 10 Minuten, bei Verwendung von Wasserstoff als Abschreckgas nur noch etwas über 8 Minuten. Im Vergleich zu Stickstoff kann die Abschreckzeit bei Verwendung von Wasserstoff um etwa 30% reduziert werden. Die Stromaufnahme des den Lüfter betreibenden Elektromotors ist bei Wasserstoff im Vergleich zu Stickstoff um die Hälfte reduziert. Bei gleicher Leistungsaufnahme des Elektromotors kann folglich die Abschreckung mit Wasserstoff mit höheren Drücken erfolgen als die Abschreckung mit Helium bzw. Stickstoff. Mit steigendem Druck wird die Abkühlzeit noch weiter reduziert. Workpieces are made from heat treatment in a vacuum furnace Steel was first annealed in a vacuum and then with a gas quenched under high pressure. One with an electric motor operated fan ensures a Gas flow. The quenching gas is at a pressure of approximately 6 bar (absolute) introduced into the furnace and the temperature in the core of a reference block with the dimensions 80 × 100 × 240 mm is being measured. When using nitrogen has the reference block from about 1000 ° C after about 12 minutes 400 ° C cooled. The cooling time when using helium is about 10 minutes when using hydrogen as Quench gas only a little over 8 minutes. Compared to Nitrogen can be the quenching time when using Hydrogen can be reduced by about 30%. The current consumption of the electric motor that drives the fan is at Hydrogen by half compared to nitrogen reduced. With the same power consumption of the electric motor can consequently use higher hydrogen quenching Pressures are done as the quenching with helium or Nitrogen. The cooling time will increase with increasing pressure further reduced.

Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet die Sicherheit bei der Hochdruck-Gasabschreckung mit Wasserstoff im Vakuumofen. Die damit verbundenen Vorteile geringerer Abkühlzeiten und geringeren Leistungsverbrauchs des den Lüfter betreibenden Elektromotors lassen sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzen.The method according to the invention ensures security in high-pressure gas quenching with hydrogen in Vacuum oven. The associated benefits less Cooling down times and lower power consumption of the Electric motor operating fans can be used use the inventive method.

Claims

1. A method for the heat treatment of workpieces in a vacuum oven using hydrogen, characterized in that the sealing points located on the vacuum oven are surrounded by encapsulations which are flushed with an inert gas.

2. The method according to claim 1, characterized in that the interior of the furnace to an inert gas content with which the Encapsulations are rinsed, checked.

3. The method according to claims 1 or 2, characterized characterized in that the encapsulations on their Hydrogen content to be checked.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that nitrogen, argon or Carbon dioxide is used.