DE4234285A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Gut - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Gut in einem Rollenofen, insbesondere von relativ dünnen, sich bei Erwärmung leicht verziehenden Stahlteilen, wie beispielsweise Kugellagerringen, Blechronden und dergleichen.

Es ist eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln von metallischem Gut (DE-PS 31 50 576) bekannt, bei welcher auf einer Rollenbahn Glühgestelle angeordnet werden, die ihrerseits in den einzelnen Fächern mit den metallischen Teilen bestückt worden sind. Bei dem bekannten Ofen kann jedoch kaum erreicht werden, daß sich Metallteile, die eine Längsabmessung im cm-Bereich und eine geringe Dicke im mm-Bereich haben, nach der Wärmebehandlung nicht bleibend verzogen haben.

Darüber hinaus ist es bislang üblich, im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Metallteilen solche Öfen einzusetzen, die eine Schutzgasatmosphäre aufweisen und teilweise elektrisch beheizt sind, um zu verhindern, daß sich beispielsweise der Kohlenstoffgehalt der Metallteile während des Wärmebehandlungsvorganges ändert bzw. die Metallteile aufoxidieren. In diesem Zusammenhang ist weder die Aufkohlung noch die Entkohlung noch die Aufoxidation erwünscht.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, eine Wärmebehandlung von Metallteilen zu ermöglichen, bei der die Metallteile sich nicht verziehen und lediglich unerhebliche Randauf- bzw. Randentkohlungserscheinungen sowie Randaufoxidations- bzw. Randzunderbildungserscheinungen auftreten.

Erreicht wird dies durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gut auf der Rollenbahn in die Kühlzone gefördert wird, in welcher vermittels von sowohl ober- als auch unterhalb der Rollenbahn angeordneten Düsenfeldern, beispielsweise in der Art von Prallströmungen, das Material so abkühlt, daß örtlich gleichzeitig die Martensit-Starttemperatur (260-220°C) unterschritten wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist der Temperaturgradient unmittelbar oberhalb der Rollenbahn so gering, daß die sich dort befindenden Metallteile nicht verziehen können. Eine solche Temperaturverteilung kann aber nur mit einem Rollenofen erreicht werden.

Im Zusammenhang mit der Glühbehandlung von Stahlteilen werden vorteilhafterweise keramische Rollen eingesetzt, die einerseits eine ausreichende Wärmestandfestigkeit haben. Darüber hinaus kann dadurch auch erreicht werden, daß die unter dem Ausdruck "pittings" bekannten Erscheinungen nicht auftreten, da keine Berührung von Metall mit Metall während des Glühvorganges auftritt, sondern die Stahlteile auf den Keramikrollen aufliegen. Bei bekannten Rollenöfen für die wärmebehandelnde Metallindustrie werden überwiegend Metallrollen eingesetzt, was nur möglich ist, wenn ein relativ großer Aufwand für die Luft- bzw. Wasserkühlung der Rollen getrieben wird.

Um den Sauerstoffgehalt im Ofen möglichst gering zu halten, werden die Brenner im Hochtemperaturbereich, zum Beispiel beim Wärmebehandeln zum Härten von Stahl, dem sogenannten Austenitisierungsbereich, ohne Luftüberschuß betrieben. Hierbei werden die Brenner derartig eingestellt, daß in der Tat auf ein Schutzgas verzichtet werden kann. Dies liegt darin begründet, daß beispielsweise bei Stahl im Bereich der höheren Temperaturen, d. h. oberhalb von etwa 850°C, die Oxidationsgeschwindigkeit des Eisens größer ist als die Entkohlungs- bzw. Aufkohlungsgeschwindigkeit. Dies bedeutet dann aber auch, daß derartige Metallteile an der Oberfläche leicht verzundern, und zwar mit einer Schichtdicke im Bereich von ca. 0.015-0.03 mm. Diese Randverzunderung hat keinen Einfluß auf die Produktqualität, im Gegenteil wird durch die Verzunderung verhindert, daß die Metallteile auf- bzw. entkohlen, so daß ein gleichmäßiges Gefüge nach der Wärmebehandlung erzielt wird und lediglich eine Randentkohlung von ca. 0.015-0.03 mm auftritt. Diese leichte Randentkohlung bzw. Verzunderung wird häufig zugelassen, da in der Regel in nachgeschalteten Arbeitsschritten eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt werden muß.

Wird bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ein Ofen mit einer leichten feuerfesten Auskleidung, beispielsweise aus Fasermaterialien verwendet, so kann der Ofen in kurzer Zeit auf- und abgeheizt werden.

Da das Temperaturfeld unmittelbar oberhalb der Rollen räumlich konstant eingestellt werden kann, ist es möglich, gleichzeitig Metallteile mit unterschiedlichen Abmessungen zu behandeln, insbesondere wenn die Dicke dieser Teile nicht wesentlich unterschiedlich ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß das Gut im Anschluß an Aufheizphase und dem sogenannten Hochtemperaturbereich in die Kühlzone gefördert wird, um hier durch oberhalb und unterhalb der Rollenbahn angeordnete Düsenfelder so abgekühlt zu werden, daß kein oder nur geringer Verzug nach dem Kühlen auftritt. Dabei wird das metallische Gut kaum entkohlt und kaum oxidiert.

Das Verfahren ist weiterhin dadurch charakterisiert, daß derart gekühlt wird, daß sich die metallischen Teile nach dem Kühlen ebenfalls nicht verzogen haben.

Das Verfahren ist auch dadurch charakterisiert, daß das metallische Gut in der Kühlzone des Rollenofens von oben und von unten gleichzeitig gekühlt wird.

Das Verfahren ist ferner dadurch charakterisiert, daß beispielsweise mit einer Prallströmung gearbeitet wird, das bedeutet, daß z. B. je ein Düsenfeld von unten und von oben eingesetzt werden. Die auf den Rollen aufliegende Ware/Gut wird sowohl von oben, als auch von unten durch entsprechende Düsenfelder angeströmt. Das Verfahren ist darüber hinaus beispielsweise dadurch charakterisiert, daß die Düsenfelder versetzt angeordnet sind, beispielhaft mit einer Düsenanordnung, bei welcher die oben angeordneten Düsen jeweils von vier unten angeordneten Düsen umgeben sind. Die Düsen ragen von unten her durch die Rollen, und zwar liegen die Düsen genau in den Zwischenräumen der Rollen. Von oben sind die Düsen über dem Gut angebracht.

Dieses Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß zwischen dem eigentlichen Erwärmungsteil, dem Austenitisierungsteil, beispielsweise bei Stahl, und dem Kühlteil eine exakte Atmosphärentrennung vorliegt. Beispielsweise benötigt man in der Hochtemperaturzone eine reduzierende Atmosphäre und im Kühlteil wird reine, kalte Luft aufgeblasen. Das Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Erwärmungsteil und der Kühlteil durch eine Schleuse getrennt sind.

Das Verfahren ist dadurch geprägt, daß die Kühlung zum einen kontinuierlich oder auch pulsierend betrieben werden kann, das bedeutet, daß die Kühlung erst einsetzt, wenn ein betreffendes Werkstück die Kühlstelle erreicht hat.

Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, daß ein Düsenfeld eingesetzt wird. Die Auslegung des Düsenfeldes geschieht nach zwei Gesichtspunkten. Einmal, um eine sehr hohe Wärmeübergangszahl zu erreichen, das bedeutet eine sehr schnelle Kühlung, zum anderen, um eine sehr gleichmäßige Kühlung des Düsenfeldes zu erreichen. Für die Intensität der Kühlung wird das Düsenfeld mit unterschiedlichen Vordrücken betrieben werden, beispielsweise von leichtem Überdruck von 100 mbar bis zu 20 bar Überdruck. Das Düsenfeld kann zum einen aus Düsen und zum anderen aus einer Platte, in die Löcher sowie Schlitze eingearbeitet sind, ausgebildet sein. Der Düsendurchmesser sowie das Teilungsverhältnis der Düsen wird nach entsprechenden Materialanforderungen des zu kühlenden Gutes ausgewählt. Auch in diesem Punkt ist zu nennen, daß neben der Düsenform auch der Düsenabstand zwischen dem Werkstück und Düse variiert werden kann, um eine intensive Kühlung zu bekommen.

Zur weiteren Intensivierung der Wärmeübertragung kann eine Grenzschichtabsaugung unten oder/und oben vorgesehen werden. Die Intensität der Absaugung wird durch den eingestellten Unterdruck bestimmt.

Aufgabe der erwähnten Kühlung ist es, die Martensitstarttemperatur des Werkstückes, beispielsweise um 260-220°C je nach Material, zum gleichen Zeitpunkt zu überschreiten, so daß es bei den Werkstücken keinen Verzug gibt. Dieses ist insbesondere wichtig bei Werkstücken, die eine Längsabmessung im cm-Bereich und eine geringe Dicke im mm- Bereich haben.

Die bei der Gutkühlung freiwerdende Wärme kann in Form von vorgewärmter Luft in der Größenordnung von 100-400°C den Brennern wieder zugeführt werden. Damit erhält man eine Wärmerückgewinnung und einen niedrigeren Energieverbrauch.

Folgende Düsenanordnungen sind denkbar:

• - quadratische Düsenanordnungen,
• - gleichseitige Dreiecke als Düsenanordnungen und
• - gleichschenklige und gleichseitige Dreiecke als Düsenanordnung.

Das Düsenfeld kann so ausgebildet sein, daß die Abströmung der Luft nach einer Seite bzw. auch nach allen vier Seiten stattfindet bzw. nur nach zwei Seiten stattfindet oder wieder abgesaugt wird. Die Düsendurchmesser können im Bereich von 1,6-12,7 mm liegen. Die Länge der Düsen des Düsenhalses kann von 0 bis 130 mm variabel sein. Die Temperatur der Luft, die aus den Düsen austritt, kann zwischen Raumtemperatur und 150°C betragen. Das Material (das Gut) kann somit auf Temperaturen zwischen 40 und 100°C heruntergekühlt werden.

Ein besonderes Kennzeichen ist es, einen sehr intensiven Wärmeübergang zu erhalten. Dieses ist dann gegeben, wenn der Abstand von Düse zum Gut sehr gering ist. Dagegen ist es für die Temperaturgleichmäßigkeit wichtig, daß ein gewisser Abstand eingehalten wird, damit sich die gesamte Prallströmung in der Form ausbildet, daß sich die einzelnen Düsenkegel hinreichend überlappen. Darüber hinaus sollte der Düsendurchmesser zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs recht klein gewählt werden, was allerdings einen größeren Druckwiderstand bedingt und höhere Vordrücke zur Folge hat. Ein optimaler Wärmeübergang ist dann erreicht, wenn die Düsenteilung gleich dem Düsenabstand zum Gut ist.

Die Rollengeschwindigkeiten im Ofen im Erwärmungsteil Zone I bis III sowie im Kühlteil Zone IV können verschieden sein.

In der Technik Abkühlung dünner Stahlbleche werden derzeit folgende Verfahren eingesetzt:

• 1. Salzbad.
  Dieses wird aus Umweltschutzgründen in der Zukunft nicht mehr zugelassen. Das Salz muß nämlich häufig nach der Wärmebehandlung von metallischem Gut abgewaschen werden.
• 2. Das Gut wird im Vakuum erwärmt und dann unter hohem Überdruck mit Schutzgas (Inertgas) abgekühlt. Der Prozeß läuft in Chargen- oder Kammeröfen ab. Dieses Verfahren ist in Bezug auf die apparative Seite sehr aufwendig. Bei dünnen Matrialien tritt hier ein hoher Verzug auf.
• 3. Das Abkühlen an Luft erfolgt mittels Richtpressen (gekühlt), um den eingetretenen bzw. eintretenden Verzug wieder auszugleichen. In besonderen Fällen reicht der alleinige Einsatz einer gekühlten Richtpresse nicht aus, um die Metalle ausreichend schnell in die gewünschte Gefügemodifikation zu überführen. In diesen Fällen wird in Öl abgekühlt bzw. in einem anderen flüssigen Medium.
• Da bei sehr vielen flachen Materialien in Öl auch ein großer Verzug auftritt, ist ebenso eine Kombination aus Abkühlen in und gleichzeitigem Richtpressen möglich. Diese Verfahren sind einerseits sehr aufwendig. Anschließend müssen die wärmebehandelten und gehärteten Teile angelassen werden. Hierbei verdampft bzw. verbrennt das Öl. Da dieses nicht sehr gleichmäßig und rückstandsfrei verbrannt werden kann, gibt es hier zahlreiche Umweltprobleme. Beispielsweise können die Kohlenwasserstoffe nicht vollständig zu H₂O und C₂O aufoxidiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert:

Fig. 1 zeigt eine schaubildliche Längsansicht eines Rollenofens zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Fig. 2 bis 4 zeigen Ansichten der Düsenfelder in verschiedenen Ausführungsformen.

In Fig. 1 ist ein Rollenofen schematisch wiedergegeben, wobei die Rollenbahn durch die Querschnittsdarstellung der Rollen zu erkennen ist. Links befindet sich der Einlauf und rechts der Auslauf.

Der Ofen besteht aus drei räumlich voneinander abgegrenzten Stufen I, II, III und IV.

In der Zone I befinden sich keine Brenner, hier befindet sich eine Einrichtung, um das Ofengas aufzunehmen und über den Kamin abzuführen. Darüber hinaus wird zur Einstellung der Temperaturkurve Luft eingeblasen.

In der Fig. 1 sind die Brenner oberhalb und unterhalb der Rollenbahn schematisch wiedergegeben. In der Zone III sind mehr Brenner als in der Zone II gezeigt, um auf diese Art und Weise zum Ausdruck zu bringen, daß es sich bei der Zone III um den Hochtemperaturbereich handelt.

Nach der Hochtemperaturzone ist die Kühlzone IV angeordnet.

In der Phase I wird das wärmezubehandelnde Gut aufgewärmt.

Die Phase II beinhaltet die Aufwärmung des Gutes nach Erreichen der Hochtemperaturgrenze.

In der Phase III gelangen die Metallteile schließlich in den Hochtemperaturbereich, wo beispielsweise bei Stahl beim Wärmebehandeln zum Härten die Austenitisierung durchgeführt wird.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer Ausgestaltung der Kühlzone mit oberhalb und unterhalb der Rolle angeordneten Düsen.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht, in der die räumliche Zuordnung der Düsen eines oberen und eines unteren Düsenfeldes zu erkennen sind. Mit U und O sind die einzelnen Düsen des unteren bzw. des oberen Düsenfeldes bezeichnet.

Fig. 4 zeigt eine seitliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Düsenfeldes, wobei in diesem Falle zwischen den einzelnen oberen Düsenfeldern Luft- Absaugeinrichtungen zu erkennen sind.

Claims (1)

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Gut in einem Rollenofen, insbesondere von relativ dünnen, sich bei Erwärmung/Abkühlung leicht verziehenden Stahlteilen, wie beispielsweise Kugellagerringen, Blechronden und dergleichen, wobei das Gut nach einer Aufheizphase in den sogenannten Hochtemperaturbereich (z. B. bei Stahl je nach Wärmebehandlung oberhalb von ca. 800-1250°C) direkt auf den Keramikrollen des Rollenofens aufliegend gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gut auf der Rollenbahn in die Kühlzone gefördert wird, in welcher vermittels von sowohl ober- als auch unterhalb der Rollenbahn angeordneten Düsenfeldern, beispielsweise in der Art von Prallströmungen, das Material so abkühlt, daß örtlich gleichzeitig die Martensitstarttemperatur (260-220°C) unterschritten wird.