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Diese
Erfindung betrifft Verfahren zum Abschrecken erhitzter metallischer
Objekte.
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Es
ist hier gut bekannt, daß das
Abschrecken eines metallischen Objekts (d. h. das schnelle Abkühlen des
Objekts aus einer Wärmebehandlungstemperatur
im austenitischen Bereich auf eine viel niedrigere, gewöhnlich Raumtemperatur)
dessen mechanische Eigenschaften und Charakteristika signifikant
verbessern kann. Das Abschrecken wird zum Härten des Objekts und/oder zur
Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften benutzt, zum Beispiel
zur Steuerung der inneren Kristallisation und/oder Ausscheidung.
Herkömmlicherweise
wird das Abschrecken unter Verwendung von Flüssigkeiten wie beispielsweise
Wasser, Öl
oder Salzlauge entweder in Form eines Tauchbads oder eines Sprühsystems
ausgeführt.
In den letzten Jahren sind Gasabschreckverfahren entwickelt worden.
Das Gasabschrecken hat die Vorteile, sauber und nicht toxisch zu sein
und keine nach dem Abschrecken zu beseitigenden Rückstände zu hinterlassen,
jedoch haben sich Schwierigkeiten beim Erreichen ähnlich hoher
Abschreckraten gezeigt, wie sie durch die herkömmlicheren Flüssigkeitsabschreckverfahren
ermöglicht
werden.
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Das
Abschrecken ist ein sehr schneller Vorgang, der erfordert, daß die Wärme innerhalb
des Objekts mit hoher Wärmeströmungsdichte
durch die gekühlte
Oberfläche
des Objekts abgezogen wird. Gewöhnlich
ist es für
das Abschrecken des wünschenswert,
daß es
gleichförmig
geschieht, so daß das
abgeschreckte Objekt gleichförmige
Oberflächen-
oder innere Eigenschaften hat, jedoch ist Gleichförmigkeit
des Abschreckens bei den meisten Abschrecktechniken schwierig zu
erreichen, was auf verschiedenen Faktoren beruht, hauptsächlich dem
Leidenfrost-Phänomen.
Die Abschreckwirkung jedes Abschrecksystems wird gewöhnlich in
Form des Grossman-Abschreckintensitätfaktors H charakterisiert;
für flüssige Abschreckmittel
wie beispielsweise Wasser oder Öl
fällt H üblicherweise
in den Bereich von 0,2 bis 4. Solche hohen Werte von H sind unter
Verwendung der Gasabschreckung nicht leicht erhältlich; beim Abschrecken unter
Verwendung von Gas kann die Kühlintensität unter
Verwendung mehrerer verschiedener Mittel gesteigert werden; Steigerung
des Abschreckdrucks; Steigerung der Geschwindigkeit, mit welcher
das Gas auf das Objekt gesprüht
wird; Wahl des Gases (Stickstoff ist weniger bevorzugt als Helium,
das wiederum weniger bevorzugt als Wasserstoff ist, wegen ihrer jeweiligen
Wärmeübergangskoeffizienten,
obwohl Helium und Wasserstoff im Vergleich zu Stickstoff teuer sind);
Optimieren der Gasströmungsbedingungen
und Steigerung der Turbulenz, und Verstärken der Kühlung des Gases.
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Das
Gasabschrecken unter Verwendung mehrfacher Kühlgasströme, die hauptsächlich aus
Stickstoff, Argon und/oder Helium bei Drücken bis zu 60 bar bestehen,
ist in Vakuumöfen
praktiziert worden, und seine Eigenschaften zum Abschrecken von
Massenkomponenten sind gut bekannt. In neuerer Zeit ist das Gasabschrecken
einer einzigen oder kleiner Gruppen von Komponenten, die entweder
in Vakuumöfen
oder in Öfen mit
herkömmlicher
Atmosphäre
erhitzt worden sind, vorgeschlagen worden. Zum Eliminieren der Notwendigkeit
des Kühlens
der Ofenkonstruktion erfordern diese Techniken die Überführung des
abzuschreckenden Objekts in eine speziell konstruierte kalte Kammer,
wie an sich bekannt ist.
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Um
die Kriterien für
gleichmäßige Abschreckung
eines einzigen Objekts oder einer einzigen Komponente zu erfüllen, ist
es notwendig, daß das
Abschreckmittel die Oberfläche
des Objekts gleichförmig
erreicht. Bei praktischen Gasabschreckverfahren bedeutet dies, daß Gas, das
durch Berührung
mit dem Objekt erwärmt
worden ist, auch die Oberfläche
wieder gleichförmig
verlassen muß (so
daß weiteres
frisches kaltes Gas die Oberfläche
erreichen kann, um den Abschreckprozeß fortzusetzen); daher müssen diskrete
Mengen von ankommendem und weggehenden Gas vorhanden sein. Theoretisch
wären diese
Mengen idealerweise unendlich klein, aber praktische Betrachtungen
machen es nötig,
daß sie
so groß wie
möglich
sind, soweit das mit einem im wesentlichen gleichförmigen Wärmeübergang
verträglich
ist.
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Ein
zweiter, die Abschreckgleichförmigkeit
beeinflussender Faktor ist die Wechselwirkung der einzelnen Gasströme. Es wurde
gezeigt, daß bei
einem konstanten Massendurchsatz und einem Verhältnis von Strömungsbreite
(d) zum Abstand zwischen der Gasdüsenöffnung und der Objektoberfläche (a)
von 4 der Wärmeübergangskoeffizient
ein Maximum erreicht, wenn die Distanz zwischen benachbarten Gasströmen (b)
das Dreifache der Strömungsbreite
(d) beträgt.
Die an den Rändern
der Gasströme
gebildete Turbulenz, wenn sie auf die Objektoberfläche auftreffen,
hat bekanntermaßen
eine beträchtliche
Auswirkung auf den Wärmeübergang,
jedoch lassen sich Form und Größe dieser
turbulenten Bereiche schwierig voraussagen, wegen der komplexen
Wechselwirkung zwischen den Gasströmen.
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Ein
weiterer die Gleichförmigkeit
der Gasabschreckung beinträchtigender
Faktor ist, daß,
obwohl die Geschwindigkeit des auf die Objektoberfläche auftreffenden
Gases so groß wie
möglich
und so senkrecht zur Oberfläche
wie möglich
sein sollte, die Geschwindigkeit und der Auftreffwinkel der Gasströme relativ
zur Oberfläche
auch so gleichförmig
wie möglich
sein müssen,
da der Wärmeübergangskoeffizient
von diesen beiden abhängig
ist. Es ist vorgeschlagen worden, daß zur Maximierung des Wärmeübergangskoeffizienten
und zur Minimierung des Wechselwirkungsfaktors zwischen benachbarten
Gasströmen
die Distanz (a) zwischen der Gasdüsenöffnung und der Oberfläche so groß wie möglich sein
sollte, soweit dies mit dem Geschwindigkeitsverlust des Gasstroms über der
Distanz vereinbar ist. Beispielsweise schlägt die
US 5 452 882 vor, daß um einen
Abschreckheftigkeitsfaktor H von zwischen 0,2 und 4 zu erreichen,
eine Mehrzahl von Gasströmen
eines Durchmessers d zu dem abzuschreckenden Objekt aus Düsen (mit
einem Durchmesser d) gerichtet werden sollten, die um einen Abstand
zwischen 2d und 8d von der Oberfläche des Objekts beabstandet
sind, und mit einem Abstand b zwischen benachbarten Düsen von
zwischen 4d und 8d. Es besteht weiter die Notwendigkeit, einen effizienten
und ökonomischen
Gasabschreckprozeß zu
schaffen, der zu einer großen
Abschreckheftigkeit und beträchtlicher
Gleichförmigkeit
in der Lage ist.
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Dementsprechend
beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abschrecken
eines erhitzten metallischen Objekts, welches das Austragen einer
Mehrzahl diskreter Gasströme
aus einer Mehrzahl von Düsenauslässen derart
umfasst, daß die
Gasströme
im wesentlichen gleichförmig über die
Außenoberfläche des
Objekts auftreffen, wobei die Distanz (a) zwischen jedem Düsenauslaß und der
Außenoberfläche des
Objekts, gegen welche der zugeordnete Gasstrom auftrifft, kleiner
oder gleich dem halben Durchmesser (d) der Düsenauslässe ist.
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Um
Zweifel zu vermeiden, es sollte aus dem Gebrauch des Wortes "Durchmesser" nicht geschlossen werden,
dass die Erfindung auf Gasströme
mit kreisförmigen
Querschnitt beschränkt
wäre; die
vorliegende Erfindung erstreckt sich auf Gasströme beliebiger Querschnittsform,
wobei deren "Durchmesser" durch die Annahme
berechnet wird, daß die
Querschnittsfläche
eines nicht kreisförmigen
Gasstroms zum Zwecke der Umsetzung dieser Erfindung tatsächlich kreisförmig sei.
Daher sollte das Wort "Durchmesser", wo es hier gebraucht
wird, als den Durchmesser eines kreisförmigen Gasstroms oder den theoreti schen
Durchmesser eines kreisförmigen
Gasstroms interpretiert werden, der die gleiche Querschnittsfläche wie
ein nicht kreisförmiger Strom
hat. Für
solche kleinen Distanzen zwischen Düsenauslaß und dem Objekt bleibt die
Querschnittsfläche und
der "Durchmesser" des Gasstroms im
wesentlichen über
seinen ganzen Weg zwischen dem Düsenauslaß und dem
Objekt konstant und gleich der Querschnittsfläche und dem "Durchmesser" des Düsenauslasses.
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Die
Düsenauslässe können von
im wesentlichen gleicher Querschnittsfläche sein, oder die Querschnittsfläche der
Düsen kann
variieren, vorausgesetzt, daß der
Gesamtdüsenquerschnitt
pro Flächeneinheit des
zu kühlenden
Objekts im wesentlichen konstant bleibt. Es kann beispielsweise
vorteilhaft sein, verschiedene Düsenquerschnitte
zu haben, um ein Objekt abzuschrecken, das eine komplexe oder gewellte
Oberflächenform
oder -Konfiguration hat.
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Wir
haben aus einer Erforschung der komplexen Wechselwirkung der Gasströme entdeckt,
daß hier ein
unerwarteter und überraschend
großer
und schneller Zuwachs der Wärmeübergangsrate
bei sehr kleinen Werten der Distanz zwischen dem Gasstromdüsenauslaß und der
Oberfläche
des Objekts besteht (d. h. wo a ≤ 0,5d),
wenn die Bereiche von an den Rändern
der Düsen
erzeugter hoher Turbulenz mit der Oberfläche des Objekts in Wechselwirkung
treten, um den Wärmeübergang
zum Gas zu maximieren und eine gleichförmigere Kühlung zu erzeugen. Außerdem,
wie unten noch weiter beschrieben wird, ist ein Verfahren gemäß der Erfindung
nachweisbar in der Lage, eine im wesentlichen gleichförmige Abschreckung
sowie auch eine veränderte Abschreckung
nach Bedarf zu erzeugen.
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Das
Verfahren nach der Erfindung ermöglicht
auch das Erreichen von Abschreckraten unter Verwendung von Stickstoff
ermöglicht,
die gleichwertig dem herkömmlichen Ölabschrecken
ist, ohne daß eine
Hochdruckabschreckumgebung erforderlich ist, wie das häufig herkömmliche
Praxis darstellt. Durch Zumischen von Wasserstrom in den Abschreckgasstrom
können
Abschreckraten erwartet werden, die denjenigen des Wassersabschreckens
gleichwertig sind (Wasserstoff hat grob den dreifache Kühleffekt
wie Stickstoff). Das Zugeben von Wasserstoff hätte einen weiteren Vorteil
dahin, daß die
Komponente während
des Abschreckprozesses glänzend
gehalten wird (aber bei höheren
Gaskosten als mit Stickstoff allein).
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Aus
der Verwendung solcher kleiner Distanzen zwischen dem Gasdüsenauslaß und der
Objektoberfläche
ergeben sich noch weitere praktische Vorteile. Wenn diese Distanz
(a) abnimmt, nimmt der zur Zufuhr der Gasströme mit der erforderlichen Geschwindigkeit
notwendige Druck zu; das Erzeugen solcher Drücke unter Verwendung herkömmlicher
Verdichter (wie beispielsweise in der
US
5 452 882 vorgeschlagen) ist schwierig und kostspielig;
sowohl hinsichtlich der Kapital- als auch der Betriebskosten – aber wenn
die Gasströme aus
einer Quelle verdichteten oder flüssigen Gases zugeführt werden,
besteht keine Notwendigkeit für
einen Verdichter mehr. Stattdessen würde die Gasquelle Hochdruckgas
bereitstellen, dessen Druck leicht und billig bei Bedarf heruntergeregelt
werden kann, so daß keine
Verdichtungskosten anfallen würden
(Gase wie beispielsweise Stickstoff werden üblicherweise unter hohem Druck
oder in flüssiger
Form geliefert), so daß die einzigen
Kosten daher diejenigen des Gases sind. Selbst die Gaskosten brauchen
nicht notwendigerweise vollständig
verloren zu sein, da die Kaltwand-Abschreckkammer mit einem kleinen Überdruck über dem
Umgebungsdruck betrieben werden könnte, beispielsweise von 10
kPa, und das vom Objekt reflektierte Abschreckgas als die gesamte
Wärmebehandlungsschutzatmosphäre oder
ein Teil desselben benutzt werden könnte.
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Vorzugsweise
ist der Abstand (b) zwischen benachbarten Düsenauslässen kleiner oder gleich dem Achtfachen
des Durchmessers (d) der Düsenauslässe, und
vorzugsweise mehr als das Zweifache dieser Distanz (d), um so die
Gleichförmigkeit
des Abschreckens sicherzustellen.
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Die
Gasströme
werden vorzugsweise so gerichtet, daß sie im wesentlichen senkrecht
auf die Objektoberfläche
auftreffen, um die Abschreckheftigkeit zu maximieren.
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Weil
die Kühlrate
während
des Abschreckens direkt mit der Geschwindigkeit der Gasströme in Beziehung
steht und die Geschwindigkeit zum Gaszufuhrdruck in Beziehung steht,
ist es eine verhältnismäßig einfache
Angelegenheit, die Kühlrate
zu steuern. Für
den Fachmann liegen geeignete Mittel zur Steuerung des Gaszufuhrdrucks
zu den Düsenauslässen auf
der Hand, wodurch eine sehr genau steuerbare Kühlrate während des Abschreckvorgangs
erzielt werden kann; es ist patentgemäß möglich, jede momentane Kühlrate innerhalb
der Grenze der maximal möglichen
Kühlrate
zu erzeugen, so daß die
Zwischenstufenvergütung
und das Stufenhärten
von Objekten leicht erreichbar sind. Darüber hinaus, weil das Verfahren
nach der Erfindung hauptsächlich
für das
Abschrecken einzelner Objekte vorgesehen ist, ist es möglich, mit
einem hohen Grad an Genauigkeit die Abschreckrate mit Bezug auf
den Oberflächenbereich
des Objekts zu steuern (wie beispielsweise einen Bereich einer Komponente
mit Stufenhärtung
zu behandeln, während
ein anderer Bereich in einem einzigen Vorgang einem schnellen Ölabschrecken
unterzogen wird) und/oder mit Bezug auf den Abschreckzyklus zu steuern
(wie beispielsweise die Abschreckrate während des Abschreckens zu verändern),
in dem Strömungsrate,
Druck und/oder Zusammensetzung des Abschreckgases in geeigneter
Weise gesteuert wird, und/oder durch Veränderung der Abschreckgasströmungsrate
zwischen den verschiedenen Düsen.
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Die
Erfindung wird nunmehr beispielshalber unter Bezugnahme auf die
anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
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1 den
Wärmeübergangskoeffizienten
eines senkrecht auf eine Oberfläche
auftreffenden Gasstroms als Funktion des Abstands von der Mittellinie
des Gasstroms,
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die 2a, 2b und 2c den
Wärmeübergangskoeffizienten
in einem Stickstoffgasabschrecksystems als Funktion des Abstands
(b) zwischen benachbarten Gasströmen
bei drei verschiedenen Distanzen (a) zwischen dem Gasdüsenauslass
und der abzukühlenden/abzuschreckenden
Oberfläche,
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die 3a, 3b, 3c und 3d die
Veränderung
des Wärmeübergangskoeffizienten
in einem Stickstoffgasabschrecksystem als Funktion der Distanz (a)
zwischen den Gasdüsenauslässen bei
verschiedenen Distanzen (b) zwischen benachbarten Strömen/Düsen,
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4 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer Anordnung zum Abschrecken
eines erhitzten Getrieberads,
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5 eine
schematische Stirnansicht eines Teils einer Düsenanordnung zur Ausführung der
Gasabschreckung gemäß der Erfindung,
und
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6 eine
schematische Draufsicht der Düsenanordnung
nach 5.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, hat der Wärmeübergangskoeffizient für einen
Stickstoffgasabschreckstrom ein Maximum direkt unterhalb der Außenkante
der Düse,
wo sich Bereiche hoher Turbulenz bilden, und fällt ab, während der Gasstrom abgelenkt
wird und paralleler zur Oberfläche
verläuft.
Bei diesem Beispiel beträgt
die Gasgeschwindigkeit 100 ms–1, die Distanz zwischen
dem Düsenauslass
und der Oberfläche
beträgt etwa
50 mm, und die Distanz b zwischen benachbarten Düsen/Strömen beträgt etwa 100 mm.
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Die 2a bis 2c zeigen
den Wärmeübergangskoeffizienten
als Funktion des Abstands b zwischen benachbarten Düsen für eine Gasgeschwindigkeit
von 100 ms–1 und
eine Distanz a zwischen Düsenauslass
und Oberfläche
von 100 mm (2A), 51 mm (2B)
und 25 mm (2C). In jeder Grafik (und in den 3A bis 3D)
sind drei Kurven aufgetragen, entsprechend dem maximalen, minimalen
und mittleren Wärmeäbergangskoeffizienten;
gemäß 1 entspricht
der maximale Wärmeübergangskoeffizient
der Spitze in der Kurve an der Stelle, wo die Bereiche hoher Turbulenz
sich im Gasstrom bilden, der minimale Wärmeübergangskoeffizient tritt in
der Mitte zwischen benachbarten Gasströmen auf (d. h. in 1 etwa
50 mm entfernt von der Mittellinie des Gasstroms), und der mittlere
Wärmeübergangskoeffizient
ist der Koeffizient in der Mitte zwischen der Mittellinie der Gasströme/Düsen und
der mittigen Linie zwischen den Strahlen (d. h. in 1 25
mm von der Düsenmittellinie
entfernt). Wie man sieht, ist ein ausgeprägtes Maximum des Wärmeübergangskoeffizienten
und eine gesteigerte Gleichförmigkeit
desselben (d. h. es sind entsprechende Maximal bei dem maximalen,
dem minimalen und dem mittleren Wärmeübergangskoeffizienten vorhanden),
wenn die Distanz a zwischen dem Gasdüsenauslass und der Oberfläche abnimmt.
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In
den 3a bis 3c, wo
die Gasgeschwindigkeit 100 ms–1 und die Distanz b
zwischen benachbarten Düsen
89 mm (3A), 38 mm (3B)
und 13 mm (3C) beträgt, ist ersichtlich, daß eine beträchtliche
Zunahme des Wärmeübergangskoeffizienten
bei kleinen Werten der Distanz b vorhanden ist, wenn der Wert von
a, der Distanz zwischen dem Gasdüsenauslass
und der Oberfläche,
unter den Wert von b abnimmt. Ein ähnlicher Effekt wird bei höheren und
niedrigeren Gasgeschwindigkeiten erreicht, wie durch 3D dar gestellt
ist, die den Wärmeübergangskoeffizienten
bei einer Gasgeschwindigkeit von 300 ms–1 und
einer Distanz b zwischen den Gasströmen von 13 mm angibt.
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Aus
den in den 2 und 3 dargestellten
Daten ist ersichtlich, daß der
Wärmeübergangskoeffizient umgekehrt
proportional zur Distanz a zwischen den Düsenauslässen und der Oberfläche ist.
Während
die Distanz zwischen den Düsen
eine zunehmende Auswirkung bei größeren Werten von a hat, erscheint
seine Wirkung bei kleinen Werten von a minimal bis zum mindestens
Zweifachen des Düsen/Gasstrom-Durchmessers d.
Während
berichtet worden sein mag, daß maximale
Wärmeübergangsraten
auftreten, wenn a gleich oder größer als
8d ist und b gleich oder größer als
8d ist, sind die schnellen Zunahmen der Wärmeübergangsrate bei sehr kleinen
Abständen
(wo a weniger als oder gleich d ist und b weniger als 3d ist) bisher
nicht bemerkt worden. Die hohe maximale Wärmeübergangsrate in diesem Bereich
ist auch hohen mittleren und minimalen Wärmeübergangsraten zugeordnet, was
wichtig ist, um Gleichförmigkeit
der Abschreckung zu erreichen. Tatsächlich ist die Zunahme der
Wärmeübergangsrate
bei Werten von a von kleiner als 0,5d besonders markant, wobei d
gleich 12,7 mm ist.
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4 zeigt
ein Getrieberad 2, das bezüglich einer Anordnung von Düsen 4 zentriert
ist, wobei jede Düse
so angeordnet ist, daß sie
einen Gasstrom, der in Richtung der Pfeile in der Figur verläuft, so
richtet, daß er
senkrecht auf das Getrieberad 2 auftritt. Die Düsen 4 haben
einen gleichförmigen
Durchmesser d, und die Distanz b zwischen benachbarten Düsen beträgt das Zweifache
von d. Die Enden 4' der
Düsen haben
eine Distanz a von der nächstliegenden
Oberfläche
des Getrieberads 2, und a ist etwa gleich b. Die Pfeile
zeigen die Gasströmung
zu den Düsen
an, und Gas, das bereits auf die Oberfläche des Getrieberads 2 aufgetroffen ist,
wird von dort wegreflektiert und durch die Zwischenräume 5 zwischen
den Düsen
abgezogen. Wie leicht zu verstehen ist, sind einzelne Düsen 4 vorzugsweise
längs ihrer
Längsachse
hin und her beweglich, um den Abstand a auf jeden gewünschten
Wert einstellen und/oder an ein Objekt zum Abschrecken irgendeiner
Konfiguration anpassen zu können.
Eine genaue Steuerung des Abschreckprozesses wird leicht durch Steuerung des
Drucks des zu den Düsen 4 zugeführten Gases
und folglich der Geschwindigkeit der Gasströme erreicht.
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Die 5 und 6 zeigen
eine Stirnansicht bzw. eine Draufsicht eines Teils der Anordnung
von Düsen 4 in 4,
wobei die Reihen A, B, C, D von Düsen 4 dargestellt
sind, wobei jede der Düsen
eine Kammer 6 mit einer Bohrung 8 für den Durchtritt
von Gas unter Druck aus der Kammer 6 in die Düse und durch
den Düsenauslass 4' heraus zur
abzuschreckenden Oberfläche 10 hat.
Die Düsen
haben einen rechteckigen Querschnitt und in gleicher Weise sind
rechteckige Auslasskanäle 12 zwischen
den Reihen von Düsen 4 (d.
h. in den Zwischenräumen 5 zwischen
benachbarten Düsen)
zum Abziehen von Gas von der Oberfläche 10 vorgesehen,
nachdem das Gas die Oberfläche
abgeschreckt hat. Der Querschnitt der Öffnungen 8 sollte
kleiner als der Querschnitt der Kammer sein, und der Gasdruck in
der Kammer 6 übersteigt
den Druck in den Düsen 4 um
einen Faktor, der etwa gleich dem Verhältnis des Querschnitts der Öffnung 8 zum
Querschnitt der Düse 4 ist.
Ein Gasdruck von etwa 60 kPa wäre
ausreichend, um eine Gasgeschwindigkeit von 100 ms–1 zu
erzeugen, und ein solcher von etwa 500 kPa zum Erzeugen einer Geschwindigkeit
von 300 ms–1.
Die Gasgeschwindigkeitsgrenze wäre
die Schallgeschwindigkeit, etwa 340 ms–1.
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Ein
weiterer Vorteil des Systems dieser Erfindung ergibt sich aus den
typischerweise hohen Gasdrücken.
Als Resultat der verwendeten hohen Drücke sollte es möglich sein,
die Notwendigkeit für
eine Produktabstützung
während
des Abschreckens zu eliminieren. Die Wirkung des Produktgewichts
ist klein im Verhältnis zur
angewendeten Gaskraft, und das Produkt würde innerhalb des Düsenfelds
schwimmen. Kleine Unregelmäßigkeiten
würden
in einer praktischen Anordnung in das Strömungsfeld eingeführt und
zu einer Schwingung oder Drehung der Komponente führen, was
ein noch gleichmäßigeres
Abschrecken erzeugt. Wenn das Verhältnis der Düsendurchmesser zur Distanz
zwischen der Düse
und der Oberfläche
mit 4 gewählt
wird (die Stelle, an welcher der Querschnitt für den Gasaustritt gleich dem
Querschnitt der Düse
ist), dann führt
irgendeine Verringerung der Distanz zwischen der Düse und der
Oberfläche,
die durch eine Objektbewegung verursacht wird, zu einer Steigerung
des Drucks am Düsenauslaß, was die
Oberfläche
von der Düse
wegdrängt,
so daß die
Schwingungen der Komponente innerhalb einer Düsenanordnung zur Selbstkompensation
neigen. Die verwendeten hohen Geschwindigkeiten führen zu
hohen Geräuschpegeln
in der Nähe
des Abschreckens. Jedoch sollte es möglich sein, diesen Effekt durch
geeigneten Verwendung einer Schallisolation um die Kaltwandabschreckkammer
zu minimieren.
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Als
ein Beispiel wird ein typisches Autozahnrad mit 150 mm Durchmesser
mit 20 mm Breite und einer 20 mm-Bohrung in der Einrichtung nach
den 4 und 5 abgekühlt. Der abzuschreckende Gesamtquerschnitt
beträgt
etwa 0,045 M2, und die Gesamtmasse des Zahnrads
beträgt
etwa 1,35 kg. Bei Annahme einer Düsenkonfiguration, wo der Zwischenraum
zwischen den Düsen
das Dreifache des Düsendurchmessers
beträgt
und eine Gasgeschwindigkeit von 100 m/s erforderlich ist, um H =
0,8 zu erreichen, beträgt
die Kühlzeit etwa
30 s. Das zum Abschrecken des Zahrads erforderliche Gasvolumen beträgt 3,9 m3. Der zum Erzeugen der erforderlichen Geschwindigkeit
an der Düsenspitze
notwendige Druck beträgt
etwa 200 kPa (1 barg), so daß die
auf eine Seite des Zahnrads ausgeübte Kraft 5,3 kg beträgt, was
deutlich über
dem Gewicht des Zahnrads liegt. Für ein praktisches Abschrecksystem
betrüge
der im System notwendige Druck zum Erzeugen eines solchen Düsenspitzendrucks
weniger als 600 kPa (5 barg).
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Um
die Kosten zu minimieren, ist es notwendig, die Gesamtströmung von
Abschreckgas zu minimieren. Da die Gasströmung für eine gegebene Düse durch
die erforderliche Kühlrate
festgelegt ist, ist die einzige verfügbare Variable die Distanz
b zwischen den Düsen. Überraschender
Weise hat sich gezeigt, dass eine Veränderung dieser Distanz wenig
Einfluß auf
den Wärmeübergangskoeffizienten
hat, der eine fast lineare und relativ langsame Abnahme bei Veränderung
von b zwischen dem Zweifachen und dem Achtfachen des Düsendurchmessers
zeigt. Dieser Effekt beruht auf dem Bereich hoher Turbulenz, der
an den Kanten der Düse bei
hohen Gasgeschwindigkeiten erzeugt wird.
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Der
Wärmeübergangskoeffizient
ist auch relativ unempfindlich gegen den Maßstab, so daß, wenn
alle Größen eines
Abschrecksystems nach der Erfindung mit dem System um einen Faktor
4 verringert werden (was wahrscheinlich den maximalen praktischen
Bereich von Gasstrahlgrößen einschließt), ergibt
sich eine Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten
von nur etwa 30%.
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Dieses
Fehlen einer Empfindlichkeit für
die Größe der Düsen und
des Abstands zwischen ihnen macht die Auslegung von Abschreckkammern,
insbesondere für
komplexe Formen, viel einfacher. Jedoch führt die erforderliche enge
Anpassung an die Oberfläche
zu der Notwendigkeit einer sorgfältigen
Betrachtung der Düsenanordnungsstellen.
Als Ergebnis des Produktsgewichts ist klein im Vergleich zu den
angewendeten Gaskräften,
und das Produkt würde
innerhalb des Düsenfelds
schwimmen.
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Weil
die Abkühlrate
in nahezu linearem Zusammenhang zur Gasgeschwindigkeit bei Gasgeschwindigkeiten
unterhalb 100 m/s stehen, und die Geschwindigkeit mit dem Zufuhrdruck
in Zusammenhang steht, ist es offensichtlich einfach, die Kühlrate zu
steuern. Obwohl höhere
Geschwindigkeiten bis gegen die Schallgeschwindigkeit in höheren Kühlraten
resultieren, ist die Zunahme nichtlinear und die Verwendung höherer Geschwindigkeiten
wird wahrscheinlich auf Anwendungen begrenzt sein, wo die höchstmöglichen
Abkühlraten
erforderlich sind. Es ist nicht nur möglich, eine steuerbare Rate
zu erreichen, sondern diese Rate kann auch während des Abschreckzyklus variiert
werden, um irgendein Kühlprofil
innerhalb der Grenzen der maximal verfügbaren Rate zu erzeugen. Infolgedessen
können
Zwischenstufenvergütung,
Stufenhärten,
und Verzögertes
Abschrecken leicht erreicht werden. Die Wirkung eines Verdoppelns
oder Halbierens jedes der den mittleren Wärmeübergangskoeffizienten steigernden
Parameters ist in der folgenden Tafel zusammengefasst:
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Es
ist bemerkenswert, daß eine
Verringerung der Distanz a von etwa 0,5 auf etwa 0,25 d eine 37%-Zunahme
des mittleren Wärmeübergangskoeffizienten
(d = 12,7 mm) bewirkte.
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Während eine
gleichförmige
Abschreckung oftmals erwünscht
ist, öffnet
dieses System eines individuellen Komponentengasabschreckens auch
die Möglichkeit
der absichtlichen und steuerbaren nichtgleichförmigen Abschreckung.
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Zum
Beispiel bei der Zahnradwärmebehandlung
ist es möglich,
nur Stirn und Bohrung eines Zahnrads abzuschrecken, während ein
zähes perlitisches
Gitter erzeugt wird. Es ist auch möglich, nur die Verschleißflächen einer
Welle und nicht den Gewindeteil abzuschrecken, was ein kostspieliges
Aussparen während
der Aufkohlungsbehandlung einspart. Das Aussparen macht, natürlich sehr
abhängig
von der jeweiligen Komponente, typischerweise 15 bis 30% der Kosten
der Wärmebehandlung
aus.
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Zusammengefasst,
kann das Gasabschrecken einzelner Komponenten unter Verwendung nur
von Stickstoff in einer nichtdruckbeaufschlagten Umgebung ölähnliche
Abschreckeigenschaften ergeben. Um diese Raten zu erreichen, müssen die
Gaszufuhrdüsen
eine Distanz von der Komponente haben, die kleiner als der halbe
Durchmesser der Düse
ist. Die Distanz zwischen den Düsen
in dem Düsenfeld
hat wenig Einfluß auf die
erreichte maximale oder minimale Rate innerhalb des Düsenfelds,
solange sie weniger als 8 Düsendurchmesser
beträgt.