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Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung fester Körper D.ie Erfindung
betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Wärmebehandlung fester Körper, im besonderen,
wenn auch nicht ausschließlich, Körper aus Metallen oder Legierungen entweder im
gegossenen oder entsprechend ähnlichen Anfangszustand oder in teilweise bearbeitetem
oder vollständig beendetem Verarbeitungszustand.
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Der Ausdruck »Wärmebehandlung«, wie er hierin benutzt ist, soll jede
Erwärmung oder Abkühlungsoperation bezeichnen oder einen Kreisprozeß solcher Operationen
mit oder ohne physikalische oder chemische Änderung der Struktur, Zusammensetzung
oder Konstitution der Substanz, aus der der Körper sich zusammensetzt. Eine Wärmebehandlung
kann z. B. ausgeführt werden, um ein Metall zum Zweck der Warmverarbeitung auf eine
geeignete Temperatur zu bringen, um innere Spannung aufzuheben, um die Folgen der
Kaltverformung zu beseitigen oder um die Struktur oder Konstitution zu ändern. Weiterhin
kann ein Metall einer Wärmebehandlung durch Kühlen oder Abschrecken unterworfen
werden, um eine gewünschte innere Struktur sicherzustellen oder um eine innere Struktur
zu erhalten, idie von einer vorhergegangenen Wärmebehandlung herrührt. Außerdem
kann eine nicht metallische Substanz, wie z. B. Glas, einer Wärmebehandlung unterworfen
werden, um innere Spannung nach einem Schmelz- oder Gießprozeß aufzuheben. Für diese
und ähnliche Zwecke ist die Größenordnung der Erwärmung und Abkühlung manchmal kritisch.
Das Ausglühen kalt bearbeiteten Messings oder Kupfers, die Lösungsbehandlung von
Aluminiumlegierungen, :die Carburierung von Stählen und das Abschrecken von
Kohlenstoffstählen
von ungefähr 760° C sind typische Beispiele der Wärmebehandlung.
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Eine Wärmebehandlung wird gewöhnlich mittels Gas, Cal oder elektrisch
beheizter Öfen ausgeführt, in denen, die Zuführung der Wärme auf den zu behandelnden
Körper von Strahlung und Leitung durch die im Ofen aufrechterhaltene Atmosphäre
abhängt. Diese Atmosphäre kann hinsichtlich ihrer Zusammensetzung geregelt werden
und entweder durch natürliche Strömung oder mit Hilfe geeigneter Mittel zirkulieren.
In der Praxis ist bei dieser Ofenart der Erwärmungsgrad begrenzt, genaue und gleichmäßige
Regelung der Temperatur ist schwierig, und die Regelung der Zusammensetzung der
Ofenatmosphäre, falls dieses nötig ist, ist infolge vom Undichtigkeiten nicht leicht
zu bewerkstelligen und kann. kostspielig wegen der großen erforderlichen Gasmenge
sein.
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In manchen Fällen, werden die der Wärmebehandlung unterworfenen Körper
in eine ruhende Bettung körnigen Materials. gepackt. Wenn schnellere Erwärmungen
oder Abkühlungen und gleichmäßigere, genauere Temperaturregelung notwendig sind,
kann die passende Wärmebehandlung dadurch ausgeführt werden, daß der zu behandelnde
Körper in geschmolzenes Metall oder in geschmolzene Salze eingetaucht wird, oder
daß der vorher erwärmte Körper in Wasser oder C51 abgeschreckt wird.
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Der Gebrauch von geschmolzenen Metallen ist dadurch begrenzt, daß
es nur wenige Metalle gibt, die über einen geeigneten Temperaturbereich flüssig
sind und, doch nicht mit dem Werkstoff des der Wärmebehandlung unterworfenem. Körpers
oder mit dem für den. Aufnahmebehälter verwendeten Material reagieren. Geschmolzene
Salze bringen auch eine Anzahl von schwerwiegenden Nachteilen mit sich. Sie sind
im allgemeinen chemisch reagierende Substanzen, neigen. während der Erwärmung zum
Zerfall und sind nur über eine begrenzte Temperaturspanne flüssig. Somit ist,die
Zahl der Salze, die für einen besonderen Wärmebehandlungsprozeß zur Verfügung stehen,
begrenzt, und es ist möglich, daß keine Salze verfügbar sind, welche die nötigen
Eigenschaften für besondere Verwendung besitzen. Somit sind z. B. die einzigen Salze,
die allgemein für Wärmebehandlungen bei hohen Temperaturen von Körpern aus Aluminium
und seinen Legierungen angewandwerden, die Nitrate und Nitrite des Natriums. Es-wird
allgemein als unsicher betrachtet, diese Salze bei Temperaturen, die weit über Sao'
C liegen, zu benutzen, weil sie die Gefahr der Zersetzung und der Explosion mit
sich bringen. Diese Temperatur ist jedoch unerwünscht niedrig für die Wärmebehandlung
gewisser Aluminiumlegierungen. Wenn, wie es gewöhnlich der Fall ist, der Aufnahmebehälter
aus Eisen besteht, so greifen diese Salze auch das Eisen an und geben Anlaß zu Zunder-
und Schlammbildung, was zur Verunreinigung des Bades und Zersetzung der geschmolzenen
Salze führt. Weiterhin muß der Körper nach der Wärmebehandlung von anhaftendem Salz
frei gewaschen werden, um eine Korrosion und Rosten des behandelten Körpers zu vermeiden.
Trotz dieser schwerwiegenden Nachteile werden geschmolzene Salze ausgiebig verwendet,
da sie die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperatur bei genauer Regelung
und ein schnelles Erwärmen gestatten; alles Dinge, die für gewisse Wärmebehandlungen,
wichtig sind, besonders wenn es sich um Körper aus Aluminiumlegierungen handelt.
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Die Erfindung bezweckt nun eine Verbesserung der Verfahren und Vorrichtungen
zur Wärmebehandlung fester Körper, die die obengenannten Schwierigkeiten und Beschränkungen
ausschalten oder auf ein Geringstmaß herabsetzen sollen und gewisse zusätzliche
Vorteile bieten.
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Es ist bekannt, daß, falls ein gasförmiges Fluidum aufwärts durch
ein pulveriges oder körniges Material in feinen unterteilten Strömen in geeigneter
Stärke geleitet wird, das Material fluidisiert wird und viele Eigenschaften einer
Flüssigkeit zeigt.
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Es wurde gefunden, daß solche fluidisierten Stoffe mit ausgezeichneten
Ergebnissen als Mittel verwendet wenden können, in denen man Wärmebehandlung ausführt.
Es ist somit das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für die Wärmebehandlung
eines festen Körpers, bei dem die Wärmeübertragung zwischen,dem Körper und einer
Wärmequelle über ein fluidisiertes pulveriges oder körniges Material bewirkt wird.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung für die Wärmebehandlung
fester Körper, die ein Heizelement enthält, welches auf einer Temperatur gehalten
werden kann, die wenigstens anfänglich unterschiedlich von der des zu behandelnden
Körpers ist, einer Menge eines pulverigen oder körnigen Materials, welches, wenn
fluidisiert, sowohl das Heizelement wie den Körper berührt, und Vorrichtungen, um
ein gasförmiges Fluidum .aufwärts durch die Masse in fein. verteilten Strömen zu
leiten, um diese Masse zu fluidisieren.
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Die fluidisierten körnigen oder ähnlichen Materialien, die gemäß der
Erfindung verwendet werden, haben die folgenden Vorteile: Sie liefern einen verhältnismäßig
hohen Wärmeübertragungs.koeffizienten; sie können eine niedrige scheinbare Viskosität
haben und die Turbulenz, die in der Masse herrscht, entspricht der wirksamen Rührung
in einer Flüssigkeit und bewirkt die Beseitigung der wahren Temperaturgradienten
innerhalb ,der Masse. Diese Vorteile sind die eines Flüssigkeitsbades, aber die
Verwendung des. fluidisierten körnigen. Materials bietet den weiteren Vorteil, daß
dieses Material keines von den. Nachteilen der geschmolzenen Salze und Metalle besitzt.
Somit sind die folgenden Schwierigkeiten überwunden: Der begrenzte Arbeitstemperaturbereich,
Angriff auf Metall,des zu behandelnden Körpers und des Aufnahmebehälters, ferner
bewirkt im Vergleich mit einem Salzbad eine unvollständige Entfernung des Pulvers
kein Rosten oder Korrosion, wie es im Falle des Salzes sein würde.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt auch eine Anzahl von Vorteilen
verglichen mit den Verfahren, wie sie in üblichen Öfen angewandt werden,
abhängig
von Leitung. Konvektion und Strahlung in einer Gasatmosphäre. Somit ist der Betrag
der Wärmeübertragung viel größer. Die Temperatur kann viel gleichmäßiger und genauer
geregelt werden, und wenn eine geregelte Atmosphäre verwendet wird, ist viel weniger
Gas erforderlich als in den herkömmlichen Öfen. Mit einem fluid.is.ierten körnigen
Mittel ist der Grad der Wärmeübertragung viel größer als in Ofen, in denen die Wärmeübertragung
durch eine ruhende körnige Packung bewirkt wird. Außerdem hat die Verwendung von
fluidisiertem Pulver oder körniger Substanz noch die folgenden Vorteile: Das gasförmige
Fluidum kann aus einer großen Zahl von Gasen oder verdampften Substanzen nach ihren
besonderen: Eigenschaften ausgewählt werden. So kann z. B. Wasserstoff verwendet
werden, um den Grad der Wärmeübertragung zu vergrößern oder um eine reduzierende
Atmosphäre zu schaffen. Auch das körnige Medium kann aus einer großen Zahl fester
Stoffe ausgewählt werden. Diese können z. B. nach ihren physikalischen Eigenschaften,
wie Verteilung der Teilchen-. größe, Dichte und spezifische Wärme, nach ihren chemischen
Eigenschaften, ihrer Billigkeit und ihrer Verfügbarkeit ausgewählt werden. Um eine
gute Beschaffenheit der Fluidisierung zu erhalten, soll der Bereich der Teilchengröße
in dem verwendeten Pulver nicht zu weit sein. Die mittlere Größe der Teilchen soll
von dem besonderen Verivendungszweck abhängen. So nimmt bei abnehmender Größe der
Wärmeübertragungskoeffizient zu, und die wirksame Viskosität der fluidisierten festen
Substanz nimmt ab. Eine niedrige wirksame Viskosität ist wünschenswert, da es dadurch
möglich ist, den der Wärmebehandlung unterworfenen Körper leicht darin zu versenken
und ihn aus der Bettung wieder zu entfernen. Selbstverständlich ist ein hoher Wärmeübertragungskoeffizient
ebenfalls wünschenswert; daraus folgt, daß feine Pulver am geeignetsten wären. Andererseits,
je feiner das Pulver, um so schwieriger ist es, Spuren davon, die in den. Sauggasstrom
mitgerissen werden, daraus zu beseitigen, und sehr feine Pulver lassen sich manchmal
nur mit wenig Erfolg infolge der Agglomeration der Teilchen fluidisieren. Praktische
Arbeit bei der Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen zeigte, daß die optimale
Teülchengröße zwischen 30 und ioo @Z.icrons für diesen Verwendungszweck ist.
Es wurde gefunden, daß die wirksamste und schnellste Wärmeübertragung in einer fluidisierten
Bettung bei senkrechter Oberfläche erfolgt, so daß solche Bettungen durch gebräuchliche
Einrichtungen erwärmt oder gekühlt werden können. So können die waagerechten Wände
des zur Fluidisierung benutzten Behälters erwärmt oder gekühlt werden, und Immersionsheizelemente
können auch verwandt werden., vorausgesetzt, daß der größere Teil der die `'Wärme
übertragenden Fläche in einer vertikalen Ebene liegt. Falls es gewünscht ist, kann
das verwendete gasförmige Fluidum so gewählt werden, daß es mit der Substanz des
zu behandelnden Körpers reagiert. Ähnlich kann das körnige Material derart sein,
daß es chemisch auf die Substanz des Körpers in Gegenwart eines ausgewählten Gases
oder Dampfes einwirkt, der mit oder als Fluidum für die Fluidisierung des körnigen
Materials eingeführt wird.
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Ein Beispiel für die praktische Anwendung dieser Erfindung ist das
Ausglühen einer Aluminium-Mangan-Legierung. Es ist allgemein bekannt, daß eine hohe
Erwärmung für diese Art Legierung wünschenswert ist.
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Ein Wärmebehandlungsbad wird aus einem eisernen Behälter reit einem
Boden gebildet, der aus einem porösen Material und mit geeigneten Vorrichtungen
besteht, um kompr:irnierte Luft der Unterseite des porösen Bodens zuzuführen. Auf
dem letzteren wird eine Schicht körnigen Materials gebracht, die eingerichtet ist,
um mit feinen Strömen komprimierter Luft, welche aufwärts durch die Poren des Behälterbodens
strömen, fluidisiert zu werden. Jedes wärmebeständige Material von geeigneter Poros.ität,
wie z. B. Porzellanoder Ziegel, kann als poröses Mittel verwendet werden. Auch ein
Drahtgewebe, welches vorzugsweise einer Walzbehandlung unterworfen worden ist, um
seine Durchlässigkeit auf einen gewünschten Wert zu verringern, ist besonders geeignet.
Als körniges Material kann Tonerde verwendet wenden; um jegliche Störungen durch
Staubwirkung zu vermeiden, sollten die feinen Teilchen zuvor, z. B. durch Ausschlämmen,
entfernt werden. Eine Bettung von Tonerde von 45 cm Tiefe kann in einem »Flüssigkeitszustand«
durch Zuführung von Luft mit einem Druck von 113 kg/cmz gehalten werden. Das Bad
kann durch elektrische Wnderstandsheizelemente, die im Innern des Behälters angeordnet
werden, geheizt werden, so daß sie wenigstens. teilweisse in der bebadeten Tonerde
versenkt sind. Durch Regulierung der Stromzuführung kann die Temperatur genau auf
q.50° C gehalten werden.
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Das Metall, welches ausgeglüht werden soll, wird in die fluidisierte
Tonerde versenkt und darin in geeigneter Weise aufgehängt. Nach dem Herausnehmen
aus der Bettung nach einigen Minuten ist das Metall völlig ausgeglüht, ohne daß
die Oberfläche angegriffen ist. Man glaubt, daß das, körnige Material (Tonerde)
hauptsächlich dadurch verhindert ist mit der Oberfläche des Metalls Kontakt zu machen,
daß ein außerordentlich dünner Film von Luft eine Hülle um das. Metall herum bildet,
sobald es in dem Bad versenkt ist.
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In der Leichtmetallindustrie ist es bekannt, daß, wenn bestimmte Legierungen
einem Krei,sprozeß von Wärmebehandlungen einschließlich Abschrecken unterworfen
werden, die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs von der Natur des in dem Wärmnebehandlungsofen
benutzten Zwischenmittels abhängen, wahrscheinlich wegen .des Oberflächenzustandes
des Metalls unmittelbar vor dem Abschrecken. Es wird bemerkt, daß in ihrer Wirkung
auf die Metalloberfläche eine bebadete Bettung im wesentlichen derart wirkt, als
würde sie aus dem fluidisierenden Gas bestehen. Es versteht sich, daß das gasförmige
Mittel, welches zur Fluiidisnerung des körnigen Materials herangeführt wird, selbst
erwärmt
wenden kann, um z. B. eine gleichmäßigere Fluidisierung und Temperaturverteilung
innerhalb der ganzen Bettung zu gewährleisten. Außerdem kann man, wenn das gasförmige
Mittel zur Herstellung einer geregelten Atmosphäre ausgewählt ist, dieses in einem
geschlossenen Kreislauf zirkulieren lassen. Solch eine Zirkulation kann auch zum
Zwecke der Wärmeeinsparung verwendet werden.
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: Natürlich ist der Betrag des Wärmeverlustes einer nicht fluidisierten
Bettung körnigen Materials niedriger als, wenn dieselbe fluidisiert wird. Diese
Eigenschaft kann dazu verwendet werden, günstige Wirtschaftlichkeit bei Serienarbeit
.zu bewirken, indem der Strom des gasförmigen Mittels und die Wärmelieferung zwischen
einzelnen Wärmebehandlungsoperatnanem unterbrochen wird. Dieses Verfahren hat den
zusätzlichen Vorteil, die Staubbildung von .gewissen; Arten körnigen Pulvers auf
ein Minimum zu beschränken, wenn die Oberfläche unbedeckt iist, z. B. um den der
Wärmebehandlung unterworfenen Körper aus der Bettung zu entfernen. Ein anderes Beispiel,
welches die Vorteile dieses Verfahrens zeigt, ist die Wärmebehandlung einer Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung,
wie sie als H. S. io bekannt ist (B. S 470, z948). Die besten mechanischen Eigenschaften
dieser Legierung werden nur dann erhalten, wenn diese Legierung einer Wärmebehandlung
in einer Lösung bei einer Temperatur -von ungefähr 56o° C unterworfen, schnell abgeschreckt
und bei einer Temperatur von ungefähr z75° C für 6 Stunden künstlich gealtert wird.
Die höhere Temperatur liegt über der sicheren Arbeitstemperatur eines Nitratsalz-Bades;
während die untere Temperatur unter dem Schmelzpunkt eines solchen Bades liegt.
Indessen kann ein flundisiertes körniges Bad; der oben beschriebenen, Art für beide
Wärmebehandlungen; mit ausgezeichneten Ergebnissen verwendet werden" wobei das.
Abschrecken beispielsweise in Wasser zwischen den beiden Wärmebehandlungen durchgeführt
wird. Proben von H. S. io-Legierungen wurden in fluidisierter Tonerde einer Wärmebehandlung
unter dem. obergenannten Bedingungen ; unterworfen und gaben die folgenden befriedigenden
mechanischen Eigenschaften: o,io/o Dehnung bei 3,43 t/cm2, Zerreißgrenze 3,88 t/cm2,
Streckgrenze 12,5 0/0.
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Ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbehandlung
liefert der Prozeß industriell bekannt als. Nitrierung. Bei diesem Prozeß wird ein
Oberflächenfilm von beträchtlicher Härte erzielt, indem man einen besonderen Legierungsstahl,
bekannt als Nitralloy, mit Ammoniakgas bei hohen Temperaturen behandelt. In unseren
Experimenten wurde Nitralloy L. K. 5 in einer Bettung von fluidisierter Tonerde
bei 50o° C behandelt. Zur Fluidisierung wunde Ammoniakgas verwendet. Unter diesen
Bedingungen überschritt der Nitrierungsprozeß normalerweise eine maximale Oberflächenhärte
von ungefähr 1150 (Vickers. diamond pyramid io kg Belastung) mit einer Eindringtiefe,
die von der Behandlungszeit abhängt. Die Ver<vendang einer bebadeten Bettung
in diesem Falle vereinigt die Vorteile einer gleichmäßigen Temperatur und die Leichtigkeit
der Regelung. Aber es nlst auch möglich, den Nitrierungsp:rozeß im kleineren Rahmen
durchzuführen unter Verwendung sehr einfacher Ausrüstung bei. nur einem Bruchteil
der Kapitalkosten, die für einen herkömmlichen Ofen mit regelbarer Atmosphäre erforderlich
wären.
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Es. wurde festgestellt, @daß eine Eigenschaft der fluidisierten Bettung
darin. besteht, daß Reaktionen zwischen, Gasen oder Dämpfen und festen Oberflächen
in bestimmten Fällen viel schneller als unter normalen Bedingungen vor sich gehen.
Dies ist wahrscheinlich der Tatsache zuzuschreiben, daß die beträchtliche Turbulenz,
welche in der fluidisierten Bettung vorhanden ist, eine außerordentlich schnelle
Zufuhr frischen Gases oder Dampfes zur Oberfläche und eine schnelle Wegbewegung
aller gasförmigen Reaktionsprodukte hervorruft. Es wurde jedoch keine beträchtliche
Zunahme der Geschwindigkeit des Nitrierungsp:rozesses beobachtet, weil, wie bekannt,
der die Einwirkung begrenzende Faktor die Geschwindigkeit der Diffusion von Stickstoff
in den Stahl und nicht die Menge des zugeführten Ammoniakgases ist.
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Ein weiteres Bei-spiel der Verwendung bebadeter Bettungen gibt die
Entgasung von Aluminium. Es wurde gefunden., daß eine Verringerung des Gasgehaltes
dann erreicht werden kann, wenn Aluminium oder seine Legierungen, in; sehr trockener
Luft auf eine Temperatur von 400° C erwärmt werden.
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Falls. dieser Proz,eß in einer fluidisierten Bettung unter Verwendung
trockener Luft ausgeführt wird, scheint die erreichte Entgasung viel nachdrücklicher
und schneller zu sein, als es in Ofen hergebrachter Art möglich, ist. Der Grad der
Entgasung ist tatsächlich von der gleichen; Größenordnung wie der, der in einem
Hochvakuum erreicht wird.
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Wenn auch in der vorangegangenen Beschreibung die besonderen Beispiele
Tonerde als pulveriges. oder körniges Material erwähnen, welches fluidisiert werden
soll, so sind natürlich viele andere Materialien ebenso geeignet, um das Verfahren
dieser Erfindung .zu verwirklichen. Im allgemeinen sind kristalline Mineralien,
welche auf die erforderliche Korngröße zermahlen worden sind, für die meisten Verwendungszwecke
geeignet. Zum Beispiel ist gemahlenes kristallines Calziumfluorid (Floßspat) ein,
weicheres Material als Tonerde und läßt sich gut fluidisieren. Weiterhin bieten
gemahlene Kieselsäure oder Sand von geeigneter Korngröße eine andere Möglichkeit,
welche billiger als gemahlene Tonerde ist. In Verbindung hiermit wird in Anbetracht,der
Gefahr der Silikose vermerkt, daß die geeigneteste Teilchengröße, von der man jetzt
im allgemeinen annimmt, daß sie nicht mehr gefährlich für die Gesundheit der Arbeiter
ist, zwischen 30 und ioo Microns liegt.