EP0049339A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere Ölbad - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere Ölbad Download PDF

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EP0049339A1
EP0049339A1 EP81105886A EP81105886A EP0049339A1 EP 0049339 A1 EP0049339 A1 EP 0049339A1 EP 81105886 A EP81105886 A EP 81105886A EP 81105886 A EP81105886 A EP 81105886A EP 0049339 A1 EP0049339 A1 EP 0049339A1
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EP
European Patent Office
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bath
liquid
workpieces
nozzles
quenching
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Withdrawn
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EP81105886A
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Inventor
Joachim Dr.-Ing. Wünning
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/63—Quenching devices for bath quenching
    • C21D1/64—Quenching devices for bath quenching with circulating liquids

Definitions

  • the invention relates to a method for quenching steel workpieces in a liquid bath, in particular an oil bath, the liquid of which is strongly agitated to improve the cooling effect.
  • the invention relates to a device for performing this method, with a quenching container containing a liquid, in particular oil bath, devices for introducing the workpieces to be quenched, made of steel, and a device for generating a bath movement are assigned.
  • quenching liquid baths by means of which the immersed workpieces brought to a predetermined high temperature are cooled abruptly.
  • Water and mineral oils are preferably used as bath liquid.
  • the heat dissipation from the surface of the workpieces does not take place uniformly during cooling because the heat transport is influenced by evaporation processes on the surface of the workpieces.
  • the so-called vapor film phase forms a film of vaporized quenching liquid on the surface of the workpieces, which hinders the heat dissipation.
  • the object of the invention is therefore to point out a way that allows the quenching process to be optimized in a predictable manner, and without this being associated with an excessive use of energy or fear of impairment of the quality of the treated workpieces by warping or cracking.
  • the procedure according to the invention is such that at least in the phase of forming a steam film on the workpiece (steam film phase), by generating a correspondingly strong relative movement to the workpieces in the liquid bath, the heat dissipation from the workpieces with a heat flow density on the workpiece surface (quenching performance) of an average of at least 0.75 MW / m2 and that this high quenching power is maintained for a predetermined short period of time until the surface of the workpiece parts with the largest cross-section at least approximates the temperature of the stable bubble evaporation of the bath liquid and that the bath movement then on one lower value is slowed down.
  • the invention has recognized that a significant improvement in the quenching process can be achieved in that the bath movement is extremely graded at a precisely predetermined point in time. This combines the advantages of water hardening (high quenching performance) with those of oil hardening (mild cooling in the lower temperature range).
  • the liquid bath can be circulated to produce the slowed bath movement at a maximum flow rate of approximately 0.5 m / s, this circulation with moderate flow speed having the task of leading the respectively heated liquid away from the workpiece area.
  • a particularly economical implementation of the method is possible in such a way that the strong bath movement is caused by nozzle jets introduced into the liquid bath, which are generated with liquid removed from the bath and brought to a correspondingly high pressure.
  • an amount of liquid removed from the bath can be temporarily stored outside the bath and pressurized, whereupon this amount of liquid is then suddenly released and introduced into the bath in the form of the nozzle jets during the short period of time.
  • the quenching effect can be further increased by reversing the direction of the jet at least once during the short period of time.
  • the nozzle jets can also be directed onto the workpieces from at least two sides.
  • the above-mentioned circulation of the liquid bath with a moderate flow rate can expediently also be maintained during the duration of the jet streams.
  • the device mentioned at the outset can advantageously be used, which according to a further invention is characterized in that nozzles which are directed toward the workpieces are arranged in the bath container and are connected in a valve-controlled manner to a separate pressure-resistant storage container which can be filled with liquid from the bath are, which is in the filled state under gas pressure and from which the liquid can be expelled through the nozzles at high flow velocity for a predetermined short period of time.
  • the nozzles can be connected to the reservoir via reversing valves which make it possible to reverse the direction of the nozzle jets generated by the nozzles.
  • the storage container connected to a ventilation valve can be connected to a compressed gas source via a filling valve, the ventilation and the filling valve being controlled according to the program by a program switching mechanism. This allows a fully automatic, pre-programmed quenching process to be achieved.
  • the bath container can also contain a circulation device which allows the moderate bath movement to be achieved after the period of the strong bath movement.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is shown.
  • the figure shows a quenching device according to the invention in axial section in a side view and in a schematic representation.
  • a quench bath 2 consisting of mineral oil, which is kept in moderate motion by a circulation pump 4 driven by an electric motor 3.
  • the pump wheel 5 of the circulating pump 4 which is connected to the electric motor 3 via a shaft 6, rotates in a pipe socket 8 which is arranged in the bath tank 1 and contains a diffuser 7 and which is closed off by a perforated plate 9.
  • Batch frames 10 are placed on the perforated plate 9 and carry the steel workpieces 11 to be hardened, for example ball bearing rings.
  • a chamber 13 is divided laterally by an overflow wall 12, which is connected via a pump 14 and a filling line 17 containing a filling valve 16 to a pressure-resistant storage container 18 which is outside the bath container 1 located.
  • the pressure vessel 18 is connected at the top via a valve 19 to a compressed gas source indicated at 20 and is connected to a vent valve 21. Compressed air or nitrogen can be used as the compressed gas, for example.
  • nozzle fields 22, 23 are arranged in the bath container 1, immersed in the liquid bath 2, which are simply used as additional devices in the bath container 1 provided with the circulating device described.
  • Each of the nozzle frames 22, 23 has a number of nozzles 24, which are connected to a feed line 25 or 26 via a manifold (not shown).
  • the feed lines 25, 26 each contain a shut-off valve 27 or 28 and are connected to the filling line 17 via a line 29.
  • valves 16, 19, 21, 27 and 28 are designed as electrovalves, which are controlled by a programmer 30 in accordance with a predetermined time schedule.
  • the workpieces 11 brought to the appropriate temperature in an annealing furnace are placed on their batch racks 10 with the circulating pump 4 running in the manner shown in the figure in the liquid bath and placed submerged on the perforated plate 9 while the valve 19 is already open, so that the amount of liquid contained in the reservoir 18 is pressurized from the pressurized gas source 20.
  • the two valves 27, 28 are opened so that the amount of liquid contained in the reservoir 18 is conveyed by the pressure gas cushion that is loaded on it, suddenly flows out through the nozzles 24 at high speed and thereby jet nozzles directed toward the workpieces 11 in the Liquid bath forms.
  • These nozzle jets cause a secondary flow in the liquid bath 2, which can be more than ten times the amount of jets if appropriately designed.
  • a total of 0.5 m / s quenching liquid must flow through the nozzle racks, for which 0.05 m 3 / s quench liquid must flow out of the nozzles 24 of a nozzle frame 22 or 23 at a flow rate of about 30 m / s.
  • the liquid is expelled from the nozzles 24 by the energy stored in the pressure cushion in the reservoir 18 and thus with a relatively low expenditure of energy.
  • a storage container 18 with one is sufficient Capacity of 0.5 m 3 . If - to give a comparison - the same liquid flow is pressed through the nozzles 24 by means of a pump, a pump drive motor with a connected load of approx. 50 kW would be required!
  • the heat flow density on the workpiece surface ie the quenching power Q, is approximately 1.5 MW / m 2.
  • t max only valid for the duration of the strong agitation; ie. after 7 s, the described nozzle cooling is switched off suddenly, which is done by correspondingly shutting off the valves 27, 28.
  • the workpieces 11 are then completely cooled under the moderate bath movement caused by the circulating pump 4 at a flow rate of less than 0.5 m / s until they can be removed from the liquid bath 2.
  • the amount of liquid introduced through the nozzles 24 into the liquid bath 2 runs via the overflow wall 12 into the chamber 13, from where it is pumped back into the reservoir 18 by means of the pump 14, so that the system is ready for a new work cycle, which in the already described way expires.
  • the nozzles 24 of the two nozzle racks 22, 23 can be used during the steam film phase, by means of the Nozzle jets are caused, precisely measured period of time of the strong bath movement are applied together with liquid.
  • the nozzle stream can also be alternately switched from one side to the other of the batch racks 10 in a short cycle sequence of, for example, 1 s by means of the valves 27, 28.
  • the nozzle racks 22, 23 with the storage container 18 and the associated lines and valves form a relatively simple additional device which can be inserted into existing quench bath container 1 which contains a circulation pump 4.
  • a safety fitting in the line 17 (not shown further) is assigned to the storage container 18 and prevents gas from penetrating into the nozzle system 24.
  • the method described which works in the steam film phase with the extremely strong but time-limited bath movement described, is generally used in oil baths. In special cases, however, it can also be used for water baths, namely when steam film formation on the surface of the workpieces is to be avoided without special additives.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere Ölbad, dessen Flüssigkeit zur Verbesserung der Kühlwirkung stark bewegt wird, wird zumindest in der Phase der Ausbildung eines Dampffilmes auf dem Werkstück (Dampffilmphase) eine so starke Relativbewegung zu den Werkstücken in dem Flüssigkeitsbad erzeugt, daß die Wärmeabfuhr von den Werkstücken mit einer Wärmestromdichte an der Werkstückobenfläche (Abschreckleistung) von im Mittel wenigstens 0,75 MW/m² erfolgt, wobei diese hohe Abschreckleistung während einer vorbestimmten kurzen Zeitspanne aufrechterhalten wird, bis die Oberfläche der Werkstückteile mit dem größten Querschnitt die Temperatur der stabilen Blasenverdampfung erreicht, worauf die Badbewegung sodann auf einen niedrigeren Wert verlangsamt wird. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung mit einem ein Flüssigkeits-, insbesondere Ölbad enthaltenden Badbehälter verwendet, dem Einrichtungen zum Einbringen der abzuschreckenden, aus Stahl bestehenden Werkstücke und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Badbewegung zugeordnet sind. In dem Badbehälter (1) sind auf die Werkstücke zu gerichtete, in dem Bad untergetauchte Düsen (24) angeordnet, die ventilgesteuert mit einem mit Flüssigkeit aus dem Bad (2) befüllbaren, eigenen druckfesten Vorratsbehälter (18) verbunden sind, der in gefülltem Zustand unter Gasdruck steht, und aus dem die Flüssigkeit während einer vorbestimmten kurzen Zeitspanne (t) über die Düsen (24) mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere Ölbad, dessen Flüssigkeit zur Verbesserung der Kühlwirkung stark bewegt wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einem ein Flüssigkeits-, insbesondere ölbad enthaltenden Abschreckbehälter, dem Einrichtungen zum Einbringen der abzuschreckenden, aus Stahl bestehenden Werkstücke und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Badbewegung zugeordnet sind.
  • Zum Abschrecken von.metailischen Werkstücken und insbesondere zum Härten von Stahlteilen ist es bekannt, Abschreckflüssigkeitsbäder zu verwenden, durch die eine schroffe Abkühlung der eingetauchten, auf eine vorbestimmte hohe Temperatur gebrachten Werkstücke erfolgt. Als Badflüssigkeit werden vorzugsweise Wasser und Mineralöle verwendet. Die Wärmeabfuhr von der Oberfläche der Werkstücke erfolgt während der Abkühlung nicht gleichmäßig, weil der Wärmetransport durch Verdampfungsvorgänge auf der Oberfläche der Werkstücke beeinflußt wird. Es ist bekannt, daß sich in der ersten Abschreckphase, der sogenannten Dampffilmphase, auf der Oberfläche der Werkstücke ein Film verdampfter Abschreckflüssigkeit bildet, der die Wärmeabfuhr behindert.
  • Um den Wärmeübergang von den Werkstücken auf die Badflüssigkeit während dieser Dampffilmphase zu verbessern, wird in der Praxis die Badflüssigkeit relativ zu den Werkstücken bewegt. Dabei ist es üblich, in dem Abschreckungsflüssigkeitsbad eine Strömungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von bis zu 1 m/sec aufrechtzuerhalten. Versuche im Labormaßstab, wie sie beispielsweise in "Metals Handbook, 8th Edition, Vol. 2 der American Society for Metals", Seite 27,erwähnt sind, haben gezeigt, daß durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit die Abschreckwirkung in der Dampffilmphase wesentlich erhöht werden kann. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2m/s läßt sich mit öl die Abschreckwirkung von Wasser erreichen. Derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten werden in der Praxis deshalb nicht angewendet, weil der Leistungsbedarf für die Umwälzpumpen mit der dritten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit steigt, was bedeutet, daß z.B. eine Verdoppelung der Strömungsgeschwindigkeit eine Steigerung des Leistungsbedarfes der Umwälzpumpen auf das Achtfache erforderlich machen würde. Außerdem gibt keine klare Anweisung für die daraus notwendig werdende Abstufung der Strömungsgeschwindigkeit, um Verzug und Rißbildung bei den Werkstücken zu vermeiden, die insbesondere durch zu schnelle Abkühlung im unteren Temperaturbereich hervorgerufen werden können. Es wird deshalb bis heute bei verzugsempfindlichen Werkstücken durchweg mit mäßiger Badbewegung nach Erfahrungsgrundsätzen gearbeitet, die sich bei den einzelnen Herstellungsbetrieben im Laufe der Jahre als zweckmäßig herausgestellt haben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Weg zu weisen, der es gestattet, den Abschreckvorgang in vorhersagbarer Weise zu optimieren, und zwar ohne daß damit ein übermäßig hoher Energieeinsatz verbunden oder eine Beeinträchtigung der Qualität der behandelten Werkstücke durch Verzug oder Rißbildung zu befürchten wäre.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß derart vorgegangen, daß zumindest in der Phase der Ausbildung eines Dampffilmes auf dem Werkstück (Dampffilmphase) durch Erzeugung einer entsprechend starken Relativbewegung zu den Werkstücken in dem Flüssigkeitsbad die Wärmeabfuhr von den Werkstücken mit einer Wärmestromdichte an der Werkstückoberfläche (Abschreckleistung) von im Mittel wenigstens 0,75 MW/m2 erfolgt und daß diese hohe Abschreckleistung während einer vorbestimmten kurzen Zeitspanne aufrechterhalten wird, bis die Oberfläche der Werkstücksteile mit dem größten Querschnitt zumindest angenähert die Temperatur der stabilen Blasenverdampfung der Badflüssigkeit erreicht und daß die Badbewegung sodann auf einen niedrigeren Wert verlangsamt wird.
  • Die Erfindung hat erkannt, daß sich eine wesentliche Verbesserung des Abschreckprozesses dadurch erzielen läßt, daß eine extreme Abstufung der Badbewegung zu einem genau vorbestimmten Zeitpunkt erfolgt. Damit ,wurden die Vorteile der Wasserhärtung (hohe Abschreckleistung) mit jenen der ölhärtung (milde Abkühlung im unteren Temperaturbereich) miteinander kombiniert.
  • Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Zeitspanne t während der die starke Badbewegung erfolgt, nach der Formel
    Figure imgb0001
     bis zu einem Maximalwert von tmax = 10 (Δδ)2/Q2 bemessen wird, wobei tmax unabhängig von V/A für alle Größenwerte von V/A gilt.
    • (t in Sekunden,
    • Q in MW/m2,
    • Δψ in K: Differenz zwischen der Härtetemperatur und der Temperatur der Werkstücke, bei der die stabile Blasenverdampfung einsetzt,.
    • V in m3: Volumen der Werkstücke
  • A in m2: Oberfläche der Werkstücke) Nach dieser Zeit t hat, wie festgestellt wurde, die Werkstückoberfläche die Temperatur der stabilen Blasenverdampfung erreicht, in der auch bei mäßiger Badbewegung ein ausreichend hoher Wärmeübergang gewährleistet ist. Dadurch, daß die extrem starke Badbewegung lediglich während einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne aufrechterhalten wird, ist auch der Energieeinsatz zur Erzeugung dieser Badbewegung begrenzt, mit dem Ergebnis, daß sich das Verfahren durch hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet.
  • Für kleinere Werte von V/A gilt die Formel für t; nach Erreichen von tmax ist die Zeit (tmax) unabhängig von V/A.
  • Nach Ablauf der Zeitspanne der starken Badbewegung kann das Flüssigkeitsbad zur Erzeugung der verlangsamten Badbewegung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von maximal ca. O,5 m/s umgewälzt werden, wobei diese Umwälzung mit mäßiger Strömungsgeschwindigkeit die Aufgabe hat, die jeweils erwärmte Flüssigkeit aus dem Werkstückbereich wegzuführen.
  • Eine besonders wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens ist in der Weise möglich, daß die starke Badbewegung durch in das Flüssigkeitsbad eingeleitete Düsenstrahlen hervorgerufen wird, die mit aus dem Bad entnommener und auf einen entsprechenden hohen Druck gebrachter Flüssigkeit erzeugt werden. Dazu kann eine aus dem Bad entnommene Flüssigkeitsmenge vorübergehend außerhalb des Bades gespeichert und unter Druck gesetzt werden, worauf diese Flüssigkeitsmenge sodann schlagartig freigegeben und während der kurzen Zeitspanne in Gestalt der Düsenstrahlen in das Bad eingeführt wird. Die Abschreckwirkung kann noch dadurch erhöht werden, daß die Richtung der Düsenstrahlen während der kurzen Zeitspanne wenigstens einmal umgekehrt wird. Auch können die Düsenstrahlen von wenigstens zwei Seiten aus auf die Werkstücke gerichtet werden. Die erwähnte Umwälzung des Flüssigkeitsbades mit mäßiger Strömungsgeschwindigkeit kann zweckmäßigerweise auch während der Dauer der Düsenstrahlen zusätzlich aufrechterhalten bleiben.
  • Zur Durchführung des Verfahrens kann mit Vorteil die eingangs genannte Vorrichtung Verwendung finden, die gemäß weiterer Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Badbehälter auf die Werkstücke zu gerichtete Düsen angeordnet sind, die ventilgesteuert mit einem mit Flüssigkeit aus dem Bad befüllbaren, eigenen druckfesten Vorratsbehälter verbunden sind, der in gefülltem Zustand unter Gasdruck steht und aus dem die Flüssigkeit während einer vorbestimmten kurzen Zeitspanne über die Düsen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austreibbar ist.
  • Die Düsen können über Umsteuerventile mit dem Vorratsbehälter verbunden sein, die es gestatten, die Richtung der von den Düsen erzeugten Düsenstrahlen umzukehren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann der an ein Entlüftungsventil angeschlossene Vorratsbehälter über ein Füllventil mit einer Druckgasquelle verbunden sein, wobei das Entlüftungs- sowie das Füllventil durch ein Programmschaltwerk programmgemäß angesteuert sind. Damit läßt sich ein vollautomatischer, vorprogrammierter Ablauf des Abschreckvorganges erzielen.
  • Der Badbehälter kann im übrigen zusätzlich zu den Düsen noch eine Umwälzeinrichtung enthalten, die es gestattet, anschließend an die Periode der starken Badbewegung die mäßige-Badbewegung zu erzielen.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur zeigt eine Abschreckvorrichtung gemäß der Erfindung im axialen Schnitt in einer Seitenansicht und in schematischer Darstellung.
  • In dem bei 1 veranschaulichten Badbehälter befindet sich ein aus Mineralöl bestehendes Abschreckbad 2, das durch eine durch einen Elektromotor 3 angetriebene Umwälzpumpe 4 in mäßiger Bewegung gehalten wird. Das Pumpenrad 5 der Umwälzpumpe 4, das über eine Welle 6 mit dem Elektromotor 3 verbunden ist, läuft in einem in dem Badbehälter 1 angeordneten, einen Leitapparat 7 enthaltenden Rohrstutzen 8 um, der durch eine Lochplatte 9 abgeschlossen ist. Auf die Lochplatte 9 sind Chargengestelle 10 aufgesetzt, die die zu härtenden, aus Stahl bestehenden Werkstücke 11, beispielsweise Kugellagerringe, tragen.
  • In dem Abschreckbehälter 1 ist seitlich durch eine Uberlaufwand 12 eine Kammer 13 abgeteilt, die über eine Pumpe 14 und eine ein Füllventil 16 enthaltende Füllleitung 17 an einen druckfesten Vorratsbehälter 18 angeschlossen ist, der außerhalb des Badbehälters 1 sich befindet. Der Druckbehälter 18 ist oben über ein Ventil 19 mit einer bei 20 angedeuteten Druckgasquelle verbunden und steht mit einem Entlüftungsventil 21 in Verbindung. Als Druckgas kommt beispielsweise Druckluft oder Stickstoff in Frage.
  • Beidseitig der Chargengestelle 10 sind in dem Badbehältter 1, in dem Flüssigkeitsbad 2 untergetaucht, zwei Düsenfelder 22, 23 angeordnet, die als Zusatzgeräte einfach in den mit der beschriebenen Umwälzvorrichtung versehenen Badbehälter 1 eingesetzt sind. Jedes der Düsengestelle 22, 23 weist eine Anzahl Düsen 24 auf, die über eine nicht weiter dargestellte Sammelleitung mit einer Zuleitung 25 bzw. 26 verbunden sind. Die Zuleitungen 25, 26 enthalten jeweils ein Absperrventil 27 bzw. 28 und sind über eine Leitung 29 mit der Füllleitung 17 verbunden.
  • Die Ventile 16, 19, 21,27 und 28 sind als Elektroventile ausgebildet, die von einem Programmgeber 30 entsprechend einem vorgegebenen zeitlichen Programmablauf angesteuert sind.
  • Die Umwälzpumpe 4 ist derart ausgelegt, daß sie in dem Flüssigkeitsbad 2 eine Strömungsgeschwindigkeit von maximal 0,5 m/s relativ zu den Werkstücken 11 aufrechterhält. Der eigentliche Abschreckvorgang läuft wie folgt ab:
    • Vor dem Einbringen der Chargengestelle 10 in das Flüssigkeitsbad 2 wird - jeweils selbsttätig von dem Programmgeber 30 gesteuert - bei geschlossenen Ventilen 27, 28,19 von der Pumpe 14 Flüssigkeit aus der Kammer 13 in den Vorratsbehälter 18 eingepumpt. Das Entlüftungsventil 21 ist geöffnet, so daß nur eine verhältnismäßig geringe Pumpenleistung erforderlich ist. Nachdem die Befüllung des Vorratsbehälters 18 mit der jeweils erforderlichen Flüssigkeitsmenge beendet ist, schließen die Ventile 16, 21, während die Pumpe 14 abgeschaltet wird.
  • Nunmehr werden die in einem Glühofen auf die entsprechende Temperatur gebrachten Werkstücke 11 auf ihren Chargengestellen 10 bei laufender Umwälzpumpe 4 in der in der Figur dargestellten Weise in das Flüssigkeitsbad eingebracht und untergetaucht auf die Lochplatte 9 aufgesetzt, während das Ventil 19 schon geöffnet ist, so daß die in dem Vorratsbehälter 18 enthaltene Flüssigkeitsmenge von der Druckgasquelle 20 aus unter Druck gesetzt ist. Beim Absenken der Charge werden die beiden Ventile 27, 28 geöffnet, so daß die in dem Vorratsbehälter 18 enthaltene Flüssigkeitsmenge von dem auf ihr lastenden Druckgaspolster gefördert, schlagartig durch die Düsen 24 mit hoher Geschwindigkeit ausströmt und dabei auf die Werkstücke 11 zu gerichtete Düsenstrahlen in dem Flüssigkeitsbad bildet. Diese Düsenstrahlen verursachen in dem Flüssigkeitsbad 2 eine Sekundärströmung, die bei entsprechender Auslegung mehr als das Zehnfache der Strahlmenge betragen kann.
  • Bei einem Querschnitt der Düsengestelle 22, 23 von 0,5 x 0,5 = 0,25m2 und einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Flüssigkeitsbad von 2 m/s müssen insgesamt O,5 m/s Abschreckflüssigkeit durch die Düsengestelle strömen, wofür 0,05 m3/s Abschreckflüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 30 m/s aus den Düsen 24 eines Düsengestelles 22 bzw. 23 austreten müssen. Der Austrieb der Flüssigkeit aus den Düsen 24 geschieht durch die in dem Druckpolster in dem Vorratsbehälter 18 gespeicherte Energie und damit mit einem verhältnismäßig geringen Energieaufwand. Bei den angegebenen Zahlenwerten genügt ein Vorratsbehälter 18 mit einem Fassungsvermögen von 0,5 m3. Sollte - um einen Vergleich zu geben - der gleiche Flüssigkeitsstrom mittels einer Pumpe durch die Düsen 24 gepresst werden, so wäre dazu ein Pumpenantriebsmotor mit einem Anschlußwert von ca. 50 kW erforderlich!
  • Bei einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Flüssigkeitsbad von 2 m/s liegt die Wärmestromdichte an der Werkstückoberfläche, d.h. die Abschreckleistung Q, bei ca. 1,5 MW/m2. Bei Teilen mit V/A = 0,02 m (Wellen mit 80 mm Durchmesser, V = Volumen in m3, A = Oberfläche in m2) und Δψ = 400 K ist
    Figure imgb0002
    =29 s.
  • Andererseits ist tmax = 10-4
    Figure imgb0003
    = 7 s. Da somit
  • t > tmax ist, lediglich tmax für die Dauer der starken Badbewegung gültig; dh. nach 7 s wird die beschriebene Düsenkühlung schlagartig abgeschaltet, was durch entsprechendes Absperren der Ventile 27, 28 geschieht.
  • Anschließend werden die Werkstücke 11 unter der von der Umwälzpumpe 4 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von weniger als 0,5 m/s bewirkten mäßigen Badbewegung vollständig ausgekühlt, bis sie aus dem Flüssigkeitsbad 2 entnommen werden können.
  • Die durch die Düsen 24 in das Flüssigkeitsbad 2 eingeführte Flüssigkeitsmenge läuft über die Uberlaufwand 12 in die Kammer 13, von wo aus sie mittels der Pumpe 14 wiederum in den Vorratsbehälter 18 zurückgepumpt wird, so daß die Anlage für ein neues Arbeitsspiel bereitsteht, das in der bereits beschriebenen Weise abläuft.
  • Die Düsen 24 der beiden Düsengestelle 22, 23 können während der in der Dampffilmphase erfolgenden, mittels der Düsenstrahlen hervorgerufen, genau bemessenen Zeitspanne der starken Badbewegung gemeinsam mit Flüssigkeit beaufschlagt werden. Um die hohe Abschreckleistung symmetrisch aufzubringen, kann der Düsenstrom aber auch in kurzer Taktfolge von z.B. 1 s mittels der Ventile 27,28 abwechselnd von der einen auf die andere Seite der Chargengestelle 10 umgeschaltet werden.
  • Die Düsengestelle 22, 23 mit dem Vorratsbehälter 18 und den zugeordneten Leitungen sowie Ventilen bilden eine verhältnismäßig einfache Zusatzeinrichtung, die in vorhandene, eine Umwälzpumpe 4 enthaltene Abschreckbadbehälter 1 eingesetzt werden kann. Dem Vorratsbehälter 18 ist eine Sicherheitsarmatur in der Leitung 17 (nicht weiter dargestellt) zugeordnet, die ein Eindringen von Gas in das Düsensystem 24 verhütet. Das beschriebene Verfahren, das in der Dampffilmphase mit der erläuterten, extrem starken dafür aber zeitlich scharf begrenzten Badbewegung arbeitet, findet in der Regel bei ölbädern Verwendung. In Sonderfällen kommt es aber auch für Wasserbäder in Frage, und zwar dann, wenn ohne besondere Zusätze die Dampffilmbildung auf der Oberfläche der Werkstücke vermieden werden soll.

Claims (12)

1. Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken aus Stahl in einem Flüssigkeitsbad, insbesondere Ölbad, dessen Flüssigkeit zur Verbesserung der Kühlwirkung stark bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in der Phase der Ausbildung eines Dampffilmes auf dem Werkstück (Dampffilmphase) durch Erzeugung einer ensprechend starken Relativbewegung zu den Werkstücken in dem Flüssigkeitsbad die Wärmeabfuhr von den Werkstücken mit einer Wärmestromdichte an der Werkstückoberfläche (Abschreckleistung) von im Mittel wenigstens 0,75 MW/m2 erfolgt und daß diese hohe Abschreckleistung während einer vorbestimmten kurzen Zeitspanne aufrechterhalten wird, bis die Oberfläche der Werkstücksteile mit dem größten Querschnitt die Temperatur der stabilen Blasenverdampfung erreicht und daß die Badbewegung sodann auf einen niedrigeren Wert verlangsamt wird.
2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne (t), während der die starke Badbewegung erfolgt, nach der Formel
Figure imgb0004
bis zu einem Maximalwert von tmax = 10-4 (Δ
Figure imgb0005
)22/Q2 bemessen wird, wobei tmax unabhängig von V/A für alle Größenwerte von V/A gilt.
(t in Sekunden,
Q in MW/m2
Δγ in K: Differenz zwischen der Härtetemperatur und der Temperatur der Werkstücke, bei der die stabile Blasenverdampfung einsetzt,
V in m3: Volumen der Werkstücke
A in m2: Oberfläche der Werkstücke)
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsbad zur Erzeugung der verlangsamten Badbewegung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von maximal ca. 0,5 m/s umgewälzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die starke Badbewegung durch in das Flüssigkeitsbad eingeleitete Düsenstrahlen hervorgerufen wird, die mit aus dem Bad entnommener und auf einen entsprechend hohen Druck gebrachter Flüssigkeit erzeugt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß eine aus dem Flüssigkeitsbad entnommene Flüssigkeitsmenge vorübergehend außerhalb des Flüssigkeitsbades gespeichert und unter Druck gesetzt wird und dies Flüssigkeitsmenge sodann schlagartig freigegeben und während der kurzen Zeitspanne in Gestalt der Düsenstrahlen in das Flüssigkeitsbad eingeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4,oder 5, dadurch gekenn-zeichnet, daß die Richtung der Düsenstrahlen während der kurzen Zeitspanne wenigstens einmal umgekehrt wird.
7. Vefahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenstrahlen von wenigstens zwei Seiten aus auf die Werkstücke gerichtet werden.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzung des Flüssigkeitsbades auch während der Dauer der Düsenstrahlen zusätzlich aufrechterhalten bleibt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ein Flüssigkeits-, insbesondere ölbad enthaltenden Badebehälter, dem Einrichtungen zum Einbringen der abzuschreckenden, aus Stahl bestehenden Werkstücke und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Badbewegung zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Badbehälter (1) auf die Werkstücke (11) zu gerichtete, in dem Bad untergetauchte Düsen (24) angeordnet sind, die ventilgesteuert mit einem mit Flüssigkeit aus dem Bad (2) befüllbaren, eigenen durckfesten Vorratsbehälter (18) verbunden sind, der im gefüllten Zustand unter Gasdruck steht und aus dem die Flüssigkeit während einer vorbestimmten kurzen Zeitspanne (t) über die Düsen (24) mit hoher Strömungsgeschwindigkeit austreibbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (24) über.Steuerventile (27, 28) mit dem Vorratsbehälter (18) verbunden sind.
11.. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der an ein Entlüftungsventil (21) angeschlossene Vorratsbehälter (18) über ein Füllventil (19) mit einer Druckgasquelle (20) verbunden ist und wenigstens das Entlüftungs- sowie das Füllventil durch ein Programmschaltwerk (30) programmgemäß angesteuert sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Badbehälter (1) zusätzlich eine Umwälzeinrichtung (4) enthält.
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