EP0538575B1 - Verfahren zum Abkühlen einer Werkstückcharge innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses - Google Patents

Verfahren zum Abkühlen einer Werkstückcharge innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses Download PDF

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EP0538575B1
EP0538575B1 EP92113958A EP92113958A EP0538575B1 EP 0538575 B1 EP0538575 B1 EP 0538575B1 EP 92113958 A EP92113958 A EP 92113958A EP 92113958 A EP92113958 A EP 92113958A EP 0538575 B1 EP0538575 B1 EP 0538575B1
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cooling
measuring probe
workpiece
measuring
heat treatment
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Bernd Dr. Edenhofer
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Ipsen International GmbH
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Ipsen International GmbH
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    • 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
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/767—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material with forced gas circulation; Reheating thereof
    • 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
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C21D11/005—Process control or regulation for heat treatments for cooling
    • 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
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a workpiece batch within a heat treatment process by means of gas cooling, in which the parameters determining the cooling process, such as cooling gas speed and cooling gas pressure, are set as a function of temperatures determined during the cooling process and the cooling process is controlled in this way.
  • the invention has for its object to control the cooling of the workpiece batch so that the desired heat treatment result is achieved at a given workpiece cross-section without taking temperature measurements at this or another point on the workpiece.
  • the temperature profile over the cross section of at least one measuring probe of defined geometry and defined material arranged in the batch space is continuously recorded and by means of a computer based on these temperature profiles to the measuring probe via the Determination of the heat flow density and the heat transfer at the probe, the temporal temperature profile in the workpiece, ie in the cross-section of the workpiece of interest, is calculated and that the computer uses a comparison device to carry out a continuous comparison between the actual temperature profile thus calculated and a predetermined target temperature profile and controls the parameters determining the cooling process depending on the result of this comparison.
  • sensors e.g. thermocouples
  • the basis of this process is the control of the cooling process on the basis of temperature profiles, which are recorded by means of a measuring probe of defined geometry and defined material.
  • a measuring probe for the case of quench hardening in a water or oil bath is described in a contribution by Liscic and Filetin in the journal "Härterei-Technische-Mitteilungen 41 (1986)", booklet 4, pages 208ff.
  • This measuring probe makes it possible at any time during the heat treatment To determine the temperature of the probe at one or more points of its cross section.
  • the temperature profile in the measuring probe and the heat flow density and the heat transfer coefficient on the surface of the measuring probe are measured at all times during cooling calculated.
  • the surface temperature and the temperature profile in the workpiece cross-section of interest in each case are then determined for the given geometry of the workpiece for each point in time.
  • the calculated actual temperature profile in the workpiece obtained in this way is compared with a predetermined target temperature profile in the workpiece, which is determined for the respective geometry of the workpiece cross section, for example from the corresponding ZTU diagram of the material in question, and which gives an optimal result of the heat treatment, in particular a optimal hardness result, can be expected.
  • the parameters determining the cooling process are then controlled, i.e. the speed of the cooling gas directed onto the workpiece batch and / or the gas pressure of the cooling gas.
  • the cooling process can also be controlled via a corresponding selection of the cooling gas introduced into the batch space, for which purpose nitrogen, helium, argon or hydrogen are preferably considered.
  • the parameters determining the cooling process are then carried out in such a way that the actual temperature profile calculated for the cross-section of the workpiece under consideration at all times largely corresponds to the target temperature profile obtained from the ZTU diagram.
  • the desired heat treatment result is achieved at the predetermined cross section of the workpiece, without temperature measurements being necessary at this or at another point on the workpiece.
  • the temperatures are preferably recorded at different points in the cross section of the measuring probe, of which at least two measuring points are located within the measuring probe.
  • a total of three measuring points are arranged within the measuring probe, these measuring points being at different distances from the surface of the measuring probe.
  • Particularly meaningful temperature values can be obtained if at least one measuring point is located close to the surface within the measuring probe.
  • the gas temperature in the batch space is also required to calculate the actual temperature profile, it is proposed with an advantageous embodiment of the method to detect the gas temperature near the surface of the measuring probe. Alternatively, a mathematical calculation of the gas temperature is also possible.
  • the shape of the measuring probe is modeled on the points of the workpiece that are decisive for the success of the heat treatment process.
  • This further development of the method can be used with particular advantage in the case of large workpiece series, in which case the actual temperature profiles calculated for the workpiece reproduce the actual temperature profile particularly precisely, so that the cooling process can be controlled particularly precisely.
  • the computer calculates the target temperature profile from the ZTU diagram of the material of the workpiece. It is therefore it is not necessary to save workpiece-specific cooling curves in the computer. Rather, the computer only needs a file of the relevant ZTU diagrams and automatically calculates the target temperature profile in the workpiece at the relevant location if the required hardness is known.
  • FIG. 1 the batch space 1 of a vacuum furnace for the heat treatment of metallic workpieces is shown in broken lines.
  • the vacuum furnace is prepared to carry out a complete heat treatment process, so in addition to a heating system, it has a blower-assisted cooling system in which a cooling gas, for example nitrogen, helium, argon or hydrogen, is introduced into batch space 1 and in this way allows the workpiece to cool down quickly or the batch of workpieces.
  • the cooling process is controlled by a control device 2, which controls both the speed v gas and the gas pressure p gas .
  • the cooling speed and thus the hardness that can be achieved on the workpiece within the heat treatment process can thus be influenced by the control device 2.
  • a measuring probe 4 next to a workpiece 3, which is provided with a total of four measuring points for temperature measurement. Measuring points arranged within the measuring probe 4 result in temperature values T 1, T 2 and T 3, while a further measuring point arranged near the surface of the measuring probe 4 detects the temperature T o in the batch space 1 near the surface of the measuring probe 4.
  • the structure of the measuring probe 4 is shown in FIG. 2.
  • the measuring probe 4 consists of a solid metal cylinder into which a total of three bores 5 running parallel to the longitudinal axis of the cylinder are incorporated to accommodate sensors.
  • the holes 5 extend to different extents to the surface 6 of the measuring probe 4.
  • a first measuring point 7a is formed by a thermocouple, which is located at the blind hole-like end of the shortest of the three holes 5. This measuring point 7a therefore detects the temperature in the core of the measuring probe 4.
  • the second measuring point 7b is located at a distance of approximately 4 mm from the surface 6 of the measuring probe 4, while the third measuring point 7c is installed just below the surface 6 of the measuring probe 4. The distance to the surface 6 is only about 1.5 mm.
  • thermocouples In order to avoid the influence of heat on the sensors designed as thermocouples through the holes 5, the holes 5 are closed after the thermocouples have been inserted.
  • Current conductors, not shown, of the thermocouples lead out of the measuring probe 4 and are connected to a measured value acquisition of a computer controlling the cooling process.
  • Fig. 1 it is shown that the temperatures T1, T2 and T3 determined at the three measuring points of the measuring probe and the temperature T o determined just above the surface of the measuring probe 4 together with the geometry and the material used of the measuring probe 4 one in the computer performed calculation step are in which the temperature profile T s , the heat flow density on the surface and the heat transfer coefficient of the heat transferred between the surface and the cooling gas are determined at any time during the cooling for the measuring probe 4. This calculation is carried out using the known equations of convective heat transfer and heat conduction.
  • This data and the data relating to the geometry and the material of the workpiece 3 are used by the computer in a further computing step in order to calculate the temperature inside and on the surface of a predetermined cross section of the workpiece 3 for the respective point in time. It is assumed that the heat transfer conditions on the measuring probe 4 and workpiece 3 are largely the same. On the basis of this assumption, it is concluded from the temporal temperature profiles determined on the measuring probe 4 that the temperature profiles in the workpiece 3 are corresponding, but additionally influenced by the geometry and the material of the workpiece 3. For this purpose, the known heat conduction equations in three-dimensional form for the respective point in time as well as the specified workpiece geometry are solved in a subroutine of the computer.
  • the actual temperature curve T w determined in this way is in good agreement with the actual temperature curve in the workpiece 3 if the cooling conditions, ie the temperature and the speed of the cooling gas, on the measuring probe 4 and the workpiece 3 are the same. In practice, this is met with sufficient accuracy if the measuring probe 4 is arranged near the workpiece 3 in the batch space 1.
  • the Desired temperature curve T w is to be calculated in a subroutine from the ZTU diagram of workpiece 3 applicable to the respective material.
  • the ZTU diagram is used to calculate the target curve that just results in the desired hardness of the material.
  • the computer In order to bring the actual temperature profile T w, as close as possible to the target temperature profile T w, target, the computer then carries out a comparison step 8, with the control device 2 depending on the result of this comparison determining the parameters v Gas , p gas in the sense of the best possible approximation to the desired temperature profile T w, should control.
  • the entire cooling process is therefore fully automated and computer-controlled. Only as much cooling gas and environmental energy is used to distribute the cooling gas as is necessary.
  • the heat treatment process makes it possible to achieve the desired hardness at any desired point on the workpiece.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen einer Werkstückcharge innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses mittels Gaskühlung, bei dem die den Abkühlprozeß bestimmenden Parameter wie etwa Kühlgasgeschwindigkeit und Kühlgasdruck in Abhängigkeit von während des Abkühlprozesses ermittelten Temperaturen eingestellt und auf diese Weise der Abkühlprozeß gesteuert wird.
  • Werkstückchargen in Öfen zur Wärmebehandlung oder in separaten Gaskühlvorrichtungen werden bisher in der Weise unter einem Schutzgas bei Normaldruck oder Überdruck abgekühlt oder abgeschreckt, daß entweder mit einem konstanten, vorher abzuschätzenden Gasdruck des Kühlgases und einer vorgegebenen Geschwindigkeit des Kühlgases gekühlt wird. Die Abkühlung erfolgt in einer Stufe oder mehreren Stufen, wobei der Temperaturgradient des Ofens oder der eines Analogstückes vorgegeben wird und als Sollgröße für die Steuerung des Abkühlprozesses dient. Zur Erfassung des Istwertes der Temperatur lassen sich grundsätzlich auch Meßfühler unmittelbar im oder am Werkstück anbringen. Dies ist allerdings in der Praxis häufig nicht durchführbar. Da auch vergleichbare Analogstücke identischer Geometrie und aus identischem Werkstoff vielfach nicht vorliegen, bzw. sich bei großen Werkstücken nicht im Ofenraum unterbringen lassen, bleibt in solchen Fällen zur Regelung des Prozesses nur die Vorgabe eines Temperaturgradienten im Ofen. Dieser Temperaturgradient steht jedoch in keinem Zusammenhang mit dem erforderlichen Temperaturgradienten an einem beliebigen Werkstückquerschnitt des zu härtenden Werkstückes, um dort die geforderte Härte zu erreichen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Abkühlen der Werkstückcharge so zu steuern, daß an einem vorgegebenen Werkstückquerschnitt das gewünschte Wärmebehandlungsergebnis erreicht wird, ohne an dieser oder einer anderen Stelle des Werkstücks Temperaturmessungen vorzunehmen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabenstellung wird vorgeschlagen, daß während des Abkühlprozesses mit Hilfe mehrerer Meßfühler, z.B. Thermoelemente, kontinuierlich der Temperaturverlauf über den Querschnitt mindestens einer im Chargenraum angeordneten Meßsonde definierter Geometrie und definierten Werkstoffs erfaßt wird und mittels eines Rechners aufgrund dieser Temperaturverläufe zu der Meßsonde über die Bestimmung der Wärmestromdichte und des Wärmeübergangs an der Meßsonde der zeitliche Temperaturverlauf im Werkstück, d.h. in dem interessierenden Quer schnitt des Werkstückes, errechnet wird und daß der Rechner mittels einer Vergleichseinrichtung einen fortlaufenden Vergleich zwischen dem solcherart errechneten Ist-Temperaturverlauf und einem vorgegebenen Soll-Temperaturverlauf durchführt und die den Abkühlprozeß bestimmenden Parameter in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches steuert.
  • Grundlage dieses Verfahrens ist die Steuerung des Abkühlprozesses auf Basis von Temperaturverläufen, die mittels einer Meßsonde definierter Geometrie und definiertem Werkstoffs erfaßt werden. Eine derartige Meßsonde ist für den Fall des Abschreckhärtens in einem Wasser- oder Ölbad in einem Beitrag von Liscic und Filetin in der Zeitschrift "Härterei-Technische-Mitteilungen 41 (1986)" Heft 4, Seiten 208ff beschrieben. Diese Meßsonde ermöglicht es, zu jedem Zeitpunkt während der Wärmebehandlung die Temperatur der Sonde an einer oder mehreren Stellen ihres Querschnittes zu bestimmen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird auf Grundlage der hierdurch ermittelten Temperaturverläufe und mit Hilfe der mathematischen Beziehungen für die Wärmeleitung in festen Stoffen und für den konvektiven Wärmeübergang das Temperaturprofil in der Meßsonde sowie die Wärmestromdichte und der Wärmeübergangskoeffizient an der Oberfläche d Meßsonde zu jedem Zeitpunkt während der Abkühlung errechnet. Mit Hilfe der bekannten dreidimensionalen Wärmeleitungsgleichungen wird dann für die vorgegebene Geometrie des Werkstückes für jeden Zeitpunkt dessen Oberflächentemperatur sowie der Temperaturverlauf im jeweils interessierenden Werkstückquerschnitt bestimmt. Der hierdurch erhaltene, errechnete Ist-Temperaturverlauf im Werkstück wird mit einem vorgegebenen Soll-Temperaturverlauf im Werkstück verglichen, der für die jeweilige Geometrie des Werkstückquerschnitts beispielsweise aus dem entsprechenden ZTU-Diagramm des betreffenden Werkstoffes ermittelt wird und der ein optimales Ergebnis der Wärmebehandlung, insbesondere ein optimales Härteergebnis, erwarten läßt. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleiches erfolgt dann die Steuerung der den Abkühlprozeß bestimmenden Parameter, d.h. der Geschwindigkeit des auf die Werkstückcharge geleiteten Kühlgases und/oder des Gasdrucks des Kühlgases. Die Steuerung des Abkühlprozesses kann auch über eine entsprechende Auswahl des jeweils in den Chargenraum eingeleiteten Kühlgases erfolgen, wofür vorzugsweise Stickstoff, Helium, Argon oder Wasserstoff in Betracht kommen.
  • Die Führung der den Abkühlprozeß bestimmenden Parameter erfolgt dann in der Weise, daß der für den betrachteten Querschnitt des Werkstückes errechnete Ist-Temperaturverlauf zu jedem Zeitpunkt weitgehend mit dem aus dem ZTU-Diagramm gewonnenen Soll-Temperaturverlauf übereinstimmt. Dadurch wird am vorgegebenen Querschnitt des Werkstückes das gewünschte Wärmebehandlungsergebnis erreicht, ohne daß an dieser oder an einer anderen Stelle des Werkstücks Temperaturmessungen erforderlich wären.
  • Die Temperaturen werden vorzugsweise an verschiedenen Stellen des Querschnittes der Meßsonde erfaßt, von denen sich zumindest zwei Meßstellen innerhalb der Meßsonde befinden. Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens sind innerhalb der Meßsonde insgesamt drei Meßstellen angeordnet, wobei diese Meßstellen verschiedene Abstände zur Oberfläche der Meßsonde aufweisen. Hierdurch ist eine besonders exakte Errechnung des Temperaturprofils im betrachteten Querschnitt der Meßsonde möglich, so daß auch das anschließende Errechnen des Ist-Temperaturverlaufes im Werkstück mit großer Genauigkeit durchgeführt werden kann.
  • Besonders aussagefähige Temperaturwerte lassen sich erhalten, wenn zumindest eine Meßstelle sich nahe der Oberfläche innerhalb der Meßsonde befindet.
  • Da zur Berrechnung des Ist-Temperaturverlaufs auch die Gastemperatur im Chargenraum benötigt wird, wird mit einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, die Gastemperatur nahe der Oberfläche der Meßsonde zu erfassen. Alternativ ist auch eine mathematische Berechnung der Gastemperatur möglich.
  • Von Vorteil ist es ferner, wenn die Form der Meßsonde den für den Erfolg des Wärmebehandlungsprozesses maßgeblichen Stellen des Werkstücks nachgebildet ist. Diese Weiterentwicklung des Verfahrens ist insbesondere bei großen Werkstückserien mit Vorteil anwendbar, wobei in diesem Fall die für das Werkstück errechneten Ist-Temperaturverläufe den tatsächlichen Temperaturverlauf besonders genau wiedergeben, so daß sich der Abkühlprozeß besonders präzise steuern läßt.
  • Schließlich ist bei einer Weiterentwicklung des Verfahrens vorgesehen, daß der Rechner den Soll-Temperaturverlauf aus dem ZTU-Diagramm des Werkstoffes des Werkstückes errechnet. Es ist dadurch nicht erforderlich, im Rechner werkstückspezifische Abkühlkurven abzuspeichern. Der Rechner benötigt vielmehr nur eine Datei der einschlägigen ZTU-Diagramme und errechnet hieraus bei Kenntnis der geforderten Härte selbsttätig den Soll-Temperaturverlauf im Werkstück an der betreffenden Stelle.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen anhand eines Beispiels das erfindungsgemäße Verfahren erläutert ist. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Abkühlen einer Werkstückcharge innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses und
    Fig. 2
    in einer Schnittdarstellung eine Meßsonde zur Verwendung in dem Verfahren.
  • In Fig. 1 ist strichpunktiert der Chargenraum 1 eines Vakuumofens zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke dargestellt. Der Vakuumofen ist zur Durchführung eines vollständigen Wärmebehandlungsprozesses vorbereitet, verfügt also neben einem Heizsystem über ein gebläsegestütztes Kühlsystem, bei dem ein Kühlgas, beispielsweise Stickstoff, Helium, Argon oder Wasserstoff, in den Chargenraum 1 eingeleitet wird und auf diese Weise zu einem schnellen Abkühlen des Werkstückes bzw. der Charge von Werkstücken führt. Der Abkühlprozeß wird von einer Steuereinrichtung 2 kontrolliert, die sowohl die Geschwindigkeit vGas als auch den Gasdruck pGas regelt. Die Kühlgeschwindigkeit und damit die innerhalb des Wärmebehandlungsprozesses am Werkstück erzielbare Härte läßt sich also durch die Steuereinrichtung 2 beeinflussen.
  • Im Chargenraum 1 befindet sich neben einem Werkstück 3 eine Neßsonde 4, die mit insgesamt vier Meßstellen zur Temperaturmessung versehen ist. Innerhalb der Meßsonde 4 angeordnete Meßstellen ergeben Temperaturwerte T₁,T₂ und T₃, während eine nahe der Oberfläche der Meßsonde 4 angeordnete weitere Meßstelle die Temperatur To im Chargenraum 1 nahe der Oberfläche der Meßsonde 4 erfaßt.
  • Der Aufbau der Meßsonde 4 ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Meßsonde 4 besteht aus einem massiven Metallzylinder, in den quer zur Längsachse des Zylinders insgesamt drei parallel zueinander verlaufende Bohrungen 5 zur Aufnahme von Meßfühlern eingearbeitet sind. Die Bohrungen 5 reichen unterschiedlich weit bis an die Oberfläche 6 der Meßsonde 4. Eine erste Meßstelle 7a wird durch ein Thermoelement gebildet, welches sich am sacklochartigen Ende der kürzesten der drei Bohrungen 5 befindet. Diese Meßstelle 7a erfaßt daher die Temperatur im Kern der Meßsonde 4. Die zweite Meßstelle 7b befindet sich in einem Abstand von ca. 4mm zur Oberfläche 6 der Meßsonde 4, während die dritte Meßstelle 7c knapp unterhalb der Oberfläche 6 der Meßsonde 4 eingebaut ist. Der Abstand zur Oberfläche 6 beträgt hier nur ca. 1,5mm. Um einen Wärmeeinfluß auf die als Thermoelemente ausgebildeten Meßfühler durch die Bohrungen 5 hindurch zu vermeiden, sind die Bohrungen 5 nach Einsetzen der Thermoelemente verschlossen. Nicht dargestellte Stromleiter der Thermoelemente führen aus der Meßsonde 4 hinaus und sind an eine Meßwerterfassung eines den Abkühlprozeß steuernden Rechners angeschlossen.
  • In Fig. 1 ist dargestellt, daß die an den drei Meßstellen der Meßsonde ermittelten Temperaturen T₁,T₂ und T₃ sowie die knapp oberhalb der Oberfläche der Meßsonde 4 ermittelte Temperatur To zusammen mit der Geometrie und dem verwendeten Werkstoff der Meßsonde 4 einem in dem Rechner durchgeführten Rechenschritt zugrundegelegt werden, in dem für die Meßsonde 4 das Temperaturprofil Ts, die Wärmestromdichte an der Oberfläche sowie der Wärmeübergangskoeffizient der zwischen Oberfläche und Kühlgas übergehenden Wärme zu jedem Zeitpunkt während der Abkühlung ermittelt werden. Diese Berechnung erfolgt mit den bekannten Gleichungen der konvektiven Wärmeübertragung sowie der Wärmeleitung.
  • Diese Daten sowie die die Geometrie und den Werkstoff des Werkstückes 3 betreffenden Daten werden von dem Rechner in einem weiteren Rechenschritt herangezogen, um für den jeweiligen Zeitpunkt die Temperatur im Inneren sowie an der Oberfläche eines vorgegebenen Querschnittes des Werkstückes 3 zu berechnen. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die Wärmeübertragungsbedingungen an Meßsonde 4 und Werkstück 3 weitgehend gleich sind. Anhand dieser Annahme wird aus den an der Meßsonde 4 ermittelten zeitlichen Temperaturverläufen auf entsprechende, jedoch zusätzlich durch die Geometrie sowie den Werkstoff des Werkstückes 3 beeinflußte Temperaturverläufe im Werkstück 3 geschlossen. Hierzu werden in einem Unterprogramm des Rechners die bekannten Wärmeleitungsgleichungen in dreidimensionaler Form für den jeweiligen Zeitpunkt sowie die vorgegebene Werkstückgeometrie gelöst. Der auf diese Weise rechnerisch bestimmte Ist-Temperaturverlauf Tw,ist stimmt gut mit dem tatsächlichen Temperaturverlauf in dem Werkstück 3 überein, wenn die Kühlbedingungen, d.h. die Temperatur und die Geschwindigkeit des Kühlgases, an der Meßsonde 4 und dem Werkstück 3 gleich sind. Dies ist in der Praxis mit ausreichender Genauigkeit erfüllt, wenn die Meßsonde 4 nahe dem Werkstück 3 im Chargenraum 1 angeordnet wird.
  • Zur Steuerung des Abkühlprozesses ist es erforderlich, den rechnerisch ermittelten Ist-Temperaturverlauf Tw,ist mit einem Soll-Temperaturverlauf Tw, soll zu vergleichen. Hierbei wird der Soll-Temperaturverlauf Tw,soll in einem Unterprogramm rechnerisch aus dem für den jeweiligen Werkstoff geltenden ZTU-Diagramm des Werkstückes 3 abgeleitet. Dabei wird mit Hilfe des ZTU-Diagramms jene Sollkurve errechnet, die gerade die gewünschte Härte des Werkstoffes ergibt.
  • Um den Ist-Temperaturverlauf Tw,ist möglichst gut in Übereinstimmung mit dem Soll-Temperaturverlauf Tw,soll zu bringen, führt der Rechner anschließend einen Vergleichsschritt 8 durch, wobei abhängig von dem Ergebnis dieses Vergleichs die Steuereinrichtung 2 die den Abkühlprozeß bestimmenden Parameter vGas, pGas im Sinne einer bestmöglichen Annäherung an den Soll-Temperaturverlauf Tw,soll steuert. Der gesamte Abkühlprozeß läuft daher vollautomatisch und rechnergesteuert. Hierbei wird nur genau so viel Kühlgas und Umweltenergie zur Verteilung des Kühlgases verbraucht, wie nötig. Der Wärmebehandlungsprozeß ermöglicht es, in jedem gewünschten Punkt des Werkstückes genau die angestrebte Härte zu erreichen. Zusätzlich ist es möglich, bereits vor Durchführung des Wärmebehandlungsprozesses eine Vorausberechnung durchzuführen und auf diese Weise den Ablauf des Abkühlprozesses zu simulieren.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Chargenraum
    2
    Steuereinrichtung
    3
    Werkstück
    4
    Meßsonde
    5
    Bohrung
    6
    Oberfläche
    7a
    erste Meßstelle
    7b
    zweite Meßstelle
    7c
    dritte Meßstelle
    8
    Vergleichsschritt

Claims (8)

  1. Verfahren zum Abkühlen einer Werkstückcharge innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses mittels Gaskühlung, bei dem die den Abkühlprozeß bestimmenden Parameter wie etwa Kühlgasgeschwindigkeit und Kühlgasdruck in Abhängigkeit von während des Abkühlprozesses ermittelten Temperaturen eingestellt und auf diese Weise der Abkühlprozeß gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet,
    daß während des Abkühlprozesses mit Hilfe mehrerer Meßfühler, z.B. Thermoelemente, kontinuierlich der Temperaturverlauf über den Querschnitt mindestens einer im Chargenraum angeordneten Meßsonde definierter Geometrie und definierten Werkstoffs erfaßt wird und mittels eines Rechners aufgrund dieser Temperaturverläufe in der Meßsonde über die Bestimmung der Wärmestromdichte und des Wärmeübergangs an der Meßsonde der zeitliche Temperaturverlauf im Werkstück, d.h. in dem interessierenden Querschnitt des Werkstückes, errechnet wird und daß der Rechner mittels einer Vergleichseinrichtung einen fortlaufenden Vergleich zwischen dem solcherart errechneten Ist-Temperaturverlauf (Tw,ist) und einem vorgegebenen Soll-Temperaturverlauf (Tw,soll) durchführt und die den Abkühlprozeß bestimmenden Parameter in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches steuert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen an verschiedenen Stellen des Querschnittes der Meßsonde erfaßt werden, von denen sich zumindest zwei Meßstellen innerhalb der Meßsonde befinden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt drei Meßstellen innerhalb der Meßsonde angeordnet sind, wobei diese Meßstellen verschiedene Abstände zur Oberfläche der Meßsonde aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich zumindest eine Meßstelle nahe der Oberfläche innerhalb der Meßsonde befindet.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastemperatur (To) nahe der Oberfläche der Meßsonde erfaßt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Meßsonde den für den Erfolg des Wärmebehandlungsprozesses maßgeblichen Stellen des Werkstücks nachgebildet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebehandlungsprozeß in einem Vakuumofen durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner den Soll-Temperaturverlauf (Tw,soll) aus dem ZTU-Diagramm des Werkstoffes des Werkstückes errechnet.
EP92113958A 1991-10-25 1992-08-17 Verfahren zum Abkühlen einer Werkstückcharge innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses Expired - Lifetime EP0538575B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE4135313A DE4135313A1 (de) 1991-10-25 1991-10-25 Verfahren zum abkuehlen einer werkstueckcharge innerhalb eines waermebehandlungsprozesses

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EP0538575A1 EP0538575A1 (de) 1993-04-28
EP0538575B1 true EP0538575B1 (de) 1995-11-02

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EP92113958A Expired - Lifetime EP0538575B1 (de) 1991-10-25 1992-08-17 Verfahren zum Abkühlen einer Werkstückcharge innerhalb eines Wärmebehandlungsprozesses

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EP (1) EP0538575B1 (de)
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DE (2) DE4135313A1 (de)
ES (1) ES2081532T3 (de)

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