EP0562250A1 - Process and device for quenching of metal pieces - Google Patents
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- C21D9/40—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for rings; for bearing races
Definitions
- the invention relates to a device for performing this method, in particular for treating rotationally symmetrical workpieces, such as rings, gears, disks, shafts and the like, with a quenching chamber in which at least one, at least partially delimited by a nozzle field, is used to hold individual workpieces Space is provided.
- Quenching systems for hardening workpieces made of steel and other metals are of great importance in technology because they significantly improve the performance properties of the workpieces. Quenching in water or oil, as well as in salt baths or in a fluidized bed, has long been known. Recently, the cooling of the workpieces in the gas flow has also been used, in which a heat-treated batch with cooling gas which is circulated via a heat exchanger is flowed into in a cooling chamber and is brought into effect in the form of discrete jets on the workpiece surface to be cooled. An industrial furnace equipped with such a quenching device is described in EP 0151 700 A2.
- the size of the heat flow density that can be achieved depends, among other things, on the heat transfer coefficient ⁇ (W / m2 K).
- H value a characteristic value, the so-called H value, is often used to describe the quenching effect or intensity according to Grossmann (MA Grossmann, M.Asimov, SF Urban “The Hardenability of Alloy Steel", ASM Cleveland, 1939, Pages 124 to 190) are used.
- Gas quenching is only known in an H-value range from 0.1 to 0.2 (cf., for example, "Handbuch der Fabrication Technology", Carl Hansen Verlag Kunststoff Vienna Volume 4/2, 1987, page 1014). Higher values of up to ⁇ 0.2 can only be achieved with strong circulation and / or overpressure.
- the object of the invention is to remedy this and to provide a quenching method and a quenching device suitable for carrying out this method, which allow a quenching intensity in the H-value range of approximately 0.2 to 4 to be achieved without the having to accept the aforementioned problems.
- the invention is based on the surprising finding that it is possible, when using an appropriately selected nozzle pitch t Nozzle array with a relatively small effective nozzle diameter d and a small distance h from the nozzle array to the workpiece surface to be cooled with possibly increased gas pressure p in the impact jet field of a cooling gas to achieve a high heat transfer from the workpiece surface to be cooled to the cooling gas flow, without the need for the promotion of the the cooling gas acting on the nozzle field would have to be increased to a value which would make the whole process uneconomical.
- the new method makes it possible to work with the high quenching intensity values known for salt, oil or water quenching in the quenching of metallic workpieces, without the disadvantages described at the outset, which are known when using non-gaseous quenching media to have to put up with.
- the quenching intensity can be reproducibly controlled within a few seconds.
- the regulation can be carried out in a simple manner by an appropriate intervention on the cooling gas-promoting fan acting on the nozzle field and / or the cooling gas pressure in the system.
- Air, nitrogen or a gas mixture can be used as the cooling gas, it being particularly expedient to use the protective gas as the cooling gas in cases in which the heat treatment preceding the quenching took place in a protective gas atmosphere.
- the cooling gas contains hydrogen or another gas with increased thermal conductivity compared to air in a proportion of 0 to 100 vol.%.
- This hydrogen can also be added to the cooling gas. The addition simultaneously reduces the drive power of the fan that conveys the cooling gas.
- the new method can be used for quenching objects of any shape; if it is used for quenching hollow, in particular ring or tubular workpieces, then impact jets of the cooling gas are expediently brought into effect both on the outer and on the inner lateral surface and optionally on the end face of the workpiece from a nozzle field adapted to the shape of the workpiece .
- a relative movement between the workpiece surface to be cooled and the impact jets of the nozzle field is maintained at least temporarily, for example by rotating an annular or disk-shaped workpiece - or the nozzle field - while the other Part stands still.
- a quenching device set up to carry out the new method has a quenching chamber in which at least one space, which is at least partially delimited by a nozzle field and is used to hold individual workpieces, is provided.
- this space is essentially designed to be closed, the nozzle field being designed to match the shape of the surface to be cooled of the introduced workpiece and being arranged and dimensioned such that the one to be cooled is in operation
- At least some of the nozzles in the nozzle array can be provided with selectively operable throttling and / or closing means in order to influence, in particular to dampen, the quenching effect at certain points on the surface of the workpiece if necessary.
- the nozzle field can also be formed, at least in part, on an insert that can be interchangeably inserted into the quenching chamber, so that the quenching device can be easily adapted to any workpiece shape. As a rule, a special nozzle array is required for each workpiece shape.
- Drive means for rotating the inserted, in particular rotationally symmetrical workpiece and / or at least a part of the nozzle field can be provided in the quenching chamber.
- These drive means can either be designed to act from outside the quenching chamber and / or have a turbine element to which cooling gas can be applied, which has the advantage that no additional drive source is necessary.
- a turbine element to which cooling gas can be applied
- the space delimited by the nozzle field in the quenching chamber can also be designed as a pressure space, so that the pressure in the quenching system can be increased during the quenching process, which further increases the cooling effect.
- the quenching intensity is controlled in its time course, and thus the temperature / time course of the cooling of the workpiece in accordance with the requirements of the respective workpiece and its material in a predetermined reproducible manner or can be regulated.
- the quenching device can have a process computer for controlling the chronological course of the cooling process, the process signals such as flow rate, pressure, temperature and composition of the cooling gas etc. and workpiece-specific data such as geometric shape and dimensions, material composition etc.
- Program control means can also improve the cooling effect on the workpiece surface to be cooled by correspondingly influencing the speed and / or pressure of the impact jets and / or the effective passage cross section of nozzles of the nozzle array in the sense of simulating the quenching effect of an oil or water bath hardening. In this way, by throttling the cooling effect according to a predetermined temperature / time curve by correspondingly reducing the cooling gas speed and / or the cooling gas pressure etc., the effect of oil or hot bath hardening in salt can be imitated.
- the quenching device is located directly at the outlet of the furnace chamber containing a protective gas atmosphere of a continuous continuous furnace , in particular a roller hearth furnace, is connected essentially gas-tight.
- the quenching device can have a loading and unloading chamber which is connected to the furnace chamber and which is closed to the outside by an optionally operable door.
- the loading and unloading chamber can also be connected to the space delimited by the nozzle field by means of selectively operable closure means which allow the quenching process to be carried out under cooling gas pressure, at least temporarily.
- the quenching device can also have a plurality of quenching chambers arranged next to one another and operable in parallel with one another.
- the arrangement can be such that the quenching device has a plurality of quenching chambers arranged one behind the other, which are optionally connected to one another by a transport device with the interposition of other treatment stations, for example for calibrating the workpieces, the quenching chambers being set up for operation with different quenching effects. This makes it possible, for example, to achieve step cooling with different cooling gas inlet temperatures.
- the quenching effect known as the quenching intensity
- the quenching intensity which can be achieved on the workpiece with known quenching systems, which use gas, salts, oil or water in particular, is described by the so-called H value in the left part of the diagram in FIG. 1. It follows that in the practical H-value range of about 0.05 to 4, the greatest quenching intensity, i.e. the most abrupt cooling, previously only achieved using water as a quenching medium.
- the H value for a water quenching system is approx. 0.8 to 4.
- With oil as the quenching medium depending on whether the quenching is mild or abrupt, H values of approx. 0.3 to 1 can be achieved, while hot bath quenching systems work in salt with an H value of approx. 0.2 to 0.4.
- H value has hitherto been on the order of 0.1.
- the cooling gas is applied to the workpiece surface to be cooled in the form of discrete impingement jets emerging from a nozzle field Brought into action, the quenching intensity being regulated in a controllable manner by appropriate selection of gas jet parameters, in particular the gas velocity W, the gas pressure P, the gas jet cross-sectional area and the number of impact jets per unit area.
- the quenching device 1 (FIG. 2) has a housing 2 which carries an all-round connecting flange 3 with which it is attached in a gas-tight manner to the outer wall of a roller hearth furnace 4, the furnace chamber of which is designated 5 and the roller hearth is indicated at 6.
- the essentially box-shaped housing 2 forms the actual quenching chamber.
- a pot-shaped cylindrical insert 5 is inserted from above, with an edge Flange 6 is sealed onto a corresponding annular shoulder 7 of a housing wall 8 enclosing it at a lateral distance.
- the insert 5 is formed with a hollow cylindrical middle part 9, which is closed on the upper end by an integrally formed end wall 10 and which on the opposite end connects to a likewise integrally formed, radially outwardly extending circular ring surface 11, which is formed into an integrally formed outer cylindrical Wall 12 merges, which is arranged coaxially to the inner cylinder wall 13 of the middle part 9.
- the outer and inner cylinder walls 12, 13 together with the annular wall 11 enclose a cylindrical annular space 14, the size of which is dimensioned in the axial and radial directions such that it can just accommodate a roller bearing ring 15 which forms the workpiece to be cooled.
- the annular space 14 is closed during the quenching process by an optionally operable cover 16 which, in the closed position shown in FIG. 2, rests on the edge of the insert 5 in a sealed manner by means of a seal 17.
- the cover 16 is connected to the piston rod 18 of a pneumatic lifting cylinder 19, which is attached to a hood 20 forming part of the housing 2, which together with the insert 5 and the housing side wall 8 delimits a loading and unloading space 21.
- the loading and unloading space 21 is directly connected to the furnace chamber 5 via the furnace outlet 22, ie without an interposed lock. It is closed on the opposite side by a door 23, which can optionally be opened and closed.
- a tray 24 is placed flush with the housing side wall 8 with the top of the insert 5.
- the inner and outer cylinder walls 12, 13 of the insert 5 are provided with radial cylindrical nozzle bores 25 which are arranged essentially horizontally parallel to one another.
- Each of the nozzle bores 25 is formed on the outside of the outer cylinder wall 12 and on the inside of the inner cylinder wall 13 with a funnel-shaped countersink 26.
- the nozzle bores 25 opening into the annular space 14 from both sides form a nozzle field which, over its axial height, laterally delimits the annular space 14 both on the inside and on the outside.
- the nozzle bores 25 are acted upon by a cooling gas which is fed via a line connection 27 to a pressure chamber 28 formed in the housing 2, which is closed at the top by the insert 5 in the manner shown in FIG. 2 and which seals the inner and the outer Cylinder wall 12, 13 and the annular wall 11 surrounds one side.
- the cooling gas flowing through the nozzle bores 25 of the nozzle field into the annular space 14 is passed via at least two line stubs 30, which pass through the annular wall 11 and the bottom wall 29 of the pressure chamber 28, into a collecting space 31 of the housing 2, which is connected to a line connection 32 and below of the pressure chamber 28 is arranged.
- Support means for the roller bearing ring 15 to be quenched are arranged in the annular space 14, each holding the ring at the correct height and at the correct distance with respect to the nozzle bores 25 of the nozzle field.
- These support means are designed in the described embodiment such that they coaxially to the insert 5 and radially centrally between the nozzle section sections in the outer and inner cylinder walls 12, 13 held rolling bearing ring 15 during the quenching process by the indicated at 33 (Fig. 2) Can set axis of insert 5 in rotation.
- FIG. 2 On the left of the axis 33 side drive and support means are shown, which consist of a number of side-by-side arranged rollers 34, the length of which is slightly shorter than the radial width of the annular space 14 accommodating them and which sit on radial shafts 35, which are sealed in corresponding bearings of the inner and outer cylinder walls 14 are mounted.
- Each shaft 35 carries on its end part lying in the cavity of the inner part 9 a wedged bevel gear 36 which is in engagement with a common ring gear 37.
- the ring gear 37 is in turn seated on a drive shaft 38 which is rotatably mounted coaxially to the axis 33 in a corresponding bearing bore 39 of the housing 2.
- the shaft 38 is set in rotation by a drive source, not shown, in the sense of the arrow indicated at 40 in FIG. 2. In the area of their Implementation through the pressure chamber 28, it is sealed at 41.
- FIG. 2 An alternative embodiment is shown in FIG. 2 to the right of axis 33.
- the drive and support means are formed by a turbine ring 42 which is rotatably mounted in the annular space 14 on the annular wall 11 and the inner cylinder wall 13.
- the turbine ring 42 has a blading indicated at 43 on which the roller bearing ring 15 rests. It is driven during operation via nozzle bores 25, which are arranged in the region of the ring wall 11 below the turbine ring 43 and can be acted upon by cooling gas from the pressure chamber 28.
- FIGS. 3, 4 The structure of the nozzle field formed by the nozzle bores 25 is illustrated in detail in FIGS. 3, 4 on the basis of a schematic model of the insert 5 and the housing 2 surrounding it. In this model representation, the same parts are provided with the same reference symbols in FIG. 2.
- the cylindrical nozzle bores 25 with the same diameter d and the same nozzle pitch t are arranged in the nozzle field.
- the nozzle array comprises three rows of nozzle bores arranged at equal intervals t, ie corresponding to the lateral nozzle pitch t (see FIG. 3).
- the roller bearing ring 15 to be deterred is only in the annular space 14 by the support edges 44 indicated drive and support means are arranged at such a height coaxially to the axis 33 that it lies in the axial direction symmetrically to the three rows of nozzle holes one above the other (see Fig. 3).
- roller bearing ring 15 is seated radially in the center in the annular chamber 14, which means that the radial distance h between the nozzle field and the outer or inner peripheral surface of the roller bearing ring is the same. Since the nozzle bores 25 of the nozzle array are oriented at right angles to the axis 33, they are also directed at right angles to the inner and outer peripheral surface of the roller bearing ring 15. Gas jets emerging from the nozzle bores 25 therefore strike the outer and inner circumferential surface of the roller bearing ring 15 in the form of discrete impact jets.
- Nozzle bore pitch t 4 d to 8 d
- Distance of the nozzle field from the workpiece surface to be cooled h 2d to 8d.
- the gas velocity w 40 to 200 m / sec. at the outlet of the nozzle bores 25.
- the nozzle field can easily be adapted to different dimensions and sizes of the roller bearing rings 15 or other ring-shaped workpieces to be quenched by exchanging the inserts 5. It is important in any case that the nozzle field follows the shape of the workpiece to be cooled as closely as possible in order to ensure that the workpiece surface to be cooled is acted upon as uniformly as possible by impact jets of the cooling gas emerging from the nozzle bores 25 of the nozzle field. In the treatment of ring-shaped or disk-shaped workpieces, gear wheels and the like, different designs of the insert 5 and its parts carrying the nozzle field result in accordance with the workpiece shape. As in the present case, the nozzle field can consist of several sections that cool workpiece surfaces inside and outside or above and below. The nozzle bore diameter d and the distance h to the workpiece surface to be cooled are always relatively small.
- the quenching device 1 is connected directly to the outlet of the roller hearth furnace 4, the basic structure of which is described, for example, in DE-PS 38 16 503.
- the cover 16 When the cover 16 is open, the annular space 14 is therefore in direct connection with the furnace chamber 5, which contains a protective gas atmosphere.
- the heating of the rolling bearing rings 15 and their subsequent quenching in the nozzle field of the quenching device 1 are common Shielding gas space instead of what allows shielding gas to be saved and the time that would otherwise be required for any lock operations to be avoided.
- the explosion risk associated with the addition of hydrogen to the protective gas is reduced to a minimum at the same time.
- the cover 16 (FIG. 2) can also be omitted if, given the shape and the material of the workpiece to be cooled, it is possible to find the deliveries in the annular space 14 with a relatively low cooling gas pressure. It is also possible to carry out the heating and the quenching in the nozzle field of the quenching device 1 in a common overpressure space formed by the furnace chamber 5 and the annular space 14 if the walls of these spaces are designed to be overpressure-resistant. This also eliminates the pressure lock formed by the cover 16.
- the cooling gas supply of the quenching device 1 is illustrated in FIG. 5:
- the blower 45 which acts on the pressure side 28 with cooling gas via the line connection 27, is connected on the suction side via a gas cooler 46 with a coolant actuator 47 to the line connection 32 of the housing 2.
- a gas expansion tank 50 is connected via a control valve 49, from which a waste gas line 52 branches off via a pressure regulator 51, which leads back into the furnace chamber 5 if necessary.
- On the pressure side of the blower 45 are connected to its pressure line 53 via control valves 54, 55, two compressed gas cylinders 56, 57, which contain additional gas, for example, hydrogen and / or nitrogen.
- these sensors are connected to a process computer 62, to which they transmit signals characteristic of the parameters they monitor.
- the process computer 62 receives signals characterizing the actual temperature of the roller bearing ring 15 to be quenched, which signals are supplied by a temperature sensor 63 which senses the outer peripheral surface of the roller bearing ring via a window 64 inserted pressure-tightly into the housing side wall 8 and the insert 5.
- the process computer 62 calculates from the process-specific signals received by the sensors 58 to 61 (mass flow, temperature, pressure and composition of the cooling gas) and from previously entered data which are characteristic of the workpiece 15 to be treated (geometry and material values) and the nozzle field Output signals for controlling the blower 45, the control valves 54, 55 of the coolant control valve 47 influencing the additional gas quantity and the control valve 49 leading into the expansion tank 50. Together with the signals received from the temperature sensor 63 for the actual temperature of the workpiece 15, the process computer 62 regulates this way automatically the quenching process the workpiece located in the annular space 14, whereby it can largely regulate each predetermined temperature-time profile on the surface of the workpiece 15 to be cooled.
- the workpieces in the form of the roller bearing rings 15 on the roller hearth 6 are continuously guided through the furnace chamber 5 and heated to hardening temperature in the protective gas atmosphere contained therein.
- the roller bearing rings 15 pass one after the other through the furnace outlet 22 (FIG. 2) into the loading and unloading space 21 of the quenching device 1, the cover 16 of which is in the open upper position when the door 23 is closed.
- the roller bearing ring 15 arriving in the loading and unloading chamber 21 falls into the annular chamber 14, in which it comes to lie in the correct position on the drive and / or support means, for example on the collar rollers 35 or the turbine ring 42.
- the lid 16 is closed; the fan 45 (FIG. 5) is switched on, and the pressure chamber 28 is acted upon by cooling gas, which is the same protective gas as is contained in the furnace chamber 5.
- the cooling gas emerging from the nozzle bores 25 impinges in the form of impact jets on the outer and inner circumferential surface of the roller bearing ring 15 to be cooled, where it causes a rugged, uniform cooling of the rotating roller bearing ring 15.
- the cooling gas flowing out of the roller bearing ring 15 is discharged from the blower 45 via the line connection piece 30 sucked off, the amount of heat absorbed is withdrawn in the gas cooler 46.
- the temperature-time profile of the cooling is regulated by the process computer 62 in the manner already described.
- the fan 45 is turned off, the cover 16 is opened and the cooled roller bearing ring 15 is removed from the annular space 14 by a manipulator (not shown) and placed on the storage table 24 with the door 23 open for a short time. After closing the door 23, the quenching device is ready for cooling the roller bearing ring 15 which is brought up next by the roller hearth.
- the quenching intensity that can be achieved in the nozzle field by gas quenching in the manner described is illustrated in the diagram of FIG. 1 on the right in comparison with the quenching intensities that can be achieved in the known quenching systems.
- Four nozzle fields are shown, the nozzle bore diameter d of which is 1 in each case , 2.4 and 8 mm.
- the nozzle pitch t and the nozzle field distance h are 5 x d.
- the gas velocity w is 100 m / sec.
- the power of the blower 45 required for gas production is approximately N ⁇ 50 xp. (1 -0.009. Vol% H2) in kW per m2 nozzle field, in no case does it exceed a maximum limit of 1000 kW per m2 of nozzle area.
- the gas pressure is p entered on a scale between 1 and 8 bar.
- Nozzle bore diameters ⁇ 1 mm can only be used in special cases due to the risk of contamination and the small distance.
- the quenching intensity can be increased by increasing the pressure p of the cooling gas and by reducing the nozzle bore diameter d at a small distance h.
- a further increase can be compared by adding a gas to air of high thermal conductivity, especially hydrogen, which is often contained in protective gases from the furnace anyway.
- a helium additive would have a comparable effect, but is generally not an option for economic reasons.
- the quenching device explained with reference to FIGS. 2 to 5 has been attached to a continuous continuous furnace, for example the roller hearth furnace 4, inter alia the advantage that it can be arranged together with the continuous furnace directly in a production line for workpieces which, prior to their further processing, undergo heat treatment and subsequent deterrence is required.
- a continuous continuous furnace for example the roller hearth furnace 4
- the entire heat treatment process can be automated, whereby the workpiece throughput per unit of time can also be increased if necessary, while at the same time there is the option of cooling the workpieces, if necessary, with different gas inlet temperatures in the individual stages, possibly even with intermediate operations for calibrating the workpieces, etc. , to subjugate.
- roller bearing rings 15 in three rows on the roller hearth 6 of the roller hearth furnace 4 transported in parallel through the furnace chamber 5.
- a subsequent outlet-side section 66 of the roller hearth 6 leading to the quenching device is driven by an overdrive drive 67 which increases the distance to the roller bearing ring row the subsequent row of rolling bearings is transported through the furnace outlet 22 into a first cooling station A.
- quenching devices 1 are accommodated in parallel next to one another in a common housing 68 which is flanged directly to the outlet side of the roller hearth furnace 4 and whose cooling gas inlets and outlets are indicated in FIG. 6 by two arrows 69, 70.
- Each of the quenching devices 1 is designed in accordance with FIG. 2.
- manipulators (not shown in any more detail) are transferred to the three downstream quenching devices 1 of a second cooling station B of the same design, in which the cooling takes place Room temperature takes place, whereupon the workpiece group consisting of three roller bearing rings 15 lying next to one another is transported away via the common storage table 24.
- a ring 15 of a roller bearing made of material 100 Cr6 is hardened in the nozzle field instead of the usual oil quenching.
- Workpiece data Outer diameter: 140 mm Inside diameter: 116 mm Ring width: 40 mm
- the nozzle area 2 (FIG. 1) is selected for the ring size and width.
- Nozzle array 2 Nozzle diameter d: 2 mm
- Nozzle pitch t 10 mm
- Distance to the cooled surface h 10 mm
- Gas velocity 100 m / s
- Gas flow 360 m3 / h
- the blower output in variant 1 is comparable to that of a circulation pump in an oil bath. With a cooling time of approx. 20 seconds per ring, the energy requirement per kg hardness is 0.01 kWh for variant 1 and 0.04 kWh for variant 2.
- the temperature in the core of the rotating ring has cooled to 500 ° C after 10 seconds. After 18 seconds, 280 ° C is reached on the surface of the ring (optical control) and the cooling is switched off (cooling station A).
- the ring in phase II, can be calibrated at a defined temperature before the formation of martensite.
- phase III the ring is cooled in a further nozzle station with a supercooled circulating gas to about 0 ° C. for the complete formation of martensite (cooling station B).
- the critical cooling time from 800 to 500 ° C, which in the example is about 10 seconds, can be even shorter for unalloyed and low-alloy steels.
- the very fast control of the quenching effect required for this and the very short movement sequences of the quenching device 1 required for this purpose, in contrast to the conditions in known gas cooling devices, can easily be achieved with the invention in a reproducible, economical manner.
- the necessary heat transfer between the workpiece surface to be cooled and the gas flow with high values of the heat transfer coefficient ⁇ can be achieved in the method according to the invention with the nozzle fields with a relatively small nozzle diameter d and small distance h to the workpiece surface to be cooled.
- the nozzle field is equipped with cylindrical nozzle bores 25.
- other cross-sectional shapes for example slot nozzles or the like, which is pointed out for the sake of order.
- All gases and gas mixtures which can be used for the respective purpose including air, nitrogen and the like, can be used as the cooling gas.
- the workpieces 15 are quenched individually, because it is usually only possible in this way to adapt the nozzle field closely enough to the shape of the workpiece surface to be cooled and at a sufficiently small distance to arrange this.
- a workpiece can also consist of several small individual parts, for example small screws, etc., which lie in a small, uniform bed height on a gas-permeable carrier, for example in a wire basket.
- the nozzle field then acts on the top and / or bottom of the bed, the dimensions and shape of which is adapted to the nozzle field.
- roller bearing ring 15 is rotated relative to the stationary nozzle field during cooling.
- the arrangement could of course also be such that the roller bearing ring 15 is fixed while the insert 5 and thus the nozzle field execute a rotary movement.
- Axial up and down movements of the workpiece and / or the nozzle field are also conceivable and can be achieved with simple mechanical means.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein verfahren zum Abschrecken metallischer Werkstücke mit einer Abschreckintensität, die in einem für Öl- oder wasserabschreckung typischen Bereich (H = 0,2 bis 4) liegt, bei dem ein Abschreckmedium auf die zu kühlende Oberfläche der Werkstücke zur Einwirkung gebracht wird.The invention relates to a method for quenching metallic workpieces with a quenching intensity which is in a range (H = 0.2 to 4) typical for oil or water quenching, in which a quenching medium is brought into effect on the surface of the workpieces to be cooled.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, insbesondere zur Behandlung rotationssymmetrischer Werkstücke, wie Ringe, Zahnräder, Scheiben, Wellen und dergleichen, mit einer Abschreckkammer, in der wenigstens ein zumindest teilweise von einem Düsenfeld begrenzter, zur Aufnahme einzelner Werkstücke dienender Raum vorgesehen ist.In addition, the invention relates to a device for performing this method, in particular for treating rotationally symmetrical workpieces, such as rings, gears, disks, shafts and the like, with a quenching chamber in which at least one, at least partially delimited by a nozzle field, is used to hold individual workpieces Space is provided.
Abschrecksysteme zum Härten von Werkstücken aus Stahl und anderen Metallen haben in der Technik eine große Bedeutung, weil damit die Gebrauchseigenschaften der Werkstücke wesentlich verbessert werden. Seit langem bekannt ist das Abschrecken in Wasser oder Öl, sowie in Salzbädern oder im Wirbelbett. Neuerdings wird auch die Abkühlung der Werkstücke im Gasstrom angewendet, wobei in einer Kühlkammer eine wärmebehandelte Charge mit im Kreislauf über einen Wärmetauscher geführtem Kühlgas angeströmt wird, das in Gestalt diskreter Strahlen auf die zu kühlende Werkstückoberfläche zur Einwirkung gebracht wird. Ein mit einer solchen Abschreckvorrichtung eingerichteter Industrieofen ist in der EP 0151 700 A2 beschrieben.Quenching systems for hardening workpieces made of steel and other metals are of great importance in technology because they significantly improve the performance properties of the workpieces. Quenching in water or oil, as well as in salt baths or in a fluidized bed, has long been known. Recently, the cooling of the workpieces in the gas flow has also been used, in which a heat-treated batch with cooling gas which is circulated via a heat exchanger is flowed into in a cooling chamber and is brought into effect in the form of discrete jets on the workpiece surface to be cooled. An industrial furnace equipped with such a quenching device is described in EP 0151 700 A2.
Die beim Abschrecken der Werkstücke, d.h. bei deren rascher Abkühlung von Behandlungs- auf Raumtemperatur, erzielbaren Härte- und/oder Festigkeitssteigerungen im Werkstück hängen entscheidend davon ab, daß der Abkühlvorgang mit hoher Geschwindigkeit nach einem für den jeweiligen Werkstoff zweckmäßigen Temperatur-Zeitverlauf stattfindet. Dazu ist es erforderlich, während dieses Abkühlvorganges die in dem Werkstück vorhandene Wärme mit einer entsprechend hohen Wärmestromdichte über die gekühlte Oberfläche abzuführen. Die Größe der jeweils erzielbaren Wärmestromdichte hängt u.a. von dem Wärmeübergangskoeffizienten α (W/m² K) ab. Zur Beschreibung der Abschreckwirkung oder -intensität wird in der Praxis beim Härten von Stahl häufig ein Kennwert,der sogenannte H-Wert, nach Grossmann (M.A. Grossmann, M.Asimov, S.F. Urban "The Hardenability of Alloy Steel", ASM Cleveland, 1939, Seite 124 bis 190) benutzt. Dieser H-Wert liegt erfahrungsgemäß in einem Bereich von etwa 0,2 bis 4, wobei bei den bekannten Abschreckungssystemen in dem H-Wert-Bereich von 0,2 bis 4 als Abschreckmedium durchweg nur Salzbäder, Öl oder, in dem oberen Bereich von etwa H = 0,9 bis 4, lediglich Wasser verwendet werden können. Eine Gasabschreckung ist nur in einem H-Werte-Bereich von 0,1 bis 0,2 bekannt (vgl. bspw. "Handbuch der Fertigungstechnik", Carl Hansen Verlag München Wien Band 4/2, 1987, Seite 1014). Höhere Werte bis ≈ 0,2 können nur mit starker Umwälzung und/oder Überdruck erreicht werden.The increases in hardness and / or strength in the workpiece that can be achieved when the workpieces are quenched, that is to say when they cool rapidly from treatment to room temperature, crucially depend on the fact that the cooling process takes place at high speed according to a temperature-time profile appropriate for the respective material. For this purpose, it is necessary to dissipate the heat present in the workpiece with a correspondingly high heat flow density over the cooled surface during this cooling process. The size of the heat flow density that can be achieved depends, among other things, on the heat transfer coefficient α (W / m² K). In practice, a characteristic value, the so-called H value, is often used to describe the quenching effect or intensity according to Grossmann (MA Grossmann, M.Asimov, SF Urban "The Hardenability of Alloy Steel", ASM Cleveland, 1939, Pages 124 to 190) are used. This H value is Experience has shown that it is in a range from about 0.2 to 4, with the known quenching systems consistently using only salt baths, oil or, in the upper range of about H = 0.9, as the quenching medium in the H value range from 0.2 to 4 to 4, only water can be used. Gas quenching is only known in an H-value range from 0.1 to 0.2 (cf., for example, "Handbuch der Fabrication Technology", Carl Hansen Verlag Munich Vienna
Der Einsatz der bekannten Abschrecksysteme mit flüssigen Abschreckmitteln in dem H-Werte-Bereich von 0,2 bis 4 bringt eine Reihe von grundsätzlichen Schwierigkeiten mit sich, die in der Praxis durchaus bekannt sind. Da bei Verwendung einer Flüssigkeit als Abschreckmedium die Abschreckintensität während der Abkühlung praktisch nur wenig verändert werden kann, was aber zur Vermeidung von Härterissen und Maßänderungen des Werkstückes häufig wünschenswert wäre, ergeben sich nicht selten Qualitätsprobleme, zu denen noch Kostenprobleme hinzutreten, weil die fehlende Regelbarkeit des Abschreckvorgangs nur durch teure Legierungselemente kompensiert werden kann (ölhärtende Stähle sind legiert). Die nach dem Abkühlen auf dem Werkstück haftenden Reste von Abschrecköl, Salz oder Wasserzusätzen müssen von dem Werkstück abgereinigt und anschließend entsorgt werden, was zum Entstehen von Umweltproblemen Anlaß gibt. Schließlich ist das gebräuchlichste Abschreckmittel, nämlich Öl, feuergefährlich, mit der Folge, daß noch Sicherheitsprobleme auftreten, die besondere Vorkehrungen erforderlich machen.The use of the known quenching systems with liquid quenching agents in the H value range from 0.2 to 4 brings with it a number of fundamental difficulties which are well known in practice. Since using a liquid as a quenching medium, the quenching intensity can be changed practically only slightly during cooling, but this would often be desirable in order to avoid hardness cracks and dimensional changes of the workpiece, which often leads to quality problems, to which there are also cost problems because the lack of controllability of the Quenching process can only be compensated for by expensive alloying elements (oil-hardening steels are alloyed). The residues of quenching oil, salt or water additives adhering to the workpiece after cooling must be cleaned from the workpiece and then disposed of, which gives rise to environmental problems. Finally, the most common quenchant, oil, is flammable, with the result that safety problems still arise that require special precautions.
Die vorgenannten Umwelt- und Sicherheitsprobleme treten bei der bekannten Gasabschreckung, wie sie bspw. in der EP 0151 700 A2 beschrieben ist, nicht auf, doch können solche bekannte Gasabschrecksysteme wegen der geringen Abschreckintensität (H < 0,2) selbst bei Überdruckbetrieb nur zum Härten höher legierter Stähle benutzt werden.The above-mentioned environmental and safety problems occur with the known gas quenching, as for example in the EP 0151 700 A2 is not described, but because of the low quenching intensity (H <0.2), such known gas quenching systems can only be used for hardening higher alloyed steels, even in the case of overpressure operation.
Aufgabe der Erfindung ist es, hier abzuhelfen und ein Abschreckverfahren sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Abschreckvorrichtung zu schaffen, die es gestatten, beim Abschreckvorgang eine Abschreckintensität in dem H-Werte-Bereich von ca. 0,2 bis 4 zu erreichen, ohne die vorgenannten Probleme in Kauf nehmen zu müssen.The object of the invention is to remedy this and to provide a quenching method and a quenching device suitable for carrying out this method, which allow a quenching intensity in the H-value range of approximately 0.2 to 4 to be achieved without the having to accept the aforementioned problems.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Abschreckverfahren gekennzeichnet durch die Anwendung von einem Kühlgas als Abschreckmedium, das in Form diskreter, aus einem Düsenfeld austretender Prallstahlen auf die zu kühlende Werkstückoberfläche zur Einwirkung gebracht wird, wobei bei Begrenzung der Förderleistung für das Kühlgas auf einen vorgegebenen maximalen Grenzwert von ca. 1000 kW/m² Düsenfeld die Abschreckintensität durch entsprechende Wahl von Gasstrahlparametern, insbesondere der Gasgeschwindigkeit w, des Gasdruckes p, der Gastrahlquerschnittsfläche und der Zahl der Prallstrahlen pro Flächeneinheit auf einen zwischen H = 0,2 und H = 4 liegenden Wert gebracht wird.To achieve this object, the quenching method according to the invention is characterized by the use of a cooling gas as the quenching medium, which is brought into effect in the form of discrete impingement jets emerging from a nozzle field on the workpiece surface to be cooled, with limitation of the delivery rate for the cooling gas to a predetermined maximum Limit value of approx. 1000 kW / m² nozzle field, the quenching intensity is brought to a value between H = 0.2 and H = 4 by appropriate selection of gas jet parameters, in particular the gas velocity w, the gas pressure p, the gas jet cross-sectional area and the number of impact jets per unit area becomes.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, bei Verwendung eines eine entsprechend gewählte Düsenteilung t aufweisenden Düsenfeldes mit relativ kleinem wirksamem Düsendurchmesser d und geringem Abstand h des Düsenfeldes zu der zu kühlenden Werkstückoberfläche bei gegebenenfalls erhöhtem Gasdruck p in dem Prallstrahlenfeld eines Kühlgases einen hohen Wärmeübergang von der zu kühlenden Werkstücksoberfläche zu dem Kühlgasstrom zu erzielen, ohne daß dazu die für die Förderung des das Düsenfeld beaufschlagenden Kühlgases erforderliche Gebläseleistung auf einen Wert erhöht werden müßte, der das ganze Verfahren unwirtschaftlich machen würde.The invention is based on the surprising finding that it is possible, when using an appropriately selected nozzle pitch t Nozzle array with a relatively small effective nozzle diameter d and a small distance h from the nozzle array to the workpiece surface to be cooled with possibly increased gas pressure p in the impact jet field of a cooling gas to achieve a high heat transfer from the workpiece surface to be cooled to the cooling gas flow, without the need for the promotion of the the cooling gas acting on the nozzle field would have to be increased to a value which would make the whole process uneconomical.
Aus der EP 0151 700 A2 ist es zwar bekannt, daß sich durch die Verwendung von Düsenfeldern beim Abkühlen eines Werkstückes ein guter konvektiver Wärmeübergang von der zu kühlenden Werkstückoberfläche zu einem gasförmigen Medium erzielen läßt, doch erschien es bisher offensichtlich unmöglich, auf diese Weise die für Öl- und Wasserhärtung typischen hohen Werte der Abschreckintensität mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu erreichen, weil bei einer Erhöhung der Kühlgasgeschwindigkeit der Energiebedarf für die Gasförderung mit der dritten Potenz der Gasgeschwindigkeit zunimmt und deshalb eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit bei den Düsenfeldern bekannter Gasabschrecksysteme praktisch nicht infrage kommt.From EP 0151 700 A2 it is known that a good convective heat transfer from the workpiece surface to be cooled to a gaseous medium can be achieved by the use of nozzle fields when cooling a workpiece, but so far it has appeared to be obviously impossible, in this way, for To achieve oil and water hardening typical high values of the quenching intensity with economically justifiable effort, because with an increase in the cooling gas speed the energy requirement for gas production increases with the third power of the gas speed and therefore an increase in the gas speed in the nozzle fields of known gas quenching systems is practically out of the question.
Das neue Verfahren erlaubt es, bei der Abschreckung von metallischen Werkstücken mit den für die Salz-, Öl- oder Wasserabschreckung bekannten hohen Werten der Abschreckintensität zu arbeiten, ohne die eingangs geschilderten, bei der Verwendung von nichtgasförmigen Abschreckmedien bekannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dabei ergibt sich gleichzeitig der Vorteil, daß, insbesondere in der kritischen Abschreckphase von Werkstücken aus unlegiertem und niedriglegiertem Stahl, die Abschreckintensität im Bereiche von wenigen Sekunden reproduzierbar geregelt werden kann.The new method makes it possible to work with the high quenching intensity values known for salt, oil or water quenching in the quenching of metallic workpieces, without the disadvantages described at the outset, which are known when using non-gaseous quenching media to have to put up with. At the same time, there is the advantage that, particularly in the critical quenching phase of workpieces made of unalloyed and low-alloy steel, the quenching intensity can be reproducibly controlled within a few seconds.
Die Regelung kann in einfacher Weise durch einen entsprechenden Eingriff auf das das Düsenfeld beaufschlagende, kühlgasfördernde Gebläse und/oder den Kühlgasdruck im System erfolgen.The regulation can be carried out in a simple manner by an appropriate intervention on the cooling gas-promoting fan acting on the nozzle field and / or the cooling gas pressure in the system.
Die praktische Erfahrung hat gezeigt, daß bei dem neuen Verfahren eine Kühlgasgeschwindigkeit w von w = 40 bis 200 m/sec. bei einem wirksamen Düsendurchmesser d von d = 0,5 bis 10 mm in dem Düsenfeld verwendet wird, wobei in dem Düsenfeld eine Düsenteilung von t von t = 4d bis 8d vorhanden ist und der Kühlgasdruck p in dem System bei p = 0,5 bis 20 bar liegt. Das Düsenfeld steht von der zu kühlenden Oberfläche in einem Abstand h von h = 2d bis 8d.Practical experience has shown that with the new method a cooling gas velocity w of w = 40 to 200 m / sec. with an effective nozzle diameter d of d = 0.5 to 10 mm is used in the nozzle field, with a nozzle pitch of t of t = 4d to 8d being present in the nozzle field and the cooling gas pressure p in the system at p = 0.5 to Is 20 bar. The nozzle field is at a distance h of h = 2d to 8d from the surface to be cooled.
Als Kühlgas kann Luft, Stickstoff oder ein Gasgemisch verwendet werden, wobei insbesondere in Fällen, bei denen die dem Abschrecken vorangegangene Wärmebehandlung in einer Schutzgasatmosphäre stattfand, es zweckmäßig ist, als Kühlgas das Schutzgas einzusetzen.Air, nitrogen or a gas mixture can be used as the cooling gas, it being particularly expedient to use the protective gas as the cooling gas in cases in which the heat treatment preceding the quenching took place in a protective gas atmosphere.
Um die Kühlwirkung zu steigern, kann erforderlichenfalls das Kühlgas Wasserstoff oder ein anderes Gas mit gegenüber Luft erhöhter Wärmeleitfähigkeit in einem Anteil von 0 bis 100 Vol.% enthalten. Dieser Wasserstoff kann dem Kühlgas auch eigens zugesetzt werden. Der Zusatz vermindert gleichzeitig die Antriebsleistung des das Kühlgas fördernden Gebläses.To increase the cooling effect, if necessary the cooling gas contains hydrogen or another gas with increased thermal conductivity compared to air in a proportion of 0 to 100 vol.%. This hydrogen can also be added to the cooling gas. The addition simultaneously reduces the drive power of the fan that conveys the cooling gas.
Insbesondere bei Anwendungsfällen, bei denen die Werkstücke in einer Schutzgasatmosphäre, bspw. in einer Ofenkammer erwärmt werden, ist es zweckmäßig, wenn die Werkstücke in einem Raum erwärmt und anschließend abgeschreckt werden, der für beide Vorgänge die im wesentlichen gleiche Gasatmosphäre enthält, wobei in dem Raum zumindest zeitweise auch ein Gasüberdruck aufrecht erhalten werden kann. Dies gewinnt dann an Bedeutung, wenn mit einem Kühlgas (bspw. Schutzgas) gearbeitet wird, dem zur Steigerung der Kühlwirkung Wasserstoff zugesetzt ist. Ein solcher Wasserstoffzusatz bedeutet ein gewisses Explosionsrisiko, dem aber dadurch begegnet werden kann, daß die Gasräume so klein wie möglich gehalten werden, was bei dem neuen Verfahren schon vom System her deshalb begünstigt ist, weil das Düsenfeld in einem geringen Abstand zu der zu kühlenden Werkstückoberfläche angeordnet wird, so daß sich nur kleinvolumige Spalträume ergeben, die mit dem Kühlgas gefüllt sind. Bei Erwärmung der Werkstücke in einer Schutzgasatmosphäre einer Ofenkammer erfolgt deshalb das Gasabschrecken unmittelbar am Ausgang der Ofenkammer, d.h. in einem zumindest zeitweise mit dieser gemeinsamen Raum.Particularly in applications in which the workpieces are heated in a protective gas atmosphere, for example in a furnace chamber, it is expedient if the workpieces are heated and then quenched in a room which contains the essentially the same gas atmosphere for both processes, in which A gas overpressure can be maintained at least temporarily. This becomes more important when working with a cooling gas (e.g. protective gas) to which hydrogen is added to increase the cooling effect. Such addition of hydrogen means a certain risk of explosion, but this can be countered by keeping the gas spaces as small as possible, which is already favored by the system in the new method because the nozzle field is at a short distance from the workpiece surface to be cooled is arranged so that there are only small-volume gap spaces that are filled with the cooling gas. When the Workpieces in a protective gas atmosphere of a furnace chamber are therefore gas quenched directly at the outlet of the furnace chamber, ie in a space that is at least temporarily shared with the latter.
Das neue Verfahren kann an sich zum Abschrecken beliebig geformter Gegenstände eingesetzt werden; wird es zum Abschrecken von hohlen, insbesondere ring- oder rohrförmigen Werkstücken verwendet, so werden dabei zweckmäßigerweise aus einem der Gestalt des Werkstückes angepaßten Düsenfeld Prallstrahlen des Kühlgases sowohl auf die äußere als auch auf die innere Mantelfläche sowie gegebenenfalls auf die Stirnfläche des Werkstückes zur Einwirkung gebracht. Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn während des Abschreckens zumindest zeitweise eine Relativbewegung zwischen der zu kühlenden Werkstückoberfläche und den Prallstrahlen des Düsenfeldes aufrecht erhalten wird, indem bspw. ein ring- oder scheibenförmiges Werkstück - oder das Düsenfeld - gedreht wird, während das jeweils andere Teil stillsteht.The new method can be used for quenching objects of any shape; if it is used for quenching hollow, in particular ring or tubular workpieces, then impact jets of the cooling gas are expediently brought into effect both on the outer and on the inner lateral surface and optionally on the end face of the workpiece from a nozzle field adapted to the shape of the workpiece . Finally, it can be advantageous if, during quenching, a relative movement between the workpiece surface to be cooled and the impact jets of the nozzle field is maintained at least temporarily, for example by rotating an annular or disk-shaped workpiece - or the nozzle field - while the other Part stands still.
Eine zur Durchführung des neuen Verfahrens eingerichtete Abschreckvorrichtung weist eine Abschreckkammer auf, in der wenigstens ein zumindest teilweise von einem Düsenfeld begrenzter, zur Aufnahme einzelner Werkstücke dienender Raum vorgesehen ist. Dieser Raum ist erfindungsgemäß im wesentlichen geschlossen ausgebildet, wobei das Düsenfeld der Gestalt der zu kühlenden Oberfläche des eingebrachten Werkstückes angepaßt gestaltet und derart angeordnet und bemessen ist, daß im Betrieb die zu kühlende Oberfläche des Werkstücks im wesentlichen mit diskreten Prallstrahlen des Kühlgases unter Erzeugung einer Abschreckintensität beaufschlagt ist, die in einem für Öl- oder Wasserabschreckung typischen Bereich (H = 0,2 bis 4) liegt, wobei die Förderleistung von das Düsenfeld beaufschlagenden Gebläsemitteln auf einen maximalen Grenzwert von ca. 1000 kW/m² des Düsenfeldes begrenzt ist.A quenching device set up to carry out the new method has a quenching chamber in which at least one space, which is at least partially delimited by a nozzle field and is used to hold individual workpieces, is provided. According to the invention, this space is essentially designed to be closed, the nozzle field being designed to match the shape of the surface to be cooled of the introduced workpiece and being arranged and dimensioned such that the one to be cooled is in operation Surface of the workpiece is subjected essentially to discrete impingement jets of the cooling gas to produce a quenching intensity which is in a range typical for oil or water quenching (H = 0.2 to 4), the delivery rate of the blower means acting on the nozzle field reaching a maximum limit is limited by approx. 1000 kW / m² of the nozzle field.
Wenigstens einige Düsen des Düsenfeldes können mit wahlweise betätigbaren Drossel- und/oder Verschlußmitteln versehen sein, um die Abschreckwirkung erforderlichenfalls an bestimmten Stellen der Oberfläche des Werkstückes zu beeinflussen, insbesondere zu dämpfen. Auch kann das Düsenfeld zumindest teilweise an einem auswechselbar in die Abschreckkammer eingefügten Einsatzteil ausgebildet sein, so daß die Abschreckvorrichtung auf einfache Weise an jede Werkstückform angepaßt werden kann. In der Regel ist für jede Werkstückform nämlich ein spezielles Düsenfeld erforderlich.At least some of the nozzles in the nozzle array can be provided with selectively operable throttling and / or closing means in order to influence, in particular to dampen, the quenching effect at certain points on the surface of the workpiece if necessary. The nozzle field can also be formed, at least in part, on an insert that can be interchangeably inserted into the quenching chamber, so that the quenching device can be easily adapted to any workpiece shape. As a rule, a special nozzle array is required for each workpiece shape.
In der Abschreckkammer können Antriebsmittel zum Drehen des eingesetzten, insbesondere rotationssymmetrischen Werkstückes und/oder zumindest eines Teiles des Düsenfeldes vorgesehen sein. Diese Antriebsmittel können entweder von außerhalb der Abschreckkammer in diese hineinwirkend ausgebildet sein und/oder ein mit Kühlgas beaufschlagbares Turbinenelement aufweisen, das den Vorteil mit sich bringt, daß keine zusätzliche Antriebsquelle notwendig ist. Insbesondere bei leichteren rotationssymmetrischen Werkstücken, wie Ringen, Zahnrädern, Scheiben, Wellen und dergleichen läßt sich auf diese Weise eine sehr gleichmäßige Abkühlung am Umfang erzielen. Der von dem Düsenfeld in der Abschreckkammer umgrenzte Raum kann auch als Druckraum ausgebildet sein, so daß während des Abschreckvorganges der Druck im Abschrecksystem erhöht werden kann, womit sich die Kühlwirkung weiter steigern läßt.Drive means for rotating the inserted, in particular rotationally symmetrical workpiece and / or at least a part of the nozzle field can be provided in the quenching chamber. These drive means can either be designed to act from outside the quenching chamber and / or have a turbine element to which cooling gas can be applied, which has the advantage that no additional drive source is necessary. Particularly in the case of lighter rotationally symmetrical workpieces, such as rings, gear wheels, disks, shafts and the like, can be achieve a very even cooling on the circumference. The space delimited by the nozzle field in the quenching chamber can also be designed as a pressure space, so that the pressure in the quenching system can be increased during the quenching process, which further increases the cooling effect.
Einer der großen Vorteile des neuen Abschreckverfahrens und der nach diesem Verfahren arbeitenden Abschreckvorrichtung besteht darin, daß die Abschreckintensität in ihrem zeitlichen Verlauf,und damit der Temperatur-/Zeitverlauf der Abkühlung des Werkstückes entsprechend den Erfordernissen des jeweiligen Werkstückes und dessen Werkstoff in vorgegebener reproduzierbarer Weise gesteuert oder geregelt werden können. Dazu kann die Abschreckvorrichtung einen Prozeßrechner zur Steuerung des zeitlichen Verlaufs des Abkühlvorganges aufweisen, dem als Eingangssignale Prozeßdaten wie Mengenstrom, Druck, Temperatur und Zusammensetzung des Kühlgases etc. und werkstückspezifische Daten, wie geometrische Gestalt und Abmessungen, Stoffzusammensetzung etc. und/oder für das Düsenfeld kennzeichnende Daten zugeführt werden und der daraus programmgemäß berechnete Ausgangssignale zur Beeinflussung der Kühlgasbeaufschlagung des Düsenfeldes und/oder des wirksamen Kühlgasdurchtrittsquerschnittes zumindest einiger Düsen des Düsenfeldes und/oder einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Düsenfeld abgibt. Durch Programmsteuermittel können auch die Kühlwirkung an der abzukühlenden Werkstückoberfläche durch entsprechende Beeinflussung von Geschwindigkeit und/oder Druck der Prallstrahlen und/oder des wirksamen Durchtrittsquerschnittes von Düsen des Düsenfeldes im Sinne der Nachbildung der Abschreckwirkung einer Öl- oder Wasserbadhärtung beeinflußt werden. Auf diese Weise kann durch Drosselung der Kühlwirkung nach einer vorgegebenen Temperatur-/Zeitkurve durch entsprechende Reduzierung der Kühlgasgeschwindigkeit und/oder des Kühlgasdruckes etc. der Effekt einer Öl- oder Warmbadhärtung in Salz nachgeahmt werden.One of the great advantages of the new quenching method and the quenching device operating according to this method is that the quenching intensity is controlled in its time course, and thus the temperature / time course of the cooling of the workpiece in accordance with the requirements of the respective workpiece and its material in a predetermined reproducible manner or can be regulated. For this purpose, the quenching device can have a process computer for controlling the chronological course of the cooling process, the process signals such as flow rate, pressure, temperature and composition of the cooling gas etc. and workpiece-specific data such as geometric shape and dimensions, material composition etc. and / or for the nozzle field as input signals characterizing data are supplied and the output signals calculated therefrom according to the program for influencing the cooling gas exposure to the nozzle field and / or the effective cooling gas passage cross section of at least some nozzles of the nozzle field and / or a relative movement between the workpiece and the nozzle field. Program control means can also improve the cooling effect on the workpiece surface to be cooled by correspondingly influencing the speed and / or pressure of the impact jets and / or the effective passage cross section of nozzles of the nozzle array in the sense of simulating the quenching effect of an oil or water bath hardening. In this way, by throttling the cooling effect according to a predetermined temperature / time curve by correspondingly reducing the cooling gas speed and / or the cooling gas pressure etc., the effect of oil or hot bath hardening in salt can be imitated.
Insbesondere mit Rücksicht auf die Reduktion der Explosionsgefahr bei Verwendung eines Wasserstoffzusatzes zu dem Kühlgas, sowie mit Rücksicht auf die Verringerung der Gebläseleistung für die Förderung des Kühlgases ist es häufig von Vorteil, wenn die Abschreckvorrichtung unmittelbar an den Ausgang der eine Schutzgasatmosphäre enthaltenden Ofenkammer eines kontinuierlichen Durchlaufofens, insbesondere eines Rollenherdofens, im wesentlichen gasdicht angeschlossen ist. Die Abschreckvorrichtung kann dazu eine mit der Ofenkammer in Verbindung stehende Be- und Entladekammer aufweisen, die nach außen zu durch eine wahlweise betätigbare Tür verschlossen ist. Auch kann die Be- und Entladekammer mit dem von dem Düsenfeld umgrenzten Raum durch wahlweise betätigbare Verschlußmittel verbunden sein, die es erlauben, den Abschreckvorgang unter Kühlgasüberdruck - zumindest zeitweise - ablaufen zu lassen.Particularly with a view to reducing the risk of explosion when using an addition of hydrogen to the cooling gas, and with a view to reducing the blower output for conveying the cooling gas, it is often advantageous if the quenching device is located directly at the outlet of the furnace chamber containing a protective gas atmosphere of a continuous continuous furnace , in particular a roller hearth furnace, is connected essentially gas-tight. For this purpose, the quenching device can have a loading and unloading chamber which is connected to the furnace chamber and which is closed to the outside by an optionally operable door. The loading and unloading chamber can also be connected to the space delimited by the nozzle field by means of selectively operable closure means which allow the quenching process to be carried out under cooling gas pressure, at least temporarily.
Bei kleineren Stückzahlen der zu behandelnden Werkstücke werden diese in der Regel einzeln hintereinander jeweils in die Abschreckkammer eingebracht, dort abgeschreckt und sodann ihrer Weiterverwendung zugeführt. Um die Durchsatzleistung zu erhöhen, kann die Abschreckvorrichtung aber auch mehrere nebeneinander angeordnete und parallel zueinander betreibbare Abschreckkammern aufweisen. Schließlich kann die Anordnung derart getroffen sein, daß die Abschreckvorrichtung mehrere hintereinanderliegende Abschreckkammern aufweist, die gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von anderen Behandlungsstationen, etwa zum Kalibrieren der Werkstücke etc., durch eine Transporteinrichtung miteinander verbunden sind, wobei die Abschreckkammern zum Betrieb mit unterschiedlicher Abschreckwirkung eingerichtet sind. Damit ist es bspw. möglich, mit unterschiedlichen Kühlgaseintrittstemperaturen eine Stufenabkühlung zu erreichen.In the case of smaller quantities of the workpieces to be treated, these are generally introduced one after the other into the quenching chamber, quenched there and then reused fed. In order to increase the throughput, the quenching device can also have a plurality of quenching chambers arranged next to one another and operable in parallel with one another. Finally, the arrangement can be such that the quenching device has a plurality of quenching chambers arranged one behind the other, which are optionally connected to one another by a transport device with the interposition of other treatment stations, for example for calibrating the workpieces, the quenching chambers being set up for operation with different quenching effects. This makes it possible, for example, to achieve step cooling with different cooling gas inlet temperatures.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Diagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgemäß erreichbaren Abschreckintensitäten für verschiedene Gasdüsenfelder im Vergleich mit herkömmlichen Abschrecksystemen,
- Fig. 2
- eine Abschreckvorrichtung gemäß der Erfindung, im axialen Schnitt, in einer Seitenansicht, in schematischer Darstellung und angebaut an den Ausgang der Ofenkammer eines Rollenherdofens,
- Fig. 3
- das Düsenfeld der Abschreckvorrichtung nach Fig. 2, im axialen Schnitt, in einer Prinzipdarstellung und in einem anderen Maßstab,
- Fig. 4
- die Anordnung nach Fig. 3, geschnitten längs der Linie A-A der Fig.3, in einer Draufsicht,
- Fig. 5
- die Kühlgasversorgungseinrichtung der Abschreckvorrichtung nach Fig. 1, zusammen mit der zugehörigen Steuerungseinrichtung, in einer schematischen Darstellung,
- Fig. 6
- eine Ringhärteanlage mit zwei hintereinander geschalteten Abschreckvorrichtungen gemäß der Erfindung, in einer schematischen Teildarstellung und in der Draufsicht, und
- Fig. 7
- ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperatur-Zeit-Verlaufs bei der erfindungsgemäßen Abkühlung eines Ringes in einem Gasdüsenfeld, mit einem Düsendurchmesser von d = 2 mm.
- Fig. 1
- 2 shows a diagram to illustrate the quenching intensities that can be achieved according to the invention for different gas nozzle fields in comparison with conventional quenching systems,
- Fig. 2
- 1 a quenching device according to the invention, in axial section, in a side view, in a schematic representation and attached to the exit of the furnace chamber of a roller hearth furnace,
- Fig. 3
- 2, in axial section, in a schematic diagram and on a different scale,
- Fig. 4
- 3, cut along the line AA of Figure 3, in a plan view,
- Fig. 5
- 1, together with the associated control device, in a schematic representation,
- Fig. 6
- a ring hardening plant with two series quenching devices according to the invention, in a schematic partial view and in plan view, and
- Fig. 7
- a diagram to illustrate the temperature-time curve in the cooling of a ring according to the invention in a gas nozzle field, with a nozzle diameter of d = 2 mm.
Die mit bekannten Abschrecksystemen, welche als Abschreckmedium insbesondere Gas, Salze, Öl oder Wasser benutzen, am Werkstück erzielbare Abschreckwirkung, die sogenannte Abschreckintensität, ist beschrieben durch den sogenannten H-Wert, in dem linken Teil des Diagramms nach Fig. 1 dargestellt. Daraus ergibt sich, daß in dem in der Praxis infragekommenden H-Werte-Bereich von etwa 0,05 bis 4 die größte Abschreckintensität, d.h. die schroffeste Abkühlung, sich bisher nur bei Verwendung von Wasser als Abschreckmedium erzielen ließ. Der H-Wert für ein Wasserabschrecksystem liegt bei ca. 0,8 bis 4 Mit Öl als Abschreckmedium lassen sich, abhängig davon, ob die Abschreckung milde oder schroff durchgeführt wird, H-Werte von ca. 0,3 bis 1 erzielen, während Warmbadabschrecksysteme im Salz mit einem H-Wert von ca. 0,2 bis 0,4 arbeiten. Die mit bekannten Gasabschrecksystemen erreichbare Abschreckintensität ist verhältnismäßig nieder; sie liegt in einem H-Wert-Bereich von bis zu max. ca. H = 0,2. Für die Gasabschreckung von Werkstücken im durchströmten Stapel ist es bekannt, daß der H-Wert bisher in der Größenordnung von 0,1 liegt.The quenching effect, known as the quenching intensity, which can be achieved on the workpiece with known quenching systems, which use gas, salts, oil or water in particular, is described by the so-called H value in the left part of the diagram in FIG. 1. It follows that in the practical H-value range of about 0.05 to 4, the greatest quenching intensity, i.e. the most abrupt cooling, previously only achieved using water as a quenching medium. The H value for a water quenching system is approx. 0.8 to 4. With oil as the quenching medium, depending on whether the quenching is mild or abrupt, H values of approx. 0.3 to 1 can be achieved, while hot bath quenching systems work in salt with an H value of approx. 0.2 to 0.4. The quenching intensity achievable with known gas quenching systems is relatively low; it is in an H value range of up to max. approx. H = 0.2. For the gas quenching of workpieces in the stack through which it flows, it is known that the H value has hitherto been on the order of 0.1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es überraschenderweise möglich ist, die Gasabschreckung bei aus Stahl bestehenden Werkstücken derart durchzuführen, daß eine Abschreckintensität in einem für Öl- oder Wasserabschreckung typischen Bereich von H = 0,2 bis 4 erreicht wird, und zwar ohne daß dabei die Gasgeschwindigkeit auf praktisch nicht realisierbare hohe Werte gebracht oder unwirtschaftlich große Gasmengen umgewälzt werden müßten, d.h. ohne daß die Förderleistung für das Kühlgas einen vorbestimmten wirtschaftlich vertretbaren oberen Grenzwert überschreitet.The invention is based on the finding that it is surprisingly possible to carry out gas quenching in the case of workpieces consisting of steel in such a way that a quenching intensity in a range of H = 0.2 to 4 typical for oil or water quenching is achieved, and although without the gas velocity having to be brought to practically unrealizable high values or uneconomically large amounts of gas having to be circulated, ie without the delivery rate for the cooling gas exceeding a predetermined economically justifiable upper limit.
Um bei der Anwendung von Kühlgas als Abschreckmedium die dem hohen H-Werte-Bereich von 0,2 bis 4 entsprechende große Abschreckintensität zu erzielen, wird bei dem neuen Verfahren das Kühlgas in Form diskreter, aus einem Düsenfeld austretender Prallstrahlen auf die zu kühlende Werkstückoberfläche zur Einwirkung gebracht, wobei durch entsprechende Wahl von Gasstrahlparametern, insbesondere der Gasgeschwindigkeit W, des Gasdruckes P, der Gasstrahlquerschnittsfläche und der Zahl der Prallstrahlen pro Flächeneinheit die Abschreckintensität regelbar eingestellt wird.In order to achieve the high quenching intensity corresponding to the high H-value range of 0.2 to 4 when using cooling gas as the quenching medium, the cooling gas is applied to the workpiece surface to be cooled in the form of discrete impingement jets emerging from a nozzle field Brought into action, the quenching intensity being regulated in a controllable manner by appropriate selection of gas jet parameters, in particular the gas velocity W, the gas pressure P, the gas jet cross-sectional area and the number of impact jets per unit area.
Dies wird im folgenden anhand einer nach dem neuen Abschreckverfahren arbeitenden Abschreckvorrichtung für Wälzlagerringe erläutert, die in den Fig. 2 bis 5 dargestellt ist:
Die Abschreckvorrichtung 1 (Fig. 2) weist ein Gehäuse 2 auf, das einen ringsumlaufenden Anschlußflansch 3 trägt, mit dem es gasdicht an die Außenwand eines Rollenherdofens 4 angesetzt ist, dessen Ofenkammer mit 5 bezeichnet und dessen Rollenherd bei 6 angedeutet sind. Das im wesentlichen kastenförmige Gehäuse 2 bildet die eigentliche Abschreckkammer. In es ist von oben her ein topfförmiger zylindrischer Einsatz 5 eingesetzt, der mit einem randseitigen Flansch 6 abgedichtet auf eine entsprechende Ringschulter 7 einer ihn im seitlichen Abstand umschließenden Gehäusewand 8 aufgesetzt ist.This is explained below with reference to a quenching device for rolling bearing rings which operates according to the new quenching method and which is shown in FIGS. 2 to 5:
The quenching device 1 (FIG. 2) has a
Der Einsatz 5 ist mit einem hohlzylindrischen Mittelteil 9 ausgebildet, das an der oberen Stirnseite durch eine angeformte Stirnwand 10 verschlossen ist und das an der gegenüberliegenden Stirnseite sich an eine ebenfalls angeformte, radial nach außen erstreckende kreisrunde Ringfläche 11 anschließt, die in eine angeformte äußere zylindrische Wand 12 übergeht, welche koaxial zu der innenliegenden Zylinderwand 13 des Mittelteiles 9 angeordnet ist. Die äußere und die innere Zylinderwand 12,13 umschließen gemeinsam mit der Ringwand 11 einen zylindrischen Ringraum 14, dessen Größe in Axial- und Radialrichtung so bemessen ist, daß er gerade einen Wälzlagerring 15 aufnehmen kann, der das abzukühlende Werkstück bildet. Nach oben zu ist der Ringraum 14 während des Abschreckvorganges durch einen wahlweise betätigbaren Deckel 16 verschlossen, der in der in Fig. 2 dargestellten Schließstellung randseitig über eine Dichtung 17 auf dem Einsatz 5 abgedichtet aufliegt. Der Deckel 16 ist mit der Kolbenstange 18 eines pneumatischen Hubzylinders 19 verbunden, welcher auf einer einen Teil des Gehäuses 2 bildenden Haube 20 befestigt ist, die gemeinsam mit dem Einsatz 5 und der Gehäuseseitenwand 8 einen Be- und Entladeraum 21 begrenzt. Der Be- und Entladeraum 21 steht unmittelbar, d.h. ohne dazwischengeschaltete Schleuse, über den Ofenausgang 22 mit der Ofenkammer 5 in Verbindung. Er ist auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Tür 23 verschlossen, welche wahlweise geöffnet und geschlossen werden kann.The
Unterhalb der Tür ist mit der Oberseite des Einsatzes 5 fluchtend ein Ablegetisch 24 an die Gehäuseseitenwand 8 angesetzt.Below the door, a
Die innere und die äußere Zylinderwand 12, 13 des Einsatzes 5 sind mit radialen zylindrischen Düsenbohrungen 25 versehen, die achsparallel zueinander im wesentlichen horizontal ausgerichtet angeordnet sind. Jede der Düsenbohrungen 25 ist auf der Außenseite der äußeren Zylinderwand 12 und auf der Innenseite der inneren Zylinderwand 13 mit einer trichterförmigen Ansenkung 26 ausgebildet.The inner and
Die von beiden Seiten her in den Ringraum 14 mündenden Düsenbohrungen 25 bilden ein Düsenfeld, das über seine axiale Höhe den Ringraum 14 sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite seitlich umgrenzt.The nozzle bores 25 opening into the
Im Betrieb sind die Düsenbohrungen 25 mit einem Kühlgas beaufschlagt, das über einen Leitungsanschluß 27 einem in dem Gehäuse 2 ausgebildeten Druckraum 28 zugeführt wird, der in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise oben durch den Einsatz 5 abgeschlossen ist und der die innere und die äußere Zylinderwand 12, 13 und die Ringwand 11 jeweils einseitig umgibt. Das durch die Düsenbohrungen 25 des Düsenfeldes in den Ringraum 14 einströmende Kühlgas wird über wenigstens zwei die Ringwand 11 und die Bodenwand 29 des Druckraumes 28 abgedichtet durchquerende Leitungsstutzen 30 in einen Sammelraum 31 des Gehäuses 2 geleitet, der mit einem Leitungsanschluß 32 in Verbindung steht und unterhalb des Druckraumes 28 angeordnet ist.In operation, the nozzle bores 25 are acted upon by a cooling gas which is fed via a
In dem Ringraum 14 sind Auflagemittel für den abzuschreckenden Wälzlagerring 15 angeordnet, die diesen jeweils in der richtigen Höhenlage und im richtigen Abstand bezüglich der Düsenbohrungen 25 des Düsenfeldes halten. Diese Auflagemittel sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel derart gestaltet, daß sie den koaxial zu dem Einsatz 5 und radial mittig zwischen den Düsenfeldabschnitten in der äußeren und der inneren Zylinderwand 12, 13 gehaltenen Wälzlagerring 15 während des Abschreckvorganges um die bei 33 (Fig. 2) angedeutete Achse des Einsatzes 5 in Umdrehung versetzen können.Support means for the
Um dies zu erreichen, können verschieden gestaltete Antriebsmittel verwendet werden, von denen in Fig.2 zwei Ausführungsformen veranschaulicht sind:
Auf der links der Achse 33 liegenden Seite sind Antriebs- und Auflagemittel dargestellt, die aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter Bundrollen 34 bestehen, deren Länge geringfügig kürzer als die radiale Breite des sie aufnehmenden Ringraumes 14 ist und die auf radialen Wellen 35 sitzen, welche abgedichtet in entsprechenden Lagern der inneren und der äußeren Zylinderwand 14 gelagert sind. Jede Welle 35 trägt auf ihrem in dem Hohlraum des Innenteils 9 liegenden Endteil ein aufgekeiltes Kegelrad 36, das mit einem gemeinsamen Tellerrad 37 in Eingriff steht. Das Tellerrad 37 sitzt seinerseits auf einer Antriebswelle 38, die koaxial zu der Achse 33 in einer entsprechenden Lagerbohrung 39 des Gehäuses 2 drehbar gelagert ist. Die Welle 38 wird von einer nicht weiter dargestellten Antriebsquelle im Sinne des in Fig. 2 bei 40 angedeuteten Pfeiles in Umdrehung versetzt. Im Bereiche ihrer Durchführung durch den Druckraum 28 ist sie bei 41 abgedichtet.To achieve this, differently designed drive means can be used, two embodiments of which are illustrated in FIG. 2:
On the left of the
Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 2 rechts der Achse 33 dargestellt. Die Antriebs- und Auflagemittel sind dabei durch einen Turbinenring 42 gebildet, der in dem Ringraum 14 auf der Ringwand 11 und der inneren Zylinderwand 13 drehbar gelagert ist. Der Turbinenring 42 weist eine bei 43 angedeutete Beschaufelung auf, auf der der Wälzlagerring 15 aufliegt. Sein Antrieb erfolgt im Betrieb über Düsenbohrungen 25, die im Bereiche der Ringwand 11 unterhalb des Turbinenringes 43 angeordnet und von dem Druckraum 28 her mit Kühlgas beaufschlagbar sind.An alternative embodiment is shown in FIG. 2 to the right of
Der Aufbau des von den Düsenbohrungen 25 gebildeten Düsenfeldes ist im einzelnen in den Fig. 3,4 anhand eines schematischen Modells des Einsatzes 5 und des diesen umgebenden Gehäuses 2 veranschaulicht. Bei dieser Modelldarstellung sind mit Fig. 2 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The structure of the nozzle field formed by the nozzle bores 25 is illustrated in detail in FIGS. 3, 4 on the basis of a schematic model of the
In dem Düsenfeld sind die zylindrischen Düsenbohrungen 25 mit gleichem Durchmesser d und in gleicher Düsenteilung t angeordnet. Das Düsenfeld umfaßt bei diesem Ausführungsbeispiel drei in gleichen Abständen t, d.h. entsprechend der seitlichen Düsenteilung t angeordnete Düsenbohrungsreihen (vergl. Fig. 3). Der abzuschreckende Wälzlagerring 15 ist in dem Ringraum 14 auf lediglich durch die Auflagekanten 44 angedeuteten Antriebs- und Auflagemitteln in einer solchen Höhe koaxial zu der Achse 33 angeordnet, daß er in Axialrichtung symmetrisch zu den drei übereinanderliegenden Düsenbohrungsreihen liegt (vergl.Fig.3). Außerdem sitzt der Wälzlagerring 15 radial mittig in der Ringkammer 14, was bedeutet, daß der radiale Abstand h zwischen dem Düsenfeld und der Außen- bzw. Innenumfangsfläche des Wälzlagerringes gleich groß ist. Da die Düsenbohrungen 25 des Düsenfeldes rechtwinklig zu der Achse 33 orientiert sind, sind sie auch rechtwinklig zu der inneren und äußeren Umfangsfläche des Wälzlagerringes 15 gerichtet. Aus den Düsenbohrungen 25 austretende Gasstrahlen treffen deshalb in Form diskreter Prallstrahlen auf die äußere und innere Umfangsfläche des Wälzlagerringes 15 auf.The cylindrical nozzle bores 25 with the same diameter d and the same nozzle pitch t are arranged in the nozzle field. In this exemplary embodiment, the nozzle array comprises three rows of nozzle bores arranged at equal intervals t, ie corresponding to the lateral nozzle pitch t (see FIG. 3). The
Das beschriebene Düsenfeld weist folgende charakteristische Abmessungen auf:
Düsenbohrungsdurchmesser d = 0,5 bis 10 mm
Düsenbohrungsteilung t = 4 d bis 8 d
Abstand des Düsenfeldes von der zu kühlenden Werkstücksoberfläche h = 2d bis 8d.The nozzle field described has the following characteristic dimensions:
Nozzle bore diameter d = 0.5 to 10 mm
Nozzle bore pitch t = 4 d to 8 d
Distance of the nozzle field from the workpiece surface to be cooled h = 2d to 8d.
Im Betrieb ist der Druckraum 28 über den Leitungsanschluß 27 von einem Gebläse 45 (Fig. 5) mit einem Kühlgas beaufschlagt, wobei der Gesamtdruck im System, d.h. in dem Druckraum 28 P = 0,5 bis 20 bar beträgt.In operation, the
Die Gasgeschwindigkeit w = 40 bis 200 m/sec. am Austritt der Düsenbohrungen 25.The gas velocity w = 40 to 200 m / sec. at the outlet of the nozzle bores 25.
Da der das Düsenfeld tragende Einsatz 5 herausnehmbar in das Gehäuse 8 eingefügt ist, kann das Düsenfeld in einfacher Weise durch Austausch der Einsätze 5 an verschiedene Abmessungen und Größen der abzuschreckenden Wälzlagerringe 15 oder anderer ringförmiger Werkstücke angepaßt werden. Wichtig ist in jedem Fall, daß das Düsenfeld der Form des abzukühlenden Werkstückes möglichst genau folgt, um eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung der abzukühlenden Werkstückoberfläche mit aus den Düsenbohrungen 25 des Düsenfeldes austretenden Prallstrahlen des Kühlgases zu gewährleisten. Bei der Behandlung von ring- oder scheibenförmigen Werkstücken, Zahnrädern und dergleichen ergeben sich entsprechend der Werkstückform andere Gestaltungen des Einsatzes 5 und dessen das Düsenfeld tragender Teile. Das Düsenfeld kann, wie im vorliegenden Fall, aus mehreren Abschnitten bestehen, die innen und außen oder oben und unten liegende Werkstückoberflächen kühlen. Der Düsenbohrungsdurchmesser d und der Abstand h zu der zu kühlenden Werkstückoberfläche sind immer verhältnismäßig klein.Since the
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Abschreckvorrichtung 1 unmittelbar an den Ausgang des Rollenherdofens 4 angeschlossen, dessen grundsätzlicher Aufbau bspw. in der DE-PS 38 16 503 beschrieben ist. Bei geöffnetem Deckel 16 steht der Ringraum 14 deshalb mit der Ofenkammer 5 unmittelbar in Verbindung, die eine Schutzgasatmosphäre enthält. Damit finden die Erwärmung der Wälzlagerringe 15 und deren anschließendes Abschrecken im Düsenfeld der Abschreckvorrichtung 1 in einem gemeinsamen Schutzgasraum statt, was es erlaubt, Schutzgas zu sparen und die Zeit, die sonst für etwaige Schleusenvorgänge erforderlich wäre, zu vermeiden. Das bei Wasserstoffzusatz zu dem Schutzgas vorhandene Explosionsrisiko wird gleichzeitig auf ein Minimum reduziert.In the described embodiment, the
Grundsätzlich kann der Deckel 16 (Fig. 2) auch weggelassen werden, wenn es mit Rücksicht auf die Gestalt und den Werkstoff desabzukühlenden Werkstückes möglich ist, mit einem verhältnismäßig geringen Kühlgasdruck in dem Ringraum 14 das Auslagen zu finden. Es ist auch möglich, die Erwärmung und das Abschrecken im Düsenfeld der Abschreckvorrichtung 1 in einem gemeinsamen, von der Ofenkammer 5 und dem Ringraum 14 gebildeten Überdruckraum vorzunehmen, wenn die Wände dieser Räume entsprechend überdruckfest ausgebildet sind. Damit kann ebenfalls die durch den Deckel 16 gebildete Druckschleuse entfallen.In principle, the cover 16 (FIG. 2) can also be omitted if, given the shape and the material of the workpiece to be cooled, it is possible to find the deliveries in the
Die Kühlgasversorgung der Abschreckvorrichtung 1 ist in Fig. 5 veranschaulicht:
Das druckseitig über den Leitungsanschluß 27 den Druckraum 28 mit Kühlgas beaufschlagende Gebläse 45 ist saugseitig über einen Gaskühler 46 mit einem Kühlmittelstellglied 47 mit dem Leitungsanschluß 32 des Gehäuses 2 verbunden. An das zwischen dem Gaskühler 46 und dem Leitungsanschluß 32 liegende Kühlgasleitungsstück 48 ist über ein Stellventil 49 ein Gasentspannungsbehälter 50 angeschlossen, von dem über einen Druckregler 51 eine Abgasleitung 52 abgeht, die gegebenenfalls wieder in die Ofenkammer 5 zurückführt. Auf der Druckseite des Gebläses 45 sind an dessen Druckleitung 53 über Stellventile 54, 55 zwei Druckgasflaschen 56, 57 angeschlossen, die Zusatzgas, bspw, Wasserstoff Und/oder Stickstoff enthalten. Außerdem liegen in der Druckleitung 53 Sensoren 58, 59, 60, 61 für den Mengenstrom, die Temperatur, den Druck und die Zusammensetzung des in den Druckraum 28 eingespeisten Kühlgases.The cooling gas supply of the
The
Diese Sensoren sind ausgangsseitig mit einem Prozeßrechner 62 verbunden, dem sie für die von ihnen überwachten Kenngrößen charakteristische Signale übermitteln. Außerdem erhält der Prozeßrechner 62 für die Ist-Temperatur des abzuschreckenden Wälzlagerringes 15 kennzeichnende Signale, die von einem Temperatursensor 63 geliefert werden, welcher über ein in die Gehäuseseitenwand 8 und den Einsatz 5 druckdicht eingesetztes Fenster 64 die äußere Umfangsfläche des Wälzlagerringes abfühlt.On the output side, these sensors are connected to a
Aus den von den Sensoren 58 bis 61 empfangenen prozeßspezifischen Signalen (Mengenstrom, Temperatur, Druck und Zusammensetzung des Kühlgases) sowie aus vorher eingegebenen Daten, die für das zu behandelnde Werkstück 15 (Geometrie und Werkstoffwerte) sowie das Düsenfeld kennzeichnend sind, errechnet der Prozeßrechner 62 Ausgangssignale zur Steuerung des Gebläses 45, der die Zusatzgasmenge beeinflussenden Stellventile 54, 55 des Kühlmittelstellventiles 47 und des in den Entspannungsbehälter 50 führenden Stellventiles 49. Zusammen mit den von dem Temperatursensor 63 empfangenen Signalen für die Ist-Temperatur des Werkstücks 15 regelt der Prozeßrechner 62 auf diese Weise selbsttätig den Abschreckvorgang an dem in dem Ringraum 14 befindlichen Werkstück, wobei er weitgehend jeden vorgegebenen Temperatur-Zeitverlauf an der abzukühlenden Oberfläche des Werkstückes 15 einregeln kann.The
Bei dem Betrieb der beschriebenen Anlage werden die Werkstücke in Form der Wälzlagerringe 15 auf dem Rollenherd 6 fortlaufend durch die Ofenkammer 5 geführt und in deren darin enthaltener Schutzgasatmosphäre auf Härtetemperatur erwärmt. Nach Abschluß dieser Erwärmung gelangen die Wälzlagerringe 15 einzeln aufeinanderfolgend durch den Ofenausgang 22 (Fig.2) in den Be- und Entladeraum 21 der Abschreckvorrichtung 1, deren Deckel 16 sich bei geschlossener Tür 23 in der geöffneten oberen Stellung befindet. Der jeweils in der Be- und Entladekammer 21 eintreffende Wälzlagerring 15 fällt in die Ringkammer 14, in der er auf den Antriebs- und/oder Auflagemitteln, bspw. auf den Bundrollen 35 oder dem Turbinenring 42, lagerichtig zu liegen kommt. Sodann wird der Deckel 16 geschlossen; das Gebläse 45 (Fig. 5) wird eingeschaltet, und der Druckraum 28 wird mit Kühlgas beaufschlagt, das das gleiche Schutzgas ist wie es in der Ofenkammer 5 enthalten ist.During the operation of the system described, the workpieces in the form of the roller bearing rings 15 on the
Das aus den Düsenbohrungen 25 austretende Kühlgas trifft in Form von Prallstrahlen auf die zu kühlende äußere und innere Umfangsfläche des Wälzlagerringes 15 auf, wo es eine schroffe gleichmäßige Abkühlung des sich drehenden Wälzlagerringes 15 bewirkt. Das von dem Wälzlagerring 15 abströmende Kühlgas wird über die Leitungsstutzen 30 von dem Gebläse 45 abgesaugt, wobei ihm in dem Gaskühler 46 die aufgenommene Wärmemenge entzogen wird. Der Temperatur-Zeitverlauf der Abkühlung wird von dem Prozeßrechner 62 in bereits beschriebener Weise geregelt. Nach erreichter Abkühlung auf die gewünschte Temperatur werden das Gebläse 45 abgestellt, der Deckel 16 geöffnet und der abgekühlte Wälzlagerring 15 von einem nicht dargestellten Manipulator aus dem Ringraum 14 entnommen und bei kurzzeitig geöffneter Tür 23 auf dem Ablagetisch 24 abgelegt. Nach Schließen der Tür 23 ist die Abschreckvorrichtung zum Abkühlen des von dem Rollenherd nächstfolgend herangeführten Wälzlagerringes 15 bereit.The cooling gas emerging from the nozzle bores 25 impinges in the form of impact jets on the outer and inner circumferential surface of the
Die auf die beschriebene Weise durch Gasabschreckung in dem Düsenfeld erzielbare Abschreckintensität ist in dem Diagramm nach Fig. 1 auf der rechten Seite im Vergleich zu den Abschreckintensitäten veranschaulicht, wie sie bei den bekannten Abschrecksystemen erzielbar sind.Dargestellt sind vier Düsenfelder, deren Düsenbohrungsdurchmesser d jeweils 1, 2,4 und 8 mm beträgt. Die Düsenteilung t und der Düsenfeldabstand h betragen 5 x d. Die Gasgeschwindigkeit w ist 100 m/sec.The quenching intensity that can be achieved in the nozzle field by gas quenching in the manner described is illustrated in the diagram of FIG. 1 on the right in comparison with the quenching intensities that can be achieved in the known quenching systems. Four nozzle fields are shown, the nozzle bore diameter d of which is 1 in each case , 2.4 and 8 mm. The nozzle pitch t and the nozzle field distance h are 5 x d. The gas velocity w is 100 m / sec.
Die für die Gasförderung erforderliche Leistung des Gebläses 45 beträgt ungefähr
sie überschreitet in keinem Fall einen maximalen Grenzwert von 1000 kW je m² Düsenfeld.The power of the
in no case does it exceed a maximum limit of 1000 kW per m² of nozzle area.
Für jeden Düsenbohrungsdurchmesser d ist der Gasdruck p durch eine Skala zwischen 1 und 8 bar eingetragen.For each nozzle bore diameter d, the gas pressure is p entered on a scale between 1 and 8 bar.
Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß sich die Abschreckintensität mit kleiner werdendem Düsenbohrungsdurchmesser d zunehmend erhöht. Man wird deshalb aus den in Fig. 1 dargestellten vier Düsenfeldern mit d = 1, 2, 4 und 8 im Interesse einer möglichst geringen Gebläseleistung nach Möglichkeit das kleinste Düsenfeld, z.B. mit d = 1 mm, auswählen. Das Diagramm zeigt, daß man dabei schon ohne Überdruck die Abschreckwirkung oder -intensität einer mittleren Ölabschreckung (H = 0,4 bis 0,7) erzielen kann, und dies bei einer Gebläseleistung von 35 bis 50 kW je m² Düsenfeld.It can be seen from the diagram that the quenching intensity increases as the nozzle bore diameter d becomes smaller. Therefore, from the four nozzle fields shown in Fig. 1 with d = 1, 2, 4 and 8, the smallest nozzle field, e.g. with d = 1 mm. The diagram shows that the quenching effect or intensity of a medium oil quenching (H = 0.4 to 0.7) can be achieved even without overpressure, and this with a blower output of 35 to 50 kW per m² of nozzle field.
Düsenbohrungsdurchmesser < 1 mm sind wegen der Verschmutzungsgefahr und wegen des geringen Abstandes nur in Sonderfällen anwendbar.Nozzle bore diameters <1 mm can only be used in special cases due to the risk of contamination and the small distance.
Dagegen kann es notwendig werden, den Düsenbohrungsdurchmesser d und damit gleichzeitig den Abstand h des Düsenfeldes von der abzukühlenden Werkstückoberfläche zu erhöhen, wenn die abzuschreckenden Werkstücke größer sind oder eine besonders geformte Oberfläche aufweisen, wie dies bspw. bei Zahnrädern der Fall ist. Bei gleichem H-Wert muß dies durch einen höheren Druck p und eine in gleichem Maße höhere Gebläseleistung kompensiert werden.On the other hand, it may be necessary to increase the nozzle bore diameter d and thus the distance h of the nozzle field from the workpiece surface to be cooled if the workpieces to be quenched are larger or have a specially shaped surface, as is the case with gearwheels, for example. With the same H value, this must be compensated for by a higher pressure p and an equally higher fan output.
Allgemein gilt, daß sich die Abschreckintensität mit Erhöhung des Druckes p des Kühlgases und durch Verringerung des Düsenbohrungsdurchmessers d bei geringem Abstand h erhöhen läßt. Eine weitere Erhöhung läßt sich durch Zusatz eines Gases mit im Vergleich zu Luft hoher Wärmeleitfähigkeit,insbesondere Wasserstoff, erreichen, der in Ofenschutzgasen ohnehin häufig enthalten ist. Eine vergleichbare Wirkung hätte ein Heliumzusatz, der aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel aber nicht infragekommt. Das Diagramm der Fig. 1 zeigt, daß es mit einem Wasserstoffzusatz von bspw. 40 Vol.%,bei einem Düsenbohrungsdurchmesser von 1 mm und einem Druck von 8 bar ohne weiteres möglich ist, Abschreckintensitäten zu erreichen, wie sie für Wasserabschreckung typisch sind (H = 2 ).In general, the quenching intensity can be increased by increasing the pressure p of the cooling gas and by reducing the nozzle bore diameter d at a small distance h. A further increase can be compared by adding a gas to air of high thermal conductivity, especially hydrogen, which is often contained in protective gases from the furnace anyway. A helium additive would have a comparable effect, but is generally not an option for economic reasons. The diagram in FIG. 1 shows that with the addition of hydrogen, for example 40% by volume, with a nozzle bore diameter of 1 mm and a pressure of 8 bar, it is readily possible to achieve quenching intensities which are typical for water quenching (H. = 2).
Die anhand der Fig. 2 bis 5 erläuterte Abschreckvorrichtung hat angebaut an einen kontinuierlichen Durchlaufofen, bspw. den Rollenherdofen 4, u.a. den Vorteil, daß sie gemeinsam mit dem Durchlaufofen unmittelbar in einer Fertigungslinie für Werkstücke angeordnet werden kann, die vor ihrer Weiterverarbeitung einer Wärmebehandlung und anschließenden Abschreckung bedürfen. Dies ist bspw. bei Ölabschrecksystemen schon wegen der damit verbundenen Feuergefahr nicht ohne weiteres möglich. Dabei kann der ganze Wärmebehandlungsvorgang automatisiert werden, wobei auch erforderlichenfalls der Werkstückdurchsatz pro Zeiteinheit erhöht werden kann, während gleichzeitig die Möglichkeit besteht, die Werkstücke ggfs. einer Stufenabkühlung mit unterschiedlichen Gaseintrittstemperaturen in den einzelnen Stufen, eventuell sogar mit dazwischengeschalteten Operationen zum Kalibrieren der Werkstücke etc., zu unterwerfen. Dies sei kurz anhand der Fig. 6 erläutert:
Auf dem Rollenherd 6 des Rollenherdofens 4 werden in diesem Falle die Wälzlagerringe 15 in drei Reihen parallel nebeneinander durch die Ofenkammer 5 transportiert. Sowie die vorderste Reihe der kontinuierlich durchtransportierten Wälzlagerringe 15 eine in der Nähe des Ofenausgangs 22 angeordnete Lichtschranke 65 unterbricht, wird ein anschließender, zu der Abschreckvorrichtung führender, ausgangsseitiger Abschnitt 66 des Rollenherdes 6 von einem Schnellgangantrieb 67 angetrieben, der die Wälzlagerringreihe unter Vergrößerung des Abstandes zu der nachfolgenden Wälzlagerringreihe durch den Ofenausgang 22 in eine erste Kühlstation A transportiert. In der Kühlstation A sind drei Abschreckvorrichtungen 1 parallel nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse 68 untergebracht, das unmittelbar an die Ausgangsseite des Rollenherdofens 4 angeflanscht ist und dessen Kühlgasein- und -auslässe in Fig. 6 durch zwei Pfeile 69, 70 angedeutet sind. Jede der Abschreckvorrichtungen 1 ist entsprechend Fig. 2 gestaltet.The quenching device explained with reference to FIGS. 2 to 5 has been attached to a continuous continuous furnace, for example the
In this case, the roller bearing rings 15 in three rows on the
Nachdem die Wälzlagerringe parallel nebeneinanderliegend gleichzeitig in den drei Abschreckvorrichtungen 1 der ersten Kühlstation A auf einen vorbestimmten ersten Temperaturwert abgekühlt sind, werden sie von nicht weiter dargestellten Manipulatoren in die drei nachgeschalteten Abschreckvorrichtungen 1 einer gleich aufgebauten nachgeschalteten zweiten Kühlstation B überführt, in der die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt, worauf die jeweils aus drei nebeneinanderliegenden Wälzlagerringen 15 bestehende Werkstückgruppe über den gemeinsamen Ablagetisch 24 abtransportiert wird.After the roller bearing rings lying in parallel next to each other have simultaneously cooled in the three
Der Temperatur-Zeit-Verlauf bei dieser Stufenabschreckung ist in Fig. 7 dargestellt und anhand des nachfolgenden Beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens erklärt:The temperature-time profile for this step quenching is shown in FIG. 7 and on the basis of the following example of the method according to the invention explained:
Ein Ring 15 eines Rollenlagers aus dem Werkstoff 100 Cr6 wird anstelle der üblichen Ölabschreckung im Düsenfeld gehärtet.
Da die kritische Kühlzeit von 800 auf 500°C für diesen Stahl etwa 10 Sekunden beträgt, ist ein H-Wert von 0,8 erforderlich, entsprechend einer schroffen Ölabkühlung. Bei der Ringgröße und -breite wird das Düsenfeld 2 (Fig. 1) ausgewählt.
Die Gebläseleistung bei Variante 1 ist vergleichbar mit der einer Umwälzpumpe eines Ölbades. Bei einer Kühlzeit von ca. 20 Sekunden je Ring beträgt der Energiebedarf je kg Härtegut 0,01 kWh für Variante 1 und 0,04 kWh für Variante 2.The blower output in
In der Abschreckphase ist nach 10 Sekunden die Temperatur im Kern des sich drehenden Rings auf 500°C abgekühlt. Nach 18 Sekunden wird an der Oberfläche des Rings 280°C erreicht (optische Kontrolle) und die Kühlung abgestellt (Kühlstation A).In the quenching phase, the temperature in the core of the rotating ring has cooled to 500 ° C after 10 seconds. After 18 seconds, 280 ° C is reached on the surface of the ring (optical control) and the cooling is switched off (cooling station A).
In der Phase II kann der Ring noch vor der Martensitbildung bei definierter Temperatur kalibriert werden.In phase II, the ring can be calibrated at a defined temperature before the formation of martensite.
In der Phase III wird der Ring in einer weiteren Düsenstation mit einem unterkühlten Umwälzgas bis auf etwa 0°C zur vollständigen Martensitbildung abgekühlt (Kühlstation B).In phase III, the ring is cooled in a further nozzle station with a supercooled circulating gas to about 0 ° C. for the complete formation of martensite (cooling station B).
Die kritische Abkühlzeit von 800 auf 500°C, die bei dem Beispiel ca.10 Sekunden beträgt, kann bei unlegierten und niedriglegierten Stählen noch kürzer sein. Die dazu erforderliche sehr schnelle Regelung der Abschreckwirkung und die dazu nötigen sehr kurzen Bewegungsabläufe der Abschreckvorrichtung 1 lassen sich im Gegensatz zu den Verhältnissen bei bekannten Gaskühleinrichtungen mit der Erfindung ohne weiteres in reproduzierbarer wirtschaftlicher Weise erreichen. Der notwendige Wärmeübergang zwischen der abzukühlenden Werkstückoberfläche und dem Gasstrom mit hohen Werten des Wärmeübergangskoeffizienten α kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Düsenfeldern mit relativ kleinem Düsendurchmesser d und geringem Abstand h zu der zu kühlenden Werkstückoberfläche erreicht werden. Da die Wärmestromdichten an der Werkstückoberfläche in den ersten Sekunden bis in den Bereich von MW/m² gehen und es somit zu einer beachtlichen Gaserwärmung kommt, können, wie sich gezeigt hat, die α-Werte den Vorgang nicht richtig beschreiben. Es wird deshalb zur Kennzeichnung der Abschreckwirkung der beim Härten von Stahl gebräuchliche H-Wert benützt. Das Härteergebnis am Werkstück, d.h. der Härteverlauf über den Querschnitt des Werkstücks an der gehärteten Oberfläche, hängt von dem Werkstoff, d.h. der Stahllegierung, von dem Querschnitt und von der Abschreckintensität (H-Wert) ab. Aus dieser bekannten Beziehung kann der H-Wert an einem gehärteten Werkstück aus Stahl bestimmt werden. Dazu werden in der Praxis häufig insbesondere zylindrische Probestücke verwendet (vgl. bspw. "Technologie der Wärmebehandlung von Stahl", VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 2. Auflage, Seite 604).The critical cooling time from 800 to 500 ° C, which in the example is about 10 seconds, can be even shorter for unalloyed and low-alloy steels. The very fast control of the quenching effect required for this and the very short movement sequences of the
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Düsenfeld mit zylindrischen Düsenbohrungen 25 bestückt. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, andere Querschnittsformen, bspw. Schlitzdüsen oder dergleichen zu verwenden, worauf der Ordnung halber hingewiesen sei. Als Kühlgas können alle für den jeweiligen Einsatzzweck brauchbaren Gase und Gasmischungen verwendet werden, darunter auch Luft, Stickstoff und dergleichen.In the exemplary embodiment described, the nozzle field is equipped with cylindrical nozzle bores 25. In principle, it would also be conceivable to use other cross-sectional shapes, for example slot nozzles or the like, which is pointed out for the sake of order. All gases and gas mixtures which can be used for the respective purpose, including air, nitrogen and the like, can be used as the cooling gas.
Bei dem neuen Verfahren werden die Werkstücke 15 durchweg einzeln abgeschreckt, weil es in der Regel nur auf diese Weise möglich ist, das Düsenfeld eng genug an die Form der abzukühlenden Werkstückoberfläche anzupassen und in ausreichend kleinem Abstand zu dieser anzuordnen. In bestimmten Fällen, bspw. bei ringförmigen Werkstücken, ist es aber auch vorstellbar, mehrere Werkstücke etwa übereinander in einen von Düsenfeldern umgrenzten Raum einzubringen und in diesem zu behandeln, wobei dann allerdings auch Vorsorge getroffen sein muß, daß die Anpassung der Düsenfelder an die Werkstückoberflächengestalt gewährleistet bleibt. Ein Werkstück kann auch aus mehreren kleinen Einzelteilen bestehen, bspw. aus kleinen Schrauben etc. die in kleiner, gleichmäßiger Schütthöhe auf einem gasdurchlässigen Träger, etwa in einem Drahtkorb liegen. Das Düsenfeld beaufschlagt dann die Ober- und/oder die Unterseite der Schüttung, deren Abmessungen und Gestalt das Düsenfeld angepaßt ist.In the new method, the
Abhängig von der Form und Gestalt der zu behandelnden Werkstücke kann gelegentlich die Notwendigkeit auftreten, in bestimmten Bereichen der abzukühlenden Werkstückoberfläche eine andere, insbesondere geringere Abschreckintensität zu erzielen. Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, daß Düsenbohrungen 25 des Düsenfeldes - einzeln oder gruppenweise - mit Verschluß- oder Drosseleinrichtungen versehen werden. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 3 in Gestalt eines Blendenringes 70 veranschaulicht, der auf der äußeren Zylinderwand 13 des Einsatzes 5 längsverstellbar angeordnet ist.Depending on the shape and shape of the workpieces to be treated, there may occasionally be a need to achieve a different, in particular lower, quenching intensity in certain areas of the workpiece surface to be cooled. This can be achieved, for example, by providing nozzle bores 25 of the nozzle array - individually or in groups - with closure or throttle devices. An example of this is illustrated in FIG. 3 in the form of an
Anhand von Fig. 2 wurde erläutert, daß der Wälzlagerring 15 während des Abkühlens gegenüber dem ortsfesten Düsenfeld gedreht wird. Alternativ könnte die Anordnung naturgemäß auch derart getroffen sein, daß der Wälzlagerring 15 feststeht, während der Einsatz 5 und damit das Düsenfeld eine Drehbewegung ausführen. Auch axiale Auf- und Abbewegungen des Werkstückes und/oder des Düsenfeldes sind denkbar und mit einfachen mechanischen Mitteln zu erzielen.It was explained with reference to FIG. 2 that the
Anhand von Fig. 7 wurde eine zweistufige Abkühlung der Wälzlagerringe 15 in zwei hintereinander geschalteten Kühlstationen A und B erläutert. Eine solche Aufteilung in mehrere hintereinanderliegende Kühlstationen ist häufig nicht erforderlich. Durch entsprechende Programmierung des Prozeßrechners 62 kann auch erreicht werden, daß nach einer vorgegebenen Zeit durch eine programmgemäße Reduzierung der Gasgeschwindigkeit w und/oder des Gasdruckes p eine Drosselung der Kühlwirkung herbeigeführt wird, um dadurch den Effekt einer Öl- oder Warmbadhärtung im Salz nachzuahmen.A two-stage cooling of the roller bearing rings 15 in two cooling stations A and B connected in series was explained with reference to FIG. 7. Such a division into several cooling stations in series is often not necessary. By appropriate programming of the
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