EP0616646B1 - Verfahren zur wärmebehandlung von metallischem gut - Google Patents

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EP0616646B1
EP0616646B1 EP93922928A EP93922928A EP0616646B1 EP 0616646 B1 EP0616646 B1 EP 0616646B1 EP 93922928 A EP93922928 A EP 93922928A EP 93922928 A EP93922928 A EP 93922928A EP 0616646 B1 EP0616646 B1 EP 0616646B1
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steel parts
cooling
air
nozzle
roller
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EP93922928A
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Hans-Georg Bittner
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WAERMETECHNIK HEIMSOTH GMBH & CO. KG
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Heimsoth Verwaltungen & Co KG Beteiligungsgesellschaft GmbH
Heimsoth Verwaltungen GmbH and Co KG
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0056—Furnaces through which the charge is moved in a horizontal straight path
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0062—Heat-treating apparatus with a cooling or quenching zone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/767—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material with forced gas circulation; Reheating thereof

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening relatively thin, quickly cooled steel parts in one Roller furnace, the steel parts after a heating phase in the so-called high temperature range above approx. 800-1250 ° C lying directly on the ceramic rollers of the roller oven to be brought.
  • Nozzles are arranged above and below a roller conveyor for cooling extruded profiles.
  • the invention addresses the problem of hardening steel parts to allow so that the parts themselves do not warp and only marginal edge or Edge decarburization phenomena and edge oxidation or Marginal scale formation phenomena occur.
  • Such a temperature distribution can only be achieved with a roller oven.
  • the burners in the high temperature range, the Austenitization area operated without excess air.
  • the burners So set that in fact a protective gas can be dispensed with This is because slightly scale the steel parts on the surface, and with a layer thickness in the range of approx. 0.01 - 0.03 mm.
  • This edge scaling has no influence on the Product quality, on the contrary, is caused by the scaling prevents the steel parts from carburizing or decarburizing, so that a uniform structure is achieved after the heat treatment and only an edge decarburization of approx. 0.01 - 0.03 mm occurs.
  • This slight decarburization or scaling becomes frequent approved, as a rule in downstream Work steps a surface processing anyway is carried out.
  • the estate is a scale-free, black Surface has, so that no additional surface finishing is more needed.
  • an exact separation of the atmosphere can be realized, for example, by a lock.
  • the cooling operated continuously or pulsating, that means that the cooling only start when a Workpiece has reached the cooling point.
  • the nozzle field is designed according to two points of view. Once to a very high one To achieve heat transfer coefficient.
  • the nozzle field is operated with different forms be, for example from a slight excess pressure of 1 bar up to 20 bar overpressure.
  • the nozzle field can consist of nozzles and the other from a plate, into the holes and slots are incorporated, be trained.
  • the nozzle diameter as well as the division ratio of the nozzles is according to corresponding Material requirements of the goods to be cooled selected.
  • the Nozzle distance between the workpiece and nozzle can be varied, to get intense cooling.
  • the distances of the nozzles of the two fields should be as small as possible and of the same size.
  • the rolls should have small diameters.
  • the heat released during the cooling process during hardening can take the form of preheated air in the order of 100-400 ° C den Burners are fed to the heating zone. So you get one Heat recovery and lower energy consumption.
  • the nozzle field can be designed so that the outflow of the Air to one side or to all four sides takes place or only takes place on two sides or again is suctioned off.
  • the nozzle diameter can range from 1.0-4.0 mm lie.
  • the nozzles can be with or without a nozzle neck be formed.
  • the length of the nozzle neck can range from 0-50 mm be variable.
  • the temperature of the air coming out of the nozzles emerges, can be between room temperature and 150 ° C.
  • the material (the good) can be used in a few Cooled down to temperatures between 40 and 100 ° C for seconds become.
  • roller speeds in the furnace in the heating zone I to III and in the refrigerator section Zone IV can be different.
  • a roller furnace is shown schematically, wherein the roller conveyor through the cross-sectional representation of the rollers is recognizable.
  • the inlet is on the left and the one on the right Spout.
  • the furnace consists of three spatially separated Levels I, II and III.
  • Zone I VWZI
  • VWZI Zone I
  • the burners are above and below the Roller conveyor shown schematically. Are in Zone II (HZ) more burners than shown in Zone II (VWZ II) to access this Way to express that it is the zone II is the high temperature range. The good must be as possible quickly from zone II to zone III (rapid cooling zone kZ) to be brought.
  • HZ Zone II
  • VWZ II Zone II
  • the good must be as possible quickly from zone II to zone III (rapid cooling zone kZ) to be brought.
  • zone III there is a suction the heated cooling air provided to preheat the Combustion air can serve.
  • the heating part is from The refrigerator compartment is separated by an S lock.
  • zone III the goods are quickly seen using nozzle fields chilled.
  • Figure 2 shows a side view of an embodiment of the Cooling zone with above and below the roll Nozzles.
  • Figure 3 shows a view in which the spatial assignment of the Detect nozzles of an upper and a lower nozzle field are.
  • U and O are the individual nozzles of the lower and the called upper nozzle field. The best results are at small distances between the nozzles and the good achieved.
  • Figure 4 shows a side view of another Embodiment of a nozzle array, in which case Air extraction devices between the individual upper nozzle fields can be seen through which the boundary layer is suctioned off.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten von relativ dünnen, schnell abzukühlenden Stahlteilen in einem Rollenofen, wobei die Stahlteile nach einer Aufheizphase in den sogenannten Hochtemperaturbereich oberhalb von ca. 800-1250° C direkt auf den Keramikrollen des Rollenofens aufliegend gebracht werden.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt (HTM Härterei- Technische Mitteilungen, Bd. 45, Nr, 6. Dezember 1990, München, Seiten 325-329, insbesondere Seiten 327 und 328). Für die Abkühlung nach dem Aufheizen wird die indirekte Kühlung unter Schutzgas, die Spritzkühlung mit Wasser oder Öl, die Tauchkühlung in Wasser, Öl, Salz oder die Pressenabkühlung oder -formgebung vorgeschlagen. Die Abkühlung mit Luft- oder Gasprallstrahlen wird in besonderen Vorrichtungen als interessant angesehen.
Bei einer behannten Kühleinrichtung mit Luftsprahdusen (WO-A-92 02316) für die Abkühlung von Strangpressprofilen sind oberhalb und unterhalb einer Rollenbahn Düsen Angeordnet.
Darüber hinaus ist es bislang üblich im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Metallteilen solche Öfen zinzusetzen, die eine schutzgasatmosphäre aufweisen und teilweise elektrisch beheizt sind, um zu verhindern daß sich beispielweise der Kohlenstoffgehalt der Metallteile während des Wärmebehandlungsvorganges ändert bzw. die Metallteile aufoxidieren. In diesem Zusammenhang ist weder die Aufkohlung noch die Entkohlung noch die Aufoxidation erwünscht.
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, die Härtung von Stahlteilen zu ermöglichen, so dass die Teile sich nicht verziehen und lediglich unerhebliche Randauf- bzw. Randentkohlungserscheinungen sowie Randaufoxidations- bzw. Randzunderbildungscheinungen auftreten.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches durch die Merkmale der Kennzeichens des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist. Mit dem Verfahren nach an erfindung werden sogar Wärmeübergangskoeffizienten aus dem Bereich der Ölabschreckung vor bis zu 1000 - 4000 W/m2K erreicht.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist der Temperaturgradient unmittelbar oberhalb der Rollenbahn so gering, daß die sich dort befindenden Metallteile nicht verziehen können. Eine solche Temperaturverteilung kann aber nur mit einem Rollenofen erreicht werden.
Um den Sauerstoffgehalt im Ofen möglichst gering zu halten, werden die Brenner im Hochtemperaturbereich, dem Austenitisierungsbereich, ohne Luftüberschuß betrieben. Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Brenner also derartig eingestellt, daß in der Tat auf ein Schutzgas verzichtet werden kann. Dies liegt darin begründet, daß die Stahlteile an der Obertläche leicht verzundern, und zwar mit einer Schichtdicke im Bereich von ca. 0.01 - 0.03 mm. Diese Randverzunderung hat keinen Einfluß auf die Produktqualität, im Gegenteil wird durch die Verzunderung verhindert, daß die Stahlteile auf- bzw. entkohlen, so daß ein gleichmäßiges Gefüge nach der Wärmebehandlung erzielt wird und lediglich eine Randentkohlung von ca. 0.01 - 0.03 mm auftritt. Diese leichte Rrandentkohlung bzw. Verzunderung wird haüfig zugelassen, da in der Regel in nachgeschalteten Arbeitsschritten ohnehin eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird. Bei ausreichend hohen Luftgeschwindigkeiten hat sich herausgestellt, daß das Gut eine zunderfreie, Schwarze Oberfläche aufweist, so daß keine zusätzliche oberflächenbearbeitung mehr erforderlich ist.
Da das Temperaturfeld unmittelbar oberhalb der Rollen bei dem Verfahren gemäß der Erfindung räumlich konstant eingestellt werden kann, ist es möglich, gleichzeitig Metallteile mit unterschiedlichen Abmessungen zu behandeln, insbesondere wenn die Dicke dieser Teile nicht wesentlich unterschiedlich ist.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann zwischen dem eigentlichen Erwämungsteil, dem Austenitisierungsteil, und dem Kühlteil eine exakte Atmosphärentrennung zB durch eine Schleuse realisiert werden. Benötigt man in der Hochtemperaturzone eine reduzierende Atmosphäre, so wird im Kühlteil reine, kalte Luft aufgeblasen.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann die Kühlung kontinuierlich oder auch pulsierend betrieben werden, das bedeutet, daß die Kühlung erst einsetz, wenn ein Werkstück die Kühlstelle erreicht hat.
Die Auslegung des Düsenfeldes geschieht nach zwei Gesichtspunkten. Einmal, um eine sehr hohe Wärmeübergangszahl zu erreichen. Für die Intensität der Kühlung wird das Düsenfeld mit unterschiedlichen Vordrücken betrieben werden, beispielsweise von leichtem Überdruck von 1 bar bis zu 20 bar Überdruck. Das Düsenfeld kann zum einen aus Düsen und zum anderen aus einer Platte, in die Löcher sowie Schlitze eingearbeitet sind, ausgebildet sein. Der Düsendurchmesser sowie das Teilungsverhältnis der Düsen wird nach entsprechenden Materialanforderungen des zu kühlenden Gutes ausgewählt. Auch in diesem Punkt ist zu nennen, daß neben der Düsenform auch der Düsenabstand zwischen dem Werkstück und Düse variiert werden, um eine intensive Kühlung zu bekommen. Die Abstände der Düsen der beiden Felder sollen möglichst klein und gleich groß sein. Die Rollen sollten geringe Durchmesser haben.
Die bei der Gutkühlung beim Härten freiwerdende Wärme kann in Form von vorgewärmter Luft in der Größenordnung von 100-400°C den Brennern der Aufheizzone zugeführt werden. Damit erhält man eine Wärmerückgewinnung und einen niedrigeren Energieverbrauch.
Folgende Düsenanordnungen sind denkbar :
  • quadratische Düsenandordnungen,
  • gleichseitige Dreiecke als Düsenanordnungen und
  • gleichschenklige und gleichseitige Dreiecke als Düsenandnordnung.
Das Düsenfeld kann so ausgebildet sein, daß die Abströmung der Luft nach einer Seite bzw. auch nach allen vier Seiten stattfindet bzw. nur nach zwei Seiten stattfindet oder wieder abgesaugt wird. Die Düsendurchmesser können im Bereich von 1,0-4,0 mm liegen. Die Düsen können mit oder auch ohne Düsenhals ausgebildet werden. Die Länge des Düsenhalses kann von 0-50 mm variabel sein. Die Temperatur der Luft, die aus den Düsen austritt, kann zwischen Raumtemperatur und 150°C betragen. Das Material (das Gut) kann somit je nach Materialdicke in wenigen Sekunden auf Temperaturen zwischen 40 und 100°C heruntergekühlt werden.
Es ist erstrebenswert einen sehr intensiven Wärmeübergang zu erhalten. Dieses ist dann gegeben, wenn der Abstand von Düse zum Gut sehr gering ist. Dagegen ist es für die Temperaturgleichmäßigkeit wichtig, daß ein gewisser Abstand eingehalten wird, damit sich die gesamte Prallströmung in der Form ausbildet, daß sich die einzelnen Düsenkegel hinreichend überlappen. Darüber hinaus sollte der Düsendurchmesser zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs recht klein gewählt werden, was allerdings einen größeren Druckwiderstand bedingt und höhere Vordrücke zur Folge hat. Ein optimaler Wärmeübergang ist dann erreicht, wenn die Düsenteilung gleich dem Düsenabstand zum Gut ist.
Die Rollengeschwindigkeiten im Ofen im Erwärmungsteil Zone I bis III sowie im Kühlteil Zone IV können verschieden sein.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung für sehr kleine Teile, anstelle der Rollenbahn im Bereich des Düsenfeldes ein Gitter oder Netz einzusetzen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert:
Figur 1
zeigt eine schaubildliche Längsansicht eines Rollenofens zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Figuren 2 bis 4
zeigen Ansichten der Düsenfelder in unterschiedlichen Ausführungsformen.
In Figur 1 ist ein Rollenofen schematisch wiedergegeben, wobei die Rollenbahn durch die Querschnittsdarstellung der Rollen zu erkennen ist. Links befindet sich der Einlauf und rechts der Auslauf. Der Ofen besteht aus drei räumlich voneinander abgegrenzten Stufen I, II und III.
In der Zone I (VWZI) befinden sich keine Brenner, hier befindet sich eine Einrichtung, um das Ofengas aufzunehmen und über den Kamin abzuführen. Darüber hinaus wird zur Einstellung der Temperaturkurve Luft eingeblasen.
In der Figur 1 sind die Brenner oberhalb und unterhalb der Rollenbahn schematisch wiedergegeben. In der Zone II (HZ) sind mehr Brenner als in der Zone II (VWZ II) gezeigt, um auf diese Art und Weise zum Ausdruck zu bringen, daß es sich bei der Zone II um den Hochtemperaturbereich handelt. Das Gut muß möglichst schnell aus der Zone II in die Zone III (Schnellkühlzone kZ) gebracht werden.
in der Zone III, ist eine Absaugung der enwärmten Kühlluft vorgesehen, die zur Vorwärmung der Verbrennungsluft dienen kann. Der Erwärmungsteil ist vom Kühlteil durch eine Schleuse S getrennt.
In der Zone III wird das Gut mittels Düsenfeldern seht schnell gekühlt.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer Ausgestaltung der Kühlzone mit oberhalb und unterhalb der Rolle angeordneten Düsen.
Figur 3 zeigt eine Ansicht, in der die räumliche Zuordnung der Düsen eines oberen und eines unteren Düsenfeldes zu erkennen sind. Mit U und O sind die einzelnen Düsen des unteren bzw. des oberen Düsenfeldes bezeichnet. Die besten Ergebnisse werden bei kleinen Abständen zwischen den Düsen sowie zum Gut erzielt.
Figur 4 zeigt eine seitliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Düsenfeldes, wobei in diesem Falle zwischen den eintelnen oberen Düsenfeldern Luft-Absaugeinrichtungen zu erkennen sind, durch die die Grenzschicht abgesaugt wird.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Härten von relativ dünnen, schnell abzukühlenden Stahlteilen in einem Rollenofen, wobei die Stahlteile nach einer Aufheizphase in den sogenannten Hochtemperaturbereich oberhalb von ca. 800 - 1250° C direkt auf Keramikrollen des Rollenofens aufliegend gebracht und auf der Rollenbahn in die Kühlzone gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlteile in der Kühlzone vermittels von sowohl ober- als auch unterhalb der Rollenbahn angeordneten Luftdüsenfeldern mit Prallströmumgen räumlich gleichmässig, örtlich gleichzeitig und sehr schnell unter die Martensit-Startemperatur abgekühlt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Düsenfeldern Lüft zwechs Absaugang der Grenzschicht abgesaugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich von 1000 bis 4000 W/m2K gekühlt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stahlteile wie Kugellaperringe, Messer, Sägen, Zangen, Fräser und dergl. gehärtet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüsen kontinuierlich oder pulssierend betrieben werden.
EP93922928A 1992-10-10 1993-10-11 Verfahren zur wärmebehandlung von metallischem gut Expired - Lifetime EP0616646B1 (de)

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DE4234285A DE4234285A1 (de) 1992-10-10 1992-10-10 Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Gut
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EP0616646A1 EP0616646A1 (de) 1994-09-28
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EP0616646A1 (de) 1994-09-28
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