EP1531185A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken - Google Patents

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EP1531185A1
EP1531185A1 EP04024336A EP04024336A EP1531185A1 EP 1531185 A1 EP1531185 A1 EP 1531185A1 EP 04024336 A EP04024336 A EP 04024336A EP 04024336 A EP04024336 A EP 04024336A EP 1531185 A1 EP1531185 A1 EP 1531185A1
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box
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Jörg ZIMMERMANN
Robert Dr Ehart
Peter Dr Nefischer
Dietmar Holzenbecher
Hermann Bartl
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • C21D1/62—Quenching devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for deterrence of workpieces of metal, in particular of a cast aluminum alloy, the following a device for heat treatment of the workpieces is arranged, wherein the deterrence is effected by means of gas.
  • Such methods and devices are used in plants where at the workpieces, e.g. Aluminum castings, through a heat treatment in the Usually consisting of a solution annealing, followed by quenching and a subsequent hot aging, set the strength values or to be improved.
  • workpieces e.g. Aluminum castings
  • a heat treatment in the Usually consisting of a solution annealing, followed by quenching and a subsequent hot aging, set the strength values or to be improved.
  • Solution heat treatment takes place in industrial furnaces at approx. 470 - 530 ° C and 3 - 6 hours Hold time.
  • the subsequent quenching is done with air and / or others Gases, water or in polymer baths. Usually there is still a 2-4 hour Hot aging at approx. 160 - 180 ° C.
  • Object of the present invention is to provide a method and an apparatus of to create the aforementioned type, with a deterrent workpieces can be reached evenly and in a short time.
  • Bei'dem method according to the invention is a controllable heat extraction and thus a uniform quenching or cooling and solely by the use reaches a gas flow, the defined setting of different Cooling rates or Abkühlgradienten allows.
  • This will be several workpiece properties, in particular the residual stresses and the Strength values, significantly improved and can be adjusted depending on Cooling speed individually matched to each other.
  • the cooling is Reliable and stable in operation and every cooling process is reproducible. One subsequent quenching in a liquid is no longer necessary. Thereby the expenditure on equipment is substantially reduced.
  • the frame is advantageous against the workpiece or the workpiece against the frame displaceable, as claim 7 proposes.
  • a particularly economical operation is the embodiment of the invention achieved according to claim 8. This is the simultaneous treatment of several Workpieces in a simple way possible.
  • the development of the invention according to claim 9 facilitates the washing around the Workpieces.
  • the training has Claim 11 proven to achieve a uniform cooling.
  • Figure 1 closes to a furnace 1 for solution annealing of workpieces a Intermediate chamber 2, which is closed by gates 3.
  • Several workpieces 4 lie in a workpiece carrier 5, by a conveyor 6 from the Intermediate chamber 2 can be transported.
  • the upper boxes 8 include the Workpieces from four sides, namely from above, and three sides.
  • the workpieces are 4 cylinder heads of Internal combustion engines, which are stored on their combustion chamber side.
  • the workpieces 4 each store on a grid 11, so that one of the lower ones Boxes 9, for example, formed as holes outlet openings 12th escaping air the workpieces 4 from below in the sense of the arrows can overflow.
  • a cylinder head of an internal combustion engine from a Cast aluminum alloy with a weight of about 24 kg comes with its Side of the combustion chamber stored on the grate 11 and in an annealing furnace at a Temperature of about 525 ° C annealed about 5.50 hours.
  • the cylinder head of the device according to the invention removed and left until it has cooled to room temperature.
  • the invention is of course not to the quenching of such Cylinder heads limited. Rather, by means of the invention Device also other workpieces made of other materials more effective than have been deterred so far.

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Abstract

Um die beim Abschrecken eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit einem Gas auftretenden Eigenspannungen zu minimieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Zylinderkopf gleichzeitig von seiner Ober- und Unterseite her mit dem Abschreckgas anzuströmen. Hierbei kann die auf die Oberseite strömende Gasmenge unterschiedlich von der auf die Unterseite strömenden sein. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschreckung von Werkstücken aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumgusslegierung, die im Anschluss an eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung der Werkstücke angeordnet ist, wobei die Abschreckung mittels Gas erfolgt.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden in Anlagen verwendet, bei denen bei den Werkstücken, z.B. Aluminiumgussteilen, durch eine Wärmebehandlung, in der Regel bestehend aus einem Lösungsglühen, einem anschließenden Abschrecken und einem daran anschließenden Warmauslagern, die Festigkeitswerte eingestellt bzw. verbessert werden.
Das Lösungsglühen erfolgt in Industrieöfen bei ca. 470 - 530°C und 3 - 6 Stunden Haltezeit. Das nachfolgende Abschrecken geschieht mit Luft und/oder anderen Gasen, Wasser oder in Polymerbädern. Meist erfolgt noch ein 2 - 4 stündiges Warmauslagern bei ca. 160 - 180°C.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Abschreckung der Werkstücke gleichmäßig und in kurzer Zeit zu erreichen ist.
Diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und vierten Patentanspruchs gelöst.
Bei'dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein regelbarer Wärmeentzug und damit eine gleichmäßige Abschreckung bzw. Abkühlung und allein durch die Verwendung eines Gasstromes erreicht, das eine definierte Einstellung von unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten oder Abkühlgradienten ermöglicht. Dadurch werden mehrere Werkstückeigenschaften, insbesondere die Eigenspannungen und die Festigkeitswerte, erheblich verbessert und können je nach eingestellter Abkühlgeschwindigkeit individuell zueinander abgestimmt werden. Die Abkühlung ist betriebssicher und betriebsstabil und jeder Abkühlvorgang ist reproduzierbar. Ein anschließendes Abschrecken in einer Flüssigkeit ist nicht mehr notwendig. Dadurch wird der apparative Aufwand wesentlich reduziert.
Eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung beschreibt Anspruch 4
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Um die Abschreckungswirkung einzustellen ist es sinnvoll, die Weiterbildung nach Anspruch 2 und/oder nach Anspruch 3 vorzunehmen. Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Gas zum einen in seiner Gesamtmenge und zum anderen unterschiedlich für die Oberseite und Unterseite des Werkstückes geregelt werden kann und zwar sowohl bezüglich der Gasmenge als auch der Gasgeschwindigkeit.
Durch die Verwendung von Luft als Kühlgas, wie Anspruch 5 vorschlägt, wird eine besonders kostengünstig und betriebssicher arbeitende Vorrichtung erreicht.
Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 erleichtert das Be- und Entladen der Vorrichtung erheblich.
Vorteilhaft ist dabei das Gestell gegen das Werkstück oder das Werkstück gegen das Gestell verschiebbar, wie Anspruch 7 vorschlägt.
Ein besonders ökonomischer Betrieb wird durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 erzielt. Damit ist die gleichzeitige Behandlung mehrerer Werkstücke auf einfache Weise möglich.
Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 erleichtert das Umspülen der Werkstücke.
Durch die Merkmale des Anspruchs 10 wird eine einstellbare, gleichmäßige Luftströmung innerhalb der oberen und unteren Kästen erreicht.
Je nach abzuschreckender Bauteilgeometrie hat sich die Weiterbildung nach Anspruch 11 bewährt, um eine gleichmäßige Abkühlung zu erzielen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines schematisierten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es stellen dar:
  • Fig. 1 eine Ansicht, teilweise geschnitten, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer möglichen Aufteilung der Roste und Kästen;
  • Fig. 3 eine Darstellung der Luftströmung;
  • Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 3.
    • In Figur 1 schließt an einen Ofen 1 zum Lösungsglühen von Werkstücken eine Zwischenkammer 2 an, die durch Tore 3 verschließbar ist. Mehrere Werkstücke 4 liegen in einem Werkstückträger 5, der durch einen Förderer 6 aus der Zwischenkammer 2 transportiert werden kann.
    Von einem Gestell 7 kragen obere Kästen 8 und untere Kästen 9 aus, welche einzeln mit Luft beaufschlagt werden, die von Ventilatoren 10 geliefert werden. Diese werden von Motoren M angetrieben und über Steuerungen SIC gesteuert. Damit kann die verwendete Gesamtgasmenge für jedes Kastenpaar 8, 9 eingestellt werden.
    Wie aus den Figuren 2, 3 und 4 ersichtlich ist, umfassen die oberen Kästen 8 die Werkstücke von vier Seiten, nämlich von oben, und drei Seiten. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Werkstücke 4 Zylinderköpfe von Verbrennungskraftmaschinen, die auf ihrer Brennraumseite gelagert sind.
    Die Werkstücke 4 lagern je auf einem Rost 11, so dass eine von den unteren Kästen 9 über beispielsweise als Löcher ausgebildete Austrittsöffnungen 12 austretende Luft die Werkstücke 4 von unten her im Sinne der eingetragenen Pfeile überströmen kann.
    Damit wird in diesem Beispiel der Zylinderkopf von oben, seinen beiden Längsseiten und der hinteren Querseite durch den oberen Kasten 8 umschlossen und durch den unteren Kasten 9 auf seiner Brennraumseite, so dass nur die vordere Stirnseite offen bleibt. Diese schließt bündig mit den Vorderfronten der Kästen 8 und 9 ab oder wird von diesen überragt, wie Figur 4 zeigt.
    Im oberen Kasten 8 sind Austrittsöffnungen 13 angeordnet, die beim Ausführungsbeispiel als Schlitze 13 ausgebildet sind. Die aus den Schlitzen 13 austretende Luft umspült das Werkstück 4 von oben her, wie es in den Figuren 3 und 4 angedeutet ist.
    Aus jeder Austrittsöffnung 12 bzw. 13 eines Kastens 8 bzw. 9 tritt immer die gleiche Luftmenge aus, d.h. es ist durch die Größe der einzelnen Austrittsöffnungen dafür Sorge getragen, dass über die Länge des Werkstückes keine unterschiedliche Luftmenge austritt.
    Insbesondere aus Figur 4 ergibt sich die Luftführung für jeden einzelnen der Luftkästen 8 und 9. Vom Ventilator 10 wird die Luft über eine Luftvergleichmäßigungsstrecke 14 einer Messstrecke 15 zugeführt, in der Messund Regelgeräte VIC (Geschwindigkeit), PIC (Druck) und QIC (Menge) angeordnet sind. Nach der Messstrecke 15 gelangt die Luft in den Vorkasten 16, von wo sie über Regelklappen 17 den beiden Kästen 8 und 9 zugeführt wird. Durch die Regelklappen 17 kann die zu der Werkstückoberseite und -unterseite strömende Luft auf gleiche oder unterschiedliche Menge eingestellt werden.
    Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Beispiel näher erläutert. Ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschinen aus einer Aluminiumgusslegierung mit einen Gewicht von etwa 24 kg wird mit seiner Brennraumseite auf dem Rost 11 gelagert und in einem Glühofen bei einer Temperatur von ca. 525°C ca. 5,50 Stunden geglüht.
    Anschließend wird er in die erfindungsgemäße Abschreckvorrichtung gebracht und dort gleichmäßig von oben und unten mit Luft abgeschreckt. Ein Abschrecken auf ca. 200°C wird in weniger als zwei Minuten erzielt. Hierbei wird die Luft zu gleichen Teilen auf die Ober- und Unterseite des Zylinderkopfes geleitet, wobei aus jeder Austrittsöffnung 12, 13 die gleiche Luftmenge austritt.
    Anschließend wird der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen und liegen gelassen, bis er auf Raumtemperatur abgekühlt ist.
    Durch das regelbare Anströmen des Zylinderkopfes von oben und unten mit Luft wurden im Gegensatz zum bekannten Abschrecken in Flüssigkeiten die Eigenspannungen im Zylinderkopf messbar gesenkt und der Temperaturgradient während der Abschreckung und damit der verfahrensbedingte Vergüteverzug minimiert, weil eine gezielte Abkühlung zwei Seiten, nämlich von oben und unten, stattfindet. Damit kann das vorhandene Werkstoffpotenzial optimal ausgenutzt werden. Die Werkstoffkennwerte Rm, Rp0,2, A5 und HB werden genauso wie bei der Abschreckung in Flüssigkeiten eingehalten.
    Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das Abschrecken derartiger Zylinderköpfe beschränkt. Vielmehr können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch andere Werkstücke aus anderen Materialien wirkungsvoller als bisher abgeschreckt werden.
    Grundsätzlich kann im Rahmen der Erfindung auch eine andere Aufteilung der Werkstücke 4 bzw. Kästen 8, 9 als in Figur 2 beispielsweise dargestellt, gewählt werden. In Sonderfällen können auch einzelne Werkstücke 4 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung abgeschreckt werden.

    Claims (11)

    1. Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumgusslegierung, das im Anschluss an eine Wärmebehandlung der Werkstücke (4) anschließt, wobei die Abschreckung mittels Gas erfolgt,
      dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück gleichzeitig an seiner Ober- und Unterseite von dem Gas angeströmt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Gasstromes auf die Ober- und Unterseite des Werkstückes geregelt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Gasstromes geregelt wird.
    4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Abschreckung von Werkstücken (4) aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumgusslegierung, welche Vorrichtung im Anschluss an eine Vorrichtung (1) zur Wärmebehandlung der Werkstücke (4) angeordnet ist, wobei die Abschreckung mittels Gas erfolgt,
      dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) auf einem Rost (11) gelagert ist, unterhalb dem ein unterer Kasten (9) mit Gasaustrittsöffnungen (12) angeordnet ist, und dass oberhalb des Werkstückes (4) ein oberer Kasten (8) mit Gasaustrittsöffnungen (13) angeordnet ist.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass deren Beaufschlagung mit Luft erfolgt.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
      dadurch gekennzeichnet, da sowohl der untere Kasten (9) als auch der obere Kasten (8) von einem Gestell (7) auskragen und das auf dem Rost (11) lagernde Werkstück (4) zwischen den beiden Kästen (8, 9) einschieb- bzw. einfahrbar ist
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass, das Gestell (7) gegen das Werkstück (4) oder das Werkstück (4) gegen das Gestell (7) verschiebbar ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7.
      dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werkstücke (4) auf Rosten (11) eines Werkstückträgers (5) gelagert sind und jedem Werkstück (4) ein oberer Kasten (8) sowie ein unterer Kasten (9) zugeordnet ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass, der obere Kasten (8) zur teilweisen Umfassung des Werkstückes (4) u-förmig ausgebildet ist.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass jedem oberen Kasten (8) und zugehörigem unteren Kasten (9) eine von einem Ventilator (10) gespeiste Luftzuführung zugeordnet ist, von der mittels Regelklappen (17) oder dgl. gesteuerte Abzweigungen zum unteren (9) bzw. oberen (8) Kasten ausgehen.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Gasaustrittsöffnungen im unteren Kasten (9) als Löcher (12), im oberen Kasten (8) als Schlitze (13) ausgebildet sind.
    EP04024336A 2003-11-12 2004-10-13 Vorrichtung zum Abschrecken von Werkstücken Expired - Lifetime EP1531185B8 (de)

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