EP1954841A1 - Anlage zur trockenen umwandlung eines material-gefüges von halbzeugen - Google Patents

Anlage zur trockenen umwandlung eines material-gefüges von halbzeugen

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Publication number
EP1954841A1
EP1954841A1 EP06793827A EP06793827A EP1954841A1 EP 1954841 A1 EP1954841 A1 EP 1954841A1 EP 06793827 A EP06793827 A EP 06793827A EP 06793827 A EP06793827 A EP 06793827A EP 1954841 A1 EP1954841 A1 EP 1954841A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chamber
microstructure
conversion
semi
quenching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06793827A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Schluck
Johannes Koke
Bernhard Mueller
Jochen Schwarzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1954841A1 publication Critical patent/EP1954841A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material
    • 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
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20—Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening
    • 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
    • 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
    • C21D9/0006—Details, accessories not peculiar to any of the following furnaces
    • C21D9/0018—Details, accessories not peculiar to any of the following furnaces for charging, discharging or manipulation of charge
    • 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
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite

Definitions

  • the present invention relates to a plant for dry conversion of a material microstructure of semifinished products according to claim 1.
  • a heating of the material in a temperature range of about 850 ° C is carried out, so that adjusts the so-called austenite microstructure in the material.
  • the so heated components must be quenched rapidly to the intermediate stage tempering temperature.
  • a temperature range of about 220 ° C in which adjusts the so-called bainite microstructure.
  • this temperature is only slightly above the so-called martensite start temperature to which the workpieces must not cool during the structural transformation process in any case, as this would have massive disruption of the desired, particularly advantageous Bainit- structure would result.
  • DE 100 44 362 C2 discloses a plant concept in which the components to be tempered, which are also referred to as semi-finished products, are reacted after quenching and controlled interception at the transformation temperature in a heated transport vehicle and transported with this to an annealing furnace.
  • the components are removed during the transfer from the quenching chamber, which is under gas pressure, and are transported by means of a transport carriage to the conversion chamber arranged downstream in the process flow, inserted therein and kept constant in temperature.
  • the present invention is therefore based on the object to improve a system for dry conversion of a material structure of semi-finished products.
  • a plant for dry conversion of a material structure of semifinished products comprise a quenching chamber and a structural transformation chamber subsequently arranged in the processing flow, wherein in each case an interior of the two chambers is at least during the respective process step for converting the material structure with gas overpressure. is charged.
  • This approach is based on the finding that, by avoiding a drastic relaxation of a pressurized gas, it is ensured that the gas temperature and consequently also the temperature of the semi-finished products can not drop undesirably low in the surrounding area of the semi-finished products.
  • the means for maintaining a minimum gas pressure on the semi-finished products during the conversion of the semi-finished products can therefore comprise a partition with a door between the quenching chamber and the microstructure conversion chamber.
  • the quenching and microstructure conversion chamber may be arranged adjacent to each other, so that after the quenching process, only the door in the partition between the two pressurized chambers must be opened to a semi-finished product to be quenched from under gas overpressure Quenching chamber can be converted directly into the also under gas overpressure structural microstructure chamber. It is therefore no longer necessary to relax the gas surrounding the semi-finished products to the ambient pressure. This eliminates the risk of an impermissible temperature reduction, which could possibly endanger the conversion process. Furthermore, with this embodiment of immediately adjacent chambers, such a rapid conversion of the semi-finished products ensures that the semi-finished products are already in the microstructure conversion chamber before a marked increase in temperature can take place due to the exothermic process starting therein.
  • a single quenching chamber is connected to a plurality of microstructure conversion chambers according to the first embodiment. This is particularly advantageous if - A -
  • the residence time of the semifinished product for the intermediate stage compensation in a microstructure conversion chamber is relatively large.
  • the quenching chamber comprising it can, after the quenching process has taken place, gradually supply different semifinished products, which are assigned to it, with corresponding batches, in the form of corresponding components. This allows a time and cost-optimized process control.
  • the means for maintaining the minimum gas pressure on the semi-finished products to comprise a separately movable pressure chamber between the quenching chamber and the microstructure conversion chamber when converting the semi-finished products.
  • These could be formed, for example, in the form of a mobile lock, which is preferably equipped with appropriate means, as it also has the microstructure conversion chamber.
  • a substantially equal gas pressure can prevail in both chambers. This has the advantage that when transposing between the quenching chamber and the microstructure conversion chamber no temperature drop in the gas can occur due to a gas relaxation. Furthermore, the high pressure in the microstructure conversion chamber causes a very good heat dissipation from the semifinished product to be coated.
  • a pressure ratio prevail, but preferably not greater than about the ratio 3: 1. With this ratio can still be ensured that there is no inadmissible cooling of the gas and thereby the components to be annealed by the thereby relatively low relaxation of the gas.
  • Usual pressure ranges in the quenching chamber can be approximately in the range of 10 to 30 bar. In order to be able to dissipate sufficient heat, the level of the conversion chamber should in the longer term not fall below a pressure range of 3 bar.
  • the system preferably also has a temperature control.
  • the microstructure conversion chamber can be preheated by means of appropriate heating elements before introducing the charge to be tempered batch of semi-finished products to the appropriate temperature, and kept after introduction of the semifinished products by means of appropriate coolant exactly at the desired temperature.
  • These coolants comprise, in particular, a gas stream flowing around the charge and under overpressure. Possibly.
  • a cooling device may be arranged in the gas flow in order to be able to remove the waste heat absorbed by the charge from the gas flow again.
  • the microstructure conversion chamber can furthermore comprise a gas circulation device; gas fans or fans are particularly suitable for this purpose.
  • the system may further comprise a transport device.
  • a transport device In only separated by a partition wall provided with a door quench and structure conversion chamber this could be operated, for example clocked. That after the quenching process and opening the door separating the two chambers, the transport device can be activated, whereupon it converts the semi-finished products from the quenching chamber into the conversion chamber.
  • this transport device for example, further include a turntable to allow a corresponding orientation of the transport to the next to be charged microstructure conversion chamber, or of course a recording of a newly quenched batch from an upstream high-temperature furnace ,
  • the conveying speed of the transport device is preferably at least so great that the time required for the conversion of the semifinished products is shorter than the time that passes between the end of the quenching process and a marked increase in the temperature of the semifinished product due to a structural transformation starting therein.
  • a marked increase in temperature is considered to be the region around the inflection point of a curve representing the time course of the microstructure transformation.
  • the plant may furthermore preferably have a pressure lock.
  • the components can be discharged without significant pressure reduction in the microstructure conversion chamber from this and subsequently optionally to a subsequently arranged, acted upon with normal pressure temperature control chamber, for. B. a convection oven, are introduced to complete the remaining microstructure conversion.
  • Figure 1 is a schematic representation of a system for dry conversion of a material structure of semifinished products
  • FIG. 2 shows a schematically illustrated structure of a material structure.
  • FIG. 3 shows a diagram in which, over a horizontal time axis, the reference a conversion of a material structure is applied.
  • Figure 4 is a further schematic representation of a system for dry
  • FIG. 1 shows an installation 1 for the dry conversion of a material structure of semi-finished products, in particular for dry bainitizing. It comprises a quenching chamber 2 and a microstructure conversion chamber 3, which is subsequently arranged in the machining flow, wherein an internal space of the two chambers is subjected to gas overpressure at least during the respective process step for converting the material structure.
  • the semifinished products to be coated are shown here by way of example as batches 9.
  • the semi-finished products must not undergo any significant temperature change when moving between the quench chamber and the microstructure transformation chamber. Particularly critical here are the outside areas or even thin-walled areas, which tend rapidly to fall below a permissible temperature range.
  • the permissible temperature fluctuation width is approximately the range of
  • these means comprise a partition wall 4 with a door between the quenching chamber 2 and the microstructure conversion chamber 3. Since both chambers are simultaneously subjected to gas pressure, a pressure equalization between the two chambers must be done before opening the door. This is preferably done by a pressure reduction in the quenching chamber. However, the semifinished products of charge 9 continue to be subjected at least to the gas overpressure prevailing in the microstructure conversion chamber, so that inadmissible cooling of the material is avoided.
  • the charge 9 can then be removed from the quenching chamber to carry out the process, which takes much longer than the quenching process (about 35 to 40 seconds). ge conversion process (depending on material, component shape and component size of the semi-finished products up to several hours) are implemented.
  • the door in the partition 4 between the two chambers 2, 3 are closed again to separate them pressure-tight from each other.
  • the quenching chamber 2 can then be prepared to receive a new batch 9 to be quenched, while in the microstructure conversion chamber in the reacted semi-finished product the microstructure transformation process begins.
  • the microstructure conversion chamber 3 may comprise a heating device 10 and / or a cooling device 11, which are preferably controlled by a temperature control 12 comprising a temperature sensor 12.1.
  • a temperature control 12 comprising a temperature sensor 12.1.
  • it may further comprise one or more gas circulation devices 13, which are here in the present embodiment as blowers or fans.
  • the plant further comprises a transport device 14. This transport device 14 can be particularly advantageous in a clocked manner operate.
  • FIG. Therein, the quenching chamber in the process sequence upstream of a high-temperature furnace 7 is shown.
  • three batches 9 are arranged to be heated to a temperature from which they are cooled again in the quenching chamber. This is the austenitizing temperature, which at about 100Cr6 is about 850 ° C.
  • the two chambers 2, 7 are formed with a corresponding to the partition wall 4 Partition 6 separated from each other. Since the high-temperature furnace 7 is preferably operated under vacuum, this is a lock 8 upstream with two lock dividing walls 8.1 and 8.2 on the input side.
  • the microstructure conversion chamber 3 is, in this embodiment, sealed with a lock 5 and its associated partitions 5.1 and 5.2 relative to the outside prevailing ambient pressure.
  • a partition 5.1 may be provided with a door arranged therein correspondingly for the removal of the semi-finished products converted therein.
  • FIG. 3 The course of the microstructure transformation in the semi-finished products is shown by way of example in FIG. 3 in a diagram. Horizontally, the time is plotted in minutes and vertically the proportion of the already existing microstructure transformation in the relevant semi-finished products. It can be seen that relatively fast after quenching a strong conversion rate, here for example approximately at 8 min. used and in about 15 min. ongoing. This area is bounded by the two inflection points 15, 16 of the transformation reproducing curve 17.
  • the plant is constructed so that the semifinished product to be converted is kept stable in its temperature by the microstructure transformation chamber during this time.
  • the conversion of the semifinished product from the quenching chamber should be completed in the microstructure conversion chamber.
  • a removal of the semifinished product from the microstructure conversion chamber should preferably take place after the time 19, to which already about 80% of the material structure has been converted.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a plant 1 which, compared with the embodiment in FIG. 1, is expanded by a circulating air oven 20 which is operated at ambient pressure. In this convection oven, the semifinished product remains until even the remaining material structure is converted.
  • a schematic temperature curve with respect to the overlying plant components is shown. chamber, conversion chamber, lock and convection oven).
  • the temperature in degrees Celsius is plotted on the horizontal x-axis for the relevant process path in the system.
  • the highest point of the curve represents the austenitizing temperature T Aust , which is approximately 850 ° C., and with which the semifinished products are introduced into the quenching chamber.
  • T Aust the austenitizing temperature
  • T Ba ⁇ n which is around 220 ° C.

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Abstract

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage zur trockenen Umwandlung eines Materialgefüges von Halbzeug, insbesondere zum trockenen Bainitisieren, mit einer Abschreckkammer und einer im Bearbeitungsfluss nachfolgend angeordneten Gefüge-Umwandlungskammer, wobei jeweils ein Innenraum der beiden Kammern zumindest während des betreffenden Verfahrensschrittes zur Umwandlung des Materialgefüges mit Gasüberdruck beaufschlagt ist. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass Mittel zur Aufrecherhaltung eines auf das Halbzeug wirkenden Mindestgasüberdrucks während eines Umsetzens des Halbzeugs aus der Abschreckkammer in die Gefüge-Umwandlungskammer vorgesehen sind.

Description

Beschreibung
Titel
Anlage zur trockenen Umwandlung eines Material -Gefüges von Halbzeugen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur trockenen Umwandlung eines Material- Gefüges von Halbzeugen nach dem Anspruch 1.
Stand der Technik
Zur Verbesserung der Materialeigenschaften metallischer Bauelemente ist es bekannt, mittels Wärmebehandlungsverfahren deren Materialgefüge zu beeinflussen. Neben einer ganzen Vielzahl von Metallen eignen sich für solche Behandlungsverfahren insbesondere Stähle, von denen wiederum beispielsweise 10006 gerne mit solchen Zwischenstufenvergütungsverfahren behandelt wird.
Bezogen auf 100Cr6 wird beispielsweise zuerst eine Erhitzung des Materials in einen Temperaturbereich von etwa 850 °C durchgeführt, so dass sich in dem Material das so genannte Austenit- Gefüge einstellt. Anschließend müssen die so erhitzten Bauteile rasch auf die Zwischenstufen-Vergütungstemperatur abgeschreckt werden. Bevorzugt wird hier ein Temperaturbereich von ca. 220 °C, bei dem sich das so genannte Bainit-Gefüge einstellt. Diese Temperatur liegt jedoch nur geringfügig oberhalb der so genannten Martensit- Starttemperatur, auf die die Werkstücke während des Gefügeumwandlungsprozesses auf keinen Fall abkühlen dürfen, da dies massive Störungen des gewünschten, besonders vorteilhaften Bainit- Gefüges zur Folge haben würde.
Aus der DE 100 44 362 C2 geht dazu ein Anlagenkonzept hervor, bei welchem die zu vergütenden Bauteile, welche auch als Halbzeuge bezeichnet werden, nach dem Abschrecken und geregeltem Abfangen bei Umwandlungstemperatur in einem beheizten Transportwagen umgesetzt und mit diesem zu einem Glühofen transportiert werden. Die Bauteile werden dazu beim Umsetzen aus der unter Gas-Überdruck stehenden Abschreckkammer entnommen und mit Hilfe eines Transportwagens zu der im Prozessfluss nachfolgend angeordneten Umwandlungskammer transportiert, eingesetzt und darin in der Temperatur konstant gehalten.
Beim Umsetzen der Bauteile aus der Abschreckkammer besteht dabei einerseits die Gefahr, dass aufgrund zu niedriger Umgebungs-Gastemperatur die Außenbereiche der Bauteile, insbesondere dünnwandige Abschnitte der Bauteile, zu stark abgekühlt werden. Es kann daher nicht ausgeschlossen werden, dass die Gastemperatur kurzzeitig die Marten- sit- Starttemperatur unterschreitet und damit die Gefügeausbildung z. B. von Bainit in den Bauteilen zumindest gefährdet, wenn nicht sogar verhindert. Dies deshalb, da die Randbereiche eines Bauteils, insbesondere dünnwandige Stellen, Ecken oder Gewindegänge sehr schnell die Gastemperatur annehmen.
Andererseits besteht die Gefahr, dass beim Umsetzen durch die in den Bauteilen einsetzende Gefügeumwandlung ein unzulässiges Ansteigen der Bauteiletemperatur aufgrund der dabei hervorgerufenen, exothermen Prozesse eintritt, was durch dabei einsetzende Gefügeumwandlung in Perlit und/oder kontinuierliches Bainit ebenfalls massive Störungen bei der Umwandlung des Materialgefüges hervorruft.
Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur trockenen Umwandlung eines Material-Gefüges von Halbzeugen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anlage zur trockenen Umwandlung eines Material-Gefüges der einleitend genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend kann eine Anlage zur trockenen Umwandlung eines Materialgefüges von Halbzeugen, insbesondere zum trockenen Bainitisieren, eine Abschreckkammer und eine im Bearbeitungsfluss nachfolgend angeordneten Gefüge-Umwandlungskammer umfassen, wobei jeweils ein Innenraum der beiden Kammern zumindest während des betreffenden Verfahrensschrittes zur Umwandlung des Materialgefüges mit Gasüberdruck be- aufschlagt ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass Mittel zur Aufrecherhaltung eines auf das Halbzeug wirkenden Mindestgasüberdrucks während eines Umsetzens des Halbzeugs aus der Abschreckkammer in die Gefüge-Umwandlungskammer vorgesehen sind.
Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Vermeidung einer drastischen Entspannung eines unter Druck stehenden Gases sicher gestellt ist, dass im Umgebungsbereich der Halbzeuge die Gastemperatur und infolgedessen auch die Temperatur der Halbzeuge nicht unerwünscht tief abfallen kann.
Ein weiterer Grund für Überdruck in der Umwandlungskammer ist die bessere Wärmeabfuhr der Bauteile während der Gefügeumwandlung. Dadurch kann die Bauteiltemperatur konstant gehalten werden.
In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Mittel zur Aufrecherhaltung eines Mindestgasdrucks auf die Halbzeuge beim Umsetzen der Halbzeuge daher eine Trennwand mit einer Tür zwischen der Abschreckkammer und der Gefüge- Umwandlungskammer umfassen.
Dazu können die Abschreck- und Gefüge-Umwandlungskammer derart aneinander angrenzend angeordnet sein, so dass nach Ende des Abschreckvorgangs nur die Tür in der Trennwand zwischen den beiden unter Druck stehenden Kammern geöffnet werden muss, um eine Charge abzuschreckenden Halbzeugs aus der unter Gas-Überdruck stehenden Abschreckkammer unmittelbar in die ebenfalls unter Gas-Überdruck stehende Gefüge-Umwandlungskammer umsetzen zu können. Es ist hierbei also nicht mehr notwendig, das die Halbzeuge umgebende Gas bis auf den Umgebungsdruck zu entspannen. Somit entfällt auch die Gefahr einer unzulässigen Temperaturabsenkung, die ggf. den Umwandlungsprozess gefährden könnte. Weiterhin ist mit dieser Ausführungsform unmittelbar benachbarter Kammern auch ein derart rasches Umsetzen der Halbzeuge gewährleistet, dass die Halbzeuge bereits in der Gefüge-Umwandlungskammer sind, bevor ein markanter Temperaturanstieg aufgrund des darin einsetzenden exothermen Prozesses erfolgen kann.
In einer davon abgewandelten Ausführungsform ist es weiterhin vorstellbar, dass eine einzelne Abschreckkammer mit mehreren Gefüge-Umwandlungskammern entsprechend der ersten Ausführungsform verbunden ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn - A -
die Verweildauer des Halbzeuges für die Zwischenstufenvergütung in einer Gefüge- Umwandlungskammer verhältnismäßig groß ist.
Bei einer derartig aufgebauten Anlage kann die sie umfassende Abschreckkammer, jeweils nach erfolgtem Abschreckvorgang, nach und nach verschiedene, ihr zugeordnete Gefüge-Umwandlungskammern mit entsprechenden Chargen umzuwandelnden Halbzeuges in der Form entsprechender Bauteile versorgen. Damit ist eine zeit- und kostenoptimierte Prozessführung möglich.
In einer weiteren Ausführungsform ist es beispielsweise auch vorstellbar, dass die Mittel zur Aufrechterhaltung des Mindestgasdrucks auf die Halbzeuge beim Umsetzen der Halbzeuge eine separat verfahrbare Druckkammer zwischen der Abschreckkammer und der Gefüge-Umwandlungskammer umfassen. Diese könnten beispielsweise in der Form einer fahrbaren Schleuse ausgebildet sein, die vorzugsweise mit entsprechenden Mitteln ausgestattet ist, wie sie auch die Gefüge-Umwandlungskammer aufweist. Damit kann sicher gestellt werden, dass, wie in den oben vorgeschlagenen Ausführungsformen, einerseits keine Druckreduzierung des die Halbzeuge umgebenden Gasdruckes bis auf den Umgebungsdruck erforderlich ist, und somit keine unzulässige Abkühlung des Gases eintreten kann. Andererseits ist auch gewährleistet, dass bei bereits einsetzendem Temperaturanstieg aufgrund des in den Halbzeugen ablaufenden exothermen Prozesses die dabei entstehende Wärme in ausreichendem Maße abgeführt wird, so dass auch keine Probleme in der Gefüge-Umwandlung aufgrund zu hoher Temperaturen entstehen können.
Mit einem derart ausgebildeten Mittel zur Aufrechterhaltung eines auf das Halbzeug wirkenden Mindestgasüberdrucks während des Umsetzvorgangs kann eine Anlage zur Zwischenstufenvergütung noch weiter in ihrer Wirtschaftlichkeit verbessert werden.
Bezüglich des in der Abschreckkammer und in der Gefüge-Umwandlungskammer vorherrschenden Druckes kann in einer bevorzugten Ausführungsform in beiden Kammern ein im Wesentlichen gleicher Gasdruck vorherrschen. Dies hat den Vorteil, dass beim Umsetzen zwischen der Abschreckkammer und der Gefüge-Umwandlungskammer kein Temperatursturz im Gas aufgrund einer Gasentspannung auftreten kann. Weiterhin bewirkt der hohe Druck in der Gefüge-Umwandlungskammer eine sehr gute Wärmeabfuhr von dem zu vergütenden Halbzeug.
Ggf. kann vor der Entnahme des größten Teils oder auch vollständig im Gefüge umgewandelten Halbzeuges aus der Gefügeumwandlungskammer eine stufenweise oder auch langsame Entspannung des Gasdrucks durch entsprechend geeignete Mittel vorgesehen sein.
In einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform kann zwischen der Abschreckkammer und der Umwandlungskammer zur Durchführung des jeweiligen Prozessschrittes auch ein Druckverhältnis vorherrschen, das vorzugsweise jedoch nicht größer ist als in etwa das Verhältnis 3:1. Mit diesem Verhältnis kann immer noch gewährleistet werden, dass durch die dabei verhältnismäßig geringe Entspannung des Gases keine unzulässige Abkühlung des Gases und dadurch der zu vergütenden Bauteile erfolgt. Übliche Druckbereiche in der Abschreckkammer können in etwa im Bereich von 10 bis 30 bar liegen. Um ausreichend Wärme abführen zu können, sollte das Niveau der Umwandlungskammer längerfristig einen Druckbereich von 3 bar jedoch nicht unterschreiten.
Um die Gefüge-Umwandlungskammer entsprechend temperieren zu können, weist die Anlage vorzugsweise weiterhin eine Temperaturregelung auf. Damit kann die Gefüge- Umwandlungskammer mittels entsprechender Heizelemente vor Einbringen der zu vergütenden Charge an Halbzeugen auf die entsprechende Temperatur vorgewärmt, und nach Einbringen der Halbzeuge mittels entsprechender Kühlmittel genau auf der gewünschten Temperatur gehalten werden. Diese Kühlmittel umfassen insbesondere einen die Charge umströmenden, unter Überdruck stehenden Gasstrom. Ggf. kann zusätzlich noch eine Kühlvorrichtung im Gasstrom angeordnet sein, um die von der Charge aufgenommene Abwärme aus dem Gasstrom wieder abführen zu können.
Zur Erzeugung und Aufrecherhaltung des Gasstroms kann die Gefüge- Umwandlungskammer im Weiteren eine Gasumwälzvorrichtung umfassen, insbesondere vorteilhaft eignen sich hierzu Gasgebläse oder Ventilatoren.
Zur Umsetzung des Halbzeugs von der Abschreckkammer in die Gefüge- Umwandlungskammer kann die Anlage im Weiteren eine Transportvorrichtung umfassen. Bei lediglich durch eine mit einer Tür versehenen Trennwand getrennten Abschreck- und Gefüge-Umwandlungskammer könnte diese beispielsweise getaktet betrieben werden. D.h. nach erfolgtem Abschreckvorgang und Öffnen der die beiden Kammern trennenden Tür, kann die Transportvorrichtung aktiviert werden, woraufhin sie die Halbzeuge aus der Abschreckkammer in die Umwandlungskammer umsetzt.
Denkbar sind hierzu beispielsweise entsprechend temperaturgeeignete Fördermittel wie Kettenförderer, hintereinander angeordnete, drehbare Walzen oder dergleichen mehr. Für eine z. B. sternförmig aufgebaute Anlage mit mehreren Gefüge-Umwandlungskammern kann diese Transportvorrichtung beispielsweise im Weiteren eine Drehscheibe umfassen, um eine entsprechende Ausrichtung der Transportmittel zur nächsten zu beschickenden Gefüge-Umwandlungskammer zu ermöglichen, oder selbstverständlich auch eine Aufnahme einer neu abzuschreckenden Charge aus einem stromaufwärts angeordneten Hochtemperaturofen.
Die Fördergeschwindigkeit der Transportvorrichtung ist dabei vorzugsweise mindestens so groß, dass die für das Umsetzen der Halbzeuge erforderliche Zeit kürzer ist, als die Zeit, welche zwischen Ende des Abschreckvorgangs und einem markanten Anstieg der Temperatur des Halbzeuges aufgrund einer darin einsetzenden Gefüge-Umwandlung vergeht. Als markanter Anstieg der Temperatur wird hierbei der Bereich um den Wendepunkt einer den zeitlichen Verlauf der Gefüge-Umwandlung wiedergebenden Kurve angesehen.
Um die zu vergütenden Bauteile nach Ablauf des Prozessbereiches einer hohen Gefüge- Umwandlungsrate aus der Gefüge-Umwandlungskammer entnehmen zu können, kann die Anlage im Weiteren vorzugsweise eine Druckschleuse aufweisen. Hiermit können die Bauteile ohne wesentliche Druckminderung in der Gefüge-Umwandlungskammer aus dieser ausgeschleust und im Anschluss daran gegebenenfalls an eine ihr nachfolgend angeordnete, mit Normaldruck beaufschlagte Temperierkammer, z. B. einem Umluftofen, zum Vollzug der restlichen Gefüge-Umwandlung eingebracht werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf bezugnehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur trockenen Umwandlung eines Materialgefüges von Halbzeug;
Figur 2 einen schematisch dargestellten Aufbau einer Materialgefüge-
Umwandlungskammer.
Figur 3 ein Diagramm, bei dem über einer horizontalen Zeitachse der Ver- lauf einer Umwandlung eines Materialgefüges aufgetragen ist; und
Figur 4 eine weitere schematische Darstellung einer Anlage zur trockenen
Umwandlung eines Materialgefüges von Halbzeugen mit darunter dargestellten, den jeweiligen Prozessschritten zugeordneten Zeit- /Temperaturdiagramm.
Im Detail zeigt nun die Figur 1 eine Anlage 1 zur trockenen Umwandlung eines Materialgefüges von Halbzeugen, insbesondere zum trockenen Bainitisieren. Sie umfasst eine Abschreckkammer 2 und eine im Bearbeitungsfluss nachfolgend angeordnete Gefüge- Umwandlungskammer 3, wobei jeweils ein Innenraum der beiden Kammern zumindest während des betreffenden Verfahrensschrittes zur Umwandlung des Materialgefüges mit Gasüberdruck beaufschlagt ist. Die zu vergütenden Halbzeuge sind hier beispielhaft als Chargen 9 dargestellt.
Die Halbzeuge dürfen beim Umsetzen zwischen der Abschreckkammer und der Gefüge- Umwandlungskammer keine wesentliche Temperaturänderung erfahren. Insbesondere kritisch sind hierbei die Außenbereiche oder auch dünnwandige Bereiche, die rasch zur Unterschreitung eines zulässigen Temperaturbereichs neigen. Als zulässige Temperaturschwankungsbreite wird in etwa der Bereich von
+/■ 5° C gegenüber der in der Abschreckkammer dem Halbzeug aufgeprägten Temperatur von ca. 220° C angesehen.
Erfindungsgemäß sind nun Mittel vorgesehen, die zur Aufrechterhaltung eines auf das Halbzeug wirkenden Mindestgasüberdrucks während eines Umsetzens der Halbzeuge aus der Abschreckkammer in die Gefüge-Umwandlungskammer geeignet sind. In dieser Ausführungsform umfassen diese Mittel eine Trennwand 4 mit einer Tür zwischen der Abschreckkammer 2 und der Gefüge-Umwandlungskammer 3. Da beide Kammern gleichzeitig mit Gasüberdruck beaufschlagt sind, muss vor Öffnen der Tür ein Druckausgleich zwischen beiden Kammern erfolgen. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine Druckreduzierung in der Abschreckkammer. Die Halbzeuge der Charge 9 bleiben dabei aber weiterhin zumindest mit dem in der Gefüge-Umwandlungskammer vorherrschenden Gasüberdruck beaufschlagt, so dass eine unzulässige Materialabkühlung vermieden wird.
Die Charge 9 kann anschließend aus der Abschreckkammer zur Durchführung des gegenüber dem Abschreckvorgangs (ca. 35 bis 40 sec.) wesentlich länger dauernden Gefü- ge-Umwandlungsprozesses (abhängig von Material, Bauteilform und Bauteilgröße der Halbzeuge bis zu mehreren Stunden) umgesetzt werden.
Nach Beendigung des Umsetzvorgangs für die Charge 9 kann die Tür in der Trennwand 4 zwischen den beiden Kammern 2, 3 wieder geschlossen werden, um diese druckdicht voneinander zu trennen. Die Abschreckkammer 2 kann dann zur Aufnahme einer neuen, abzuschreckenden Charge 9 vorbereitet werden, während in der Gefüge- Umwandlungskammer in dem umgesetzten Halbzeug der Gefüge-Umwandlungsprozess einsetzt.
Zur Bereitstellung der für die Gefüge-Umwandlung erforderlichen Temperatur kann die Gefüge-Umwandlungskammer 3 entsprechend der Figur 2 eine Heizvorrichtung 10 und/oder eine Kühlvorrichtung 11 umfassen, die bevorzugt über eine Temperaturregelung 12, die einen Temperatursensor 12.1 umfasst, kontrolliert werden. Zur gleichmäßigen Temperaturverteilung im Inneren der Gefüge-Umwandlungskammer 3 sowie zur besseren Wärmeabfuhr, kann diese im Weiteren eine oder mehrere Gasumwälzvorrichtungen 13 umfassen, die hier in der vorliegenden Ausführungsform als Gebläse oder Ventilatoren ausgebildet sind. Um die Charge 9 sowohl von der Abschreckkammer 2 in die Gefüge- Umwandlungskammer 3 umsetzen zu können, als auch ggf. in der Gefüge- Umwandlungskammer weiter zu transportieren, umfasst die Anlage im Weiteren eine Transportvorrichtung 14. Insbesondere vorteilhaft kann diese Transportvorrichtung 14 in getakteter Weise betrieben werden. Damit ist es möglich, die Chargen 9 durch die gesamte Anlage 1 in entsprechenden Taktschritten weiter zu transportieren. Jene Anlagenteile, in welchen das Halbzeug eine größere Verweildauer zur Durchführung des jeweiligen Prozessschrittes erfordern, können dazu derart ausgebildet sein, dass sie zur Aufnahme mehrerer Chargen geeignet sind. Diese Chargen durchlaufen dann entsprechend des getakteten Transportes den jeweiligen Anlagenabschnitt, z. B. die Gefüge- Umwandlungskammer 3.
Weitere Anlagenteile sind aus der Figur 1 zu entnehmen. Darin ist der Abschreckkammer im Prozessablauf vorgeschaltet ein Hochtemperaturofen 7 dargestellt. In diesem sind beispielhaft drei Chargen 9 angeordnet, um auf eine Temperatur erhitzt zu werden, von welcher sie in der Abschreckkammer wieder abgekühlt werden. Hierbei handelt es sich um die Austenitisierungstemperatur, welche bei 100Cr6 in etwa bei 850° C liegt.
Die beiden Kammern 2, 7 sind mit einer entsprechend der Trennwand 4 ausgebildeten Trennwand 6 voneinander getrennt. Da der Hochtemperaturofen 7 vorzugsweise unter Vakuum betrieben wird, ist diesem eingangsseitig eine Schleuse 8 mit zwei Schleusentrennwände 8.1 und 8.2 vorgeschaltet.
Auch die Gefüge-Umwandlungskammer 3 ist, in dieser Ausführungsform, mit einer Schleuse 5 und ihr zugeordneten Trennwänden 5.1 und 5.2 gegenüber dem außen vorherrschenden Umgebungsdruck abgedichtet.
In einer einfacheren Ausführungsform, z. B. bei entsprechend niedrigem Betriebsdruck in der Gefüge-Umwandlungskammer, kann anstelle der Schleuse 5 auch lediglich eine Trennwand 5.1 mit einer darin entsprechend angeordneten Tür für die Entnahme der darin umgewandelten Halbzeuge vorgesehen sein.
Der Verlauf der Gefüge-Umwandlung in den Halbzeugen ist in der Figur 3 beispielhaft in einem Diagramm dargestellt. Horizontal ist die Zeit in Minuten aufgetragen und vertikal der Anteil der bereits erfolgten Gefüge-Umwandlung in den betreffenden Halbzeugen. Daraus ist ersichtlich, dass relativ rasch nach dem Abschrecken eine starke Umwandlungsrate, hier beispielhaft in etwa bei 8 min. einsetzt und in etwa 15 min. andauert. Dieser Bereich wird durch die beiden Wendepunkte 15, 16 der die Umwandlung wiedergebenden Kurve 17 begrenzt.
Bevorzugt ist die Anlage so aufgebaut, dass das umzuwandelnde Halbzeug während dieser Zeit durch die Gefüge-Umwandlungskammer stabil in seiner Temperatur gehalten wird. Beispielhaft ist für den Beginn der Zeitpunkt 18 angegeben, bis zu dem das Umsetzen des Halbzeugs aus der Abschreckkammer in die Gefüge-Umwandlungskammer abgeschlossen sein sollte. Eine Entnahme des Halbzeugs aus der Gefüge- Umwandlungskammer sollte vorzugsweise erst nach dem Zeitpunkt 19 erfolgen, zu welchem bereits etwa 80 % des Materialgefüges umgewandelt ist.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anlage 1, die gegenüber der Ausführungsform in der Figur 1 um einen Umluftofen 20 erweitert ist, welcher mit Umgebungsdruck betrieben wird. In diesem Umluftofen verbleibt das Halbzeug so lange, bis auch noch das restliche Materialgefüge umgewandelt ist.
Unterhalb der in Figur 4 dargestellten Anlage 1 ist eine schematische Temperaturkurve in Bezug auf die darüber liegenden Anlagenkomponenten (Hochtemperaturofen, Abschreck- kammer, Umwandlungskammer, Schleuse und Umluftofen) dargestellt. Dabei ist über die horizontale x-Achse für den betreffenden Verfahrensweg in der Anlage die Temperatur in Grad Celsius aufgetragen. Der höchste Punkt der Kurve stellt die Austenitisierungstempe- ratur TAustdar, die in etwa bei 850° C liegt, dar, und mit welcher die Halbzeuge in die Abschreckkammer eingebracht werden. Aus der Abschreckkammer kommen sie mit der für den weiteren Prozess konstant zu haltenden Zwischenstufenvergütungstemperatur, hier Bainitisierungstemperatur TBaιn, die bei etwa 220° C liegt. Nach der vollständigen Material- Gefügeumwandlung können die Bauteile dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden.

Claims

Ansprüche
1. Anlage zur trockenen Umwandlung eines Materialgefüges von Halbzeug, insbesondere zum trockenen Bainitisieren, mit einer Abschreckkammer und einer im Bearbeitungsfluss nachfolgend angeordneten Gefüge-Umwandlungskammer, wobei jeweils ein Innenraum der beiden Kammern zumindest während des betreffenden Verfahrensschrittes zur Umwandlung des Materialgefüges mit Gasüberdruck beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Aufrecherhaltung eines auf das Halbzeug wirkenden Mindestgasüberdrucks während eines Umsetzens des Halbzeugs aus der Abschreckkammer in die Gefüge-Umwandlungskammer vorgesehen sind.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aufrechterhaltung des Mindestgasdrucks eine Trennwand mit einer Tür zwischen der Abschreckkammer und der Gefüge-Umwandlungskammer umfassen.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aufrechterhaltung des Mindestgasdrucks eine separat verfahrbare Druckkammer zwischen der Abschreckkammer und der Gefüge-Umwandlungskammer umfassen.
4. Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abschreckkammer und in der Gefüge-Umwandlungskammer zur Durchführung des jeweiligen Prozessschrittes im Wesentlichen der gleiche Gasdruck vorherrscht.
5. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abschreckkammer und der Gefüge-Umwandlungskammer zur Durchführung des jeweiligen Prozessschrittes ein Druckverhältnis vorherrscht, das vorzugsweise nicht größer ist als in etwa das Verhältnis 3:1.
6. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefüge-Umwandlungskammer eine Heiz- und/oder eine Kühlvorrichtung umfasst.
7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturregelung für die Umwandlungskammer vorgesehen ist.
8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefüge-Umwandlungskammer eine Gasumwälzvorrichtung umfasst.
9. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Transportvorrichtung zur Umsetzung des Halbzeugs vorgesehen ist.
10. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördergeschwindigkeit der Transportvorrichtung mindestens so groß ist, dass die für das Umsetzen der Halbzeuge erforderliche Zeit kürzer ist, als die Zeit, welche zwischen Ende des Abschreckvorgangs und einem markanten Anstieg der Temperatur des Halbzeugs aufgrund einer darin einsetzenden Gefügeumwandlung vergeht.
11. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckschleuse vorgesehen ist.
12. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Gefüge-Umwandlungskammer im Prozessfluss nachfolgend angeordnete, mit Normaldruck beaufschlagte Temperierkammer vorgesehen ist.
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