PL228193B1 - Urzadzenie do jednostkowego hartowania czesci urzadzen technicznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do jednostkowego hartowania części urządzeń technicznych, tj. do kontrolowanego, minimalizującego deformacje hartowania pojedynczych części za pomocą medium chłodzącego.

Hartowanie jest procesem obróbki cieplnej stali polegającym na szybkim ochłodzeniu części z temperatury austenityzacji do temperatury bliskiej otoczeniu. W wyniku hartowania ulega przemianie mikrostruktura stali, powodując wzrost własności mechanicznych i użytkowych takich jak wytrzymałość, twardość, odporność na ścieranie, itp.

W znanych rozwiązaniach hartowanie przeprowadza się w dedykowanych urządzeniach lub komorach hartowniczych w różnych płynnych mediach chłodzących, takich jak olej, woda, sól oraz rzadziej w gazach lub w powietrzu. Najpowszechniejszym medium hartowniczym jest olej.

Hartowane części typowo układane są po wiele sztuk w pakietach na dedykowanym oprzyrządowaniu (tace, kosze, itp.) tworząc tzw. wsady lub w ilościach masowych na taśmach, i w takiej konfiguracji zostają nagrzane w piecu do temperatury austenityzacji oraz zahartowane w urządzeniach hartowniczych. Urządzenia hartownicze mogą być integralną częścią pieca do austenityzacji lub osobnym urządzeniem, niezależnym od pieca.

Cechą charakterystyczną wszystkich urządzeń hartowniczych jest obecność urządzenia wymuszającego cyrkulację płynu chłodzącego - mieszarek w cieczach i wentylatorów w gazach. Wymuszona cyrkulacja medium chłodzącego jest konieczna do skutecznego odbioru ciepła od hartowanych detali i przeniesienia go do wymiennika ciepła, który z kolei wyprowadza ciepło na zewnątrz urządzenia hartowniczego (zwykle za pomocą wody lub innego czynnika zewnętrznego chłodzenia). Z tego względu obecność jednego lub wielu wymienników ciepła jest również charakterystyczna w klasycznych urządzeniach hartowniczych.

W klasycznych urządzeniach hartowniczych hartowanie przebiega w następujący sposób. Nagrzany wsad do temperatury austenityzacji transportowany jest z pieca do urządzenia hartowniczego, gdzie cyrkulujący płyn chłodzący odbiera ciepło od wsadu ochładzając go. Następnie podgrzany ciepłem wsadu płyn chłodzący kierowany jest na wymiennik ciepła, gdzie jest ochładzany i ponownie kierowany na wsad w celu odbioru ciepła. Odpowiedni przepływ płynu chłodzącego jest wymuszony mieszarkami (dla cieczy) i wentylatorami (dla gazów) oraz kierunkowany przy pomocy stosownych kierownic i kanałów.

W procesie hartowania, oprócz uzyskania odpowiednich własności mechanicznych istotne jest zminimalizowanie deformacji pochodzących od naprężeń powstałych w wyniku gradientu temperatury oraz przemiany struktury materiału. Deformacje wymagają zastosowania kosztownej obróbki skrawaniem wyrównującej kształt części, dlatego dąży się do ich minimalizacji i powtarzalności.

Teoretycznie minimalizację deformacji można uzyskać poprzez zapewnienie identycznych i równomiernych warunków chłodzenia w obrębie pojedynczej części i dla wszystkich części (istotne szczególnie w produkcji masowej). Tradycyjne hartowanie w oleju zwiększa deformacje ze względu na trójfazowość przebiegu procesu (fazy: poduszki parowej, bąbelkowa i konwekcyjna) i związaną z tym nierównomierną intensywność odbioru ciepła. Podobnie nieoptymalne jest układanie detali we wsady, gdyż każdy pojedynczy detal, ze względu na niepowtarzalną lokalizację we wsadzie, przechodzi proces hartowania w indywidualny i odmienny sposób, ostatecznie uzyskując deformacje różne od pozostałych.

Mając na uwadze powyższe słabości klasycznych urządzeń hartowniczych w odniesieniu do minimalizacji i powtarzalności deformacji, podjęto prace nad urządzeniem do powtarzalnego hartowania w medium chłodzącym pojedynczych detali.

Istota urządzenia do jednostkowego hartowania według wynalazku polega na tym, że wewnątrz komory hartowniczej są usytuowane: wymienny stolik oraz otaczający go układ wymiennych dysz, z kolei do wejścia komory hartowniczej jest przyłączony zbiornik medium chłodzącego podawanego, natomiast wyjście komory hartowniczej jest połączone z wejściem zbiornika medium chłodzącego odbieranego, przy czym pomiędzy obydwa zbiorniki jest włączony kompresor, zaś komora hartownicza jest połączona z układem pomp próżniowych.

Korzystnym jest, gdy pomiędzy wyjście zbiornika a wejście komory hartowniczej są włączone: sterownik szybkości przepływu gazu zasilającego oraz zawór odcinający, zaś pomiędzy wyjście komory hartowniczej a wejście zbiornika są włączone: zawór odcinający, sterownik szybkości przepływu gazu odbieranego oraz wymiennik ciepła.

PL 228 193 B1

Korzystnym jest także, gdy wyjście zbiornika jest przyłączone do wejścia kompresora za pośrednictwem zaworu odcinającego, natomiast wyjście tego kompresora jest przyłączone do wejścia zbiornika za pośrednictwem zaworu odcinającego i wymiennika ciepła.

Ponadto korzystnym jest, gdy pomiędzy komorę hartowniczą a wejście układu pomp próżniowych jest włączony zawór odcinający.

Urządzenie według wynalazku umożliwia prowadzenie kontrolowanego chłodzenia hartowanej części poprzez zatrzymanie, na określony czas, wymuszonego przepływu medium chłodzącego w dowolnym czasie trwania chłodzenia oraz ponowne jego kontynuowanie, w różnych warunkach przepływowo-ciśnieniowych, powtarzanych jedno- lub wielokrotnie.

Pozwala to na dowolne kształtowanie krzywej chłodzenia, osiągnięcie optymalnej mikrostruktury stali i własności mechanicznych, oraz umożliwia eliminację procesu odpuszczania (zwykle niezbędnego po hartowaniu).

Zastosowanie metody kontrolowanego hartowania pojedynczych części skutkuje minimalizacją deformacji w odniesieniu do pojedynczej części oraz pełną powtarzalnością deformacji na wszystkich takich samych częściach, przy jednoczesnym uzyskaniu ponadprzeciętnych własności mechanicznych.

Wynalazek zostanie bliżej opisany na podstawie przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, który przedstawia schemat komory hartowniczej wraz z układem chłodzącym.

Urządzenie według wynalazku pracuje w zespole pieca próżniowego ciągłego z wydzielonymi komorami próżniowymi do nagrzewania i nawęglania, podchładzania i hartowania.

Komora hartownicza 1, wyposażona w usytuowane przeciwległe szczelne drzwi 2 i 3 do załadunku i rozładunku hartowanej części 14, jest połączona za pośrednictwem zaworu odcinającego 19 z wejściem układu pomp próżniowych 18, umożliwiających usunięcie powietrza i załadunek komory hartowniczej 1 pod próżnią.

Wewnątrz komory hartowniczej 1 są usytuowane: wymienny stolik 4, na którym układa się pojedynczą część 14 oraz otaczający ją układ wymiennych dysz 5. Z kolei do wejścia komory hartowniczej 1 jest przyłączony zbiornik 6 medium chłodzącego podawanego, natomiast wyjście komory hartowniczej 1 jest połączone z wejściem zbiornika 7 medium chłodzącego odbieranego, a ponadto pomiędzy zbiorniki 7 i 6 jest włączony kompresor 15, wymuszający przepływ medium chłodzącego w obiegu zamkniętym.

Pomiędzy wyjście zbiornika 6 a wejście komory hartowniczej 1 są włączone: sterownik 10 szybkości przepływu gazu zasilającego oraz zawór odcinający 8, zaś pomiędzy wyjście komory hartowniczej 1 a wejście zbiornika 7 są włączone: zawór odcinający 9, sterownik 11 szybkości przepływu gazu odbieranego oraz wymiennik ciepła 12 do schładzania nagrzanego podczas hartowania medium chłodzącego.

Wyjście zbiornika 7 jest przyłączone do wejścia kompresora 15 za pośrednictwem zaworu odcinającego 16, natomiast wyjście kompresora 15 jest przyłączone do wejścia zbiornika 6 za pośrednictwem zaworu odcinającego 17 i wymiennika ciepła 13 do schładzania sprężonego medium.

W wykonanej ze stali konstrukcyjnej komorze hartowniczej 1 jest obrabiana termicznie część 14, którą stanowi koło zębate o średnicy 150 mm wykonane ze stali do nawęglania z gatunku 20MnCr5, przy czym jako medium chłodzące zastosowano azot.

Po nagrzaniu w piecu i nawęgleniu na wymaganą grubość warstwy w temperaturze powyżej temperatury austenityzacji, np. 950°C, część 14 jest transportowana w warunkach próżniowych do komory hartowniczej 1. W międzyczasie komora hartownicza 1 jest odpompowana systemem próżniowym 18 poprzez otwarty zawór 19, aż do uzyskania próżni co najmniej 0,1 hPa. Następnie, po otwarciu drzwi załadowczych 2, część 14 jest przenoszona za pomocą mechanizmu transportowego lub manipulatora do wnętrza komory hartowniczej 1 i układana na stoliku 4. Zamykają się drzwi załadowcze 2 i zawór próżniowy 19. Otwiera się zawór 8 na wlocie gazu do komory hartowniczej 1 oraz otwiera się zawór 9 na wylocie gazu. Gaz chłodzący ze zbiornika zasilającego 6 pod ciśnieniem 2 MPa przedostaje się do układu dysz 5 i przez dysze kierowany jest na hartowaną część 14. Gaz odbiera ciepło od części 14 chłodząc ją i nagrzany przepływa do zbiornika odbierającego 7, będącego pod ciśnieniem otoczenia, przy czym przed wejściem do zbiornika 7 gaz jest ochładzany w wymienniku ciepła 12 typu gaz/gaz (azot/powietrze). Szybkość przepływu gazu chłodzącego, a tym samym szybkość chłodzenia, jest regulowana za pośrednictwem sterowników 10 i 11, które również ustalają ciśnienie gazu w komorze hartowniczej 1. Gdy ciśnienie w zbiorniku odbierającym gaz 7 wzrośnie do 0,1 MPa załącza się kompresor 15, otwierają zawory odcinające 16 i 17 i gaz - za pośrednictwem

PL 228 193 B1 wymiennika ciepła 13 - jest przepompowany z powrotem do zbiornika zasilającego 6, zamykając cykl obiegu gazu chłodzącego. Po kilkudziesięciu sekundach część 14 jest zahartowana i ochłodzona do temperatury umożliwiającej wyładunek, zwykle poniżej 200°C. Po zamknięciu zaworu odcinającego 8 i spadku ciśnienia w komorze hartowniczej 1, do wartości bliskiej otoczenia, zamknięty zostaje zawór odcinający 9 oraz zatrzymany kompresor 15, a jednocześnie zamknięte zostają zawory odcinające 16 i 17. Następnie otwierają się drzwi wyładowcze 3 i część 14 może zostać wyjęta z komory hartowniczej 1 za pomocą mechanizmu transportowego lub manipulatora.

W tak przeprowadzonym procesie część 14 została poprawnie zahartowana, uzyskując twardość na powierzchni 60-62 HRC i w rdzeniu 32-34 HRC. Dalej, po zamknięciu drzwi 3 komora hartownicza 1 zostaje odpompowana do próżni 0,1 hPa oczekując na załadunek kolejnej części 14, po czym następuje kolejny cykl hartowania, przy czym cykl roboczy wynosi od 10 do 1000 s.

Usytuowanie i parametry wymiennego stolika 4 oraz otaczającego go układu wymiennych dysz 5 są każdorazowo dopasowywane do kształtu schładzanej w procesie hartowania części 14, dzięki czemu uzyskuje się równomierny i optymalny napływ medium chłodzącego, korzystnie powietrza lub też azotu, lub też argonu, helu, wodoru lub też dwutlenku węgla, lub też ich mieszanin.

Użycie gazu jako czynnika chłodzącego umożliwiło uzyskanie równomiernego chłodzenia (jednofazowy charakter procesu na bazie tylko konwekcji) i pełnej kontroli jego intensywności poprzez zmianę gęstości lub szybkości ruchu gazu. Hartowanie pojedynczych części umożliwia precyzyjne dopasowanie napływu gazu chłodzącego do kształtu części, oraz idealne odtworzenie warunków chłodzenia dla każdej części osobno w masowej produkcji.

Claims (4)

1· Urządzenie do jednostkowego hartowania kół zębatych, wałków uzębionych, pierścieni łożyskowych i tym podobnych części urządzeń technicznych, będące elementem zespołu pieca próżniowego, przy czym komora hartownicza tego zespołu jest wyposażona w szczelne drzwi do załadunku i rozładunku części, znamienne tym, że wewnątrz komory hartowniczej (1) są usytuowane: wymienny stolik (4) oraz otaczający go układ wymiennych dysz (5), z kolei do wejścia komory hartowniczej (1) jest przyłączony zbiornik (6) medium chłodzącego podawanego, natomiast wyjście komory hartowniczej (1) jest połączone z wejściem zbiornika (7) medium chłodzącego odbieranego, przy czym pomiędzy obydwa zbiorniki (7) i (6) jest włączony kompresor (15), zaś komora hartownicza (1) jest dodatkowo połączona z układem pomp próżniowych (18).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy wyjście zbiornika (6) a wejście komory hartowniczej (1) są włączone: sterownik (10) szybkości przepływu gazu zasilającego oraz zawór odcinający (8), zaś pomiędzy wyjście komory hartowniczej (1) a wejście zbiornika (7) są włączone: zawór odcinający (9), sterownik (11) szybkości przepływu gazu odbieranego oraz wymiennik ciepła (12).

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że wyjście zbiornika (7) jest przyłączone do wejścia kompresora (15) za pośrednictwem zaworu odcinającego (16), natomiast wyjście kompresora (15) jest przyłączone do wejścia zbiornika (6) za pośrednictwem zaworu odcinającego (17) i wymiennika ciepła (13).

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy komorę hartowniczą (1) a wejście układu pomp próżniowych (18) jest włączony zawór odcinający (19).