Verfahren zur Wärmebehandlung von metallis chem Gut .
Die Erfindung bezieht sich auf die Wärmebehandlung von metallischem Gut in einem Rollenofen, insbesondere von relativ dünnen, sich bei Erwärmung leicht verziehenden Stahlteilen, wie beispielsweise Kugellagerringen, Blechronden , Messer und dergleichen .
Es ist eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln von metallischem Gut (DE-PS 31 50 576) bekannt , bei welcher auf einer Rollenbahn Glühgestelle angeordnet werden, die ihrerseits in den einzelnen Fächern mit den metallischen Teilen bestückt worden sind . Die mit dem metallischen Gut bestückten Glühgestelle durchlaufen einen Ofen . Es kann jedoch kaum erreicht werden, daß sich Metallteile, die eine Längsabmessung im cm-Bereich und eine geringe Dicke im m -Bereich haben, nach der Wärmebehandlung nicht bleibend verzogen haben .
Darüber hinaus ist es bislang üblich im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Metallteilen solche Öfen einzusetzen, die eine Schutzgasatmosphäre aufweisen und teilweise elektrisch beheizt sind, um zu verhindern, daß sich beispielsweise der Kohlenst o f f geha lt der Meta l lt e i le während de s Wärmebehandlungsvorganges ändert bzw . die Metallteile
aufoxidieren. Bei den meisten Metallteilen ist jedoch weder die Aufkohlung noch die Entkohlung noch die Aufoxidation erwünscht.
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, eine Wärmebehandlung von Metallteilen zu ermöglichen, bei der die Metallteile sich nicht verziehen und lediglich unerhebliche Randauf- bzw. Randentkohlungserscheinungen sowie unbedeutende Randaufoxidations- bzw. Randzunderbildungserscheinungen auftreten.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren der eingangs genannten Art,* welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das metallische Gut in mehreren Vorwärmzonen (I, II) mit Atmosphären mit freiem Sauerstoff stufenweise auf bis 800...850 °C erwärmt wird, danach das metallische Gut in einer Hochtemperaturzone (III) mit einer reduzierenden Atmosphäre, die keinen freien Sauerstoff enthält, erwärmt wird und diese Zone relativ schnell durchläuft, die Brenner der Hochtemperaturzone (III) je nach angelieferter Menge an metallischem Gut bzw. zu übertragener Wärmemenge kurz oder länger getaktet werden, und daß die Rollen in der Hochtemperaturzone (III) mit geringem Abstand zueinander und die Schikanen (S, US) zwischen den Zonen (I, II, III) auf möglichst kleine Abstände zur Rollenbahn bzw. dem Metallgut auf der Rollbahn eingestellt werden, wobei sich Brenner oberhalb und unterhalb der Rollenbahn befinden.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist zunächst einmal der Temperaturgradient unmittelbar oberhalb der Rollenbahn so gering, daß die sich dort befindlichen Metallteile nicht verziehen können. Eine solche Temperaturverteilung kann aber nur mit einem direkt mit Hochgeschwindigkeitsbrennern beheizten
Rollenofen erreicht werden. In einem Rollenofen mit alleiniger Oberbeheizung jedoch oder bei dem Einsatz von Glühhilfsmitteln oder Glühgestellen kann dies nicht erreicht werden.
Im Zusammenhang mit der Glühbehandlung von Stahlteilen werden gemäß der Erfindung vorteilhafterweise keramische und kohlenstofffreie Rollen eingesetzt, die eine ausreichende Wärmestandfestigkeit haben. Darüber hinaus kann dadurch auch erreicht werden, daß die unter dem Ausdruck "pittings" bekannten Erscheinungen nicht auftreten, da keine Berührung von heißem Metall mit heißem Metall während des Glühvorganges auftritt, sondern die Stahlteile auf den Keramikrollen aufliegen. Bei bekannten Rollenöfen für die wärmebehandelnde Metallindustrie werden überwiegend Metallrollen eingesetzt, was nur möglich ist, wenn ein relativ großer Aufwand für die Luft¬ bzw. Wasserkühlung der Rollen getrieben wird.
Um den Sauerstoffgehalt im Ofen möglichst gering zu halten werden die Brenner im Hochtemperaturbereich, zum Beispiel beim Wärmebehandeln zum Härten von Stahl, dem sogenannten 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 derartige Metallteile an der Oberfläche 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 Metallteile 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 Randentkohlung bzw. Verzunderung wird häufig
zugelas sen, da in der Regel in nachges chalteten Arbeitss chritten ohnehin eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt werden muß .
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die Metallteile mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den Rollenofen gefördert . In den unbeheizten Aufheizzonen und der beheizten Aufheiz zone wird mit einer von der D icke des wäremzubehandelnden metallischen Gutes abhängigen Geschwindigkeit gefahren, und bei Erreichen einer Temperatur von ca. 850 °C, werden die mit Wärme zu behandelnden Teile mit einer höheren Geschwindigkeit transportiert . Hierdurch kann die Verweilzeit der Metalle im Bereich höherer Temperaturen auf eine solche Zeitspanne begrenzt werden, die keine merkliche Auf- oder Entkohlungs Vorgänge zuläßt . In der dritten Zone, bei Stahl beispielsweise bei Austenitisierungstemperatur, werden die Metallteile schließlich mit einer noch höheren Geschwindigkeit transportiert . Nach Durchlaufen der Hochtemperaturzone wird das heiße Gut sehr schnell dem Ofen entnommen .
Bei dem Rollenofen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sind keine Türen im Ein- und Auslauf erforderlich, stattdessen kann auch dort mit sogenannten Schikanen gearbeitet werden, wobei sich am Aus lauf eine dicke oder mehrere Schikanen hintereinander befinden.
Wird bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ein Ofen mit einer leichten feuerfesten Auskleidung, beispielsweise aus Fasermaterialien verwendet, so kann der Ofen in kurzer Zeit auf- und abgeheizt werden.
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. Die Temperatur kann weiterhin dadurch vergleichmäßigt werden, daß Impulsbrenner oder Hochgeschwindigkeitsbrenner eingesetzt werden, die mit einem konstanten Gas-Luft-Gemisch eingestellt und auch taktend betrieben werden können.
Der Metallglühofen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in mehrere Zonen unterteilt, die folgende Bedingungen erfüllen:
In der ersten Zone, der unbeheizten Vorwärmzone, soll die Temperatur des Gutes möglichst gleichmäßig auf ca. 800 - 850°C gebracht werden. Hier kommt es auf die Gleichmäßigkeit darauf an, daher kann diese Zone auch in mehrere Bereiche unterteilt werden, in denen jeweils die Temperatur auf eine bestimmte Höhe angehoben werden soll. Problematisch ist nämlich bei dünnen und großflächigen Ronden, daß die Temperatur außen schneller die Temperatur der Umgebung als innen annimmt. Wäre nun die Umgebungstemperatur zu hoch, so würde sich zwar außen diese Temperatur schnell einstellen, während innen das jedoch nicht der Fall ist und eine erhebliche Differenz von innen nach außen würde zum Verziehen des Teils führen. Außerdem bewirkt das langsame Erhöhen der Temperatur auch eine Vergleichmäßigung der Struktur des Metallteiles, es findet also eine Art Spannungsfreiglühen statt. Es handelt sich hierbei um Spannungen, die aufgrund irgendeiner Vorbehandlung in dem Werkstück vorhanden ware .
In der nachfolgenden Stufe geht es darum, die Endtemperatur zu erreichen, diese kann für Stahl bis zu 1200...1250 °C liegen. Hierbei ist wichtig, daß diese Temperatur möglichst genau eingehalten wird, also beispielsweise mit +/-1 K oder höchstens +/-5 K. Änderungen in dieser möglichst konstant zu haltenden Temperatur führen zu Härteänderungen und einem nicht erwünschten Gefüge.
In der beheizten Vorwärmzone wird unter einer Atmosphäre mit freiem Sauerstoff gearbeitet, wohingegen in der Hochtemperaturzone kein freier Sauerstoff mehr vorhanden ist, sondern im Gegenteil eine reduzierende Atmosphäre, etwa CO.
Hieraus resultieren wiederum folgende Vorteile:
In der sauerstoffhaltigen Atmosphäre findet eine Verzunderung statt. Wenn jedoch Stahl in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre verzundert, so führt dies zu einer sich sehr leicht von der Oberfläche wieder lösenden Zunderschicht, die einfach entfernt werden kann oder absplittert. Wäre hingegen in der Anfangsphase eine reduzierende Atmosphäre vorhanden, so würde sich eine sogenannte Schicht aus Klebzunder bilden, die nicht ohne weiteres entfernt werden kann. Hierzu müssen aufwendigere mechanische Bearbeitungsvorgänge durchgeführt und/oder Säuren oder Laugen eingesetzt werden, was höchst unerwünscht ist. Da sich nun die Verweilzeit des Werkstücks auf hoher Temperatur sehr in Grenzen hält, also wesentlich kürzer ist als die bei niedrigen Temperaturen in der Vorwärmzone des Ofens, kann sich die Zunderschicht nur noch wenig vergrößern, insbesondere auch deshalb, weil kein freier Sauerstoff mehr vorhanden ist, sondern nur die reduzierende Atmosphäre.
Das Ergebnis ist eine dünne Zunderschicht am Werkstück, die leicht abplatzt, so daß kein Nacharbeitsvorgang erforderlich ist. Darüber hinaus ergibt sich je nach Temperaturhöhe in der Hochtemperatur auch eine einstellbare und definierte sehr feine Kornverteilung, die ein sehr feines, gleichmäßig verteiltes Gefüge zeigt .
Für die Erfindung ist die Unterteilung der beiden Zonen und deren Abgrenzung durch Schikanen von besonderer Bedeutung. Von unten her handelt es sich vorzugsweise um eine gemauerte Schikane, von oben her ist eine aus mehreren Keramikrohren gebildete Trennwand vorgesehen, die auf das gewünschte Abstandsmaß eingestellt werden kann. Schließlich befinden sich auch die einzelnen Rollen, zumindest in der Hochtemperaturzone in einem so geringen Abstand zueinander, daß auch eine Abtrennung des Ober- vom Unterofen realisiert wird. Diese räumliche Abtrennung, die quasi zu einer Art Wärmekammer führt, in die das zu erwärmende Gut eingegeben wird, hat auch noch ihre Bedeutung bei ungleichmäßiger Materialzufuhr. Bei Öfen muß nämlich sehr darauf geachtet werden, daß pro Zeiteinheit möglichst immer die gleiche Masse an Gut zugeführt wird, was man in der Praxis natürlich nicht einhalten kann. In der ersten beheizten Zone ist eine Ungleichmäßigkeit, die allein schon durch Übergang von einem Werkstück auf ein anderes entsteht, von untergeordneter Bedeutung, und in der ersten beheizten Zone des Ofens wird bei schnellen LeistungsSchwankungen ständig die gleiche Wärmemenge eingekoppelt . In der Hochtemperaturphase kann man diesen Weg nicht gehen, dort wird getaktet. Kommt nun viel Material, das erwärmt werden muß in die Hochtemperaturzone, so wird entsprechend länger getaktet. Ist gar kein Material vorhanden, so wird weniger häufig oder gar keine Wärme zugeführt. Diese Ungleichmäßigkeit mit der die
Wärme in der Hochtemperaturzone zugegeben wird, könnte bei Öfen ohne Schikanen zu Schwingungsphänomenen führen. Bei dem gemäß der Erfindung verwendeten Ofen, bei dem die Hochtemperaturzone durch Schikanen von dem anderen Bereich des Ofens abgetrennt ist, treten keine solche Schwingungen ein. Vielmehr hat sich herausgestellt, daß die Temperatur im Hochtemperaturbereich mit einer geringen Toleranz konstant gehalten werden kann. Darüber hinaus kann durch diese Anordnung der Rollen und Rollenschikanen unterhalb der Rollenbahn eine höhere Temperatur (z. B. 20 K mehr) auf +/- 1K ausgeregelt gefahren werden als oberhalb.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert:
Die einzige Figur zeigt eine schaubildliche Längsansicht eines Rollenofens zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
In der Figur ist ein Rollenofen schematisch wiedergegeben, wobei die Rollenbahn durch die Querschnittsdarstelung der Rollen gut zu erkennen ist. Links befindet sich der Einlauf und rechts der Auslauf, wobei die Transportrichtung für die zu behandelnden Teile mit einem Pfeil angegeben ist.
Der Ofen besteht aus drei räumlich voneinander abgegrenzten Zonen I, II und III.
In der Zone I, der unbeheizten Vorwärmzone, befinden sich keine Brenner, hier wird das Ofengas aufgenommen und über einen Kamin 10 abgeführt. Darüber hinaus wird zur Einstellung der Temperaturkurve Luft über Einlasse 11 eingeblasen.
In der Figur sind die Brenner oberhalb und unterhalb der
Rollenbahn schematisch wiedergegeben. In der Zone III, der
Hochtemperaturzone, sind mehr Brenner als in der Zone II, der beheizten Vorwärmzone, gezeigt.
Nach der Hochtemperaturzone ist ein Schnellabzug angeordnet.
In der Zone I wird das wärmezubehandelnde Gut - von innen nach außen gleichmäßig - aufgewärmt.
Die Zone II beinhaltet die weitere Erwärmung des Gutes bis zum Erreichen der Hochtemperaturgrenze.
In der Zone III gelangen die Metallteile schließlich in den Hochtemperaturbereich, in welcher bei Stahl beispielsweise die Austenitisierung durchgeführt wird.
Die Brenner der Zonen II und III können gruppenweise, und zwar ober- und unterhalb der Rollenbahn angesteuert werden, um das gewünschte Temperaturprofil zu erhalten.
Mit S sind höhenverstellbare Schikanen bezeichnet, um die einzelnen Zonen wärmemäßig voneinander zu trennen.
Mit US sind untere feste Schikanen bezeichnet.
Es ist möglich, den Ofen vollautomatisch zu beschicken und vollautomatisch mit einem Quettensystem zu entladen. Das Wesentliche ist hierbei die Produktqualität gekoppelt mit dem Durchlauf der Ware, wobei die Ware nicht nur erwärmt, sondern auch gezielt abgekühlt wird.