WO2008043617A2 - Verfahren zur wärmebehandlung - Google Patents

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WO2008043617A2
WO2008043617A2 PCT/EP2007/059338 EP2007059338W WO2008043617A2 WO 2008043617 A2 WO2008043617 A2 WO 2008043617A2 EP 2007059338 W EP2007059338 W EP 2007059338W WO 2008043617 A2 WO2008043617 A2 WO 2008043617A2
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Robert Bosch Gmbh
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    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
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    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treatment of holes and openings in workpieces according to the preamble of claim 1. Furthermore, it relates to a device for carrying out the method.
  • Case hardening is used, for example, for hardening bores in high-pressure injection components.
  • An apparatus for case hardening a bore in a workpiece is known, for example, from US 4,208,040.
  • the workpiece is clamped with the bore in a device.
  • a carbon-containing gas is passed, and the workpiece is heated from the outside.
  • case hardening is the very long process times.
  • carburizing of bores with large length / diameter ratios can cause problems due to a limited diffusive mass transport in the gas phase.
  • the above-described unfavorable hardness distribution over the component cross-section can also exist here after quenching.
  • the invention relates to a method for heat treatment of holes and openings in workpieces, wherein the bore or the aperture is enclosed by a wall and having at least two openings.
  • the wall of the bore or breakthrough is first heated to a predetermined temperature and then cooled.
  • a cooling fluid is passed through the bore or breakthrough.
  • the entire workpiece can be heated in an oven until the predetermined temperature of the wall is reached. In general, it is then necessary that this temperature is maintained for a predetermined period of time. In an oven, the heating generally takes place from the outside, so that a sufficiently long period of time must be taken into account for heating the workpiece.
  • the heating of the workpiece from the outside can be done for example with an electric heater or an induction heater.
  • the heater is switched off after the required holding time and a cooling fluid is passed through the bore or the opening.
  • a heat exchanger is provided, in which the cooling fluid can be further cooled. Due to the lower temperature of the cooling fluid, the quenching intensity is increased.
  • the wall of the bore or the opening is heated to the predetermined temperature by a heating fluid is passed through the bore.
  • the heating fluid preferably has a temperature which is equal to or greater than the temperature to which the wall is to be heated.
  • the heating of the heating fluid is generally carried out in a heat exchanger. If the heating of the bore or the breakthrough takes place with the aid of the heating fluid, the supply of the heating fluid is switched off after the required holding time and the cooling fluid is passed through the bore.
  • the same fluid is used for heating and cooling.
  • the advantage of using only one fluid is that it is not contaminated by residues of a second fluid.
  • the heating fluid and the cooling fluid are different fluids, wherein the heating fluid is heated to a temperature above the predetermined temperature to which the wall is to be heated, and the cooling fluid is optionally cooled.
  • different fluids as Bankfluid and as a cooling fluid can be used fluids that are either suitable for heating or for cooling.
  • the bore When the bore is heated with a heating fluid, it is preferably heated in a first heat exchanger.
  • the heat can be done for example by an electric heater or by a second heating fluid.
  • the heat is supplied by an electric heater.
  • the heat exchanger can be operated in cocurrent, countercurrent, crossflow or in mixtures of these types of flow.
  • heating fluid for example, gases are used, which were heated to the heating temperature.
  • multi-phase fluids for example gases with solid particles contained therein, can also be used as heating fluid. All other fluids known to a person skilled in the art, which can be heated to the heating temperature, can also be used.
  • the cooling fluid is cooled.
  • a second heat exchanger is preferably used.
  • the second heat exchanger is generally operated with a refrigerant for this purpose.
  • Suitable cooling fluids for cooling the bore are all customary quenching fluids.
  • Preferred cooling fluids are water, water / salt solutions or oils.
  • the cooling fluids can also be used under pressure to increase the evaporation temperature and thus the heat transfer. It is also possible to cool the bore with a cooled to cooling temperature gas. In this case, the cooling rate is lower than for a liquid used for cooling, since gases have smaller heat transfer coefficients than liquids.
  • the heating and cooling in the same heat exchanger is performed.
  • the heat exchanger is used first for heating and then for cooling the fluid. This can be done, for example, that the heat exchanger can be traversed by both a heating medium and a refrigerant.
  • tempering coils through which the heating medium or the coolant flows, for example, can be alternately flowed through by the heating medium or by the refrigerant, or it is possible to flow through it. Lich that separate temperature control coils are formed in the heat exchanger for both the heating medium and for the temperature control.
  • the cooling fluid and - if the wall of the bore or the opening is heated with a heating fluid - the heating fluid supplied through a first opening of the bore or the aperture and a second Opening of the hole or breakthrough dissipated.
  • the cooling fluid or the heating fluid can flow through the bore or breakthrough.
  • the speed at which the wall of the workpiece is cooled or heated adjustable.
  • a faster flow through a faster cooling or heating and at a larger specific heat capacity of the heating fluid the wall of the bore is also heated or cooled faster.
  • the invention further relates to an apparatus for carrying out the method, wherein the apparatus comprises a supply line, through which the cooling fluid of the bore or the breakthrough can be supplied.
  • the supply line is associated with a connecting device with which it can be attached to an opening of the bore or the opening. Alternatively, the supply line can also be pressed against the workpiece in which the breakthrough is formed.
  • a first valve is provided, with which this can be closed.
  • the cooling fluid can be targeted to the bore. A targeted cooling of the hole or the breakthrough is possible.
  • a second supply line opens for the heating fluid.
  • the first valve is arranged in this case in the flow direction before the mouth of the second supply line in the supply line.
  • the first valve allows the inflow of the cooling fluid to be released or closed.
  • a second valve is arranged, with which the second supply line, via which the heating fluid is supplied, can be closed.
  • a first heat exchanger is provided in the supply line.
  • the heating of the heating fluid to a predetermined temperature is preferably carried out by an electric heater or a second heat exchanger, which is arranged in the second supply line.
  • the second supply line branches off from the supply line.
  • the second heat exchanger is accommodated in the second supply line, with which the fluid can be heated.
  • the second supply line forms a bypass which branches off from the supply line before the second heat exchanger and re-opens into the supply line after the second heat exchanger.
  • valves are preferably provided in the supply line and in the second supply line upstream of the point of discharge of the second supply line, as seen in the flow direction, with which the supply line or the second supply line can be closed or released.
  • the supply line is closed and opened the second supply line.
  • the second supply line is closed and the first supply line is opened.
  • FIG. 1 shows a device designed according to the invention with external heating
  • FIG. 2 shows a device designed according to the invention, in which the heating and cooling take place with the same fluid
  • Figure 3 is an inventively designed device in which different fluids are used for heating and cooling.
  • Figure 1 shows an inventively designed device in which the workpiece is heated from the outside.
  • a workpiece 1 in which a bore 3 or an opening is formed, heated from the outside.
  • a heater 5 surrounds the workpiece 1.
  • heating 5 for example, is an electric heater or induction heating.
  • any further, known in the art heating with a workpiece 1 can be heated from the outside, can be used.
  • the workpiece 1 is first heated with the heater 5 to a predetermined temperature. In order to harden the wall 7 of the bore 3, it is necessary that the wall 7 is heated to a predetermined temperature. If the workpiece 1 is made of steel, then the wall 7 of the bore 3 must be heated, for example, to austenitizing temperature. Furthermore, the wall must be kept at this temperature for a predetermined period of time. After the desired holding period at the austenitizing temperature, the heating 5 is switched off and a cooling fluid is passed through the bore 3.
  • the cooling fluid is supplied via a supply line 9 of the bore 3.
  • the supply line 9 is connected to a connection device 11 with an opening 13 of the bore 3.
  • the cooling fluid flow needed to achieve the desired cooling rate is set by a pump 15, for example.
  • a pump 15 is used when the cooling fluid is a liquid.
  • a fan is used instead of the pump 15.
  • a valve 17 is provided in the supply line 9.
  • the valve 17 is closed as long as the workpiece 1 is heated and the heater 5 is turned on. As soon as the cooling process begins, the valve 17 is opened.
  • the cooling fluid can flow from the supply line 9 into the bore 3.
  • a higher cooling rate can be achieved, for example, by cooling the cooling fluid to a temperature below the ambient temperature.
  • a heat exchanger 19 is used in the embodiment shown here.
  • the cooling fluid flows through the heat exchanger 19 and is brought there to the desired temperature.
  • it is of course also possible to heat the cooling fluid it is of course also possible to heat the cooling fluid. It is only necessary that the temperature of the cooling fluid is lower than the temperature of the wall 7 of the bore 3, otherwise no cooling can take place.
  • the temperature to which the cooling fluid is heated or cooled is dependent on the desired cooling process.
  • valve 17 is closed again and the workpiece 1 can be removed.
  • FIG. 2 shows a device designed according to the invention, in which the heating and cooling of the bore takes place with a fluid.
  • a fluid is passed through the bore 3.
  • the bore 3 is connected to the supply line 9.
  • the connection of the supply line 9 with the bore 3 is carried out as well as in the embodiment shown in Figure 1 with the connecting device 11. So that the fluid flowing in the supply line 9, not only used for cooling but also for heating the wall 7 of the bore 3 can be, branches off from the supply line 9, a second supply line 21 from. So that two pumps 15 are not required, the pump 15 is arranged in the flow direction before the branching off of the second supply line 21. If the fluid is not a liquid but a gas, so instead of the pump 15, a blower is used.
  • the fluid flowing through the second supply line 21 is heated in a second heat exchanger 23.
  • a second valve 25 is further included, with which the second supply line 21 can be opened or closed.
  • the first valve 17 in the supply line 9 is closed and the second valve 25 in the second supply line 21 is opened.
  • the fluid thus flows through the second supply line 21, is heated in the second heat exchanger 23 and flows from there into the bore 3.
  • the fluid gives heat to the Wall 7 of the workpiece 1 from.
  • the wall 7 is heated.
  • the heated fluid is passed through the bore 3 until the required holding time, for which the temperature must be maintained at the wall 7, is reached.
  • the second valve 25 is closed.
  • the first valve 17 is now opened.
  • the fluid flows through the supply line 9.
  • the heat exchanger 19 can optionally be accommodated in the supply line 9.
  • the fluid in the heat exchanger 19 is also possible, to a cooling temperature, which is above the ambient temperature, too heat. It is only necessary that the temperature of the fluid after flowing through the heat exchanger 19 is lower than the temperature of the wall 7 of the bore 3. Once the cooling process is completed, the valve 17 is also closed. No fluid flows through the connecting device 11 into the bore 3. The workpiece 1 can be removed.
  • FIG. 3 shows a device designed according to the invention in a third embodiment.
  • the embodiment shown in FIG. 3 differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that different fluids are used to heat the wall 7 of the bore 3 and to cool the wall 7 of the bore 3.
  • a first fluid is used, which is supplied through the second supply line 21.
  • the valve 17 In order to heat the wall 7, the valve 17 is closed and the second valve 25 is opened. With a second pump 27, the heating fluid is passed through the second supply line 21. The heating fluid is then heated in the second heat exchanger 23 to the heating temperature. In the bore 3, the heating fluid releases heat to the wall 7 and heats it up. After the wall 7 has been heated and was optionally kept at the heating temperature above a predetermined holding temperature, the second valve 25 is closed. The heating process is finished.
  • the first valve 17 is then opened.
  • the cooling fluid can flow from the supply line 9 into the bore 3.
  • the required temperature of the cooling fluid is adjusted in the heat exchanger 19. If necessary, the cooling fluid can be further cooled or heated here.
  • the cooling fluid flow required for the cooling is adjusted by the pump 15. If a very fast cooling of the wall 7 of the hole 3 should be made, must a flow as large as possible cooling fluid flow through the hole 3. A slower cooling is achieved in that the cooling fluid flows through the bore 3 slower. Furthermore, the cooling temperature can also be adjusted by the temperature of the cooling fluid. The colder the cooling fluid, the faster the cooling.
  • the heating can be adjusted by the temperature of the heating fluid. The higher the temperature of the heating fluid is selected, the faster the wall 7 heats up. In order to keep the temperature of the wall 7 constant, it is preferred that the heating medium with the wall temperature flows through the bore 3. This means that the temperature of the heating medium is set to the holding temperature as soon as it is reached.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bohrungen (3) und Durchbrüchen in Werkstücken (1), wobei die Bohrung (3) oder der Durchbruch von einer Wandung (7) umschlossen ist und mindestens zwei Öffnungen aufweist, bei dem zunächst die Wandung (7) der Bohrung (3) oder des Durchbruches auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und anschließend abgekühlt wird. Zum Abkühlen wird ein Kühlfluid durch die Bohrung (3) oder den Durchbruch geleitet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, eine Zufuhrleitung (9) umfassend, durch welche das Kühlfluid der Bohrung (3) oder dem Durchbruch zugeführt werden kann, wobei der Zufuhrleitung (9) eine Anschlussvorrichtung (11) zugeordnet ist, mit welcher diese an einer Öffnung (13) der Bohrung (3) oder des Durchbruchs befestigt werden kann und in der Zufuhrleitung (9) ein erstes Ventil (17) vorgesehen ist, mit welchem diese verschlossen werden kann.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Wärmebehandlung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bohrungen und Durchbrüchen in Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zum Verschleißschutz und zur Festigkeitssteigerung von Bohrungen und Durchbrüchen müssen diese abhängig vom Bauteilwerkstoff und den Belastungen wärmebehandelt werden. Hierfür sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Um zum Beispiel Stahl zu härten, wird dieser auf eine bestimmte Temperatur, bei der eine Gefügeumwandlung in Austenit erfolgt, erwärmt, und nach einer vorgegebenen Haltedauer abgeschreckt. Hierdurch bildet sich ein martensitisches Gefüge, welches eine höhere Härte aufweist und damit die Lebensdauer der Bohrung erhöht. Eine erhöhte Lebensdauer wird weiterhin dadurch erreicht, dass in der Randschicht der Bohrung Druckeigenspannungen entstehen können.
Für die Wärmebehandlung sind aus dem Stand der Technik einerseits lokale Verfahren bekannt, zum Beispiel induktives Erwärmen der Bauteil- Randschicht und anschließendes Abschrecken mit Wasser oder Erwärmverfahren durch Strahlung, zum Beispiel durch Laser- oder Elektronenstrahl. Zum gezielten Härten von Bohrungen mit großen Längen/Durchmesser-Verhältnissen oder komplexen Innengeometrien eignen sich diese Verfahren nicht, da die benötigte Zugänglichkeit weder für einen Induktor noch für die ver- schiedenen Strahlungsarten, zum Beispiel infolge des Strahlkegelwinkels oder zu geringer Strahlungsadsorption bei flachem Einstrahlwinkel, gegeben ist.
Neben den lokalen Verfahren existieren auch Durchhärteverfahren, bei denen das gesamte Bauteil in einem Ofen erwärmt und anschließend zum Beispiel mit kaltem Gas oder in einem Wasser- oder Ölbad abgeschreckt wird. Nachteilig ist hierbei, dass bei Bohrungen im Allgemeinen unerwünschte Zugeigenspannungen entstehen. Um dennoch Druckeigen- spannungen in der Bohrung zu erhalten, ist es erforderlich, die Bauteile mit einem zusätzlichen Verfahren, zum Beispiel durch Kugelstrahlen, aufwendig und kostenintensiv weiter- zubearbeiten. Aufgrund der schlechten Abschreckung, da das Bauteilinnere am langsamsten abkühlt, weisen bei größeren Bauteilen die Bohrungen im Kern, über den Querschnitt betrachtet, geringere Härtewerte auf. Ein weiteres Verfahren, welches zum Härten von Bohrungen eingesetzt wird, ist zum Beispiel das so genannte Einsatzhärten. Bei diesem wird der Kohlenstoffgehalt in der Bauteiloberfläche durch Einstellen einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre im Ofen erhöht. Hierdurch wird bei bestimmten Werkstoffen die Oberflächenhärte erhöht. Das Einsatzhärten wird zum Beispiel für das Härten von Bohrungen in Hochdruck- Einspritzkomponenten eingesetzt. Eine Vorrichtung zum Einsatzhärten einer Bohrung in einem Werkstück ist zum Beispiel aus US 4,208,040 bekannt. Hierzu wird das Werkstück mit der Bohrung in einer Vorrichtung eingespannt. Durch die Bohrung wird ein kohlenstoffhaltiges Gas geleitet, und das Werkstück wird von außen erwärmt.
Nachteil des Einsatzhärtens sind die sehr langen Prozesszeiten. Zudem kann das Aufkohlen von Bohrungen mit großen Längen/Durchmesser-Verhältnissen Probleme bereiten infolge eines begrenzten diffusiven Stofftransports in der Gasphase. Die zuvor beschriebene ungünstige Härteverteilung über den Bauteilquerschnitt kann auch hier nach dem Abschrecken bestehen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bohrungen und Durchbrüchen in Werkstücken, wobei die Bohrung oder der Durchbruch von einer Wandung umschlossen ist und mindestens zwei Öffnungen aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Wandung der Bohrung oder des Durchbruches auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und anschließend abgekühlt. Zum Abkühlen wird ein Kühlfluid durch die Bohrung oder den Durchbruch geleitet.
Durch das Durchleiten eines Kühlfluides durch die Bohrung oder den Durchbruch wird ein gezieltes Härten von Bohrungen oder Durchbrüchen mit einer kurzen Prozessdauer ermöglicht. Weiterhin wird eine bessere Abschreckwirkung in der Bohrung erzielt als dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Fall ist. Hierdurch werden auch höhere Härtewerte in der Bohrung erzielt. Zusätzlichen entstehen durch das erfindungs- gemäße Verfahren bei hohen Abschreckintensitäten hohe Druckeigenspannungen in der Bohrung bzw. dem Durchbruch infolge von Temperatur- und Gefügegradienten im Werkstück.
Zum Erwärmen kann zum Beispiel das gesamte Werkstück in einem Ofen aufgeheizt werden, bis die vorgegebene Temperatur der Wandung erreicht ist. Im Allgemeinen ist es dann erforderlich, dass diese Temperatur noch eine vorgegebene Zeitdauer gehalten wird. In einem Ofen erfolgt die Erwärmung im Allgemeinen von außen, so dass eine ausreichend große Zeitdauer zum Erwärmen des Werkstückes berücksichtigt werden muss. Das Erwärmen des Werkstückes von außen kann zum Beispiel mit einer elektrischen Beheizung oder einer Induktionsheizung erfolgen. Bei der Beheizung des Werkstückes von außen wird nach der erforderlichen Haltedauer die Heizung abgeschaltet und ein Kühlfluid wird durch die Bohrung oder den Durchbruch geleitet. Um die Eintrittstemperatur des Kühlfluides weiter abzusenken, ist es möglich, dass in der Zufuhrleitung für das Kühlfluid ein Wärmetauscher vorgesehen ist, in welchen das Kühlfluid weiter abgekühlt werden kann. Durch die niedrigere Temperatur des Kühlfluides wird die Abschreckintensität erhöht.
Neben der Aufheizung von außen ist es auch möglich, dass die Wandung der Bohrung oder des Durchbruches auf die vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, indem ein Heizfluid durch die Bohrung geleitet wird. Das Heizfluid weist hierzu vorzugsweise eine Temperatur auf, die gleich oder größer ist als die Temperatur, auf die die Wandung erwärmt werden soll. Das Aufheizen des Heizfluides erfolgt im Allgemeinen in einem Wärmetauscher. Wenn die Erwärmung der Bohrung oder des Durchbruches mit Hilfe des Heizfluides erfolgt, wird nach der geforderten Haltezeit die Zufuhr des Heizfluides abgestellt und das Kühlfluid durch die Bohrung geleitet.
In einer ersten Ausführungsform wird zum Erwärmen und zum Abkühlen das gleiche Fluid verwendet. Vorteil der Verwendung nur eines Fluides ist, dass dieses nicht durch Rück- stände eines zweiten Fluides verunreinigt wird.
Alternativ ist es auch möglich, dass das Heizfluid und das Kühlfluid unterschiedliche Fluide sind, wobei das Heizfluid auf eine Temperatur oberhalb der vorgegebenen Temperatur, auf die die Wandung erwärmt werden soll, aufgeheizt und das Kühlfluid gegebenenfalls abgekühlt wird. Bei Verwendung unterschiedlicher Fluide als Heizfluid und als Kühlfluid lassen sich Fluide einsetzen, die entweder speziell zum Aufheizen oder zum Abkühlen geeignet sind.
Wenn die Bohrung mit einem Heizfluid erwärmt wird, so wird dieses vorzugsweise in ei- nem ersten Wärmetauscher aufgeheizt. Die Wärmezufuhr kann dabei zum Beispiel durch eine elektrische Beheizung oder durch ein zweites Heizfluid erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Wärmezufuhr durch eine elektrische Beheizung. Der Wärmetauscher kann dabei im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in Mischungen aus diesen Strömungsarten betrieben werden.
Als Heizfluid werden zum Beispiel Gase eingesetzt, die auf die Heiztemperatur erwärmt wurden. Weiterhin können als Heizfluid auch mehrphasige Fluide, zum Beispiel Gase mit darin enthaltenen Feststoffpartikeln, eingesetzt werden. Auch alle anderen dem Fachmann bekannten Fluide, die auf die Heiztemperatur erwärmt werden können, können verwendet werden.
Um die Abschreckintensität zu erhöhen, ist es bevorzugt, dass das Kühlfluid abgekühlt wird. Hierzu wird vorzugsweise ein zweiter Wärmetauscher eingesetzt. Der zweite Wärmetauscher wird hierzu im Allgemeinen mit einem Kältemittel betrieben. Als Kühlfluide zum Abkühlen der Bohrung eignen sich alle üblichen Abschreckfluide. Bevorzugt als Kühlfluid sind Wasser, Wasser/Salz- Lösungen oder Öle. Die Kühlfluide können auch unter Druck eingesetzt werden, um die Verdampfungstemperatur und damit den Wärmeübergang zu erhöhen. Auch ist es möglich, die Bohrung mit einem auf Abkühltemperatur abgekühlten Gas abzukühlen. In diesem Fall ist die Abkühlgeschwindigkeit geringer als bei einer Flüs- sigkeit, die zum Abkühlen eingesetzt wird, da Gase kleinere Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen als Flüssigkeiten.
Neben dem Einsatz von zwei Wärmetauschern, wobei das Aufheizen des Heizfluides in einem Wärmetauscher und das Abkühlen des Kühlfluides im anderen Wärmetauscher erfolgt, ist es auch möglich, dass das Aufheizen und Abkühlen im gleichen Wärmetauscher durchgeführt wird. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass der Wärmetauscher zunächst zum Aufheizen und anschließend zum Abkühlen des Fluides eingesetzt wird. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass der Wärmetauscher sowohl von einem Heizmittel als auch von einem Kältemittel durchströmt werden kann. Hierbei können Temperierschlan- gen, die von dem Heizmittel oder dem Kältemittel durchströmt werden, zum Beispiel wechselweise vom Heizmittel oder vom Kältemittel durchströmt werden, oder es ist mög- lich, dass sowohl für das Heizmittel als auch für das Temperiermittel getrennte Temperierschlangen im Wärmetauscher ausgebildet sind. Bevorzugt ist jedoch der Einsatz von zwei Wärmetauschern, von denen einer das Heizmittel aufheizt und der andere das Kältemittel abkühlt.
Um ein schnelles Aufheizen und Abkühlen der Bohrung bzw. des Durchbruches zu erzielen, wird das Kühlfluid und -sofern die Wandung der Bohrung oder des Durchbruches mit einem Heizfluid aufgeheizt wird - das Heizfluid über eine erste Öffnung der Bohrung oder des Durchbruches zugeführt und über eine zweite Öffnung der Bohrung oder des Durch- bruches abgeführt. Hierdurch können das Kühlfluid oder das Heizfluid durch die Bohrung bzw. den Durchbruch durchströmen. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluides bzw. des Heizfluides und der spezifischen Wärmekapazität des Kühlfluides bzw. des Heizfluides ist die Geschwindigkeit, mit der die Wandung des Werkstückes abgekühlt bzw. erwärmt wird, einstellbar. So erfolgt zum Beispiel bei einem schnelleren Durchströmen ein schnelleres Abkühlen bzw. Aufheizen und bei einer größeren spezifischen Wärmekapazität des Heizfluides wird ebenfalls die Wandung der Bohrung schneller aufgeheizt bzw. abgekühlt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Zufuhrleitung umfasst, durch welche das Kühlfluid der Bohrung oder dem Durchbruch zugeführt werden kann. Der Zufuhrleitung ist eine Anschlussvorrichtung zugeordnet, mit welcher diese an einer Öffnung der Bohrung oder des Durchbruchs befestigt werden kann. Alternativ kann die Zufuhrleitung auch gegen das Werkstück, in dem der Durchbruch ausgebildet ist, gepresst werden. In der Zufuhrleitung ist ein erstes Ventil vor- gesehen, mit welchem dieses verschlossen werden kann. Durch die Zufuhrleitung und die Anschlussvorrichtung lässt sich das Kühlfluid gezielt der Bohrung zuführen. Ein gezieltes Abkühlen der Bohrung bzw. des Durchbruches ist so möglich.
Wenn das Aufheizen der Wandung der Bohrung bzw. des Durchbruches mit einem Heizfluid erfolgt, so mündet in einer bevorzugten Ausführungsform in der Nähe der Anschlussvorrichtung eine zweite Zuleitung für das Heizfluid. Das erste Ventil ist in diesem Fall in Strömungsrichtung gesehen vor der Mündung der zweiten Zuleitung in der Zufuhrleitung angeordnet. Durch das erste Ventil lässt sich so der Zufluss des Kühlfluids freigeben oder verschließen. In der zweiten Zuleitung ist ein zweites Ventil angeordnet, mit wel- ehern die zweite Zuleitung, über die das Heizfluid zugeführt wird, verschlossen werden kann. Durch die Ausführungsform, bei der die zweite Zuleitung für das Heizfluid in der Zu- führleitung mündet, ist es nicht erforderlich, nach dem Aufheizen der Wandung der Bohrung bzw. des Durchbruches die Zuleitung zu wechseln. Es muss lediglich das Ventil für das Heizfluid geschlossen und das Ventil für das Kühlfluid geöffnet werden.
Um das Kühlfluid auf eine vorgegebene Temperatur weiter abkühlen zu können, ist in der Zufuhrleitung in einer Ausführungsform ein erster Wärmetauscher vorgesehen. Die Erwärmung des Heizfluides auf eine vorgegebene Temperatur erfolgt vorzugsweise durch eine elektrische Heizung oder einen zweiten Wärmetauscher, der in der zweiten Zuleitung angeordnet ist.
Wenn das Aufheizen und Abkühlen der Wandung der Bohrung bzw. des Durchbruches mit nur einem Fluid erfolgt, so ist es bevorzugt, dass die zweite Zuleitung aus der Zufuhrleitung abzweigt. Auch in diesem Fall ist in der zweiten Zuleitung der zweite Wärmetauscher aufgenommen, mit dem das Fluid aufgeheizt werden kann. Die zweite Zuleitung bildet da- bei einen Bypass, die vor dem zweiten Wärmetauscher aus der Zufuhrleitung abzweigt und nach dem zweiten Wärmetauscher wieder in die Zufuhrleitung mündet. Auch in dieser Ausführungsform sind vorzugsweise in der Zufuhrleitung und in der zweiten Zuleitung vor der Mündungsstelle der zweiten Zuleitung - in Strömungsrichtung gesehen - Ventile vorgesehen, mit denen die Zufuhrleitung bzw. die zweite Zuleitung verschlossen oder freige- geben werden kann. Zum Erwärmen der Wandung der Bohrung bzw. des Durchbruches wird die Zufuhrleitung verschlossen und die zweite Zuleitung geöffnet. Um die Wandung abschließend abkühlen zu können, wird die zweite Zuleitung verschlossen und die erste Zuleitung geöffnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung mit außenliegender Heizung,
Figur 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, bei der das Aufheizen und Abkühlen mit dem gleichen Fluid erfolgt, Figur 3 eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, bei der zum Heizen und Kühlen unterschiedliche Fluide eingesetzt werden.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, bei der das Werkstück von außen beheizt wird.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Bohrungen und Durchbrüchen in Werkstücken wird ein Werkstück 1, in welchem eine Bohrung 3 oder ein Durchbruch ausgebildet ist, von außen beheizt. Hierzu umschließt eine Heizung 5 das Werkstück 1. Als Heizung 5 eignet sich zum Beispiel eine elektrische Heizung oder eine Induktionsheizung. Auch jede weitere, dem Fachmann bekannte Heizung, mit der ein Werkstück 1 von außen beheizt werden kann, kann verwendet werden.
Das Werkstück 1 wird zunächst mit der Heizung 5 auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt. Um die Wandung 7 der Bohrung 3 zu härten, ist es erforderlich, dass die Wandung 7 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Wenn das Werkstück 1 aus Stahl gefertigt ist, so muss die Wandung 7 der Bohrung 3 zum Beispiel auf Austenitisiertempera- tur aufgeheizt werden. Weiterhin muss die Wandung über einen vorgegebenen Zeitraum auf dieser Temperatur gehalten werden. Nach der gewünschten Haltedauer bei der Auste- nitisiertemperatur wird die Heizung 5 abgeschaltet und ein Kühlfluid durch die Bohrung 3 geleitet.
Das Kühlfluid wird über eine Zufuhrleitung 9 der Bohrung 3 zugeführt. Hierzu ist die Zufuhrleitung 9 mit einer Anschlussvorrichtung 11 mit einer Öffnung 13 der Bohrung 3 verbunden. Der Kühlfluidstrom, der benötigt wird, um die gewünschte Abkühlgeschwindigkeit zu erzielen, wird zum Beispiel mit einer Pumpe 15 eingestellt. Eine Pumpe 15 wird verwendet, wenn das Kühlfluid eine Flüssigkeit ist. Wenn als Kühlfluid jedoch ein Gas einge- setzt wird, so wird anstelle der Pumpe 15 ein Gebläse verwendet.
Um zu vermeiden, dass Kühlfluid während der Aufheizphase in die Bohrung 3 strömt, ist in der Zufuhrleitung 9 ein Ventil 17 vorgesehen. Das Ventil 17 wird geschlossen, solange das Werkstück 1 aufgeheizt wird und die Heizung 5 eingeschaltet ist. Sobald der Abkühlpro- zess beginnt, wird das Ventil 17 geöffnet. Das Kühlfluid kann aus der Zufuhrleitung 9 in die Bohrung 3 einströmen. Eine höhere Abkühlgeschwindigkeit kann zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass das Kühlfluid auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Hierzu wird in der hier dargestellten Ausführungsform ein Wärmetauscher 19 eingesetzt. Das Kühlfluid durchströmt den Wärmetauscher 19 und wird dort auf die gewünschte Temperatur gebracht. Neben einer Abkühlung des Kühlfluides ist es selbstverständlich auch möglich, das Kühlfluid aufzuwärmen. Es ist nur erforderlich, dass die Temperatur des Kühlfluides niedriger als die Temperatur der Wandung 7 der Bohrung 3 ist, da sonst keine Abkühlung erfolgen kann. Die Temperatur, auf die das Kühlfluid erwärmt bzw. abgekühlt wird, ist dabei abhängig von dem gewünschten Abkühlprozess.
Nach Beendigung des Abkühlvorganges wird das Ventil 17 wieder geschlossen und das Werkstück 1 kann entnommen werden.
In Figur 2 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung dargestellt, bei der das Aufheizen und Abkühlen der Bohrung mit einem Fluid erfolgt.
Zum Aufheizen oder Abkühlen wird ein Fluid durch die Bohrung 3 geleitet. Hierzu ist die Bohrung 3 mit der Zufuhrleitung 9 verbunden. Die Verbindung der Zufuhrleitung 9 mit der Bohrung 3 erfolgt wie auch bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform mit der Anschlussvorrichtung 11. Damit das Fluid, welches in der Zufuhrleitung 9 strömt, nicht nur zum Abkühlen sondern auch zum Aufheizen der Wandung 7 der Bohrung 3 eingesetzt werden kann, zweigt aus der Zufuhrleitung 9 eine zweite Zuleitung 21 ab. Damit nicht zwei Pumpen 15 benötigt werden, ist die Pumpe 15 in Strömungsrichtung gesehen vor der Ab- zweigung der zweiten Zuleitung 21 angeordnet. Wenn das Fluid keine Flüssigkeit sondern ein Gas ist, so wird anstelle der Pumpe 15 ein Gebläse eingesetzt.
Um die Wandung 7 der Bohrung 3 erwärmen zu können, wird das Fluid, welches durch die zweite Zuleitung 21 strömt, in einem zweiten Wärmetauscher 23 erwärmt. In der zweiten Zuleitung 21 ist weiterhin ein zweites Ventil 25 aufgenommen, mit welchem die zweite Zuleitung 21 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Um die Wandung 7 der Bohrung 3 zu erwärmen, ist das erste Ventil 17 in der Zufuhrleitung 9 geschlossen und das zweite Ventil 25 in der zweiten Zuleitung 21 geöffnet. Das Fluid strömt so durch die zweite Zuleitung 21, wird im zweiten Wärmetauscher 23 erwärmt und strömt von dort weiter in die Bohrung 3. In der Bohrung 3 gibt das Fluid Wärme an die Wandung 7 des Werkstückes 1 ab. Die Wandung 7 wird erwärmt. Das aufgeheizte Fluid wird solange durch die Bohrung 3 geführt, bis die erforderliche Haltedauer, für die die Temperatur an der Wandung 7 gehalten werden muss, erreicht ist. Nach dem Aufheizvorgang wird das zweite Ventil 25 geschlossen. Um die Wandung 7 der Bohrung 3 abkühlen zu können, wird nun das erste Ventil 17 geöffnet. Das Fluid strömt durch die Zufuhrleitung 9. In der Zufuhrleitung 9 kann optional der Wärmetauscher 19 aufgenommen sein. Wenn das Fluid auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt werden soll, so erfolgt dies im Wärmetauscher 19. Es ist jedoch auch möglich, das Fluid im Wärmetauscher 19, wie bereits bei Figur 1 beschrieben, auf eine Abkühltemperatur, die oberhalb der Umgebungstemperatur liegt, zu erwärmen. Es ist lediglich erforderlich, dass die Temperatur des Fluides nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 19 niedriger ist als die Temperatur der Wandung 7 der Bohrung 3. Sobald der Abkühlvorgang beendet ist, wird das Ventil 17 ebenfalls verschlossen. Es strömt kein Fluid mehr durch die Anschlussvorrichtung 11 in die Bohrung 3. Das Werkstück 1 kann entnommen werden.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform dargestellt. Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass zum Aufheizen der Wandung 7 der Bohrung 3 und zum Abkühlen der Wandung 7 der Bohrung 3 unterschiedliche Fluide ein- gesetzt werden.
Zum Erwärmen der Wandung 7 der Bohrung 3 wird ein erstes Fluid eingesetzt, welches durch die zweite Zuleitung 21 zugeführt wird. Um die Wandung 7 erwärmen zu können, ist das Ventil 17 geschlossen und das zweite Ventil 25 geöffnet. Mit einer zweiten Pumpe 27 wird das Heizfluid durch die zweite Zuleitung 21 geleitet. Das Heizfluid wird dann im zweiten Wärmetauscher 23 auf die Heiztemperatur erwärmt. In der Bohrung 3 gibt das Heizfluid Wärme an die Wandung 7 ab und heizt diese so auf. Nachdem die Wandung 7 aufgeheizt ist und gegebenenfalls über eine vorgegebene Haltetemperatur auf der Aufheiztemperatur gehalten wurde, wird das zweite Ventil 25 geschlossen. Der Aufheizvorgang ist beendet. Zum Abkühlen wird dann das erste Ventil 17 geöffnet. Das Kühlfluid kann aus der Zufuhrleitung 9 in die Bohrung 3 strömen. Die erforderliche Temperatur des Kühlfluides wird im Wärmetauscher 19 eingestellt. Hier lässt sich das Kühlfluid gegebenenfalls weiter abkühlen oder erwärmen.
Der für die Abkühlung erforderliche Kühlfluidstrom wird mit der Pumpe 15 eingestellt. Wenn eine sehr schnelle Abkühlung der Wandung 7 der Bohrung 3 erfolgen soll, muss ein möglichst großer Kühlfluidstrom durch die Bohrung 3 strömen. Ein langsameres Abkühlen wird dadurch erzielt, dass das Kühlfluid langsamer durch die Bohrung 3 strömt. Weiterhin kann die Abkühltemperatur auch durch die Temperatur des Kühlfluids eingestellt werden. Je kälter das Kühlfluid ist, umso schneller erfolgt die Abkühlung.
Entsprechendes gilt auch für das Aufheizen, wie es gemäß der Ausführungsform in den Figuren 2 und 3 erfolgt. Je schneller die Wandung 7 der Bohrung 3 aufgeheizt werden soll, umso größer ist der Fluidstrom des Heizfluids zu wählen. Dieser wird gemäß der Ausführungsform in Figur 2 mit der Pumpe 15 und gemäß der Ausführungsform in Figur 3 mit der zweiten Pumpe 27 eingestellt. Auch lässt sich die Aufheizgeschwindigkeit durch die Temperatur des Heizfluids einstellen. Je höher die Temperatur des Heizfluids gewählt wird, umso schneller heizt die Wandung 7 auf. Um die Temperatur der Wandung 7 konstant zu halten, ist es bevorzugt, dass das Heizmedium mit der Wandtemperatur durch die Bohrung 3 strömt. Das bedeutet, dass die Temperatur des Heizmediums auf die Haltetemperatur gestellt wird, sobald diese erreicht ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Bohrungen (3) und Durchbrüchen in Werkstücken (1), wobei die Bohrung (3) oder der Durchbruch von einer Wandung (7) umschlossen ist und mindestens zwei Öffnungen aufweist, bei dem zunächst die Wan- düng (7) der Bohrung (3) oder des Durchbruches auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt und anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abkühlen ein Kühlfluid durch die Bohrung (3) oder den Durchbruch geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Werkstück (1) zum Erwärmen durch eine außerhalb des Werkstückes (1) angeordnete Heizung
(5) aufgeheizt wird, bis die vorgegebene Temperatur der Wandung (7) der Bohrung (3) oder des Durchbruches erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erwärmen der Wan- düng (7) der Bohrung (3) oder des Durchbruches auf die vorgegebene Temperatur ein
Heizfluid durch die Bohrung (3) geleitet wird, wobei das Heizfluid eine Temperatur aufweist, die gleich oder größer ist als die vorgegebene Temperatur, auf die die Wandung (7) erwärmt werden soll.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erwärmen und zum Abkühlen das gleiche Fluid verwendet wird, wobei dieses zum Erwärmen der Wandung auf eine Temperatur oberhalb der vorgegebenen Temperatur, auf die die Wandung (7) erwärmt werden soll, aufgeheizt und zum Abkühlen der Wandung (7) gegebenenfalls auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt oder abgekühlt wird, wobei die vorgegebene Temperatur niedriger als die Temperatur der Wandung (7) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid und das Kühlfluid unterschiedliche Fluide sind, wobei das Heizfluid auf eine Temperatur oberhalb der vorgegebenen Temperatur, auf die die Wandung erwärmt werden soll, auf- geheizt und das Kühlfluid gegebenenfalls auf eine vorgegebene Temperatur abge- kühlt oder erwärmt wird, wobei die vorgegebene Temperatur niedriger als die Temperatur der Wandung (7) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen oder Abkühlen des Kühlfluids in einem ersten Wärmetauscher (19) und das Aufheizen des Heizfluids mit einer elektrischen Heizung oder in einem zweiten Wärmetauscher (23) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid und gegebenenfalls das Heizfluid über eine erste Öffnung (13) der Bohrung
(3) oder des Durchbruchs zugeführt werden und über eine zweite Öffnung der Bohrung (3) oder des Durchbruchs abgeführt werden.
8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, eine Zufuhrleitung (9) umfassend, durch welche das Kühlfluid der Bohrung (3) oder dem
Durchbruch zugeführt werden kann, wobei der Zufuhrleitung (9) eine Anschlussvorrichtung (11) zugeordnet ist, mit welcher diese an einer Öffnung (13) der Bohrung (3) oder des Durchbruchs befestigt werden kann oder wobei die Zufuhrleitung (9) gegen das Werkstück (1) gepresst wird und in der Zufuhrleitung (9) ein erstes Ventil (17) vorgesehen ist, mit welchem diese verschlossen werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Zufuhrleitung (9) in der Nähe der Anschlussvorrichtung (11) eine zweite Zuleitung (21) für ein Heizfluid mündet, wobei das erste Ventil (17) in Strömungsrichtung gesehen vor der Mündung der zweiten Zuleitung (21) in der Zufuhrleitung (9) angeordnet ist und in der zweiten
Zuleitung (21) ein zweites Ventil (25) angeordnet ist, mit welchem die zweite Zuleitung (21) verschlossen werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zufuhrlei- tung (9) ein erster Wärmetauscher (19) vorgesehen ist, in welchem das Kühlfluid auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt oder erwärmt werden kann.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Zuleitung (21) ein zweiter Wärmetauscher (23) oder eine elektrische Heizung angeordnet ist, in welchem das Heizfluid auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt werden kann.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuleitung (21) aus der Zufuhrleitung (9) abzweigt.
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