WO2008155426A1 - Vakuumofen zur wärmebehandlung von metallischen werkstücken und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a vacuum furnace for heat treatment of metallic workpieces, in particular for Mate ⁇ alhar- device.
- a vacuum furnace generally has a work space arranged in a steel housing, designed as an oven interior, devices for heating and cooling the oven interior, and means for circulating gas in the oven interior.
- Vacuum furnace with gas quenching are nowadays usually used for heat treatment of metallic workpieces.
- the workpieces are heated to a certain temperature within a heating chamber under a neutral atmosphere and then cooled again according to material-related specifications and / or from an economic point of view.
- the cooling takes place mostly via a gas cooling integrated in the vacuum furnace.
- the generally in gaseous form supplied Kuhlgas serves to create a neutral atmosphere in the oven and as a heat carrier for the hot gas and Kuhlgasumwal- tion.
- circulating gas flows which are conducted via gas-water heat exchangers, are used for cooling.
- a motor-driven blower serves as a drive.
- Furnace interior is provided with an inlet for a line for a liquefied gas, which ends in a evaporation element formed as an evaporation tube and Dusenauslasse ⁇ ends in the furnace interior.
- a line for a liquefied gas which ends in a evaporation element formed as an evaporation tube and Dusenauslasse ⁇ ends in the furnace interior.
- liquid inert substances or reactants are conducted into the interior of the furnace and vaporized there.
- the resulting gas is fluidly introduced into the furnace interior and evaporated there and no longer fed gaseous.
- DE 10 2005 045 783 A1 relates to a method for operating a Harterei furnace with Wasserstoffkuhlung.
- the gases are rolled in the oven. However, misting of the gases and targeted spraying of the workpieces does not take place.
- JP 01036722 A likewise shows a heat treatment process which operates at elevated pressure in the furnace.
- the object of the present invention is thus, starting from DE 102 24 129 B4, to provide an improved vacuum furnace for the heat treatment of metal workpieces, with which a considerable increase in the cooling power can be achieved by a comparatively small constructive effort.
- Heat treatment can be provided in such a vacuum furnace, which can vary the desired Kuhl Struktur variably. - A -
- the vacuum furnace according to the invention is characterized in that it has injection nozzles for injecting liquid gas, preferably inert gas, in the furnace interior. Furthermore, it is characteristic that the injection nozzles are arranged in the active or flow region of the means for circulating gas in the furnace interior. It is crucial that a mixture of Flussiggastropfchen and gas is generated by the controlled injected liquid gas, which is available as Kuhlmedium a mist mixture.
- An advantage of the solution according to the invention is the fact that the injected liquid gas evaporates a substantially higher density than that used in DE 102 24 129 B4
- the vacuum furnace is provided with a metering device for the metered injection of liquid gas.
- a metering device for the metered injection of liquid gas.
- the means for circulating gas in the furnace interior comprise at least one
- Umwalzventilator are particularly well suited for distributing the Kuhlmediums in the furnace interior.
- the metering device communicates with a Flussiggas Eat.
- the liquefied gas is an inert gas.
- nitrogen, argon, helium, neon or krypton has proven to be particularly favorable.
- metallic workpieces are introduced into the furnace interior in a first step. Subsequently, the furnace interior is heated to a predetermined temperature. In the subsequent step - after a predetermined waiting time at high temperature has elapsed - the workpieces are cooled to a predetermined temperature by injecting liquefied gas into the furnace interior, wherein the liquefied gas is injected into the flow region of means for circulating gas, which are arranged in the furnace interior becomes. In the last step, the workpieces can be removed as soon as a specified removal temperature has been reached.
- a metered injection of the liquefied gas takes place.
- the liquid droplet size and the Flusstechniksnebelmenge the injected ⁇ th liquefied gas are adjustable.
- the possibility of Em dichkeit sprauhdauer and Spruhpausen has proven to be favorable. Due to the adaptability of these parameters, workpiece properties can be specifically influenced by modifying the cooling curves accordingly. Further advantages, details and developments of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment, with reference to the drawing. Show it:
- Fig. 1 is a simplified schematic representation of a erfmdungsgedesigneden vacuum furnace in longitudinal section;
- Fig. 2 is a simplified sectional view of a modified
- Embodiment of a vacuum furnace Embodiment of a vacuum furnace.
- the vacuum furnace 1 serves for the heat treatment of metallic workpieces. It comprises a arranged in a steel housing 3, designed as a furnace interior 5 usable space. Within the oven interior 5 are devices for heating 7 of the oven interior 5. For heating the open interior 5, for example, resistance heating elements 7 can be used. In the illustrated embodiment, the heating elements 7 are arranged in the upper and lower regions. However, the heating elements can also be arranged distributed around the workpiece.
- the injection nozzles 9 are arranged such that they are located in the flow or effective range of a Umwalzventilators 11.
- the illustrated arrangement of the injection nozzles 9 and the Umwalzventila- sector 11 is only one way of positioning. Other arrangements in the flow area are quite conceivable.
- the injected liquid gas in the oven interior 5 is evenly distributed.
- the Umwalzventilator may be replaced in other modified embodiments by other suitable Umwalzstoff, such as Rohrgehausepumpe, propeller pump, turbine.
- the rewinding means will be designed with high performance to allow good circulation.
- the injection nozzles 9 are connected via a supply line 13 with a metering device 15 in connection.
- the metering device 15 is in turn connected via a supply line 13 with a Flussiggas Eat 17 in connection.
- the liquefied gas used is preferably an inert gas. Typical inert gases are, for example, nitrogen, argon, helium, neon or krypton. However, a reactant such as hydrogen may be used if desired for the application.
- a metered injection of liquefied gas takes place into the furnace interior 5.
- the metering device is preferably designed so that the Flusstechnikstropfchengrße and Flusstechniksnebelmenge are adjustable. Furthermore, it is desirable if the parameters spraying duration and spraying pauses are also adaptable.
- one or more sensors in the furnace interior ⁇ space 5 determine the temperature, humidity, pressure, gas composition, and the fog density which, for example.
- the operation of the erfmdungsge speciallyen furnace will be described.
- the metallic workpieces (not shown) to be subjected to a heat treatment are inserted into the interior of the furnace.
- the furnace interior ⁇ space is heated by means of the heating elements 7 to a predetermined starting temperature.
- the Workpieces for a predetermined duration held on the upper Starttem ⁇ temperature so that the conversion can take place in the precedent material.
- the workpieces are cooled to a predetermined final temperature. This can be done in several steps with intermediate holding phases or continuously. In order to achieve optimal results, in each case a mate ⁇ albahangige Abkühlkurve must be traversed.
- LPG 9 is injected into the flow region of the Umwalzventilators 11 via the injection nozzles. The liquefied gas passes from the
- Flussiggas Eat 17 initially via the supply line 13 to the metering device 15.
- the liquid gas is metered via the supply line 13 to the injectors 9.
- the dosing parameters liquid droplet size, liquid mist quantity, spraying duration and spray pauses are adjusted accordingly.
- the cooling curve can be modified accordingly.
- compliance with the desired martensitic transformation is allowed by the time-temperature conversion graph of the respective batch steel grade.
- Fig. 2 shows in a simplified sectional view of a select ⁇ converted embodiment of the vacuum furnace 1.
- This execution is characterized by a plurality of chambers in which The individual Warme harmonyssch ⁇ tte be performed.
- the heating elements 7 are provided within a region surrounded by a thermal insulation 21, so that the workpieces are heated in this area.
- the whole Arrangement is closed in order to generate the vacuum can.
- the furnace may be flooded with an inert gas to perform a first heating phase by convection.
- a second heating phase is then carried out in a vacuum by heat ⁇ radiation.
- the heated workpieces are moved via a likewise evacuated lock 23 into a cold chamber 25, where the cooling process is run through.
- the cold chamber 25 is thermally sealed off from the hot chamber and equipped with the Umwalzemheit 11, which is designed for a large volume transport with sufficient cross-section.
- the desired overpressure for the Abkuhlphase is built up, wherein m the cold chamber 25, the atomization of the Kuhlgases done.
- Cooling can be done faster, because the heat capacity of the hot chamber must not be cooled. In addition, this device is more energy efficient.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Vakuumofen (1) zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke mit einem in einem Stahlgehäuse (3) angeordneten, als Ofeninnenraum (5) ausgebildeten Nutzraum, Einrichtungen zum Beheizen (7) und Abkühlen des Ofeninnenraumes (5) und Mitteln zum Zirkulieren von Gas (11) im Ofeninnenraum (5). Der erfindungsgemäße Vakuumofen (1) ist gekennzeichnet durch Einspritzdüsen (9) zum Einspritzen von Flüssiggas in den Ofeninnenraum (5), wobei die Einspritzdüsen (9) im Saugbereich der Mittel zum Zirkulieren von Gas (11) im Ofeninnenraum (5) angeordnet sind.
Description
Vakuumofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft einen Vakuumofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstucken, insbesondere zur Mateπalhar- tung. Em derartiger Vakuumofen besitzt im Allgemeinen einen in einem Stahlgehause angeordneten, als Ofeninnenraum ausge- bildeten Nutzraum, Einrichtungen zum Beheizen und Abkühlen des Ofeninnenraumes und Mittel zum Zirkulieren von Gas im Ofeninnenraum.
Vakuumofen mit Gasabschreckung werden heutzutage in der Regel zur Wärmebehandlung für metallische Werkstucke eingesetzt. Die Werkstucke werden hierzu innerhalb einer Heizkammer unter neutraler Atmosphäre auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und anschließend nach werkstoffbedingten Vorgaben und/oder nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten wieder abgekühlt. Die Abkuh- lung erfolgt zumeist über eine in den Vakuumofen integrierte Gaskühlung. Das im Allgemeinen in gasformiger Form zugefuhrte Kuhlgas dient dabei zur Schaffung einer neutralen Atmosphäre im Ofen und als Warmetrager für die Heißgas- und Kuhlgasumwal- zung. Bei zahlreichen vorbekannten Vakuumofen werden zirkulie- rende Gasstromungen, die über Gas-Wasser-Warmetauscher gefuhrt werden, zur Abkühlung eingesetzt. Dabei dient ein motorgetriebenes Geblase als Antrieb. Diese Kuhlsysteme sind vor allem im unteren Temperaturbereich ab ca. 200 0C bis zur Entnahmetemperatur von ca. 40 bis 50 0C relativ langsam und trage.
Es ist bekannt, dass für einen optimalen Hartevorgang mateπ- alabhangige Abkuhlkurven eingehalten werden müssen. D.h. nicht nur das Erreichen einer Endtemperatur ist für die Hartequali-
tat von Bedeutung, sondern insbesondere in welcher Zeit welche Temperaturbereiche durchlaufen werden. Für das Harten von Stahl werden daher vom Hersteller sogenannte Zeit-Temperatur- Umwandlungsschaubilder bereitgestellt, aus den die optimalen Zeit-Temperatur-Verlaufe, die im Harteprozess einzuhalten sind, abgelesen werden können. Die Abkuhlbedmgungen lassen sich unter Normaldruckbedingungen häufig nur durch Anwendung eines Wasser- oder Ölbades einhalten. Bei der Gaskühlung bereitet der schlechte Wärmeübergang vom Werkstuck zum Kuhlme- dium erhebliche Probleme. Bei z.B. oxidationsempfindlichen Materialien können jedoch Flussigkeitsbader nicht für die Abkühlung dienen. Vielmehr verlangen viele moderne Werkstoffe eine inerte Umgebung wahrend der Wärmebehandlung. Die dafür notigen Vakuumanlagen werden sehr aufwendig und teuer, wenn wahrend der Abkühlung ein hoher Druck erzeugt werden soll, um die Abkühlung durch ein unter Druck stehendes Inertgas zu bewirken .
Aus der DE 102 24 129 B4 ist eine Warmebehandlungsanlage zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstucken bekannt. Der
Ofeninnenraum ist mit einem Einlass für eine Leitung für ein Flüssiggas versehen, welcher in einem als Verdampfungsrohr ausgebildeten sowie Dusenauslasse aufweisenden Verdampfungs¬ element im Ofeninnenraum endet. Zur Abkühlung der Werkstucke werden flussige inerte Stoffe oder Reaktionsstoffe ins Innere des Ofeninnenraumes geleitet und dort verdampft. Das entstehende Gas wird dazu flussig in den Ofeninnenraum eingeleitet und dort verdampft und nicht mehr gasformig zugeführt. Mit der anfangs sehr großen Temperaturdifferenz zwischen verdampften Flüssiggas, zum Beispiel bei Stickstoff -196 °C, und den heißen Werkstucken kann neben einer Erhöhung der Abkuhlge- schwmdigkeit auch eine Zeitverkurzung des gesamten Chargen- zyklusses erreicht werden. Als weiterer Vorteil wird angeben,
dass durch die Behandlung im Tieftemperaturbereich eine Umwandlung von Restaustenit m den stabileren harten Martensit erfolgt. Bei dieser Umwandlung werden weitere kleinere Kohlenstoffteilchen in Form von Carbiden freigesetzt und in der Werkstoffmasse gleichmäßig verteilt. Diese tragen zur Abstut¬ zung der Martensit-Grundmasse bei. Die inneren Spannungen im behandelten Werkstuck nehmen dadurch ab. Mit dieser vorbekannten Warmebehandlungsanlage können zwar bereits relativ hohe Kühlleistungen erreicht werden, es gelingt aber nicht, derart hohe Kühlleistungen zu erreichen, wie sie mit Ol als
Abschreckmittel erzielt werden können. Der Abkuhlprozess lasst sich außerdem nicht in dem gewünschten Maß hinsichtlich Tempe¬ ratur-Zeit-Verlauf steuern, so dass die für verschiedene Materialien erforderlichen variablen Kuhlbedingungen nicht einge- stellt werden können.
Die DE 10 2005 045 783 Al betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Hartereiofens mit Wasserstoffkuhlung. Dabei werden die Gase im Ofen umgewalzt. Ein Vernebeln der Gase und gezieltes Besprühen der Werkstucke erfolgt jedoch nicht.
In der JP 01036722 A ist ebenfalls ein Warmebehandlungsverfah- ren dargestellt, welches mit erhöhtem Druck im Ofen arbeitet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit ausgehend von der DE 102 24 129 B4 darin, einen verbesserten Vakuumofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstucken zur Verfugung zu stellen, mit welchem durch einen vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand eine wesentliche Erhöhung der Kuhlleis- tung erreicht werden kann. Außerdem soll ein Verfahren zur
Wärmebehandlung in einem derartigen Vakuumofen zur Verfugung gestellt werden, welches die gewünschten Kuhlbedingungen variabel verandern kann.
- A -
Zur Losung dieser Aufgabe dient zunächst ein Vakuumofen gemäß dem beigefugten Anspruch 1. Der erfindungsgemaße Vakuumofen zeichnet sich dadurch aus, dass er Einspritzdüsen zum Einspritzen von Flüssiggas, vorzugsweise von Inertgas, in den Ofeninnenraum aufweist. Weiterhin ist charakteristisch, dass die Einspritzdüsen im Wirk- oder Stromungsbereich der Mittel zum Zirkulieren von Gas im Ofeninnenraum angeordnet sind. Entscheidend ist dabei, dass durch das gesteuert eingespritzte Flüssiggas ein Gemisch aus Flussiggastropfchen und Gas erzeugt wird, womit als Kuhlmedium ein Nebelgemisch bereitsteht.
Ein Vorteil der erfindungsgemaßen Losung ist darin zu sehen, dass das eingespritzte Flüssiggas eine wesentlich höhere Dichte als das in der DE 102 24 129 B4 verwendete verdampfte
Flüssiggas aufweist. Auf diese Weise kann eine deutliche Erhö¬ hung der Kühlleistung erreicht werden. Außerdem kommt es dadurch auch zu einer Erhöhung des Warmeubergangskoeffizien- ten .
Versuche haben ergeben, dass in dem erfindungsgemaßen Vakuumofen ähnliche Kühlleistungen, wie sie aus der Verwendung von Ol als Abschreckmittel bekannt sind, erreicht werden können, ohne dass die derzeit üblichen Ofenuberdrucke von etwa 2 MPa (20 bar) überschritten werden müssen. Denkbar wäre jedoch auch, dass mit der erfindungsgemaßen Losung sogar die Kühlleistungen von Wasser erreicht werden können.
Nach einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform ist der Vaku- umofen mit einer Dosiereinrichtung zum dosierten Einspritzen von Flüssiggas versehen. Durch die Verwendung einer Dosiereinrichtung, ist sichergestellt, dass nur die jeweils erforderliche Flussiggasmenge in den Ofeninnenraum gelangt. Dabei hat es
sich als zweckmäßig erwiesen, wenn mittels Dosiereinrichtung die Flussigkeitstropfchengroße und die Flussigkeitsnebelmenge einstellbar sind. Auf diese Weise kann die Beschaffenheit und die Menge des zugefuhrten Flüssiggases an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Unterschiedliche Flussigkeits¬ tropfchengroßen beeinflussen beispielsweise die durchschnittliche Dichte des Nebels und damit auch die Kühlleistung. Durch Anpassung dieser Parameter wird eine gezielte Einhaltung der gewünschten Martensitumwandlung nach dem Zeit-Temperatur- Umwandlungsschaubild der jeweiligen Chargen-Stahlsorte ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass eine Möglichkeit geschaffen wird, die Abkuhlkurve so zu modifizie¬ ren, dass die Werkstuckgeometrie, die Rand-Kernharte, die Chargenbelegung sowie der Verzug gezielt beeinflusst werden können. In diesem Zusammenhang hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn mittels Dosiereinrichtung Spruh- dauer und Spruhpausen einstellbar sind.
Nach einer vorteilhaften Ausfuhrungsform umfassen die Mittel zum Zirkulieren von Gas im Ofeninnenraum mindestens einen
Umwalzventilator . Umwalzventilatoren sind besonders gut zum Verteilen des Kuhlmediums im Ofeninnenraum geeignet.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausfuhrungsform steht die Dosiereinrichtung mit einem Flussiggasspeicher in Verbindung.
Von Vorteil ist es, wenn das Flüssiggas ein Inertgas ist. Dabei hat sich die Verwendung von Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder Krypton als besonders gunstig erwiesen. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Inertgase erfolgen .
Zur Losung der erfindungsgemaßen Aufgabe dient ebenfalls ein Verfahren gemäß dem beigefugten Anspruch 10.
Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstucken in einem Vakuumofen werden in einem ersten Schritt metallische Werkstucke in den Ofeninnenraum eingebracht. Anschließend wird der Ofeninnenraum auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt. Im nachfolgenden Schritt erfolgt - nach Verstreichen einer vorbestimmten Wartezeit bei hoher Temperatur - ein Abkühlen der Werkstucke auf eine vorgegebene Temperatur durch Einspritzen von Flüssiggas in den Ofeninnenraum, wobei das Flüssiggas in den Stromungsbereich von Mitteln zum Zirkulieren von Gas, welche im Ofeninnenraum angeordnet sind, eingespritzt wird. Im letzten Schritt können die Werkstucke entnommen werden sobald eine vorgegebene Entnahmetemperatur erreicht ist. Wie bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemaßen Ofen ausgeführt wurde, kann mit dem erfindungsgemaßen Verfahren eine wesentliche Erhöhung der Kühlleistung im Vergleich zu den vorbekannten Losungen erreicht werden. Dies fuhrt zum einen zur Verkürzung der Chargenzykluszeit und zum andern auch zu finanziellen Einsparungen .
Bei einer besonders bevorzugten Ausfuhrung erfolgt eine dosierte Einspritzung des Flüssiggases. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Flussigkeits- tropfchengroße und die Flussigkeitsnebelmenge des eingespritz¬ ten Flüssiggases einstellbar sind. Außerdem hat sich noch die Möglichkeit der Emstellbarkeit von Spruhdauer und Spruhpausen als gunstig erwiesen. Durch die Anpassbarkeit dieser Parameter können Werkstuckeigenschaften gezielt beeinflusst werden, indem die Abkuhlkurven entsprechend modifiziert werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfuhrungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfmdungsgemaßen Vakuumofens im Längsschnitt;
Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer abgewandelten
Ausfuhrungsform eines Vakuumofens.
Der in Fig. 1 gezeigte erfmdungsgemaße Vakuumofen 1 dient zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstucken. Er umfasst einen in einem Stahlgehause 3 angeordneten, als Ofeninnenraum 5 ausgebildeten Nutzraum. Innerhalb des Ofeninnenraums 5 befinden sich Einrichtungen zum Beheizen 7 des Ofeninnenraums 5. Zum Beheizen des Offeninnenraums 5 können beispielsweise Widerstandsheizelemente 7 eingesetzt werden. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind die Heizelemente 7 im oberen und unteren Bereich angeordnet. Die Heizelemente können jedoch auch um das Werkstuck verteilt angeordnet sein.
Im Ofeninnenraum 5 sind weiterhin Einspritzdüsen 9 zum
Einspritzen von Flüssiggas angeordnet. Die Einspritzdüsen 9 sind dabei derart angeordnet, dass sie sich im Stromungs- bzw. Wirkbereich eines Umwalzventilators 11 befinden. Die dargestellte Anordnung der Einspritzdüsen 9 und des Umwalzventila- tors 11 stellt lediglich eine Möglichkeit der Positionierung dar. Andere Anordnungen im Stromungsbereich sind durchaus denkbar. Mittels Umwalzventilator 11 wird das eingespritzte Flüssiggas im Ofeninnenraum 5 gleichmäßig verteilt. Der
Umwalzventilator kann bei abgewandelten Ausfuhrungsformen durch andere geeignete Umwalzmittel, wie z.B. Rohrgehausepumpe, Propellerpumpe, Turbine ersetzt sein. Das Umwalzmittel wird mit hoher Leistung ausgelegt werden, um eine gute Umwälzung zu gestatten.
Die Einspritzdüsen 9 stehen über eine Zufuhrleitung 13 mit einer Dosiereinrichtung 15 in Verbindung. Die Dosiereinrichtung 15 steht wiederum über eine Zufuhrleitung 13 mit einem Flussiggasspeicher 17 in Verbindung. Als Flüssiggas kommt vorzugsweise ein Inertgas zum Einsatz. Typische Inertgase sind beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder Krypton. Es kann jedoch auch ein Reaktionsstoff wie beispielsweise Wasserstoff verwendet werden, wenn dies für den Anwendungsfall gewünscht ist. Mit Hilfe der Dosiereinrichtung 15 erfolgt eine dosierte Einspritzung von Flüssiggas in den Ofeninnenraum 5. Die Dosiereinrichtung ist dabei bevorzugt so ausgelegt, dass die Flussigkeitstropfchengroße und die Flussigkeitsnebelmenge einstellbar sind. Weiterhin ist es wünschenswert, wenn auch die Parameter Spruhdauer und Spruhpausen anpassbar sind.
Um die Prozessparameter zu überwachen und Regelgroßen an die Dosiereinrichtung zu liefern, sind üblicherweise im Ofeninnen¬ raum 5 ein oder mehrere Sensoren angeordnet (nicht gezeigt) , welche z.B. die Temperatur, die Feuchtigkeit, den Druck, die Gaszusammensetzung und die Nebeldichte bestimmen.
Im Folgenden wird die Arbeitsweise des erfmdungsgemaßen Ofens beschrieben. Zunächst werden die einer Wärmebehandlung zu unterziehenden metallischen Werkstucke (nicht dargestellt) in den Ofeninnenraum eingelegt. Anschließend wird der Ofeninnen¬ raum mit Hilfe der Heizelemente 7 auf eine vorgegebene Starttemperatur aufgeheizt. In den meisten Anwendungen werden die
Werkstucke für eine vorgegebene Dauer auf der oberen Starttem¬ peratur gehalten, damit die Umwandlungsvorgange im Material ablaufen können. Im nachfolgenden Schritt werden die Werkstucke auf eine vorgegebene Endtemperatur abgekühlt. Dies kann in mehreren Schritten mit zwischenliegenden Haltephasen oder kontinuierlich erfolgen. Für die Erzielung optimaler Ergebnisse muss in jedem Fall eine mateπalbahangige Abkuhlkurve durchlaufen werden. Zu diesem Zweck wird über die Einspritzdüsen 9 Flüssiggas in den Stromungsbereich des Umwalzventilators 11 eingespritzt. Das Flüssiggas gelangt dabei aus dem
Flussiggasspeicher 17 zunächst über die Zufuhrleitung 13 zur Dosiereinrichtung 15. Mittels der Dosiereinrichtung 15 wird das Flüssiggas über die Zufuhrleitung 13 den Einspritzdüsen 9 dosiert zugeführt. In Abhängigkeit von den jeweils zu erreichenden Werkstuckeigenschaften und der Chargenbelegung werden die Dosierparameter Flussigkeitstropfchengroße, Flussigkeitsnebelmenge, Spruhdauer und Spruhpausen entsprechend angepasst. Durch Einstellung dieser Parameter kann die Abkuhlkurve entsprechend modifiziert werden. Außerdem wird die Einhaltung der gewünschten Martensitumwandlung nach dem Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild der jeweiligen Chargen-Stahlsorte ermöglicht. Durch die Behandlung im Tieftemperaturbereich (z. B. flussiger Stickstoff mit einer Temperatur von -196°C) erfolgt eine Umwandlung von Restaustenit in den stabileren harten Martensit.
Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten Schnittansicht eine abge¬ wandelte Ausfuhrungsform des Vakuumofens 1. Dies Ausfuhrung zeichnet sich durch mehrere Kammern aus, in denen die einzel- nen Warmebehandlungsschπtte ausgeführt werden. In einer heißen Kammer 19 sind innerhalb eines von einer Warmeisolation 21 umgebenen Bereichs die Heizelemente 7 vorgesehen, sodass m diesem Bereich die Werkstucke erhitzt werden. Die gesamte
Anordnung wird dabei verschlossen, um das Vakuum erzeugen zu können. Nach der ersten Evakuierung kann der Ofen mit einem Inertgas geflutet werden, um eine erste Erwarmungsphase durch Konvektion auszufuhren. Nach erneutem Evakuieren des Ofens wird eine zweite Erwarmungsphase dann im Vakuum durch Wärme¬ strahlung vollzogen. Im Anschluss an die Erwärmung werden die erhitzten Werkstucke über eine ebenfalls evakuierte Schleuse 23 in eine kalte Kammer 25 verfahren, wo der Abkuhlprozess durchlaufen wird. Die kalte Kammer 25 ist thermisch von der heißen Kammer abgeschottet und mit der Umwalzemheit 11 ausgestattet, welche für einen großen Volumentransport mit ausreichendem Querschnitt ausgelegt ist. Im Ofen wird dazu der für die Abkuhlphase gewünschte Überdruck aufgebaut, wobei m der kalten Kammer 25 die Vernebelung das Kuhlgases erfolgt. Diese Ausfuhrungsform hat den besonderen Vorteil, dass die
Abkühlung schneller erfolgen kann, denn die Wärmekapazitäten der heißen Kammer müssen nicht abgekühlt werden. Außerdem ist diese Vorrichtung energieeffizienter.
Ergänzend zu den erfmdungsgemaß vorgeschlagenen Baueinheiten des Vakuumofens kann dieser alle dem Fachmann bekannten typischen Einheiten eines solchen Ofens besitzen. Beispielsweise sind Elemente zur Erzeugung des Vakuums wahrend der Aufheiz¬ phase vorhanden sowie sonstige Kuhlelemente, wie z.B. Geblase vorgesehen, um den Ofen für unterschiedliche Einsatzfalle nutzbar zu machen.
Bezugzeichenliste
1 Vakuumofen
3 Stahlgehause
5 Ofeninnenraum
7 Heizelemente
9 Einspritzdüsen
11 UmwalzVentilator
13 Zufuhrleitung
15 Dosiereinrichtung
17 Flüssiggasspeieher
19 heiße Kammer
21 Warmeisolation
23 Schleuse
25 kalte Kammer
Claims
1. Vakuumofen (1) zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke mit einem in einem Gehäuse (3) angeordneten, als Ofeninnenraum (5) ausgebildeten Nutzraum, Einrichtungen zum Beheizen (7) und Abkühlen des Ofeninnenraumes (5) und Mitteln zum Zirkulieren (11) eines Kühlmediums im Ofeninnenraum (5), dadurch gekennzeichnet, dass er Einspritzdüsen (9) zum Einspritzen und Vernebeln von Flüssiggas als Kühlmedium in den Ofeninnenraum (5) aufweist, wobei die Einspritzdüsen (9) im Strόmungs- bzw. Wirkbereich der Mittel zum
Zirkulieren (11) des Kühlmediums im Ofeninnenraum (5) angeordnet sind.
2. Vakuumofen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dosiereinrichtung (15) zum dosierten Einsprit- zen und Vernebeln von Flüssiggas aufweist.
3. Vakuumofen (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Dosiereinrichtung (15) die Flüssigkeitstropfchengroße und die im Ofeninnenraum sich ausbildende Flüssigkeitsnebelmenge einstellbar sind.
4. Vakuumofen (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich- net, dass mittels der Dosiereinrichtung (15) Sprühdauer und Sprühpausen einstellbar sind.
5. Vakuumofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zirkulieren des Kühlme- diums im Ofeninnenraum (5) mindestens einen Umwälzventilator (11) umfassen.
6. Vakuumofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (15) mit einem Flussiggasspeicher (17) in Verbindung steht.
7. Vakuumofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssiggas ein Inertgas ist.
8. Vakuumofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder Krypton ist.
9. Vakuumofen (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Ofeninnenraum (5) Sensoren angeordnet sind, zur Bestimmung der Prozessbedingungen im Ofeninnenraum (5) und zur Bereitstellung von Stell- und/oder Regelgroßen an de Dosiereinrichtung (15) .
10. Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstucken in einem Vakuumofen (1) mit folgenden Schritten:
- Einbringen metallischer Werkstucke m den Ofeninnenraum
(5);
- Aufheizen des Ofeninnenraums (5) auf eine vorgegebene Starttemperatur; - Abkühlen der Werkstucke auf eine vorgegebene Endtemperatur durch Einspritzen und Vernebeln von Flüssiggas m den Ofeninnenraum und Zirkulation des Kuhlmediums im Ofeninnenraum (5);
- Entnahme der Werkstucke nach Erreichen einer vorgegebenen Entnahmetemperatur.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssiggas dosiert eingespritzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussigkeitstropfchengroße und die Flussigkeitsnebel- menge des eingespritzten Flüssiggases einstellbar sind.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Spruhdauer und Spruhpausen einstellbar sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation des Kuhlmediums mithilfe von Mitteln zum Zirkulieren (11) erfolgt, in deren Wirkbereich das Flüssiggas eingespritzt wird.
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