Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken (3), insbesondere Aluminium-Gußteilen, die durch einen Industrieofen mit einer Aufheizzone (1) und einer Haltezone (2) transportiert und anschließend abgekühlt werden. Erfindungsgemäß werden die Werkstücke (3) einzeln oder nacheinander in Reihen durch den Industrieofen transportiert. Jedes Werkstück wird in der Aufheizzone (1) direkt von mindestens einer Brennerflamme durch Wärmestrahlung auf die Wärmebehandlungstemperatur erwärmt. Vorzugsweise wird jedes Werkstück zusätzlich durch einen Konvektions-Wärmestrom erwärmt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein gattungsgemäßes Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken. Ferner betrifft die Erfindung einen Industrieofen zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Bei den Werkstücken kann es sich um Halbzeuge oder Vormaterial, wie z. B. Preßbolzenabschnitte oder um Fertigprodukte für die Automobilindustrie wie Achsträger, Zylinderköpfe, Räder, Achsschenkel oder Getriebegehäuse handeln.

[0003] Die in den meisten Fällen dünnwandigen Werkstücke werden üblicherweise in Körben oder anderen Chargierhilfsmitteln durch den Industrieofen transportiert. Die Aufheizung der Werkstücke in der Aufheizzone erfolgt in der Praxis durch Konvektion, indem die Ofenatmosphäre, längs oder quer im Ofen umgewälzt wird. Die Ofenatmosphäre wird entweder direkt mittels offener Brenner erwärmt oder indirekt mittel Strahlrohren oder elektrischen Heizregistern. Alternative Verfahren zur Einkopplung der Wärme über Wärmetauscher aus parallelen Prozessen sind ebenfalls möglich und bereits erprobt.

[0004] Die Temperatur der umgewälzten Ofenatmosphäre darf nur ca. 20 °C über der Temperatur der Werkstücke liegen, um Wärmespannung zu vermeiden. Das Aufheizen der Werkstücke ist daher relativ zeitaufwendig. Beispielsweise dauert das Aufheizen von Werkstücken, die zwischen 530 und 580 °C wärmebehandelt werden sollen, zwischen 90 bis 180 Minuten je nach Form und Gestalt des Werkstückes, insbesondere in Abhängigkeit von der Wandstärke. Das Aufheizen von massiven Bolzenabschnitten erfordert maximale Aufheizzeiten. Unterschiede in den Aufheizzeiten werden auch bedingt durch die Art der Packung der Werkstücke in Körben. Folglich kommt es zu unterschiedlichen Qualitätsergebnissen, die nicht reproduzierbar sind.

[0005] Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe vorzusehen und eine wirtschaftlich einsetzbare Möglichkeit zu schaffen, die Qualität der Ergebnisse zu steigern.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke einzeln oder nebeneinander in Reihen durch den Industrieofen transportiert werden und daß jedes Werkstück in der Aufheizzone direkt von mindestens einer Strahlungsquelle durch Wärmestrahlung und durch mindestens einen Konvenktionsgasstrom, der die Strahlungsquelle umgibt, auf die Wärmebehandlungstemperatur erwärmt wird.

[0007] Bei der Strahlungsquelle handelt es sich um einen Brenner oder ein elektrisch beheiztes Strahlungselement. Da die Leistung der Strahlungsquelle und des Konvektionsgasstromes getrennt gesteuert werden können, ist es möglich, den Energieeintrag in jedes Werkstück genau zu optimieren.

[0008] Die Werkstücke werden mittels hoher Temperaturdifferenzen erwärmt, wobei die Aufheiztemperatur immer so gewählt wird, daß es nicht zum partiellen Anschmelzen der Oberfläche des Werkstückes kommt und daß ferner die Wärmebehandlungstemperatur definiert mit höchst möglichsten Gradienten zwischen Behandlungsgut und Ofenatmospäre angefahren wird.

[0009] Diese Lösung hat den Vorteil, daß eine deutliche Steigerung der Qualität der Werkstücke und eine bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erreicht werden. Außerdem werden die Betriebskosten reduziert durch Wegfall der Chargierhilfsmittel, wie Transportbehälter.

[0010] Da insgesamt die Durchlaufzeiten stark verkürzt werden konnten, sind die Betriebsabläufe sehr flexibel.

[0011] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung steht darin, daß der Konvektionsgasstrom ringförmig um die Strahlungsquelle geführt wird. Der Konvektionsgasstrom kann aus rezirkuliertem Abgas und/oder vorzugsweise vorgewärmter Luft entstehen.

[0012] Eine bevorzugte Weiterbildung besteht darin, daß das Verhältnis von Wärmestrahlung und Konvektionsgasstrom in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Ist-Temperatur des Werkstückes und der Soll-Wärmebehandlungstemperatur eingestellt wird, derart, daß der Konvektionsgasstrom um so größer ist, je kleiner die Differenz zwischen Ist- und Solltemperatur des Werkstückes ist. Am Anfang der Aufheizzone ist daher der Aufheizgradient groß. Je geringer der Abstand der Isttemperatur des Werkstückes von der Solltemperatur wird, desto größer wird der Anteil des Konvektionsgasstromes, so daß am Ende der Aufheizzone der Aufheizgradient gering ist.

[0013] Vorzugsweise wird die Temperatur des Werkstückes gemessen und in Abhängigkeit vom Meßwert die Leistung der Brennerflamme und/oder die Größe des Volumens des Konvektionsgasstromes geregelt. Die Regelung kann programmgesteuert mit Hilfe eines Rechners erfolgen.

[0014] Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Temperatur des Werkstückes an einem Referenzpunkt über Kontaktelemente gemessen wird.

[0015] In Weiterbildung der Erfindung werden die Werkstücke beim Transport durch die Haltezone konvektiv beheizt und anschließend in einem Abkühlbecken einzeln abgekühlt. Damit ist sichergestellt, daß es stets zu gleichen Abkühlgradienten und damit zu gleichen Qualitätsergebnissen kommt.

[0016] Die Erfindung schafft ferner einen Industrieofen zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere Aluminium-Gußteilen, wobei der Industrieofen eine Aufheiz- und eine Haltezone und eine Transporteinrichtung für die Werkstücke aufweist. Erfindungsgemäß ist die Transporteinrichtung derart ausgebildet, daß die Werkstücke einzeln oder in Reihen nebeneinander transportierbar sind. In der Aufheizzone ist mindestens eine Strahlungsquelle, die von einer Austrittsöffnung für einen Konvektionsgasstrom umgeben ist, derart angeordnet, daß die Wärmestrahlung und der Konvektionsgasstrom jedes Werkstück direkt beaufschlagen.

[0017] Bei der Strahlungsquelle handelt es sich um einen Brenner oder ein elektrisch beheiztes Strahlungselement. In der Aufheizzone können vorzugsweise mehrere Strahlungsquellen in Gruppen angeordnet sein.

[0018] Die Anordnung der Strahlungsquellen in der Aufheizzone kann in Abhängigkeit von der Form des Werkstückes erfolgen.

[0019] Die Strahlungsquelle kann senkrecht angeordnet sein, so daß die Werkstücke von oben erwärmt werden. Bei hohen Teilen ist es günstig, die Teile durch eine seitlich angeordnete Strahlungsquelle zu erwärmen. Es können auch zwei sich gegenüberstehende Strahlungsquellen eingesetzt werden, so daß das Werkstück von zwei Seiten beheizt wird.

[0020] Im Rahmen der Erfindung kann auch jede Zone eine eigene Transporteinrichtung aufweisen. Die Transporteinrichtung kann z. B. als Förderband oder Förderkette ausgebildet sein.

[0021] Der Industrieofen ist ferner gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung, die programmgesteuert die Leistung jedes Brenners und jedes Konvektionsgasstromes in Abhängigkeit von der Temperatur der Werkstücke regelt.

[0022] Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird in der Haltezone die Transporteinrichtung derart umgelenkt, daß die Werkstücke im wesentlichen horizontal die Haltezone durchlaufen, wobei die Werkstücke mittels gerichteter Konvektionsgasströmung beheizt werden. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Reduktion der Baulänge, wodurch Platz eingespart wird. Durch die gerichteten Konvektionsgasströmungen wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht. Außerdem ergeben sich durch die Verkleinerung der Ofenanlage Energieersparnisse aufgrund der Reduzierung der Oberflächenverluste. Weitere Energie wird eingespart aufgrund der Einzelteilbehandlung in der Haltezone. Die Haltezeit kann verkürzt werden, weil auf Toleranz und Sicherheitszuschläge verzichtet werden kann.

[0023] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Industrieofens in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

[0024] Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Industrieofens im Längsschnitt;

Fig. 2

eine schematische Darstellung der Aufheizzone des Industrieofens nach Fig. 1;

Fig. 3

eine andere Anordnung der Brenner in der Aufheizzone.

[0025] Es handelt sich beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 um einen Wärmebehandlungsofen zum Lösungsglühen für Aluminium-Gußteile. Der Industrieofen weist eine tunnelartige Aufheizzone 1 und eine Haltezone 2 auf. Die Werkstücke 3 werden mittels eines Förderbandes 4 einzeln oder in Reihen nebeneinander transportiert. Die Werkstücke 3 sind dabei auf nicht dargestellte Art und Weise auf dem Förderband 4 fixiert.

[0026] In der Aufheizzone 1 sind mehrere Strahlungsquellen in Form von Brennern 5 derart angeordnet, daß die Flammen jedes Werkstück von oben direkt erwärmen.

[0027] In Fig. 3 zeigt in einer zeitlichen Schnittdarstellung eine andere Anordnung der Brenner in der Aufheizzone. Die Beheizung des Werkstückes 3 erfolgt durch seitlich angebrachte Brenner, deren Anordnung an die Form des Werkstückes angepaßt ist.

[0028] Wie in Fig. 2 dargestellt, ist jeder Brenner konzentrisch von einer ringförmigen Austrittsöffnung 6 für einen Konvektionsgasstrom umgeben.

[0029] Das Konvektionsgas wird im Kreislauf gefahren. Die Rezirkulation des Konvektionsgasstromes variiert zwischen 0 und 100 %.

[0030] Am Anfang der Aufheizzone, in der die Werkstücke noch kalt sind, ist die Brennerleistung groß und das Konvektionsgas-Volumen gering. Am Ende der Aufheizzone 1, wenn die Werkstücke die Solltemperatur fast erreicht haben, ist das Konvektionsgas-Volumen groß und die Brennerleistung gering.

[0031] Die Temperatur der Werkstücke wird über ein nicht dargestelltes Kontaktelement an einem Referenzpunkt des Werkstückes gemessen. In Abhängigkeit vom Meßwert wird die Heizleistung des Brenners und das Volumen des Konvektionsgasstromes gesteuert, und zwar mit Hilfe einer nicht dargestellten Programmsteuerung.

[0032] Nach Aufheizung der Werkstücke in 10 bis 45 Minuten auf Solltemperatur werden die Werkstücke aus der Aufheizzone in die Haltezone 2 übergeben. Beim Transport durch die Haltezone 2 werden die durch Leerverluste der Aufheizzone 1 entstehenden Temperaturdifferenzen im Werkstück durch konvektive Beheizung ausgeglichen. Ein Ventilator 7 sorgt in Verbindung mit Leitblechen 8 für eine abwärts gerichtete Strömung des durch die Beheizungseinrichtungen 9 erhitzten Konvektionsgases. Die Leitbleche 8 bewirken eine teilweise Umkehr der Strömungsrichtung des Konvektionsgases, so daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Haltezone unterstützt wird. Die Haltezone ist als sogenannter Paternosterofen ausgeführt. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der Baulänge, wodurch Platz eingespart wird. Außerdem ergeben sich durch die Verkleinerung der Ofenanlage Energieersparnisse aufgrund der Reduzierung der Oberflächenverluste.

[0033] Weitere Energie wird eingespart aufgrund der Einzelteilbehandlung in der Haltezone. Die Haltezeit kann verkürzt werden, weil auf Toleranz und Sicherheitzuschläge verzichtet werden kann.

[0034] Nach Durchlaufen der Haltezone 2 werden die Werkstücke in einem Abkühlbecken 7 einzeln abgekühlt. Dadurch ist sichergestellt, daß es stets zu gleichen Abkühlgradienten und damit zu gleichen Qualitätsergebnissen kommt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere Aluminium-Gußteilen, die durch einen Industrieofen mit einer Aufheizzone und einer Haltezone transportiert und anschließend abgekühlt werden
dadurch gekennzeichnet,
daß die Werkstücke einzeln oder nebeneinander in Reihen durch den Industrieofen transportiert werden und
daß jedes Werkstück in der Aufheizzone direkt von mindestens eine Strahlungsquelle durch Wärmestrahlung und durch mindestens einen Konvektionsgasstrom, der die Strahlungsquelle umgibt, auf die Wärmebehandlungstemperatur erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Konvektionsgasstrom ringförmig um die Strahlungsquelle geführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2
dadurch gekennzeichnet,
daß der Konvektionsgasstrom aus rezirkuliertem Abgas und/oder vorzugsweise vorgewärmter Luft besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis von Wärmestrahlung und Konvektionsgasstrom in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Isttemperatur des Werkstückes und der Soll-Wärmebehandlungstemperatur eingestellt wird, derart, daß der Konvektionsgasstrom um so größer ist je kleiner die Differenz zwischen Ist- und Solltemperatur des Werkstückes ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des Werkstückes gemessen und in Abhängigkeit vom Meßwert die Leistung der Brennerflamme und/oder die Größe des Volumens des Konvektionsgasstromes geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des Werkstückes an einem Referenzpunkt über Kontaktelemente gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet,
daß die Werkstücke beim Transport durch die Haltezone konvektiv beheizt werden und anschließend in einem Abkühlbecken einzeln abgekühlt werden.

8. Industrieofen zur Wärmebehandlung von Werkstücken (3), insbesondere Aluminium-Gußteilen, wobei der Industrieofen eine Aufheiz- und eine Haltezone (1,2) und eine Transporteinrichtung (4) für die Werkstücke (3) aufweist dadurch gekennzeichnet,
daß die Transporteinrichtung (4) derart ausgebildet ist, daß die Werkstücke (3) einzeln oder in Reihen nebeneinander transportierbar sind und daß in der Aufheizzone (1) mindestens eine Strahlungsquelle (5), die von einer Austrittsöffnung für einen Konvektionsgasstrom umgeben ist, derart angeordnet ist, daß die Wärmestrahlung und der Konvektionsgasstrom jedes Werkstück direkt beaufschlagen.

9. Industrieofen nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Aufheizzone (1) mehrere Strahlungsquellen (5) in Gruppen angeordnet sind.

10. Industrieofen nach einem der Ansprüche 8 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung der Strahlungsquellen (5) in der Aufheizzone (1) in Abhängigkeit von der Form des Werkstückes (3) erfolgt.

11. Industrieofen nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
gekennzeichnet durch ein Regeleinrichtung, die Prozeßrechner-gestützt die Leistung jedes Brenners (5) und jedes Konvektionsgasstromes in Abhängigkeit von der Temperatur der Werkstücke regelt.

12. Industrieofen nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Haltezone (2) die Transporteinrichtung (4) derart umgelenkt wird, daß die Werkstücke (3) im wesentlichen horizontal die Haltezone (2) durchlaufen, wobei die Werkstücke (3) mittels gerichteter Konvektionsgasströmungen beheizt werden.

Zeichnung