Verfahren zum Wärmebehandeln von Werkstücken

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Werkstücken, bei dem die aus einer Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke abgekühlt werden.

[0002] Vielfach kühlt man die Werkstücke in einem Ölbad oder Salzbad ab, woraufhin es erforderlich ist, die Werkstücke nach der Entnahme aus dem Bad zu reinigen. Hierfür muß ein erheblicher Arbeitsaufwand getrieben werden. Außerdem fällt öl- oder salzhaltiges Abwasser an, welches die Umwelt belastet und zum Teil Deponien zugeführt werden muß.

[0003] Kommt ein Salzbad zur Anwendung, so sind außerdem zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

[0004] Hinzu kommt, daß die Austragsverluste der Bäder, unabhängig davon, ob Öl oder Salz verwendet wird, erhebliche zusätzliche Kosten verursachen.

[0005] Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wärmebehandlungsverfahren zu schaffen, das bei geringerem Arbeitsaufwand und Energiebedarf wesentlich umweltfreundlicher arbeitet.

[0006] Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke zur Abkühlung in eine Wirbelschicht eingesetzt werden, die von wenigstens einem in einer Hauptströmungsrichtung geführten Gasstrom erzeugt wird, wobei ein Wirbelschichtmedium verwendet wird, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der Werkstoff der abzukühlenden Werkstücke, daß die Werkstücke beim Abkühlen relativ zu dem die Wirbelschicht erzeugenden Gasstrom bewegt werden, während einzelne impulsartige Gasstrahlen im wesentlichen rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung des Gasstroms in die Wirbelschicht eingeleitet werden; und daß die Wirbelschicht während der Behandlungsdauer der Werkstücke in der Wirbelschicht auf im wesentlichen konstanter Temperatur gehalten wird.

[0007] Der in der Hauptströmungsrichtung geführte Gasstrom besteht in der Praxis meist aus mehreren im wesentlichen parallel verlaufenden Teilströmen, die gemeinsam die Wirbelschicht (auch"fluidisiertes Bett" oder "Wirbelbett" genannt) erzeugen.

[0008] Die Werkstücke bedürfen nach der Entnahme aus der Wirbelschicht keinerlei Reinigungsbehandlung. Dadurch entfallen die oben angegebenen Nachteile bezüglich Energieaufwand und Umweltbelastung. Auch sind die Austragsverluste aus der Wirbelschicht minimal.

[0009] Die Betriebsparameter der Wirbelschicht sind erfindungsgemäß so gewählt, daß sich Kühlbedingungen ergeben, die sogar eine Behandlung relativ großer Werkstücke mit komplizierten Oberflächen zulassen. Die Konstanthaltung der Temperatur stellt sicher, daß gleichbleibende Wärmeübergangsbedingungen herrschen, wobei ein ausreichend rascher Wärmeübergang dadurch gefördert wird, daß die Wärmeleitfähigkeit des Wirbelschichtmediums höher als die des abzukühlenden Werkstoffes ist.

[0010] Das Wirbelschichtmedium besteht vorzugsweise aus Partikeln metallischen oder nichtmetallisch-anorganischen Charakters; Beispiele hierfür sind Aluminiumlegierungen oder Carbide, soweit sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben als der in der Regel metallische Werkstoff der zu behandelnden Werkstücke.

[0011] Die Erfindung sorgt dafür, daß an den Werkstückoberflächen auch in den "Windschattenzonen" ein ständiger Partikelaustausch stattfindet, und zwar nicht nur durch die impulsartigen Einzelstrahlen, sondern auch durch die Bewegung der Werkstücke. Es kann sich dabei um Vibration oder langhubige Bewegungen handeln. Die Bewegungsrichtung ist nicht kritisch, jedoch müssen die Bewegungen, wenn sie in Strömungsrichtung erfolgen, schneller als die Gasströmung sein.

[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders gut zur Zwischenstufenvergütung von Werkstücken. Bisher mußte man vor allem beim Einsatz von Ölbädern besondere Sorgfalt auf die Reinigung der Werkstücke verwenden, da sonst die Gefahr bestand, daß Ölreste im nachgeschalteten Halteofen, in dem die Gefügeumwandlung stattfindet, verdampften oder verbrannten und zu kaum beherrschbaren Schadstoffemissionen führten. Diese Gefahr besteht bei der Erfindung nicht.

[0013] Erfindungsgemäß werden die aus der Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke zum Zwischenstufenvergüten zunächst in der Wirbelschicht abgekühlt und danach in an sich bekannter Weise in eine Gefügeumwandlungsanlage überführt. Bei Anwendung dieses Verfahrens zum Zwischenstufenvergüten von Werkstücken aus Graugußlegierungen können die Werkstücke beispielsweise auf folgende Temperaturen gebracht werden:

auf etwa 900⁰C in der Erwärmungsanlage;

auf etwa 350°C (Temperatur in den Randzonen der Werkstücke) bei der Abkühlung in der Wirbelschicht; und

auf etwa 400⁰C (erwünschte Haltetemperatur) in der Gefügeumwandlungsanlage.

[0014] Die Kühlbedingungen in der Wirbelschicht lassen sich optimal an die nachfolgende Behandlung in der Gefügeumwandlungsanlage anpassen.

[0015] Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, daß mit dem Gasstrom Feuchtigkeit, vorzugsweise als Wasserdampf, in die Wirbelschicht eingetragen wir. Dadurch läßt sich ein höherer Wärmeübergangskoeffizient einstellen. Falls erforderlich, kann auf diese Weise die Aufenthaltszeit der Werkstücke in der Wirbelschicht verkürzt werden. Die Zuführung der Feuchtigkeit als Wasserdampf stellt sicher, daß sich keine Klumpen im Wirbelschichtmedium bilden.

[0016] Vorzugsweise besitzt das Wirbelschichtmedium über einen weiten Temperaturbereich, beispielsweise von etwa 600°C, eine konstante Strahlungszahl. Dadurch wird ein rascher Temperaturausgleich innerhalb der Wirbelschicht sichergestellt.

[0017] Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird ein die Wirbelschicht erzeugendes Gas verwendet, das dasselbe elektrische Ladungsvorzeichen wie die Partikel des Wirbelschichtmediums hat. Dadurch vermeidet man elektrostatische Aufladungen, die unter Umständen zu einem Zusammenhaften der Wirbelschichtpartikel führen können.

[0018] Erfindungsgemäß besteht ferner die Möglichkeit, daß das Wirbelschichtmedium während des Be- und Entladens der Werkstücke regeneriert wird. Auf diese Weise kann man die Korngröße des Wirbelschichtmediums konstant halten und, falls erforderlich, die Partikel außerdem kühlen. Da die Regeneration während des Be- und Entladens der Wirbelschicht erfolgt, vermeidet man Störungen des Kühlvorgangs.

[0019] Im Falle des Zwischenstufenvergütens werden die Werkstücke vorzugsweise nur soweit unter die vorgesehene Haltetemperatur abgekühlt, daß die Haltetemperatur nach der Entnahme aus der Wirbelschicht durch den Wärmestrom vom Kern in die Randzonen der Werkstücke erreicht wird. In der anschließenden Gefügeumwandlungsanlage ist also keine Wärmezufuhr zu den Werkstücken erforderlich. Letztere war bei der bekannten Badkühlung unumgänglich, da sich dort wegen des steilen Temperaturgradienten eine exakte Steuerung verbot und man daher aus Vorsicht gezwungen war, die Werkstücke stärker zu unterkühlen.

[0020] Eine besonders günstige Energienutzung ergibt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das Zwischenstufenvergüten dadurch, daß die mit dem Gasstrom aus der Wirbelschicht austretende Wärme zum Beheizen der Gefügeumwandlungsanlage benutzt wird.

[0021] Um dafür zu sorgen, daß die Abkühlungsbedingungen immer gleich sind, ist es vorteilhaft, daß die Transportdauer der Werkstücke von der Erwärmungsanlage bis in die Wirbelschicht in Abhängigkeit vom Strahlungsverhalten der Werkstücke bemessen wird. Je stärker die Strahlung, desto kürzer sollte die Transportzeit sein. Die Werkstücke gelangen dann immer mit derselben Temperatur in die Wirbelschicht hinein. Auch lassen sich die Temperaturunterschiede innerhalb einer Charge bzw. zwischen einzelnen Werkstückabschnitten beherrschen.

[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich, also in einzelnen Chargen, oder kontinuierlich, beispielsweise im Durchlaufbetrieb, durchgeführt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Werkstücken, bei dem die aus einer Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke abgekühlt werden,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Werkstücke zur Abkühlung in eine Wirbelschicht eingesetzt werden, die von wenigstens einem in einer Hauptströmungsrichtung geführten Gasstrom erzeugt wird, wobei ein Wirbelschichtmedium verwendet wird, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der Werkstoff der abzukühlenden Werkstücke,
daß die Werkstücke beim Abkühlen relativ zu dem die Wirbelschicht erzeugenden Gasstrom bewegt werden, während einzelne impulsartige Gasstrahlen im wesentlichen rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung des Gasstroms in die Wirbelschicht eingeleitet werden; und
daß die Wirbelschicht während der Behandlungsdauer der Werkstücke in der Wirbelschicht auf im wesentlichen konstanter Temperatur gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die aus der Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke zum Zwischenstufenvergüten zunächst in der Wirbelschicht abgekühlt und danach in eine Gefügeumwandlungsanlage überführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gasstrom Feuchtigkeit, vorzugsweise als Wasserdampf, in die Wirbelschicht eingetragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelschichtmedium über einen weiten Temperaturbereich eine konstante Strahlungszahl besitzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Wirbelschicht verwendete Gas dasselbe elektrische Ladungsvorzeichen besitzt wie die Partikel des Wirbelschichtmediums.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelschichtmedium während der Chargierzeit der Werkstücke regeneriert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke nur soweit bezüglich der erwünschten Haltetemperatur unterkühlt werden, daß ihre Haltetemperatur nach der Entnahme aus der Wirbelschicht durch den Wärmestrom vom Kern in die Randzonen der Werkstücke erreicht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Gasstrom aus der Wirbelschicht austretende Wärme zum Beheizen der Gefügeumwandlungsanlage benutzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportdauer der Werkstücke von der Erwärmungsanlage bis in die Wirbelschicht in Abhängigkeit von dem Strahlungsverhalten der Werkstücke eingestellt wird.