Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Härten von relativ dünnen, schnell abzukühlenden Stahlteilen in einem Rollenofen, wobei die Stahlteile nach einer Aufheizphase in den sogenannten Hochtemperaturbereich oberhalb von ca. 800-1250° C direkt auf den Keramikrollen des Rollenofens aufliegend gebracht werden.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt (HTM Härterei- Technische Mitteilungen, Bd. 45, Nr, 6. Dezember 1990, München, Seiten 325-329, insbesondere Seiten 327 und 328). Für die Abkühlung nach dem Aufheizen wird die indirekte Kühlung unter Schutzgas, die Spritzkühlung mit Wasser oder Öl, die Tauchkühlung in Wasser, Öl, Salz oder die Pressenabkühlung oder -formgebung vorgeschlagen. Die Abkühlung mit Luft- oder Gasprallstrahlen wird in besonderen Vorrichtungen als interessant angesehen.
Bei einer behannten Kühleinrichtung mit Luftsprahdusen (WO-A-92 02316) für die Abkühlung von Strangpressprofilen sind oberhalb und unterhalb einer Rollenbahn Düsen Angeordnet.
Darüber hinaus ist es bislang üblich im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Metallteilen solche Öfen zinzusetzen, die eine schutzgasatmosphäre aufweisen und teilweise elektrisch beheizt sind, um zu verhindern daß sich beispielweise der Kohlenstoffgehalt der Metallteile während des Wärmebehandlungsvorganges ändert bzw. die Metallteile aufoxidieren. In diesem Zusammenhang ist weder die Aufkohlung noch die Entkohlung noch die Aufoxidation erwünscht.
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, die Härtung von Stahlteilen zu ermöglichen, so dass die Teile sich nicht verziehen und lediglich unerhebliche Randauf- bzw. Randentkohlungserscheinungen sowie Randaufoxidations- bzw. Randzunderbildungscheinungen auftreten.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches durch die Merkmale der Kennzeichens des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist. Mit dem Verfahren nach an erfindung werden sogar Wärmeübergangskoeffizienten aus dem Bereich der Ölabschreckung vor bis zu 1000 - 4000 W/m2K erreicht.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist der Temperaturgradient unmittelbar oberhalb der Rollenbahn so gering, daß die sich dort befindenden Metallteile nicht verziehen können. Eine solche Temperaturverteilung kann aber nur mit einem Rollenofen erreicht werden.
Um den Sauerstoffgehalt im Ofen möglichst gering zu halten, werden die Brenner im Hochtemperaturbereich, dem Austenitisierungsbereich, ohne Luftüberschuß betrieben. Beim Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Brenner also derartig eingestellt, daß in der Tat auf ein Schutzgas verzichtet werden kann. Dies liegt darin begründet, daß die Stahlteile an der Obertläche leicht verzundern, und zwar mit einer Schichtdicke im Bereich von ca. 0.01 - 0.03 mm. Diese Randverzunderung hat keinen Einfluß auf die Produktqualität, im Gegenteil wird durch die Verzunderung verhindert, daß die Stahlteile auf- bzw. entkohlen, so daß ein gleichmäßiges Gefüge nach der Wärmebehandlung erzielt wird und lediglich eine Randentkohlung von ca. 0.01 - 0.03 mm auftritt. Diese leichte Rrandentkohlung bzw. Verzunderung wird haüfig zugelassen, da in der Regel in nachgeschalteten Arbeitsschritten ohnehin eine Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird. Bei ausreichend hohen Luftgeschwindigkeiten hat sich herausgestellt, daß das Gut eine zunderfreie, Schwarze Oberfläche aufweist, so daß keine zusätzliche oberflächenbearbeitung mehr erforderlich ist.
Da das Temperaturfeld unmittelbar oberhalb der Rollen bei dem Verfahren gemäß der Erfindung räumlich konstant eingestellt werden kann, ist es möglich, gleichzeitig Metallteile mit unterschiedlichen Abmessungen zu behandeln, insbesondere wenn die Dicke dieser Teile nicht wesentlich unterschiedlich ist.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann zwischen dem eigentlichen Erwämungsteil, dem Austenitisierungsteil, und dem Kühlteil eine exakte Atmosphärentrennung zB durch eine Schleuse realisiert werden. Benötigt man in der Hochtemperaturzone eine reduzierende Atmosphäre, so wird im Kühlteil reine, kalte Luft aufgeblasen.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann die Kühlung kontinuierlich oder auch pulsierend betrieben werden, das bedeutet, daß die Kühlung erst einsetz, wenn ein Werkstück die Kühlstelle erreicht hat.
Die Auslegung des Düsenfeldes geschieht nach zwei Gesichtspunkten. Einmal, um eine sehr hohe Wärmeübergangszahl zu erreichen. Für die Intensität der Kühlung wird das Düsenfeld mit unterschiedlichen Vordrücken betrieben werden, beispielsweise von leichtem Überdruck von 1 bar bis zu 20 bar Überdruck. Das Düsenfeld kann zum einen aus Düsen und zum anderen aus einer Platte, in die Löcher sowie Schlitze eingearbeitet sind, ausgebildet sein. Der Düsendurchmesser sowie das Teilungsverhältnis der Düsen wird nach entsprechenden Materialanforderungen des zu kühlenden Gutes ausgewählt. Auch in diesem Punkt ist zu nennen, daß neben der Düsenform auch der Düsenabstand zwischen dem Werkstück und Düse variiert werden, um eine intensive Kühlung zu bekommen. Die Abstände der Düsen der beiden Felder sollen möglichst klein und gleich groß sein. Die Rollen sollten geringe Durchmesser haben.
Die bei der Gutkühlung beim Härten freiwerdende Wärme kann in Form von vorgewärmter Luft in der Größenordnung von 100-400°C den Brennern der Aufheizzone zugeführt werden. Damit erhält man eine Wärmerückgewinnung und einen niedrigeren Energieverbrauch.
Folgende Düsenanordnungen sind denkbar :
Das Düsenfeld kann so ausgebildet sein, daß die Abströmung der Luft nach einer Seite bzw. auch nach allen vier Seiten stattfindet bzw. nur nach zwei Seiten stattfindet oder wieder abgesaugt wird. Die Düsendurchmesser können im Bereich von 1,0-4,0 mm liegen. Die Düsen können mit oder auch ohne Düsenhals ausgebildet werden. Die Länge des Düsenhalses kann von 0-50 mm variabel sein. Die Temperatur der Luft, die aus den Düsen austritt, kann zwischen Raumtemperatur und 150°C betragen. Das Material (das Gut) kann somit je nach Materialdicke in wenigen Sekunden auf Temperaturen zwischen 40 und 100°C heruntergekühlt werden.
Es ist erstrebenswert einen sehr intensiven Wärmeübergang zu erhalten. Dieses ist dann gegeben, wenn der Abstand von Düse zum Gut sehr gering ist. Dagegen ist es für die Temperaturgleichmäßigkeit wichtig, daß ein gewisser Abstand eingehalten wird, damit sich die gesamte Prallströmung in der Form ausbildet, daß sich die einzelnen Düsenkegel hinreichend überlappen. Darüber hinaus sollte der Düsendurchmesser zur Erzielung eines hohen Wärmeübergangs recht klein gewählt werden, was allerdings einen größeren Druckwiderstand bedingt und höhere Vordrücke zur Folge hat. Ein optimaler Wärmeübergang ist dann erreicht, wenn die Düsenteilung gleich dem Düsenabstand zum Gut ist.
Die Rollengeschwindigkeiten im Ofen im Erwärmungsteil Zone I bis III sowie im Kühlteil Zone IV können verschieden sein.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung für sehr kleine Teile, anstelle der Rollenbahn im Bereich des Düsenfeldes ein Gitter oder Netz einzusetzen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert:
In Figur 1 ist ein Rollenofen schematisch wiedergegeben, wobei die Rollenbahn durch die Querschnittsdarstellung der Rollen zu erkennen ist. Links befindet sich der Einlauf und rechts der Auslauf. Der Ofen besteht aus drei räumlich voneinander abgegrenzten Stufen I, II und III.
In der Zone I (VWZI) befinden sich keine Brenner, hier befindet sich eine Einrichtung, um das Ofengas aufzunehmen und über den Kamin abzuführen. Darüber hinaus wird zur Einstellung der Temperaturkurve Luft eingeblasen.
In der Figur 1 sind die Brenner oberhalb und unterhalb der Rollenbahn schematisch wiedergegeben. In der Zone II (HZ) sind mehr Brenner als in der Zone II (VWZ II) gezeigt, um auf diese Art und Weise zum Ausdruck zu bringen, daß es sich bei der Zone II um den Hochtemperaturbereich handelt. Das Gut muß möglichst schnell aus der Zone II in die Zone III (Schnellkühlzone kZ) gebracht werden.
in der Zone III, ist eine Absaugung der enwärmten Kühlluft vorgesehen, die zur Vorwärmung der Verbrennungsluft dienen kann. Der Erwärmungsteil ist vom Kühlteil durch eine Schleuse S getrennt.
In der Zone III wird das Gut mittels Düsenfeldern seht schnell gekühlt.
Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer Ausgestaltung der Kühlzone mit oberhalb und unterhalb der Rolle angeordneten Düsen.
Figur 3 zeigt eine Ansicht, in der die räumliche Zuordnung der Düsen eines oberen und eines unteren Düsenfeldes zu erkennen sind. Mit U und O sind die einzelnen Düsen des unteren bzw. des oberen Düsenfeldes bezeichnet. Die besten Ergebnisse werden bei kleinen Abständen zwischen den Düsen sowie zum Gut erzielt.
Figur 4 zeigt eine seitliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Düsenfeldes, wobei in diesem Falle zwischen den eintelnen oberen Düsenfeldern Luft-Absaugeinrichtungen zu erkennen sind, durch die die Grenzschicht abgesaugt wird.