Verfahren und Vorrichtung zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut nach einer Wärmebehandlung oder Wärmeeinwirkung in einem Ofen mittels strömendem Druckkühlgas in einer Kühlkammer, bei dem

• das Behandlungsgut bereits im Ofen mittels eines gerichteten Gasstroms oder Gasstrahls/Gasstrahlen bis auf eine erste kritische Temperaturschwelle abgekühlt wird,
• das Behandlungsgut nach Erreichen dieser Temperaturschwelle ohne Kontakt zu schädlichen Atmosphären in die Kühlkammer überführt wird,
• das Behandlungsgut in der Kühlkammer einer Abschreckung/Abkühlung in strömendem Gas unter Überdruck unterworfen wird.

Ebenso ist eine spezielle Abkühleinrichtung mit Abkühlkammer und ausfahrbarem, in ausgefahrenem Zustand aus der Abkühlkammer herausragendem Werkstücktransport vorgeschlagen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut nach einer Wärmebehandlung oder Wärmeeinwirkung in einem Ofen mittels Kühlgas in einer eigenständigen Kühlkammer.

[0002] In einer Reihe von Wärmebehandlungsprozessen, beispielsweise Härtungs- und Präzisionslötprozessen, sind schnelle Abkühl- bzw. Abschreckgeschwindigkeiten zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses erforderlich. Die diese Anforderung erfüllenden, unter dem Begriff Hochdruckgasabschreckung zusammengefaßten Abkühlprozesse werden häufig in der Anlage durchgeführt, in der auch die vorausgehende Wärmebehandlung erfolgt ist.

[0003] Beispielsweise ist aus der EP-PS 313 888 ein Härtungsprozeß bekannt, bei dem Behandlungsgut in einem Vakuumofen nach der Hitzephase mittels eines Kühlgasstromes auf einem Druck von mehr als 10 bar abgeschreckt wird, wobei als Kühlgas Helium, Wasserstoff, eine Helium-Wasserstoffmischung oder eine Helium-Wasserstoffmischung mit bis zu 30% Inertgas angewandt werden kann. Nachteilig ist, daß der gesamte Ofen auch als Druck- und Kühlapparat ausgelegt werden muß.

[0004] Die Nachteile entfallen, wenn eine eigenständige Abkühlkammer vorgesehen wird. Damit gehen jedoch ein Transportvorgang und die damit verbundene Erschütterung der Werkstücke -insbesondere nachteilig bei Lötprozessen - der zeitweilige Verlust der Temperaturkontrolle und eine Zeitverzögerung einher, sowie die Problematik, einen Transport ohne Zutritt schädlicher Atmosphären zum Behandlungsgut zu gewährleisten.

[0005] Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, eine Schnellabkühlung von Behandlungsgut nach dem Zweikammerprinzip (Ofenkammer, Kühlkammer) zu gestalten, die die genannten Nachteile bei vertretbarem Aufwand möglichst weitgehend vermeidet.

[0006] Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gelöst, bei dem

• das Behandlungsgut bereits im Ofen mittels eines gerichteten Gasstroms oder Gasstrahls/Gasstrahlen bis auf eine erste kritische Temperaturschwelle abgekühlt wird,
• das Behandlungsgut nach Erreichen dieser Temperaturschwelle ohne Kontakt zu schädlichen Atmosphären in die Kühlkammer überführt wird,
• das Behandlungsgut in der Kühlkammer einer Abschreckung/Abkühlung unter strömendem Gas unter Überdruck unterworfen wird.

[0007] Die Erfindung weist mit dem ersten Abkühlschritt im Ofen den Vorteil auf, daß das Behandlungsgut zunächst in keiner Weise zu bewegen ist und damit Nachteile aus einer Bewegung, wie unerwünschte Lotversetzungen, Verlust der Temperaturkontrolle, entfallen. Andererseits ist dieser erste Abkühlschritt, der in seinem Ausmaß nur einen relativ kleinen Temperaturbereich erfaßt, nämlich nur den bis zu einer ersten kritischen Temperaturschwelle - Lotverfestigung, Gefügestabilisierung, z.B. Einfrieren des Austenitzustandes - mit vergleichsweise einfachen Mitteln wie Gaszuleitungen und Gaseindüsvorrichtungen realisierbar. Zudem wirkt sich im oberen Temperaturbereich auch der Umstand, daß alle umgebenden Ofenteile auf einem ebensolchen Temperaturniveau sind, noch relativ wenig auf die Abkühlrate aus.

[0008] Nach Unterschreiten der ersten, kritischen Temperaturschwelle wird dann - gemäß der Erfindung - das Behandlungsgut aus dem Ofen heraus in die Kühlkammer hinein transportiert, wobei dieser Transportvorgang nunmehr mit geringerer Vorsicht und Sensibilität bei fortgesetzter Wärmeabfuhr erfolgen kann. Die Überführung in eine, speziell für den Abkühlzweck gestaltete, nach dem Prinzip der Druckgasabkühlung arbeitende Kühlkammer ergibt die Möglichkeit einer hocheffektiven Abkühlung, bei der das Behandlungsgut keinem flüssigen Kühlmittel auszusetzen ist.

[0009] Erfindungsgemäß wird die Abkühlung speziell mit strömendem Überdruckgas bis zu 80 bar ausgeführt, bevorzugt wird jedoch im Bereich zwischen 5 und 50 bar und mit Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb 5 m/sec gearbeitet. Als Kühlgas können vor allem Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff oder Gemische daraus eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß kommen jedoch - für niedrige bis mittlere Abkühlgeschwindigkeiten - bevorzugt die klassischen Inertgase Stickstoff und/oder Argon zur Anwendung, bei höheren Anforderungen hinsichtlich der Abkühlgeschwindigkeiten werden vorzugsweise Helium oder Gemische mit wesentlichen Anteilen Helium (>25%) mit Stickstoff oder Argon eingesetzt. Insbesondere werden dadurch die, mit einer Wasserstoffanwendung einhergehenden, Sicherheitsanforderungen vermieden.

[0010] Im Grundsatz ist die erfindungsgemäße Hochdruckgasabkühlung mit jeder, hinsichtlich Druckfestigkeit entsprechend gestalteten Kühlkammer möglich, etwa einer solchen entsprechend der DE-PS 195 01 873.

[0011] Erfindungsgemäß wird jedoch eine Abkühleinrichtung vorgeschlagen, die insbesondere

• einen die Kammerzufuhröffnung umgebenden Anschlußflansch (3) geeignet zum Andocken an einen Wärmebehandlungsofen,
• einen aus- und einfahrbaren, in ausgefahrenem Zustand aus der Einrichtung hinausragenden Werkstücktransport (5) zur Einführung des Behandlungsguts in einen angedockten Wärmebehandlungsofen sowie
• eine Absperreinrichtung (4) zur Abtrennung von Ofen- und Kühlkammer bei angedocktem Wärmebehandlungsofen

aufweist. Mit der druckfesten Variante dieser Abkühleinrichtung können erfindungsgemäße Abkühlprozesse besonders einfach und effizient an verschiedenen Wärmebehandlungs- oder Lötanlagen durchgeführt werden. Der besondere Vorzug dieser Abkühleinrichtung liegt darin, daß mit ihr das bei einem "Zweikammer-Verfahren" vorhandene Transportproblem bereits gelöst ist. Das Behandlungsgut ist lediglich auf dem Werkstücktransport der Abkühleinrichtung zu plazieren und diese an die jeweilige Wärmebehandlungseinrichtung anzudocken. Bei geeignet ausgefahrener Transporteinrichtung ist das Werkstück dann bereits im Wärmebehandlungsofen richtig plaziert. Im Anschluß - und unter der Voraussetzung, daß z.B. im Wärmebehandlungsofen die für den ersten Abkühlschritt erforderlichen Gasdüsen und/oder Gaszuleitungen vorhanden sind - kann der erfindungsgemäße Prozeß dann durchgeführt werden, ohne daß weitere Modifikationen an vorhandenen Öfen oder zusätzliche Einrichtungen, wie etwa ein eigenständiges Transportsystem, notwendig wären.

[0012] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Abkühleinrichtung ist ferner die Gaszuleitung für den ersten Abkühlschritt (7) bereits an der Abkühleinrichtung, und zwar insbesondere am Anschlußflansch (3) angeordnet, und zwar derart, daß bei ausgefahrenem Werkstücktransport das Behandlungsgut im Ausströmungsbereich des über die Gaszuleitung zu fließenden Gases angeordnet ist.

[0013] Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Abkühleinrichtung ist schließlich dadurch gekennzeichnet, daß sie neben der, dem Anschluß an einen Wärmebehandlungsofen dienenden Öffnung eine zusätzliche Öffnung zur andockunabhängigen Behandlungsgutzugabe aufweist. Behandlungsgut kann in dieser Gestaltungsvariante also zugegeben werden, ohne daß die Abkühleinrichtung vom jeweiligen Wärmebehandlungsofen abgetrennt werden muß.

[0014] Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Hierzu dient auch die schematische Darstellung, die eine Ofen/Abkühlkammer-Kombination gemäß der Erfindung zeigt.
   Ein Vakuumofen 1 ist in der linken Bildhälfte dargestellt, während in der rechten Bildhälfte eine erfindungsgemäße Abkühleinrichtung A mit Kühlkammer 6, Werkstücktransport 5, Abtrennschieber 4 sowie Anschlußflansch 3 gezeigt ist. Stirnseitig am Stirnteil 3b des Anschlußflansches 3 und senkrecht dazu orientiert ist eine Gaszuleitung 7 mit frontseitigem Düsenstock 8 angeordnet, wobei das dort ausströmende Gas den Endbereich des in ausgefahrenem Zustand befindlichen Werkstücktransports 5 beaufschlagt. Der einen tunnelartigen Zugang zur Kühlkammer 6 bildende und mit dieser fest verbundene Anschlußflansch 3 wird an seinem Fußende von dem Schieber 4 durchdrungen. Dieser kann die Kühlkammer 6 bei eingefahrenem Werkstücktransport 5 gas- und druckdicht gegenüber dem Vakuumofen 1 abschließen. Auf der Kühlkammer 6 ist eine, aus einer Gaszuleitung 10 und einem Gaszwischenspeicher 11 bestehende Kühlgasversorgung der Kammer angeordnet. Zentral im Deckenbereich der Kühlkammer 6 ist ferner ein Umwälzventilator 12 plaziert.

[0015] Ein Prozeßablauf gemäß Erfindung ist wie folgt: In getrennter Stellung von Vakuumofen 1 und Abkühleinrichtung A wird auf den ausgefahrenen Werkstücktransport 5 ein Werkstück 2 aufgebracht, beispielsweise ein mit Lot versehenes, zu verlötendes Lamellenpaket. Die Abkühleinrichtung wird im folgenden an den Vakuumofen 1 herangeführt und mittels Anschlußflansch 3 und nicht gezeigten Anspannelementen vakuumdicht angekoppelt. Es folgt der Evakuierungsprozeß mittels der im Vakuumofen vorhandenen Einrichtungen, wobei sowohl im Ofeninnenraum als auch in der Kühlkammer 6 das gewünschte Vakuum hergestellt wird. Parallel dazu oder nachgeordnet beginnt das Aufheizen des Werkstücks - im vorliegenden Beispielfall auf die Löttemperatur von etwa 900°C. Nach Erreichen von Zieldruck und Zieltemperatur ist der Temperaturausgleich im Werkstück sowie insbesondere die Lotverflüssigungs- und -verteilungszeit abzuwarten, um im Anschluß daran den erfindungsgemäßen Abkühlprozeß einzuleiten.

[0016] Dieser beginnt - nach Abschaltung der Heizeinrichtungen im Ofen 1 - mit der Einleitung von etwa auf Umgebungstemperatur befindlichem Kühlgas in die Gaszuleitung 7 und den Düsenstock 8. Dieser bildet Gasstrahlen aus, die auf das Werkstück 2 gerichtet sind. Auf diese Weise ergibt sich eine erste Beschleunigung der Abkühlung des Werkstücks 2 auf dem in ausgefahrenem Zustand befindlichen, in dieser Phase statisch positionierten Werkstücktranport 5. Als Kühlgas kommt Stickstoffgas zur Anwendung, womit nach kurzer Zeit (einige Sekunden bis ca. 20 sec.) die Solidustemperatur des Lots erreicht wird. Die exakt erforderliche Zeit für diesen ersten Kühlschritt ist - wie generell auch - abhängig vom Werkstück (Form, Dicke) und Lot und kann gegebenenfalls durch Versuche ermittelt werden oder ist mittels eines - unter Umständen im Vakuumofen ohnehin vorhandenen - Temperaturmessers bestimmbar.

[0017] Nach Erreichen des Soliduszeitpunkts wird der Werkstücktransport 5, beispielsweise eine über angetriebene Rollen und in Führungsschienen laufende Drahtgeflechtbahn, in Betrieb gesetzt, und das Werkstück 2 ohne sensible Regelung der Transportbewegung zügig in die Kühlkammer 6 befördert. Der erfindungsgemäße Transportvorgang beansprucht lediglich einige, wenige Sekunden, während derer bereits die Flutung der Kühlkammer 6 aus dem Gas-Zwischenspeicher 11 eingeleitet wird, der Kühlkammerventilator 12 anläuft und sich der Abtrennschieber 4 zu senken beginnt. Kurz nach dem Erreichen der Werkstückendposition in der Kühlkammer 6 ist auch der druckdichte Verschluß der Kammer durch den Schieber 4 hergestellt, und es erfolgt dann bereits der Druckaufbau in der Kühlkammer aus dem Gaszwischenspeicher 11 über entsprechende Gasregelglieder. Hierfür kann der Gaszwischenspeicher 11 mit bis zu 100 bar vorgespannt sein, wobei für seine Nachfüllung über die Zuleitung 10 eine hinsichtlich des gewünschten Vorspann- und Enddrucks passend gestaltete Gasversorgung vorausgeschaltet sein muß (z.B. Gasflaschenbündel mit entsprechender Gasregeltechnik). Aufgrund des Gaszwischenspeichers 11 kann ein schneller Druckaufbau in der Kühlkammer 6 erzielt und die Hauptkühlphase innerhalb weniger Sekunden eingeleitet werden. Mit einem Druck von ca. 40 bar, wiederum Stickstoff als Kühlgas und einer Ventilatorleistung, die Gasgeschwindigkeiten von ca. 10 m/sec gewährleistet, wird das zu behandelnde, relativ voluminöse Lamellenpaket innerhalb eines Zeitraums in der Größenordnung von einer Minute abgekühlt.

[0018] Mit der erfindungsgemäßen Kühlweise und insbesondere den leistungsfähigeren Kühlgasen - Helium und Wasserstoff - können nahezu alle gewünschten Kühlabläufe bei Lötungen ebenso wie bei diversen Wärmebehandlungen, insbesondere auch solche für anspruchsvolle Härtungen, ausgeführt werden. Mit der gezeigten, speziellen Abkühleinrichtung ist dies darüber hinaus in besonders vorteilhaftere Weise möglich, da im Regelfall keine oder nur geringfügige Modifikationen an vorhandenen Wärmebehandlungsöfen vorzunehmen sind und insbesondere der im Prozeß erforderliche Werkstücktransport bereits durch die entsprechende Gestaltung der Abkühleinrichtung ermöglicht ist.

Ansprüche

1. Verfahren zur effektiven Abkühlung von Behandlungsgut nach einer Wärmebehandlung oder Wärmeeinwirkung in einem Ofen mittels strömendem Druckkühlgas in einer Kühlkammer, bei dem

- das Behandlungsgut bereits im Ofen mittels eines gerichteten Gasstroms oder Gasstrahls/Gasstrahlen bis auf eine erste kritische Temperaturschwelle abgekühlt wird,

- das Behandlungsgut nach Erreichen dieser Temperaturschwelle ohne Kontakt zu schädlichen Atmosphären in die Kühlkammer überführt wird,

- das Behandlungsgut in der Kühlkammer einer Abschreckung/Abkühlung in strömendem Gas unter Überdruck unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlkammer mit Überdrucken zwischen 1 und 80 bar, vorzugsweise 5 und 50 bar, und mit Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb 5 m/sec gearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für niedrige bis mittlere Abkühlgeschwindigkeiten klassische Inertgase wie Stickstoff und/oder Argon als Kühlgas zur Anwendung kommen, und daß bei höheren Anforderungen hinsichtlich der Abkühlgeschwindigkeiten Helium oder Gemische mit wesentlichen Anteilen von Helium (>25 %) und ansonsten Stickstoff oder Argon eingesetzt werden.

4. Abkühleinrichtung mit einer Kühlkammer (6) mit Kühlgasversorgung (10, 11) und Kammerzutrittsöffnung gekennzeichnet durch

- einen die Kammeröffnung (9) umgebenden Anschlußflansch (3) geeignet zum Andocken an einen Wärmebehandlungsofen,

- einen aus- und einfahrbaren, in ausgefahrenem Zustand aus der Einrichtung hinausragenden Werkstücktransport (5) zur Einführung des Behandlungsguts in einen angedockten Wärmebehandlungsofen sowie

- eine Absperreinrichtung (4) zur Abtrennung von Ofen- und Kühlkammer bei angedocktem Wärmebehandlungsofen.

5. Abkühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer (6) druckfest ausgebildet ist.

6. Abkühleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorstehende Gaszuleitung (7) am Anschlußflansch (3) angeordnet ist, und zwar derart, daß bei ausgefahrenem Werkstücktransport (5) das auf dem Werkstücktransport (5) befindliche Behandlungsgut im Ausströmungsbereich des über die Gaszuleitung (7) zufließenden Gases angeordnet ist.

7. Abkühleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben der, dem Anschluß an einen Wärmebehandlungsofen dienenden Kammeröffnung (9) eine zusätzliche Öffnung zur andockunabhängigen Behandlungsgutzugabe aufweist.

Zeichnung