[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von metallischen Werkstücken
mit Kühlgas, mit einem Gehäuse mit einer Öffnung zum Ein- und Ausbringen der Werkstücke,
mit einer Kühlgasquelle mittels der Gebläse-gefördertes und über Wärmetauscher geführtes
Kühlgas den Werkstücken zugeführt wird und mit einem Werkstückträger.
[0002] Bekannt sind Vakuumöfen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke mittels eines
kohlenstoffhaltigen Gases, beispielsweise Methan oder Propan. Bei der Plasmaaufkohlung
werden die Werkstücke im Vakuumofen auf eine Temperatur zwischen etwa 800 °C und 1050
°C erhitzt. Anschließend wird das kohlenstoffhaltige Prozeßgas in die Ofenkammer geleitet
und ein elektrisches Feld auf die Werkstückcharge gelegt. Danach erfolgt zum Zwecke
der Härtung die Abkühlung der Charge durch ein Anströmen durch aus Düsen auf die Charge
austretendes Kühlgas, wobei sich als Kühlgas insbesondere Helium bewährt hat.
[0003] Bekannt ist beispielsweise ein Vakuumschachtofen (DE 32 08 574 A1) mit einer Einrichtung
zur Abkühlung der wärmebehandelten Charge mittels einer Gasströmung, die über Öffnungen
durch das Innere der vorzugsweise zylindrischen Heizkammer geführt wird und außerhalb
der Heizkammer im geschlossenen Ofengehäuse durch ein Gasgebläse über einen Gaskühler
umgewälzt wird, wobei für eine vertikale Strömung in der Heizkammer im Boden und in
der Decke verschließbare Öffnungen und für eine horizontale Strömung an gegenüberliegenden
Stellen in der Seitenwand der Heizkammer auf ihrer ganzen Höhe übereinanderliegende
verschließbare Öffnungen angeordnet sind. Zum Verschließen der Öffnungen in der Wandung
der Heizkammer sind alle Öffnungen überdeckende Abdeckplatten vorgesehen die jeweils
mit den Öffnungen in den Seitenwänden deckungsgleiche Öffnungen enthalten und um eine
halbe Öffnungsteilung verschiebbar sind.
[0004] Bekannt ist weiterhin ein Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung metallischer Werkstücke
(EP 0 535 319 B1) mit einer elektrischen Heizeinrichtung, einer Vakuumpumpe zur Erzeugung
eines Vakuums in der Heizkammer, sowie Gaseinlaßöffnungen, mittels derer von einem
Gebläse gefördertes und über einen Wärmetauscher geführtes Kühlgas der Charge zugeführt
wird, wobei die das Kühlgas führenden Gaseinlaßöffnungen in der Heizkammer angeordnet
und auf die Charge ausgerichtet sind. Die als Gaseinlaßöffnungen ausgebildeten Düsen
sind allseitig um die Heizkammer herum und stirnseitig angeordnet, wobei die stirnseitigen
Düsen zur axialen Einleitung des Kühlgases in die Heizkammer dienen. Mit einem solcherart
ausgebildetem Vakuumofen zur Plasmaaufkohlung ist es möglich, die aufgekohlte Charge
zur Vervollständigung des Wärmebehandlungsprozesses zu härten, ohne daß die Charge
hierzu aus der Heizkammer entnommen werden muß. Da sämtliche Schritte der Wärmebehandlung
sich ausschließlich innerhalb einer Heizkammer durchführen lassen ist der Platzbedarf
eines einzigen Ofens auch vergleichsweise gering. Da die Gasführung und die Gasströmung
entscheidende Faktoren für den Abschreckprozeß bilden; eine Umkehr der Strömungsrichtung
des Kühlgases bei den vorgenannten Vakuumöfen jedoch nicht zu bewerkstelligen ist,
hat man auch vorgeschlagen das Ofengehäuse mit zwei durch einen Verschlußschieber
voneinander getrennten Kammer auszustatten und in der einen Kammer die Heizelemente
und einen Heißgasventilator und in der anderen Kammer den Kühlventilator und den Wärmetauscher
mit geeigneten Strömungsblechen anzuordnen. Die Charge wird bei diesem Ofentyp zunächst
in der einen Kammer aufgeheizt und aufgekohlt und dann bei geöffnetem Verschlußschieber
in die andere Kammer zum Zwecke der Abschreckung verfahren.
[0005] Der wesentlichste Nachteil aller bekannten Vakuumöfen besteht jedoch darin, daß eine
erneute Beschickung der Öfen immer erst möglich ist, nach dem der jeweils vorhergehende
Behandlungsprozeß vollständig zum Abschluß gelangt ist, was im Falle der Forderung
nach großen Stückzahlen die Aufstellung einer Vielzahl kompletter Vakuumöfen bedeutet.
Da jedoch die erste Phase des
Wärmebehandlungsprozesses, nämlich das Aufheizen und Aufkohlen der Charge, verglichen
mit der zweiten Phase, nämlich dem Härteprozeß, vergleichsweise lange dauert liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Behandlung metallischer
Werkstücke mit Kühlgas zu schaffen, die die Nachteile bekannter Öfen vermeidet und
die bei sehr kompaktem Aufbau - bei kleinem Verhältnis von Kammervolumen zu Chargenvolumen
- eine rasche Strömungsumkehr ermöglicht und bei der spiegelsymmetrische Strömungsverhältnisse
nach der Strömungsumkehr vorliegen. Darüber hinaus soll die Vorrichtung einwandig
ausgebildet sein und schon zu Beginn der Abschreckphase einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten
an allen Werkstücken innerhalb der Charge ermöglichen, eine geringe Menge Abschreckgas
pro
Abschreckvorgang benötigen und einen Betrieb mit besonders kurzen Taktzeiten gestatten.
Schließlich soll die Vorrichtung so konzipiert sein, daß sie eine geregelte Abschreckung
- d.h. mit variabler Intensität - ermöglicht und an vorhandene Öfen zum Aufkohlen
andockbar ist, so daß mit einer einzigen Vorrichtung mehrere einfache Öfen - ohne
Wärmetauscher und Kühlgasgebläse - betrieben werden können, was Kosten und Platz einspart.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, mit einem Gehäuse
zum Ein- und Ausbringen der Werkstücke, mit einer Kühlgasquelle mittels der Gebläse-gefördertes
und über Wärmetauscher geführtes Kühlgas den Werkstücken zugeführt wird, mit einem
Werkstückträger mit beiderseits des Werkstückträgers angeordneten, sich vertikal und
parallel zueinander erstreckenden, die Werkstücke von Seitenräumen abtrennenden mit
Öffnungen versehenen Trägerblechen und mit oberhalb und / oder unterhalb der Werkstücke
zwischen den Trägerblechen gehaltenen Wärmetauschern und mit beiderseits des Gehäuses
vorgesehenen Gebläsemotoren mit sich horizontal und rechtwinklig zur Gehäuseachse
in die Seitenräume erstreckenden Wellen, wobei die mit den Wellen in Gebläsegehäusen
umlaufenden Gebläseräder jeweils nahe der Gehäuseinnenwände vorgesehen und von den
Trägerblechen durch Luftleitbleche getrennt sind, die sich jeweils von den Gebläsegehäusen
gehalten parallel und mit Abstand zu den Trägerblechen erstrecken und mit den Trägerblechen
jeweils beiderseits der Werkstückcharge zwei sich vertikal erstreckende Schächte für
die Führung des Kühlgasstroms bilden, wobei jeweils an den oberen und an den unteren
Enden der beiden Luftleitbleche Reversierklappen gelagert sind die je nach Stellung
dichtend an die Trägerbleche oder an die Gehäuseinnenwand anschlagen.
[0007] Weitere Einzelheiten und Merkmale sind in den Patentansprüchen näher beschrieben
und gekennzeichnet.
[0008] Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist
in der anhängenden Zeichnung, die eine Vorrichtung rein schematisch im Querschnitt
zeigt, dargestellt.
[0009] Die Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen, einwandigem Gehäuse 3, deren eines
Ende fest mit einem Deckel verschlossen ist und deren anderes Ende mittels einer Tür
oder eines Schiebers verschließbar und im übrigen so gestaltet und bemessen ist, daß
die in einem separaten Ofen aufgeheizte und aufgekohlte Werkstückcharge 4 in das Gehäuse
3 der Vorrichtung überführt werden kann, ohne daß ein zusätzliches Transportgerät
hierzu erforderlich ist. Im Gehäuse 3 ist ein Werkstückträger 5 in Gestalt einer perforierten
oder mit Durchbrüchen versehenen Platte angeordnet auf dem die Charge 4 ruht. Beiderseits
der Charge 4 sind kräftig dimensionierte Trägerbleche 6, 7 angeordnet an denen der
Werkstückträger 5 gehalten ist und zwischen denen sich Wärmetauscher 8, 9 befinden.
Beiderseits des Gehäuses 3 sind an dessen Außenseite Gebläsemotoren 10, 11 vorgesehen
deren Motorwellen dichtend durch die Wand des Gehäuses 3 hindurchgeführt sind, wobei
sich die beiden Motorwellen zueinander flüchtend und horizontal erstrecken. Die Gebläsegehäuse
12, 13 selbst sind jeweils fest mit dem Gehäuse 3 verbunden und halten jeweils an
ihrer Stirnseite ein Luftleitblech 14, 15 das sich parallel und im Abstand zu dem
jeweils benachbarten Trägerblech 6 bzw. 7 erstreckt und mit diesem einen Schacht 16
bzw. 17 bildet. An den parallel zwischen Gehäuselängsrichtung verlaufenden oberen
und unteren Kanten der Luftleitbleche 14, 15 sind jeweils Reversierklappen 18, 19,
20, 21 gelagert, wobei diese so bemessen und gelagert sind, daß sie jeweils mit ihren
freien Enden entweder mit den jeweils benachbarten Trägerblechen 6 bzw. 7 korrespondieren
bzw. an diesen anliegen oder aber in einer - um etwa 80 ° - verschwenkten Position
an der Innenwand des Gehäuses 3 anschlagen. Wie die Zeichnung zeigt sind die beiden
an den oberen Enden der Luftleitbleche 14, 15 gelagerten Reversierklappen 19, 20 so
verschwenkt, daß ihre freien Enden an den oberen Kanten der Trägerbleche 6, 7 anliegen
und die Schächte 16, 17 nach oben zu verschließen. Die beiden an den unteren Kanten
der Luftleitbleche 14, 15 gelagerten Reversierklappen 18, 21 liegen dagegen mit ihren
freien Enden an der Innenwand des Gehäuses 3 an und bewirken, daß das in den Bereich
24 unterhalb des Wärmetauschers 9 eintretende Kühlgas in Pfeilrichtung von unten her
in die Schächte 16, 17 eintreten, wozu die unteren Partien der Trägerbleche 6, 7 mit
Öffnungen 22, 23 versehen sind. Das in den Schächten 16, 17 nach oben strömende Kühlgas
tritt in die zentralen Ansaugöffnungen der Gebläsegehäuse 12, 13 ein und wird danach
wieder nach außen in den Bereich 25 oberhalb des oberen Wärmetauschers 8 gedrückt
und strömt dann durch den Wärmetauscher 8 auf die Werkstückcharge 4 und von dieser
durch den Wärmetauscher 9 wieder in den Bereich 24. Im Falle der Strömungsumkehr werden
die vier Reversierklappen 18, 19, 20, 21 in ihre jeweils andere Lage geschwenkt.
[0010] Aufgrund der Anordnung der beiden Wärmetauscher 8, 9 oberhalb bzw. unterhalb der
Charge 4 liegt an den Gebläselaufrädern und am Gehäuse der Vorrichtung stets kaltes
Kühlgas vor. Durch die gezielte Einstellung der Reversierklappen 18, 19, 20, 21 wird
bewirkt, daß die Umwälzbewegung des Kühlgases nur im Außenbereich erfolgt, womit ein
rasches Absenken bzw. Erhöhen von α bewirkt werden kann. Durch eine gezielte Einstellung
der Reversierklappen 18, 19, 20, 21 kann eine definierte Drosselung des Volumenstroms
erreicht werden, womit das gebrochene Härten und das Warmbadhärten erzielt werden
kann.
[0011] Zweckmäßigerweise sind die Trägerbleche 6, 7 auf ihrer der Charge 4 zugekehrten Seitenfläche
mit einer Spiegelschicht versehen bzw. aus einem Werkstoff mit hohem Reflektionskoeffizienten
gefertigt, wobei die Bleche selbst eine geringe Wärmekapazität aufweisen. Die Abstrahlung
der Chargenrandbereiche gegen die kalte Wand wird hierdurch reduziert, was den Verzug
minimiert und die Gleichmäßigkeit der Härteverteilung verbessert. Es sei erwähnt,
dass die Motorwellen bei einer alternativen Ausführungsform nicht dichtend durch die
Wand des Gehäuses 3 hindurchgeführt sind, sondern die Gehäuse der Motoren 10, 11 selbst
sind druckfest ausgebildet, so dass eine Druckveränderung über die Wellendurchführungen
im Inneren des Gehäuses 3 ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste
Auflistung der Einzelteile
[0012]
- 3
- Gehäuse
- 4
- Werkstücke, Charge
- 5
- Werkstückträger
- 6
- Trägerblech
- 7
- Trägerblech
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- Gebläsemotor
- 11
- Gebläsemotor
- 12
- Gebläsegehäuse
- 13
- Gebläsegehäuse
- 14
- Luftleitblech
- 15
- Luftleitblech
- 16
- Schacht
- 17
- Schacht
- 18
- Reversierklappe
- 19
- Reversierklappe
- 20
- Reversierklappe
- 21
- Reversierklappe
- 22
- Öffnung
- 23
- Öffnung
- 24
- Bereich unterhalb des unteren Wärmetauschers
- 25
- Bereich oberhalb des oberen Wärmetauschers
- 26
- Schacht
- 27
- Schacht
1. Vorrichtung zur Behandlung metallischer Werkstücke mit Kühlgas mit einem zylindrischen
Gehäuse (3) mit einer Öffnung zum Ein- und Ausbringen der Werkstücke (4) mit einer
Kühlgasquelle mittels der Gebläse-gefördertes und über Wärmetauscher (8, 9) geführtes
Kühlgas den Werkstücken (4) zugeführt wird und mit einem Werkstückträger (5) mit beiderseits
des Werkstückträgers (5) angeordneten, sich vertikal und parallel zueinander erstreckenden,
die Werkstücke (4) von Seitenräumen abtrennenden mit Öffnungen (22, 23) versehenen
Trägerblechen (6, 7) und mit oberhalb und / oder unterhalb der Werkstücke (4) zwischen
den Trägerblechen (6, 7) gehaltenen Wärmetauschern (8, 9) und mit beiderseits des
Gehäuses (3) angeordneten Gebläsemotoren (10,11) mit sich horizontal und rechtwinklig
zur Gehäuselängsachse in die Seitenräume erstreckenden Wellen, wobei die mit den Wellen
im Gebläsegehäuse (12, 13) umlaufenden Gebläseräder jeweils nahe der Gehäuseinnenwand
vorgesehen und von den Trägerblechen (6, 7) durch Luftleitbleche (14, 15) getrennt
sind, die sich jeweils von den Gebläsegehäusen (12, 13) gehalten parallel und mit
Abstand zu den Trägerblechen (6, 7) erstrecken und mit den Trägerblechen (6, 7) jeweils
beiderseits der Werkstückcharge (4) zwei sich vertikal erstreckende Schächte (16,
17 bzw. 26, 27) für die Führung des Kühlgasstroms bilden, wobei jeweils an den oberen
und an den unteren Enden der beiden Luftleitbleche (14, 15) Reversierklappen (18,
19, 20, 21) gelagert sind die je nach Stellung dichtend an die Trägerbleche (6, 7)
oder an die Gehäuseinnenwand anschlagen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebläsemotore (10,11) außerhalb und die Gebläsegehäuse (12, 13) innerhalb des
Gehäuses (3) gehalten sind, wobei der Gebläseeinlaß jeweils in einen sich vertikal
erstreckenden Schacht (16, 17) einmündet und der Gebläseauslaß in den dem Schacht
(16 bzw. 17) benachbarten von der Gehäuseinnenwand und einem Luftleitblech (14 bzw.
15) begrenzten Raum.