EP1167548A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Abkühlwirkung einer strömenden Gasatmosphäre auf Werkstücke - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Abkühlwirkung einer strömenden Gasatmosphäre auf Werkstücke Download PDF

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EP1167548A2
EP1167548A2 EP01110912A EP01110912A EP1167548A2 EP 1167548 A2 EP1167548 A2 EP 1167548A2 EP 01110912 A EP01110912 A EP 01110912A EP 01110912 A EP01110912 A EP 01110912A EP 1167548 A2 EP1167548 A2 EP 1167548A2
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EP
European Patent Office
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measuring body
workpieces
temperature
heated
quenching
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EP01110912A
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EP1167548A3 (de
Inventor
Klaus Dr. Löser
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ALD Vacuum Technologies GmbH
Original Assignee
ALD Vacuum Technologies GmbH
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Publication of EP1167548A3 publication Critical patent/EP1167548A3/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/55—Hardenability tests, e.g. end-quench tests
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for determining the cooling effect of a flowing gas atmosphere on workpieces according to the preambles of claims 1 and 10.
  • the quenching chamber is designed for pressures up to 5.0 MPa and possibly even more, and as Quench gases can preferably be hydrogen, helium, nitrogen or mixtures of at least two of these gases can be used. These gases are passed through a circulation fan, not shown the batch (s) passed and sucked off again. On their way they will Quenching gases passed over heat exchanger, not shown here, and cooled down again.
  • the drive power required for gas circulation increases with Pressure, but decreases with the atomic weight of the quenching gases, so that the Gases hydrogen and helium or mixtures thereof preferred is given, especially since the heat transfer to these gases is special is cheap and the quenching speed is increased. in this connection not only does the heat transfer on the workpieces play, but also a role in the heat exchangers.
  • thermocouples With such quenching procedures one has so far proceeded so that Has provided parts of a stationary batch with thermocouples. Provided if this was not possible, the batch has so-called passive a-probes enclosed, i.e. special samples with thermocouples without Heating device by heat transfer from the neighboring Workpieces are heated.
  • passive a-probes enclosed, i.e. special samples with thermocouples without Heating device by heat transfer from the neighboring Workpieces are heated.
  • Measured values of batches that have already been driven are used as Default used for new batches.
  • Such measuring methods are continuous in moving batches not operated systems with so-called “cold chambers” possible because the batches are conveyed through individual chambers of the systems are and the individual chambers by pressure-tight slide from each other are separated.
  • the systems are therefore checked in such systems Deterrent effect through the monitoring of "secondary quantities” such as gas pressure, gas temperature, cooling water temperature and the Power consumption of the blower motors for gas circulation.
  • secondary quantities such as gas pressure, gas temperature, cooling water temperature and the Power consumption of the blower motors for gas circulation.
  • the quenching rate is determined from these quantities only possible with a high computational effort and even then extremely imprecise due to measurement tolerances.
  • Such indirect measurements and Therefore, calculations do not meet quality assurance requirements in modern manufacturing processes.
  • a laboratory device is known from JP 4-59921 A with which it is possible is the cooling effect of a coolant regulated to constant temperature, of a solution by determining a test specimen, which is provided with a temperature sensor in one of the coolant removed heating device and then by means of a Immerses the drive out of the heating device into the coolant and records the temperature changes.
  • a test specimen which is provided with a temperature sensor in one of the coolant removed heating device and then by means of a Immerses the drive out of the heating device into the coolant and records the temperature changes.
  • the invention is therefore based on the object, a method and a Specify device with which the cooling effect or the quenching effect and the temperature profile over time, even with large batches and can be determined directly, so that any control interventions extremely short-term, i.e. can be done in fractions of a second can. This is to ensure that all workpieces in a batch dosed at high speed in accordance with the hardness regulations or quenched and hardened if necessary.
  • the respective heat transfer from the workpieces or the batch of workpieces affected by the cooling gas to be harmful thermal stress and / or uneven Avoid product properties, and also the respective Heat transfer from the cooling gas to the heat exchanger are influenced, because the processes on the workpiece surfaces and on the surfaces of the heat exchanger in turn influence each other.
  • the task is fully Scope solved, and in particular the cooling effect or Quenching effect and the temperature profile over time, even with large ones Batches are determined continuously and directly, so that possible control interventions extremely short-term, i.e. carried out in fractions of a second can be.
  • This ensures that all workpieces in a batch dosed at high speed in accordance with the hardness regulations or quenched and hardened if necessary.
  • the invention also relates to the application of the method according to Claim 1 and the device according to claim 10 for high pressure gas quenching of workpieces in a quenching chamber with a Heat exchangers at gas pressures between 0.5 and 5.0 MPa, preferably between 1.0 and 4.0 MPa.
  • Figure 1 is a chamber 1 with a flange 2 and an insulating bushing 3 shown for the holder of a sensor unit 4, which consists of a measuring body 5 with bores and thermal sensors 6 and 7.
  • the measuring body 5 preferably consists of an austenitic alloy with a low emission coefficient to prevent heat loss during of heating, and should be in terms of its geometry, Mass and thermal conductivity of the workpieces as much as possible correspond to their thermal analysis. However, it is not a requirement, since conversion factors are based on empirical values have it determined. In the simplest case, a cylindrical one is sufficient Measuring body 5 with a diameter between 5 and 50 mm, preferably between 15 and 30 mm.
  • the measuring body 5 is held in position by a carrier 8 and concentric surrounded by a heater 9, the water-cooled Induction coil is formed, the coolant flow through the arrows 10 and 11 is indicated.
  • the induction coil is powered by a medium frequency generator 12 supplied with heating energy so that it is possible to Heating up very quickly and thoroughly and the Initiate heating process via a control line 13 and practical break off indolently.
  • the induction coil concentrates its heating power exclusively on the measuring body 5 and heats the environment, e.g. Chamber walls, not on.
  • thermal sensor 14 is arranged in the vicinity of the sensor unit, with which the gas temperature can be measured.
  • the measured values the thermal sensors 6, 7 and 14 are not specified Measuring lines fed to a central unit 15, which in addition to a variety from memory locations not shown, an input keyboard 16 for setpoints and control commands and a display 17 for the display of the measured values or a sequence of measured values and possibly setpoints. over a data line 18 a printer 19 can be connected.
  • the gas flow is indicated by arrows 21.
  • the function is as follows:
  • the sensor unit 4 allows direct Measurement of the cooling rate. Just before implementing one Batch of workpieces from a heating chamber or a heating furnace in the actual quenching chamber 1 is the measuring body 5 to a predetermined Temperature, for example to the austenitizing temperature of the workpieces, heated and then the heating power turned off. After the batch has been transferred to the quenching chamber, the a presettable pressure from a quenching gas as short as possible built up and this with appropriate speed in the chamber 1 circulated. The quench gas cools both - not here shown - batch and the measuring body 5th
  • the thermal sensors 6 (edge zone) and 7 (center) located in the measuring body 5 track the local temperatures of the measuring body and enable the Determination of the quenching curves, as shown in Figure 2. to These curves are documented in the batch depending on the documentation Central unit 15 stored and / or printed out via the printer 19.
  • a characteristic can also be used Cooling parameters, e.g. a lambda value for the cooling time between 800 and 500 ° C. In this way carry out a continuous process control, by way of example deterioration of the quenching properties also at an early stage can be seen how z. B. by deposit formation in the heat exchanger can occur.
  • the heat transfer coefficient determine "on-line". This has, for example, for workpieces with complex geometries the advantage that with the help of this heat transfer coefficient and a suitable finite element program deviating from the geometry of the Measuring body 5 simulates the quenching process of such complex components can be.
  • the actual quenching curves measured with the sensor unit 4 can by means of target quenching curves stored in the central unit 15 Comparison.
  • the quenching speeds can be adjusted accordingly and regulated, for example by regulating the gas pressure and the gas velocities, thereby minimizing a possible distortion of the workpieces can be achieved.
  • a representation according to Figure 2 with a logarithmic scale of the abscissa has long been common in metallurgy. From the starting point (0.1 sec) from the first abscissa line it is 10 seconds to the second Abscissa 100 seconds, almost 2 minutes, and until the third Abscissa 1000 seconds, almost 17 minutes etc.
  • FIG. 2 shows a so-called Z-T-U diagram (time-temperature conversion), when on the abscissa on a logarithmic scale the time in Seconds and the temperature is plotted on the ordinate on a linear scale are.
  • the 100Cr6 steel is entered for the difficult-to-harden steel Pearlite area 24, the intermediate structure area 25 (bainite area) and the upper boundary line of the martensite area 26. These areas represent the material structure and properties for the steel 100Cr6 (1.2067).
  • the quenching curves 27 to 32 are now entered for a rod with a 25 mm diameter and the following quenching parameters: austenitizing temperature 830 ° C. and helium as quenching gas.
  • austenitizing temperature 830 ° C. and helium as quenching gas By changing the quenching speed, for example by changing the pressure, temperature and / or speed of the quenching gas, the various final hardnesses shown on the surface can now be achieved: Curve Vickers hardness HV 27 904 28 675 29 410 30 315 31 268 32 216th
  • the bold curve represents the following quenching conditions:
  • the final hardness increases as the curves move to the right ever lower, until the end only the normal hardness of the Material is present.
  • FIG. 3 now shows an enlarged detail from Figure 2 with the following Additions in a greatly simplified and exaggerated form:
  • the actual quenching curve 29a (dashed) now represents the one according to the invention Sensor unit by comparison with a stored setpoint curve according to curve 29 that the quenching rate is too slow.
  • the quenching rate is now increased, and the Curve 29a undercuts curve 29.

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Abstract

Beim Bestimmen der Abkühlwirkung einer strömenden Gasatmosphäre auf Werkstücke, insbesondere beim Härten von Werkstücken aus Stahl, durch einen auf Werkstücktemperatur erhitzten, mit mindestens einem Temperaturfühler (6, 7) versehenen Meßkörper (5), der der Gasatmosphäre ausgesetzt ist, wird zur kontinuierlichen und direkten Bestimmung der Abkühlwirkung und zur Dosierung des Abschreckeffekts auch bei großen und beweglichen Chargen und zur kurzzeitigen Regelung der Meßkörper (5) außerhalb der Werkstücke angeordnet und mittels einer ihm zugeordneten Heizeinrichtung (9) auf eine vorgegebene Ausgangstemperatur aufgeheizt und anschließend der strömenden Gasatmosphäre ausgesetzt, und hierbei werden die am Meßkörper (5) gemessenen zeitlichen Abkühlverläufe bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Abkühlwirkung einer strömenden Gasatmosphäre auf Werkstücke nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 10.
Durch die "Enzyklopädie Naturwissenschaften und Technik", 1981, Zweiburgen Verlag Weinheim, Band E-J, Stichwort "Hitzdraht" auf Seite 1851, ist es bekannt, die Geschwindigkeiten von Gasen durch Anblasen eines elektrisch beheizten Widerstandes mit Temperatur abhängiger Charakteristik zu bestimmen. Dieser Heizwiderstand hat eine Länge von etwa 1 mm und eine Dicke von wenigen µm und praktisch keine Trägheit. Bei einem Temperaturabfall durch Abkühlung wird die ursprüngliche Temperatur bzw. der ursprüngliche Widerstand durch Stromerhöhung mittels einer aufwendigen Regelanordnung wieder hergestellt. Für die Bestimmung von Abschreckkurven von Werkstücken bei metallurgischen Prozessen ist ein solches äußerst empfindliches Hitzdraht-Anemometer weder vorgesehen noch geeignet.
Hierzu werden nämlich in einer Abschreckkammer die Werkstücke oder Werkstückchargen zum Härten in in einer vorgegebenen Zeit auf Temperaturen unter die jeweiligen - Werkstück abhängigen - Perlit-, Bainit- und/oder Martensittemperaturen abgeschreckt. Die Abschreckkammer ist für Drücke bis zu 5,0 MPa und ggf. auch darüber ausgelegt, und als Abschreckgase können vorzugsweise Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Gemische aus mindestens zwei dieser Gase verwendet werden. Diese Gase werden durch ein nicht dargestelltes Umwälzgebläse durch die Charge(n) geleitet und wieder abgesaugt. Auf ihrem Wege werden die Abschreckgase über hier nicht gezeigte Wärmetauscher geleitet und wieder abgekühlt.
Die erforderliche Antriebsleistung für die Gasumwälzung steigt mit dem Druck, sinkt aber mit dem Atomgewicht der Abschreckgase, so daß den Gasen Wasserstoff und Helium oder Gemischen daraus der Vorzug zu geben ist, zumal auch der Wärmeübergang an diese Gase besonders günstig ist und die Abschreckgeschwindigkeit gesteigert wird. Hierbei spielt nicht nur der Wärmeübergang an den Werkstücken, sondern auch an den Wärmetauschern eine Rolle.
Durch die EP 0 313 888 B2 ist es bekannt, Werkstücke aus Stahl, insbesondere aus schwer härtbaren, niedrig legierten Stählen, und/oder Werkstücke mit großer oder komplizierter Form zunächst aufzuheizen und anschließend durch Gase aus der Gruppe Helium, Wasserstoff und Stickstoff und durch Gasgemische aus mindestens zwei Gasen dieser Gruppe bei Drücken zwischen 1,0 und 4,0 MPa abzuschrecken und zu härten. Dadurch sollen die klassischen Härteverfahren mit Wasser, ölen und Salzbädern mit ihren Umweltbelastungen abgelöst werden. Die Härtung geschieht mittels dieser Gase, die mit hoher Geschwindigkeit mittels eines Gebläses über die Werkstücke bzw. Werkstückchargen und einen Wärmetauscher innerhalb der Anlage umgewälzt werden. Die Härtung kann dabei in einem beheizbaren Ein-Kammer-Ofen oder in einer zur Ofenanlage gehörenden nachgeschalteten besonderen Abschreckkammer durchgeführt werden. In der genannten Schrift sind auch die Hintergründe für die Ablösung der bekannten Härteverfahren angegeben.
Bei solchen Abschreckverfahren ist man bisher so vorgegangen, daß man Teile einer stationären Charge mit Thermoelementen versehen hat. Sofern dies nicht möglich war, hat man der Charge sogenannte passive a-Sonden beigelegt, d.h. spezielle, mit Thermoelementen versehene Proben ohne Heizeinrichtung, die durch Wärmeübertragung aus den benachbarten Werkstücken aufgeheizt werden. Aus den Meßergebnissen hat man dabei auf die Abschreckung der Werkstücke bzw. Bauteile geschlossen (Sonderdruck "Ipsen Report"der Fa. Ipsen von B. Edenhofer "Steuerung der Hochdruckgasabschreckung mittels Wärmestromsensor" vom Oktober 1995). Hierbei werden Meßwerte bereits gefahrener Chargen als Vorgabe für neue Chargen verwendet.
Derartige Meßmethoden sind jedoch bei bewegten Chargen in kontinuierlich betriebenen Anlagen mit sogenannten "kalten Kammern" nicht möglich, da die Chargen durch einzelne Kammern der Anlagen gefördert werden und die einzelnen Kammern durch druckdichte Schieber voneinander getrennt sind. Daher erfolgt in solchen Anlagen die Kontrolle der Abschreckwirkung derzeit durch die überwachung "sekundärer Größen" wie Gasdruck, Gastemperatur, Kühlwassertemperatur sowie die Leistungsaufnahme der Gebläsemotoren für die Gasumwälzung. Die Ermittlung der Abschreckgeschwindigkeit aus diesen Größen ist jedoch nur mit einem hohen rechnerischen Aufwand möglich und auch dann noch durch Meßtoleranzen höchst ungenau. Solche indirekten Messungen und Berechnungen genügen daher nicht den Anforderungen an die Qualitätssicherung bei modernen Fertigungsprozessen.
Durch die DE 30 37 638 A1 ist es bekannt, die Abschreckwirkung von Flüssigkeiten und Gasen durch Probekörper zu ermitteln, in denen ein Thermoelement angeordnet ist. Die Wirkung der Abschreckung wird dabei durch die mechanische Messung der Härte an Stellen der Probekörper ermittelt, die durch Ausfräsen als ebene Flächen "freigelegt" werden und in der Nähe des Thermoelements liegen, bzw., die unterhalb der Oberfläche des jeweiligen Probekörpers liegen. Die Probekörper werden dadurch nach jeder Messung zerstört und können daher weder lagefest angeordnet, noch wiederverwendet werden. Daher werden die Probekörper auch in einer Vielzahl benötigt. Es ist weder offenbart, wo bzw. in welchem Verhältnis zu den Werkstücken und/oder der Kühlgasströmung die Probekörper angeordnet werden, noch, daß den Probekörpern eine eigene Heizung zugeordnet ist. Ohne eigene zugeordnete Heizeinrichtung bleibt nur die Möglichkeit, die Probekörper zusammen mit den Werkstücken aufzuheizen, d.h. in der Heizkammer, und sie dann zusammen mit den Werkstücken in die Abschreckkammer überzuführen, was aber weder offenbart noch bei durch ein druckfestes Schieberventil hindurch transportierten Werkstücken bzw. Chargen möglich ist.
Durch die JP 4-59921 A ist ein Laborgerät bekannt, mit dem es möglich ist, die Kühlwirkung einer auf konstante Temperatur geregelten Kühlflüssigkeit, einer Lösung, dadurch zu bestimmen, daß man einen Testkörper, der mit einem Temperaturfühler versehen ist, in einer von der Kühlflüssigkeit entfernten Heizvorrichtung aufheizt und anschließend mittels eines Antriebs aus der Heizvorrichtung heraus in die Kühlflüssigkeit eintaucht und die Temperaturänderungen aufzeichnet. Hierbei wird jedoch eine Temperaturänderung, die durch aufgeheizte Werkstücke verursacht wird, nicht gemessen bzw. untersucht. Es ist auch nicht offenbart, wo bzw. in welchem Verhältnis zu irgendwelchen Werkstücken und/oder einer über die Werkstücke geführten Kühlmittelströmung der Testkörper angeordnet ist. Es wird auch weder angeregt, noch vorgeschlagen, wie eine solche Labor-Vorrichtung in einen Produktionsprozeß integriert werden könnte. Für die synchrone Bestimmung und ggf. Regelung der Abschreckwirkung von strömenden Gasen während eines Produktionsprozesses ist diese bekannte Vorrichtung weder vorgesehen noch geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Abkühlwirkung bzw. der Abschreckeffekt und der zeitliche Temperaturverlauf auch bei großen Chargen kontinuierlich und direkt bestimmt werden kann, so daß eventuelle Regeleingriffe extrem kurzzeitig, d.h. in Sekundenbruchteilen durchgeführt werden können. Dadurch soll erreicht werden, daß alle Werkstücke einer Charge gemäß den Härtevorschriften mit hoher Geschwindigkeit dosiert abgekühlt oder abgeschreckt und ggf. gehärtet werden können.
Dabei soll insbesondere der jeweilige Wärmeübergang von den Werkstücken oder der Charge von Werkstücken an das Kühlgas beeinflußt werden, um schädliche Wärmespannungen und/oder ungleichmäßige Produkteigenschaften zu vermeiden, und ferner soll auch der jeweilige Wärmeübergang vom Kühlgas an den Wärmetauscher beeinflußt werden, weil die Vorgänge an den Werkstückoberflächen und an den Oberflächen des Wärmetauschers sich wiederum gegenseitig beeinflussen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und bei der eingangs angegebenen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 10.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, und insbesondere werden die Abkühlwirkung bzw. der Abschreckeffekt und der zeitliche Temperaturverlauf auch bei großen Chargen kontinuierlich und direkt bestimmt, so daß eventuelle Regeleingriffe extrem kurzzeitig, d.h. in Sekundenbruchteilen durchgeführt werden können. Dadurch wird erreicht, daß alle Werkstücke einer Charge gemäß den Härtevorschriften mit hoher Geschwindigkeit dosiert abgekühlt oder abgeschreckt und ggf. gehärtet werden.
Dabei werden insbesondere der jeweilige Wärmeübergang von den Werkstücken oder der Charge von Werkstücken an das Kühlgas steuer- oder regelbar, und schädliche Verzüge durch Wärmespannungen und/oder ungleichmäßige Produkteigenschaften vermieden, und ferner wird auch der jeweilige Wärmeübergang vom Kühlgas an den Wärmetauscher steuer- oder regelbar, weil die Vorgänge an den Werkstückoberflächen und an den Oberflächen des Wärmetauschers sich wiederum gegenseitig beeinflussen. Es handelt sich gewissermaßen um einen synergistischen Effekt. Der Einsatz der Erfindung wird umso wichtiger, je schwieriger die Werkstücke härtbar sind, also beispielsweise für niedrig legierte und schwer härtbare Werkstücke und Werkstücke mit größerer Masse und komplizierten Raumformen, unterschiedlichen Wandstärken etc.
Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination -:
  • die zeitlichen Abkühlverläufe mit Sollwertvorgaben verglichen werden und wenn die Differenzen zwischen den Istwerten und den Sollwertvorgaben zur Regelung mindestens einer Größe aus der Gruppe Gasdruck, Gasgeschwindigkeit und Kühlleistung eines Wärmetauschers verwendet werden,
  • der Meßkörper vor dem Einbringen der Werkstücke in die mit dem Meßkörper ausgestattete Abschreckkammer auf die vorgegebene Ausgangstemperatur aufgeheizt wird und wenn nach dem Einbringen der Werkstücke in die Abschreckkammer die Beheizung des Meßkörpers abgebrochen wird,
  • die Temperatur der Gasatmosphäre mittels eines zusätzlichen und vom Meßkörper unabhängigen Thermofühlers gemessen und hieraus unter Berücksichtigung der Meßwerte der Thermofühler des Meßkörpers der Wärmeübergangskoeffizient bestimmt wird,
  • die Aufheizung des Meßkörpers durch eine den Meßkörper umgebende Induktionsspule und/oder eine im Meßkörper angeordnete Heizeinrichtung (z.B. eine Heizpatrone) als Heizeinrichtung durchgeführt wird, und/oder dadurch, daß der Meßkörper durch direkten Stromdurchgang aufgeheizt wird,
  • der Temperaturverlauf durch einen im Oberflächenbereich des Meßkörpers angeordneten Thermofühler bestimmt wird, und/oder, wenn
  • der Temperaturverlauf durch einen im Zentrum des Meßkörpers angeordneten Thermofühler bestimmt wird,
Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders vorteilhaft, wenn - entweder einzeln oder in Kombination - :
  • die dem Meßkörper zugeordnete Heizeinrichtung eine den Meßkörper umgebende Induktionsspule, eine im Meßkörper angeordnete Heizeinrichtung oder der Meßkörper selbst ist, der zu diesem Zweck in der Stromkreis einer Niederspannungs-Stromquelle gelegt ist,
  • zur Erfassung der Temperatur der Gasatmosphäre ein zusätzlicher und vom Meßkörper unabhängiger Thermofühler vorgesehen ist,. durch den unter Berücksichtigung der Meßwerte der Thermofühler des Meßkörpers der Wärmeübergangskoeffizient bestimmbar ist,
  • die Thermofühler des Meßkörpers einer Zentraleinheit mit Speicherplätzen aufgeschaltet sind, in der die zeitlichen Verläufe der Meßwerte der Thermofühler mit vorgegebenen und gespeicherten Sollwertkurven vergleichbar sind,
  • die Stromquelle der Heizeinrichtung über eine Zentraleinheit nach Erreichen der in der Zentraleinheit vorgebbaren Ausgangstemperatur des Meßkörpers abschaltbar ist,
  • die Zentraleinheit über eine Steuerleitung einem Mittelfrequenzgenerator für die Versorgung der Induktionsspule aufgeschaltet ist und wenn die Induktionsspule nach Erreichen der in der Zentraleinheit vorgebbaren Ausgangstemperatur des Meßkörpers durch die Zentraleinheit abschaltbar ist,
  • der Meßkörper hinsichtlich mindestens einer der Größen Werkstoff, Masse, Geometrie und Emissionsverhalten den entsprechenden Größen der Werkstücke entsprechend beschaffen ist,
  • der Meßkörper als Zylinder ausgeführt ist, und/oder, wenn
  • der Meßkörper (5) aus einer austenitischen Legierung mit niedrigem Emissionskoeffizienten ausgebildet ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach Anspruch 10 für die Hochdruck--Gasabschreckung von Werkstücken in einer Abschreckkammer mit einem Wärmetauscher bei Gasdrücken zwischen 0,5 und 5,0 MPa, vorzugsweise zwischen 1,0 und 4,0 MPa.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1
einen Schnitt durch eine Sensoreinheit mit einem Meßkörper in Verbindung mit einem Blockschaltbild für die Signalerzeugung und -verarbeitung,
Figur 2
ein Z-T-U-Diagramm des Stahles 100Cr6 mit eingezeichneten Abkühlkurven des Meßkörpers mit verschiedenen Abschreckgeschwindigkeiten und
Figur 3
eine Ausschnittvergrößerung aus Figur 2 mit einer eingezeichneten Regelkurve.
In Figur 1 ist eine Kammer 1 mit einem Flansch 2 und einer Isolierdurchführung 3 für die Halterung einer Sensoreinheit 4 dargestellt, die aus einem Meßkörper 5 mit Bohrungen und Thermofühlern 6 und 7 besteht. Der Meßkörper 5 besteht vorzugsweise aus einer austenitischen Legierung mit einem niedrigen Emissionskoeffizienten, um Wärmeverluste während des Aufheizens einzuschränken, und sollte hinsichtlich seiner Geometrie, Masse und Wärmeleitfähigkeit möglichst weitgehend den Werkstücken entsprechen, um deren thermische Analyse es geht. Allerdings ist dies nicht Voraussetzung, da sich Umrechnungsfaktoren aufgrund von Erfahrungswerten ermitteln lassen. Im einfachsten Fall genügt ein zylindrischer Meßkörper 5 mit einem Durchmasser zwischen 5 und 50 mm, vorzugsweise zwichen 15 und 30 mm.
Der Meßkörper 5 ist lagefest von einem Träger 8 gehalten und konzentrisch von einer Heizeinrichtung 9 umgeben, die als wassergekühlte Induktionsspule ausgebildet ist, deren Kühlmittelführung durch die Pfeile 10 und 11 angedeutet ist. Die Induktionsspule wird durch einen Mittelfrequenzgenerator 12 mit Heizenergie versorgt, so daß es möglich ist, die Aufheizung sehr schnell und durchgreifend durchzuführen und den Aufheizvorgang über eine Steuerleitung 13 einzuleiten und praktisch trägheitslos abzubrechen. Die Induktionsspule konzentriert ihre Heizleistung ausschließlich auf den Meßkörper 5 und heizt die Umgebung, z.B. Kammerwände, nicht auf.
In der Nähe der Sensoreinheit ist ein weiterer Thermofühler 14 angeordnet, mit dem die Gastemperatur gemessen werden kann. Die Meßwerte der Thermofühler 6, 7 und 14 werden über nicht näher bezeichnete Meßleitungen einer Zentraleinheit 15 zugeführt, die neben einer Vielzahl von nicht gezeigten Speicherplätzen eine Eingabetastatur 16 für Sollwerte und Steuerbefehle und ein Display 17 für die Anzeige der Meßwerte oder einer Folge von Meßwerten und ggf. Sollwerten besitzt. über eine Datenleitung 18 kann ein Drucker 19 angeschlossen sein. Ein Diskettenlaufwerk 20, über das gleichfalls Sollwerte und Steuerbefehle eingegeben und Meßwerte abgespeichert werden können, vervollständigt die Zentraleinheit 15. Die Gasströmung ist durch Pfeile 21 angedeutet.
Die Funktion ist folgende: Die Sensoreinheit 4 gestattet die direkte Messung der Abkühlgeschwindigkeit. Kurz vor dem Umsetzen einer Charge von Werkstücken aus einer Heizkammer oder einem Heizofen in die eigentlichen Abschreckkammer 1 wird der Meßkörper 5 auf eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise auf die Austenitisierungstemperatur der Werkstücke, aufgeheizt und anschließend die Heizleistung abgestellt. Nach dem Umsetzen der Charge in die Abschreckkammer wird in dieser möglichst kurzzeitig ein vorgebbarer Druck aus einem Abschreckgas aufgebaut und dieses mit entsprechender Geschwindigkeit in der Kammer 1 umgewälzt. Das Abschreckgas kühlt dabei sowohl die - hier nicht gezeigte - Charge als auch den Meßkörper 5.
Die im Meßkörper 5 befindlichen Thermofühler 6 (Randzone) und 7 (Mitte) verfolgen die lokalen Temperaturen des Meßkörpers und ermöglichen die Bestimmung der Abschreckkurven, wie sie in Figur 2 dargestellt sind. Zur Dokumentation dieser Kurven werden diese chargenabhängig in der Zentraleinheit 15 abgespeichert und/oder über den Drucker 19 ausgedruckt. Um die Datenmenge zu verringern, kann auch ein charakteristischer Abkühlparameter, wie z.B. ein Lambda-Wert für die Abkühldauer zwischen 800 und 500 °C abgespeichert werden. Auf diese Weise läßt sich eine kontinuierliche Prozeßkontrolle durchführen, durch die beispielhaft auch frühzeitig eine Verschlechterung der Abschreckeigenschaften erkennbar ist, wie sie z. B. durch Belagbildung im Wärmetauscher auftreten kann.
Wird zusätzlich zu den Temperaturwerten auch noch die Gastemperatur durch den Thermofühler 14 gemessen, so läßt sich durch den Einsatz eines geeigneten Auswerteprogramms der Wärmeübergangskoeffizient "on-line" ermitteln. Dies hat z.B bei Werkstücken mit komplexer Geometrie den Vorteil, daß mit Hilfe dieses Wärmeübergangskoeffizienten und eines geeigneten Finit-Element-Programms abweichend von der Geometrie des Meßkörpers 5 der Abschreckverlauf derartiger komplexer Bauteile simuliert werden kann.
Ferner können die mit der Sensoreinheit 4 gemessenen Ist-Abschreckkurven mittels in der Zentraleinheit 15 abgelegter Soll-Abschreckkurven ein Vergleich durchgeführt werden. Bei Abweichungen zwischen Ist- und Sollwertkurven können die Abschreckgeschwindigkeiten entsprechend angepaßt und geregelt werden, beispielhaft durch Regelung des Gasdrucks und der Gasgeschwindigkeiten, so daß hierdurch eine Minimierung eines etwaigen Verzugs der Werkstücke erreicht werden kann.
Anhand der Figuren 2 und 3 werden nun die Hintergründe der Messungen und Regelungen erläutert:
Eine Darstellung gemäß Figur 2 mit logarithmischem Maßstab der Abszisse ist in der Metallurgie seit langem üblich. Vom Anfangspunkt (0,1 sec) aus sind es bis zum ersten Abszissenstrich 10 Sekunden bis zum 2. Abszissenstrich 100 Sekunden, also fast 2 Minuten, und bis zum dritten Abszissenstrich 1000 Sekunden, also fast 17 Minuten etc.
Die Figur 2 zeigt ein sogenanntes Z-T-U-Diagramm (Zeit-Temperatur-Umwandlung), bei auf der Abszisse in logarithmischem Maßstab die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate in linarem Maßstab die Temperatur aufgetragen sind. Eingetragen sind für den schwer härtbaren Stahl 100Cr6 der Perlitbereich 24, der Zwischengefügebereich 25 (Bainitbereich) und die obere Grenzlinie des Martensitbereichs 26. Diese Bereiche repräsentieren das Werkstoffgefüge und die Werkstoffeigenschaften für den Stahl 100Cr6 (1.2067).
Eingetragen sind nun die Abschreckkurven 27 bis 32 für einen Stab mit 25 mm Durchmesser und folgenden Abschreckparametern: Austenitisierungstemperatur 830 °C und Helium als Abschreckgas. Durch Veränderung der Abschreckgeschwindigkeit, beispielsweise durch Änderung von Druck, Temperatur und/oder Geschwindigkeit des Abschreckgases lassen sich nun die verschiedenen dargestellten Endhärten an der Oberfläche erreichen:
Kurve Vickers-Härte HV
27 904
28 675
29 410
30 315
31 268
32 216.
Die fett gezeichnet Kurve steht für folgende Abschreckbedingungen:
Druck: 2,0 MPa, Temperatur: 50 °C bei einer mittleren Gasgeschwindigkeit von 20 m/sec.
Bei einem Temperaturverlauf gemäß der Kurve 27 vor den "Nasen" des Perlitbereichs 24 und des Bainitbereichs 25 wird ein martensitisches Gefüge erreicht. Bei einem Temperaturverlauf gemäß der Kurve 28 durch die "Nase" des Bainitbereichs 25 wird ein Gefüge folgender Zusammensetzung erreicht: 40 % Bainit, 60 % Martensit. Bei einem Temperaturverlauf gemäß der hervorgehobenen Kurve 29 durch den Perlitbereich 24 und den Bainitbereich 25 wird ein Gefüge folgender Zusammensetzung erreicht: 40 % Perlit, 15 % Bainit und 45 % Martensit.
Durch zunehmende Verschiebung der Kurven nach rechts wird die Endhärte immer geringer, bis zum Schluß nur noch die normale Härte des Werkstoffs vorliegt.
Figur 3 zeigt nun einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 2 mit folgenden Ergänzungen in stark vereinfachter und übertriebener Form: Im Punkt P1 der Ist-Abschreckkurve 29a (gestrichelt) stellt nun die erfindungsgemäße Sensoreinheit durch einen Vergleich mit einer gespeicherten Sollwertkurve gemäß der Kurve 29 fest, daß die Abschreckgeschwindigkeit zu gering ist. Durch einen Regeleingriff in eine der obigen Größen, z.B. durch Erhöhung von Gasgeschwindigkeit und -druck und/oder durch Absenkung der Gastemperatur wird nun die Abschreckgeschwindigkeit erhöht, und die Kurve 29a unterschneidet die Kurve 29.
Im Punkt P2 wiederholt sich der Regeleingriff mit umgekehrten Vorzeichen: Die Abschreckgeschwindigkeit wird wieder verringert, und die Kurve 29a überschneidet die Kurve 29. Durch einen erneuten Regeleingriff in eine der obigen Größen, z.B. durch Erhöhung von Gasgeschwindigkeit und -druck und/oder durch Absenkung der Gastemperatur wird nun die Abschreckgeschwindigkeit im Punkt P3 wieder erhöht, und die Kurve 29a unterschneidet wiederum die Kurve 29 wie dargestellt. In Wirklichkeit oszilliert die Kurve 29a sehr viel schneller und mit geringeren Abständen um die Kurve 29.
Die Darstellung unterstreicht jedenfalls den vorteilhaften Einfluß auf die schwer beherrschbaren Abschreckparameter und die vorteilhafte Wirkung des Erfindungsgegenstandes auf die Prozeßführung. Analoge Darstellungen gelten für alle denkbaren Werkstückformen und -größen und für alle infrage kommenden Legierungen, deren Z-T-U-Diagramme gleichfalls bekannt sind.
Eine solche Sensoreinrichtung muß mit jeder Form- und Raumaufteilung einer Charge zufriedenstellend arbeiten, da dies dem Anwender überlassen bleiben muß. Bei Nicht-Berücksichtigung dieser Forderung würde der Anwender Ausschuß produzieren.
Oberhalb von 4 MPa ließe sich zwar eine noch stärkere Abschreckungswirkung erreichen, jedoch treten dann wieder andere Probleme auf: Je schneller die Abschreckung beim Härten verläuft, umso steiler wird der Temperaturgradient vom Kern zur Oberfläche eines jeden Werkstücks, was zu starken inneren Spannungen führt und Spannungsrisse und Verzüge fördert. Hier gilt der Grundsatz für einen Kompromiß: Abschrekkung so schnell wie nötig, aber so langsam wie möglich, um die gewünschte Härte bzw. Gefügeausbildung zu erreichen.
Die meßtechnische Erfassung und die Regelung derartiger Vorgänge läßt sich durch den Erfindungsgegenstand einwandfrei bewerkstelligen.
Der Effekt vervielfacht sich durch den gleichen Vorteil an der zweiten Wärmetauschfläche, nämlich an dem eingebauten Kühler und durch die hohe Umlaufgeschwindigkeit des Kühlgases ("shuttle-effect").
Bezugszeichenliste:
1
Kammer
2
Flansch
3
Isolierdurchführung
4
Sensoreinheit
5
Meßkörper
6
Thermofühler
7
Thermofühler
8
Träger
9
Heizeinrichtung
10
Pfeil
11
Pfeil
12
Mittelfrequenzgenerator
13
Steuerleitung
14
Thermofühler
15
Zentraleinheit
16
Eingabetastatur
17
Display
18
Datenleitung
19
Drucker
20
Diskettenlaufwerk
21
Pfeile
22
Abschreckkurve
23
Abschreckkurve
24
Bereich
25
Bereich
26
Bereich
27
Kurve
28
Kurve
29
Kurve
30
Kurve
31
Kurve
32
Kurve

Claims (22)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Abkühlwirkung einer strömenden Gasatmosphäre auf in einer Heizkammer aufgeheizte Werkstücke, insbesondere beim Härten von Werkstücken aus Stahl, durch einen auf Werkstücktemperatur erhitzten, mit mindestens einem Temperaturfühler (6, 7) versehenen Meßkörper (5), der in einer Abschreckkammer der über die Werkstücke geführten Gasströmung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) außerhalb der Werkstücke lagefest angeordnet und mittels einer ihm unmittelbar zugeordneten Heizeinrichtung (9) auf eine vorgegebene Ausgangstemperatur aufgeheizt und anschließend zusammen mit den Werkstücken der strömenden Gasatmosphäre ausgesetzt wird und daß die hierbei am Meßkörper (5) gemessenen zeitlichen Abkühlverläufe gemessen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Abkühlverläufe mit Sollwertvorgaben verglichen werden und daß die Differenzen zwischen den Istwerten und den Sollwertvorgaben zur Regelung mindestens einer Größe aus der Gruppe Gasdruck, Gasgeschwindigkeit und Kühlleistung eines Wärmetauschers verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) vor dem Einbringen der Werkstücke in die mit dem Meßkörper (5) ausgestattete Abschreckkammer auf die vorgegebene Ausgangstemperatur aufgeheizt wird und daß nach dem Einbringen der Werkstücke in die Abschreckkammer die Beheizung des Meßkörpers (5) abgebrochen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Gasatmosphäre mittels eines zusätzlichen und vom Meßkörper (5) unabhängigen Thermofühlers (14) gemessen und hieraus unter Berücksichtigung der Meßwerte der Thermofühler (6, 7) des Meßkörpers (5) der Wärmeübergangskoeffizient bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Meßkörpers (5) durch eine den Meßkörper (5) umgebende Induktionsspule als Heizeinrichtung (9) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Meßkörpers (5) durch eine im Meßkörper (5) angeordnete Heizeinrichtung durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) durch Stromdurchgang aufgeheizt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturverlauf durch einen im Oberflächenbereich des Meßkörpers (5) angeordneten Thermofühler (6) bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturverlauf durch einen im Zentrum des Meßkörpers (5) angeordneten Thermofühler (7) bestimmt wird.
  10. Vorrichtung zum Bestimmen der Abkühlwirkung einer strömenden Gasatmospäre auf Werkstücke, die in einer Heizkammer aufgeheizt worden sind, insbesondere zum Härten von Werkstücken aus Stahl, durch einen auf Werkstücktemperatur aufheizbaren, mit mindestens einem Temperaturfühler (6, 7) versehenen Meßkörper (5), der in einer Abschreckkammer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem außerhalb der Werkstücke lagefest angeordneten Meßkörper (5) unmittelbar eine eigene an eine Stromquelle anschließbaren Heizeinrichtung (9) zugeordnet ist, mittels welcher der Meßkörper (5) auf eine vorgebbare Ausgangstemperatur aufheizbar ist, und daß der Meßkörper (5) im Strömungsweg der über die Werkstücke führbaren Gasströmung angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßkörper (5) zugeordnete Heizeinrichtung (9) eine den Meßkörper (5) umgebende Induktionsspule ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßkörper (5) zugeordnete Heizeinrichtung (9) eine im Meßkörper (5) angeordnete Heizeinrichtung ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörpers (5) in den Stromkreis einer Niederspannungs-Stromquelle geschaltet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Temperatur der Gasatmosphäre ein zusätzlicher und vom Meßkörper (5) unabhängiger Thermofühler (14) vorgesehen ist, durch den unter Berücksichtigung der Meßwerte der Thermofühler (6, 7) des Meßkörpers (5) der Wärmeübergangskoeffizient bestimmbar ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermofühler (6, 7) des Meßkörpers (5) einer Zentraleinheit (15) mit Speicherplätzen aufgeschaltet sind, in der die zeitlichen Verläufe der Meßwerte der Thermofühler (6, 7) mit vorgegebenen und gespeicherten Sollwertkurven vergleichbar sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle der Heizeinrichtung (9) über eine Zentraleinheit (15) nach Erreichen der in der Zentraleinheit (15) vorgebbaren Ausgangstemperatur des Meßkörpers (5) abschaltbar ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Zentraleinheit (15) über eine Steuerleitung (13) einem Mittelfrequenzgenerator (12) für die Versorgung der Induktionsspule (9) aufgeschaltet ist und daß die Induktionsspule (9) nach Erreichen der in der Zentraleinheit (15) vorgebbaren Ausgangstemperatur des Meßkörpers (5) durch die Zentraleinheit (15) abschaltbar ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) hinsichtlich mindestens einer der Größen Werkstoff, Masse, Geometrie und Emissionsverhalten den entsprechenden Größen der Werkstücke entsprechend beschaffen ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) als Zylinder ausgeführt ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (5) aus einer austenitischen Legierung mit niedrigem Emissionskoeffizienten ausgebildet ist.
  21. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Hochdruck--Gasabschreckung von Werkstücken in einer Abschreckkammer mit einem Wärmetauscher bei Gasdrücken zwischen 0,5 und 5,0 MPa, vorzugsweise zwischen 1,0 und 4,0 MPa.
  22. Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch 10 für die Hochdruck--Gasabschreckung von Werkstücken in einer Abschreckkammer mit einem Wärmetauscher bei Gasdrücken zwischen 0,5 und 5,0 MPa, vorzugsweise zwischen 1,0 und 4,0 MPa.
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