WO2014121778A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen behandlung, insbesondere zum thermischen härten, eines metallischen bauteils - Google Patents

Abstract

Verfahren zur themischen Behandlung eines vorab geformten metallischen Bauteils, welches ein erstes und zweites Ende und Bogenbereiche aufweist, in denen der Materialquerschnitt verringert ist, mittels konduktiver Erwärmung über an das erste und zweite Ende angelegte Elektroden oder mittels induktiver Erwärmung, wobei das Bauteil während der Erwärmung im Bereich der Bögen mit Luft- oder Wasserbrausen aktiv gekühlt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Behandlung, insbesondere zum thermischen Härten, eines metallischen Bauteils

Beschreibung

€et?tet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines

metallischen Bauteils.

Staficl der Technik

Es ist bekannt, mechanische Bauteilte in verschiedenartigsten geometrischen Konfigurationen einer thermischen Behandlung zur Verbesserung ihrer

mechanischen Eigenschaften zu unterziehen, Beispielsweise müssen

Fahrwerksstabiiisatoren zum Einstellen der geforderten mechanischen

Eigenschaften thermisch gehärtet werden, Häufig erfolgt dieser Prozess erst nach der Formung des Bauteils, Zum Erwärmen der Bauteile wird üblicherweise ein Strom im Bauteil aufgeprägt, der dann zu einer entsprechenden Erwärmung des Bauteils führt. Hierzu werden die Bauteile an den Enden mit Elektroden kontaktiert. Als Stromquellen dienen DC oder auch ÄC Versorgungen,

Aufgrund der durch das Vorformen reduzierten Querschnittflächen kommt es aber im Bereich der Bögen in der Regel zu Überhitzungen, die den einstellbaren Härteverlauf limitleren und die möglichen Heizzeiten einschränken, Die Bauteile werden in großen Stückzahlen erzeugt und die Taktzeit für den Prozess ist fest vorgegeben. Man versucht, durch Ausgleichszeiten die

Temperaturüberhöhung zu minimieren. Dies verlängert jedoch die Taktzeiten und verringert somit die Produktivität des thermischen Behandlungsverfahrens_*

Der Erfindung Hegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich seiner

Produktivität und der Qualität der Verfahrensprodukte verbessertes Verfahren der genannten Art bereitzustellen. Des Weiteren soll eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung bereitgestellt werden.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmaien des Anspruchs 1 und in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine

Vorrichtung mit den Merkmaien des Anspruchs 12.

Die Erfindung schließt den Gedanken ein, vom bisher verfolgten Konzept eines passiven Temperaturausgleichs zwischen den während des Erwärmungsprozesses heißer werdenden Bogenbereichen mit geringerem Materialquerschnitt und den unverformten Bereichen mit höherem Materialquerschnitt abzugehen und stattdessen eine aktive lokale Beeinflussung der Bauteütemperatur vorzunehmen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, dieses Konzept durch eine lokale Kühlung der Bogenbereiche während des thermischen Behandlungsprozesses oder (falls ein Vorwärmen vorgesehen ist) unmittelbar vor dessen Beginn auszuführen. Dies kann sowohl bei einer konduktiven bzw. Widerstands-Erwärmung des Bauteils über angeschlossene Elektroden als auch im Falle einer induktiven Erwärmung geschehen.

In einer praktisch bedeutsamen Ausführung ist das vorgeschlagene Verfahren ausgestaltet als Verfahren zum thermischen Härten eines Stahl-Bauteils, wobei das Bauteil weiter bevorzugt ein geformtes Rohr oder ein Stab, insbesondere zum Einsatz als Fahrwerksstabilisator, ist. Die Anwendungen des Verfahrens sind aber hierauf nicht begrenzt; vielmehr ist es beispielsweise auch auf komplexe räumliche Bauteile mit überhitzungsgefährdeten Bereichen mit verringertem Querschnitt anwendbar.

Bei Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Kühlung der Bogenbereiche Luftbrausen mit einstellbaren und regelbaren Düsen oder eine einstellbare Wasserbrause mit einstellbaren Düsen verwendet werden und die Kühlleistung durch Veränderung der Luft- oder Wassermenge geregelt wird.

Hierbei ist der Begriff "geregelt" nicht notwendigerweise im engeren Sinne eine Rückkopplung, sondern allgemeiner im Sinne einer zeitlichen Änderung des einwirkenden Kühlmittelstromes zu verstehen. Es kann aber auch eine Regelung Im engeren Sinne vorgesehen sein, wobei zur Regelung der Kühlleistung beispielsweise ein oder mehrere optische Pyrometer eingesetzt werden.

Den oben genannten und weiteren, weiter unten als "Aspekte der Erfindung" aufgellsteten Verfahrensaspekten entsprechen Vorrichtungsaspekte zweckmäßiger Ausführungen der vorgeschlagenen Vorrichtung.

Unter anderem kann vorgesehen sein, dass neben der eigentlichen

Sehandlungsstation, die einen Generator und mit dem Generator verbundene und an das erste und zweite Ende des Bauteils anlegbare Elektroden zur Aufprägung eines im Generator erzeugten Stroms auf das Bauteil oder einen Induktor zu dessen induktiver Erwärmung aufweist, weitere, separate Stationen zur

Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens vorhanden sind, Speziell können eine Vorwärmstation zum Vorwärmen des Bauteils und/oder eine separate

Kühlstation zur Abkühlung der Bogenbereiche vorgesehen sein, im Faile einer separat vorgesehenen Kühlstation weist die Behandlungsstation keine

zusätzlichen Kühlvorrichtungen auf. Alternativ können die Kühlvorrichtungen (Luft- oder Wasserdüsen o.a.) aber auch innerhalb der Behandlungsstation angeordnet sein.

Die Erfindung hat, mindestens in zweckmäßigen Ausführungen, im Übrigen folgende Aspekte: L Es handelt sich um ein Verfahren zum Verbessern der Temperaturverteiiung von induktiv- bzw. konduktiv beheizten Bauteilen, insbesondere aber nicht ausschließlich von geformten Rohren und Stäben gemäß Figur 1 zur Verwendung als Fahrwerksstabiiisatoren, wobei im Bereich der Bögen, aktiv mit Luft- oder Wasserbrausen, während des Heizprozesses, gekühlt wird,

2. Die Kühlung setzt bei einer mittleren Temperatur zwischen 200°C und 300°C ein, und die Bogenbereiche werden auf ca. Raumtemperatur abgekühlt werden und dann der Heizprozess ohne weitere Kühiung fortgesetzt.

3. Bei dem Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung setzt die Kühiung beim Erreichen der Härtetemperatur ein und erfolgt geregelt bis zur Solitemperatur,

4. Die Kühlung erfolgt während des gesamten Prozesses temperaturgeregelt

5. Zur Kühiung der lokalen Bereiche werden Luftbrausen mit einstellbaren und regelbaren Düsen eingesetzt,

6. Die Kühlleistung wird durch Veränderung der Luft- oder Wassermenge geregelt«

7. Zur Regelung der Kühlleistung werden ein oder mehrere optische Pyrometer eingesetzt.

8. Zur Kühlung werden eine einsteilbare Wasserbrause mit einstellbaren Düsen verwendet.

9< Das Bauteil wird vor dem konduktiven Erwärmen in einem vorgeschalteten Umluft bzw. infraroteren auf ce, 200°C ~300°C vorgewärmt,

10. Nach der Vorwärmung wird das Bauteii im Bogenberelch auf Raumtemperatur abgekühlt wird und anschließend konduktiv bzw. Induktiv ohne weitere aktive Kühlung erwärmt. I I, Die Vorwärmung erfolgt in einer separaten Station und das Bauteil wird erst danach in die eigentliche Erwärmstation gebracht, und der Hefzprozess

fortgesetzt.

Kurae Bescliraibiificg der Zeichnungen

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergehen sich im übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispieien anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen

Verfahrensabiaufes.

Beide Figuren zeigen als Beispiel eines erfindungsgemäß zu behandelnden

Bauteils mit verformten Bereichen, in denen der Materialquerschnitt verringert ist, schematisch einen aus einem Stahlrohr vorgeformten Fahrwerksstabilisator 1. Dieser wird mitteis konduktiver Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur, die für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird, thermisch gehärtet.

Die konduktive Erwärmung basiert auf dem elektrischen Widerstandsprinzip. Zu diesem Zweck werden die Enden des Fahrwerkstabilisators 1 mit

Eiektrodenkontakten 2 verbunden, über die ein im Generator 3 erzeugter Strom aufgeprägt wird. Der spezifische elektrische Widerstand nimmt mit der

Temperatur zu. Die Vorwärmung führt somit zu einer Erhöhung des Widerstandes und somit zu einer schnelleren Erwärmung des Bauteils.

Bogenbereiche haben in der Regel jedoch einen geringeren Querschnitt und somit einem höheren elektrischen Widerstand. Dies führt bei herkömmlicher konduktiver Erwärmung zu einem Überhitzen der Bogenbereiche, welches widerum

unerwünschte oder jedenfalls nicht exakt definierte mechanische Eigenschaften jener Bereiche zur Folge hat,

Kühlt man nun diesen Bereich gezielt, so reduziert sich der elektrische

Widerstand. Erfolgt dies Im korrekten Maße, so dass der absolute Widerstand den geraden Bereichen entspricht, so erfolgt die Erwärmung bis zur Härtetemperatur gleichmäßig und man erreicht eine optimale Härteverteilung beim anschließenden Abkühlen. Die anlagentechnische Ausführung kann auf unterschiedliehe Weise erfolgen. So kann die Kühlung mit Luft oder Wasser erfolgen und hier auch durch handelsübliche Komponenten realisiert werden.

Gemäß Fig. 1 werden Düsensysteme mit einstellbaren Düsen 4 eingesetzt. Die Dosierung des Kühlmediums erfolgt über eine Stelleinheit S für das Kühlmedium und kann mit präziser Temperaturführung erfolgen. Im Beispiel wird die

Temperatur des Bauteils mit einem Pyrometer ? erfasst und über ein Regelsystem 6 gesteuert.

Flg. 2 zeigt, in Anlehnung an die Darstellung der Fig. 1 und unter Rückgriff auf die dort bereits verwendeten Sezugsziffern, einen beispielhaften Verfahrensablauf in einer modifizierten Anlage. Hierin werden durch eine vorgeschaltete

Erwärmung die Bauteile 1 partiell oder gesamt auf eine Temperatur von ca.

2QÖ°C bis 300°C gebracht. Dies erfolgt in einem handelsüblichen, konventionellen Umluft oder Infrarotofen 8,

Besonders einfach ist die Prozesssteuerung, wenn die Abkühlung (wie oben beschrieben) im Bogenbereich auf Raumtemperatur erfolgt, da dann kein temperaturgeregelter Prozess erforderlich ist, Dies kann gemäß Fig. 2 in einer separaten Kühlstation 9 erfolgen. In diesem Falle wird eine separate Härtestation 10 eingesetzt, die dann nicht notwendigerweise zusätzliche Kühlvorrichtungen besitzt. Alternativ kann jedoch die Kühlung zu jedem Zeitpunkt des Prozesses durchgeführt werden. Mit Pyrometern 7 kann die Temperaturabweichung zwischen Bogen und geradem Bereich des Bauteils 1 ermittelt und die

Prozessparameter entsprechend eingestellt werden.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur thermischen Behandlung eines vorab geformten metallischen Bauteils, welches ein erstes und zweites Ende und ßogenbereiche aufweist, in denen der Materialquerschnitt verringert ist, mittels konduktiver Erwärmung über an das erste und zweite Ende angelegte Eleketroden oder mittels induktiver Erwärmung_; wobei das Bauteil während der Erwärmung im Bereich der Bögen mit Luft- oder Wasserbrausen aktiv gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, ausgestaltet als Verfahren zum thermischen Härten eines Stahl-Bauteils,

3, Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauteil ein geformtes Rohr oder ein Stab, insbesondere zum Einsatz als Fahrwerksstabilisator, ist.

4, Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kühlung bei einer mittleren Temperatur zwischen 200°C und 300°C einsetzt und die ßogenbereiche auf Raumtemperatur abgekühlt werden und dann die Erwärmung ohne weitere Kühlung fortgesetzt wird,

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kühlung beim

Erreichen der Härtetemperatur des Materials einsetzt und geregelt bis zu einer vorbestimmten Solltemperatur erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung während der gesamten konduktiven oder induktiven Erwärmung temperaturgeregelt erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche., wobei zur Kühlung der Bogenbereiche Luftbrausen mit einstellbaren und regelbaren Düsen oder eine einstellbare VVasserbrause mit einstellbaren Düsen verwendet werden und die Kühlleistung durch Veränderung der Luft- oder Wassermenge geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Regelung der Kühlleistung ein oder mehrere optische Pyrometer eingesetzt werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, daurch gekennzeichnet, dass

das Bauteil vor der konduktiven oder induktiven Erwärmung in einem

vorgeschalteten Umluft bzw. Infrarotofen auf ca. 20Ö°C -300°C vorgewärmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei nach dem Vorwärmen das Bauteil In den Bogenbereichen auf Raumtemperatur abgekühlt wird und anschließend konduktiv bzw. Induktiv ohne weitere aktive Kühlung erwärmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Vorwärmen in einer separaten Station einer Behandlungsanlage erfolgt und das Bauteil nach dem Vorwärmen in eine Sehandlungsstation überführt wird, in der die thermische Behandlung unter konduktivem oder induktivem Erwärmen erfolgt.

.1.2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit

einer Behandlungsstation, die einen Generator und mit dem Generator

verbundene und an das erste und zweite Ende des Bauteils anlegbare Elektroden zur Aufprägung eines im Generator erzeugten Stroms auf das Bauteil oder einem Induktor zu dessen Induktiver Erwärmung aufweist, und

Kühlvorrichtungen, insbesondere einem Düsensystem mit einstellbaren Düsen 2ur Ausbringung von Luft oder Wasser als Kühlmedium auf die Bogenbereiche des Bauteils.

13, Vorrichtung nach Anspruch 12, mit einer Stelleinheit zur Dosierung des Kühlmediums,

14, Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Stelleinheit mindestens ein

Pyrometer zur Erfassung der Temperatur des Bauteils und ein Regelsystem zur Temperaturführung aufweist,

15, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine Vorwärmstation zum Vorwärmen des Bauteils und/oder eine separate Kühlstation zur Abkühlung der Bogenbereiche vorgesehen ist.

16, Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei in einer Vorrichtung mit separater Kühistation die Behandlungsstation, insbesondere Härtestation, keine zusätzlichen Kühlvorrichtungen aufweist.