DE102007023089A1 - Verfahren zum Abschrecken eines erwärmten metallenen Objekts - Google Patents

Abstract

Im Stand der Technik erfolgt das Abschrecken von beispielsweise während einer induktiven Härtung auf 950°C erwärmten Objekten durch Zufuhr von Wasser mit Hilfe einer Brause. Zur Unterstützung des Abschreckvorgangs wird als Abschreckmedium eine Polymerlösung verwendet, die eine geringe Umweltverträglichkeit aufweist. Erfindungsgemäß wird die Flüßssigkeit nicht mehr in größeren Tropfen auf das Objekt (10) aufgebracht, sondern zerstäubt, insbesondere mit Hilfe einer 2-Stoff-Düse (12). Das Zerstäuben bewirkt, dass das Abschrecken gleichmäßiger über das Objekt erfolgt und dadurch reproduzierbarer wird. Die Polymerlösung ist nicht mehr notwendig. Bei der 2-Stoff-Düse (12) ist die Menge an zugeführtem Gas, mit Hilfe dessen die Flüssigkeit zerstäubt wird, und/oder die Menge an zugeführter Flüssigkeit einstellbar, was bewirkt, dass sich auch die auf das Objekt (10) auftreffende Flüssigkeitsmenge ändert. Wird nun während des Vorgangs des Abschreckens die zugeführte Gasmenge/Flüssigkeitsmenge zielgenau eingestellt, kann eine vorbestimmte Abkühlkurve durchlaufen werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschrecken eines erwärmten metallenen Objekts, z. B. nach einer induktiven Härtung eines Werkstücks bzw. Bauteils. Bei einem induktiven Härten wird ein Werkstück über 600°C und insbesondere über 900°C, z. B. auf 950°C erwärmt. Zur schnellen Kühlung wird das Werkstück abgeschreckt, und zwar üblicherweise mit Hilfe einer Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit wird in der Regel mit Hilfe einer Brause auf das Werkstück gebracht, vergleiche DE 39 15 275 A1 . Es treffen relativ große Flüssigkeitstropfen auf dem Werkstück auf, und die Abkühlung erfolgt mit Hilfe des so genannten Leidenfrostschen Phänomens: Unter der Flüssigkeit bildet sich eine Dampfschicht, so dass die Flüssigkeitstropfen auf der Dampfschicht schweben und anschließend selbst abdampfen. Zur Unterstützung des Effekts wird als flüssiges Abschreckmedium eine Polymerlösung verwendet. Die Polymerlösung zeigt jedoch eine geringe Umweltverträglichkeit.
• Bei der Verwendung der Abschreckbrause ist es notwendig, eine relativ große Flüssigkeitsmenge auf das Werkstück aufzubringen. Zudem ist bei dem konventionellen Abschrecken induktiv gehärteter Bauteile der Abschreckvorgang nicht so durchführbar, dass die Ergebnisse reproduzierbar wären. Grund ist die ungleichmäßige Benetzung des Werkstücks.
• Werkstoffabhängig besteht auch die Gefahr der Ausbildung von Rissen in dem Werkstück.
• Aus der DE 600 14 302 T2 ist es bekannt, das Abschrecken mit Hilfe von Gas durchzuführen, das über Düsen auf das Werkstück geleitet wird.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Abschrecken eines erwärmten metallenen Objekts anzugeben.
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Abschrecken nach wie vor mit Hilfe einer Flüssigkeit erfolgt, welche erfindungsgemäß zerstäubt wird. Durch das Zerstäuben der Flüssigkeit vor dem Auftreffen auf das Objekt wird die Flüssigkeit sehr fein auf das Objekt verteilt. Das Abdampfverhalten der Flüssigkeit wird nicht mehr durch das Leidenfrostsche Phänomen dominiert, da der erzeugte Sprühnebel durch Verdampfung dem Objekt Wärme entzieht und dadurch abkühlt. Die Polymerlösung wird daher entbehrlich. Damit ist das Verfahren umweltfreundlicher als das herkömmliche Verfahren. Zudem kann die gesamte Menge an Flüssigkeit reduziert werden, was die Durchführung des Abschreckverfahrens erleichtert. Z. B. müssen Vorratsbehälter für die Flüssigkeit seltener neu aufgefüllt, gereinigt und gewartet werden. Durch das feine Zerstäuben der Flüssigkeit wird das Ergebnis des Abschreckvorgangs auch vorhersehbarer und reproduzierbarer.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn zum Zerstäuben der Flüssigkeit eine 2-Stoff-Düse (oder mehrere 2-Stoff-Düsen) verwendet wird bzw. werden. Der erste Stoff ist die Flüssigkeit, und der zweite ist ein Gas. Wird eine innenmischende Düsengeometrie verwendet, bei der die Flüssigkeit vor der Abgabe durch die Düse mit dem Gas vermischt wird, dann werden beide Stoffe im Düseninneren unter einen Druck von 7 bis 8 bar gesetzt. Das Gemisch wird durch die kleine Öffnung der Düse gepresst. Bereits an der Düse entstehen dadurch kleinste Tröpfchengrößen. Wird eine außenmischende Düsengeometrie verwendet (Unterdruck-Prinzip), so zieht ein Gas-Leitstrom aufgrund von Kapillarwirkungen Flüssigkeit nach und zerstäubt sie.
• Die 2-Stoff-Düse hat den Vorteil, dass die austretende Flüssigkeitsmenge stark variabel ist. Bei Verwendung des Unterdruck-Prinzips ist der Grund hierfür, dass der Ansaugdruck für die Flüssigkeit nicht durch Rohrleitungen wie im Stand der Technik bestimmt wird, sondern durch das Gas, dessen Menge variabel einstellbar ist. Insbesondere kann das Mischungsverhältnis Gas/Flüssigkeit frei eingestellt werden, indem man den Flüssigkeitsstrom bzw. Gasstrom über eine Messsensorik verändert. Dadurch, dass die Flüssigkeitsmenge, die auf das Objekt pro Zeiteinheit aufgebracht wird, einstellbar ist, kann die Kühlgeschwindigkeit definiert werden. Es können sogar gezielte ganz bestimmte Kühlprofile durchlaufen werden, so dass das Objekt vorbestimmte Eigenschaften erhält. Demgemäß ist es eine bevorzugte Ausführungsform, während des Vorgangs des Abschreckens die pro Zeit auf das Objekt gesprühte Flüssigkeitsmenge zu variieren, und zwar insbesondere durch Variationen der zugeführten Gasmengen bzw. Flüssigkeitsmengen (bzw. generell durch Variationen des Mischungsverhältnisses von Gas zu Flüssigkeit).
• Am einfachsten und umweltfreundlichsten ist es, wenn die Flüssigkeit Wasser ist. Dem Wasser können Antikorrosiva in Lösung zugesetzt werden, wodurch ein besonders guter Schutz des Werkstücks erreicht wird.
• Als Gas eignet sich normale Luft oder auch reiner Stickstoff.
• Um die Gleichmäßigkeit des Abkühlens beim Abschrecken zu unterstützen, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform das Objekt relativ zu der 2-Stoff-Düse (bzw. zu allen 2-Stoff-Düsen) gedreht.
• Die Reproduzierbarkeit des Abschreckvorgangs kann bei einem nicht-rotationssymmetrischen Objekt dadurch erhöht werden, dass die 2-Stoff-Düse (z. B. im Rahmen einer Vorschubbewegung) relativ zum Bauteil bewegt wird. Insbesondere kann sie so bewegt werden, dass der Abstand von der Düse zu der Oberfläche des Objekts konstant bleibt.
• Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in der die
• 1A bis 1C verschiedene Konfigurationen von 2-Stoff-Düsen relativ zu einem abzuschreckenden Objekt veranschaulichen und
• 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm mit unterschiedlichen Abkühlkurven darstellt, die bei der Erfindung durchlaufen werden können.
• Das Abschrecken eines induktiv gehärteten metallenen Objekts 10, das sich beispielsweise auf einer Temperatur von 950°C befindet, erfolgt mit Hilfe von zumindest einer 2-Stoff-Düse 12. 1A zeigt eine Anordnung zum Abschrecken, bei der eine einzige Düse 12 verwendet wird, 1B eine Anordnung zum Abschrecken mit fünf Düsen 12, und 1C eine Anordnung zum Abschrecken mit acht Düsen 12. Bei der Anordnung gemäß 1C sind die Düsen 12 relativ zu dem vorliegend als rotationssymmetrisch gezeigten Objekt 10 in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet, um das Objekt 10 möglichst gleichmäßig mit Abschreckflüssigkeit beaufschlagen zu können. Bei der Anordnung gemäß 1B haben fünf der Düsen dieselbe Position wie fünf der Düsen aus der Anordnung von 1C, es fehlen im Vergleich zur Anordnung aus 1C lediglich drei Düsen. Zur gleichmäßigeren Abschreckung des Objekts 10 kann das Objekt 10 bei allen drei Anordnungen drehbar sein.
• Die 2-Stoff-Düsen haben den Vorteil, dass ein Gas, z. B. Luft oder Stickstoff, Flüssigkeitstropfen, z. B. aus Wasser mit einem Oxidationshemmer, nachzieht und fein zerstäubt. Die Flüssigkeit, auch Sprühnebel oder Spray genannt, trifft gleichmäßig auf das Objekt 10 auf. Durch Regulierung des Gasstroms und/oder des Flüssigkeitsstroms durch die 2-Stoff-Düse 12 ist die Kühlgeschwindigkeit (und damit die Verdampfungskühlung) genau einstellbar.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Objekt 10 aus einem Stahlmaterial, welches eine Austenit-, eine Martensit- und eine Bainit-Struktur einnehmen kann. Das induktiv erwärmte Objekt hat bei der Härtungstemperatur von 950°C die Austenitstruktur. Je nach dem Tempo des Abkühlens kann man eine Martensitstruktur für das abgeschreckte Objekt 10 oder eine Bainitstruktur erhalten. Es können gezielt bestimmte Temperatur-Zeit-Kurven durchlaufen werden. Durch ein relativ schnelles Abschrecken mit nahezu konstanter Kühlrate entsprechend der Kurve 14 wird relativ schnell bewirkt, dass die Struktur des Objekts 10 von der Austenitstruktur in die Martensitstruktur übergeht. Alternativ zur Kurve 14 kann auch die Kurve 16 durchlaufen werden, bei der einem relativ schnellen Abkühlen ein langsameres Abkühlen folgt, und zwar insbesondere ein so genanntes Anlassen im Martensitbereich bei etwa 200°C. Ist die Martensitstruktur als Zielstruktur nicht erwünscht, kann die Kurve 16 so abgewandelt werden, dass das Werkstück vom Martensitbereich in den Bainitbereich übergeht. Der Bainitbereich kann auch direkt aus dem Austenitbereich angesteuert werden, siehe Kurve 18. Hierbei erfolgt ein noch relativ schnelles Abkühlen zu Beginn, und dann ein langsameres Abkühlen mit Hilfe von weniger Flüssigkeit und mehr Gas durch die 2-Stoff-Düse 12, und so wird schließlich der Bainitbereich erreicht.
• Die Erfindung ermöglicht das gezielte Durchlaufen von Abkühlkurven beim Abschrecken. Möglich wird dies durch die feine Zerstäubung der Flüssigkeit in einen Sprühnebel bzw. Spray. Das Durchlaufen der Kurven wird dadurch zielgenau möglich, dass eine 2-Stoff-Düse 12 verwendet wird, bei der die zugeführte Gasmenge und/oder Flüssigkeitsmenge während des Abschreckvorgangs zeitlich variiert wird.

Claims (7)

1. Verfahren zum Abschrecken eines erwärmten metallenen Objekts (10) mit Hilfe einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit zerstäubt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine 2-Stoff-Düse (12) verwendet wird, um mit Hilfe eines Gases die Flüssigkeit zu zerstäuben.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Vorgangs des Abschreckens die pro Zeit auf das Objekt gesprühte Flüssigkeitsmenge durch Variation der zugeführten Gasmenge und/oder der zugeführten Flüssigkeitsmenge variiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Wasser-Antikorrosiva-Lösung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft oder ein Schutzgas, insbesondere Stickstoff, ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt relativ zu der 2-Stoff-Düse (12) gedreht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die 2-Stoff-Düse relativ zum Objekt bewegt wird.