DE60128615T2

DE60128615T2 - Vorrichtung zum Abschrecken metallischer Materialien

Info

Publication number: DE60128615T2
Application number: DE60128615T
Authority: DE
Inventors: Susumu Minato-ku Ninomiya
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-04-28
Also published as: DE60128615D1; US6492631B2; EP1149923B1; EP1149923A1; US20010050281A1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials und insbesondere eine Abschreckvorrichtung, die in der Lage ist, die Festigkeit, Härte und Dimensionspräzision eines metallischen Materials wie einer mechanischen Komponente zu verbessern und hierdurch den Abrieb und die Korrosion der Oberfläche des metallischen Materials zu begrenzen.
2. Beschreibung des Stands der Technik
In einem Abschreckverfahren kann ein metallisches Material mittels eines elektrischen Ofens, eines Gasofens, eines Vakuumofens, eines Flammofens oder eines Induktionsofens erhitzt werden und anschließend mittels eines Kühlmittels wie etwa Gas, Wasser, Öl oder eines Polymers abgekühlt werden. Das Verhalten eines gehärteten metallischen Materials hängt von der Atmosphäre wie der Abkühlgeschwindigkeit, der Abkühltemperatur oder dem Abkühlmuster basierend auf Geschwindigkeit und Temperatur ab.
Um die Abkühlgeschwindigkeit zu erhöhen, wird das Kühlmittel, in das das metallische Material eingetaucht wird, vermischt, oder das Kühlmittel wird aus einer Jetdüse auf ein metallisches Material gesprüht. Davon unabhängig können geschmolzenes Salz, geschmolzenes Zinn oder geschmolzenes Blei, die nicht bei hoher Temperatur kochen, ein metallisches Material schnell abkühlen.
Es wird berichtet, dass die gleichmäßige und schnelle Abkühlung von metallischem Material zur Verbesserung von dessen Eigenschaften wichtig ist. Wenn die Temperatur jedoch die Siedepunkte der oben erwähnten Kühlmittel übersteigt, sieden diese Kühlmittel und erzeugen einen Dampffilm auf einem Abschnitt des metallischen Materials. Zusätzlich kann die Temperatur des Abschnitts nicht schnell absinken. Hierdurch weist das bearbeitete metallische Material Oberflächenbereiche auf, die große Temperaturdifferenzen aufweisen.
Insbesondere dann, wenn ein metallisches Material, das auf 800°C erhitzt wurde, durch Wasser, Öl oder ein Polymer gehärtet wird, wird ein Dampffilm auf der Oberfläche des metallischen Materials bei einer Temperatur von mehr als 550°C erzeugt. Dies senkt die Abkühlgeschwindigkeit des metallischen Materials ab, da die Abkühlgeschwindigkeit gemäß Experimenten dann sich entwickelt, wenn der Dampffilm bei niedriger Temperatur verschwindet.
Darüber hinaus verschwindet eine erzeugter Dampffilm schrittweise von Kantenbereichen eines metallischen Materials aus. Somit werden Dampffilme in einigen Abschnitten erzeugt und werden nicht in anderen Abschnitten erzeugt und die Temperaturunterschiede hiervon sind bekannter Weise bei etwa 200°C bis etwa 300°C.
Gemäß diesen Temperaturdifferenzen tritt eine thermische Schrumpfung des metallischen Materials auf und das metallische Material wird deformiert, erzeugt Risse, verbiegt sich oder wird verzerrt. Dieses Phänomen kann insbesondere bei der Verwendung von Wasser zum Abschrecken beobachtet werden.
Um dieses Problem beim Wasserabschrecken zu überwinden, werden üblicherweise Gas, Öl oder ein Polymer ausgewählt. Die Abkühlgeschwindigkeit kann jedoch bei der Verwendung von Gas nicht ausreichend erhöht werden und die hierdurch erhaltene Härte eines metallischen Materials ist vergleichsweise niedrig. Im Falle der Verwendung eines Öls oder eines Polymers werden eine Deformation, eine Rissbildung, Verbiegung und Verzerrung im Vergleich mit dem im Falle der Verwendung von Wasser vermieden. Diese Verbesserung ist jedoch nicht ausreichend und die Abkühlgeschwindigkeit wird nicht ausreichend erhöht. Darüber hinaus fällt die kompressive Restbelastung der Oberfläche eines gehärteten Materials im Vergleich mit der Wasserabschreckung ab und in einigen Fällen tritt eine Restzugbelastung auf, wodurch die Bruchfestigkeit abgesenkt wird.
Geschmolzenes Salz erzeugt keine Dampffilme. Die Hochtemperaturbedingung bei der Verwendung von geschmolzenem Salz erfordert jedoch Anstrengungen beim Abschrecken und die Handhabung des geschmolzenen Salzes belastet die Umwelt. Ähnlich muss die Prozesstemperatur bei der Substitution durch Zinn oder Blei höher als deren Schmelzpunkt sein, was ebenso Anstrengungen bei der Abschreckung erfordert und ein derartiges Schwermetall muss zudem sorgsam behandelt werden, um Umweltbedingungen Rechnung zu tragen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erwähnten Umstände gemacht und soll die oben erwähnten Probleme lösen. Insbesondere ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, Deformationen, Rissbildungen, Verbiegungen und Verzerrungen des zu härtenden metallischen Materials zu begrenzen und hierdurch einen Abrieb und eine Korrosion des metallischen Materials zu minimieren. Diese Probleme werden mittels einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und eines Verfahrens gemäß Anspruch 25 gelöst. Detaillierte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Zusätzliche Zwecke und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich oder können durch Ausübung der Erfindung erlernt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials zur Verfügung, welche beinhaltet: einen Erhitzer, der das metallische Material erhitzt; eine Kammer für flüssiges metallisches Natrium, in der ein flüssiges metallisches Natrium zugeführt wird, und das metallische Material auf eine erste Temperatur in dem flüssigen metallischen Natrium abgekühlt wird; eine Inertgaskammer, in die ein Inertgas zugeführt wird und in der das metallische Material auf eine zweite Temperatur in dem Inertgas abgekühlt wird; sowie einen Entferner, der das flüssige metallische Natrium auf dem metallischen Material entfernt.
Das flüssige metallische Natrium kann des Weiteren ein flüssiges metallisches Natrium-Kalium oder ein flüssiges metallisches Natrium-Lithium beinhalten.
Der Erhitzer kann in einem Aufheizofen angeordnet sein. Der Aufheizofen kann ein Aufkohlungs-Abschreckofen, ein Induktionsofen oder dergleichen sein. Der Erhitzer kann das metallische Material auf mehr als beispielsweise 700°C erhitzen.
Die erste Temperatur kann etwa 100°C betragen und die zweite Temperatur kann die Raumtemperatur sein. Die erste Temperatur kann zwischen 100°C und 250°C vorliegen. Die erste Temperatur kann ebenso zwischen 150 und 200°C vorliegen.
Der Erhitzer kann ein flüssiges metallisches Natrium oder ein flüssiges metallisches Lithium zum Erhitzen des metallischen Materials beinhalten.
Ein Inertgas kann zur Kammer mit flüssigem metallischen Natrium zugeführt werden.
Der Entferner kann eine Entfernungskammer für flüssiges metallisches Natrium beinhalten. Ein Inertgas kann zu der Entfernungskammer für flüssiges metallisches Natrium zugeführt werden.
Der Entferner kann Wasser beinhalten. Wasser kann gespeichert werden, in das das metallische Material zur Entfernung des verbleibenden flüssigen metallischen Natrium auf dem metallischen Material eingetaucht wird.
Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Zirkulationsleitung für flüssiges metallisches Natrium beinhalten, die das zur Kammer für flüssiges metallisches Natrium zugeführte metallische Natrium zirkuliert. Die Zirkulationsleitung für flüssiges metallisches Natrium kann eine Zirkulationspumpe beinhalten.
Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Temperatursteuerung umfassen, die die Temperatur des zur Kammer für flüssiges metallisches Natrium zugeführte flüssige metallisches Natrium konstant hält.
Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Verunreinigungsentferner umfassen, der eine Verunreinigung in dem zu der Kammer für flüssiges metallisches Natrium zugeführten flüssigen metallischen Natrium entfernt.
Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Mischer umfassen, der das in die Kammer für flüssiges metallisches Natrium zugeführte flüssige metallische Natrium vermischt.
Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Mischer umfassen, der das in die Entfernungskammer für flüssiges metallisches Natrium zugeführte Inertgas vermischt.
Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Mischer umfassen, der das in die Entfernungskammer für flüssiges metallisches Natrium zugeführte Inertgas vermischt.
Die Vorrichtung kann des Weiteren eine Abschirmung umfassen, die einen Kontakt des flüssigen metallischen Natriums mit Luft verhindert.
Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Transporter umfassen, der das metallische Material für die Prozesse transportiert.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenso eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials zur Verfügung, welche beinhaltet: einen Erhitzer für eine erste Temperatur; eine erste Kammer stromabwärts des Erhitzers, die ein flüssiges metallisches Natrium bei einer zweiten Temperatur enthält, welche niedriger als die erste Temperatur ist; eine zweite Kammer stromabwärts der ersten Kammer, die ein Inertgas bei einer dritten Temperatur, die niedriger als die zweite Temperatur ist, enthält; sowie einen Entferner für flüssiges metallisches Natrium stromabwärts der zweiten Kammer.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenso eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials zur Verfügung, welche beinhaltet: einen Erhitzer zum Erhitzen des metallischen Materials auf eine erste Temperatur; eine erste Kammer, die ein flüssiges metallisches Natrium bei einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist, zum Abkühlen des auf die erste Temperatur erhitzten metallischen Materials, enthält; eine zweite Kammer, die ein Inertgas bei einer dritten Temperatur, die niedriger als die zweite Temperatur ist, zum Abkühlen des metallischen Materials enthält; sowie einen Entferner für flüssiges metallisches Natrium zur Entfernung eines flüssigen metallischen Natriums von dem metallischen Material.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ebenso ein Verfahren zum Abschrecken eines metallischen Materials zur Verfügung, welches beinhaltet: Aufheizen des metallischen Materials auf eine erste Temperatur; Abkühlen des metallischen Materials in einer ein flüssiges metallisches Natrium umfassenden Flüssigkeit auf eine zweite Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist; Abkühlen des metallischen Materials in einem Inertgas auf eine dritte Temperatur, die niedriger als die zweite Temperatur ist, und Entfernen des flüssigen metallischen Natriums von dem metallischen Material, das auf zumindest die dritte Temperatur abgekühlt wurde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die anhängenden Zeichnungen, die hier beinhaltet sind und einen Teil dieser Offenbarung darstellen, illustrieren verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
1 ist ein Graph, der die Temperaturübergänge eines zu kühlenden Materials unter verschiedenen Kühlmitteln zeigt.
2 ist ein Flow-Chart, welches Abschreckprozesse zeigt, die von einer Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Bearbeitungsvorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr speziell detailliert unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Wo immer dies möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen durch die Zeichnungen hinweg verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile zu verweisen.
2 ist ein Flow-Chart, das Abschreckprozesse zeigt, welche von einer Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
In Schritt 1 wird ein metallisches Material mittels eines Ofens auf eine Temperatur von mehr als etwa 700°C aufgeheizt. Dieser Aufheizprozess wird beispielsweise für einige Minuten bis einige Stunden unter Verwendung eines Gases oder über einige Sekunden bis einige Minuten unter Verwendung von geschmolzenem Salz ausgeführt.
In Schritt 2 wird das auf mehr als etwa 700°C erhitzte metallische Material schnell über wenige Minuten auf zwischen 100°C und 250°C, möglicherweise zwischen 150°C und 200°C als erste Temperatur unter Verwendung eines flüssigen metallischen Natrium in einer Speicherkammer für flüssiges metallisches Natrium abgekühlt. Die Kammer für flüssiges metallisches Natrium liegt somit stromabwärts des Prozesses vom Ofen, obwohl dies nicht notwendigerweise physikalisch stromabwärts sein muss. Der Begriff "stromabwärts" bezieht sich somit auf den Prozessablauf und nicht notwendigerweise auf die physikalische Anordnung.
Hier kann flüssiges metallisches Natrium-Kalium (NaK) oder flüssiges metallisches Sodium-Lithium (NaLi), welches eine eutektische Legierung ist, die durch Vermischung von Natrium mit Kalium oder Lithium gewonnen wird, anstelle des flüssigen metallischen Natriums angewendet werden. In dem Fall, in dem ein flüssiges metallisches Natrium-Kalium (NaK) verwendet wird, wird das metallische Material weiter auf weniger als 100°C abgekühlt.
Wenn das so abgekühlte metallische Material aus der Speicherkammer herausgezogen wird, verbleibt das flüssige metallische Natrium immer noch auf dem metallischen Material. Schritt 3 ist ein Prozess zur Begrenzung der chemischen Aktivierung des verbleibenden flüssigen metallischen Natriums. Das metallische Material tritt in einer in Inertgas enthaltende Gasabkühlkammer ein und wird über wenige Minuten auf etwa Raumtemperatur aus zweite Temperatur als zweite Temperatur abgekühlt. Die Gasabkühlkammer liegt somit stromabwärts im Prozessablauf in Bezug auf die Kammer für flüssiges metallisches Natrium.
In Schritt 4 wird das metallische Material zu einer Entfernungskammer für flüssiges metallisches Natrium bewegt und das verbleibende flüssige metallische Natrium auf dem metallischen Material wird unter Verwendung von Dampf oder Wasser in wenigen Minuten entfernt. Diese Entfernungskammer für flüssiges metallisches Natrium liegt somit stromabwärts im Prozessablauf in Bezug auf die Gasabkühlkammer.
Gemäß den angegebenen Prozessen wird flüssiges metallisches Natrium angewendet, um ein metallisches Material abzuschrecken. Daher erreicht dann, wenn ein auf mehr als 700°C erhitztes metallisches Material gehärtet wird, das flüssige metallische Natrium niemals seinen Siedepunkt und hierdurch wird kein Dampffilm auf dem metallischen Material erzeugt. Darüber hinaus ist es ebenso möglich, ein metallisches Material derart zu härten, dass die Temperaturdifferenzen auf dem metallischen Material kaum unter Bezugnahme auf den in 1 gezeigten Fortschritt der schnellen Abkühltemperatur auftritt.
Dementsprechend können Deformationen, Rissbildungen, Verbiegungen und Verzerrungen des metallischen Materials im Abschreckprozess inklusive eines Aufkohlungsabschreckens, eines Induktionsabschreckens oder dergleichen eingeschränkt werden. Abrieb und Korrosion des metallischen Materials können ebenso minimiert werden.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 3 gezeigt, beinhaltet eine Abschreckvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform einen Aufheizofen 3, eine Kühlkammer 5 mit flüssigen metallischen Natrium, eine Gaskühlkammer 6 sowie eine Entfernungskammer für flüssiges metallisches Natrium. Oberhalb der Kammern 3, 5, 6 und 11 ist ein Transporter 4 angeordnet. Der Transporter 4 kann metallische Materialien 1 vertikal und horizontal unter Verwendung eines Korbs 2 transportieren.
Der Betrieb der Abschreckvorrichtung 100 wird im Anschluss beschrieben.
Die metallischen Materialien 2, die gehärtet werden sollen, wie etwa beispielsweise Stahl, werden in dem Korb 2 gespeichert und durch eine Abschirmung 19a hindurch in den Aufheizofen 3 eingesetzt. Die metallischen Materialien 1 werden in dem Aufheizofen 3 für eine vorab festgelegte Zeitdauer bei einer vorab festgelegten Temperatur erhitzt. Dabei ist anzumerken, dass ein Zuführer 21 für Atmosphärengas sowie eine Vakuumpumpe 22 mit dem Aufheizofen 3 verbunden sind.
Hierdurch ist es möglich, ein flüssiges metallisches Natrium oder ein flüssiges metallisches Lithium mit hoher Temperatur zur Erhitzung der metallischen Materialien 1 bereitzustellen. Der Siedepunkt des flüssiges metallisches Natriums beträgt etwa 883°C und der Siedepunkt des flüssiges metallisches Lithiums beträgt etwa 1300°C. Hierdurch können die metallischen Materialien 1 auf mehr als 700°C leicht erhitzt werden.
Die so bearbeiteten metallischen Materialien 1 werden anschließend zu der Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium transferiert. Hier spült ein Inertgas eine Inertgaskammer 7, die an dem oberen Raum der Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium und der Gasabkühlkammer 6 angeordnet ist. Daher sind die Kühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium und die Gasabkühlkammer 6 von der Atmosphäre isoliert. Wenn die metallischen Materialien 1 in die Kühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium eingesetzt werden, wird zuerst eine Abschirmung 8 auf der Inertgaskammer 7 und danach eine Abschirmung 10 auf der Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium geöffnet. Die metallischen Materialien 1 werden in das zur Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium zugeführte flüssige metallische Natrium 9 eingetaucht und die Abschirmung 8 wird aufgrund der Verhinderung von Lufteintritt in die Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium verschlossen.
Die metallischen Materialien 1, die aus der Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium herausgezogen wurden, werden zur Inertgaskammer 7 transferiert und durch eine Abschirmung 19b hindurch in die Gasabkühlkammer 6 eingesetzt. Die Gasabkühlkammer 6 ist mit Inertgas befüllt und die metallischen Materialien 1 werden schrittweise auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die abgekühlten metallischen Materialien 1 werden aus der Abkühlkammer 6 und der Inertgaskammer 7 herausgezogen und anschließend durch eine Abschirmung 19c hindurch in die Entfernungskammer 11 für flüssiges metallisches Natrium eingesetzt. Die Entfernungskammer 11 für flüssiges metallisches Natrium kann das flüssige metallische Natrium, das auf den Materialien 1 verbleibt, durch Aufsprühen von Dampf, Nebel und/oder Wasser entfernen.
Die Inertgaskammer 7 ist vorzugsweise mit einer Inertgaszufuhr 23 und einer Pumpe 24 verbunden und empfangt Inertgas wie etwa Stickstoff, Argon oder dergleichen auf kontinuierliche Art und Weise. Darüber hinaus ist die Entfernungskammer 11 für flüssiges metallisches Natrium mit einer Inertgaszufuhr 25 sowie einer Dampfzufuhr 26 verbunden.
Hierbei ist es möglich, Wasser in der Entfernungskammer 11 für flüssiges metallisches Natrium zum Entfernen des auf den metallischen Materialien 1 verbleibenden flüssigen metallischen Natriums durch Eintauchen in das Wasser zu speichern. Wasserstoff kann durch die Reaktion des verbliebenen flüssigen metallischen Natriums und des Wassers erzeugt werden; das Inertgas wird jedoch oberhalb des Wassers eingefüllt und hierdurch kann eine Explosion unterbunden werden.
Wie in 3 gezeigt, wird das flüssige metallische Natrium 9 in einem Speichertank 20 für flüssiges metallisches Natrium gespeichert, welcher außerhalb der Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium angeordnet ist. Die Temperatur des flüssigen metallischen Natriums 9 wird mittels einer Temperatursteuerung 13 in der Zirkulationsleitung 12 für flüssiges metallisches Natrium, die eine Zirkulationspumpe 18 aufweist, konstant gehalten. Ein Verunreinigungsentfernen 14 entfernt Verunreinigungen in dem flüssigen metallischen Natrium 9.
In der Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium hält ein Mischer 15 die Temperatur des flüssigen metallischen Natriums konstant und steuert die Abkühlgeschwindigkeit der metallischen Materialien 2. Der Speichertank 20 für flüssiges metallisches Natrium ist mit der Abkühlkammer 5 für flüssiges metallisches Natrium und der Zirkulationsleitung 12 für flüssiges metallisches Natrium über ein Ventil verbunden.
In der Gasabkühlkammer 6 steuern ein Mischer 16 sowie eine Inertgas-Sprühdüse 17 die Abkühlgeschwindigkeit der metallischen Materialien 2.
Die Bewegung des Transporters 4, der die metallischen Materialien 1 von dem Aufheizofen 3 zu der Entfernungskammer 11 für flüssiges metallisches Natrium transferiert, sowie die Öffnungs-/Verschließbewegung der Abschirmungen 8, 10, 19a, 19b und 19c werden vorab programmiert und mittels eines Computers gesteuert. Daher kann die Abschreckvorrichtung 100 die metallischen Materialien 1 automatisch bearbeiten.
Insbesondere werden zumindest die Abschirmung 8, 10 und 19b vorzugsweise strikt gesteuert, da diese Abschirmungen einen Luftkontakt des flüssigen metallischen Natrium verhindern und somit die Verbrennung unterdrücken.
Infolgedessen werden die in 2 gezeigten Prozessschritte durch den Aufheizofen 3, die Abkühlkammer 5 mit flüssigem metallischen Natrium, die Gasabkühlkammer 6 sowie die Entfernungskammer 11 für flüssiges metallisches Natrium in 3 ausgeführt. Ein (nicht gezeigter) Computer kann diese Prozessschritte automatisch steuern.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Abschreckvorrichtung flüssiges metallisches Natrium und bewegt dieses basierend auf den oben erläuterten Prozessen. Daher können Deformationen, Rissbildungen, Verbiegungen und Verzerrungen des metallischen Materials im Abschreckprozess begrenzt werden und hierdurch können ein Abrieb und eine Korrosion eines metallischen Materials minimiert werden.
4 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem eine Aufkohlungsabschreckung angewendet wird.
Wie in 4 gezeigt, weist die Abschreckvorrichtung 200 eine Vakuumkammer 30 auf. Die Vakuumkammer 30 beinhaltet einen Aufheizofen 33, eine Abkühlkammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium, sowie einen Sammelbehälter 40 für flüssiges metallisches Natrium. Ein Transporter 36 sowie ein Hoister 37 transferieren die metallischen Materialien 1 in die Vakuumkammer 30 hinein. Ein Gaszuführer 44 führt Inertgas wie etwa Stickstoff oder Argon zu der Vakuumkammer 30 zu. Vakuumpumpen 43a und 43b sind mit der Vakuumkammer 30 und dem Aufheizofen 33 verbunden.
Der Betrieb der Abschreckvorrichtung 200 wird im Anschluss beschrieben.
Die metallischen Materialien 1 treten in die Vakuumkammer 30 von einer Eintritts-/Austrittstür 41 ein. Unter Verwendung des Transporters 36 sowie des Hoisters 37 verlaufen die metallischen Materialien 1 durch einen Bereich 46 hindurch und treten in den von Isolationswänden 31 und 32 umgebenen Aufheizofen 33 ein. In dem Aufheizofen 33 erhitzt ein Aufheizer 34 die metallischen Materialien 1 unter Verwendung von Gasenergie oder elektrischer Energie. Im Anschluss erwärmt das von einem Aufkohlungsgaseinsteller 35 über eine vorab festgelegte Zeitdauer zugeführte Gas die metallischen Materialien weiter. Die metallischen Materialien 1 werden dann zu dem Aufheizofen 33 durch den Bereich 46 mittels des Transporters 36 herausgeschickt. Der Hoister 37 senkt die metallischen Materialien 1 ab und taucht diese in das flüssige metallische Natrium 9 in der Abkühlkammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium hinein, welche mittels einer Abschirmung 42 isoliert ist. Das flüssige metallische Natrium 9 kühlt die metallischen Materialien 1 schnell ab.
Die metallischen Materialien 1 werden mittels des Hoisters 37 von der Abkühlkammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium angehoben und anschließend in dem Bereich 46 unter Verwendung eines Gebläses 39 auf Raumtemperatur abgekühlt. Das flüssige metallische Natrium 9, das auf den metallischen Materialien 1 verbleibt, wird verdampft und wird kondensiert und erstarrt auf dem Sammelbehälter 40 für flüssiges metallisches Natrium. Dabei ist anzumerken, dass ein Kühlgas-Zulieferer 45 das Kühlgas zur Kondensation des flüssigen metallischen Natriums 9 zum Sammelbehälter 40 zuführt. Die metallischen Materialien 1, die frei von flüssigem metallischen Natrium 9 sind, werden aus der Vakuumkammer 30 über die Eintritts-/Austritts-Tür 41 herausbewegt.
Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform liegt der Bereich 46 sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts im Prozessablauf in Bezug auf die Kühlkammer 38 vor. Darüber hinaus ist der Bereich 46 sowohl eine Kammer, die Inertgas enthält, als auch ein Entferner für flüssiges metallisches Natrium.
Die Zirkulationspumpe 18 kann das flüssige metallische Natrium 9 in der Kühlkammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium zirkulieren. Während der Zirkulation hält die Temperatursteuerung 13 die Temperatur des flüssigen metallischen Natriums 9 konstant und der Verunreinigungsentfernen 14 entfernt die Verunreinigungen im flüssigen metallischen Natrium 9.
Ein (nicht gezeigter) Computer kann diese Prozessschritte, die in 2 gezeigt sind, automatisch steuern.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Abschreckvorrichtung flüssiges metallisches Natrium und bewegt dieses basierend auf den oben erläuterten Prozessen. Daher können Deformationen, Rissbildungen, Verbiegungen und Verzerrungen des metallischen Materials in dem Aufkohlungs-Abschreckprozess begrenzt werden und hierdurch kann ein Abrieb und die Korrosion des metallischen Materials minimiert werden.
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem eine Induktionsabschreckung angewendet wird.
Wie in 5 gezeigt, weist die Abschreckvorrichtung 300 eine Induktionsaufheizkammer 50 auf. Die Induktionsaufheizkammer 50 beinhaltet eine Induktionsspule 51, die Kammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium sowie den Sammelbehälter 40 für flüssiges metallisches Natrium. Ein Hochgeschwindigkeitsantrieb ist so angeordnet, dass er die metallischen Materialien 1 in die Induktionsaufheizkammer 50 transferiert. Eine Gaszuführung 44 führt Inertgas wie etwa Stickstoff oder Argon zu der Induktionsaufheizkammer 50 zu.
Der Betrieb der Abschreckvorrichtung 300 wird im Anschluss erläutert.
Die metallischen Materialien 1 treten durch eine Eintritts-/Austritts-Tür 46 in die Induktionsaufheizkammer 50 ein. Die Induktionsspule 51 erhitzt die Oberfläche der metallischen Materialien 1 schnell. Der Hochgeschwindigkeitsantrieb 53 taucht die erhitzten metallischen Materialien 1 schnell in das flüssige metallische Natrium 9 in der Kammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium ein, welche mittels einer Abschirmung 52 isoliert ist. Daher werden die metallischen Materialien 1 schneller abgekühlt.
Hier wird der schnelle Geschwindigkeitsantrieb 53 mittels einer Steuerung 55 gesteuert, um diesen mit einer Induktionsenergiequelle 54 zu synchronisieren, welche elektrische Energie zur Induktionsspule 51 zuführt. Dies ermöglicht die Steuerung und Einstellung der Aufheizzeitdauer für die metallischen Materialien 1.
Die Zirkulationspumpe 18 kann das flüssige metallische Natrium 9 in der Abkühlkammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium zirkulieren. Während der Zirkulation hält die Temperatursteuerung 13 die Temperatur des flüssigen metallischen Natriums 9 konstant und der Verunreinigungsentferner 14 entfernt Verunreinigungen in dem flüssigen metallischen Natrium 9.
Die metallischen Materialien 1 werden anschließend von der Abkühlkammer 38 mit flüssigem metallischen Natrium angehoben und in der Induktionsaufheizkammer 50 unter Verwendung des Gebläses 39 auf Raumtemperatur abgekühlt. Das auf den metallischen Materialien 1 verbleibende flüssige metallisches Natrium 9 wird verdampft und kondensiert und erstarrt auf dem Sammelbehälter 40 für flüssiges metallisches Natrium.
Ein (nicht gezeigter) Computer kann diese Prozessschritte, die in 2 gezeigt sind, automatisch steuern.
Die Induktionsaufheizkammer 50 ist somit ein Erhitzer, eine Inertgaskammer sowie ein Entferner für flüssiges metallisches Natrium.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Abschreckvorrichtung flüssiges metallisches Natrium und bewegt dieses basierend auf den oben erläuterten Prozessen.
Daher können Deformationen, Rissbildungen, Verbiegungen und Verzerrungen des metallischen Materials im Induktionsabschreckprozess beschränkt werden und hierdurch können Abrieb und Korrosion des metallischen Materials minimiert werden.

Claims

Vorrichtung zum Abschrecken eines metallischen Materials (1), umfassend: – einen Erhitzer zum Erwärmen des metallischen Materials (1) auf eine erste Temperatur; – eine verschließbare Flüssigmetall-Natriumkammer (5, 38) zum Aufnehmen des erwärmten metallischen Materials vom Erhitzer, welche Mittel zum Zuführen eines flüssigen Metalls, das flüssiges metallisches Natrium (9) enthält, bei einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist, zum stationären Abschrecken des metallischen Materials (1) aufweist; – eine Inertgas-Kammer (6, 16) zum Aufnehmen des abgeschreckten metallischen Materials von der Flüssigmetall-Kammer, welche Mittel zum Zuführen eines Inertgases bei einer dritten Temperatur, die niedriger als die zweite Temperatur ist, zum Abkühlen des metallischen Materials (1) aufweist; und – einen Flüssigmetall-Natriumentferner zum Entfernen eines Flüssigmetall-Natriums (9) aus dem metallischen Material (1).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigmetall-Natriumentferner stromabwärts der Inertgaskammer (6) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmetall-Natrium (9) ein Flüssigmetall-Natrium-Kalium enthält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmetall-Natrium (9) ein Flüssigmetall-Natrium-Lithium beinhaltet.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer in einem Erwärmungsofen angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungsofen einen Aufkohlungs-Abschreckofen beinhaltet.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmungsofen einen Induktionsofen beinhaltet.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer ein Flüssignatrium zum Erwärmen des metallischen Materials (1) beinhaltet.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer ein Flüssigmetall-Lithium zum Erwärmen des metallischen Materials (1) beinhaltet.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen eines Inertgases zur Flüssigmetall-Natriumkammer (5, 38).
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Entferner eine Flüssigmetall-Natriumentfernungskammer (11) beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Zuführen eines Inertgases zu einer Flüssigmetall-Natriumentfernungskammer (11) beinhaltet.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Entferner Mittel zum Zuführen von Wasser beinhaltet.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Flüssigmetall-Natriumzirkulationsleitung (12) zum Zirkulieren des Flüssigmetall-Natriums (9), welches zur Flüssigmetall-Natriumkammer (5, 38) zugeführt wurde.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetall-Natriumzirkulationsleitung (12) eine Zirkulationspumpe (18) beinhaltet.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Temperatursteuerung (13) zum Konstanthalten der Temperatur des Flüssigmetall-Natriums (9), das zur Flüssigmetall-Natriumkammer (5, 38) zugeführt wurde.
Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verunreinigungsentferner (14) zum Entfernen einer Verunreinigung im Flüssigmetall-Natrium (9), das zur Flüssigmetall-Natriumkammer (5, 38) zugeführt wurde.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mischer (15) zum Vermischen des Flüssigmetall-Natriums (9), das in die Flüssigmetall-Natriumkammer (5, 38) zugeführt wurde.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mischer (16, 39) zum Vermischen des Inertgases.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abschirmung (10, 42, 52) zum Vermeiden des Kontakts des Flüssigmetall-Natriums (9) mit Luft.
Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Transporter (4, 36) zum Transportieren des metallischen Materials (1) zu den Prozessen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetall-Kammer (5, 38) und der Entferner sich einen gemeinsamen Raum teilen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetall-Kammer (5, 38), der Entferner sowie der Erhitzer sich einen gemeinsamen Raum teilen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhitzer eine Abschirmung (19a) zum Isolieren des metallischen Materials (1) im Erhitzer von der Atmosphäre aufweist.
Verfahren zum Abschrecken eines metallischen Materials (1), umfassend: – das stationäre Erhitzen des metallischen Materials (1) auf eine erste Temperatur; – das stationäre Abschrecken des metallischen Materials (1) in einer Flüssigkeit, die ein Flüssigmetall-Natrium (9) umfasst, bei einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist; – das stationäre Abkühlen des metallischen Materials (1) in einem Inertgas auf eine dritte Temperatur, die niedriger als die zweite Temperatur ist; und – das stationäre Entfernen eines Flüssigmetall-Natriums (9) auf zumindest die dritte Temperatur abgekühlten metallischen Materials (1).
Verfahren gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material (1) auf eine erste Temperatur von mehr als 700°C erhitzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur zwischen 100°C und 250°C vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur zwischen 150°C und 200°C vorliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Temperatur die Raumtemperatur ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 25 bis 29, gekennzeichnet durch Halten des metallischen Materials (1) in Wasser und hierdurch Entfernen des verbleibenden Flüssigmetall-Natriums vom metallischen Material (1).