DE2239552B2 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Metallhalbzeugen bei Temperaturen zwischen 200 und 300 Grad C, insbesondere für die thermische Entspannung von Messinghalbzeug, und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Öfen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Metallhalbzeugen bei Temperaturen zwischen 200 und 300^cC, insbesondere für die thermische Entspannung von Messinghalbzeug zur Beseitigung der Anfälligkeit gegen Spannungskorrosion. Die Erfindung betrifft ferner die zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Öfen. Sie hat das Ziel, in kontinuierlichem automatischem Betrieb hohe Durchsatzleistung und hohe Wirtschaftlichkeil zu ermöglichen. Voraussetzung dafür ist eine betrachtliche Verkürzung der Warmbehandlungszeit, die nach aus der Literatur bekannten Angaben z. B. für die thermische

Entspannung von Messingfasübzeugcn mindestens 3© Minuten beträgt

For die &ensisslie Behandlung von MetaflhaJbze«- gea werden üoBeiierweise LuftumwäJzöfea eingesetzt Öa diese öfen, bedingt durch die themaschen Eigenschaften des Wärnseträgers Luft {kleine Wärmekapazität und schlechter Wärmeübergang) verhältnismäßig lange Aufheizzeiten für das Behandiungsgut benötigen, müssen zur Erreichung technisch sinnvoller Durchsatzmengen ganze Stapel der Halbzeuge (Chargen) in die Öfen eingebracht werden. Die Übertragung der Wärme auf die im Innern der Stapel liegenden Halbzeuge ist erheblich schlechter als die auf die außen am Stapel liegenden Halbzeuge. Die Folge sind unnötig lange Haltezeiten für einen Großteil der außen am Stapel liegenden Halbzeuge, unterschiedliche Eigenschaften des Produkts und geringe Wirtschaftlichkeit dieser öfen. Außerdem lassen sich derartige im Chargenbetrieb arbeitende Öfen schlecht in automatische Fertigungsstraßen eingliedern.

Andere bekannte Wärmeträger, die für eine schnellere Aufheizung des Halbzeuges auf die genannten Temperaturen in Betracht hätten kommen können, sind mit erheblichen Nachteilen behaftet:

Die zwischen 200 und 300⁰C genügend dünnflüssigen Salzbäder, wie sie schon durch die US-PS 23 88 563 zum minutenschnellen zwischenzeitlichen Anlassen einzeln aufgegebener Stücke von in Stufen zu verformenden Halbzeugen aus bestimmten Al-Legierungen vorgeschlagen worden sind, sind teuer und außerdem gegenüber zahlreichen NE-Metallen in der Regel aggressiv; zudem müssen die Halbzeuge nach der Wärmebehandlung durch Wässern von anhaftendem Salz befreit werden, was zu erheblichen Schwierigkeiten für die Reinigung des verwendeten Wassers führt. Auch ist die Verwendung von drei- oder vierwertigen Alkoholen, wie Pentaerythrit, oder Gemischen aus diesen bekannt. Aber sie sind teuer und werden deshalb großtechnisch kaum eingesetzt. Ungeeignet sind Metallschmelzen, da sie insbesondere für NE-Metalle ein großes Auflösungsvermögen haben.

Nun sind schon in der Literatur öle und Fette als Wärmeträger erwähnt, aber in der Praxis sind sie zur thermischen Behandlung von Metallhalbzeugen nicht eingesetzt worden, da sie bei Temperaturen von 200 bis 300"C einen erheblichen Dampfdruck haben; vor allem aber, weil sie durch Oxidation sehr schnell altern und unbrauchbar werden. Dies gilt nicht für die /.. B. aus der DTPS 9 69 808 bekannte Verwendung von öl zum Abschrecken und Warmaushärten von Al-Legierungen, wo die Temperaturen weit unter 200° C liegen.

Auch ist durch die US-PS 18 29 186 bekannt, zur Wärmebehandlung von Stahlgußteilen od. dgl. einen mit einem abnehmbaren Deckel versehenen, mit heißem öl oder einem anderen geeigneten Wärmeträger gefüllten Tauchbehälter vorzusehen, der an einen Kreislauf angeschlossen ist, der eine Umwälzpumpe und einen Erhitzer für den Wärmeträger enthält; dabei kann das in einem Korb befindliche Behandlungsgut nur nach Abnahme des Deckels in das Bad eingetaucht werden. Vorkehrungen, durch Luftabschluß eine Oxidation des betreffenden Wärmeträgers zu verhindern, sind offensichtlich nicht getroffen worden. Das gleiche gilt für die in einer etwa aus dem Jahre 1952 stammenden Werbeschrift der Siemens-Schuckert-Werke angebotenen Ölanlaßbäder. Diese Einrichtungen sollten zum Anlassen von Werkzeugen, zum Tempern und ähnlichen Wärmebehandlungen für Temperaturen bis maximal

30O°C and zum Härten, Vergüten und Anlassen für femperaturen bis 30O⁰C verwendet werden. Die zu behandelnden Gegenstände werden mit Hilfe eines Stbkorbes chargenweise eingetaucht. Auch ist erwähnt, laß die Ölbäder mit einer ölumlaufpumpe z.B. als Alterungsbäder für Präzisionslehren geliefert werdea Zweifellos kommt bei dem mit diesen Bädern praktizierten Tauchverfahren das heiße öl intensiv mit dem Luftsauerstoff in Berührung. Es muß daher mit iascher Oxidation gerechnet werden, so daß das öl immer wieder erneuert werden muß, wenn das Bad wirklich bei Temperaturen von wesentlich mehr als 200⁰C betriv-faen werden soll. Damit ist aber die Wirtschaftlichkeit einer solchen Betriebsweise in Frage gestellt.

Erst in einer Veröffentlichung der Zeitschrift »Das Industrieblatt«, Stuttgart, April 1960, ist auf S. 211 bis 213, insbesondere 213, ein Ölbad offenbart, dessen ölfüllung zur Verhinderung eines vorzeitigen Alterns durch einen darauf schwimmenden Deckel oder durch Schutzgas gegen Lufteinwirkung geschützt werden soll. Die Temperaturangaben dieser Arbeit bestätigen, daß es damals nicht möglich schien, Öltemperaturen zwischen 200 und 300° C in befriedigender Weise anzuwenden. Es ist dort im wesentlichen nur von Temperaturen zwischen 50 und 8O⁰C und zwischen 150 und 200°C, beiläufig auch zwischen 80 und 150⁰C die Rede. Der Grund für diese Beschränkung ist darin zu suchen, daß insbesondere beim Einbringen und beim Austragen des Behandlungsgutes eine Berührung des Öles mit der Außenluft nicht vermeidbar und der Luftabschluß nur zeitweilig war. Ein Anlaß zur Änderung dieses Zustandes bestand nicht, denn es sind die genannten Temperaturen gegenüber den über 200⁰C liegenden Temperaturen der Salzbäder als für den dortigen Zweck der Härtung von Gegenständen aus Stahllegierungen sogar als vorteilhaft nachgewiesen.

Noch später ist in der DT-AS 12 30 058 eine Einrichtung zur Behandlung von Werkstücken in einem Salz- bzw. Ölbad beschrieben worden, bei der die Werkstücke durch ein Hubfördermittel durch eine flache, oben offene Wanne geführt werden. Angaben über Temperaturen sind dort nicht gemacht worden: man kann aber aus dem Fehlen besonderer Schutzmaßnahmen mit Sicherheit annehmen, daß bei der dortigen t richtung die Wärmebehandlung bei Temperaturen über 200"C Salzbädern vorbehalten geblieben ist.

Für die Behandlung dünnwandiger metallischer Werkstücke, insbesondere aus Aluminium, bei Temperaturen von etwa 500°C ist schließlich durch die DT-AS 20 05 807 ein durch elektrische Heizelemente geheizter Durchlaufofen bekanntgeworden. Zur Förderung der Werkstücke durch den Ofen dient ein darin umlaufendes großes Transportrad mit Zellen für die Aufnahme der Werkstücke, das mit im Eingang und im Ausgang des Ofens angeordneten Zellenrädern zusammenarbeitet. Die Wärme wird vor allem durch Berührung zwischen den Werkstücken und den Zellenwänden des Transportrades übertragen. Ein Verbleiben der aus den Schmiermitteln und etwaigen Lösungsmitteln entstehenden Dämpfe im Ofen wird als unerwünscht bezeichnet, so daß von einem Luftabschluß des Behandlungsraumes, etwa durch die schleusenähnlichen Zellenräder, nicht die Rede sein kann. Für die Behandlung mehr oder weniger sperriger und massiver Metallhalbzeuge ist dieser Ofen aus Raumgründen und aus Gründen des schlechten Wärmeüberganges nicht geeignet.

Dem Erfinder stellte sich die Aufgabe, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Metallhalbzeug im ölbad bei Temperaturen zwischen 200 und 300⁰C insbesondere für die thermische Entspannung von Messinghalbzeug, zu entwickeln, bei dem das wirksame ölbad auf Temperaturen zwischen 200 und 300° C gehalten werden kann, ohne daß eine vorzeitige Alterung des Öles und ein übermäßiger Ölverbrauch eintritt Weiterhin bestand die Aufgabe für den Erfinder darin, die für die Durchführung des Verfahrens geeigneten öfen zu schaffen.

Die erfinderischen Verfahrensschritte zur Lösung der gestellten Aufgabe bestehen darin, daß das in an sich bekannter Weise unter Luftabschluß gehaltene eigentliche ölbad auf 200 bis 300° C geheizt und die Öltemperatur in den mit der Außenluft in Kontakt kommenden Bereichen bei etwa 190°C, jedenfalls unter 200° C. gehalten wird

Em erster zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens geeigneter Ofen ist derart ausgebildet, daß an bzw. in ihm zum Längseinführen und Längsaustragen von stangen- oder rohrförmigem Behandlungsgut angebrachte Stutzen mit einem Kühlmantel versehen sind, und daß dazwischen zum Quertransport des im wesentlichen in unveränderter Richtungslage verbleibenden Behandlungsgutes durch das eigentliche ölbad führende Fördermittel bekannter Art vorgesehen sind. Vorieilhafterwei.se können zum Austrag des Behandlungsgutes durch den zweiten Stutzen dort Mittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wanderfeldes vorgesehen sein.

Eine andere Ausgestaltungsmöglichkeit des Ofens besteht darin, daß zum Quereinführen und -austragen von stangen- oder rohrförmigem Behandlungsgut am Ofen vorgesehene Schleusen in für die Temperaturbegrenzung des Öles geeigneter Weise ausgestattet oder angeordnet sind, und daß dazwischen Transportmittel bekannter Art zum Quertransport des Behandlungsgutes durch das eigentliche Ölbad vorgesehen sind. Dazu können die Schleusen mit Kühlmänteln versehen sein, oder es sind die Schleusen als Flüssigkeitsverschlüsse ausgebildet, und ihre ölfüllung ist vom eigentlichen Ölbad getrennt.

Schließlich kann ein zur Erhaltung des Füllungszustandes des Ofens vorgesehener, mit dem Arbeitsraum kommunizierender Ausgleichsraum vom eigentlichen Ölbad entfernt angeordnet und/oder, gegebenenfalls samt seiner Verbindungsleitung, mit Kühleinrichtungen versehen sein.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten des Verfahrens und des Aufbaues zu seiner Durchführung geeigneter öfen sind der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die zeichnung zeigt in mehr oder weniger schematischer Darstellungsweise in

F i g. 1 eine Ofenanlage im Schnitt,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung eines Ofens, bei dem das stangen- oder rohrförrnige Behandlungsgut durch lotrechte Stutzen in Längsrichtung eingebracht und ausgetragen wird,

F i g. 3 eine ebensolche Darstellung eines Ofens, bei dem das stangen- oder rohrförmige Behandlungsgut durch schrägliegende Stutzen in Längsrichtung eingebracht und ausgetragen wird,

F ig. 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Ofens, bei dem das stangen- oder rohrförmige Behandlungsgut in Querrichtung durch eine Trommelschleuse eingebracht und durch eine ebensolche Schleuse ausgetragen wird, und

Fig.5 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform, bei der als Schleusen für das Ein- und Austragen des Behandlungsgutes Flüssigkeitsverschlüsse vorgesehen sind.

Der Arbeitsraum 1 des Ofens der Anlagenach Fig.l ist als weitgehend gegsn die Außenluft abgeschlossener Behälter ausgebildet und völlig mit einem Thermalöl auf mineralischer Basis gefüllt, wie solche als Wärmeträger in Wärmeübertragungsanlagen in der chemischen. Textil- und Lebensmittel-Industrie sowie in Bäckereien und Großküchen in Aufnahme gekommen und z. B. unter der Markenbezeichnung »Mobiltherm 600« und »Mobiltherm 605« im Handel erhältlich sind. Der Arbeitsraum 1 ist lediglich mit den für den Betrieb notwendigen öffnungen versehen: an ihm befindet sich der Einbringstutzen 2. der Austragstutzen 3 und der Dampfauslaßstutzen 4. Die drei Stutzen bilden zusammen über den Arbeitsraum 1 miteinander kommunizierende Röhren, wobei der ölstand bis in die Nähe der Ausmündungen der Stutzen reicht. Die öloberflächen 2', 3' in den Stutzen sind mit einer Stickstoffschicht bedeckt.

Der Arbeitsraum ! ist durch Rohrleitungen 5 an einen ölkreislauf angeschlossen, der eine Pumpe 6 und einen gas- oder ölbeheizten ölerhitzer enthält. Der Einbringstutzen 2 und der Austragstutzen 3 sind in der Nähe ihrer Ausmündungen, d. h. im Bereich der öloberfläche, mit mit Wasser gespeisten Kühlmänteln 8 versehen.

Durch den Zustrom des im Erhitzer 7 aufgeheizten Öls wird die Temperatur im Arbeitsraum 1 auf beispielsweise 250°C gehalten; durch die Kühlung mittels der Kühlmantel 8 wird es in den vorerwähnten Stutzen 2,3 auf 190° C abgekühlt. Dadurch und durch die Stickstoffschicht wird ein vorzeitiges Oxidieren und Altern des Öls verhindert. Durchgeführte Versuche haben ergeben, daß bei Verwendung eines geeigneten Thermalöls, d.h. eines solchen mit niedrigliegender Dampfdruckkurve, eine Lebensdauer desselben von 2000 bis 3000 Betriebsstunden zu erwarten ist.

In F i g. 2 ist in schematischer Weise der Arbeitsraum 1 als kastenförmiger Behälter dargestellt, auf den lotrecht der Einbringstutzen 2 und der Austragstutzen 3 für das Einbringen und Austragen des stangenförmigen Gutes 9 aufgesetzt sind. Das Gut wird in Achsrichtung eingebracht quer zur Achsrichtung durch das Bad im Arbeitsraum 1 bewegt und nach einer Verweildauer von insgesamt 1 bis 2 Minuten wieder in Achsrichtung ausgetragen.

Die Ausführung nach F i g. 3 unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, daß die Stutzen 2, 3 schräg unter einem Winkel von beispielsweise 20° zur Horizontalen am Arbeitsraum 1 angesetzt sind Während beim Beispiel nach F i g. 2 die Oberflächen des Öls in den Stutzen 2 und 3 ein Mindestmaß haben, sind sie im Beispiel nach Fig.3 etwa dreimal so groß, was aber im Kauf genommen werden kann. Hier brauchen nämlich die Stangen, die z. B. horizontal aus der Maschine kommen, nicht erst lotrecht aufgerichtet zu werden, sondern es genügt eine geringe Neigung, um sie in den Embringstutzen 2 einführen zu können. Somit läßt sich ein nach F i g. 3 gebauter Ofen leicht in einen laufenden Arbeitsprozeß einfügen.

Für den Transport des Behandlungsgutes können je nach den räumlichen Verhältnissen herkömmliche Mittel angewendet werden: für das Einbringen eine Ratsche oder ein Falfechacht für die Bewegung quer dorch den Arbeitsraum eine endlose Förderkette und für den Austrag ein Paternosterwerk oder ein Schrägaufzug. Auch kann daran gedacht werden, für ^₁ den Austrag unter Verzicht auf eine mechanische Einrichtung ein elektromagnetisches Wanderfeldvorzu- ^f sehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig.4 ist der * Arbeitsraum 10 ebenfalls weitgehend gegen die " Außcnluft abgeschlossen. In ihm verläuft horizontal ein Querförderer, nämlich ein Kettenförderer 11, bestehend >, aus mehreren parallel angeordneten endlosen Einzel- ν ketten. Oberhalb des Anfangs und des Endes des Förderers f 1 sind je eine Trommelschleuse 12,13 in die Decke des Arbeitsraumes 10 eingesetzt. Die Trommeln _r 14, 15 der beiden Schleusen weisen Taschen 16, 17 auf für die Aufnahme der zu- und abzuführenden Stangen 9. Die Eingangsöffnung 18 der Eingangsschleuse 14 befindet sich etwa auf dem Scheitel des Schleusengehäuses 19, das mit einem Kühlmantel 20 versehen ist.

Die Austragsschleuse 13 weist etwa in Höhe der Trommel 18 eine schräg abwärts führende Austragsöffnung 21 auf. Auch die Austragsschleuse 15 ist mit einem Kühlmantel 22 versehen. Heb- und senkbare Schwenkarme 23, die zwischen die Ketten des Kettenförderers 11 greifen, dienen zum Überheben der Stangen 9 in die Tasche 17 der Trommel 15 der Austragsschleuse 13. Es versteht sich, daß die Schleusentrommeln 14, 15, der Kettenförderer 11 und die Schwenkarme 23 durch eine entsprechende Getriebeverbindung im Gleichtakt angetrieben sein müssen.

Mit dem Arbeitsraum 10 ist durch eine Ausgleichsleitung 24 ein Ausgleichsraum 25 verbunden. Auch dieser Ausgleichsraum könnte, wenn nötig, mit einem Kühlmantel versehen sein. Im allgemeinen wird aber ein bestimmter Abstand des Ausgleichsraumes 25 vom Arbeitsraum 10 des Ofens genügen, um die Temperatur des Öls im Ausgleichsraum niedrig zu halten, besonders wenn die Ausgleichsleitung 24 einen geringen Querschnitt hat und/oder mit Kühlrippen versehen ist.

Der Arbeitsraum 10 des Ofens und der Ausgleichsraum 25 sind mit Thermalöl gefüllt, dessen Spiegel bis fast an die Unterkante der Schleusenaustragsöffnung 21 heranreicht. Die Beheizung des Thermalöls im Arbeitsraum 10 kann in derselben Weise erfolgen wie dies an Hand der Fig.l bereits erläutert wurde. Die öloberflächen in den Spalten der Schleusen 12 und 13 sind gering, so daß die Oxidation des Thermalöls hintangehalten werden kann, zumal die Schleusen ohnehin gekühlt sind. Eventuell kann aber auch dort noch ein inertes Gas, z. B. Stickstoff, auf die öloberflächen geblasen werden. Für die Oberfläche des Öls im Ausgleichsbehälter 25 wird dies nicht nötig sein, da dort die öltemperatur. wie gesagt als Folge des Abstandes zum Arbeitsraum 10 ohnehin niedrig gehalten werden kann.

Zu ihrer Wärmebehandlung werden die Stangen 9 in Querlage zur Durchlaufrichtung durch die Schieuseneingangsöffnung 18 aufgegeben und von der Schleusentrommel 14 in ihren Taschen 16 nacheinander züf Abgabe an den Kettenförderer 11 mitgenommen. Sfe werden von der Kette durch das ölbad geführt dessen Temperatur z. B. 250° C beträgt und werden am Ende der Kette durch die Schwenkarme 23 in den Bereich der Trommel 15 hochgehoben, wo sie jeweils in den Taschen 17 mitgenommen und schließlich durch die öffnung 21 ausgetragen werden.

Einen grundsätzlich anderen Aufbau zeigt der Ofen nach Fig.5. Hier sind dem eigentlichen Arbeitsraum 26, der das beheizte Ölbad 27 enthält je A Flüssigkeitsverschlaß 28, 29 als als Eingangs- end

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Austragsschleuse vor- bzw. nachgeschaltet. Diese Flüssigkeitsverschlüsse sind vom eigentlichen beheizten Ölbad 27 getrennt, so daß die Temperatur ihres Ölinhalts leicht entsprechend niedrig gehalten werden kann. Für den Transport der Stangen 9 durch den Ofen ist eine endlose Kette 30 vorgesehen, die mit ihrem oberen Trum im Wechsel abwärts und aufwärts durch den Flüssigkeitsverschluß 28, das Bad 27 und den

Flüssigkeitsverschluß 29 geführt und mit ihrem untei Trum im wesentlichen geradlinig unterhalb des Of zurückgeführt wird. Der freie Teil des Arbeitsraumes ist mit einem unter geringem Überdruck stehen« inerten Gas gefüllt. — Die Betriebsweise dieses Of liegt so klar auf der Hand, daß sich weit Ausführungen dazu erübrigen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren xur thermischen Behandlung von JsfetalUiaibzetigea im ölbad bei Temperaturen zwischen 200 und 3Q0°C insbesondere EQr die thermische Entspannung von Messinghalbzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das in an sich bekannter Weise unter Luftabschluß gehaltene eigentliche ölbad auf 200 bis 300° C geheizt und die öltemperatur in den mit der Außenluft in Kontakt kommenden Bereichen bei etwa !90⁰C. jedenfalls aber unter 200° C gehalten wird.

2. Ofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an bzw. in ihm zum Längseinführen und Längsaustragen von stangen- oder rohrförmigen! Behandkingsgut angebrachte Stutzen (2, 3) mit einem Küb»mantel (8) versehen sind, und daß dazwischen zum Quertransport des im wesentlichen in unveränderter Rieh- lungslage verbleibenden Behandlungsgutes durch das eigentliche ölbad führende Fördermittel bekannter Art vorgesehen sind.

3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Austrag des Behandlungsgutes durch den zweiten Stutzen (3) dort Mittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wanderfeldes vorgesehen sind.

4. Ofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Quereinführen und -austragen von stangen- oder rohrförmigen! Behandlungsgut am Ofen vorgesehene Schleusen (12,13; 28,29) in für die Temperaturbegrenzung des Öles geeigneter Weise ausgestattet oder angeordnet sind, und daß dazwischen Transportmittel bekannter Art zum Quertransport des Behandlungsgutes durch das eigentliche ölbad vorgesehen sind.

5. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleusen (12, 13) mit Kühlmänteln (20, 22) versehen sind.

6. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleusen als Flüssigkeitsverschlüsse (28,29) ausgebildet sind, und daß ihre ölfüllung vom eigentlichen ölbad getrennt ist.

7. Ofen nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Erhaltung seines Füllungszustandes vorgesehener, mit dem Arbeitsraum (10) kommunizierender Ausgleichsraum (25) vom eigentlichen ölbad entfernt angeordnet und/oder, gegebenenfalls samt seiner Verbindungsleitung (24), mit Kühleinrichtungen versehen ist.