EP1088901B1 - Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke - Google Patents

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Definitions

  • Figure 2 shows corresponding measurement curves with and without cooling Use of the invention.
  • this invention is for this Particularly suitable for use.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, bei dem durch einen Ventilator ein Kühlgasstrom in einem Vakuumofen zum Abschrecken der Werkstücke erzeugt wird, wobei der Ventilator durch einen Drehstrommotor angetrieben wird, der oberhalb eines hinsichtlich der Motorleistung des Drehstrommotors bestimmten Mindestdrucks im Vakuumofen mit einer vorgegebenen Versorgungsspannung betrieben wird.
Bei der Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, wie etwa Härten, Anlassen oder Glühen, finden in zunehmendem Maße Vakuumöfen Anwendung, in denen die Werkstücke nach erfolgter Erwärmung durch ein gasförmiges Medium, beispielsweise Stickstoff, abgekühlt werden. Eine derartige Gasabschreckung hat im Vergleich zu der herkömmlichen Öl- oder Salzbadabschreckung den Vorteil, daß keine Verunreinigung der Werkstücke entsteht und somit eine kostenintensive Reinigungsmaßnahme entfällt. Um bei der Gasabschreckung ähnliche Kühleffekte wie bei der Öl- oder Salzbadabschreckung zu erreichen, ist es bekannt, hohe Kühlgasdrücke vorzusehen, die aufgrund der damit verbundenen erhöhten Gasdichte die gewünschte Wärmeübertragung sicherstellen. Nachteilig hierbei ist allerdings, daß hohe Kühlgasdrücke aufwendige Sicherheitsmaßnahmen erfordern und zudem einen verhältnismäßig hohen Zeitbedarf zum Fluten bzw. Evakuieren des Vakuumofens mit sich bringen.
Ein weiterer bei der Hochdruckgasabschreckung auftretender Nachteil besteht darin, daß es für einen den Kühlgasstrom im Vakuumofen erzeugenden Ventilator einer vergleichsweise großen Wellenleistung bedarf, um die erforderliche Kühlgasgeschwindigkeit bei den bei hohen Drücken gegebenen Lastmomenten bereitzustellen. Eine große Wellenleistung macht im gleichen Maße eine große Motorleistung eines den Ventilator antreibenden Elektromotors erforderlich. Dieser ist daher üblicherweise als Drehstrommotor mit einer Bemessungsleistung von beispielsweise 220 kW ausgebildet. Eine Motorbemessungsleistung von 220 kW ergibt bei einer Versorgungsspannung von ca. 400 V einen Motorbemessungsstrom von 400 A. Bei Anlaufen des Ventilators entsteht aufgrund der dabei auftretenden Stromstöße, die bei Normzustand des Kühlgases gewöhnlich bis zum neunfachen des Motorbemessungsstroms betragen, ein Anlaufstrom von 3600 A.
Derart hohe Ströme führen regelmäßig zu Netzstörungen und verursachen einen hohen Verschleiß, vor allem an den Anschlußstellen. Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, Anlaufgeräte einzusetzen, die einen sogenannten Softstart des Drehstrommotors bewirken, indem der Anlaufstrom beschränkt wird, beispielsweise auf das fünf- oder sechsfache des Motorbemessungsstroms. Das Vorsehen von Anlaufgeräten ist jedoch mit höheren Kosten verbunden und daher in wirtschaftlicher Hinsicht unbefriedigend.
Wenngleich es bei einem Softstart des den Ventilator antreibenden Elektromotors möglich ist, die zu behandelnden Werkstücke schon bei niedrigen Ofendrücken, d.h. noch während des Flutens des Vakuumofens mit Kühlgas, abzuschrecken, ist dem Beginn des Abschreckvorgangs eine Untergrenze in zeitlicher Hinsicht gesetzt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Vakuumofen vor dem Start des Ventilators auf einen hinsichtlich der Motorversorgungsspannung des Drehstrommotors bestimmten Mindestdruck geflutet werden muß, um das Auftreten von beispielsweise Isolationsschäden hervorrufenden Überschlägen zu vermeiden. Der anhand sogenannter Paschen-Kurven ermittelbare Mindestdruck beträgt bei Drehstrommotoren mit einer Motorversorgungsspannung von 400 V in der Regel etwa 750 mbar.
Da der Ventilator erst ab Erreichen des Mindestdrucks beim Fluten des Vakuumofens mit Kühlgas gestartet werden kann, wird ferner aufgrund der unvermeidlichen Anlaufzeit des Ventilators die Abschreckzeit und damit der erreichbare Abschreckeffekt in nachteiliger Weise beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke dahingehend weiterzubilden, daß sich auf einfache und kostengünstige Weise eine verbesserte Abschreckleistung erzielen läßt.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilator bei einem Druck im Vakuumofen gestartet wird, der geringer als der Mindestdruck ist, wobei der Drehstrommotor bis zum Erreichen des Mindestdruckes im Vakuumofen mit einer zweiten, geringeren Versorgungsspannung betrieben wird.
Ein solches Verfahren ermöglicht eine verbesserte Abschreckleistung. Ursächlich hierfür ist in erster Linie, daß sich aufgrund des Starts des Ventilators bereits bei einem geringeren Druck im Vakuumofen als dem Mindestdruck kürzere Abschreckzeiten erreichen lassen, die eine höhere Variabilität hinsichtlich des für die jeweils zu behandelnden Werkstücke gewünschten Abschreckverhaltens schaffen. Die Erfindung macht sich dabei die überraschende Erkenntnis zu eigen, daß ein Start des Ventilators bei Drücken unterhalb des Mindestdrucks, ohne die Gefahr von Überschlägen einzugehen, dann möglich ist, wenn der Drehstrommotor mit einer geringeren Versorgungsspannung betrieben wird als für die hinsichtlich der geforderten Kühlgasgeschwindigkeit notwendigen Wellenleistung des Ventilators erforderlich ist. Durch die geringere Versorgungsspannung reduziert sich zudem der Anlaufstrom, so daß ein einen Softstart bewirkendes Anlaufgerät entbehrlich wird. Die geringere Versorgungsspannung reduziert zwar gleichfalls die Motorleistung, diese ist aber aufgrund des noch geringen Druckes im Vakuumofen und der damit einhergehenden geringen Dichte des Kühlgases ausreichend, um den Ventilator anlaufen zu lassen. Bei Erreichen des Mindestdrucks im Vakuumofen wird der Ventilator mit der höheren Versorgungsspannung betrieben. Da sich der Ventilator zu diesem Zeitpunkt bereits mit seiner Nenndrehzahl dreht, steht beim Umschalten auf die höhere Versorgungsspannung unverzüglich die zum Abschrecken erforderliche Wellenleistung zur Verfügung, ohne daß - wie im Stand der Technik - eine Beeinträchtigung des Abschreckeffektes infolge eines durch das Anlaufen des Ventilators bedingten Zeitverlustes auftritt. Hierbei kommt in besonderem Maße zum Tragen, daß infolge des Drehens des Ventilators bereits vor Erreichen des Mindestdrucks im Vakuumofen kinetische Energie im Ventilator gespeichert ist, die sich beim Umschalten auf die höhere Versorgungsspannung als Schwungradeffekt bemerkbar macht. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung trägt darüber hinaus aufgrund der geringeren Anlaufströme zu einem in wirtschaftlicher Hinsicht günstigeren Stromverbrauch bei und führt überdies dazu, daß bei vergleichbarer Abschreckleistung auf sehr hohe, nur aufwendig zu realisierende Abschreckdrücke verzichtet werden kann.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn am Drehstrommotor die Netzspannung angelegt und durch einen Transformator von der höheren auf die niedrigere Versorgungsspannung und umgekehrt herab- bzw. heraufgesetzt wird. Die Spannungstransformation mit einem Transformator ist vergleichsweise kostengünstig und ermöglicht, daß bereits bestehende Wärmebehandlungsanlagen auf einfache Art und Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgerüstet werden können. Zu dem gleichen Zweck wird vorgeschlagen, daß der Drehstrommotor oberhalb des Mindestdrucks mit einer Versorgungsspannung von ca. 400 V und unterhalb des Mindestdrucks mit einer Versorgungsspannung von ca. 230 V betrieben wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die am Drehstrommotor anliegende Versorgungsspannung in Abhängigkeit von dem im Vakuumofen herrschenden Druck und/oder der durch den Drehstrommotor fließenden Stromstärke umgeschaltet, um eine möglichst einfache und automatisierbare Verfahrensführung sicherzustellen. In Weiterbildung der Erfindung wird zudem ein Mindestdruck von 750 mbar vorgeschlagen, so daß der Motorleistung der gängigsten Drehstrommotoren für in Vakuumöfen eingesetzte Ventilatoren Rechnung getragen wird.
Um leistungsstarke Drehstrommotoren verwenden zu können, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Drehstrommotor mit Wasser gekühlt. Eine einfache Regelung des Kühlgasstroms läßt sich dadurch erreichen, daß in vorteilhafter Weise die Drehzahl des Ventilators oberhalb des Mindestdrucks in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlgasgeschwindigkeit variiert wird. Schließlich wird vorgeschlagen, daß der Ventilator beim Drücken im Vakuumofen bis zu 20 bar betrieben wird, um bei hinreichender Abschreckleistung den jeweiligen Anforderungen entsprechende Kühlgasdrücke zu gewährleisten.
Einzelheiten und weitere Vorteile des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, beispielhaften Beschreibung des Einsatzhärtens von metallischen Werkstücken.
Das Einsatzhärten dient dazu, der Randschicht metallischer Werkstücke eine wesentlich höhere Härte und somit dem Werkstück insgesamt bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Zu diesem Zweck wird die Randschicht zunächst je nach den geforderten Gebrauchseigenschaften mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff angereichert und anschließend von einer zweckentsprechenden Härtetemperatur auf Raumtemperatur oder darunter abgeschreckt. Ein in verfahrenstechnischer Hinsicht und praxisgerechtes Einsatzhärten läßt sich dann erreichen, wenn sowohl das Aufkohlen bzw. Carbonitrieren als auch das anschließende Härten in einem Vakuumofen durchgeführt wird, der einen einfachen Austausch gasförmiger Wärmebehandlungsmedien gestattet.
Nachdem die zu behandelnden Werkstücke in dem Vakuumofen zum Beispiel aufgekohlt worden, läßt sich durch Evakuieren des gasförmigen Aufkohlungsmediums und anschließendem Fluten des Vakuumofens mit einem inerten Kühlgas der Härteprozeß unmittelbar anschließend, ohne daß es erforderlich ist, die Werkstücke in eine andere Ofenkammer zu transportieren. Zum Härten der Werkstücke ist in dem Vakuumofen ein elektrisch angetriebener Ventilator vorgesehen, der einen Kühlgasstrom mit einer den jeweiligen Erfordernissen entsprechenden Kühlgasgeschwindigkeit erzeugt. Der Kühlgasstrom schreckt die zu behandelnden Werkstücke von der Härtetemperatur auf Raumtemperatur oder darunter ab.
Zum Antrieb des Ventilators ist ein Drehstrommotor mit einer Nennleistung von 200 kW vorgesehen, der bei einem Druck im Vakuumofen von weniger als 750 mbar mit einer Versorgungsspannung von 230 V und bei einem Ofendruck von mehr als 750 mbar mit einer Versorgungsspannung von 400 V betrieben wird. Durch einen Anlaßtransformator wird die Versorgungsspannung auf 230 V reduziert. Bei Erreichen eines Drucks im Vakuumofen während des Flutens mit Kühlgas von ca. 750 mbar wird von 230 V auf 400 V umgeschaltet. So lange der Drehstrommotor mit einer Spannung von 230 V versorgt wird, beträgt die Motorleistung lediglich ein Drittel der bei 400 V Versorgungsspannung zur Verfügung stehenden Motorleistung, vorliegend also 73,3 kW. Dies hat zur Folge, daß der Motorbemessungsstrom von einem Wert von 400 A bei einer Motorleistung von 220 kW auf etwa die Hälfte des ursprünglichen Wertes abnimmt. Beim Start des Ventilators ergeben sich folglich im gleichen Maße reduzierte Anlaufströme, die auf diese Weise zu keiner Beeinträchtigung des Stromnetzes führen. Messungen ergaben, daß der maximal auftretende Anlaufstrom bei 1500 A liegt, welcher für einen Zeitraum von 1-2 s auftritt. Aufgrund der niedrigeren Anlaufströme ist zudem ein vergleichsweise geringer Stromverbrauch sichergestellt.
Die auf 230 V reduzierte Versorgungsspannung hat ferner zur Folge, daß die Gefahr von Überschlägen, die bei einer Motorleistung von 220 kW bei Drücken unterhalb von 750 mbar ansonsten vorhanden wäre, ausgeschlossen wird. Schließlich trägt die auf 230 V reduzierte Versorgungsspannung dazu bei, daß der Ventilator bereits bei Drücken unterhalb von 150 mbar anlaufen kann und bei Erreichen des letztgenannten Druckes somit die vollen Wellenleistung zur Verfügung steht.
Das Bild 1 zeigt den zeitlichen Ablauf bezüglich des Ofendrucks, der Ventilatordrehzahl und der Versorgungsspannung gemäß dem bisherigen Stand der Technik und gemäß der Erfindung für die Einleitung des Abschreckvorganges.
Da das bisher übliche Füllen des Abschreckbehälters auf einen Mindestdruck zum Anlaufen des Ventilatormotors entfällt, kann der gewählte Gasabschreckdruck ohne Zeitverzögerung aufgebracht werden. Dies führt zu einem schnelleren Beginn der Abkühlung mit maximaler Abkühlleistung, was einen entsprechenden Zeitvorteil bei der Erreichung einer angestrebten Abkühlendtemperatur bedingt. Dies führt bei gleichen Bauteil-Werkstoff-Kominationen zu einem im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik verbesserten Abschreckergebnis.
Das Bild 2 zeigt entsprechende Meßkurven bezüglich der Abkühlung mit und ohne Verwendung der Erfindung.
Das durchgehende Füllen des Abschreckbehälters bewirkt außerdem eine erheblich schnellere Abkühlung der Gastemperatur innerhalb der ersten Minuten der Kühlung, wodurch sich ein vergrößerter Wärmeübergang ergibt. Dieses Voreilen in der Abkühlung der Gastemperatur unter Einsatz der Erfindung ist im Bild 3 dargestellt.
Da besonders Einsatzstähle eine relativ niedrige Härtbarkeit besitzen und daher zur Erreichung eines ausreichenden Abschreckergebnisses eine sehr schnelle Abkühlung innerhalb der ersten Minute benötigen, ist diese Erfindung für diesen Anwendungsfall besonders geeignet.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, bei dem durch einen Ventilator ein Kühlgasstrom in einer evakuierbaren Abschreckkammer eines Ein- oder Mehrkammerofens zum Abschrecken der Werkstücke erzeugt wird, wobei der Ventilator durch einen Drehstrommotor angetrieben wird, der oberhalb eines hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks in der Abschreckkammer mit einer vorgegebenen Versorgungsspannung betrieben wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator bei einem Druck in der Abschreckkammer gestartet wird, der geringer als der Mindestdruck ist, wobei der Drehstrommotor bis zum Erreichen des Mindestdrucks in der Abschreckkammer mit einer zweiten, geringeren Versorgungsspannung betrieben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Drehstrommotor die Netzspannung angelegt und durch einen Transformator von der höheren auf die niedrigere Versorgungsspannung und umgekehrt herab- bzw. heraufgesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor oberhalb des Mindestdrucks mit einer Versorgungsspannung von ca. 400 V und unterhalb des Mindestdrucks mit einer Versorgungsspannung von ca. 230 V betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die am Drehstrommotor anliegende Versorgungsspannung in Abhängigkeit von dem in der Abschreckkammer herrschenden Druck und/oder der durch den Drehstrommotor fließenden Stromstärke umgeschaltet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Mindestdruck im Bereich von 500 - 1200 mbar.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor mit Wasser gekühlt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Ventilators oberhalb des Mindestdrucks in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlgasgeschwindigkeit variiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator bei Drücken in der Abschreckkammer von bis zu 40 bar betrieben wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte zum Abschrecken der Werkstücke
    a) Einleiten der Gasabschreckung durch Anlaufen des Drehstrommotors des Ventilators bei einem Druck unterhalb von 750 mbar mit einer Spannung, die geringer als die Nennversorgungsspannung des Motors, vorzugsweise zwischen 80% und 40% der Nennversorungsspannung, ist,
    b) Hochlaufen des Ventilators auf Nenndrehzahl,
    c) Fluten der Abschreckkammer mit dem Abschreckgas und Einstellen des Abschreckdrucks in der Abschreckkammer auf einen Wert zwischen 1 und 40 bar,
    d) im wesentlichen gleichzeitige Umschaltung der Versorgungsspannung auf die Nennversorgungsspannung des Motors bei Erreichen eines Drucks > 750 mbar in der Abschreckkammer, sowie
    e) nach Beendigung der Gasabschreckung Lüften der Abschreckkammer auf Atmosphärendruck und Entnehmen der Werkstücke.
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