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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur
trockenen Umwandlung eines Material-Gefüges von Halbzeugen nach den
Ansprüchen
1 und 11.
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Zur
Verbesserung der Materialeigenschaften metallischer Bauelemente
ist es bekannt, mittels Wärmebehandlungsverfahren
deren Materialgefüge zu
beeinflussen. Neben einer ganzen Vielzahl von Metallen eignen sich
für solche
Behandlungsverfahren insbesondere Stähle, von denen wiederum beispielsweise
100Cr6 gerne mit solchen Zwischenstufenvergütungsverfahren behandelt wird.
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Bezogen
auf 100Cr6 wird beispielweise zuerst eine Erhitzung des Materials
in einen Temperaturbereich von etwa 850 °C durchgeführt, so dass sich in dem Material
das sogenannte Austenit-Gefüge
einstellt. Anschließend
müssen
die so erhitzten Bauteile in ihrer gesamten Körpertemperatur, also auch im
Inneren der Bauteile, sehr rasch auf die Zwischenstufen-Vergütungstemperatur
abgeschreckt werden. Bevorzugt wird hier ein Temperaturbereich von
ca. 220 °C,
bei der sich das sogenannte Bainit-Gefüge einstellt. Diese Temperatur
liegt jedoch nur geringfügig
oberhalb der sogenannten Martensit-Starttemperatur, auf die die
Werkstücke
während des
Gefügeumwandlungsprozesses
auf keinen Fall abkühlen
dürfen,
da dies massive Störungen
des gewünschten,
besonders vorteilhaften Bainit-Gefüges zur Folge haben würde.
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Andere
Störungen
der Ausbildung des Bainit-Gefüges
können
durch zu langsames Abkühlen der
Bauteile hervorgerufen werden. Insbesondere ist hier der Perlit-Gefügebereich
zu nennen. Perlit-Gefüge
stellt sich in etwa zwischen 730 °C
und 470 °C
bei längerem
Verweilen des Materials in diesem Temperaturbereich ein. Eine weitere
Störung
stellt der sogenannte kontinuierliche Bainit-Bereich dar, dessen oberer
Temperaturbereich sich mit dem unteren Temperaturbereich zur Ausbildung
des Perlit-Gefüges überschneidet.
Sein unterer Temperaturbereich reicht, abhängig von der Verweildauer des
Materials bis in die Nähe
des Banitisierungsbereiches hinunter.
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Um
die Ausbildung derartiger, unerwünschter
Gefüge
in den zu behandelnden Bauteilen zu verhindern, wird eine Abkühlzeit für das gesamte
Bauteil, also sowohl außen
als auch innen im Kern, von 35 Sekunden bis 40 Sekunden als erforderlich
angesehen.
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Zur Überwindung
der aus den bisher gebräuchlichen
Salzbad-Abkühlverfahren
bekannten Nachteile, wie z.B. hohe Umweltschädlichkeit, Reinheitsprobleme
des Salzbades, Reinigungsprobleme bei den Bauteilen und Kostenintensität, wurden
sogenannte trockene Zwischenstufen-Vergütungsverfahren entwickelt.
Hierbei werden die Bauteile in einem Innenraum einer Abschreckkammer
mittels eines in seiner Temperatur geregelten Gases abgeschreckt.
Um die dabei freigesetzte enorme Energie abführen zu können, wird der Innenraum der
Abschreckkammer mit einem entsprechenden Gasstrom beaufschlagt.
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Zur
Temperaturregelung dieses Gasstroms wird z.B. in der
DE 100 44 362 C2 eine Variierung
einer effektiv überströmten Fläche eines
das Gas kühlenden
Wärmetauschers
vorgeschlagen. In einem anderen Verfahren wird eine aktive Regelung
der Gastemperatur mittels zwei parallel geschalteten Gas-Strömungskanälen vorgeschlagen,
wovon ein Kanal gekühlt
und der andere beheizt wird. Über
Ventile sollen dabei die Strömungsanteile
des warmen und kalten Kanals entsprechend eingestellt werden, um
die Gastemperatur zu regeln.
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Beide
Verfahren sind jedoch mit dem Problem behaftet, dass, je nach Verhalten
der Regelstrecke, die Gastemperatur um die Sollwerttemperatur (Zwischenstufenvergütungstemperatur)
zumindest vorrübergehend
herumpendelt. Es kann daher nicht ausgeschlossen werden, dass die
Gastemperatur kurzzeitig die Martensit-Starttemperatur unterschreitet
und damit die Gefügeausbildung
z.B. von Bainit in den Bauteilen zumindest gefährdet, wenn nicht sogar verhindert.
Dies deshalb, da die Randbereiche eines Bauteils, insbesondere dünnwandige
Stellen, Ecken oder Gewindegänge
sehr schnell die Gastemperatur annehmen.
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Aufgabe und
Vorteile der vorliegenden Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Anlage zur trockenen Umwandlung eines Material-Gefüges von
Halbzeugen zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Anlage zur trockenen Umwandlung
eines Material-Gefüges
der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale
der Ansprüche
1 und 11 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen
genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen
der Erfindung möglich.
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Dementsprechend
können
Heiz- und/oder Kühlmittel
einer Anlage zur trockenen Umwandlung eines Material-Gefüges von Halbzeugen
gemäß der vorliegenden
Erfindung als Heiz- und/oder
Kühlmittel einer
einen Innenraum einer Abschreckkammer begrenzenden Wandung ausgebildet
sein, so dass die Innenwandung der Abschreckkammer wenigstens teilweise
eine Heiz- und/oder Kühlfläche umfasst. Dadurch
kann die Temperatur in der Abschreckkammer vorrangig und überwiegend
von der Temperatur der den Innenraum begrenzenden Kammerwand bestimmt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Abschreckkammer dabei doppelwandig ausgebildet und mit einem
Wärmeaustausch-Fluid gefüllt. Das Beheizen
des Innenraums der Abschreckkammer bzw. auch ein ggf. erforderliches
Kühlen
kann somit einfach durch Einflussnahme auf die Temperatur des Wärmeaustausch-Fluids
erfolgen. Insbesondere kann hierzu eine Regelung vorgesehen sein,
die ggf. noch zusätzliche
Regelparameter zur Konstanthaltung der Temperatur im Innenraum der
Abschreckkammer berücksichtigt.
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Dieser
Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Temperatur
einer ausreichend großen
Masse zumindest für
eine begrenzte Zeit leichter zu stabilisieren ist, als ein während des
Abschreckvorgangs verschiedenen, zum Teil voneinander unabhängigen Temperaturein-
und austrägen ausgesetztes
Gas im Innenraum der Abschreckkammer bzw. eines die Abschreckkammer
durchströmenden
Gasstroms. Als begrenzte Zeit wird hierbei insbesondere die für den Abschreckvorgang
und für
die Be- bzw. Entladung
der Abschreckkammer mit dem abzuschreckenden Material erforderliche
Zeit betrachtet.
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Insbesondere
wurde hier erkannt, dass die bisher in den bekannten Vorrichtungen
genutzte Wärmeabfuhrmöglichkeit
durch die sogenannten „kalten
Abschreckkammern" (hierbei
handelt es sich um Abschreckkammern mit Raumtemperatur, die mit einem
Kühler
in der Form eines mit Kühlwasser
betriebenen Wärmetauschers
für den
Gasstrom betrieben werden) einen Regelparameter darstellt, der aufgrund
seiner unterhalb des einzuregelnden Bereichs liegenden Temperatur
mit verantwortlich für
das Pendeln der Gastemperatur während
des Abschreckvorgangs ist.
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Durch
Anheben der Temperatur des Innenraums der Abschreckkammer von der
bisher üblichen,
die Abschreckkammer umgebenden Raumtemperatur auf die gewünschte,
einzuregelnde Abschrecktemperatur, entfällt zwar der bisher nutzbare, zusätzliche
Kühleffekt
während
des Abschreckvorgangs. Demgegenüber
steht jedoch der enorme Vorteil, dass durch ein derartiges Anlagenkonzept
ein Unterschreiten der im Innenraum der Abschreckkammer herrschenden
Gastemperatur während
des gesamten Abschreckvorgangs zuverlässig verhindert wird. Damit
kann sichergestellt werden, dass die abzuschreckenden Halbzeuge
während
des Abschreckvorgangs zu keiner Zeit in ihrer Temperatur bis in
den Bereich der Martensit-Starttemperatur
abfallen und somit die Ausbildung des Bainit-Gefüges stören oder
sogar verhindern könnten.
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Insbesondere
trägt hierzu
bei, dass die Heiz- und/oder Kühlmittel
der den Innenraum der Abschreckkammer begrenzenden Wandung dieser Wandung
zumindest während
des Abschreckvorgangs für
die Halbzeuge wenigstens annähernd
die für
die Gefügeumwandlung
der Halbzeuge vorgesehen Temperatur aufprägen.
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Zur
besseren Temperaturstabilisierung des den Abschreckvorgang bewirkenden
Gases im Innenraum der Abschreckkammer kann die Anlage in einer
bevorzugten Ausführungsform
weiterhin Mittel zur Konstanthaltung der Temperatur, insbesondere
in der Abschreckkammer, umfassen.
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Ein
erstes Mittel zur Konstanthaltung der Gastemperatur stellt selbstverständlich die
den Innenraum der Abschreckkammer begrenzende Wandung dar. Diese
kann sowohl aufgrund ihrer Masse als auch durch die ihr aufgeprägte Temperatur
bereits eine erste Temperaturstabilisierung bewirken. Weiterhin
kann durch eine gute Wärmeleiteigenschaft, über welche
sie den beim Abschreckprozess durch die hoch erhitzten Halbzeuge
verursachten Wärmeeintrag
vom Innenraum der Abschreckkammer nach außen hin ableitet, eine zusätzliche
Temperaturstabilisierung erreicht werden.
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In
einer nächsten
Ausführungsform
kann ein solches Mittel zur Konstanthaltung der Gastemperatur im
Innenraum der Abschreckkammer ein Fluid sein, mit welchem die den
Innenraum der Abschreckkammer begrenzende Wandung temperiert wird.
Als Wärmefluid
oder auch Wärmeaustausch-Fluid
kann z.B. ein Wärmeträger-Öl verwendet
werden.
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Eine
Erhöhung
dieser Wirkung kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden,
dass das Wärmeaustausch-Fluid
umgewälzt
wird, beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist als ein weiteres Mittel zur Konstanthaltung der Temperatur beispielsweise
ein den Innenraum der Abschreckkammer durchströmender Gasstrom vorgesehen. Dieser
sorgt ebenfalls für
eine rasche Abfuhr des Wärmeeintrags
aus dem Innenraum der Abschreckkammer, und für zusätzliche Kühlung der abzuschreckenden
Halbzeuge durch nachströmendes,
entsprechend temperiertes Gas.
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In
vorteilhafter Weise kann dieses Gas selbst wiederum in seiner Temperatur
durch ein Wärmetausch-Fluid
beeinflusst werden. Besonders bevorzugt kann dabei auch dieser Gasstrom
auf die für
den Abschreckprozess vorgesehene und der Innenwandung der Abschreckkammer
aufgeprägte
Temperatur eingestellt werden. Ggf. kann somit mit einem Wärmetausch-Fluid, und damit
mit einer Temperaturregelung sowohl die Wandung der Abschreckkammer
als auch die Temperatur des Gasstroms temperiert werden.
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Für eine weitere,
bedeutende Verbesserung der Temperaturstabilisierung kann die Anlage
in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weiterhin eine Kühleinheit
umfassen. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen sogenannten
Regenerator handeln, welcher gegenüber der vorgesehenen Abschrecktemperatur
mit einem Energiegehalt abgekühlt
wird, der in etwa dem Energiegehalt entspricht, welcher durch eine
abzuschreckende Charge von Halbzeugen in die Abschreckkammer eingebracht wird.
Um möglichst
rasch den von den hoch erhitzten Halbzeugen in die Abschreckkammer
eingetragenen Energiegehalt dem Gasstrom wieder entziehen zu können, kann
die Kühleinheit
vorzugsweise ebenfalls dem die Abschreckkammer durchströmenden Gasstrom
ausgesetzt angeordnet sein.
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Um
einen möglichst
stabilen Abschreckprozess zu erreichen, kann die Kühleinheit
eine derartige Wärme-Speichermasse
aufweisen und/oder aus einem derartigen Material bestehen, dass,
während des
Abschreckvorgangs, ein Temperaturausgleich der vergleichsweise tiefer
temperierten Kühleinheit mit
der Temperatur des die Abschreckkammer durchströmenden Gases in etwa in der
gleichen Zeit erfolgt, wie der Temperaturausgleich zwischen dem
in der Abschreckkammer abzuschreckenden, höher temperierten Halbzeug und
eben diesem Gas. Insbesondere wird es dabei als vorteilhaft angesehen, wenn
auch die Oberfläche
der Kühleinheit
derart ausgebildet ist, dass sie den eben beschriebenen, vorzugsweise
annähernd
gleich raschen Temperaturausgleich für die Charge der abzuschreckenden Halbzeuge
und die Kühleinheit
unterstützt.
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Vorzugsweise
eignen sich hierzu großflächige Oberflächen dickwandiger,
ggf. zusätzliche
Kühlrippen
und/oder -Körper
aufweisende Rohrbündel aus
gut leitendem Material, wie z.B. Kupfer.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und
wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 und 2:
schematische Darstellungen einer Anlage zur trockenen Umwandlung
eines Materialgefüges
von Halbzeugen,
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3:
ein Diagramm, mit darin aufgetragenen Temperaturverläufen der
Außen-
und Innentemperatur eines abzuschreckenden Halbzeuges sowie drei
nicht erwünschte
Gefügebereiche
in einem Zeit-/Temperaturdiagramm, und
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4:
ein weiteres Zeit-/Temperaturdiagramm mit einer beispielhaft dargestellten
Bauteiletemperaturkurve, der für
die Gefügeumwandlung
vorgesehenen Temperaturkurve und einer Temperaturkurve eines Temperaturstabilisierungselementes
der Vorrichtung.
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Im
Detail zeigt nun die 1 einen schematischen Aufbau
einer Anlage 1 zur trockenen Umwandlung eines Materials-Gefüges von
Halbzeugen mittels einer Abschreckkammer 2. Das Herzstück der doppelwandig
ausgebildeten Abschreckkammer 2 bildet deren Innenraum 4,
welcher mit einer Charge abzuschreckenden Halbzeugs 7 beladen
ist.
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Zur
Temperatureinstellung des sich im Innenraum 4 der Abschreckkammer 2 befindenden
und den Abschreckvorgang des Halbzeugs bewirkenden Gases ist zwischen
einer Innenwand 5 und einer Außenwand 6 der doppelwandigen
Abschreckkammer 2 als Heiz- und/oder Kühlmittel 3 ein Wärmetausch-Fluid
vorgesehen.
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Zur
besseren Temperaturverteilung bzw. auch zur besseren Aufnahme bzw.
Abgabe von Wärme
kann dieses Wärmetausch-Fluid 3 mit
einem Fluid-Kreislauf beaufschlagt werden, insbesondere eignet sich
dazu eine Pumpe 8 die den Fluid-Kreislauf beispielsweise
entsprechend der Pfeilrichtung 9 antreiben kann.
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Durch
diesen dem Heiz- und/oder Kühlmittel aufgeprägten Kreislauf
kann die den Innenraum begrenzende Wandung 5 gleichmäßig temperiert
und auf die für
die Zwischenstufenvergütung
vorgesehene Temperatur eingestellt werden. Damit wird aber auch
das im Innenraum 4 befindliche, und den Abschreckvorgang
für die
Halbzeuge bewirkende Gas auf diese Temperatur eingestellt.
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Erfindungsgemäß ist nun
die Temperatur der den Innenraum 4 begrenzenden Wandung 5 genau auf
diese Zwischenstufenvergütungstemperatur
eingestellt, so dass zuverlässig
gewährleistet
ist, dass in den Innenraum 4 ein einzubringendes, abzuschreckendes
Halbzeug zu keiner Zeit unter diese Temperatur abfällt und
damit ist auch sichergestellt, dass keine Störungen der Material-Gefügeumwandlung durch
Unterschreiten z.B. der Martensit-Starttemperatur möglich ist.
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Die
Heiz- und/oder Kühlmittel
der den Innenraum 4 begrenzenden Wandung 5 sind
dabei so ausgelegt, dass sie zumindest während des Abschreckvorgangs
für die
Halbzeuge die für
die Gefügeumwandlung
vorgesehene Temperatur zuverlässig
aufrecht erhalten.
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Um
eine Konstanthaltung der Temperatur im Innenraum 4 der
Abschreckkammer gewährleisten zu
können,
kann die Anlage weiterhin entsprechende Mittel umfassen. Derartige
Mittel zur Konstanthaltung der Temperatur im Innenraum 4 können z.B.
die den Innenraum begrenzende Wandung 5, ein diese Wandung 5 temperierendes
Wärmetausch-Fluid 3,
ein den Innenraum 4 durchströmender Gasstrom und ein diesen
Gasstrom temperierendes Wärmetausch-Fluid
sein.
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Im
vorliegenden Beispiel kann ein solcher Gasstrom dem Innenraum 4 der
Abschreckkammer 2 über
die Gasleitung 11 mit einem darin angeordneten Gebläse 12 beaufschlagt
werden. Die Nummer 13 bezeichnet in diesem Ausführungsbeispiel
den für die
Konstanthaltung der Gastemperatur vorgesehenen, ebenfalls in diesem
Gaskreislauf angeordneten Wärmetauscher.
Eine beispielhafte Gasstromrichtung ist durch den Pfeil 14 symbolisiert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das den Gasstrom-Wärmetauscher 13 temperierende
Fluid ebenfalls von einer Heiz- und/oder Kühleinheit 15 versorgt
werden, die bereits das Wärmetausch-Fluid 3 zur
Temperierung der Innenwand 5 der Abschreckkammer 2 bewirkt.
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In
einer demgegenüber
abgewandelten Ausführungsform
entsprechend der 2 kann bei ansonsten gleichen
Aufbau zusätzlich
eine Kühleinheit 16 vorgesehen
sein, die die von dem hoch erhitzten Halbzeug in den Innenraum 4 eingebrachte
Energie rasch aufnehmen kann. Dadurch kann der den Innenraum 4 der
Abschreckkammer 2 durchströmende Gasstrom auch bei einer
größeren Masse
eingebrachter Halbzeuge im Wesentlichen konstant auf der für die Zwischenstufenvergütung vorgesehene Temperatur
gehalten werden. Insbesondere vorteilhaft ist es hierbei, wenn diese
Kühleinheit 16 derart
in den Gasstrom eingebracht und von diesem umströmt wird, dass ein möglichst
rascher Temperaturausgleich durch die Wärmeaufnahme aus dem durch die Charge
erhitzten Gasstrom möglich
ist.
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Der
vor dem Abschreckprozess auf eine sogenannte Regenerierungstemperatur
herunter gekühlte
Kühlkörper 16 kann
die von der Charge während
des Abschreckprozesses abgegebene Wärme insbesondere dann gut aufnehmen
bzw. kompensieren, wenn auch die Oberfläche, die Speichermasse und
das Material gut für
eine rasche Wärmeaufnahme
aus dem Gasstrom ausgebildet sind. Beispielsweise eignen sich hierfür gut Rohrbündel aus
entsprechend dickwandigem Kupfer, die sowohl eine rasche Wärmeleitung
als auch eine gute Wärmespeichermasse
aufweisen. Zur Vergrößerung der
Oberfläche
können
die Rohre sogar noch berippt ausgebildet werden um einen noch rascheren
Temperaturausgleich zu bewirken.
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Die
Kühleinheit 16 wird
vorzugsweise diskontinuierlich betrieben. Damit ist es möglich die Kühleinheit 16 genau
um die Energiemenge abzukühlen,
die durch die anschließend
eingebrachte Charge als Überschussenergie
eingebracht wird und von ihr aufzunehmen ist.
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Die 3 zeigt
ein Zeit-/Temperaturdiagramm mit einer Bauteileinnentemperaturkurve (BT-I)
und einer Bauteile-Außentemperaturkurve (BT-A).
Diese beiden Temperaturkurven treffen sich etwa im Bereich von 220 °C, wobei
die Bauteileinnentemperatur (BT-I) derart verläuft, dass sie weder den Perlit-Bereich
P noch den Bereich für
kontinuierliches Bainit (kB) durchläuft. Weiterhin ist daraus zu
erkennen, dass die Bauteiletemperatur, also die Temperatur der Halbzeuge,
zu keiner Zeit unter die Zwischenstufenvergütungstemperatur von 220 °C absinkt.
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Der
Temperaturbereich um etwa 200 °C
stellt den Martensit-Starttemperatur-Bereich
(M-ST-T) dar, unterhalb dessen sich während des Abschreckvorgangs
das die Ausbildung des gewünschten
Bainit-Material-Gefüges
zumindest massiv störende, wenn
nicht verunmöglichende
Martensit-Gefüge
im Halbzeug ausbildet. Die Temperaturskala erstreckt sich in diesem
Diagramm von 0 bis 900 °C,
die Zeitskala von 0 bis 90 Sekunden.
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In
der 4 sind über
die gleichen Temperatur-/Zeitskalen eine mittlere Bauteiletemperatur
(BT), die Bainitisierungstemperatur (B) und die Temperatur (RT)
der Kühleinheit,
in diesem Fall Regenerator genannt, aufgetragen. Hieraus ist erkennbar,
dass ein Ausgleich der Bauteiletemperatur (BT) mit der für die Zwischenstufenvergütung des
Halbmaterials vorgesehenen Vergütungs-Temperatur,
hier Bainitisierungstemperatur, in etwa gleich rasch abläuft, wie
der Temperaturausgleich der vorgekühlten Kühleinheit 16, ebenfalls
mit dieser Zwischenstufenvergütungstemperatur.
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Weiterhin
ist dabei erkennbar, dass die Kühleinheit 16 geringfügig rascher
die Bainitisierungstemperatur erreicht als die Bauteile, wodurch
wiederum sichergestellt ist, dass die Bauteile in keinem Fall unter
die Bainitisierungstemperatur abgekühlt werden können.