DE4100989A1 - Verfahren zur waermebehandlung in vakuumoefen - Google Patents
Verfahren zur waermebehandlung in vakuumoefenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von
Werkstücken im Vakuumofen unter Verwendung von Wasserstoff.
Bei der Wärmebehandlung von Werkstücken im Vakuumofen werden
die Werkstücke häufig zuerst mit Hilfe eines Gases konvektiv
erwärmt, um eine schnelle und gleichmäßige
Temperaturerhöhung im Werkstück zu erzielen. Anschließend
erfolgt im Vakuum die Aufheizung des Werkstückes über
Strahlungstransport. In vielen Anwendungsfällen ist nach der
Wärmebehandlung ein schnelles Abkühlen der Werkstücke
erwünscht, um z. B. bei Stahlwerkzeugen einen hohen Härtegrad
zu erreichen. Dazu wird unter hohem Druck ein Gas in den
Ofen geleitet, das in kurzer Zeit eine große Wärmemenge von
den Werkstücken abführt.
Um eine effektive Erwärmung bzw. Abkühlung zu erreichen, muß
im Ofen eine Gasströmung hergestellt werden, über die der
Wärmeaustausch stattfindet. Physikalische Parameter, wie
Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Geschwindigkeit der Gase
bei den herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen im
Ofen bestimmen die Güte dieses Wärmetransports. Die Gase
sollen außerdem die Wärme transportieren, ohne chemisch mit
den Werkstücken oder der Umgebungsatmosphäre zu reagieren.
Schließlich müssen die Gase in großer Menge preisgünstig
erhältlich und sicherheitstechnisch unbedenklich sein.
Zur konvektiven Erwärmung und zur Hochdruck-Gasabschreckung
im Vakuumofen werden deshalb in erster Linie die beiden
Inertgase Stickstoff und Helium einzeln oder im Gemisch
verwendet. Nach physikalisch-technischen Aspekten ist jedoch
Wasserstoffgas, das in großen Mengen einfach herstellbar
ist, günstiger. Die Abkühl- bzw. Aufheizzeiten sind bei
Verwendung von Wasserstoff im Vergleich zu Helium um fast
20%, im Vergleich zu Stickstoff um etwa 30% verkürzt. Dies
hat eine höhere Geschwindigkeit des Verfahrensablaufs zur
Folge, die produktionstechnisch erwünscht ist. Außerdem kann
beispielsweise durch die verkürzte Abkühlzeit bei der
Hochdruck-Gasabschreckung ein höherer Härtegrad der
behandelten Stahlwerkstücke erzielt werden.
Sicherheitstechnisch hat Wasserstoff jedoch den Nachteil,
innerhalb bestimmter Konzentrationsgrenzen mit dem
Sauerstoff der Luft ein explosives Gemisch zu bilden. Die
untere Explosionsgrenze liegt für das Gemisch
Wasserstoff/Luft bei einer Wasserstoffkonzentration von etwa
4 Vol%, die obere bei über 70 Vol%.
Bei der Verwendung von Wasserstoff als Gas für die
konvektive Erwärmung oder für die Hochdruck-Gasabschreckung
im Vakuumofen muß folglich garantiert sein, daß der
Wasserstoff weder innerhalb noch außerhalb des Ofens mit
vorhandenem Sauerstoff der Umgebungsatmosphäre eine
explosive Mischung bilden kann. Im Ofeninneren muß deshalb
vor Einleiten des Wasserstoffs eine sauerstoffreie
Atmosphäre hergestellt werden. Das verbleibende, größte
sicherheitstechnische Risiko sind die Dichtungsstellen des
Vakuumofens. Kleinste Undichtigkeiten aufgrund von Fehlern
oder Altersverschleiß des Dichtungsmaterials führen zum
Ausströmen von Wasserstoff bei Ofenüberdruck oder zum
Einströmen von Sauerstoff aus der Umgebungsluft bei
Ofenunterdruck. Um die Vorteile der Verwendung von
Wasserstoff bei der Wärmebehandlung im Vakuumofen
großtechnisch nutzen zu können, müssen derartige
Sicherheitsrisiken ausgeschaltet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken im Vakuumofen
unter Verwendung von Wasserstoff zu entwickeln, bei dem das
sicherheitstechnische Risiko auf ein Minimum reduziert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an
dem Vakuumofen befindlichen Dichtungsstellen von Kapselungen
umgeben sind, die mit einem Inertgas gespült werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, daß weder im
Ofeninneren noch in der Umgebung des Vakuumofens eine
explosive Wasserstoffanreicherung auftritt. Die Verwendung
von Wasserstoffgas bei der konvektiven Erwärmung und der
Hochdruck-Gasabschreckung kann bei Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens großtechnisch realisiert
werden. Im Falle eines Defektes einer Dichtungsstelle an dem
mit Wasserstoff beladenen Ofen wird beim erfindungsgemäßen
Verfahren Inertgas in den Ofen einströmen, wenn dieser mit
Unterdruck betrieben wird. Das Einströmen von Luft in den
Ofen und damit die Bildung eines explosiven Gemisches wird
ausgeschlossen. Wird eine Anreicherung an Inertgas im
Ofeninneren detektiert, läßt dies auf eine Leckstelle im
Dichtungssystem schließen.
Bei der konvektiven Erwärmung wird der Ofen in der Regel mit
einem Druck zwischen 1,5 und 2,5 bar, bei der Hochdruck-
Gasabschreckung mit bis zu 20 bar betrieben. Liegt dieser
Druck oberhalb des in den Kapselungen herrschenden, so wird
im Falle eines Dichtungsdefektes Wasserstoff in die mit
Inertgas gespülten Kapselungen aus dem Ofen ausströmen. Die
Möglichkeit der explosionsartigen Reaktion des Wasserstoffs
mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft wird beseitigt.
Es ist in diesem Fall vorteilhaft, die Kapselungen auf ihren
Wasserstoffgehalt zu überprüfen. Eine Steuereinrichtung kann
bei Detektion von Wasserstoff in den Kapselungen, die ein
Indiz für eine Undichtigkeit am Ofen darstellt, automatisch
für eine Unterbrechung des Verfahrensablaufs sorgen. Das
Wasserstoffgas wird aus dem Ofen entfernt und die
betreffende Dichtungsstelle wird erneuert.
Zweckmäßig verwendet man als Inertgas Stickstoff, der unter
den herrschenden Bedingungen im Gemisch mit Wasserstoff kein
sicherheitstechnisches Risiko darstellt.
Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel das erfindungs
gemäße Verfahren erläutern.
Bei der Wärmebehandlung im Vakuumofen werden Werkstücke aus
Stahl zunächst im Vakuum geglüht und dann mit einem Gas
unter hohem Druck abgeschreckt. Ein mit einem Elektromotor
betriebener Lüfter sorgt dabei im Ofeninneren für eine
Gasströmung. Das Abschreckgas wird mit einem Druck von etwa
6 bar (absolut) in den Ofen eingeleitet und die Temperatur
im Kern eines Referenzblocks mit den Abmessungen 80×100×240 mm
wird gemessen. Bei Verwendung von Stickstoff hat sich
der Referenzblock nach etwa 12 Minuten von etwa 1000°C auf
400°C abgekühlt. Die Abkühlzeit bei Verwendung von Helium
beträgt etwa 10 Minuten, bei Verwendung von Wasserstoff als
Abschreckgas nur noch etwas über 8 Minuten. Im Vergleich zu
Stickstoff kann die Abschreckzeit bei Verwendung von
Wasserstoff um etwa 30% reduziert werden. Die Stromaufnahme
des den Lüfter betreibenden Elektromotors ist bei
Wasserstoff im Vergleich zu Stickstoff um die Hälfte
reduziert. Bei gleicher Leistungsaufnahme des Elektromotors
kann folglich die Abschreckung mit Wasserstoff mit höheren
Drücken erfolgen als die Abschreckung mit Helium bzw.
Stickstoff. Mit steigendem Druck wird die Abkühlzeit noch
weiter reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet die Sicherheit
bei der Hochdruck-Gasabschreckung mit Wasserstoff im
Vakuumofen. Die damit verbundenen Vorteile geringerer
Abkühlzeiten und geringeren Leistungsverbrauchs des den
Lüfter betreibenden Elektromotors lassen sich bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzen.
Claims (4)
1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken im
Vakuumofen unter Verwendung von Wasserstoff, dadurch
gekennzeichnet, daß die an dem Vakuumofen befindlichen
Dichtungsstellen von Kapselungen umgeben sind, die mit
einem Inertgas gespült werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ofeninnere auf einen Gehalt an Inertgas, mit dem die
Kapselungen gespült werden, überprüft wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kapselungen auf ihren
Wasserstoff-Gehalt überprüft werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff, Argon oder
Kohlendioxid verwendet wird.
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