R Z E C Z P O SP O L IT A P O L S K A Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 184131 (21 ) Numer zgłoszenia: 328784 (22) Data zgłoszenia: 21.09.1998 (13) B1 (5 1) IntCl7: C21D 1/18 F27B 5/04 C23C 8/26 (54)Sposób oraz wielokomorowy piec do hartowania stali nawęglanych i niskostopowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 27.03.2000 BUP 06/00 (73) Uprawniony z patentu: SECO/WARWICK Sp. z o.o., Świebodzin, PL SysThermS GmbH, Wurzburg, DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2002 WUP 09/02 (72) Twórcy wynalazku: Paul Heilmann, Maintal, DE Józef Olejnik, Świebodzin, PL Andrzej Zawistowski, Świebodzin, PL PL 184131 B1 (57) 1. Sposób hartowania stali nawęglanych i niskostopowych, znamienny tym, że przed rozpoczęciem procesu hartowania wytwarza się minusową pojemność cieplna, która jest iloczynem masy, ciepła właściwego oraz różnicy temperatury wychłodzonego przed procesem hartowania wyposażenia chłodniczego o zakresie od minus 40 C do minus 100 C i temperatury wyrównania leżącej poniżej temperatury przemiany martenzytycznej oraz medium chłodzącym, które pomiędzy kolejnymi procesami hartowania schładza do temperatur w zakresie od minus 40 C do minus 100 C, przy czym ilość tego medium musi być taka, aby po obniżeniu temperatury obrabianego wsadu w zakres przemiany martenzytycznej jego temperatura nie wzrosła powyżej temperatury otoczenia, przy czym proces hartowania prowadzi się w azocie i przy ciśnieniu od 10 do 15 bar. fig. 1
Sposób oraz wielokomorowy piec do hartowania stali nawęglanych i niskostopowych Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób hartowania stali nawęglanych i niskostopowych, znamienny tym, że przed rozpoczęciem procesu hartowania wytwarza się minusową pojemność cieplną, która jest iloczynem masy, ciepła właściwego oraz różnicy temperatury wychłodzonego przed procesem hartowania wyposażenia chłodniczego o zakresie od minus 40 C do minus 100 C i temperatury wyrównania leżącej poniżej temperatury przemiany martenzytycznej oraz medium chłodzącym, które pomiędzy kolejnymi procesami hartowania schładza się do temperatur w zakresie od minus 40 C do minus 100 C, przy czym ilość tego medium musi być taka, aby po obniżeniu temperatury obrabianego wsadu w zakres przemiany martenzytycznej jego temperatura nie wzrosła powyżej temperatury otoczenia, przy czym proces hartowania prowadzi się w azocie i przy ciśnieniu od 10 do 15 bar. 2. Sposób hartowania według zastrz. 1, znamienny tym, że chłodzące medium ma niską temperaturę topnienia, duże ciepło właściwe i niską lepkość. 3. Sposób hartowania według zastrz. 1, znamienny tym, że medium chłodzącym jest wodny roztwór glikolu etylowego lub alkoholu etylowego bądź toluenu. 4. Sposób hartowania według zastrz. 1, znamienny tym, że masa wbudowanego metalu i/lub układu obiegu medium chłodzącego z elementami wymuszającymi recyrkulację medium w komorze i poza nią pomnożona przez ciepło właściwe dla tych materiałów i różnicę temperatury wychłodzenia przed hartowaniem i wyrównania powinna być większa od pojemności cieplnej zakumulowanej w obrabianym wsadzie. 5. Wielokomorowy piec próżniowy do hartowania z komorą lub komorami dzielonymi drzwiami, znamienny tym, że piec ma próżniowo-ciśnieniową obudowę (1) dzieloną wewnętrznymi termicznymi drzwiami (4) i próżniowo-ciśnieniowymi drzwiami (5) na dwie części, z których jedna jest grzejną komorą (2) a druga hartowniczą komorą (3), przy czym komora hartownicza (3), poza znanym wyposażeniem, ma co najmniej jeden wymiennik (7) ciepła, o wystarczająco dużej powierzchni wymiany ciepła dla mocy prowadzonego etapu hartowania i ilości wyziębionego chłodzącego medium będącego w układzie recyrkulacji oraz chłodzący pakiet (9) ze znacznej masy metalu o wysokiej przewodności i pojemności ciepła. 6. Wielokomorowy piec próżniowy według zastrz. 5, znamienny tym, że wymiennik (7) ciepła wykonany, jest z rur miedzianych wysokożebrowanych. 7. Wielokomorowy piec próżniowy według zastrz. 5, znamienny tym, że chłodzący pakiet (9) zbudowany jest z płyt (10) zdystansowanych od siebie przekładkami (11). 8. Wielokomorowy piec próżniowy według zastrz. 5, znamienny tym, że przekładki (11) chłodzącego pakietu (9) tworzą szczeliny pozwalające na swobodny obiegowy przepływ gazu chłodzącego. 9. Wielokomorowy piec próżniowy według zastrz. 5, znamienny tym, że chłodzący pakiet (9) jest tak umiejscowiony, że wymiana ciepła pomiędzy pakietem (9) a gazem chłodzącym jest szybka, a gaz ma ruch, najkorzystniej turbulentny. 10. Wielokomorowy piec próżniowy według zastrz. 5, znamienny tym, że próżniowociśnieniowa obudowa (1) jest cylindryczna, przy czym próżniowa grzejna komora (2) oddzielona jest od hartowniczej komory (3) wewnętrznymi drzwiami termicznymi (4), a hartownicza komora (3) od strony grzejnej komory (2) zamykana jest próżniowo-ciśnieniowymi drzwiami (5) wyposażonymi w uszczelnienie (6). 11. Wielokomorowy piec próżniowy według zastrz. 5, znamienny tym, że chłodzący pakiet (9) jest wyposażony w odparowywacz (12).
184 131 3 Przedmiotem wynalazku jest sposób hartowania wyrobów ze stali po procesie nawęglania czy węgloazotowania próżniowego lub plazmowego oraz stali niskostopowych, a także wielokomorowy piec próżniowy, w którym prowadzony jest proces obróbki cieplnej i hartowanie. Według znanych sposobów opisanych w patentach USA nr 4867708 i RFN nr 3736501, proces hartowania stali niskostopowych oraz proces hartowania po nawęglaniu próżniowym prowadzi się przy użyciu helu, wodoru lub mieszanin tych gazów, przy ciśnieniu 10-40 bar. Znane są także rozwiązania, gdzie w celu przyspieszenia chłodzenia w piecach jednoko morowych, gaz chłodzący wprowadza się we wnętrze wsadu lub proces chłodzenia prowadzi się poza komorą grzejną. Co do pieców hartowniczych, to znane są piece wielokomorowe gdzie w jednej komorze próżniowej będącej komorą grzejną, prowadzi się nagrzewanie i wygrzewanie wsadu aby po przesunięciu do drugiej komory schłodzić go w cyrkulującym gazie lub zanurzając w oleju hartowniczym. W piecach tych, komora grzania od komory chłodzenia oddzielona jest drzwiami termicznymi lub termicznymi i ciśnieniowo-próżniowymi, przy czym w obu komorach stosuje się inne ciśnienie, wytwarzane niezależnie w obu komorach. Chcąc prowadzić proces hartowania wyrobów ze stali nawęglanych i niskostopowych przy ciśnieniu innym niż 10-40 bar, a także chcąc skrócić czas niezbędny do całkowitej obróbki wsadu, opracowano sposób pozwalający na hartowanie wyrobów przy ciśnieniu niższym do wspomnianego zakresu. Jednocześnie zaprojektowano wielokomorowy piec dający możliwość prowadzenia w nim procesu nagrzewania i hartowania. Istotą wynalazku jest sposób hartowania stali nawęglanych i niskostopowych oraz wielokomorowy piec do stosowania tego sposobu przy zastosowaniu azotu i ciśnieniu od 10 do 15 bar. Sposób hartowania stali nawęglanych i niskostopowych według wynalazku polega na wytworzeniu minusowej pojemności cieplnej, która jest iloczynem masy, ciepła właściwego oraz różnicy temperatury wychłodzonego przed procesem hartowania wyposażenia chłodniczego i temperatury wyrównania leżącej poniżej przemiany martenzytycznej, w komorze hartowniczej przed rozpoczęciem procesu hartowania lecz w czasie trwającego procesu nagrzewania wsadu w komorze grzejnej. Minusowa pojemność cieplna uzyskiwana jest w pakiecie chłodzącym znaną pompą cieplną, przy czym pakiet chłodzący powinien być schłodzony, co najmniej do temperatury od minus 40 C do minus 100 C. Medium chłodzące, charakteryzujące się niską temperaturą topienia, dużym ciepłem właściwym i niską lepkością oraz umożliwiające jego schładzanie do temperatur podzerowych w zakresie minus 40 C do minus 100 C, najkorzystniej wodny roztwór glikolu etylowego lub alkoholu etylowego lub też toluenu, magazynowane w zbiorniku zewnętrznym, pomiędzy kolejnymi procesami hartowania musi być schłodzone do temperatury, co najmniej, minus 40 C do minus 100 C, a jego ilość powinna być taka, aby po obniżeniu temperatury obrabianego wsadu w zakres przemiany martenzytycznej, temperatura medium będącego w układzie chłodzącym nie wzrosła powyżej temperatury otoczenia. Zainstalowana masa wbudowanego metalu czyli konstrukcji metalowych i/lub układu obiega medium chłodzącego z elementami wymuszającymi recyrkulację oraz magazyny medium w komorze i poza nią, cieczy chłodzącej oraz wymienników ciepła wziętych razem lub osobno pomnożona przez ciepło właściwe dla tych materiałów i różnicę temperatury wychłodzenia przed hartowaniem i wyrównania powinna być większa od pojemności cieplnej zakumulowanej w obrabianym wsadzie, a pojemność cieplna powinna być tak dobrana aby uzyskać chłodzenie umożliwiające zahartowanie stali nawęglanych i niskostopowych przy ciśnieniu azotu od 10 do 15 bar. Piec próżniowy do obróbki cieplnej według wynalazku ma w dzielonej obudowie próż niowo-ciśnieniową komorę, korzystnie o przekroju kołowym lub prostokątnym, dzieloną wewnętrznymi drzwiami termicznymi i próżniowo-ciśnieniowymi na dwie części. Jedną z tych części jest próżniowa komora grzejna a drugą komora hartownicza. Komora grzejna wyposażona jest w znane systemy i urządzenia grzewcze do grzania próż niowo-konwekcyjnego, która oddzielona jest od drugiej części, to jest komory hartowniczej, wewnętrznymi drzwiami termicznymi. Drzwi te napędzane są pneumatycznie.
4 184 131 Komora hartownicza od strony komory grzejnej zamykana jest wewnętrznymi drzwiami próżniowo-ciśnieniowymi wyposażonymi w uszczelnienie. Komora ta, oprócz typowego znanego wyposażenia, ma na drodze cyrkulacji gazu co najmniej jeden wymiennik ciepła o wystarczająco dużej powierzchni wymiany ciepła dla mocy prowadzonego etapu hartowania i odpowiedniej ilości wyziębionej cieczy będącej w układzie recyrkulacji, wykonany najkorzystniej z rur miedzianych wysokożebrowanych. Ma ona również pakiet chłodzący o znacznej masie z metali o wysokiej przewodności i pojemności cieplnej, wykonany z płyt zdystansowanych od siebie przekładkami, który wyposażony jest w odparowywacz. Przekładki te powinny w pakiecie tworzyć szczeliny pozwalające na swobodny obiegowy przepływ gazu chłodzącego w czasie hartowania. Pakiet jest tak umiejscowiony aby wymiana ciepła pomiędzy pakietem a gazem była szybka i swobodną a gaz miał, najkorzystniej, ruch turbulentny. Sposób hartowania według wynalazku pozwala na uzyskanie znacznej różnicy temperatur pomiędzy wsadem a medium chłodzącym, dając w efekcie szybkie chłodzenie wsadu, co pozwala na hartowanie stali nawęglanych i niskostopowych przy ciśnieniu azotu od 10 do 15 bar. Daje on także znaczące oszczędności zużycia gazu chłodzącego i wody. Poza tym, sposób ten eliminuje proces mycia zahartowanych wyrobów, konieczny przy hartowaniu olejowym. Piec próżniowy do obróbki cieplnej i stosowany w nim proces hartowania według wynalazku rozwiązuje problem wspomożenia efektów przy spieszonego chłodzenia wsadu poza komorą grzejną, przez zastosowanie sposobu chłodzenia wsadu w cyrkulującym azocie, gdzie temperatura powierzchni kombinowanych wymienników odbioru ciepła od cyrkulującego gazu leży znacznie niżej w stosunku do znanych rozwiązań z cyrkulującą wodą chłodzącą, przez co uzyskuje się w łatwy sposób znacznie większą moc chłodzenia, szczególnie w zakresie nosa perlitu wykresów CTP i przemiany martenzytycznej. Uzyskuje się układ chłodzenia wolny od zużycia dużej ilości wody chłodzącej z możliwością ciągłego odzysku ciepła hartowania z obwodu sprężania pompy cieplnej. Rozwiązanie to umożliwia uzyskanie współczynnika wymiany ciepła w zakresie 1000 do 2000 W/m2K. Jest on wystarczający do zahartowania części ze stali nawęglonych i niskostopowych o wymiarach stosowanych w przemyśle samochodowym i maszynowym. Sposób hartowania w przykładzie wykonania przebiega jak niżej. W trakcie nagrzewania wsadu a przed rozpoczęciem procesu hartowania w komorze rozpoczyna się proces uzyskania minusowej pojemności cieplnej. Pompa cyrkulacyjna wymusza płynięcie medium chłodzącego, którym jest 60% wodny roztwór glikolu etylowego, do wymiennika ciepła zainstalowanego w komorze. Roztwór z wymiennika ciepła spływa do izolowanego zewnętrznego zbiornika. Jednocześnie odparowywacze zamontowane w pakiecie chłodzącym komory oraz znanym izolowanym zewnętrznym zbiorniku, obniżają temperaturę roztworu i pakietu chłodzącego do temperatury minus 50 C. Jest to moment uzyskania minusowej pojemności cieplnej zmagazynowanej w pakiecie chłodzącym. Do tak przygotowanej komory wprowadza się wsad nagrzany uprzednio do temperatury 900 C. Komora zostaje napełniona azotem do ciśnienia 10 bar i rozpoczyna się proces hartowania. Zahartowanie wsadu następuje w chwili wyrównania temperatury pomiędzy gorącym wsadem a minusową pojemnością cieplną. Po wychłodzeniu i wyjęciu wsadu z komory hartowniczej, można w niej ponownie rozpocząć proces uzyskiwania minusowej pojemności cieplnej. Piec według wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym fig. 1 pokazuje go w przekroju wzdłużnym, fig. 2 - w przekroju poprzecznym a fig. 3 - przekrój wzdłużny wymiennika ciepła. Piec w przykładzie wykonania ma próżniowo-ciśnieniową cylindryczną obudowę 1, w której mieści się komora podzielona na grzejną komorę 2 i hartowniczą komorę 3. Komory 2 i 3 oddzielone są od siebie wewnętrznymi drzwiami. Grzejna komora 2 zamykana jest od wewnątrz termicznymi drzwiami 4 zamykanymi i otwieranymi pneumatycznie. Jest ona wyposażona w znane systemy i urządzenia grzewcze do grzania próżniowo-konwekcyjnego. Hartownicza komora 3 zamykana jest od wewnątrz próżniowo-ciśnieniowymi drzwiami 5, które mają uszczelnienie 6 i zamykane i otwierane są hydraulicznie. Wnętrze komory 3, oprócz znanego wyposażenia, ma dwa symetrycznie rozmieszczone wymienniki 7 ciepła. Wymienniki 7
184 131 5 wykonane są z wysokożebrowanych miedzianych rur 8. Znajduje się w niej również chłodzący pakiet 9 wykonany z płyt miedzianych 10 oddzielonych od siebie miedzianymi przekładkami 11. W miejscu połączenia płyt 10 i przekładek 11, wbudowany jest odparowywacz 12. Pakiet 9 jest tak usytuowany, że jego szczeliny są ustawione wzdłuż kierunku przepływu gazu, co nadaje strumieniowi gazu dodatkową turbulencję. Proces hartowania wykorzystujący sposób i piec według wynalazku przebiega następująco: Po załadowaniu wsadu do hartowniczej komory 3 i zamknięciu zewnętrznych drzwi, zamyka się w niej także wewnętrzne ciśnieniowo-próżniowe drzwi 5 i wykonuje płukanie próżniowe. Po uzyskaniu ciśnienia 5x10-2 mbar, otwiera się wewnętrzne ciśnieniowo-próżniowe drzwi 5, następnie termiczne drzwi 4 grzejnej komory 2 i wsad przesuwa się do grzejnej komory 2. Od tego momentu w grzejnej komorze 2 rozpoczyna się proces nagrzewania. Jednocześnie w hartowniczej komorze 3 rozpoczyna się proces uzyskania minusowej pojemności cieplnej. Znana cieplna pompa 13 obniża temperaturę w chodzącym pakiecie 9 oraz w 60% wodnym roztworze glikolu, zmagazynowanym w izolowanym zewnętrznym zbiorniku 14. Jednocześnie cyrkulacyjna pompa 15 wymusza przepływ 60% wodnego roztworu glikolu przez wymienniki 7. Proces ten jest zakończony w chwili wychłodzenia pakietu 9 i roztworu glikolu do temperatury minus 50 C. Jest to moment, w którym zakończony jest proces nagrzewania w grzejnej komorze 2 i w którym zostają otwarte drzwi 4 i 5 obu komór 2 i 3 a wsad na powrót jest przesuwany z grzejnej komory 2 do hartowniczej komory 3. Po tym wewnętrzne drzwi 4 i 5 są zamykane a hartownicza komora 3 zostaje napełniona azotem o ciśnieniu 10 bar. W tym momencie rozpoczyna się proces hartowania. Zahartowanie wsadu następuje w chwili wyrównania temperatury pomiędzy wsadem i minusową pojemnością cieplną. Po wychłodzeniu, wsad jest wyjmowany z pieca a tym samym kończy się proces obróbki cieplno-chemicznej połączonej z hartowaniem. Piec jest przygotowany do następnego cyklu obróbczego.
184 131 Fig. 3
184 131 Fig. 2
184 131 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.