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Ipsen Kleve -SuperQuench: Higher Quenching Performance & More Flexibility

Produktaktualisierungen, Technischer Artikel
Von Matthias Rink - Ipsen International GmbH

Bei vielen Wärmebehandlungsprozessen (z.B. Härten oder Einsatzhärten) spielt die Umwandlung in ein martensitisches Gefüge eine wesentliche Rolle, da durch dieses die Härtesteigerung erzielt wird. Um diese martensitische Umwandlung gewährleisten zu können, müssen die Bauteile / die Chargen sehr schnell von der Behandlungstemperatur (meist 850-900°C) auf eine Temperatur von 60-80°C abgeschreckt werden. Die dafür zur Verfügung stehende Zeitspanne ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes (Anteile der Legierungselemente) sowie der Bauteilgröße.

Vereinfacht lässt sich sagen, dass je höher ein Werkstoff legiert ist, umso mehr Zeit kann die Abschreckung dauern und somit die Umwandlung in ein martensitisches Gefüge in Anspruch nehmen. Eine dementsprechende Abkühlkurve ist in Abbildung 1 dargestellt (schnelle Kühlung). Sollte die Abschreckung aber zu lange dauern, so findet keine martensitische Umwandlung statt. Stattdessen wird sich ein ferritisch/perlitsches oder bainitisches Gefüge ausbilden, das aber die geforderten Härtewerte nicht erreichen kann. Gründe hierfür könnten ein zu geringer Gehalt an Legierungselementen (gegebenenfalls auch ein falscher Werkstoff) oder aber eine veränderte Bauteilgröße bzw. Chargengröße/dichte sein. Größere/schwerere Bauteile haben einen höheren Wärmeinhalt und benötigen somit eine längere Zeit um diese an das Kühlmittel (meist Öl, Salz oder Gas) abzugeben. (Abbildung 1: langsame Kühlung).

Bei Chargen mit vielen Lagen und somit einer großen Bauteiloberfläche erwärmt sich das Abschrecköl bei der Durchströmung der Charge. Je wärmer das Abschrecköl aber wird, umso weniger Wärme kann transferiert werden und verlangsamt somit den Abschreckprozess der Bauteile in den oberen Lagen. Es kommt zu einer ungleichmäßigen Härteverteilung von unten (höhere Härtewerte auf Grund von kälterem Öl) nach oben (geringere Härtewerte auf Grund von wärmerem Öl).

Time/Temperature Transformation with cooling curves
Abbildung 1: Zeit- und Temperaturumwandlungsdiagramm mit verschiedenen Abkühlungskurven

In solch einem Fall müsste die Abschreckwirkung erhöht werden, um das gewünschte Gefüge bzw. die geforderten Härtewerte wieder gleichmäßig über die gesamte Charge erreichen zu können. Da in den meisten Fällen aber die Konstruktion des Ölbades (Fassungsvermögen und Überdeckung) selbst sowie auch die Ölqualität nicht variiert werden können, bleibt als einzige Möglichkeit die Geschwindigkeit der Ölbadumwälzer zu verändern (in diesem Falle zu erhöhen). In herkömmlichen Ofenanlagen gibt es für die Geschwindigkeit der Ölumwälzung nur drei Möglichkeiten:

  • Keine Umwälzung
  • langsame Geschwindigkeit (ca. 750 U/min)
  • hohe Geschwindigkeit (ca. 1200 U/min)

und auch die Leistung der Motoren für die Ölumwälzung ist relativ gering (ca. 2,5 kW).

Um hier also deutliche Verbesserungen erzielen zu können hat die Firma Ipsen das SuperQuench®® – Ölbaddesign entwickelt. Beim SuperQuench® handelt es sich um ein etwas tieferes Ölbad, bei dem das Öl durch Leitkanäle von unten nach oben durch die Charge strömt. Da die Leitkanäle unter der Charge in einem Register enden (siehe Abbildung 2 und 3), dass exakt der Chargengrundfläche entspricht, kann garantiert werden, dass das Abschrecköl gleichmäßig durch die Charge strömt und nicht nutzlos seitlich an dieser vorbei fließt.

Schematic of the Ipsen SuperQuench
Abbildungen 2 und 3: Schematische Darstellung der Ipsen SuperQuench

Auch die Motorleistung der Ölbad-Umwälzer wurde drastisch auf 7,5 kW je Motor erhöht. Zusätzlich zur erhöhten Motorleistung sind die Umwälzerdrehzahlen auch stufenlos bis 1500 U/min (für kurze Zeit sogar bis 1800 U/min) regelbar, so dass für jedes Bauteil / jede Charge die optimale Abschreckungsgeschwindigkeit segmentweise im Ipsen Carb-o-Prof®® 4 programmiert werden kann.

Program example of a quenching process
Abbildung 4: Programmbeispiel für einen Abschreckungsprozess

Denn auch mit dem SuperQuench® gilt weiterhin, dass die Abschreckung so schnell wie nötig erfolgen soll (um die Härteanforderungen an das Bauteil zu erfüllen), aber trotzdem so langsam wie möglich durchgeführt wird (um die unweigerlich entstehenden thermischen induzierten Spannungen, und damit die Verzüge zu minimieren).

Wie bereits oben erwähnt führt die Installation des SuperQuench® zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Öles durch die Charge bei gleichzeitiger Strömungsvergleichmäßigung über den Chargenquerschnitt (siehe Abbildung 5).

Flow pattern in a batch with different quenching concepts
Abbildung 5: Fließmuster in einer Charge mit verschiedenen Abschreckkonzepten

Dies führt dazu, dass zum einen Bauteile aus niedrig legierten Stählen noch martensitisch gehärtet werden können und zum anderen auch noch in den obersten Lagen einer Charge gute Ergebnisse erzielt werden können (wo mit herkömmlichen Abschreckbädern ‚nur‘ 3-4 Lagen chargiert werden konnten sind es jetzt 5-6 Lagen). Gerade diese Möglichkeit erhöht den Durchsatz der Ofenanlage und steigert die Produktivität wesentlich.

Comparison of the hardness values for different quenching concepts
Abbildung 6: Vergleich der Härtewerte für verschiedene Abschreckkonzepte

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass durch die Verwendung des Ipsen SuperQuench sowohl die Abschreckintensität als auch die Abschreckgleichmäßigkeit erhöht werden kann, was zu besseren / gleichmäßigeren Abschreckergebnissen und gegebenenfalls auch zu einer Produktivitätssteigerung führt. Durch die stufenlos einstellbare Drehzahl der Ölumwälzermotoren können die Härtewerte der zu behandelnden Bauteile optimiert und die Verzüge minimiert werden. Positiv zu bemerken ist, dass durch die Frequenzumrichter und eine geeignete Programmierung, trotz höherer Motorleistung der Ölbad-Umwälzer, der Gesamtenergiebedarf des Abschreckbades sogar niedriger ist.

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