Fluidführung zur Abschreckung metallischer Werkstücke

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strömungsführung für metallische Werkstücke bei der thermischen oder thermochemischen Behandlung und beim Abschrecken sowie ein Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung und zum Abschrecken.

Auch beim Neutralhärten von Schnell- und Werkzeugstahl kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden.

Im Stand der Technik ist es üblich, metallische Werkstücke, wie beispielsweise Zahnräder thermochemisch zu behandeln. Eines der am häufigsten angewendeten Verfahren ist das Einsatzhärten (https://de. wikipedia. org/wiki/Einsatzhärten), bei dem Werkstücke aus Stahl oder anderen Legierungen aufgekohlt, diffundiert und abgeschreckt werden, um an der Oberfläche der Werkstücke eine Schicht mit einem bestimmten, vorzugsweise martensitischen Gefüge zu erzeugen. Weitere thermochemische Verfahren sind das Carbonitrieren, bei dem Kohlenstoff und Stickstoff in die Werkstücke eingebracht werden, und das Nitrieren, bei dem nur Stickstoff eingebracht wird.

Bei der thermochemischen Behandlung mittels Aufkohlen und Carbonitrieren werden die Werkstücke über einen Zeitraum von 30 min bis zu einigen Stunden auf Temperaturen im Bereich von 800 bis 1100 °C gehalten.

Überwiegend werden bei der thermochemischen Behandlung Chargen mit einer Stückzahl bzw. Losgröße von einigen Zehn bis zu einigen Hundert Werkstücken in speziell konzipierten Anlagen mit einer oder mehreren Schleusen-, Ofen- und Abschreckkammern behandelt. In Ausnahmefällen, wie beispielsweise bei Getriebezahnrädern und Zahnringen mit einem Durchmesservon mehr als 600 mm oder Maschinenteilen mit hohen Präzisionsanforderungen werden die Werkstücke seriell behandelt (one piece flow) wobei in einer Behandlungskammer jeweils ein einzelnes Werkstück einem der thermochemischen Verfahrensschritte unterzogen wird.

Kleine Bauteile mit unkritischer Fertigungstoleranz, werden häufig in Form von schüttgutartigen Chargen mit einer Stückzahl von einigen Hundert bis zu einigen Tausend Werkstücken behandelt. Demgegenüber werden größere und höherwertige Bauteile in geordneter Weise auf Chargenträgern angeordnet, um kontrollierte und möglichst homogene Verfahrensbedingungen zu gewährleisten. Insbesondere wird eine homogene Temperaturverteilung und Beaufschlagung der Werkstücke mit kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Prozessgasen sowie eine gleichmäßige Umströmung der Werkstückoberfläche mit Abschreck- bzw. Kühlfluid angestrebt.

Die Chargenträger sind in der Regel als gitterförmige Roste ausgebildet und bestehen aus einem hochtemperaturbeständigen Material, wie Grafit, kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFRC) oder hochnickelhaltigem Stahl. Die Herstellung der Chargenträger ist aufwendig und kostenintensiv. Um die thermochemische Behandlung wirtschaftlich durchzuführen, werden die Chargenträger möglichst lange, d.h. für die Behandlung zahlreicher Werkstückchargen eingesetzt und sind hoher mechanischer und thermischer Belastung ausgesetzt. Beim Be- und Entladen der Chargenträger mit Werkstücken kommt es zu mechanischem Abrieb. Zudem bewirken im Fall hochnickelhaltiger Stähle die zahlreichen Heiz- und Abschreckvorgänge kumulativen thermischen Verzug. Die fortschreitende mechanische und thermische Belastung führt dazu, dass die Oberfläche der Chargenträger bereits nach wenigen Produktionsläufen geringfügige Unebenheiten und Verwerfungen aufweist.

Werkstücke aus Stahl sind - je nach Stahlsorte - ab einer Temperatur im Bereich von 500 bis 800 °C schmiedbar, d.h. unter Krafteinwirkung plastisch verformbar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird diese Temperatur in Anlehnung an Kunststoffe als "Erweichungstemperatur" bzw. als "Erweichungspunkt" bezeichnet.

Beim Aufkohlen und Carbonitrieren werden die Werkstücke regelmäßig über einen beträchtlichen Zeitraum auf einer Temperatur oberhalb ihres "Erweichungspunktes" gehalten.

Ein auf einem Chargenträger gelagertes und über seinen "Erweichungspunkt" aufgeheiztes Werkstück, schmiegt sich unter der Einwirkung seines Eigengewichts an die Oberfläche des Chargenträgers an. Wenn die Oberfläche des Chargenträgers hinreichend eben ist, so dass die lokale Krümmung sehr klein bzw. der lokale Krümmungsradius sehr groß ist im Vergleich zu den Abmessungen der Werkstücke, ist der Wärmebehandlungsverzug der Werkstücke geringfügig und liegt innerhalb vorgegebener Toleranzen. Weist die Oberfläche des Chargenträgers jedoch eine oder mehrere Unebenheiten auf mit erheblicher Krümmung bzw. einem Krümmungsradius unterhalb eines kritischen Grenzwertes, kann der Wärmebehandlungsverzug der Werkstücke die Toleranzen überschreiten und eine beträchtlich erhöhte Ausschussrate verursachen.

Im Weiteren kann eine ungleichmäßige Überströmung der Werkstücke mit Kühlfluid beim Abschrecken ebenfalls einen Verzug der Werkstücke verursachen.

Im Stand derTechnik sind diverse Vorrichtungen und Verfahren zur Verringerung thermischer Verzüge bekannt, wie z.B. hydraulische Abschreckpressen (cf. https://en.wikipedia.org/ wiki/Quench_press).

WO 2019/149676 Al beschreibt eine hochtemperaturbeständige Vorrichtung zur Abstützung und Strömungsführung, die bei der thermochemischen Behandlung und beim Abschrecken metallischer Werkstücke thermische Verzüge reduziert.

Trotz der bislang erzielten Verbesserungen besteht noch immer ein Bedarf, den thermischen Verzug großer und verfahrenstechnisch empfindlicher Komponenten, wie beispielsweise Zahnringen zu reduzieren. Dementsprechend hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung für die weitere Verringerung der Maß- und Formänderungen bzw. des Verzuges metallischer Werkstücke bei der thermischen oder thermochemischen Behandlung bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fluidführung für die Abschreckung metallischer Werkstücke bei der thermischen oder thermochemischen Behandlung, umfassend eine erste und zweite Fluidblende, die unabhängig voneinander aus einem Werkstoff gefertigt sind, der gewählt ist aus Grafit, kohlenstofffaser-verstärktem Kohlenstoff (CFRC), oxidkeramischem Faserverbundwerkstoff (OCMC) oder einem anderen keramischen Werkstoff, wobei die erste und zweite Fluidblende dafür konfiguriert sind, einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal mit einer lichten Weite von > 5 mm zu begrenzen.

Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind gekennzeichnet durch die nachfolgenden weiteren Merkmale in beliebiger Kombination, sofern die kombinierten Merkmale nicht in Widerspruch stehen:

- eine lichte Weite des Strömungskanals < 50 mm ist;

- eine lichte radiale Weite des Strömungskanals > 5 mm ist;

- eine lichte radiale Weite des Strömungskanals < 50 mm ist;

- ein Teil der Oberfläche der ersten Fluidblende eine innere Wand des Strömungskanals bildet;

- ein Teil der Oberfläche der zweiten Fluidblende eine äußere Wand des Strömungskanals bildet;

- ein radialer Schnitt einer inneren Wand des Strömungskanals teilweise oder durchgehend eine Krümmung aufweist;

- ein radialer Schnitt einer äußeren Wand des Strömungskanals teilweise oder durchgehend eine Krümmung aufweist;

- ein radialer Schnitt einer inneren Wand des Strömungskanals einen stetigen Verlauf aufweist;

- ein radialer Schnitt einer äußeren Wand des Strömungskanals einen stetigen Verlauf aufweist;

- der Strömungskanal eine erste stirnseitige Öffnung bzw. einen Einlass aufweist;

- der Strömungskanal eine zweite stirnseitige Öffnung bzw. einen Auslass aufweist;

- ein lichter radialer Abstand zwischen einer inneren und äußeren Wand des Strömungskanals in Richtung vom Einlass zum Auslass teilweise oder durchgehend abnimmt;

- ein lichter radialer Abstand zwischen einer inneren und äußeren Wand des Strömungskanals in Richtung vom Einlass zum Auslass teilweise konstant ist; - in Richtung einer Rotationsachse eine Höhe des Strömungskanals 20 bis 200 mm beträgt;

- in Richtung einer Rotationsachse eine Höhe des Strömungskanals 20 bis 110 mm oder 90 bis 200 mm beträgt;

- in Richtung einer Rotationsachse eine Höhe des Strömungskanals 20 bis 60 mm, 40 bis 80 mm, 60 bis 100 mm, 80 bis 120 mm, 100 bis 140 mm, 120 bis 160 mm, 140 bis

180 mm oder 160 bis 200 mm beträgt;

- die erste und zweite Fluidblende durch eine oder mehrere Streben miteinander verbunden sind;

- die erste Fluidblende eine oder mehrere Durchführungen aufweist;

- die zweite Fluidblende eine oder mehrere Durchführungen aufweist;

- die Fluidführung einen ring- oder zylinderförmigen Sockel aus Grafit, kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff, oxidkeramischem Faserverbundwerkstoff oder einem anderen keramischen Werkstoff für die Lagerung eines Werkstücks umfasst;

- die erste Fluidblende eine rotationssymmetrische Gestalt aufweist;

- die erste Fluidblende einstückig ausgebildet ist;

- die erste Fluidblende schalenförmig ausgebildet ist;

- die erste Fluidblende schalenförmig ausgebildet ist und eine Wanddicke von 5 bis 30 mm hat;

- die erste Fluidblende als Hohlkalotte ausgebildet ist;

- die erste Fluidblende als Hohlkalotte ausgebildet ist und eine Wanddicke von 5 bis 30 mm hat;

- die erste Fluidblende zweistückig ausgebildet ist, einen ersten, als Voll- oder Hohlzylinder ausgebildeten Teil und einen zweiten, als kalottenförmiger Deckel gestalteten Teil umfasst;

- die erste Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 80 bis 800 mm umfasst;

- die erste Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 80 bis 500 mm oder 200 bis 800 mm umfasst;

- die erste Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 80 bis 200 mm, 100 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis 700 mm oder 600 bis 800 mm umfasst;

- die erste Fluidblende eine erste domförmige Stirnfläche umfasst; - die erste Fluidblende eine erste, als halbes Ellipsiod ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine erste, als halbes Paraboloid ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine erste, als Halbkugel ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine zweite, als Kreisfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine ringförmige Gestalt aufweist;

- die erste Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von

60 bis 760 mm umfasst;

- die erste Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 60 bis 500 mm oder 200 bis 760 mm umfasst;

- die erste Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 60 bis 200 mm, 100 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis 700 mm oder 600 bis 760 mm umfasst;

- die erste Fluidblende eine erste, als halber Torus ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine zweite, als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die erste Fluidblende eine zweite, mit 3 bis 40 Stützelementen ausgerüstete Stirnfläche umfasst;

- die zweite Fluidblende eine rotationssymmetrische Gestalt aufweist;

- die zweite Fluidblende eine ringförmige Gestalt aufweist;

- die zweite Fluidblende einstückig ausgebildet ist;

- die zweite Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche umfasst;

- die zweite Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 1000 mm umfasst;

- die zweite Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 600 mm oder 300 bis 1000 mm umfasst;

- die zweite Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis

700 mm, 600 bis 800 mm, 700 bis 900 mm oder 800 bis 1000 mm umfasst;

- die zweite Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche umfasst;

- die zweite Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 90 bis 900 mm umfasst;

- die zweite Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 90 bis 500 mm oder 200 bis 900 mm umfasst; - die zweite Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 90 bis 200 mm, 100 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis 700 mm, 600 bis 800 mm oder 700 bis 900 mm umfasst;

- die zweite Fluidblende eine erste, als halber Torus ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die zweite Fluidblende eine zweite, als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die zweite Fluidblende eine zweite, mit 3 bis 40 Stützelementen ausgerüstete Stirnfläche umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine äußere zylindrische Mantelfäche umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 1000 mm umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 600 mm oder 300 bis 1000 mm umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis 700 mm, 600 bis 800 mm, 700 bis 900 mm oder 800 bis 1000 mm umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine innere zylindrische Mantelfäche umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 60 bis 760 mm umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 60 bis 500 mm oder 200 bis 760 mm umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 60 bis 200 mm, 100 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis 700 mm oder 600 bis 760 mm umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine erste, als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine zweite, als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine erste und zweite, jeweils als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst und ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche 10 bis 200 mm beträgt; - der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine erste und zweite, jeweils als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst und ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche 10 bis 120 mm oder 90 bis 200 mm beträgt;

- der Sockel für die Lagerung eines Werkstücks eine erste und zweite, jeweils als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst und ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche 10 bis 50 mm, 30 bis 70 mm, 50 bis 90 mm, 70 bis 110 mm, 90 bis 130 mm, 110 bis 150 mm, 130 bis 170 mm oder 150 bis 200 mm beträgt;

- die Fluidführung eine dritte Fluidblende umfasst;

- die dritte Fluidblende aus einem Werkstoff gefertigt ist, der gewählt ist aus Grafit, kohlenstofffaser-verstärktem Kohlenstoff (CFRC), oxidkeramischem Faserverbundwerkstoff (OCMC) oder einem anderen keramischen Werkstoff;

- die zweite und dritte Fluidblende dafür konfiguriert sind, einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal mit einer lichten Weite von > 5 mm zu begrenzen;

- die zweite und dritte Fluidblende dafür konfiguriert sind, einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal mit einer lichten Weite von < 50 mm zu begrenzen;

- die dritte Fluidblende eine rotationssymmetrische Gestalt aufweist;

- die dritte Fluidblende eine ringförmige Gestalt aufweist;

- die dritte Fluidblende einstückig ausgebildet ist;

- die dritte Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche umfasst;

- die dritte Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 110 bis 1100 mm umfasst;

- die dritte Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 110 bis 700 mm oder 400 bis 1100 mm umfasst;

- die dritte Fluidblende eine äußere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 110 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis 700 mm, 600 bis 800 mm, 700 bis 900 mm, 800 bis 1000 mm oder 900 bis 1100 mm umfasst;

- die dritte Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche umfasst;

- die dritte Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 1000 mm umfasst;

- die dritte Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 500 mm oder 300 bis 1000 mm umfasst; - die dritte Fluidblende eine innere zylindrische Mantelfläche mit einem Durchmesser von 100 bis 200 mm, 100 bis 300 mm, 200 bis 400 mm, 300 bis 500 mm, 400 bis 600 mm, 500 bis 700 mm, 600 bis 800 mm, 700 bis 900 mm oder 800 bis 1000 mm umfasst;

- die dritte Fluidblende eine erste, als halber Torus ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die dritte Fluidblende eine zweite, als Ringfläche ausgebildete Stirnfläche umfasst;

- die dritte Fluidblende eine zweite, mit 3 bis 40 Stützelementen ausgerüstete Stirnfläche umfasst.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die thermochemische Behandlung metallischer Werkstücke mit verringerten Maß- und Formänderungen bzw. reduziertem Verzug bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur thermischen oder thermochemischen Behandlung und Abschreckung von metallischen Werkstücken, umfassend die Schritte

- Anordnen von 1 bis 80 Werkstücken jeweils zusammen mit einer Fluidführung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auf einem Chargenträger;

- thermisches oder thermochemisches Behandeln der Werkstücke;

- Laden des Chargenträgers mit den Werkstücken und den Fluidführungen in eine Abschreckvorrichtung; und

- Anströmen der Werkstücke mit einem Kühlfluid, wobei die Werkstücke von einer Temperatur von 700 bis 1220 °C auf eine Temperatur von 50 bis 300 °C abgekühlt werden und jedes Werkstück mit einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen St rö mungs profil angeströmt wird.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind gekennzeichnet durch die nachfolgenden weiteren Maßnahmen in beliebiger Kombination, sofern die kombinierten Maßnahmen nicht in Widerspruch stehen:

- auf einem Chargenträger 1 bis 20 Werkstücke, 10 bis 30 Werkstücke, 20 bis 40 Werkstücke, 30 bis 50 Werkstücke, 40 bis 60 Werkstücke, 50 bis 70 Werkstücke oder 60 bis 80 Werkstücke, jeweils zusammen mit einer Fluidführung angeordnet werden;

- auf einem Chargenträger 1 bis 3 Werkstücke, 2 bis 4 Werkstücke, 3 bis 5 Werkstücke, 4 bis 6 Werkstücke, 5 bis 7 Werkstücke, 6 bis 8 Werkstücke, 7 bis 9 Werkstücke oder 8 bis 10 Werkstücke, jeweils zusammen mit einer Fluidführung angeordnet werden;

- auf einem Chargenträger 1, 2, 3 oder 4 Werkstücke, jeweils zusammen mit einer Fluidführung angeordnet werden;

- auf einem Chargenträger 1 Werkstück zusammen mit einer Fluidführung angeordnet wird; - die Abschreckvorrichtung einen Strömungsantrieb zur Erzeugung einer fluidischen Hauptströmung umfasst und bezogen auf die fluidische Hauptströmung zwischen dem Strömungsantrieb und jedem Werkstück eine erste und zweite Fluidblende der Fluidführung angeordnet ist und die erste und zweite Fluidblende jeweils einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal begrenzen;

- die Abschreckvorrichtung eine fluidische Rezirkulationsschleife mit einem Strömungsantrieb umfasst und ein Anteil von 50 bis 100 Vol.-% des Kühlfluids rezirkuliert wird;

- das St rö mungs profil in radialer Richtung ein loakales Stromdichte-Maximum aufweist;

- ein Radius RM eines lokalen Stromdichte-Maximums des Strömungsprofils und ein Innenradius Ri der Werkstücke die Bedingung 0,8-Ri < RM < 1,2-Ri erfüllen;

- ein Radius RM eines lokalen Stromdichte-Maximums des Strömungsprofils und ein Außenradius R _a der Werkstücke die Bedingung 0,8-R _a < RM < 1,2-R _a erfüllen;

- das St rö mungs profil in radialer Richtung ein erstes und zweites lokales Stromdichte- Maximum mit einem dazwischen liegenden lokalen Stromdichte-Minimum aufweist;

- ein erster Radius RMI eines ersten lokalen Stromdichte-Maximums des Strömungsprofils und ein Innenradius Ri der Werkstücke die Bedingung 0,8-R _a < RM < 1,2-R _a und ein zweiter Radius RMZ eines zweiten lokalen Stromdichte-Maximums des Strömungsprofils und ein Außenradius R _a der Werkstücke die Bedingung 0,8-R _a < RM2 < 1,2-R _a erfüllen;

- ein oder mehrere Werkstücke jeweils auf einem ring- oder zylinderförmigen Sockel angeordnet sind;

- ein oder mehrere Werkstücke Zahnringe mit innerer Verzahnung sind;

- ein oder mehrere Werkstücke Zahnringe mit innerer Verzahnung sind und die innere Verzahnung in den von der ersten und zweiten Fluidblende begrenzten Strömungskanal ragt;

- ein oder mehrere Werkstücke Zahnräder oder Zahnringe mit äußerer Verzahnung sind;

- ein oder mehrere Werkstücke Zahnräder oder Zahnringe mit äußerer Verzahnung sind und die äußere Verzahnung in den von der ersten und zweiten Fluidblende begrenzten Strömungskanal ragt;

- der Chargenträger gitterförmig ausgebildet ist;

- der Chargenträger aus Grafit, kohlenstofffaser-verstärktem Kohlenstoff, oxid- keramischem Faserverbundwerkstoff oder einem anderen keramischen Werkstoff gefertigt ist;

- die Werkstücke mit einer Kühlrate von 1,5 bis 40 Kelvin pro Sekunde (K/s) abgeschreckt werden; - die Werkstücke mit Stickstoff (N2), Helium (He), Argon (Ar), Wasserstoff (H2) oder Luft abgeschreckt werden;

- die Werkstücke mit Stickstoff (N2), Helium (He), Argon (Ar), Wasserstoff (H2) oder Luft bei einem Gasdruck von 4 bis 20 bar abgeschreckt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "rotationssymmetrisch" eine dreidimensionale Form oder einen Körper, die bei Drehung um eine Achse um einen beliebigen Winkel auf sich selbst abgebildet werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "im Wesentlichen rotationssymmetrisch" eine dreidimensionale Form oder einen Körper, die bezogen auf ihr Gesamtvolumen geringfügige Abweichungen von der Rotationssymmetrie im mathematisch strengen Sinn aufweisen. Insbesondere bezeichnet der Begriff "im Wesentlichen rotationssymmetrisch" eine Fluidführung mit einer ersten und zweiten, jeweils rotationssymmetrischen Fluidblende, die durch drei bis zwölf Streben miteinander verbunden sind, wobei das Volumen der Verbindungsstreben bezogen auf das Gesamtvolumen der Fluidführung kleiner oder gleich 10 % ist (< 10 Vol.-%).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "Rotationsachse" eine Symmetrieachse einer dreidimensionalen Form oder eines Körper, die bei einer beliebigen Drehung um ihre jeweilige "Rotationsachse" auf sich selbst abgebildet werden (siehe Bezugszeichen 100 in Fig. 1, 2 und 3).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "radial" eine zu einer Rotationsachse einer rotationssymmetrischen Form oder eines rotationssymmetrischen Körpers senkrecht nach außen weisende Richtung. Gemäß der Darstellung der Fig. 1, 2 und 3 ist eine radiale Richtung durch einen Vektor der Form (cos 4>, sin 4>, 0) mit 0 < 4> ^ 2n charakterisiert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnen die Begriffe "stetig" oder "stetiger Verlauf" Begrenzungen, Konturen und Oberflächen physikalischer Körper, wie beispielsweise einer Fluidblende oder eines Strömungskanals, die mit einer Standardabweichung (least squares) von < 100 pm durch mathematisch stetige Kurven oder Oberflächen approximierbar sind.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "Strömungskanal" einen Raumbereich, der von einer Oberfläche der ersten bzw. inneren Fluidblende und einer Oberfläche der zweiten bzw. äußeren Fluidblende begrenzt ist, wobei die erste und zweite Fluidblende in Bezug auf ihre Rotationsachsen koaxial zueinander angeordnet sind, Oberflächennormalvektoren s der ersten Fluidblende eine positive radiale Komponente und Oberflächennormalvektoren t der zweiten Fluidblende eine negative radiale Komponente haben. Die vorstehenden Bedingungen für Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche, die den Strömungskanal begrenzen, werden mathematisch durch folgende Relationen beschrieben. /COS /\ erste Fluidblende: I sinx j mit o > 0 und 0 < x < 2n ; X 0 /

(cos ijj zweite Fluidblende: sin ijj mit T < 0 und 0 < V|J < 2TC . 0

Fig. 5 illustriert die vorstehenden Bedingungen in grafischer Form.

Die Erfinder haben überraschend gefunden, dass eine ringförmige Fluidführung es ermöglicht, beim Abschrecken metallischer Werkstücke mit einem Kühlfluid thermische Verzüge auf ein Maß zu verringern, das merklich unter den mit bekannten Verfahren und Vorrichtungen erzielbaren Werten liegt. Erste, mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) Software durchgeführte Simulationen deuten darauf hin, dass die erfindungsgemäße Fluidführung die Strömungsführung an der Oberfläche des Werkstücks deutlich vergleichmässigt und insbesondere die Ausbildung von Rezirkulationsgebieten an der Oberfläche des Werkstücks unterdrückt. Diese vorteilhafte Wirkung kann durch eine Formgebung der Oberfläche der erfindungsgemäßen Fluidführung verstärkt werden, die durch einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen und sich trichterartig verjüngenden Strömungskanal gekennzeichnet ist. Im Weiteren hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Oberfläche der Fluidführung eine stetige Kontur mit moderater lokaler Krümmung aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht einer Fluidführung für einen Zahnring mit innerer Verzahnung;

Fig. 2-3 perspektivische Schnittansichten von Fluidführungen für Zahnringe oder Zahnräder mit innerer oder äußerer Verzahnung;

Fig. 4 einen Chargenträger mit vier Zahnringen, jeweils mit einer Fluidführung;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines von einer Fluidführung begrenzten Strömungskanals;

Fig. 6, 7 CFD-Strömungsprofile bekannter Fluidführungen; und

Fig. 8, 9 CFD-Strömungsprofile einer erfindungsgemäßen Fluidführung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Werkstücks bzw. Zahnrings 6 mit innerer Verzahnung, der zusammen mit einer erfindungsgemäßen Fluidführung 1 auf einem gitterförmigen Chargenträger 7 angeordnet ist. Die Fluidführung 1 umfasst eine erste bzw. innere Fluidblende 2A, eine zweite bzw. äußere Fluidblende 3 und einen ringförmigen Sockel 4, auf dem der Zahnring 6 gelagert ist. Die erste und zweite Fluidblende (2A, 3) sind derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet dass sie einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal 5 mit einer lichten Weite von > 5 mm begrenzen und die innere Verzahnung des Zahnrings 6 in den Strömungskanal 5 ragt. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die erste Fluidblende - abweichend von der Darstellung der Fig. 1 - als Hohlkalotte ausgebildet. Im Weiteren sind in Fig. 1 drei Achsen (1,0,0), (0,1,0) und (0,0,1) eines kartesischen Koordinatensystems gezeigt sowie eine zur Achse (0,0,1) koaxiale Rotationsachse 100 der Fluidführung 1. Gemäß üblicher Konvention repräsentiert die Achse (0,0,1) die vertikale Richtung.

Die Darstellung der Fig. 1 korrespondiert zu der in Fig. 4 gezeigten Versuchsanordnung, bei der vier Zahnringe jeweils zusammen mit einer, zwei Fluidblenden und eine Abstützung umfassenden Fluidführung auf einem gitterartigen Chargenträger angeordnet sind.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Werkstücks bzw. Zahnrings 6 mit äußerer Verzahnung, der zusammen mit einer erfindungsgemäßen Fluidführung 1 auf einem gitterförmigen Chargenträger 7 angeordnet ist. Die Fluidführung 1 umfasst eine erste bzw. innere Fluidblende 2B, eine zweite bzw. äußere Fluidblende 3 und einen ringförmigen Sockel 4, auf dem der Zahnring 6 gelagert ist. Die erste und zweite Fluidblende (2A, 3) sind derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet dass sie einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal 5 mit einer lichten Weite von > 5 mm begrenzen und die äußere Verzahnung des Zahnrings 6 in den Strömungskanal 5 ragt. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist die erste Fluidblende - abweichend von der Darstellung der Fig. 2 - als Hohlkalotte ausgebildet. Im Weiteren sind in Fig. 2 drei Achsen (1,0,0), (0,1,0) und (0,0,1) eines kartesischen Koordinatensystems gezeigt sowie eine zur Achse (0,0,1) koaxiale Rotationsachse 100 der Fluidführung 1. Gemäß üblicher Konvention repräsentiert die Achse (0,0,1) die vertikale Richtung.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidführung 1 mit einer ringförmigen ersten bzw. inneren Fluidblende 2C. Die übrigen Bezugszeichen der Fig. 3 haben die gleiche Bedeutung, wie vorstehend in Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert.

In einer zweckmäßigen, in den Figuren 1-3 nicht gezeigten Ausführungform umfasst die erfindungsgemäße Fluidführung eine dritte Fluidblende. Die dritte Fluidblende ist dafür konfiguriert, bei zentrischer Anordnung relativ zu der zweiten Fluidblende einen zweiten, äußeren, im Wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal zu begrenzen. Dieser äußere Strömungskanal bewirkt eine gleichmäßige und vorzugsweise beschleunigte Überströmung einer äußeren Oberfläche des Werkstücks mit Kühlfluid. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Wärmeübergang an der Außenfläche des Werkstücks erzielt.

Erfindungsgemäß werden auf dem Chargenträger 7 ein oder mehrere Werkstücke 6 jeweils zusammen mit einer Fluidführung 1 angeordnet, thermisch oder thermochemisch behandelt und anschließend abgeschreckt. Vorzugsweise erfolgt die Abschreckung mit einem Kühlgas, das primäraus Stickstoff (N2) oder aus Helium (He) besteht. Ebenso kommen als Kühlgas Argon (Ar), Wasserstoff (H2) und Luft in Betracht. Bei der Abschreckung wird das Kühlgas mithilfe eines als Hochdruckventilator ausgebildeten Strömungsantriebs beschleunigt und die Werkstücke 6 und Fluidführungen 1 im Wesentlichen vertikal von oben nach unten bzw. in Richtung (0,0,-l) angeströmt. Hierzu kann der Strömungsantrieb relativ zum Chargenträger oberhalb, unterhalb oder in einer entsprechend konfigurierten fluidischen Rezirkulations- schleife angeordnet sein.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines partiellen Frontalschnitts einer Fluidführung des in Fig. 1 dargestellten Typs mit erster und zweiter Fluidblende 2A und 3 sowie einem Werkstück 6. Die frontale Schnittebene wird von den Koordinatenachsen bzw. Basisvektoren (0,1,0) und (0,0,1) aufgespannt. Die Rotationsachse der Fluidführung sowie der ersten und zweiten Fluidblende 2A und 3 verläuft koaxial zur Achse (0,0,1). Ein Strömungskanal 5 ist durch Oberflächen bzw. Oberflächenbereiche der ersten und zweiten Fluidblende 2A und 3 begrenzt, in denen Radialkomponenten jeweiliger Oberflächennormalvektoren s _A , s _B beziehungsweise t _A , t _B positiv und respektive negativ sind. Zum Vergleich ist für die zweite Fluidblende 3 ein weiterer Oberflächennormalvektor t _c gezeigt, der eine positive Radialkomponente hat und dessen zugehöriger Oberflächenbereich im Sinne der Erfindung dem Strömungskanal 5 nicht zugeordnet ist und sich "außerhalb" des Strömungskanals 5 befindet. In der frontalen Schnittansicht der Fig. 5 repräsentiert der Vektor (0,0,1) jeweils die radiale Richtung und ist zwecks vereinfachter Anschauung für jeden Oberflächennormalvektor s _A , s _B und t _A , t _B , t _c dargestellt. In der frontalen Schnittebene der Fig. 5 ist der Strömungskanal 5 durch folgende mathematische Relationen definiert:

Dementsprechend ist der Strömungskanal 5 in Richtung der Koordinatenachse (0,0,1) durch die beiden gestrichelten Linien 110 und 120 begrenzt, deren Abstand h bzw. (0,0, h) die Höhe des Strömungskanals 5 angibt.

Fig. 6 und 7 zeigen eine radiale Schnittansicht und eine Draufsicht des Strömungsgeschwindigkeitsfeldes bei der Abschreckung mit Stickstoff unter Verwendung einer aus WO 2019/149676 Al bekannten Fluidführung. Das Strömungsgeschwindigkeitsfeld der Fig. 6 und 7 wurde mithilfe Computational Fluid Dynamics (CFD) Software unter Vorgabe praxisnaher Randbedingungen berechnet. Sowohl Fig. 6 als auch Fig. 7 zeigen stark ausgeprägte Strömungsinhomogenitäten, die offenbar auf Strömungsabriss und ein ausgeprägtes Rezirkulationsgebiet zurückzuführen sind. Die Strömungsinhomogenitäten bewirken starke Fluktuationen des Wärmeübergangs zwischen Werkstück und Abschreckgas und damit verbunden eine räumlich ungleichmäßige Abkühlung mit hierzu korrespondierendem thermischen Verzug. Fig. 8 und 9 zeigen eine radiale Schnittansicht und eine Draufsicht des Strömungsgeschwindigkeitsfeldes bei der Abschreckung mit Stickstoff unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Fluidführung. Die Vorgaben bzw. Randbedingungen für die Berechnung des Strömungsgeschwindigkeitsfeldes der Fig. 8 und 9 sind identisch zu denen der Fig. 6 und 7. Aus Fig. 8 und 9 ist unmittelbar ersichtlich, dass das Strömungsfeld an der inneren und äußeren Mantelfläche des Werkstücks keinen Strömungsabriss aufweist und insbesondere die Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes unterdrückt wird. Die Strömungsführung an der Oberfläche des Werkstücks wird deutlich vergleichmässigt. Zudem wird die lokale Strömungsgeschwindigkeit und damit der Wärmeübergang erhöht. Daher können auch schlechter legierte Stähle erfolgreich behandelt werden.

Vergleichsbeispiel

Es wurden vier Zahnringe aus Stahl mit innerer Verzahnung (Außendurchmesser 450 mm, Innendurchmesser 350 mm, Höhe 40 mm) bereitgestellt. An jedem der Zahnringe wurde gemäß DIN EN ISO 12181-1:2011-07 der Rundlauf, d.h. die kreisförmige radiale Lauftoleranz der inneren Verzahnung gemessen. Die Messungen wurden auf einer Zahnradinspektionsanlage des Typs 300 GMS P von Gleason durchgeführt.

Nach der Messung wurden die vier Zahnringe jeweils mit einer bekannten Fluidführung nebeneinander auf einem gitterförmigen Chargenträger angeordnet und in einer Anlage des Typs SyncroTherm® der Firma ALD bei 950 °C unter Niederdruck bei etwa 15 mbar aufgekohlt und anschließend mittels komprimiertem Stickstoff abgeschreckt. Die Dauer der thermochemischen Behandlung mit den Verfahrensschritten Aufheizen, Aufkohlen, Diffusion und Abschrecken betrug 2 Stunden. Die Kühlrate bei der Abschreckung entsprach etwa 7,7 Kelvin pro Sekunde (K/s). Die aus WO 2019/149676 Al bekannte Fluidführung umfasst eine Abstützung und eine Abdeckung, die jeweils als zylindrische Ringe mit einem Außen- und Innendurchmesser von 450 mm und respektive 370 mm sowie einer Höhe von 50 mm ausgebildet sind. Die bekannte Fluidführung ist - abgesehen von einer inneren kuppelförmig ausgebildeten Strömungsblende und einer abgerundeten Kontur der Abdeckung - ähnlich zu der in Fig. 4 gezeigten, erfindungsgemäßen Fluidführung ausgebildet.

Nach der thermochemischen Behandlung wurde der Rundlauf der Zahnringe erneut gemessen und für jeden Zahnring der minimale, mittlere und maximale Verzug anhand des Verhältnis der Rundlaufwerte vor und nach der thermochemischen Behandlung berechnet.

Hierbei wurden für den Rundlaufverzug folgende Werte erhalten: minimaler Verzug: 6 % mittlerer Verzug: 100 % maximaler Verzug: 200 % Beispiel

Analog zum vorstehenden Vergleichsbeispiel wurden sechs Zahnringe gleichen Typs gemessen, jeweils zusammen mit einer erfindungsgemäßen Fluidführung aufgekohlt, abgeschreckt und anschließend erneut gemessen. Die erste Charge mit vier Zahnringen und vier erfindungsgemäßen Fluidführungen ist in Fig. 4 gezeigt.

Für den Rundlaufverzug wurden folgende Werte erhalten: minimaler Verzug: 10 % mittlerer Verzug: 44 % maximaler Verzug: 89 % Aus den Beispielen ist ersichtlich, dass mithilfe der erfindungsgemäßen Fluidführung der Rundlaufverzug erheblich verringert werden kann.

Bezugszeichenliste

1 > Fluidführung

2A erste/innere Fluidblende (erste Ausführungsform)

2B erste/innere Fluidblende (zweite Ausführungsform)

2C erste/innere Fluidblende (dritte Ausführungsform)

3 > zweite/äußere Fluidblende

4 Sockel (Abstützung)

5 > Strömungskanal

6 > Werkstück

7 > Chargenträger

100 > Rotationsachse

110 > untere Begrenzung des Strömungskanals

120 > obere Begrenzung des Strömungskanals s _A > Oberflächennormalvektor der ersten/inneren Fluidblende s _B > Oberflächennormalvektor der ersten/inneren Fluidblende t _A > Oberflächennormalvektor der zweiten/äußeren Fluidblende t _B Oberflächennormalvektor der zweiten/äußeren Fluidblende t _c Oberflächennormalvektor der zweiten/äußeren Fluidblende h > Höhe des Strömungskanals