Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Bainitisieren metallischer Werkstücke oder Bauteile, wobei die Werkstücke in einem Ofen austensiert und anschließend in einer Abschreckkammer durch Überströmen mit einem Kühlfluid gemäß einem präzise vorgegebenen Zeit-Temperatur-Profil abgekühlt und temperiert werden.

Bainitisieren mindert Eigenspannungen und erhöht die Zähigkeit von Stählen. Für riss- empfindliche Stähle und komplex geformte Bauteile erweist sich Bainitisieren als äußerst vorteilhaft. Bainit (im Deutschen auch als Zwischenstufengefüge bezeichnet) ist ein metallurgisches Gefüge, das bei der Wärmebehandlung von kohlenstoffhaltigem Stahl durch isotherme Umwandlung oder kontinuierliche Abkühlung gebildet werden kann. Bainit entsteht bei Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten, die zwischen denen für Perlit und Martensit liegen. Anders als bei Martensit sind bei der Bainitbildung Umklappvorgänge im Kristallgitter und Diffusionsprozesse gekoppelt und verschiedene Umwandlungsmechanismen beteiligt. Das Bainitgefüge variiert in Abhängigkeit von Abkühlgeschwindigkeit, Kohlenstoffgehalt und Legierungselementen. Ebenso wie Perlit besteht Bainit aus den Phasen Ferrit und Zementit (FesC). Bainit unterscheidet sich jedoch von Perlit durch die Form, Größe und Verteilung der kristallinen Domänen. Bainitgefüge werden in zwei Hauptklassen unterteilt:

- "oberer Bainit" (oder "körniger Bainit"); und

- "unterer Bainit".

Zum Bainitisieren wird Stahl zunächst austenisiert und anschließend auf Temperaturen oberhalb der Martensit-Starttemperatur Ms abgeschreckt. Die Abkühlgeschwindigkeit wird dabei so gewählt, dass keine Umwandlung in die Perlitstufe stattfinden kann. Beim Halten auf einer Temperatur oberhalb von Ms wandelt sich Austenit weitgehend in Bainit um. Von Korngrenzen oder Störstellen ausgehende Umklappvorgänge überführen Austenit langsam in Kohlenstoff-übersättigte Ferrit-Kristalle mit kubisch-raumzentriertem Gitter (bcc-Gitter). In unterem Bainit bildet Kohlenstoff aufgrund erhöhter Diffusionsgeschwindigkeit im bcc-Gitter sphäroide Präzipitate im Ferritkorn. Beim oberen Bainit kann der Kohlenstoff in Austenitbereiche diffundieren und dort Carbide bilden. Oberer Bainit entsteht bei höheren Bainitisierungs-Temperaturen und hat ein nadelförmiges Gefüge, das dem von Martensit ähnelt. Hierbei präzipitiert der Kohlenstoff vorzugsweise an den Korngrenzen der Ferritnadeln. Im oberen Bainit bilden sich unregelmäßige und versetzte Zementitkristalle, deren statistische Verteilung dem Gefüge ein einkörniges Aussehen verleiht. Bei flüchtiger metallurgischer Analyse kann das Gefüge oberen Bainits mit Perlit oder dem Widmanstätten- Gefüge verwechselt werden. Unterer Bainit entsteht bei isothermer kontinuierlicher Abkühlung mit niedriger Bainitisierungs-Temperatur. Durch Ferritbildung reichert sich Kohlenstoff im Austenit an und mit fortschreitender Abkühlung wird Austenit in Ferrit, Zementit, nadelförmigen Bainit und Martensit umgewandelt. Verfahren zum Bainitisieren von metallischen Werkstücken sind im Stand der Technik bekannt. WO 2001/049888 Al beschreibt ein Bainitisierungsverfahren, bei dem die Werkstücke austenisiert, in einem ersten Salz- oder Ölbad abgeschreckt und in einem zweiten Salz- oder Ölbad temperiert werden.

Die im Stand der Technik bekannten Verfahren nutzen für die Abschreckung der Werkstücke Salz- oder Ölbäder, die

- anlagen- und verfahrenstechnisch aufwendig sind;

- aufgrund von Blasenbildung im Abschreckbad eine auf der Werkstückoberfläche stark variierende Abkühlrate bewirken;

- nicht gestatten, beim Abschrecken die Temperatur der Werkstücke zu messen und zu regeln;

- Rückstände auf den Werkstücken bilden, die eine intensive Reinigung erfordern; und

- die Umwelt belasten.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe ein Verfahren und ein System für die Bainitisierung bereitzustellen, welche die oben aufgeführten Nachteile überwinden und sich auszeichnen durch:

- präzise Kontrolle der Werkstücktemperatur;

- reduzierten Energieverbrauch; und

- ein effizientes, weitgehend automatisiertes Verfahren.

Die erste Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Bainitisieren metallischer Werkstücke, umfassend die Schritte:

- Anordnen der Werkstücke auf einem Chargenträger;

- optionales Anordnen eines oder mehrerer Temperierkörper auf dem Chargenträger;

- optionales Anordnen eines metallischen Referenzkörpers auf dem Chargenträger;

- thermisches oder thermochemisches Behandeln der auf dem Chargenträger angeordneten Werkstücke sowie optional der Temperierkörper und/oder des Referenzkörpers, wobei die Werkstücke auf eine Temperatur von 750 bis 1100 °C erwärmt werden;

- Anordnen des Chargenträgers mit den Werkstücken sowie optional den Temperierkörpern und/oder dem Referenzkörper in einem Abschreckvolumen V einer Abschreckvorrichtung;

- Abschrecken der Werkstücke sowie optional der Temperierkörper und/oder des Referenzkörpers, wobei (a) das Abschreckvolumen V mit einem Kühlfluid durchströmt, und

(b) die Werkstücke

- mit Wärmestrahlung der Temperierkörper,

- mit Wärmestrahlung eines oder mehrerer in der Abschreckvorrichtung angeordneter Heizelemente, oder

- mit einem Wärmefluid temperiert werden; wobei eine mittlere Temperatur T(t) der Werkstücke einen zeitlichen Verlauf aufweist gemäß der Beziehung

T(t) = T _o + Ti 1 + tanh wobei t die Zeit in Sekunden bezeichnet, 150 °C < T _o < 250 °C , 600 °C < T _x < 820 °C , 12 s < T < 24 s , 0 s < t < f und 180 s < f < 240 s ist.

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

- während des Abschreckens der Werkstücke eine mittlere Temperatur T(t) der Werkstücke einen zeitlichen Verlauf aufweist gemäß der Beziehung

T(t) = T _o + Ti 1 + tanh wobei t die Zeit in Sekunden bezeichnet, 150 °C < T _o < 250 °C , 600 °C < T _x < 820 °C , 12 s < T < 24 s , 0 S < t < T und 180 s < T < 240 s ist;

- als Kühlfluid Luft, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff verwendet wird;

- in dem Abschreckvolumen V ein Druck des Kühlfluids 2 bis 20 bar beträgt;

- als Wärmefluid Wasserdampf mit einer Temperatur von 150 bis 250 °C verwendet wird;

- als Wärmefluid Luft mit einer Temperatur von 150 bis 600 °C verwendet wird;

- beim Abschrecken eine mittlere Temperatur T(t) der Werkstücke gemessen wird;

- beim Abschrecken eine Temperatur des Referenzkörpers gemessen wird;

- der Volumenstrom (m ³ /s) des Kühlfluids durch das Abschreckvolumen V elektronisch geregelt wird;

- die Leistung (kW) des mindestens einen Heizelements elektronisch geregelt wird;

- das mindestens eine Heizelement als Infrarotlampe ausgebildet ist; das mindestens eine Heizelement eine Infrarotlampe und einen Reflektor umfasst; - das mindestens eine Heizelement als Infrarotlampe mit integriertem Reflektor ausgebildet ist;

- das mindestens eine Heizelement eine Infrarotlampe und einen externen Reflektor umfasst;

- das mindestens eine Heizelement aus einem metallischen Werkstoff, Grafit oder Carbonfaser-verstärktem Grafit (CFC) besteht;

- das mindestens eine Heizelement als zylindrischer Stab ausgebildet ist;

- das mindestens eine Heizelement als quaderförmiger Stab ausgebildet ist;

- das mindestens eine Heizelement als mäanderförmiger Körper mit rundem oder rechteckigem Querschnitt augebildet ist;

- der Volumenstrom (m ³ /s) des Wärmefluids in das Abschreckvolumen V elektronisch geregelt wird; und/oder

- das Abschreckvolumen V eine Größe von 0,03 bis I m ³ hat (0,03 m ³ < V < 1,0 m ³ ).

Die zweite Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein System zum Bainitisieren metallischer Werkstücke, umfassend:

- einen oder mehrere Chargenträger für die Lagerung von Werkstücken;

- optional einen oder mehrere Temperierkörper aus einem metallischen Werkstoff, Grafit oder Carbonfaser-verstärktem Grafit (CFC);

- optional einen Referenzkörper aus einem metallischen Werkstoff;

- einen Ofen für die thermische oder thermochemische Behandlung von auf einem oder mehreren Chargenträgern angeordneten Werkstücken sowie optional Temperierkörpern und/oder des Referenzkörpers, wobei der Ofen dafür ausgebildet und eingerichtet ist, die Werkstücke auf eine Temperatur von 750 bis 1100 °C aufzuheizen; und

- eine Abschreckvorrichtung, umfassend

- eine Abschreckkammer mit einem Abschreckvolumen V für die Aufnahme eines oder mehrerer Chargenträger mit Werkstücken sowie optional Temperierkörpern und/oder dem Referenzkörper;

- einen Behälter für Kühlfluid und einen elektronisch regelbaren Fluidantrieb für die Durchströmung des Abschreckvolumens V mit Kühlfluid;

- einen oder mehrere Temperatursensoren für die Messung einer Temperatur T(t) der Werkstücke oder einer Temperatur des Referenzkörpers;

- optional ein oder mehrere, elektronisch regelbare Heizelemente; - optional einen elektrisch heizbaren Behälter für ein Wärmefluid sowie ein elektronisch regelbares Ventil und/oder einen elektronisch regelbaren Strömungsantrieb für die Beaufschlagung der Werkstücke mit Wärmefluid; und

- eine elektronische Steuerung mit einem Steuerungsprogramm, wobei der Fluidantrieb für das Kühlfluid, die Temperatursensoren, die optionalen Heizelemente, das optionale Ventil und der optionale Strömungsantrieb für das Wärmefluid mit der elektronischen Steuerung verbunden sind; wobei die Abschreckvorrichtung dafür ausgebildet und eingerichtet ist, die Werkstücke derart abzukühlen, dass eine mittlere Temperatur T(t) der Werkstücke einen zeitlichen Verlauf aufweist gemäß der Beziehung

T(t) = T _o + Ti 1 + tanh wobei t die Zeit in Sekunden bezeichnet, 150 °C < T _o < 250 °C , 600 °C < T _x < 820 °C , 12 s < T < 24 s , 0 s < t < T und 180 s < T < 240 s ist.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems sind gekennzeichnet durch die nachfolgenden weiteren Merkmale in beliebiger Kombination, sofern die kombinierten Merkmale nicht in Widerspruch stehen und denen zufolge:

- das System ein oder mehrere Temperierkörper umfasst und der mindestens eine Temperierkörper

- als Zylinder oder Quader ausgebildet ist;

- als Rohr mit kreisförmigem oder rechteckigem Öffnungsquerschnitt ausgebildet ist;

- als Rohr mit kreisförmigem oder rechteckigem Öffnungsquerschnitt ausgebildet ist und mehrere bewegliche Trennwände umfasst;

- als Kasten mit einer Vielzahl von schachtförmigen Abteilen für die Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist; oder

- als Kasten mit einer Bodenplatte und vier Seitenwänden ausgebildet ist und mehrere bewegliche Trennwände umfasst;

- das System ein oder mehrere Temperierkörper umfasst und der mindestens eine Temperierkörper

- als Platte mit Durchbrüchen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist; oder

- als Platte mit Vertiefungen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist; das System ein oder mehrere Temperierkörper umfasst und der mindestens eine Temperierkörper

- als Platte mit Durchbrüchen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist, wobei die Durchbrüche jeweils einen kreisrunden oder hexagonalen Grundriss aufweisen; oder

- als Platte mit Vertiefungen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist, wobei die Vertiefungen jeweils einen kreisrunden oder hexagonalen Grundriss aufweisen;

- das System ein oder mehrere Temperierkörper umfasst und der mindestens eine Temperierkörper

- als Platte mit Durchbrüchen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist, wobei die Platte eine Dicke von 20 mm bis 200 mm hat und lateral einen Umriss aufweist, der durch ein Rechteck mit einer Breite von 200 mm bis 1200 mm und einer Länge von 200 mm bis 1200 mm umschreibbar ist; oder

- als Platte mit Vertiefungen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist, wobei die Platte eine Dicke von 20 mm bis 200 mm hat und lateral einen Umriss aufweist, der durch ein Rechteck mit einer Breite von 200 mm bis 1200 mm und einer Länge von 200 mm bis 1200 mm umschreibbar ist;

- das System ein oder mehrere Temperierkörper umfasst und der mindestens eine Temperierkörper

- als Platte mit Durchbrüchen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist, wobei die Durchbrüche relativ zueinander nach Art eines lateralen hexagonalen Gitters angeordnet und durch Stege voneinander getrennt sind; oder

- als Platte mit Vertiefungen zur Aufnahme von Werkstücken ausgebildet ist, wobei die Vertiefungen relativ zueinander nach Art eines lateralen hexagonalen Gitters angeordnet und durch Stege voneinander getrennt sind;

- derChargenträgeralsgitterförmiger Rost ausgebildet ist und aus Grafit oder Carbonfaserverstärktem Grafit (CFC) besteht;

- das mindestens eine Heizelement als Infrarotlampe ausgebildet ist;

- das mindestens eine Heizelement eine Infrarotlampe und einen Reflektor umfasst;

- das mindestens eine Heizelement als Infrarotlampe mit integriertem Reflektor ausgebildet ist;

- das mindestens eine Heizelement eine Infrarotlampe und einen externen Reflektor umfasst;

- das mindestens eine Heizelement aus einem metallischen Werkstoff, Grafit oder Carbonfaser-verstärktem Grafit (CFC) besteht; - das mindestens eine Heizelement als zylindrischer Stab ausgebildet ist;

- das mindestens eine Heizelement als quaderförmiger Stab ausgebildet ist;

- das mindestens eine Heizelement als mäanderförmiger Körper mit rundem oder rechteckigem Querschnitt augebildet ist;

- der Fluidantrieb für das Kühlfluid als Gebläse ausgebildet ist;

- der Fluidantrieb für das Kühlfluid als Turbine ausgebildet ist;

- der Strömungsantrieb für das Wärmefluid als Gebläse ausgebildet ist;

- der Strömungsantrieb für das Wärmefluid als Turbine ausgebildet ist;

- der Strömungsantrieb für das Wärmefluid als Pumpe ausgebildet ist;

- die Abschreckvorrichtung mit einem Infrarotsensor oder Pyrometer ausgerüstet ist und ein Sichtfeld des Infrarotsensors einen vorgegebenen Bereich des Abschreckvolumens V erfasst;

- die Abschreckvorrichtung mit einem Infrarotsensor ausgerüstet ist, ein Sichtfeld des Infrarotsensors einen vorgegebenen Bereich des Abschreckvolumens V erfasst und ein oder mehrere, in der Abschreckvorrichtung angeordnete Chargenträger teilweise oder vollständig in dem Beriech enthalten sind;

- die Abschreckvorrichtung mit einem Infrarotsensor ausgerüstet ist und ein Sichtfeld des Infrarotsensors einen vorgegebenen Bereich des Abschreckvolumens V und eines darin angeordneten Chargenträgers erfasst;

- die Abschreckvorrichtung mit einem Infrarotsensor für die Messung einer Temperatur der Werkstücke ausgerüstet ist;

- die Abschreckvorrichtung mit einem Infrarotsensor für die Messung einer Temperatur des Referenzkörpers ausgerüstet ist;

- die Abschreckvorrichtung mit einer Infra rot kam era für die Messung der Temperatur der Werkstücke ausgerüstet ist;

- das Steuerungsprogramm dafür ausgebildet und eingerichtet ist, den Fluidantrieb für das Kühlfluid in Abhängigkeit von einer mittleren Temperatur der Werkstücke oder einer Temperatur des Referenzkörpers gemäß einem Regelalgorithmus zu steuern;

- das Steuerungsprogramm dafür ausgebildet und eingerichtet ist, die Heizelemente in Abhängigkeit von einer mittleren Temperatur der Werkstücke oder einerTemperatur des Referenzkörpers gemäß einem Regelalgorithmus zu steuern;

- das Steuerungsprogramm dafür ausgebildet und eingerichtet ist, das Ventil und/oder den Strömungsantrieb für das Wärmefluid in Abhängigkeit von einer mittleren Temperatur der Werkstücke oder einer Temperatur des Referenzkörpers gemäß einem Regelalgorithmus zu steuern; - das Abschreckvolumen V eine Größe von 0,03 bis I m ³ hat (0,03 m ³ < V < 1,0 m ³ );

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst;

- die Abschreckvorrichtung 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder mehr Infrarot-Reflektoren umfasst;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst und 12 bis 90 % einer Oberfläche des Abschreckvolumens von dem mindestens einen Infrarot- Reflektor bedeckt sind;

- 12 bis 90 % einer inneren Oberfläche einer Wandung der Abschreckkammer mit Infrarot- Reflektoren ausgekleidet sind;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei mindestens eine Oberfläche der Infrarot-Reflektoren einen gemäß DIN EN 12898:2019-06 gemessenen Emissionsgrad E mit 0 < E < 0,1 aufweist;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei mindestens eine Oberfläche der Infrarot-Reflektoren einen gemäß

DIN EN 12898:2019-06 gemessenen Emissionsgrad E mit 0 < E < 0,06 oder 0,04 < £ < 0,1 aufweist;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei mindestens eine Oberfläche der Infrarot-Reflektoren einen gemäß DIN EN 12898:2019-06 gemessenen Emissionsgrad £ mit 0 < £ < 0,02 , 0,01 < £ < 0,03 , 0,02 < £ < 0,04 , 0,03 < E < 0,05 , 0,04 < E < 0,06 ,

0,05 < £ < 0,07 , 0,06 < £ < 0,08 , 0,07 < E < 0,09 oder 0,08 < E < 0,1 aufweist;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, die aus beschichtetem Glas bestehen;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, die aus Glas bestehen, das mit einer mehrlagigen Sputterbeschichtung ausgerüstet ist, die eine Keimlage aus Zinkoxid (ZnO) und eine hierauf abgeschiedene Lage aus Silber (Ag) umfasst;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, die aus Glas bestehen, das mit einer mehrlagigen Sputterbeschichtung ausgerüstet ist, die zwei Keimlagen aus Zinkoxid (ZnO) und zwei, jeweils auf einer der ZnO-Keimlagen abgeschiedene Lagen aus Silber (Ag) umfasst;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, die aus Glas bestehen, das mit einer mehrlagigen Sputterbeschichtung ausgerüstet ist, die drei Keimlagen aus Zinkoxid (ZnO) und drei, jeweils auf einer der ZnO-Keimlagen abgeschiedene Lagen aus Silber (Ag) umfasst;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei jeder Infrarot-Reflektor aus einer Aluminiumplatte besteht; - die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei jeder Infrarot-Reflektor aus einer Aluminiumplatte mit einer Dicke von 0,5 bis 5 mm besteht;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei jeder Infrarot-Reflektor aus einer Aluminiumplatte mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 mm oder 2,0 bis 5,0 mm besteht;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei jeder Infrarot-Reflektor aus einer Aluminiumplatte mit einer Dicke von 0,5 bis 1,5 mm , 1,0 bis 2,0 mm , 1,5 bis 2,5 mm , 2,0 bis 3,0 mm , 2,5 bis 3,5 mm , 3,0 bis 4,0 mm , 3,5 bis 4,5 mm oder 0,5 bis 1,5 mm besteht;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei jeder Infrarot-Reflektor mit Aluminiumfolie ausgerüstet ist;

- die Abschreckvorrichtung einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren umfasst, wobei jeder Infrarot-Reflektor eine mit Aluminiumfolie beschichtete Trägerplatte umfasst;

- eine innere Oberfläche einer Wandung der Abschreckkammer mit Halterungen für einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren ausgerüstet ist;

- eine innere Oberfläche einer Wandung der Abschreckkammer mit Halterungen für einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren ausgerüstet ist und die Halterungen Nuten aufweisen;

- eine innere Oberfläche einer Wandung der Abschreckkammer mit paarweisen Halterungen für einen oder mehrere Infrarot-Reflektoren ausgerüstet ist, wobei zwei gepaarte Halterungen zwei einander gegenüberliegende Nuten umfassen;

- das System eine Transferkammer umfasst, wobei die Transferkammer dafür ausgebildet und konfiguriert ist, einen oder mehrere Chargenträger mit darauf angeordneten Werkstücken sowie optional Temperierkörpern und/oder einem Referenzkörper von dem Ofen in die Abschreckvorrichtung zu transferieren;

- das System eine Transferkammer umfasst, wobei die Transferkammer eine Transportvorrichtung umfasst, die dafür ausgebildet und konfiguriert ist, einen oder mehrere Chargenträger mit darauf angeordneten Werkstücken sowie optional Temperierkörpern und/oder einem Referenzkörper von dem Ofen in die Abschreckvorrichtung zu transferieren;

- das System eine Transferkammer umfasst, wobei die Transferkammer eine elektrische Heizung umfasst, die dafür ausgebildet und konfiguriert ist, eine innere Oberfläche der Transferkammer auf eine Temperatur von 100 °C bis 500 °C aufzuheizen;

- das System eine Transferkammer sowie eine erste und zweite Schließvorrichtung umfasst, die erste Schließvorrichtung den Ofen mit der Transferkammer und die zweite Schließvorrichtung die Abschreckvorrichtung mit derTransferkammer verbindet; - die Transferkammer und die erste und zweite Schließvorrichtung dafür ausgebildet und eingerichtet sind, einen oder mehrere Chargenträger mit darauf angeordneten Werkstücken von dem Ofen in die Transferkammer zu transportieren und einen in dem Ofen bestehenden atmosphärischen Druck um einen Differenzdruck Da zu verändern mit 0 < Da < 200 mbar oder -200 mbar < Da < 0;

- die erste und zweite Schließvorrichtung als gasdichte Türen ausgebildet sind;

- die erste und zweite Schließvorrichtung als gasdichte Schieber ausgebildet sind;

- das System eine Transportvorrichtung umfasst, die dafür ausgebildet und eingerichtet ist, einen oder mehrere Chargenträger mit darauf angeordneten Werkstücken aus dem Ofen zu entnehmen und in die Abschreckvorrichtung zu transferieren; und/oder

- das System eine Transportvorrichtung umfasst, die dafür ausgebildet und eingerichtet ist, einen oder mehrere Chargenträger mit darauf angeordneten Werkstücken sowie optional Temperierkörpern und/oder einem Referenzkörper aus dem Ofen zu entnehmen und in die Abschreckvorrichtung zu transferieren.

Die Erfindung ermöglicht es, metallische Werkstücke in präzise kontrollierter, effizienter und umweltfreundlicher Weise zu bainitisieren.

In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "Abschreckvolumen" einen von einer Abschreckkammer der Abschreckvorrichtung umschlossenen Raumbereich, wobei das "Abschreckvolumen" kleiner oder gleich einem von der Abschreckkammer begrenzten Raumbereich sein kann. Der Begriff "Abschreckvolumen" bezieht sich nicht auf eine körperlich begrenzte Entität sondern auf einen Raumbereich, der hinreichend groß ist, um einen oder mehrere Chargenträger mit darauf angeordneten Werkstücken zu beherbergen. Erfindungsgemäß hat das "Abschreckvolumen" die Gestalt eines Quaders oder Zylinders.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein System für die Bainitisierung von metallischen Werkstücken;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht einer Abschreckvorrichtung mit darin angeordneten Werkstücken und Temperierkörpern;

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht einer mit Infrarotlampen ausgerüsteten

Abschreckvorrichtung und darin angeordneten Werkstücken;

Fig. 4 eine Richtungscharakteristik einer Infrarotlampe;

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht einer mit Infrarot-Reflektoren ausgerüsteten Abschreckvorrichtung;

Fig. 6, 7 Temperierkörper mit diverser Formgebung; Fig. 8 ein Blockdiagramm einer Steuerung mit Sensoren und regelbaren Komponenten.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes System 1 für die Bainitisierung metallischer Werkstücke 11, die auf einem oder mehreren Chargenträgern 10 angeordnet sind. Der mit einer gestrichelten Linie eingefasste Einschub 100 in Fig. 1 dient zur Veranschaulichung und zeigt eine Draufsicht eines Chargenträgers 10 mit vier Werkstücken 11. Bei den Werkstücken 11 handelt es sich beispielsweise um Zahnkränze aus Stahl. In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der Chargenträger 10 als gitterförmiger Rost ausgebildet und besteht aus einem Material, wie Grafit, Carbonfaser-verstärktem Grafit (CFC) oder aus einem metallischen Werkstoff.

Das System 1 umfasst mindestens einen Ofen 2 für die thermische oder thermochemische Behandlung der Werkstücke 11. Der Ofen 2 ist dafür ausgebildet und eingerichtet, die Werkstücke 11 auf eine Temperatur von 750 bis 1100 °C aufzuheizen. In zweckmäßigen Ausführungsformen der Erfindung ist der Ofen 2 zudem dafür ausgebildet und eingerichtet, die Werkstücke 11 unter Normaldruck (0,9 bis 1,1 atm) oder Niederdruck (0 bis 200 mbar)

- aufzukohlen;

- zu nitrieren;

- zu carbonitrieren;

- mit einem kohlenstoffhaltigen Spendergas, das beispielsweise Acetylen (C2H2) enthält, zu beaufschlagen;

- mit einem stickstoffhaltigen Spendergas, das beispielsweise Ammoniak (NH3) oder Stickstoff (N2) enthält zu beaufschlagen; oder

- mit einer partiell ionisierten Gasatmosphäre zu beaufschlagen und insbesondere unter Plasmaanregung zu nitrieren.

Unmittelbar nach einer thermischen oder thermochemischen Behandlung werden die Chargenträger 10 mit den Werkstücken 11 von dem Ofen 2 in ein Abschreckvolumen 62 - im Rahmen der Erfindung auch als "Abschreckvolumen V" bezeichnet - einer Abschreckvorrichtung 6 transferiert. In einer zweckmäßigen Ausführungsform des Systems 1 sind der Ofen 2 und die Abschreckvorrichtung 6 über erste und zweite Schließvorrichtungen (3, 5) und eine zwischen der ersten und zweiten Schließvorrichtung (3, 5) angeordnete Transfer- kammer 4 miteinander verbunden. Die Schließvorrichtungen (3, 5) und die Transferkammer 4 fungieren als Schleuse und gestatten es, die Chargenträger 11 mit den Werkstücken 10 aus dem Ofen 2 zu entnehmen, ohne eine Gasatmosphäre in dem Ofen 2 merklich zu beeinflussen. Im Rahmen der Erfindung sind zudem Ausführungsformen vorgesehen, bei denen anstelle der Schließvorrichtungen (3, 5) und der Transferkammer 4 konventionelle Handhabungsgeräte, Industrieroboter oder fahrerlose Transportsysteme (AGV bzw. automated guided vehicles) eingesetzt werden. Die Abschreckvorrichtung 6 umfasst eine Abschreckkammer 61, die das Abschreckvolumen 62 umschließt, eine mit der Abschreckkammer 62 verbundene Rezirkulations- leitung 64 sowie ein Gebläse oder eine Turbine 63. Das Gebläse bzw. die Turbine 63 und die Rezirkulationsleitung 64 sind dafür ausgebildet und eingerichtet, das Abschreckvolumen 62 mit einem Kühlfluid zu durchströmen. Das Kühlfluid wird in einem in Fig. 1 nicht gezeigten Druckbehälter vorgehalten und bei Beginn eines Abschreckvorgangs in das Abschreckvolumen 62 oder die Rezirkulationsleitung 64 eingelassen.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Abschreckvorrichtung 6 mit einem oder mehreren Infrarotsensoren 65 ausgerüstet. Der mindestens eine Infrarotsensor 65 ist als Pyrometer oder Infrarotkamera ausgebildet. Der Infrarotsensor 65 ist derart in der Abschreckkammer 61 angeordnet, dass sein Sichtfeld einen Raumbereich des Abschreckvolumens 62 erfasst, in dem sich bei routinemäßiger Nutzung der Abschreckvorrichtung 6 mindestens ein Teil eines Werkstücks 11 oder eines in Fig. 1 nicht gezeigten Referenzkörpers aus einem metallischen Werkstoff befindet.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Abschreckvorrichtung 6 mit einer oder mehreren Infrarotlampen 66 ausgerüstet. Die mindestens eine Infrarotlampe 66 ist mit einer regelbaren elektrischen Leistungsversorgung verbunden. Für die Zwecke der Erfindung geeignete Infrarotlampen einschließlich regelbarer Spannungsversorgungen sind kommerziell erhältlich u.a. von den Firmen Heraeus Noblelight (https://www.heraeus.com/) und Ushio (https://www.ushio.eu/).

In einer zweckmäßigen Ausführungsform umfasst die Abschreckvorrichtung 6 einen elektrisch heizbaren Vorlagebehälter 67 für ein Wärmefluid, wie insbesondere Wasser oder Luft. Ein Auslass des Vorlagebehälters 67 ist über ein elektrisch regelbares Ventil 68 mit einem Einlass der Rezirkulationsleitung 64 oder der Abschreckkammer 61 verbunden.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Abschreckkammer mit zwei darin angeordneten Chargenträgern (10A, 10B) mit Werkstücken bzw. Zahnrädern 11. Wände 61A der Abschreckkammer sind mit Vorsprüngen bzw. Schienen 61B zur Halterung der Chargenträger (10A, 10B) ausgestattet. Der untere Chargenträger 10A ist in einer temporären Position dargestellt, die den Lade- oder Entnahmevorgang veranschaulicht. Im Weiteren zeigt Fig. 2 zwei Temperierkörper (12A, 12B) aus einem metallischen Werkstoff, Grafit oder Carbonfaserverstärktem Grafit (CFC). Die Temperierkörper 12A und 12B weisen kreisförmige und respektive hexagonale Ausnehmungen auf, in denen jeweils ein Werkstück 11 angeordnet ist. Entlang einer durch den Pfeil 110 angezeigten vertikalen z-Achse haben die Temperierkörper (12A, 12B) eine Abmessung bzw. Höhe H die größer/gleich einer hierzu korrespondierenden Höhe der Werkstücke 11 ist. Die Temperierkörper (12A, 12B) weisen im Vergleich zu den Werkstücken 11 einen höheren Emissionsgrad E auf und geben daher Wärme in Form von Infrarotstrahlung an die Werkstücke 11 ab. Hierdurch wird nach Beendigung der Abschreckung mit Kühlfluid die Temperatur der Werkstücke 11 über eine Zeitspanne von 1 bis 3 Minuten praktisch konstant gehalten. Fig. 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform einer mit Infrarotlampen 66 ausgerüsteten Abschreckkammer. Die weiteren Bezugszeichen in Fig. 3 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 2. In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist jede Infrarotlampe 66 mit einem Reflektor 66A ausgerüstet. Der Reflektor 66A bündelt die von der Infrarotlampe 66 emittierte Infrarotstrahlung in einem Winkelbereich um eine Vorzugsachse. Die Intensität der Infrarotstrahlung als Funktion ihrer Richtung bzw. ihres Winkels relativ zur Vorzugsachse wird üblicherweise als Richtungscharakteristik bezeichnet (siehe Fig. 4). Die Richtungscharakteristik kann durch die Formgebung der Reflektoren 66A in weiten Grenzen an anlagentechnische Vorgaben angepasst werden.

Fig. 4 zeigt ein Polardiagramm der Richtungscharakteristik einer typischen Infrarotlampe mit integriertem Reflektor. Darin ist ein Abstand R zwischen einem Ursprung O und einem Punkt der durchgezogenen Kurve proportional zur Intensität der Infrarotstrahlung. Ein Winkel zwischen der Strecke R und der mit "0°" bezeichneten Achse entspricht einem Emissionswinkel der Infrarotstrahlung relativ zu einer Bezugsachse der Infrarotlampe.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer mit Infrarot-Reflektoren 61C ausgerüsteten Abschreckkammer. Wände 61A der Abschreckkammer sind mit Vorsprüngen bzw. Schienen 61B zur Halterung von Chargenträgern (10A, 10B) mit darauf angeordneten Werkstücken bzw. Zahnrädern 11 ausgestattet. In einer zweckmäßigen Ausführungsform bestehen die Infrarot-Reflektoren 61C aus Aluminiumplatten mit einer Dicke von 0,5 bis 5 mm. Eine von den Wänden 61C abgewandte Oberfläche der Aluminiumplatten ist spiegelnd ausgebildet und weist einen Emissionsgrad E auf mit E < 0,1 und vorzugsweise E < 0,05. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform sind die Infrarot-Reflektoren 61C als Glasscheiben des Typs "Low emissivity" bzw. "Low-e" ausgebildet. Derartige Glasscheiben sind kommerziell erhältlich von verschiedenen Anbieter, wie beispielsweise Nippon Sheet Glass Co. Ltd. (https://www.pilkington.com/en/global/residential-applicatio ns/types-of-glass/ energy-efficient-glass/low-emissivity-glass). Zur Halterung der Infrarot-Reflektoren 61C ist die Wandung 61A mit paarweise einander gegenüberliegend angeordneten Nuten ausgerüstet. Kanten der Infrarot-Reflektoren 61C greifen in die Nuten ein. Nach längerer Nutzung der Infrarot-Reflektoren 61C kann es erforderlich sein, Oberflächenverunreinigungen, welche die Reflektivität mindern und den Emissionsgrad E erhöhen, zu entfernen. Hierzu ist mindestens eine Stirnseite jeder Nut offen, so dass die Infrarot-Reflektoren 61C aus den Nuten entnommen und bei Bedarf gereinigt oder ausgetauscht werden können. Zwecks Veranschaulichung sind in Fig. 5 zwei der Infrarot-Reflektoren 61C in teilweise extrahierter Position gezeigt. Die weiteren Bezugszeichen der Fig. 5 haben die gleiche Bedeutung, wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschrieben.

Fig. 6 zeigt perspektivische Ansichten quaderförmiger Temperierkörper 12 mit stirnseitigen Fingerzinken. Die Fingerzinken ermöglichen es - nach Art eines Baukastens - jeweils zwei Temperierkörper 12 stirnseitig zu verschränken. Hierbei ist ein Winkel zwischen den Längsachsen von zwei miteinander verschränkten Temperierkörpern 12 in einem weiten Bereich einstellbar. Mit den in Fig. 6 gezeigten Temperierkörpern kann die auf einem Chargenträger zur Verfügung stehende Ablagefläche flexibel in Bereiche mit einer an die Form jedes Werkstücks angepassten Kontur unterteilt werden. Die stirnseitige Verschränkung verbessert die mechanische Stabilität und mindert die Gefahr, dass die Temperierkörper 12 bei der Handhabung der Chargenträger und der Abschreckung bzw. Überströmung mit Kühlfluid verschoben werden und in ungünstigen Fällen herabfallen.

Fig. 7 zeigt zeigt perspektivische Ansichten eines weiteren zweckmäßigen Systems mit ersten und zweiten Temperierkörpern 12 und respektive 13, die mechanisch in flexibler Weise miteinander koppelbar sind. Hierbei sind die ersten Temperierkörper 12 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und nahe ihren beiden stirnseitigen Enden jeweils mit einem Schlitz ausgestattet. Die stirnseitigen Schlitze sind für die formschlüssige Aufnahme der zweiten ringförmigen Temperierkörper 13 vorgesehen.

Fig. 8 zeigt eine schematische Ansicht einer Abschreckvorrichtung 6 mit einer Steuerung 20. Wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 dargelegt, umfasst die Abschreckvorrichtung 6 eine Abschreckkammer 61, eine Rezirkulationsleitung 64 und ein Gebläse oder eine Turbine 63 für die Überströmung von auf Chargenträgern 10 angeordneten Werkstücken 11 mit einem Kühlfluid sowie einen oder mehrere Infrarotsensoren 65 und eine oder mehrere Infarotlampen 66.

Die Steuerung 20 ist als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder Computerimplementierte Steuerung (Soft-SPS) ausgebildet und umfasst eine Spannungsversorgung 21, einen Prozessor 22, elektronischen Speicher 23 mit einem darin gespeicherten Steuerungsprogramm, elektrische Eingänge 24 und elektrische Ausgänge 25.

Das Gebläse oder die Turbine 63 und die Infrarotlampen 66 umfassen jeweils eine elektronisch regelbare elektrische Leistungsversorgung. Ein für die Leistungsregelung bestimmter elektronischer Eingang jeder der vorstehenden Leistungsversorgungen ist über eine Leitung 30 mit einem Ausgang 25 der Steuerung 20 verbunden. Der mindestens eine Infrarotsensor 65 umfasst einen elektrischen Ausgang, der über eine Leitung 30 mit einem Eingang 24 der Steuerung verbunden ist.

In zweckmäßigen, in Fig. 8 nicht gezeigten Ausführungsformen sind weitere Komponenten des erfindungsgemäßen Systems, wie der Ofen, die Schließvorrichtungen und die Transferkammer mit der Steuerung verbunden.