DE3149007A1 - "waermebehandlung fuer staehle unter verwendung der direkten elektrischen widerstandserhitzung" - Google Patents

Description

Wärmebehandlung für Stähle unter Verv/endung der direkten elektrischen Widerstandserhitzung

2Ό Die Erfindung betrifft die Wärmebehandlung von Stählen und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen von Stählen zwecks Erhöhung von deren Festigkeit und Zähigkeit.

Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen sind wohl bekannte Bestandteile einer Wärmebehandlung für Stähle. Eine solche Behandlung wird in erster Linie angewendet, um die Festigkeit und Zähigkeit der Stähle so zu erhöhen, daß sie für Bau- oder Maschinenteile verwendet werden körinen, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch schweren Beanspruchungen ausgesetzt werden. Im allgemeinen wird das Austenitisieren durch Erhitzen des Stahls in einem Ofen

ausgeführt, welcher auf einer oberhalb der A₃-Temperatur liegenden Temperatur gehalten wird. Der Stahl wird hinlänglich lange im Ofen belassen, um sicherzustellen, daß der gesamte Ofeninhalt vollständig austenitisiert ist.

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Nachdem der Stahl vollständig austenitisiert worden ist, wird er in Wasser, öl, einer Salzschmelze oder in einem anderen geeigneten Medium abgeschreckt, so daß sich im Stahl ein vorherrschend martensitisches Gefüge ausbildet. Häufig treten während des Abschreckens Risse im Stahl auf als Folge der Gefüge-Umwandlung und der durch das Abschrecken hervorgerufenen thermischen Beanspruchungen. Dieses Phänomen wird als "Abschreck-Rißbildung" bezeichnet. Diese Abschreck-Rißbildung ist ein schädlicher Effekt der herkömmlichen Wärmebehandlungen, weil sie unvorhersehbar auftritt und große Kosten verursacht. Zur Verminderung der Abschreck-Rißbildung ist es häufig erforderlich, ein sanfteres Abschreckmedium, wie öl, anstelle von Wasser zu verwenden. Die Anwendung eines sanfteren Abschreckmediums bedeutet jedoch, daß das an sich gegebene Härungspotential einer gegebenen Legierung nicht voll ausgenutzt wird. Aber trotz Anwendung sanfterer Abschreckmedien tritt die Abschreck-Rißbildung doch häufig auf.

Ein weiteres, mit dem Abschrecken bei konventioneller Wärmebehandlung auftretendes unerwünschtes Phänomen ist das Verwerfen des Werkstückes. Thermische Beanspruchungen sowie durch Gefügeumwandlung hervorgerufene Beanspruchungen, welche eine Folge des Abschreckens sind, führen zu Verwerfungen oder Gesteinsänderungen des Werkstückes. Dieses Problem ist besonders schwerwiegend bei langen Stäben, Stangen oder Rohren, wo diese Verwerfung häufig als Biegung oder Krümmung des Werkstückes auftritt. Gebogene Werkstücke sind schwierig durch nachfolgende Verarbeitungsstufen hindurchzuführen und erfordern zumindest am Ende der Bearbeitungsschritte einen Richtvorgang. Herkömmlicherweise wird zur Verminderung der durch Abschrecken

hervorgerufenen Verwerfungen ein sanfteres Abschreckmedium verwendet.

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Nach dem Abschrecken ist der Stahl im allgemeinen zu hart und zu brüchig, um von technischem Nutzen zu sein. Folglich muß der Stahl angelassen werden, um ein Erzeugnis mit angestrebter Kombination mechanischer Eigenschaften zu erzeugen. Das Anlassen erfolgt üblicherweise in. langen öfen, die bei Temperaturen unterhalb der A.-Temperatur gehalten werden. Die Werkstücke werden in einen Ofen eingesetzt und dort so lange belassen, bis der gesamte Ofoneinsatz die angestrebte Temperatur erreicht. Sodann werden die Werkstücke entnommen und wird ihnen ein Abkühlen gestattet. Die genau gewählte Anlaßtemperatur hängt ab von den für das fertige Werkstück angestrebten mechanik sehen Eigenschaften. Im allgemeinen nimmt die Festigkeit des Stahls mit steigender Anlaßtemperatur ab, wohingegen die Duktilität und Zähigkeit des Stahls mit steigenden Anlaßtemperaturen verbessert werden.

Ist der Stahl unter Verwendung herkömmlicher Arbeitsweisen austenitisiert, abgeschreckt und angelassen worden, so muß er weiterverarbeitet werden, um die nachteiligen Effekte der Wärmebehandlung zu beseitigen. So müisKen OxLdschi.chten entfernt werden, die sich auf der Stahloberfläche gebildet haben, müssen an der Stahloberfläche aufgetretene Entkohlungen und Abschreckungs-Verwerfungen beseitigt werden. Während des Austenitisierens innerhalb der Wärmebehandlung wird der Stahl über eine lange Zeitdauer hohen Temperaturen ausgesetzt. Dieses führt häufig dazu, daß sich Kohlenstoff mit der Ofenatmosphäre umsetzt, so daß die Stahloberfläche an Kohlenstoff verarmt. Diese weitgehend entkohlte Zone wird als "Entkohlungsschicht" bezeichnet und muß häufig von der Stahloberfläche abgetragen werden, bevor das Werkstück zu einem nützlichen Gegenstand vorarbeite! werden kann. ObItchorwoiso worden

^k Schleifen oder Abdrehen benutzt, um die entkohlte Oberflachenschicht zu entfernen. Diese Schritte sich jedoch sehr kostenaufwendig.

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\ Ein weiteres mit der herkömmlichen Wärmebehandlung verknüpftes Problem liegt in der Ausbildung von Oxiden auf der Stahloberfläche. Sobald die Stahloberfläche entkohlt ist, bildet sich ein oxidischer Zunder auf dem Stahl.

Dieser oxidische Zunder ist im allgemeinen sehr hart und abrasiv und muß vom Stahl entfernt werden, bevor irgendein nachfolgender Verarbeitungsschrxtt durchgeführt wird. Oxidischer Zunder kann entweder mechanisch oder chemisch entfernt werden, aber in jedem Fall sind dafür zusätzliche Kosten aufzubringen. Eine Schutzatmosphäre kann verwendet werden, um das Problem der Zunderbildung zu verhindern, aber die Kosten für Schutzgasatmosphären sind hoch.

Schließlich muß jede Abschreckverwerfung, welche während

der Wärmebehandlung aufgetreten ist, korrigiert werden, bevor das Werkstück zu einem nützlichen Teil verarbeitet werden kann. Für lange Werkstücke, wie für. Stäbe, Stangen und Rohre usw., wird dafür normalerweise das mechanische Richten angewendet. Kleine Teile müssen geschliffen oder spanabhebend auf das angestrebte Fertigmaß bearbeitet werden, um die Abschreck-Verwerfung zu kompensieren. In jedem Fall sind die Kosten zum Beheben der durch das Abschrecken hervorgerufenen Verwerfungserscheinungen relativ hoch.

Nach dem Stand der Technik werden, wie erwähnt, Wärmebehandlungen unter Verwendung langer öfen ausgeführt. Jedoch die Größe dieser Öfen im Hinblick auf den Raumbedarf und

SQ das benötigte Kapital stellen einen beträchtlichen Nachteil dar. Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es verschiedene weitere Nachteile bei der Verwendung herkömmlicher Wärmebehandlungsöfen. An erster Stelle steht, daß die Ofenwärmeleistung bzw. -effizienz im allgemeinen sehr

³^ niedrig ist, mit der Folge, daß steigende Brennstoffkosten den Wunsch nach einer leistungsstärkeren Einrichtung zur

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Stahl-Wärmebehandlung wecken. Ferner erfolgt die Erwärmung im Ofen durch Strahlung, Leitung und Konvektion, was wiederum langzeitige Zyklen erfordert, um sicherzustellen, daß der gesamte Stahleinsatz des Ofens eine gleichmäßige Behandlung in einem vorgegebenen Erwärmungszyklus erfahren hat. Solche lang dauernden Zyklen sind als solche nachteilig, weil die verwendeten höheren Temperaturen die Verwendung einer bekannten nicht-oxidierenden Atmosphäre verlangen, wie einer Schutzgasatmosphäre oder eines Vcikuums, wodurch zusätzliche Energiekosten entstehen. Die Alternative besteht darin, dem Werkstück während der Wärmebehandlung ein Oxidieren zu gestatten, um sodann nach der • Wärmebehandlung das Werkstück von den Oxidationsprodukten zu säubern.

Ein zusätzlicher Nachteil der Ofenerwärmung hängt mit der Temperaturkontrolle des Ofeneinsatzes zusammen. Eine direkte Aufzeichnung der Ofeneinsatz-Temperatur ist schwierig, und üblicherweise werden paarweise Thermoelemente zur Bestimmung der Ofentemperatur anstelle der Temperatur des Ofeneinsatzes verwendet. Ferner ist die Temperatur an der Außenseite des Ofeneinsatzes typischerweise verschieden von der im Kernbereich des Ofeneinsatzes. FoIglieh werden lange Durchwärmzeiten verwendet, um diesen Temperaturunterschied so weit als möglich zu vermindern. Die Folge des Mangels einer Kontrolle der Temperatur des Ofeneinsatzes während der Erhitzung im Ofen besteht darin, daß der Ofeneinsatz nicht gleichförmig erwärmt wird, sei

³^ es beim Austenitisieren und/oder beim Anlassen innerhalb der Wärmebehandlung. Dieser Mangel an Kenntnis der Ofeneinsatztemperatur stellt einen Beitrag dar zu einer.unbefriedigenden Gleichförmigkeit des erzielten Produktes..

In den US-Patentschriften 3 908 431; 4 040 872 sowie 4 088 511 ist vorgeschlagen worden, Stähle unter Verwen-

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dung verschiedener Wärmezyklen unter Verwendung der direkten elektrischen Widerstandsheizung zu behandeln. Diese Techniken haben den Vorteil einer sehr raschen Erwärmung der Stahlwerkstücke mit hohen Leistungen (Effizienzen) einschließlich einer gleichförmigen Erwärmung über den gesamten Querschnitt des Werkstückes. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die Temperatur eines jeden Werkstückes leicht ermittelt werden kann, so daß ein sehr gleichförmiges Produkt erzielt werden kann.

Die direkte elektrische Widerstandserhitzung ist in einem in gewisser Weise ähnlichem Wärmebehandlungsverfahren verwendet und in der US-Patentschrift 4 040 872 beschrieben worden. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Kohlenstoffstahl rasch mittels der direkten elektrischen Widerstandserwärmung auf eine oberhalb der A -Temperatur liegende Temperatur erwärmt und abgeschreckt, um ein Feinge-. füge mit einmaligen Eigenschaften zu schaffen. Dieses Feingefüge besteht aus einer Mischung aus nadeiförmigem proeutectoidem Ferrit und einem fein verteilten Aggregat aus Ferrit und Eisenearbid. Dieses Verfahren sieht ab vom Abschrecken des Stahls zur Ausbildung eines völlig martensitischen Gefüges.

Dementsprechend veriolgt die Erfindung das Ziel, ein verbessertes Verfahren für das Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen von Stählen zu schaffen.

Insbesondere verfolgt die Erfindung das Ziel, das verbesserte Verfahren zur Wärmebehandlung von Stählen so auszubilden, daß keine Abschreck-Rißbildung auftritt, die durch das Abschrecken hervorgerufenen Verwerfungen auf ein Minimum beschränkt werden, eine beträchtliche Entkohlung des Stahls während der Wärmebehandlung vermieden wird und die Menge an auf der Stahloberfläche gebildetem

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oxidischen Zunder auf ein Minimum herabgesetzt wird, und dennoch sicherzustellen, daß das gesamte Härtungspotential des Stahles vollständig genutzt werden kann. 5

Ferner ist durch die Erfindung angestrebt, Stähle so auszubilden, daß sie ein hohes Maß an Gleichförmigkeit sowie eine gesteigerte Duktilität, Zähigkeit und Zeitstandfestigkeit aufweisen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung länglicher Werkstücke verwendeten Einrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der für die er-²Q findungsgemäße Behandlung kleiner Werkstücke be

nutzten Einrichtung, insbesondere zur Gegenüberstellung der herkömmlichen und der erfinduny«gemäßen Einrichtungen,

²^ Fig. 3A eine Photographie, welche ofenbehandelte Werkstücke aus Stahl im abgeschreckten Zustand zeigt,

Fig.- 3B eine Photographie, welche Werkstücke aus dem

gleichen Stahl wie in Fig. 3A (AISI-Typenreihe

4150) im abgeschreckten Zustand zeigt, die nach

der erfindungsgemäßen Arbeitsweise behandelt worden sind,

Fig. 4A eine Photographie der Oberfläche eines der in

Fig. 3A gezeigten Werkstücke bei vierfacher Vergrö ßeruntj,

* Fig. 4B eine Photographie der Oberfläche eines der in

Fig. 3B gezeigten Werkstücke bei vierfacher Vergrößerung,

Fig. 5A eine Photographie, welche ofenbehandelte Werkstücke aus einem Stahl gemäß AISI-Typenreihe 6150 im abgeschreckten Zustand zeigt,

Fig. 5B eine Photographie, welche Werkstücke des Stahls gemäß AISI-Typenreihe 6150, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden waren, im abgeschreckten Zustand zeigt,

Fig. 6A eine Photographie der Oberfläche eines der in

Fig. 5A gezeigten Werkstücke bei vierfacher Vergrößerung,

Fig. 6B eine Photographie der Oberfläche eines der in Fig. 5B gezeigten Werkstücke bei vierfacher Ver-

<* größerung,

Fig. 7 ein graphisches Schaubild, in welchem die Zugfestigkeit und die Dehnung in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur, ermittelt an zehn Stahl

chargen, aufgetragen sind, wobei dieses Schaubild die mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung erzielbaren mechanischen Eigenschaften illustriert,

Fig. 8 ein graphisches Schaubild, in welchem die Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur für eine Vielzahl von Medium-Kohlenstoffstählen aufgetragen ist, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden sind, wobei die Vielseitigkeit der Erfindung durch die

ses Schaubild demonstriert wird,

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Pig. 9 ein graphisches Schaubild, in welchem die Zugfestigkeit gegenüber der Anlaßtemperatur für
weitere erfindungsgemäß behandelte Mediumr
Kohlenstoffstähle aufgetragen ist.

Pig. 1OA eine Photographie verschiedener langer Werkstücke mit starker Abschreck-Verwerfung im abgeschreckten Zustand,

Fig. 10B eine Photographie derselben langen Werkstücke

wie in Fig. 10A, jedoch im Anschluß an eine erfindungsgemäß ausgeführte Anlaßbehandlung, wobei die Beseitigung der Abschreck-Verwerfung

demonstriert ist,

Fig. 11 ein graphisches Schaubild, in welchem die Dehnung in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit aufgetragen ist, und welches die überlegene Duktilitat der erfindungsgemäß behandelten Stähle

illustriert,

Fig. 12A eine unter dem Mikroskop aufgenommene Photographie, welche die Oberflächenentkohlung bei einem ofenbehandelten Probekörper zeigt,

Fig. 12B eine unter dem Mikroskop aufgenommene Photographie, welche zeigt, daß ein erfindungsgemäß behandelter Probekörper keine Entkohlung aufweist und,

Fig. 13 ein graphisches Schaubild, in welchem die Vickers-Härte in Abhängigkeit von der Werkstofftiefe für zwei wärmebehandelte Probekörper aufgetragen ist.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß gefunden wurde, daß viele der mit der herkömmlichen WHrmebe-

handlung des Austenitisierens, Abschreckens und Anlassens verbundenen Probleme beseitig oder merklich vermindert werden können durch die Anwendung einer schnellen Erwärmung. Es ist gefunden worden, daß sich die Abschreck-Rißbildung nahezu vollständig durch eine schnelle Austenitisierung vermeiden läßt. Außerdem hat sich herausgestellt, daß die rasche Austenitisierung unter Verwendung der direkten elektrischen Widerstandserwärmung zu einer merklichen Verringerung der Abschreck-Verwerfung führt. Ein rasches Austenitisieren vermindert gleichfalls die Menge an auf der Oberfläche des Stahls während der Wärmebehandlung gebildetem Oxid sowie die Entkohlung des Stahls. Schließlich wurde gefunden, daß jegliche Abschrek-.

kungs-Verwerfung, die auftritt, im wesentlichen vollständig durch die Anwendung einer geeigneten Beanspruchung während der Anlaßstufe der Wärmebehandlung beseitigt werden kann.

Erfindungsgemäß wird ein Stahlwerkstück mit wiederholbarer (repeating) Querschnittsgestalt einem raschen Erwärmen auf eine Temperatur unterworfen, welche oberhalb der A -Temperatur für den betreffenden Stahl liegt, um den Stahl in Austenit umzuwandeln. Anschließend wird das Stahlwerkstück rasch in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt, um den zuvor gebildeten Austenit umzuwandeln in ein vorherrschend martensitisches Feingefüge. In diesem Zustand befindet sich das Werkstück in einem hohen Spannungszustand. Im letzten Verfahrensschritt wird der Stahl unter Anlegen einer Zugspannung an das Werkstück bei raschem Erwärmen auf eine unterhalb der A.-Temperatur für den Stahl liegende Temperatur angelassen, wodurch der Stahl in ein martensitisches Anlaß-Feingefüge umgewandelt wird.

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Ohne die Erfindung auf eine Theorie zu beschränken, wird angenommen, daß der erfindungsgemäß vorgesehene rasche Austenitisierungszyklus im wesentlichen das Problem der Abschreck-Rißbildung beseitigt, weil einfach nicht genügend Zeit während des kurzen Austenxtisxerungsvorganges zur Verfügung steht, um ein Verspröden hervorrufenden Elementen ein Eindiffundieren in die Austenit-Korngrenzen unter Hervorrufen von Korngrenzen-Versprödung zu gestatten. Es ist der Fachwelt bekannt, daß die Abschreck-Rißbildung ein Korngrenzenphänomen darstellt. Werden herkömmliche Ofen-Austenitisierungsbehandlungen vorwendet, so wird der Ofeneinsatz für lange Zeiträume Temperaturen oberhalb der A -Temperatur ausgesetzt, um sicherzustellen, daß der gesamte Ofeneinsatz die geeignete Temperatur vor dem Abschrecken erreicht hat. Folglich ist somit hinreichend Zeit für verschiedene Elemente gegeben, um in die Korngrenzen des Austenitkorns einzudiffundieren und dort im segregierten Zustand zu verbleiben. Bekannte Versprödungselemente, wie Schwefel, Phosphor, Zinn und Antimon sind als während der herkömmlichen Ofen-Austenitisierungsbehandlung in die Korngrenzen des Austenitkorns eingedrungen festgestellt worden. Außerdem neigen weitere Elemente, wie Chrom, Nickel und Mangan gleichfalls zur Entmischung

²^ im Bereich der Austenitkorngrcnzen, woboi diese Elemente gleichwohl die Abschreck-Rißbildung beeinflussen. Die direkte elektrische Widerstandserhitzung macht es möglich, den Stahl sehr rasch aufzuheizen, wobei die Zeitdauer, welche das Material oberhalb der A₁-Temperatur ist,

unzureichend ist, um eine beträchtliche Korngrenz-Entmischung zu gestatten. Folglich verbleiben die Korngrenzen stabil und wird eine Rißbildung während des Abschreckens weitgehend verhindert.

Es wird auch angenommen, daß es die direkte elektrische Widerstandserhitzung gestattet, das Ausmaß an Verwerfung

der Werkstücke, welches bei der herkömmlich durchgeführten Wärmebehandlung auftritt, zu vermindern, wird Stahl in einem Ofen erwärmt, so erfolgt das Erwärmen ungleichförmig, weil die Wärme in den Ofeneinsatz von außen her eindringen muß. Als Folge dieser nicht gleichförmigen Erwärmung werden Wärmebeanspruchungen in den Werkstücken hervorgerufen, welche zu Verwerfungen führen können. Außerdem kann der Ofeneinsatz unter seinem eigenen Gewicht durchhängen, wodurch die Werkstücke verformt werden. Ferner kann die Masse bzw. das Gewicht des Ofeneinsatzes einige Werkstücke daran hindern, sich frei beim Erwärmen auszudehnen, was wiederum zusätzliche Verwerfungen zur Folge haben kann. Als Folge dieser Phänomene sind die Werkstücke in gewisser Weise verformt, wenn sie aus dem Ofen entnommen werden. Während des Abschreckens wird diese Verwerfung noch verstärkt.

Wird die direkte elektrische Widerstandserwärmung anstelle der Ofenerwärmung benutzt, so kann die Verwerfung des Werkstücks auf ein Minimum herabgesetzt werden. Während der direkten elektrischen Widerstandserwärmung kann das Werkstück unter Zugbeanspruchung gehalten werden, um eine freie Ausdehnung zu gestatten und über seine Länge gut abgestützt werden, um ein Durchhängen zu vermeiden. Da lediglich ein Werkstück zur Zeit erwärmt wird, trägt das Gewicht anderer Werkstücke nicht in Richtung auf eine Verwerfung bei. Außerdem ist die direkte elektrische Widerstandserwärmung gleichmäßig. sowohl über den Querschnitt als auch längs der Werkstück-Längsdimension. Folglich sind die Wärmespannungen nur klein und werden Verwerfungen zufolge von Wärmespannungen vermieden. Weil das austenitisierte Werkstück in das Abschreckmedium mit lediglich minimaler Verwerfung überführt wird, tritt während des Abschreckens ein·* verringerte Verwerfung auf. Folglich macht es die direkt- elektrische Widerstandser-

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wärmung möglich, die Verwerfung auf ein Minimum zu verringern, welche während des Austenitisierens und Abschreckens von Stahlwerkstücken auftritt..

Ein weiterer Vorteil der Anwendung der direkten elektrischen Widerstandserwärmung besteht darin, daß jegliche Verwerfung , die während des Austenitisierens und Abschreckens bei der Wärmebehandlung auftritt, in signifikanter Weise während des Anlassens verringert werden kann. Es wurde gefunden, daß das Maß an Verwerfung in länglichen Werkstücken in der Tat während des Anlassens verringert werden kann, sofern das Werkstück während des gesamten Erwarmungsvorganges unter Zugbeanspruchung gehalten wird. Die zum Richten benötigte Zugspannung liegt weit unterhalb der Zugfestigkeit des Stahls. Dieser Vorgang des Richtens während des Anlaßvorganges ist als "Anlaß-Richten" bezeichnet worden und es wird angenommen, daß es zurückzuführen ist auf die bevorzugte Redistribution der Restspannung im Stahl während der anfänglichen Abschnitte des Anlaßvorganges.

Zusätzlich zur Beseitigung vieler mit der herkömmlichen Wärmebehandlung verbundener Probleme schafft die Erfindung eine verbesserte Qualität des warmebehandelten Stahls. Untersuchungen haben ergeben, daß die erfindungsgemäß wärmebehandelten Stahlerzeugnisse eine gesteigerte Gleichförmigkeit im Vergleich zu auf herkömmliche Weise behandelten Erzeugnissen aufweisen. Verbesserungen hinsichtlich Duktilität, Zähigkeit und Dauerfestigkeit sind gleichfalls festgestellt worden.

Representative Stähle, die auf erfindungsgemäße Weise behandelt werden können, sind in der folgenden Tafel I zusammengestellt.

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In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist der Stahl in Form eines Werkstückes, welches gesondert erhitzt werden kann, so daß der Erwärmungsvorgang präzise gesteuert werden kann. Zu diesem Zweck ist es häufig vorzuziehen, Werkstücke in einer Form mit gleichbleibendem, sich wiederholendem (repeating) Querschnitt zu verwenden, wie Stangen, Stäbe, Rohre und dgl.

Nach der bevorzugten Ausführungsform werden die einzelnen Werkstücke rasch durch die direkte elektrische Widerstandserhitzung erwärmt, während die Temperatur des Werkstückes mit Hilfe einer geeigneten Fühlvorrichtung ermittelt wird. Die Geschwindigkeit des Erwärmungsvorganges, unter Gestattung eines wirtschaftlichen Verarbeitens großer Werkstückmengen, ruft eine sehr rasche Austenitumwandlung hervor. Die bevorzugteste Ausfuhrungsform für ein rasches Erwärmen nach der Erfindung ist im einzelnen in der US-Patentschrift 3 908 431 beschrieben, auf welche hiermit Bezug genommen wird. Diese Aufheizmethode umfaßt eine Arbeitsweise, bei welcher ein elektrischer Strom durch das Stahlwerkstück hindurchgeschickt wird, wobei der vom Werkstück dem Fließen des Stromr. entgegengestellte elektrische Widerstand ein über den gesamten Querschnitt des Werkstücks gleichförmiges rasches Erwärmen des Werkstückes hervorruft.

Beim Verfahren nach der Erfindung ist es von kritischer Bedeutung, daß das Erwärmen des Werkstückes zwecks Umwandlung des Stahls in Austenit rasch durchgeführt wird, d.h., daß die Zeitdauer, während welcher der Stahl auf einer Temperatur oberhalb der A₁-Temperatur gehalten wird, kürzer als 5 Minuten sein soll. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Austenitisierung des Stahls durch direkte elektrische Widerstandserhitzung in oiner Gesamt-erwärmungszeitdauer von 5 bis 100 Sekunden durchgeführt.

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wobei die Zeitdauer, während welcher sich der Stahl auf einer oberhalb der A₁-Temperatur liegenden Temperatur befindet, üblicherweise kürzer als 40 Sekunden ist. 5

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Stahlwerkstück zunächst zwischen elektrische Kontakte gebracht und festgeklammert. Sodann wird der elektrische Strom eingeschaltet und das Werkstück'rasch auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt. Die Temperatur wird mit Hilfe eines üblichen Strahlungspyrometers ermittelt. Wenn die geeignete Austenitisierungstemperatur erreicht worden ist, wird der Strom abgeschaltet und das Werkstück aus den Klammern gelöst.

Wenn der Stahl rasch erwärmt wird, wie vorstehend beschrieben, so ist es erforderlich, den Stahl auf eine höhere Temperatur zu erhitzen, als bei Erwärmung im Ofen. So kann die Legierung 4140 beispielsweise vollständig in einem Ofen austenitisiert werden, in welchem eine Temperatur von 843°C herrscht. Die zur vollständigen Austenitisierung erforderliche Zeit würde jedoch bei dieser Temperatur einige Stunden betragen. Der gleiche Stahl kann vollständig in weniger als einer Minute austenitisiert werden, wenn die direkte elektrische Widerstandserwärmung benutzt wird, aber es 1st dann erforderlich, den Stahl auf 927°C anstelle von 843°C zu erwärmen. Diese Zeit- -. Temperatur-Beziehung für das Austenitisieren von Stahl "

ist eine direkte Folge der Abhängigkeit der Kohlenstoffen

Diffusion von sowohl Zeit als auch Temperatur. Es ist ein Phänomen, welches dem Fachmann durchaus bekannt ist.

Nachdem das Werkstück bei einer geeigneten Austenitisierungstemperatur vollständig austenitisiert worden ist,

wird es aus der Erwärmungsstation entnommen und unverzüglich in eine Abschreck-Halterung eingebracht. Dort wird

es rasch auf eine Temperatur in der Nähe der Temperatur des Abschreckbades abgekühlt/ wobei sich ein vorherrschend martensitisches Gefüge im Stahl ausbildet. Das gehärtete Werkstück wird sodann auf einen Haltetisch gebracht.

Nach der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein kräftiges Abschreckmittel verwendet. Abschreckmittel werden üblicherweise mit einem Faktor gekennzeichnet, der als "Η-Koeffizient" bezeichnet wird und die Kräftigkeit des Abschreckmittels angibt. Die Absehreckungskräftigkeit ist eine Funktion sowohl der Zusammensetzung des Abschreckmittels als auch des Ausmaßes dessen Agitation. So beläuft sich z.B. der H-Koeffizient für ruhendes öl auf etwa 0,25, wohingegen ein lebhaftes agitiertes öl einen H-Koeffizienten von nahezu 1,0 aufweist. Ruhendes Wasser hat einen H-Koeffizienten von nahezu 1,0, wohingegen bewegtes (agitiertes) Wasser H-Koeffizienten von mehr als 1,0 aufweisen kann, je nach Maß der Bewegung.

Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt die Verwendung eines Abschreckvorganges, bei welchem H-Koeffizienten von mehr als 1,2 unter Gewährleistung der gleichförmigen Abkühlung des Werkstückes benutzt werden. Verwendet wird ein wässriges Abschreckmittel, bei welchem es sich um Wasser oder um Wasser mit Zusatz verschiedener herkömmlicher Abschreckzusätze handeln kann. Eine zumindest leichte Bewegung des Abschreckbades ist anzustreben, um ein gleichförmiges Abschrecken des Materials

zu gewährleisten.
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Sind alle Werkstücke austenitisiert und abgeschreckt worden, so werden die Werkstücke auf den Einführtisch für die Anlaßbehandlung gebracht. Während des Anlassens werden die Werkstücke individuell in die Erwärmungsstation einge-

bracht, einer Zugspannung unterworfen (auf einem unterhalb der Streckgrenze des Stahls liegenden Zugspiinnung) und auf

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eine geeignete Anlaßtemperatur erwärmt. Die Kombination aus Erwärmung und Zugspannung verursacht ein Richten des Werkstückes. Eine schematische Darstellung der zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzten Einrichtungen ist in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 1 repräsentiert die gegenwärtige laboratoriumsmäßige Einrichtung zur Behandlung der meisten der in Tafel I angegebenen Stähle. Andere Einrichtungen können verwendet werden, um Stähle entsprechend dieser Erfindung zu verarbeiten, so daß die in der Figur dargestellte Einrichtung lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt. Diese dargestellte Einrichtung ist ausgelegt für Stangen, Stäbe und Rohre mit einer Länge von 2,4 bis 4,3 m und Durchmessern von 12,7 bis 89 mm.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß für kleinere Werkstücke verwendeten Einrichtung.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Eingabetisch, das Bezugszeichen eine elektrische Erwärmungsstation, das Bezugszeichen 3 eine Abschreckeinrichtung (Bezugszeichen 3¹ in Fig. 2), das Bezugszeichen 4 eine Ausgabestation, das Bezugszeichen 5 das Werkstück, das Bezugszeichen 6 einen Temperaturfühler, das Bezugszeichen 7 elektrische Kontakte und das Bezugszeichen 8 eine Ofenerwärmungsstation.

Wie bereits erläutert verbleibt bei Anwendung einer raschen Erwärmung für das Austenitisieren des Stahles nur wenig Zeit für das Eindringen verschiedener Elemente in die Austenit-Korngrenzen. Folglich bleibt die Festigkeit der Austenitkorngrenzen auf einem hohen Niveau erhalten, wodurch der Stahl beim Abschrecken keine Risse bekommt. Dieses Phänomen ist einer der wesentlichsten

Vorteile der vorliegenden Erfindung.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung sind darin zu sehen, daß geringere Verwerfungen während des Abschreckens.entstehen, als bei herkömmlicher Arbeitsweise.

Ein weiterer Vorteil des raschen Austenitisierens ist darin zu sehen, daß nur sehr wenige Oxide sich an der Werkstückoberfläche ausbilden, weil der Stahl auf der hohen Temperatur lediglich für eine sehr kurze Zeitdauer ist. Die Oxidbildung kann bei der Ofenbehandlung mit Hilfe einer Schutzgasatmosphäre verwendet werden, aber das Erzeugen einer schützenden Atmosphäre ist recht kostspielig. Das Verfahren nach der Erfindung vermeidet die Ausbildung einer signifikanten Oxidmenge auf den Stahl-Werkstücken, wodurch Einsparungen auf der Seite der Abtragsverluste, bei den Besäuberungskosten oder durch Fortfall einer Schutzgasatmosphäre entstehen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß durchgeführten Wärmebehandlung besteht in der Verringerung der während der Wärmebehandlung auftretenden Entkohlung. Wird Stahl erfindungsgemäß behandelt, so ist der Austenitisierungszyklus sehr kurz und somit wenig Zeit vorhanden, während weicher sich Kohlenstoff mit Luft umsetzen und den Stahl verlassen kann. Folglich bildet sich bei der erfindungsgemäßen Behandlung keine Entkohlungsschicht auf dem Stahl.

Dieser Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens macht es möglich, Werkstücke zu verarbeiten, die bereits abgedreht oder abgeschliffen sind,um frühere Entkohlungsschichten zu beseitigen,ohne daß die Gefahr besteht, daß die Werkstückoberfläche erneut entkohlt wird. FoIg-

° lieh kann die Oberfläche des Stahlwerkstückes im warmgewalzten oder im geglühten Zustand vor der Wärmebehandlung

abgedreht oder geschliffen werden. Bei der herkömmlichen Arbeitsweise muß der Stahl nach der Wärmebehandlung abgedreht oder geschliffen werden, d.h. im gehärteten Zustand.

Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung bezieht sich auf die für eine gegebene Wärmebehandlung verwendeten Legierungen. Wie bereits erwähnt, sind das Auftreten von Rissen sowie von Verwerfungen beim Abschrecken die wichtigsten Probleme bei der herkömmlichen Wärmebehandlung von Stählen. Um diese Probleme zu vermindern, wird üblicherweise ein sanftes Abschreckmedium verwendet. Der Nachteil eines solchen milden Abschreckmittels besteht jedoch darin, daß das volle Härtungspotential des Stahls nicht realisiert werden kann- Als Konsequenz des Verfahrens nach der Erfindung kann ein kräftiges Abschreckmittel verwendet werden und kann folglich das gesamte Härtungspotential einer gegebenen Legierung realisiert, d.h. ausgenutzt werden.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist mit *. der Verminderung der beim Abschrecken aufgetretenen Verwerfung während des Temperns verbunden. Dieser Aspekt der Erfindung ist bereits erörtert worden, und es wird angenommen, daß dieses Anlaß-Richtphänomen auf die bevorzugte Redistribution der Restspannungen im Werkstück zurückzuführen ist. Untersuchungen haben erbracht, daß die zum Herbeiführen des Anlaßrichtens erforderlichen Spannungen weit geringer sind als die Streckspannung des Stahls. Folg- ^;"-i_ lieh ist dieses Phänomen verschieden vom Streckrichten und anderen mechanischen Richtverfahren, welche das Erzeugen von Kräften voraussetzen, die höher sind als die . Streckgrenze des Stahlwerkstoffes.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist in der hohen Energieeffizienz zu sehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ofenbehandlungsoperationen, bei welchen große Öfen auf

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erhöhte Temperaturen erwärmt werden müssen, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren praktisch lediglich das zu behandelnde Werkstück zu erwärmen. In der Tat haben Untersuchungen erbracht, daß die Erfindung einen 70 bis 90 %igen Wirkungsgrad hat,■welchem ein maximaler Wirkungsgrad von lediglich etwa 35 % beim herkömmlichen Ofen mit Rekuperatoren gegenübersteht.

Es ist einsichtig, daß die vorliegende Erfindung dem Erzeuger wärmebehandelter Stahlwerkstücke eine Vielzahl • wichtiger Vorteile liefert. Das Problem der Abschreck-Rißbildung ist durch das erfindungsgemäße Verfahren praktisch beseitigt. Die beim Abschrecken auftretende Verwerfung wird auf ein Minimum zurückgeführt und auch die Oxidbildung während der Behandlung ist auf ein Minimum zurückgeführt. Das vollständige Härtungspotential des Stahls kann durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzbar gemacht werden,»weil eine kräftige Abschreckung benutzt wird. Außerdem kann jegliche Verwerfung, die im Stahl während des Austenitisierens und Abschreckens aufgetreten ist, in signifikanter Weise während des Anlassens vermindert werden. Es ist gleichfalls festgestellt worden, daß der erfindungsgemäß verarbeitete Stahl eine

²^ überlegene Gleichförmigkeit aufweist, im Vergleich mit auf herkömmliche Weise behandelten Stählen. Verbesserungen hinsichtlich Duktilität, Zähigkeit und Dauerfestigkeit, die mit der Erfindung zu erreichen sind, seien gleichfalls

unterstrichen.
30

. Nachdem vorstehend dLe Grundlagen der Erfindung beschrieben wurden, wird die Erfindung im folgenden anhand von Beispielen noch näher erläutert, wobei die Erfindung jedoch keinesfalls auf die beschriebenen Beispiele beschränkt ist.

Beispiel 1

Dieses Beispiel ist ein Vergleichsbeispiel zum Vergleich der herkömmlichen Ofenbehandlung und der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung. In diesem Beispiel werden , zum Zwecke der Demonstration, daß mit Hilfe der Erfindung das Auftreten von Abschreck-Rissen praktisch völlig verhindert werden kann, Stäbe einer Austenitisierung unterworfen, an welche sich ein Abschrecken ansc Hießt, ohne daß ein Anlassen erfolgt, weil das Anlassen keinen Einfluß auf die Abschreck-Rißbildung hat.

Die chemische Zusammensetzung der für diesen Vergleichsversuch verwendeten Stahlcharge ist in Tafel I als Charge A angegeben. Ein Stahl gemäß AISI-Typenreihe 4150 war für diesen Vergleichsversuch ausgewählt worden, weil Stähle mit Kohlenstoffgehalten von mehr als 0,40 % anfällig sind für das Auftreten von Abschreckrissen. Diese Charge enthält außerdem Te, welches ein die Verspanbarkeit förderndes Zusatzmittel ist. Im allgemeinen fördern derartige Zusätze, wie Zusätze an Te, Se, S und Pb die Möglichkeit des Auftretens von Abschreckrissen. Diese Zusätze bilden Einschlüsse im Stahl, welche als Ausgangspunkte für Abschreckrisse dienen können. Die in Fig. 2 dargestellten Einrichtungen sind für diesen Vergleichsversuch verwendet worden.

Die Probekörper für diesen Vergleichsversuch bestanden aus warmgewalzten Stäben aus Stahl der angegebenen Stahlsorte, wobei diese Stäbe mechanisch gereinigt worden waren, um Oxidschichten zu entfernen, die sich während des Warmwalzens am Stahl ausgebildet hatten. Zehn warmgewalzte Stäbe wurden zufällig ausgewählt und 2wei kurze Probekörper wurden aus jedem dieser Stäbe herausgeschnitten. Jeder Probekörper besaß eine Länge von 53,3 cm und einen Durchmesser

--23 -

von 26,05 mm. Die zwanzig Probekörper wurden in zwei Gruppen a zehn Probekörper unterteilt. Eine Gruppe wurde der Behandlung im Ofen unterworfen, während die andere Gruppe auf erfindungsgemäße Weise behandelt wurde.

Die für die Behandlung im Ofen bestimmten Probekörper wurden in einem Laborofen auf eine Temperatur von 843°C erwärmt. In diesem Fall war eine 4-stündige Ofenbehandlung erforderlich, um sicherzustellen, daß der gesamte Ofeneinsatz die Austenxtxsierungstemperatur erreicht hat. Sodann wurde jeder Probekörper individuell in bewegtem Wasser abgeschreckt. Im Abschreckbad waren keine Additive enthalten, und die Badtemperatur wurde auf 26,7 C gehalten.

·

Sodann wurde die andere Gruppe von Probekörpern der direkten elektrischen Widerstandserhitzung unterworfen. Jeder Probekörper wurde auf 927 C erwärmt und im selben Abschreckbehälter abgeschreckt, wie die ofenbehandelten Probekörper. Zum Erwärmen auf die angestrebte Austenitisierungstemperatur waren lediglich 16 Sekunden erforder- ^?" lieh. Es wird unterstrichen, daß die für die Widerstandserwärmung benutzte Austenxtxsierungstemperatur 66 C höher war als die für die Ofenbehandlung gewählte Austeniti-

²^ sierungstemperatur. Eine höhere Austenitisierungstemperatur war für die elektrische Behandlung erforderlich, um zu gewährleisten, daß der Stahl während des kurzen * Erwärmungsvorganges vollständig austenitisiert wurde. k

³Q Im allgemeinen neigen höhere Austenitisxerungstemperaturen zur Förderung der Abschreck-Rißbildung und tatsächlich führte die Anwendung höherer Austenitisxerungstemperaturen bei diesem Vergleichstest eine Beeinflussung der Testergebnisse in Richtung, auf die Ofenbehandlung.

Nach Abschrecken der beiden Probekörpergruppen wurde jeder Probekörper hinsichtlich Abschreckrissen überprüft und einer Messung im Hinblick auf Verwerfung unterworfen. Abschreckrisse ließen sich leicht an den ofenbehandelten Probekörpern vornehmen, während eine Überprüfung der elektrisch behandelten Probekörper mit dem bloßen Auge keine Abschreckrisse erkennen ließ. Um sicherzustellen, daß an den elektrisch behandelten Probekörpern keine Abschreckrisse ausgebildet worden waren, wurden diese Probekörper einer intensiveren Prüfung mit Hilfe der Farbstoff-Penetrationsmethode unterworfen. Wiederum jedoch waren keine Abschreckrisse zu ermitteln.

Jeder Probekörper wurde außerdem im Hinblick auf Verwerfungen überprüft. Dieses erfolgte durch Anordnen des Probekörpers auf einer ebenen Fläche und in Anlagebringen des Probekörpers an einem geraden' Stahlstab, welcher gleichfalls auf die ebene Fläche aufgelegt worden war. Sodann wurde die maximale Entfernung zwischen dem geraden (gestreckten) Stab und dem Probekörper gemessen. Dieses Meßergebnis (Zoll) wurde durch die Länge des Probekörpers (Fuß) dividiert, um zu einer quantitativen Aussage über den Verwerfungsgrad eines jeden Probekörpers zu gelangen.

Die beiden Probekörpergruppen wurden gleichfalls, photographiert und die Fig. 3A und 3B zeigen, daß die elektrisch behandelten Probekörper viel gerader waren als die ofenbehandelten Stäbe. Die Tafel 2 enthält die an den genannten beiden Gruppen von wärmebehandelten Probekörpern ermittelten Daten.

'-* -3H9C07

Tafel 2

Vergleichsversuch mit Stahlsorte 4150 (AISI)

Probenbezeichnung Verwerfungsmaß ofenbehandelt (Zoll/Fuß) Abschreckrisse

F-I	0,191	0
F-2	0,114	1
F-3	0,046	0
F-4	0,717	0
F-5	0,171	1
F-6	0,143	1
F-7	0,107	0
F-8	0,191	1
F-9	0,223	1
F-10	0,129	0

Mittlere Verwerfung 0,149

elektrisch behandelt

E-1	0,040
E-2	0,039
E-3	0,046
E-4	0,039
E-5	0,014
E-6	0,038
E-7	0,036
E-8	0,031
E-9	0,062
E-10	0,041

50% der Proben wiesen Abschreckrisse auf-

0 0 0 0 0 0 0 Q 0 0

Mittlere Verwerfung 0,039 keine Abschreckrisse

·^:·31 k

Aus den in Tafel 2 angegebenen Daten sowie den Photographien gemäß Fig. 3A und 3B geht hervor, daß der auf erfindungsgemäße Weise austenitisierte Stahl eine geringere Abschreck-Verwerfung aufwies als der im Ofen behandelte Stahl. In der Tat war die Verwerfung der ofenbehandelten Probekörper mehr als drei mal so intensiv wie die der elektrisch behandelten Probekörper. Man könnte annehmen, daß die geringere Verwerfung der elektrisch behandelten Probekörper eine Folge der für diese Proben ermittelten unterschiedlichen Härte im abgeschreckten Zustand sein könnte. Dieses ist jedoch nicht der Fall. In der nachfolgenden Tafel 3 ist eine Vielzahl von Härteergebnissen zusammengestellt, die über den Querschnitt von Proben ermittelt wurden, welche aus diesen beiden Gruppen von im abgeschreckten Zustand vorliegenden Probekörpern gewonnen wurden. Diese Daten zeigen klar, daß beide Probekörpergruppen die gleich hohen Härteniveaus erreichten. Der geringe Unterschied liegt innerhalb der Meßgenauigkeit der Rc-Härteprüfung.

Tafel 3 '

Härte-Bestimmungen an Stahlsorte 4150

ofenbe- elektrisch

handelt behandelt

Mittlere Härte im Zentralbereich 62,2 Rc 62,1 Rc

Mittlere Härte im Bereich

des halben Radius 60,8 Rc 61,3 Rc

Mittlere Oberflächenhärte 60,7 Rc 61,4 Rc

Mittlere Insgesamthärte 61,2 Rc 61,6 Rc (30 Tests)

--27-

Der wichtigste Aspekt der in Tafel 2 zusammengestellten Daten betrifft die Ergebnisse der Abschreck-Rißbildung. 50 % der ofenbehandelten Probekörper rissen während der Wasserabschreckung und dieser Anteil von mit Abschreckrissen behafteten Proben ist mehr oder weniger normal. Übliche Stähle gemäß AISI-Typenreihe 4150 werden in Öl abgeschreckt, um die Abschreck-Rißbildung zu vermeiden. Folglich wäre das Auftreten von Abschreckrissen zu erwarten, wenn Wasser anstelle von öl für diese Stahlsorte verwendet wird. Jedoch keine einzige der elektrisch erwärmten Probekörper zeigte Abschreckrisse, obwohl sie in genau demselben Abschreckmittel abgeschreckt wurden und im abgeschreckten Zustand die gleiche Härte erreichten, wie die andere Probekörpergruppe. Es wird angenommen, daß der Grund für dieses unterschiedliche Verhalten auf die Geschwindigkeit des Austenitisierungs-Zyklus¹ zurückzuführen ist. Den schädlichen Elementen stand einfach nicht genügend Zeit zur Verfügung, um während des kurzen angewendeten Austenitisierungszyklus in die Austenitkorngrenzen einzudringen, bzw. sich in diesen Korngrenzen auszuscheiden. Demgegenüber stand bei den ofenbehandelten Probekörpern ausreichend Zeit zum Ausscheiden in dem Austenitkorngrenzen zur Verfügung."! und 50 dieser Probenkörper zeigten die Risse.

Die Fig. 4A und 4B zeigen im Vergleich die Oberfläche eines ofenbehandelten Probekörpers und die Oberfläche

eines elektrisch behandelten Probekörpers. Ein Abschrecken
^ov/ riss ist im ofenbehandelten Probekörper zu erkennen. Im allgemeinen erstrecken sich diese Abschreck-Risse über die gesamte Probekörperlänge und sie folgen einem irregulären Draht von Ende zu Ende. Ein Schnitt durch einen der Probekörper zeigt, daß sich der Abschreckriß von der Oberfläche bis etwa zur Mitte des Querschnittes erstreckt. Die Untersuchung des Bruches zeigt, daß der Bruch in der Tat

ι -3Z- ■

dem intergranularen Typ angehörte. Da in den elektrisch behandelten Probekörpern keine Abschreck-Risse aufgefunden wurden, konnten.auch keine photographiert oder matallographisch untersucht werden.

Die Photographien der Fig. 4A und 4B illustrieren einen anderen wichtigen Aspekt der Wärmebehandlung von Stahl mit raschen Austenitisierungsvorgangen. Die Fig.4A zeigt, daß die Oberfläche des ofenbehandelten Stahls mit einer dicken Oxidschicht bedeckt ist. Andererseits zeigt die elektrisch austenitisierte Probe lediglich eine dünne Zunderschicht. Untersuchungen der Dicke der Oxidschichten auf den ofenbehandelten Probekörpern zeigten schwankende Schichtdicken von 0,0381 bis 0,0889 mm. Ein Versuch, die Schichtdicke der Oxidschicht auf den elektrisch behandelten Probekörpern zu messen, scheiterte, weil die Schichtdicke zu dünn war. Alles was sich über die Oxidschicht auf den elektrisch behandelten Probekörpern sagen läßt, ist, daß die Schichtdicke weniger als 0,0025 mm beträgt. Dieses Fehlen einer Oxidschicht auf dem erfindungsgemäß behandelten Stahl stellt einen weiteren augenscheinlichen Vorteil .des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurden die Prüfungen und Untersuchungen, welche in Beispiel 1 durchgeführt worden waren, wiederholt, jedoch unter Verwendung einer anderen Stahlsorte. 30

Zehn warmgewalzte Stäbe aus Stahl gemäß Typenreihe 6150 der Charge B wurden zufällig ausgewählt. Diese zehn Stäbe wurden mechanisch gereinigt und sodann wurden daraus zwanzig Probekörper geschnitten. Diese Proben waren 53,3 cm lang und besaßen einen Durchmesser von 2,71 cm. Die chemische Analyse der Charge B ist in Tafel 1 gegeben und die

ι . - 32 -

Stahlsorte 6150 war für diese Versuchsreihe ausgewählt worden, weil sie als anfällig für das Auftreten von Abschreckrissen bei der Abschreckung mit Wasser angesehen wurde. Die in Fig. 2 dargestellten Einrichtungen wurden zur Wärmebehandlung dieser zwanzig Probekörper verwendet.

Zehn Probekörper wurden im Ofen behandelt unter Verwendung einer Austenitisxerungstemperatur von 843 C und einer Erwärmungszeitdauer von 4 Stunden. Nach dem Austenitisieren wurden die Probekörper individuell in bewegtem Wasser abgeschreckt, auf Abschreck-Risse untersucht und sodann im Hinblick auf Verwerfungsanzeichen gemessen.

Die verbleibenden zehn Probekörper wurden auf erfindungsgemäße Weise austenitisiert. Als Austenitisierungstemperatur wurde 927°C gewählt und die zum Erwärmen erforderliche Zeit betrug für jeden Probekörper 18 Sekunden. Die Probekörper wurden individuell im selben Bad abgeschreckt, welches für die ofenbehandelten Probekörper verwendet wurde'. Die in Beispiel 1 beschriebenen Arbeitsweisen wurden erneut verwendet, um diese Probekörper zu untersuchen und die gewonnenen Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 4 zusammengestellt. Photographien dieser Probekörper im abgeschreckten Zustand sind in den Fig. 5A und 5B dargestellt. ·

—3Θ- -

	0,137	80	50(AISI)
Tafel 4	0,092		Abschreck risse
	0,191
Vergleichsversuch an Stahlsorte 61	0,192	0
Probenbezeichnung Verwerfungsmaß (Zoll/Fuß)	0,153	1
ofenbehandelt:	0,114	1
F-1	0,140	1
F-2	0,086	2.
F-3	0,000	0
F-4	0,046	1
F-5	Mittlere Verwerfung 0,115	1
F-6		1
F-7		1
F-8		% gerissen
F-9
F-10

elektrisch behandelt:

E-1	0,017	0
E-2	0,017	0
E-3	0,000	0
E-4	0,014	0
E-5	0,036	0
E-6	0,022	0
E-7	0,003	0
E-8	0,019	0
E-9	0,031	0
E-10	0,020	0
Mittlere Verwerfung	0,018	0 % gerissen

Die in Tafel 4 zusammengestellten Ergebnisse sowie die Fig. 5A und 5B zeigen, daß eine rasche Austenitisierung 35 dazu neigt, den Verwerfungsgrad zu erniedrigen. In diesem Fall betrug der Verwerfungsgrad der ofenbehandelten Proben

das sechsfache von dem Verwerfungsgrad der elektrisch behandelten Proben.

Härteprüfungen wurden eiuf den Querschnitten von aus den Probekörpern herausgeschnittenen Proben sowohl für ofenbehandelte als auch elektrisch behandelte Stäbe durchgeführt und die Versuchsergebnisse dieser Härteprüfungen sind in der Tafel 5 zusammengestellt. Die in Tafel 5 zu-

IQ sammengestellten Versuchsergebnisse zeigen, daß die beiden Probekörpergruppen auf im wesentlichen gleiche Härtewerte abgeschreckt worden waren. Folglich können die unterschiedlichen Abschreckverwerfungen sowie die unterschiedliche Häufigkeit des Auftretens von Abschreckrissen nicht auf .Unterschiede im Ausmaß der Martensitbildung zurückgeführt werden.

Tafel 5

Härtevergleich für Stahlsorte 6150

ofenbe- elektrisch behandelt behandeld

Mittlere Härte im Zentralbereich 61,1 Rc 61,5 Rc

ης Mittlere Härte im Bereich

des halben Radius 60,8 Rc 61,1 Rc

Mittlere Oberflächenhärte 61,ORc 61,5 Rc Mittlere Insgesamthärte 60,9 Rc 61,5 Rc ,λ (30 Tests)

Der wichtigste Aspekt der in Tafel 4 zusammengestellten . Daten betrifft den Vergleich des Abschreckrißverhaltens. 80 % der ofenbehandelten Proben zeigten solche Risse, während keine einzige elektrisch behandelte Probe Risse zeigte. Diese Ergebnisse demonstrieren klar, daß ein rasches Austenitisieren die Probleme der Abschreck-Rißbildung überwinden .

Die Pig. 6A und 6B zeigen die Oberfläche einer ofenbehandelten Probe und die Oberfläche einer elektrisch behandelten Probe. Ein Abschreckriß ist deutlich in der ofenbehandelten Probe zu erkennen. Diese Photographien zeigen gleichfalls die Dicke der Oxidschicht auf der ofenbehandelten Probe und die vergleichsweise dünne Oxidschicht auf der elektrisch behandelten Probe. Die Oxidschichtdicken auf diesen Proben entsprechen in etwa den Ergebnissen bei den in Beispiel 1 untersuchten Probenkörpern.

Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe bestätigen die in Beispiel 1 gewonnenen Beobachtungen. Eine rasche Austenitisierung, wie von der Erfindung votgeschlagen, verhindert die Ausbildung von Abschreck-Rissen, führt zu einer minimalen Abschreckverwerfung und minimiert die Ausbildung von Oxiden auf dem Stahl. Vergleichsversuche dieser Art sind gleichfalls mit einigen anderen der in Tafel angegebenen Stahlsorten ausgeführt worden, welche höhere Kohlen stoffgehalte als 0,40 % aufweisen. In jedem Fall waren die Ergebnisse ähnlich und verhinderte das erfindungsgemäße Verfahren das Auftreten von Abschreckrissen.

Beispiel 3

Dieses Beispiel stellt erneut das Ausbleiben von Abschreckrissen beim erfindungsgemäßen Verfahren unter Beweis und beschreibt den Bereich handelsüblicher Produkte, die aus Stählen gemäß AISI-Typenreihe 414X-Stählen hergestellt werden können.

Warmgewalzte Stäbe aus zehn Chargen aus herkömmlich erzeugtem 414X-Stahl wurden ausgewählt, wobei die chemischen analysen dieser zehn Chargen in Tafel 1 in den Chargen C bis L angegeben ist. Diese Legierungen gemäß Typenreihe 414X waren für die Versuche ausgewählt worden, da sie die

3UGn07

am weitesten für Wärmebehandlungszwecke verbreiteten Legierungen sind. Viele der ausgewählten Chargen enthielten Zerspanbarkeitszusätze, welche dazu neigen, die Anfälligkeit des Stahles gegen Abschreckrisse zu fördern. Die
Durchmesser der untersuchten Stäbe lagen im Bereich von
15,06 mm bis 88,9 mm, wobei die Probestäbe eine Mindestlänge von 2,43 m aufwiesen.

Die in Fig. 1 dargestellten Einrichtungen wurden zur Verfahrensdurchführung für jede der Stahlchargen verwendet. Die Stäbe wurden in die Erwärmungsstation eingebracht,
auf 927°C erwärmt und dann abgeschreckt. Nach dem Abschrecken wurden die Stäbe mechanisch aus dem Abschreckbehälter entnommen und auf den Ausgabe-Haltetisch gebracht. Nachdem eine Menge von Stahlstäben austenitisiert und abgeschreckt worden war, wurden die Stäbe zum Eingangstisch zurückgeführt, um sodann auf verschiedene Anlaßtemperaturen erwärmt zu werden. Es wurden Anlaßtemperaturen zwischen

482 und 732°C untersucht. Die dicksten untersuchten Stäbe besaßen Durchmesser von 88,9 mm und eine Länge von 3 m.
Diese Stäbe benötigten bis zum Austenitisieren 8 Minuten. Alle übrigen aus diesen zehn Chargen hergestellten Probestäbe wurden in weniger als 8 Minuten austenitisiert. Die Anlaßzeiten lagen zwischen einigen Sekunden bis etwa 5
Minuten.

Die Probestäbe aus diesen zehn Stahlchargen wurden extensiv geprüft, so daß der Bereich der mechanischen Eigenschäften genau erfaßt werden konnte. Die Fig. 7 zeigt die ermittelten Festigkeiten und Zähigkeiten. Jeder angegebene Ergebnispunkt repräsentiert die Zugfestigkeit eines individuellen Probestabes aus der Gesamtheit dieser zehn
Chargen. Insgesamt wurden 50 Probestäbe untersucht. Die

^OJ gestrichelten Linien dienen zur Verdeutlichung des Bereiches der mechanischen Eigenschaften und stellen nicht eine statistische Größe der Versuchsergebnisse dar.

3U9007

-3* -

Die in Fig. 7 dargestellten Bereiche sind überraschend eng beieinander, wenn man berücksichtigt, daß die Durchmesser dieser Probestäbe zwischen 15,06 und 88,9 mm betrugen. Dieses enge Band der mechanischen Eigenschaften macht deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht sensitiv ist für kleine Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung der Stäbe und auch nicht sensitiv ist auf unterschiedliche Durchmesser. Es wird gleichfalls deutlich aus Fig. 7, daß die mechanischen Eigenschaften der wärmebehandelten Stähle leicht über einen weiten Bereich, verändert werden können, indem lediglich die Anlaßtemperatur geändert wird.

Jeder Probestab wurde auch im Hinblick auf Abschreckrisse untersucht, aber es konnten keine Abschreckrisse ermittelt werden. Dieses ist insbesondere_> zu beachten, weil die mit großen Durchmessern versehenen Stäbe von Stählen gemäß Typenreihe 414X üblicherweise in Öl abgeschreckt werden, um Abschreckrisse zu vermeiden. Des weiteren bestanden alle einen großen Durchmesser aufweisenden Probestäbe (Chargen J, K und L) aus einem Stahl, welcher zwecks Förderung der Zerspanbarkeit zugesetzte Additive enthielt. Wie bereits erwähnt, führen derartige Zusätze zu einer verstärkten Abschreck-Rißbildung. Diese Versuchsergebnisse zeigen deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auf einen weiten Bereich handelsüblicher Stähle angewendet werden kann, ohne daß Verluste, wie sonst durch Abschreck-

. risse, auftreten.
30

Beispiel 4

Beispiel 3 zeigte, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung von Legierungen gemäß Typenreihe 414X über

^OD einen weiten Durchmesserbereich angewendet werden kann. Es zeigte gleichfalls, daß Abschreckrisse durch Anwendung

• --35 -

V ι ■ ■ -»-

•i des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden können

"? und es erläuterte den Bereich der mechanischen Eigen-

j schäften, die innerhalb dieser Legierungsreihen erreicht

j 5 werden konnten. Dieses Beispiel beschäftigt sich mit

einem weiten Reich von Legierungszusammensetzungen und es demonstriert die Vielseitigkeit des erfindungsgemäßen Ver-

! fahrens, wie auch das Fehlen von Abschreckrissen in weiteren Legierungen.

10

Die in Fig. 1 dargestellten Einrichtungen wurden zur Durchführung der Versuche dieses Beispieles verwendet. Alle Probestäbe besaßen eine Mindestlänge von 2,43 m und es wurden die in Beispiel 3 beschriebenen Arbeitsschritte verwendet. Die verwendeten Austenitisierungstemperaturen lagen im Bereich von 871 bis 927°C und die Anlaßtemperaturen lagen im Bereich von 482 bis 7O4°c. In Tafel 1 sind die Durchmesser und die chemischen Zusammensetzungen der bei diesem Beispiel untersuchten Stähle zu entnehmen, wobei die folgenden Chargen geprüft wurden: A, B, M, N, O, P, Q, R, S und T.

Verschiedene Stäbe aus jedem dieser Chargen wurden auf erfindungsgemäße Weise behandelt und die Ergebnisse der mechanischen Prüfungen eines jeden Stabes wurden ermittelt. Die Fig. 8 und 9 zeigen die ermittelten Zugfestigkeiten, aufgetragen in Abhängigkeit von den Anlaßtemperaturen für diese zehn Stahlchargen. Alle diese Stähle verhielten sich auf vorhersehbare Weise entsprechend ihrer Legierungszusammensetzung. Die Natur des Kurvenverlaufs für den 6150-Stahl ist etwas verschieden von dem Kurvenverlauf der anderen Stahlsorten, weil dieser Stahl Vanadium enthält und ein Altern des Vanadiums in diesem Stahl bei Anlaßtemperaturen im Bereich von 649°C auftritt. Diese Phänomen i_st bei vanadiumhaltigen Stählen üblich und ist nicht ein Spezialaspekt dieser Erfindung.

>_ CjD - ■ Nachdem jeder Stab aus diesen zehn Chargen wärmbehandelt worden war, wurde er einer Prüfung auf Abschreckrisse unterzogen, aber es wurden keine solchaiRisse gefunden. Es sei jedoch unterstrichen, daß Stähle mit Kohlenstoffgehalten von weniger als 0,40 % nicht in Gefahr stehen, während einer Abschreckung in Wasser zu reißen. In diesem Beispiel gab es drei Legierungen, die dieser Kategorie zuzurechnen waren. Die übrigen untersuchten sieben Chargen neigen an sich zum Reißen bei Wasserabschreckung und der Stahl gemäß Typenreihe 1144 hat an sich eine ausgeprägte · Neigung zur Bildung von Abschreckrissen als Folg eines hohen Schwefelgehaltes.

Im Verlauf der Verarbeitung dieser verschiedenen Stahlsorten wurde eine Anstrengung gemacht, um die ideale Austenitisierungstemperatur für eine gegebene Legierung zu ermitteln. Offensichtlich sind-bei raschen Austenitisierungsvorgängen höhere Temperaturen zu verwenden als bei lang dauernden Austenitisierungen. Die Versuchsergebnisse deuten an, daß die Austenitisierungstemperatur etwa um 93°C oberhalb der A,-Temperatur für einen gegebenen Stahl liegen sollte. Es wird unterstrichen, daß diese Temperatur beträchtlich höher liegt, als die für die Ofenbehandlung empfohlenen Temperaturen.

Dieses Beispiel zeigte,· daß das erfindungsgemäße Verfahren auf einen weiten Bereich von Stahllegierungen ohne Schwierigkeiten angewendet werden kann. Dieses Beispiel zeigte außerdem, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Abschreck-Risse für einen weiten Bereich von Stahlsorten beseitigt, woraus sich die vielseitige Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt.

—9T--

-ty-

Beispiel 5

Dieses Beispiel zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren für Stahlwerkstücke verwendet werden kann, die in Rohrgestalt vorliegen.

Es wurde^ die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung verwendet, um drei Rohre zu verarbeiten, die aus einem handelsüblichen Stahl gemäß Typenreihe 4130 hergestellt waren. Die chemische Zusammensetzung dieser Charge (Charge U) ist in Tafel 1 angegeben. Die für diese Untersuchung verwendeten Rohre besaßen einen Durchmesser von 38,1 mm bei einer Wanddicke von 9,5 mm. Diese Röhren wurden in gleicher Weise wärmebehandelt wie die Stäbe und keinerlei Abweichungen wurden vorgenommen. Jede Röhre wurde bei 927 C austenitisiert und bei Temperaturen zwischen 399 und 566 C angelassen. Nach der Wärmebehandlung wurden die Röhrun auf ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Die gewonnenen Versuchsergebnisse sind in Tafel 7 zusammengestellt.

Tafel 7

Mechanische Eigenschaften von wärmebehandelten Röhren Durchführung Zugfestig- Streck- Dehnung Quer-

Alle Rohre austeniti-3Q sierten bei 927°c

angelassen bei 399°C angelassen bei 482°C angelassen bei 566°C

keit (kg/mm	2)	grenze2 (kg/mm )	12,5	schnitts- verminder	,1
142,	57	129,42	13,0	59	,4
129,	84	122,53	16,0	62	,3
111,	99	102,36	67

49007

Jedes Rohr wurde auf Abschreckrisse sowie auf Gleichförmigkeit untersucht. Es wurden keine Abschreckrisse festgestellt und die Gleichförmigkeit der Stähle von der Oberfläche zum Inneren sowie entlang der Längsabmessung war ausgezeichnet.

Dieses Beispiel demonstriert, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne Schwierigkeiten auf Röhren anwenden läßt. Es waren keine Änderungen der Einrichtungen erforderlich und ein Rohr mit gleichförmiger hoher Festigkeit wurde durch die Wärmebehandlung erzielt.

Beispiel 6

Dieses Beispiel demonstriert das Phänomen des Anlaß-' Richtens, welches schon vorher erwähnt wurde. Das Anlaß-Richten kann benutzt werden, um das Ausmaß der Abschreck-Verwerfung zu verringern, welches beim Wärmebehandeln langer Werkstücke auftritt.

Stäbe aus den beiden Chargen J und K aus Stahl gemäß Typenreihe 4142 wurden auf erfindungsgemäße Weise verarbeitet. Die chemischen Zusammensetzungen und die Durchmesser dieser Stäbe sind Tafel 1 zu entnehmen. Zur Versuchsdurchführung wurde die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung verwendet.

In diesem Versuch wurde das Gestrecktsein eines jeden

Stabes nach dem Abschrecken und erneut nach dem Anlassen gemessen. Während des Anlassens wurde eine Zugkraft von 181 kg an das Werkstück vermittels der elektrischen Kontakte angelegt. Diese Zugkraft war alleine nicht ausreichend, um eine plastische Verformung dieser Stäbe mit

großen Durchmessern zu erreichen. Während des Anlassens wurde jedoch beobachtet, daß diese Stäbe in einem beträcht-

1 1 , V3 -

5 liehen Ausmaß gerichtet wurden. Fig. 1OA zeigt eine

* Photographie von Stäben der Charge J im abgeschreckten

■i Zustand. Es sei unterstrichen, daß der fünfte Stab dieser

) 5 Gruppe schwerwiegend während des Abschreckens als Folge

: einer Störung im Agitationssystem der Abschreckeinrichtung

■';! verformt worden war. Fig. 1OB zeigt dieselben Stäbe nach

'': dem Anlassen unter Zugspannung. Zu beachten ist die be-

\ trachtliche Verbesserung hinsichtlich des Gestrecktseins

:, 10 der Stäbe nach dem Anlassen. Tafel 8 zeigt die ermittelten

\ Werte des Gerichtetseins nach dem Abschrecken und nach

j dem Anlassen für diese Stäbe. Die Anlaßtemperaturen sind

;' gleichfalls angegeben.

\ ■ ¹⁵ Tafel 8

Verwerfung von Stäben aus der Charge J

I ^: ' ( Stablänge 4,67 m)

20

Verwerfung nach Verwerfung nach Anlaßtemperatur

dem Abschrecken dem Anlassen ( C)

(Zoll/Fuß) (Zoll/Fuß)

0,0355	0,0053
0,0558	0,0105
0,0507	O,0105
0,0202	0,0053
0,2584	0,0845
0,0101	0,0053
0,0253	0,0053
0,0101	0,0053

482 538 593 649

25 0,2584 0,0845 *

649 649 649

³⁰ Mittel

0,0582 0,0165

Dieser Versuch wurde mit Stäben größeren Durchmessers aus der Charge K wiederholt. Tafel 9 zeigt die hinsichtlich 35 des Gerichtetseins an den Stäben dieser Charge ermittelten Ergebnisse.

	-HIi-	Verwerfung nach dem Anlassen (Zoll/Fuß)	3149007
	Tafel 9	0,0304
	Stäben aus der Charge	0,0253
	(Stablänge 4,67 m)	0,0304	K
Verwerfung von	Verwerfung nach dem Abschrecken (Zoll/Fuß)	0,0355
	0,0304	0,0355	Anlaßtemperatur
	0,0912		482
0,2027	538
0,2027	593
. 0,2230	649
704

Mittel 0,1500 0,0314

Die in den Tafel 8 und 9 zusammengestellten Ergebnisse illustrieren das Phänomen des Anlaßrichtens. In beiden Fällen wurde eine beträchtliche Verminderung der Verwerfungen der Stäbe erreicht als Folge der Kombination einer geringen Zugspannung und eines raschen Erwärmens. Die Zugspannung, die an diese Stäbe gelegt wurde, war so klein, daß dieses Richtphänomen nicht als Aufbringen von plastischen Verformungskräften beschrieben werden kann. Stattdessen ist die Verringerung der Stabverwerfung eine Folge der bevorzugten Redistribution der Restspannungen im Stab. Es scheint nicht möglich zu sein, diesen Richteffekt beim Anlassen im Ofen zu erreichen, weil die Masse des Ofeneinsatzes die Gestalt des Werkstückes fixieren und somit äI das Erreichen eines Richteffektes verhindern würde. ¹V

, ^;

Beispiel 7
Ofenbehandelte Probekörper wurden 1 Stunde lang bei 843°C austfenitisiert, in bewegtem Wasser abgeschreckt und sodann 1 Stunde lang bei Temperaturen zwischen 482 und 593 C angelassen. Die Ofeneinsätze wurden klein gehalten, um gute

3H9007

:! Austenitisierungs- sowie Anlaßbehandlungen zu gewährleisten.

' \ Eine gleiche Stahlmenga wurde sodann auf erfindungsgemäße

. '; Weise unter Verwendung der direkten elektrischen Wider-

-'i 5 Standserwärmung verarbeitet. Eine Austenitisierungstempe-

Ij ratur von 927°C wurde für alle elektrisch erwärmten Probe-

; körper verwendet, während die Anlaßtemperaturen im Bereich

• von 538 bis 7O4°C lagen. Die Austenitisierungsdauer betrug

I für jeden Probekörper 42 Sekunden und die Anlaßdauern Ia-

•ä 10 gen alle unter 30 Sekunden. Durch diese Behandlungen

j wurden Probekörper erzeugt, deren Zugfestigkeit im Bereich

t von 105,46 bis 147,7 kg/mm lag. Es wurden genügend Probe-

j körper bei verschiedenen Temperaturen behandelt, um Ver-

] gleiche hinsichtlich Härte, Festigkeit, Duktilität, Zeit-

I Ί5 Standfestigkeit sowie Schlagzähigkeit durchzuführen.

j Die Ergebnisse des Zugversuches ergaben, daß auf erfindungs-

l ' gemäße Weise behandelter Stahl eine im Vergleich zu auf

I herkömmliche Weise behandeltem Stahl verbesserte Duktili-

I 20 tat besitzt. Fig. 11 zeigt ein graphisches Schaubild der

S Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Dehnung für auf

M zwei Arbeitsweisen behandelte Probekörper. Das Schaubild

i zeigt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine ver-

Ij besserte Duktilität erreicht wird. Die Unterschiede sind

25 nicht sehr groß, aber die Tendenz ist deutlich sichtbar.

Diese Duktilitätsverbesserung wird dem verfeinerten Gefüge zugeschrieben, welches als Folge der raschen Austenitisierungsbehandlung erzielt wird.

30 Als nächstes wurden zwei relativ große Volumina an Stahlstäben mit den gleichen Festigkeitseigenschaften unter Verwendung der beiden Arbeitsweisen hergestellt, um auf Werkstoffermüdung untersucht zu werden. Glatte Rotations-Biegungs-Ermüdungsproben wurden aus diesen Stäben herge-

*"■ stellt und im Hinblick auf die Werkstoffermüdung dieser Stähle untersucht. Verschiedene Zugproben und Härteproben

wurden gleichfalls aus diesen Stäben geschnitten. Tafel 10 zeigt die Ergebnisse dieser Stähle. Die verbesserten Werkstoffermüdungseigenschaften sowie das verbesserte Ermüdungsverhältnis sind deutlich aus den in dieser Tafel zusammengestellten Versuchsergebnissen erkennbar.

Tafel 10

Die mechanischen Eigenschaften der Werkstoff-Ermüdungs-

proben - Charge G

Mechanische Eigen	im Ofen be	elektrisch.
schaften	handelt	behandelt
Zugfestigkeit(kg/mma)	118,24	118,17
Streckgrenze (kg/rara2)	109,94	109,17
Dehnung (%)	15,8	16,5
Einschnürung (%)	53,5	57,1
Kernhärte (Rc)	36,4	36,8
Dauerfestigkeit(kg/ram2	) 62,42	64,32
Ermüdungsverhältnis	0,528	0,544

Ermüdungsverhältnis = Dauerfestigkeit/Zugfestigkeit

Schlagzähigkeitsprüfungen unter Verwendung der Charpy-Probe wurden gleichfalls an Proben aus diesen beiden Stahlmengen hergestellt, wobei diese beiden Stahlmengen

die gleiche Zugfestigkeit (126,56 kg/mm ) aufwiesen.

Tafel 11 zeigt die Ergebnisse der Schlagzähigkeitsprüfung mit der Charpy-Probe über einen weiten Temperaturbereich. Zu unterstreichen ist, daß die Schlagenergie für die auf erfindungsgemäße Weise hergestellten Stähle größer ist, unabhängig von der Versuchstemperatur.

	— 3149007	im Ofen behandelt	elektrisch behandelt
		(mkg)	(mkg)
		5,79	8,00
	Schlagzähigkeitsprüfung (Charpy-Probe) an Charge G	5,79	6,07
	Versuchs	5,38	5,79
	temperatur	5,04	5,52
	( C)	3,66	4,41
	90	3,31	3,79
- 43—	50	2,62	2,83
- W> -	24	2,00	2,28
Tafel 11	0
	-25
	-40
-50
-72

Die in diesem Beispiel erhaltenen Versuchsergebnisse zeigten, daß die erfindungsgemäß behandelten Stähle überlegene Werte erbringen für Duktilität, Werkstoffermüdungseigenschaften und Schlagzähigkeitseigenschaften im Vergleich mit auf herkömmliche Weise behandelten Stählen.

Beispiel 8

Worauf bereits aufmerksam gemacht, sind mit der Erwärmung i^m Ofen Probleme verbunden, die sich aus dem Temperaturgradienten von der Oberfläche bis zum Kern des Ofeneinsatzes ergeben. Diese Temperaturschwankung führt zu einem Mangel an Gleichmäßigkeit im Produkt der Ofenbehandlung. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde eine Probe aus einem im Ofen wärmebehandelten Stahl gemäß Typenreihe

4142 im Stahlhandel erworben. Sodann wurde eine vergleichbare Probe unter Verwendung der in Fig. 1 beschriebenen . Einrichtung und entsprechend der Erfindung hergestellt.

Beide Proben bestanden aus 29 Stäben von Typen der Typenreihe 4142 mit 25,4 mm Durchmesser und etwa 3,65 m Länge. Die chemischen Zusammensetzungen dieser beiden Chargen

(Carge V" und W) sind in Tafel 1 angegeben.

Die erfindungsgemäß behandelten Stähle wurden bei 927 C austenitisiert und bei 688°c angelassen. Sodann wurden die Werkstücke mechanisch auf handelsübliche Toleranzen gerichtet. Eine Zugprobe und eine Härteprobe wurden aus jedem Stab herausgeschnitten und mit Hilfe von Techniken der statistischen Analyse wurde die Gleichförmigkeit der Stähle untersucht. Die gleichen Versuchsserien und die gleichen Analysen wurden auf den in herkömmlicher Weise erzeugten Stählen durchgeführt und die folgende Tafel 12 enthält die Ergebnisse der statischen Analysen dieser beiden verschiedenen Stahlmengen.
15

Tafel 12
Statistische Analyse der Uniformität von 41.42-Stählen

	\ Eigen-	ofenbehandelt	Standard abzeichnung	elektrisch behandelt	Standard abzeichnung
mechanische schäften	(kg/itm2) (kg/itm ) (%)	*· Bereich	4,257 4,249 1,045 2,216	Bereich	2,284 3,704 1,127 1,344
Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung (%) Einschnürung	23,9 22,7 5,0 9,6	10,9 14,4 3,0 5,6

Kernhärte (Rc) 6,0 1,394 3,0 0,577

Die in Tafel 12 zusammengestellten Ergebnisse zeigen, daß der auf erfindungsgemäße Weise behandelte Stahl eine höhere Uniformität besitzt als der ofenbehandelte Stahl. Bei jeder Kategorie mechanischer Eigenschaften war der Bereich ermittelter Werte größer als bei dem ofenbehandelten Produkt. Die Unterschiede zwischen der Gleichförmigkeit dieser beiden Stahlmengen (Stahlaorten) sind am meisten

*" aussagekräftig, wenn die Zugfestigkeit und die Härte betrachtet werden. Die ofenbehandelten Stahlproben besaßen

ft«

3Η9007

den doppelten Wertbereich im Vergleich mit dem Wertbereich der elektrisch behandelten Stähle. Die Standardabweichung der Zugfestigkeitswerte für die beiden Stähle besagt gleichfalls, daß die auf erfindungsgemäße Weise behandelten Stähle etwa doppelt so gleichmäßig sind wie der herkömmlich behandelte Stahl. In vergleichbarer Weise besagen die ermittelten Härtewerte, daß die elektrisch behandelten Stahlproben etwa doppelt so gleichmäßig sind wie die ofenbehandelten Stahlproben.

Zum Demonstrieren, daß das erfindungsgemäße Verfahren es möglich macht, das gesamte Potential des Legierungsgehaltes im Stahl durch Ausführen eines intensiven Ab- Schreckens , wurden Vergleichsversuche angestellt zwischen dem auf herkömmliche Weise erzeugten Stahl gemäß Beispiel 8 (Charge V) und einer Charge eines niedriger legierten Stahls (Stahltyp 1Ο45¹, Charge O) , welcher auf erfindungsgemäße Weise behandelt worden war. Tafel 13 (Charge O) enthält eine Gegenüberstellung der mechanischen Eigenschaften sowie der wichtigen Legierungsbestandteile dieser beiden Stähle. Die für den Versuch ausgev/ählten Probekörper waren so ausgewählt worden, daß sie in etwa die gleiche Streckgrenze aufwiesen.

Tafel 13

Vergleich zweier wärmebehandelter Stähle	Stahlsorte 4142 Stahlsorte 1O4 5 ofenbehandelt elektrisch be handelt	106,85
	102,28	91,25
Zugfestigkeit(kg/mm )	90,97	18,0
Streckgrenze (kg/mm )	17.5	62,3
Dehnung (%)	60,0	0,44
Einschnürung (%)	0,41	0,82
Kohlenstoffgehalt (%)	0,79	0,03
Mangangehalt (%)	1,01	0,01
Chromgehalt (%)	0,18
Molybdängehalt (%)

3Η9Ό07

ι * 50 -

Die in Tafel 13 zusammengestellten Ergebnisse zeigen, daß das vollständige Härtungspotential des Stahls gemäß Typenreihe 1045 in dem Maße nutzbar gemacht werden kann, wie es sich bei einem herkömmlich behandelten Stahl um einen höher legierten Stahl handelt. In diesem Fall weist der Stahl gemäß Typenreihe 1045 in der Tat eine bessere Kombination der mechanischen Eigenschaften auf.als der Stahl gemäß Typenreihe 4142. Im vorstehenden Beispiel enthalten die beiden Stähle etwa die gleiche Menge an Kohlenstoff und Mangan, enthält der Stahl gemäß Typenreihe 4142 jedoch mehr Chrom und Molybdän.

Beispiel 10

Dieses Beispiel zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren die bei der Wärmebehandlung entstehende Entkohlung auf ein Minimum vermindert. Um dieses zu demonstrieren, wurden zwei metallographische Proben hergestellt. Die erste Probe wurde der Charge V entnommen, bei welcher es sich um ein typisches Beispiel eines ofenbehandelten Stahles handelt. Die zweite Probe wurde der Charge A entnommen, bei welcher es sich um einen Stahl handelt, der auf erfindungsgemäße Weise hergestellt war. Beide Probekörper wurden so zerteilt, daß die entkohlte Schicht in der Nähe der Oberfläche leicht überprüft werden konnte. Die Fig.: 12A und 12B zeigen die Ergebnisse der metallographischen Untersuchung. _:v

Diese beiden Figuren zeigen deutlich, daß der ofenbehandelte Stahl stark entkohlt war, wohingegen der erfindungsgemäße Stahl lediglich geringe Entkohlungsanzeigen zeigte. Zur Verifizierung dieses metallographischen Befundes, wurden Mikrohärteprüfungen auf dem Querschnitt dieser

^OJ beiden Proben durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Mikrohärteprüfungen sind in·Fig. 13 zusammengestellt. Die Mikro-

- AR- -

', härteprüfungen zeigten, daß es eine geringe Entkohlung

■: im Oberflächenbereich der auf erfindungsgemäße Weise be

handelten Stähle gibt. Diese Entkohlung ist jedoch rela-

'] 5 tiv gering im Vergleich zur Entkohlung bei ofenbehandel-

J ten Proben.

i Auf der Grundlage dieser und weiterer Überprüfungen darf

. geschlossen werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren

1 10 geeignet ist, die Entkohlung von Stahl während der Wärme-

I behandlung auf ein Minimum zu vermindern. Dieses ist in

erster Linie ein direktes Ergebnis der sehr kurzen Aus-. tenitisierungszeitdauer. Es ist einfach nicht genügend

Zeit für eine kräftige Entkohlung vorhanden.

^f> . ί5

; Wie aus diesen Beispielen hervorgeht, schafft die Erfin-

-: dung eine signifikante Verbesserung beim Austenitisieren,

* Abschrecken und Anlassen von Stählen. Das erfindungsge-

^I mäße Verfahren beinhaltet einen verbesserten Energie- « 20 wirkungsgrad als Folge der direkten elektrischen Wider-

^; Standserhitzung. Das Problem der Abschreck-Rißbildung ist «

praktisch gelöst worden und das Problem der durch Abschreckung hervorgerufenen Verwerfung ist signifikant vermindert worden. Außerdem kann die aufgetretene Ab-25 schreck-Verwerfung im letzten Schritt des erfindungsge-

i mäßen Verfahrens korrigiert werden.

' Die Oxidation der Stahloberfläche sowie die Entkohlung

sind weitere Probleme , welche durch das erfindungsge-

^II 30 mäße Verfahren auf ein Minimum verringert werden. Das

' erfindungsgemäße Verfahren gestattet außerdem ein voll-

\ ständiges Nutzbarmachen des einer Stahllegierung'innewohnenden Härtungspotential. Ferner zeichnet sich das \ auf erfindungsgemäße Weise hergestellte Stahlprodukt aus

35 durch eine überlegene Gleichförmigkeit im Vergleich zum ! auf herkömmliche Weise erzeugten Produkt, wobei sich die

erfindungsgemäß hergestellte Erzeugnis ferner durch verbesserte Duktilität/ Zähigkeit und Dauerfestigkeit auszeichnet. 5 Es versteht sich, daß zahlreiche Modifikationen und Variationen innerhalb des Erfindungsgedankens der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können. Alle Angaben bezüglich Stahlsorten und/oder Typenreihen beziehen sich auf Stahlkennzeichnungen gemäß

AISI. ·

15

20

25

30

35

- 53 - Leerseite

■'$

-η ΐ

Claims (15)

Patentansprüchet

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Stählen ohne das

Auftreten von Abschreck-Rissen, gekennzeichnet durch

a) rasches Erwärmen eines Stahlwerkstückes auf eine ι Temperatur oberhalb der A -Temperatur des Stahls zwecks Umwandlung des Stahls in Austenit, wobei die Erwärmungsgeschwindigkeit derart ist, daß der Stahl weniger als 300 Sekunden auf einer Temperatur oberhalb der A₁-Temperatur gehalten wird,

b) Abschrecken des Stahls in einem flüssigen Abschreckmittel zwecks Umwandlung des Austenits in ein vorherrschend martensitisch.es Feingefüge und

c) Anlassen des Stahls unter Beaufschlagung mit einer Zugspannung während eines raschen Erwärmens des Werkstückes auf eine Temperatur unterhalb der A₁-Temperatur des Stahls, ^

so daß der Stahl in ein martensitisches Anlaßgefüge umgewandelt wird. j >

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mit Hilfe der direkten elektrischen Widerstandserwarmung rasch auf eine Temperatur oberhalb der A —Temperatur erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, '. daß der Stahl beim Anlassen mittels der direkten elektrisehen Widerstandserwärmung erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstück in Form eines Stahls mit gleichmäßig

wiederholter Querschnittsgestalt verwendet wird. 35

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück unter Bedingungen abgeschreckt wird, welche einen Abschreckungs-Intensitätskoeffizienten von mehr als 1,2 gewährleisten.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während des Anlassens einer Zugbeanspruchung ausgesetzt wird, wobei die Zugbeanspruchung so groß ist, daß die im Stahl dadurch hervorgerufenen Spannungen unterhalb der Streckgrenze des Stahls liegen.

7. Verfahren zum Wärmebehandeln von Stählen ohne Abschreck-Rißbildung, gekennzeichnet durch

•5 a) rasches Erwärmen eines Stahlwerkstückes mit gleichmäßiger Querschnittsgestalt auf eine Temperatur oberhalb der A -Temperatur des Stahls zwecks Umwandlung des Stahls in Austenit, wobei die Aufwärmgeschwindigkeit derart ist, daß der Stahl weniger als 300 Sekun-

^O den auf einer Temperatur oberhalb der A₁-Temperatur gehalten wird, und

b) Abschrecken des Stahls in einem flüssigen Abschreckmittels zwecks Umwandlung des Austenits in ein vorherrschend-.martensitisches Feingefüge, so daß der Stahl frei bleibt von Abschreckdefekten und eine geringe Abschreckverwerfung aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, J^-v

daß der Stahl mit Hilfe der direkten elektrischen Wider-

Standserwärmung rasch auf eine Temperatur oberhalb der A -Temperatur erwärmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Werkstück in Form eines Stahls mit sich gleich-

mäßig wiederholender Querschnittsgestalt verarbeitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, * daß das Werkstück unter Bedingungen abgeschreckt wird, welche einen Abschreck-Intensitätskoeffizienten von mehr als 1,2 gewährleisten.

11. Verfahren zum Wärmebehandeln eines Stahls zwecks Vermeidung des Problemes der Abschreck-Rißbildung durch Anwendung einer kurzen Austenitisierungsdauer, gekennzeichnet durch

a) rasches Erwärmen eines Stahlwerkstückes auf eine Temperatur oberhalb der A_-Temperatur des Stahls zwecks Umwandlung des Stahls in Austenit mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die Zeitdauer, während welcher der Stahl sich oberhalb der A.-Temperatur befindet, unzureichend ist für die Diffusion einer signifikanten Menge von Versprödungselementen zu den Austenitkorngrenzen und

b) Abschrecken des Stahlwerkstückes mittels eines ^ . flüssigen Abschreckmediums zwecks Umwandlung des Austenits in ein vorherrschend martensitisches Fein- j gefüge.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen mit Hilfe der direkten elektrischen

Widerstandserwärmung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück kürzer als 300 Sekunden auf einer Tempe-

ratur oberhalb der A -Temperatur gehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, deidurch gekennzeichnet, daß das Werkstück unter Bedingungen abgeschreckt wird, welche einen Abschreck-Intensitätskoeffizienten von mehr

als 1,2 gewährleisten.

Ί ι

10

20 25 30 35

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein längliches Werkstück behandelt v/ird.