Verfahren und Vorrichtung zum Oberflächenhärten Die bekannten Oberflächenhärteverfahren für Ei sen und Stahl mit Hilfe von Gas-Sauerstoff-Brennern oder elektrischen Heizvorrichtungen haben in den letzten 20 Jahren immer grössere Bedeutung erlangt. Am verbreitetsten sind das Vorschubverfahren und das Umlaufvorschubverfahren, deren Arbeitsweise in Fig. 1 bzw. 2 schematisch dargestellt ist. In Fig. 1 ist 1 der zu härtende Gegenstand, z. B. eine ebene Platte, im Längsschnitt, 2 bedeutet die Wärmequelle, z. B.
einen Flachbrenner, und 3 die mit diesem im Abstand a fest verbundene Abschreckbrause. Beim Härtevorgang ist das Werkstück 1 in Ruhe, Brenner und Abschreck- brause werden mit gleichbleibender Geschwindigkeit in Richtung v bewegt, so dass die Härtung linienweise fortschreitet, weshalb man auch von Linienhärtung spricht. Im Längsschnitt ist die bereits gehärtete Zone von der Dicke s (Einhärtungstiefe) durch Feinschraf- fur gezeichnet. Beim Umlaufvorschubverfahren nach Fig. 2 ist 1 der zu härtende Gegenstand, z. B. eine zwischen Körnerspitzen gelagerte Welle, 2 die Wärme quelle, z.
B. ein ringförmiger Brenner, und 3 die mit diesem im festen Abstand a verbundene, ringförmige Abschreckbrause. Beim Härtevorgang wird der Ge genstand 1 gleichmässig gedreht, während der Bren ner und Brause mit gleichförmiger Geschwindigkeit in Richtung v bewegt werden, so dass die Härtung spiralförmig fortschreitet, weshalb man auch von Spiralhärtung spricht. In Fig. 2 ist die bereits ge härtete Oberfläche durch Kreuzschraffur gekenn zeichnet.
Die genannten beiden Härteverfahren sind in ihrer Anwendungsmöglichkeit jedoch begrenzt, da die er zielbare Einhärtungstiefe verhältnismässig gering ist. Bei langsamstem Vorschub kann man, ohne schäd liche Überhitzungen der Werkstückoberfläche zu be wirken, beim Flammenhärten im Höchstfalle nur etwa 6 mm Tiefe einhärten. Einen grossen Fortschritt brachte eine Vorwär- mung des Werkstückes auf Temperaturen unterhalb des Aci- Punktes, vornehmlich auf 500-550 C.
Diese Vorwärmung kann im Ofen oder mit Hilfe eines Vorwärmbrenners erfolgen, der in einem festen Abstand dem Härtebrenner vorgeschaltet wird. In Fig. 1 ist der Vorwärmbrenner mit 4, sein Abstand vom Härtebrenner mit b bezeichnet. Durch dieses Verfahren erreicht man erfahrungsgemäss Einhär- tungstiefen bis etwa 12 mm.
In der österreichischen Patentschrift Nr. 174627 sind Vorwärmtemperaturen angegeben, die oberhalb der kritischen Temperaturen, etwa auf gleicher Höhe wie die Härtetemperaturen liegen. Die Erfahrung hat aber gelehrt, dass die auf diese Weise erzielbaren Einhärtungstiefen etwa 15 mm nicht übersteigen, weil ein vorgewärmtes Stück mit den üblichen kräftigen Härtebrennern naturgemäss schneller auf Härtetem peratur kommt und zur Vermeidung schädlicher überhitzungen mit grösserer Vorschubgeschwindig- keit, also verkürzter Eindringzeit der aufgebrachten Wärme, gehärtet werden muss.
Bei der bekannten Vorschub- und Umlaufvor- schubhärtung mit Gas-Sauerstoff-Brennern kann die zu erwartende Einhärtungstiefe unter Berücksichti gung der Vorschubgeschwindigkeit, der Analyse und der Dicke des Werkstückes durch die Breite der Glühzone , das ist jene Oberflächenzone im Bereich des Härtebrenners, die durch ihre Glühfarbe, etwa bei 650 C beginnend, deutlich sichtbar ist, abgeschätzt werden. Sie ist deshalb für den Härter von grosser praktischer Bedeutung. Einer schmalen Glühzone ist eine geringe, einer breiteren Glühzone eine stärkere Einhärtung zugeordnet.
In Fig. 1 ist die Glühzone von der Breite B durch Kreuzschraffur hervorgehoben.
Für alle bisher- bekannten autogenen oder elektri schen Verfahren ist gemeinsam kennzeichnend, dass im Einwirkungsbereich der Härtevorrichtung die höchste Oberflächentemperatur erzeugt wird und dass der vor diesem liegende, also von der fortschreiten den Härtung noch nicht erfasste Werkstückteil eine mittlere Temperatur aufweist, die in jedem Falle tie fer liegt als die Härtetemperatur. Dies bedeutet aber, dass entsprechend der schmalen Bauart der Gas- Sauerstoff-Härtebrenner die Glühzone ebenfalls ver hältnismässig schmal ist. Dieser schmalen Glühzone entspricht eine verhältnismässig dünne Härteschicht, die, wie bereits erwähnt, höchstens 15 mm beträgt.
Diese nach dem heutigen Stand der Technik er reichbare Einhärtungstiefe genügt aber nicht, wenn bei starkem Verschleiss die Werkstückdicke möglichst weitgehend ausgenützt werden soll, wie z. B. bei Aus kleidungsplatten, Panzerstäben und Schlägern für Zer kleinerungsmaschinen, bei Brecherplatten, Mahltel lern und Mahlwalzen für Kollergänge usw.
Sie genügt ferner nicht bei Werkzeugen, die einem starken Flä chendruck ausgesetzt sind und obendrein im Betrieb mehrmals nachgeschliffen werden, wie beispielsweise Langmesser für Metallscheren, Walzen für Richt- maschinen, Arbeits- und Stützwalzen für Walzwerke usw. Sie genügt schliesslich nicht bei Beschussbean- spruchung schwerer Art. Dem Bestreben nach erhöh ter Einhärtungstiefe liegt daher ein grosses wirtschaft liches Interesse zugrunde.
Beim Oberflächenhärten mit Vorwärmbrenner er gibt sich für einen bestimmten Zeitpunkt in einer Längslinie der Werkstückoberfläche eine Temperatur verlaufkurve gemäss Fig. 3 oder 4, die im Zusammen hang mit Fig. 1 zu betrachten sind. Nach Fig. 3 wird durch den Vorwärmbrenner 4 die Oberflächentem peratur auf der kurzen@Strecke s, sehr rasch auf die gewählte Vorwärmtemperatur, z. B. 500 C, gebracht. Auf der Strecke s2, die in der Praxis meist 400 bis 600 mm beträgt, sinkt diese Temperatur beispiels weise auf 400 C.
Durch den Härtebrenner 2 wird sie auf der Wegstrecke s3 sehr schnell auf die Härte temperatur, z. B. 880 C, erhöht. Auf der verhältnis mässig kurzen Strecke s4, die in der Praxis bei dicke ren Werkstücken höchstens etwa 50 mm lang ist, fällt diese Temperatur rasch auf die Abschrecktemperatur, z. B. 830 C, ab. Die Abschreckbrause 3 senkt schliess lich diese Temperatur fast plötzlich auf Handwärme ab. Die Glühzone c-d beträgt etwa 60 mm.
Bei dem in der obenerwähnten österreichischen Patentschrift Nr. 174627 beschriebenen Verfahren wird mittels des Vorwärmbrenners die Werkstück oberfläche auf etwa Härtetemperatur, z. B. gemäss Fig. 4 auf 850 C, erwärmt, doch ist die von der Ent fernung des Hilfsbrenners 4 vom Härtebrenner 2 abhängige Breite c-d der Glühzone und ihre mitt lere Temperatur, die unterhalb der kritischen Tem peratur von etwa 800 C liegt, für die Erzielung von Härtetiefen über 15 mm ungeeignet.
Bei der Abschreckung mit überkritischer Ge schwindigkeit erreichen bekanntlich nur jene Zonen die volle Martensithärte, deren Temperatur oberhalb des Ac.- Punktes, meist etwa 800 C, liegt. Eine über- gangshärte mit martensitisch-troostitischem Gefüge findet sich anschliessend bis zu jener Tiefe vor, deren Temperatur über dem Acl-Punkt liegt.
Bis zu diesem Punkte, meist etwa 750 C, reicht die Einhärtungs- tiefe, während die Kernzone, die bei der Erhitzung nicht heisser als etwa 750 C geworden ist, keine Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen erfährt, von der Oberflächenhärtung also unberührt bleibt.
In den Fig. 7 und 8 ist der Temperaturverlauf<I>X</I> bzw.<I>Y</I> bei der üblichen Oberflächenhärtung ohne bzw. mit Vorwärmung veranschaulicht, wobei die beiden ent scheidenden Isothermen, nämlich die 800 C-Iso- therme, als Begrenzung der rein martensitischen Härtezone durch eine ausgezogene dicke Linie und die 750 C-Isotherme als Begrenzung der Einhärte tiefe durch eine gestrichelte, dünne Linie besonders hervorgehoben sind. Die Isothermen X zeigen die plötzliche Erhitzung der Oberflächenschicht an.
Sie sind durch eine kurze Sehnenlänge und kleine Ver tikalabstände charakterisiert und ergeben eine schmale Glühzone und eine dünne Härteschicht 5.
In Fig. 8, der das Verfahren gemäss der öster reichischen Patentschrift Nr. 174627 zugrunde liegt, verlaufen die Isothermen Y flacher, entsprechend einer grösseren Sehnenlänge, und haben einen grösse ren Vertikalabstand, so dass die Einhärtungstiefe 5 grösser ausfällt.
Die vorliegende Erfindung geht nun von einer im Widerspruch zu den bisherigen grundlegenden An schauungen der Härtetechnik stehenden Erkenntnis aus und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oberflächenhärten von Gegenständen aus Stahl, insbesondere Kaltwalzen mit mehr als 300 mm Durch messer, wobei die Werkstückoberfläche auf die über dem Ac3-Punkt liegende Härtetemperatur erhitzt und nachfolgend abgeschreckt wird.
Das Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück an seiner Oberfläche auf eine so hoch über dem Ac.- Punkt liegende Temperatur erwärmt und in ihm so viel Wärme gespeichert wird, dass die Oberfläche des Werkstückes bis zum Abschrecken auf einer mindestens 250 mm breiten Glühzone auf über den Ac3 Punkt liegenden Temperaturen gehal ten wird. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäss dadurch gekenn zeichnet, dass der Abstand zwischen dem Härteerhit zer und der Abschreckbrause mindestens 100 mm und höchstens 600 mm beträgt.
Falls mit einer einmaligen Erwärmung gearbeitet wird, ist das Werkstück auf eine entsprechend höhere Temperatur, z. B. auf 1000-1150 C, zu erwärmen. Vorteilhaft wird jedoch das Werkstück vor dem Härteerhitzer mindestens einmal vorerwärmt und bei der ersten Erwärmung auf 950-1050 C erhitzt, wobei zweckmässig das Abschrecken 100-600 mm hinter dem Härteerhitzer erfolgt. Hierbei liegt das Hauptgewicht auf der Vorwärmzone bzw. dem Vor erhitzer, der nach den vorbekannten Verfahren höch stens als Behelfsbrenner benützt wurde.
Umgekehrt wird der Härtebrenner, der bisher der hauptsächliche Erhitzer jedes Härtevorganges war, zum Behelfsbren ner, der die Aufgabe hat, die Temperaturverluste der Vorwärmzone infolge Leitung und Strahlung zu parie ren oder aufzuholen. Überraschenderweise hat es sich erwiesen, dass selbst rissempfindliche Stähle, wie bei spielsweise der bekannte Kaltwalzenstahl mit etwa 1 1/a Kohlenstoff und 2 0/a Chrom,
die gegenüber den vorbekannten Verfahren relativ hohe Höchsttempera tur in der Vorwärmzone ohne schädliche Grobkorn- oder Rissbildung ertragen, insbesondere dann, wenn man in bekannter Art das Werkstück vor der Oberflä chenhärtung in einem Ofen auf einige 100 C vor wärmt.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfol gend anhand der Fig. 5, 6 und 9 beispielsweise näher erläutert.
Die Fig. 5 und 9 zeigen den Temperaturverlauf in den Fig. 3 und 4 bzw. 8 entsprechender Darstel lung, bei Verwendung eines einzigen Vorerhitzers 4.
Fig. 6 zeigt in der gleichen Darstellung wie Fig. 5 die Temperaturverhältnisse bei Verwendung von zwei Vorerhitzern.
Beim ersten Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 5 den Temperaturverlauf entlang einer Längslinie der Werkstückoberfläche. Durch den verhältnismässig starken Vorwärmbrenner 4 wird die Werkstückober- fläche sehr rasch entsprechend der Wegstrecke .s'1 auf die aussergewöhnlich hoch liegende Vorwärmtempera- tur, beispielsweise 1050 C, gebracht.
Naturgemäss braucht diese hohe Vorwärmtemperatur verhältnis mässig lange Zeit, ehe sie entlang der Wegstrecke s', auf die Ac.,,-Temperatur, z. B. 800 C, sinkt. Ungefähr an dieser Stelle wird im Abstand b hinter dem Vor wärmbrenner 4 der verhältnismässig schwache Härte brenner 2 angesetzt, mit dem die Oberflächentem peratur wieder auf die Härtetemperatur, z. B. 880 C, erhöht wird. Auf dem Wege s'3 sinkt diese infolge der hohen Vorwärmung nur sehr langsam, so dass die bei der Abschreckung, z.
B. 830 C, anzusetzende Abschreckbrause 3 in einem aussergewöhnlich grossen Abstand a' von 100 bis 600 mm vom Härtebrenner angebracht werden kann und sich eine bisher nicht für möglich gehaltene Glühzonenbreite c'-d' von 400-600 mm ergibt, über welche die Werkstück oberfläche auf über dem Ac3 Punkt liegenden Tem peraturen gehalten wird. Dadurch wird eine ausser gewöhnlich grosse Einhärtungstiefe erreicht, da wegen der entsprechend langen Glühzeit die zugeführte Wärmemenge entsprechend tief in das Werkstück ein dringt.
Daher soll durch den Härtebrenner keine so starke Temperaturerhöhung herbeigeführt werden, dass die Vorschubgeschwindigkeit v erhöht werden muss, weil sonst die Einhärtungstiefe wieder abnimmt. Die Abschreckbrause 3 ist zweckmässig vom Vor wärmbrenner 4 mindestens 250 mm, vornehmlich 400-600 mm, entfernt, damit die durch die Bren ner 2 und 4 zugeführte Wärmemenge genügend tief in das Werkstückinnere einzudringen vermag, um gemäss Fig. 9 beim Abschrecken eine entsprechend dicke Härteschicht 5 zu gewährleisten.
Die in Fig. 9 eingetragenen Isothermen Z zeich nen sich gegenüber den Isothermen <I>X</I> und<I>Y</I> (Fig. 7 bzw. 8) durch wesentlich grössere Sehnenlängen und Vertikalabstände aus, wodurch sich die wesentlich grössere Dicke der Härteschicht 5 ergibt.
Hinter dem ersten Vorwärmbrenner 4 kann ge mäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ein zwei ter schwächerer Vorwärmbrenner <I>4a</I> im Abstand<I>b'</I> vorgesehen werden, der die etwa auf die Ac3 Tem peratur gesunkene Oberflächentemperatur nochmals bis höchstens etwa 1050 C erhöht. Das Sinken auf Härtetemperatur, z. B. 880 C, wird hier infolge des grösseren Wärmeinhaltes der Oberflächenzone noch langsamer als beim ersten Ausführungsbeispiel erfol gen, so dass der Abstand b" des Brenners 4a vom Härtebrenner 2 grösser sein kann als der Abstand b'. Daher erfolgt auch das Sinken der Härtetemperatur auf die Abschrecktemperatur, z.
B. 830 C, noch lang samer, so dass ein entsprechend grösserer Abstand a" der Brause 3 vom Härtebrenner 2 und eine stark ver breiterte Glühzone e-f, verbunden mit einer erhöh ten Einhärtungstiefe, erreicht wird.
Die Dicke der Härteschicht kann durch Verwen dung eines oder mehrerer weiterer Vorwärmbrenner noch vergrössert werden. Zweckmässig beträgt der Abstand zwischen dem ersten Vorerhitzer und der Abschreckbrause 3 mindestens 250 mm, zusätzlich je 100 mm für jeden weiteren Vorerhitzer. An Stelle der üblichen Gas-Sauerstoff-Brenner können auch elektrische Heizvorrichtungen als Erhitzer Verwen dung finden.
überraschenderweise haben schliesslich die Ver suche selbst mit dem bereits erwähnten empfindlichen Kaltwalzenstahl ergeben, dass nicht nur die Vorwärm- temperatur, sondern auch die Härte- und Abschreck- temperaturen weit über das bekannte Mass hinaus gesteigert werden können, ohne dass der zu härtende Gegenstand in schädlicher Weise überhitzt wird oder reisst. Es gehört zu den bisherigen Grundsätzen der Härtetechnik, dass die Härtetemperatur, das ist jene Temperatur, welche der zu härtende Gegenstand un mittelbar vor dem Abschrecken nach den Vorschrif ten aufweisen soll, möglichst genau einzuhalten ist.
Die Normen lassen deshalb für die Einhaltung dieser Temperatur Toleranzen von höchstens 30 C zu. Bei der normalen Härtung liegt die Härtetemperatur 30 bis 50 C über dem Ac3-Punkt, bei der Oberflächen härtung jedoch gemäss Stahl-Eisen-Werkstoffblatt Nr. 830-850 bis etwa 50 C höher.
Die Abschrecktemperatur entspricht theoretisch der Härtetemperatur; praktisch ist sie jedoch stets etwas niedriger, da das auf Härtetemperatur erhitzte Werkstück in der bis zum Abschrecken verfliessenden Zeit zwangläufig abkühlt.
Es hat sich nun gezeigt, dass beim erfindungs gemässen Verfahren des Oberflächenhärtens die bisher übliche Abschrecktemperatur etwa um 50-200 C überschritten werden und daher 880-1050 C betra gen kann. In Fig. 6 sind diese Varianten durch ge strichelte Linien angedeutet. Hierbei ergibt sich ein weiterhin vergrösserter Brausenabstand, ferner eine verbreiterte Glühzone e-g und erhöhte Einhärtungs- dicke.
Je nach den gewählten Bedingungen lassen sich Einhärtungstiefen von 15-60 mm erreichen, die allen bisher vorgekommenen Anforderungen genügen. Jedenfalls werden hiernach laufend grosse Kaltwalzen oberflächengehärtet, wobei mit einem'Vorwärmbren- ner und einem Härtebrenner etwa 40 mm tief ein gehärtet und ein besonders sanfter Übergang erzielt wird. Die Glühzone erreicht hierbei eine Breite von etwa 500 mm.
In der Praxis genügen meist wenige Versuche, um die Vorwärm- und Härtetemperaturen mit der Vorschubgeschwindigkeit so abzustimmen, dass keine schädliche Überhitzung der Werkstück oberfläche eintritt.
Durch die vorliegende Erfindung erfährt das An wendungsgebiet der Oberflächenhärtung eine beträcht liche Ausweitung bis an die Grenze des derzeit tech nisch Erforderlichen. Die Anwendung der Erfindung bringt ausserordentlich grosse Ersparungen mit sich.
Method and device for surface hardening The known surface hardening methods for iron and steel with the aid of gas-oxygen burners or electrical heating devices have become increasingly important in the last 20 years. The most common are the feed method and the rotary feed method, the mode of operation of which is shown schematically in FIGS. 1 and 2, respectively. In Fig. 1, 1 is the object to be cured, e.g. B. a flat plate, in longitudinal section, 2 means the heat source, z. B.
a flat burner, and 3 the quenching shower firmly connected to this at a distance a. During the hardening process, the workpiece 1 is at rest, the torch and the quenching shower are moved at a constant speed in the direction v, so that the hardening proceeds line by line, which is why it is also referred to as line hardening. In the longitudinal section, the already hardened zone of thickness s (hardening depth) is drawn by fine hatching. In the case of the rotary feed method according to FIG. 2, 1 is the object to be hardened, e.g. B. a shaft mounted between grain tips, 2 the heat source, z.
B. an annular burner, and 3 connected to this at a fixed distance a, annular quenching shower. During the hardening process, the object 1 is rotated evenly, while the burner and shower are moved at a constant speed in the direction v, so that the hardening proceeds in a spiral, which is why it is also referred to as spiral hardening. In Fig. 2 the already hardened GE surface is marked by cross hatching.
However, the two hardening methods mentioned are limited in their possible applications, since the hardening depth that can be achieved is relatively small. At the slowest feed you can, without damaging the workpiece surface overheating, harden only about 6 mm deep when flame hardening. Preheating the workpiece to temperatures below the Aci point, primarily to 500-550 C.
This preheating can take place in the furnace or with the help of a preheating burner, which is connected upstream of the hardening burner at a fixed distance. In Fig. 1, the preheating burner is denoted by 4, its distance from the hardening burner with b. Experience has shown that this process achieves hardening depths of up to about 12 mm.
In Austrian patent specification No. 174627, preheating temperatures are specified which are above the critical temperatures, approximately at the same level as the hardening temperatures. However, experience has shown that the hardening depths that can be achieved in this way do not exceed about 15 mm, because a preheated piece naturally reaches the hardening temperature more quickly with the usual powerful hardening burners and, in order to avoid harmful overheating, with a higher feed rate, i.e. shorter penetration time of the applied hardening Heat that needs to be hardened.
With the known feed and rotary feed hardening with gas-oxygen torches, the expected hardening depth can be determined by taking into account the feed speed, the analysis and the thickness of the workpiece through the width of the annealing zone, that is, the surface zone in the area of the hardening burner that passes through their glow color, beginning around 650 C, is clearly visible, can be estimated. It is therefore of great practical importance for the hardener. A narrow annealing zone is assigned a slight hardening, and a wider annealing zone is assigned a stronger hardening.
In FIG. 1, the annealing zone of width B is highlighted by cross-hatching.
All previously known autogenous or electrical processes are characterized by the fact that the highest surface temperature is generated in the area of action of the hardening device and that the workpiece part in front of it, i.e. not yet covered by the progressing hardening, has an average temperature, which in every case is lower than the hardening temperature. However, this means that, corresponding to the narrow design of the gas-oxygen hardening torch, the annealing zone is also relatively narrow. This narrow annealing zone corresponds to a relatively thin hardness layer which, as already mentioned, is at most 15 mm.
This according to the current state of the art he achievable hardening depth is not sufficient if the workpiece thickness is to be used as much as possible in the event of heavy wear, such as. B. from cladding plates, armored rods and beaters for shredding machines, learning for crusher plates, Mahltel and grinding rollers for pan mills, etc.
It is also not sufficient for tools that are exposed to strong surface pressure and which are re-sharpened several times during operation, such as long knives for metal shears, rollers for straightening machines, working and back-up rollers for rolling mills, etc. It is ultimately not sufficient when exposed to fire of a difficult nature. The endeavor to achieve greater depth of hardening is therefore based on a great economic interest.
When surface hardening with a preheating burner, there is a temperature curve for a certain point in time in a longitudinal line of the workpiece surface according to FIG. 3 or 4, which are to be considered in connection with FIG. According to Fig. 3, the preheating burner 4, the surface temperature on the short @ distance s, very quickly to the selected preheating temperature, z. B. 500 C, brought. On the distance s2, which in practice is usually 400 to 600 mm, this temperature drops, for example, to 400 C.
Through the hardening burner 2 it is very quickly on the distance s3 to the hardness temperature, z. B. 880 C, increased. On the relatively short distance s4, which in practice is at most about 50 mm long for thick workpieces, this temperature quickly falls to the quenching temperature, e.g. B. 830 C, from. The quenching shower 3 finally lowers this temperature almost suddenly to hand warmth. The annealing zone c-d is about 60 mm.
In the method described in the above-mentioned Austrian patent specification No. 174627, the workpiece surface is heated to approximately the hardening temperature, e.g. B. according to Fig. 4 to 850 C, heated, but the distance of the auxiliary burner 4 from the hardening burner 2 dependent width cd of the annealing zone and its middle temperature, which is below the critical tem perature of about 800 C, for the Achieving hardness depths over 15 mm unsuitable.
When quenching at supercritical speed, it is well known that only those zones whose temperature is above the Ac. point, usually around 800 C, achieve full martensite hardness. A transition hardness with a martensitic-troostitic structure is then found down to the depth at which the temperature is above the Acl point.
The hardening depth extends up to this point, usually around 750 C, while the core zone, which did not get hotter than around 750 C when heated, does not experience any changes in structure or properties and remains unaffected by the surface hardening.
7 and 8 illustrate the temperature curve <I> X </I> or <I> Y </I> for the usual surface hardening without or with preheating, the two decisive isotherms, namely 800 C. -Isotherms, as the delimitation of the purely martensitic hardness zone by a solid thick line and the 750 C isotherm, as the limitation of the hardening depth, are particularly emphasized by a dashed, thin line. The isotherms X indicate the sudden heating of the surface layer.
They are characterized by a short chord length and small vertical distances and result in a narrow annealing zone and a thin hardened layer 5.
In Fig. 8, which is based on the method according to Austrian Patent No. 174627, the isotherms Y are flatter, corresponding to a greater chord length, and have a greater vertical distance, so that the hardening depth 5 is greater.
The present invention is based on a knowledge that contradicts the previous fundamental views of hardening technology and relates to a method and a device for surface hardening of objects made of steel, in particular cold rolling with a diameter of more than 300 mm, the workpiece surface being exposed to the hardening temperature lying at the Ac3 point and then quenched.
The method is characterized according to the invention in that the surface of the workpiece is heated to a temperature so high above the Ac. point and so much heat is stored in it that the surface of the workpiece is on an annealing zone at least 250 mm wide until quenching is maintained at temperatures above the Ac3 point. The device for carrying out this method is characterized according to the invention in that the distance between the hardness heater and the quenching shower is at least 100 mm and at most 600 mm.
If you are working with a single heating, the workpiece is to a correspondingly higher temperature, z. B. to 1000-1150 C to heat. Advantageously, however, the workpiece is preheated at least once in front of the hardening heater and heated to 950-1050 C during the first heating, with quenching expediently taking place 100-600 mm behind the hardening heater. Here, the main focus is on the preheating zone or the pre-heater, which was most used as a makeshift burner according to the previously known method.
Conversely, the hardening burner, which was previously the main heater of every hardening process, becomes a makeshift burner, which has the task of paring or making up for the temperature losses in the preheating zone due to conduction and radiation. Surprisingly, it has been shown that even steels that are sensitive to cracks, such as, for example, the known cold roll steel with about 1 1 / a carbon and 2 0 / a chromium,
endure the relatively high maximum tempera ture in the preheating zone compared to the previously known method without harmful coarse grain or crack formation, especially if the workpiece is warmed to a few 100 C in a known manner before surface hardening in an oven.
The method according to the invention is hereinafter explained in more detail with reference to FIGS. 5, 6 and 9, for example.
5 and 9 show the temperature profile in FIGS. 3 and 4 and 8 corresponding representation, when using a single preheater 4.
FIG. 6 shows, in the same representation as FIG. 5, the temperature conditions when using two preheaters.
In the first exemplary embodiment, FIG. 5 shows the temperature profile along a longitudinal line of the workpiece surface. As a result of the comparatively powerful preheating burner 4, the workpiece surface is very quickly brought to the unusually high preheating temperature, for example 1050 ° C., in accordance with the distance .s'1.
Naturally, this high preheating temperature needs a relatively long time before it reaches the Ac. ,, temperature, e.g. B. 800 C, sinks. Approximately at this point, the relatively weak hardness burner 2 is set at a distance b behind the front burner 4, with which the surface temperature is back to the hardening temperature, for. B. 880 C, is increased. On the way s'3 this sinks only very slowly as a result of the high level of preheating, so that the
B. 830 C, to be attached quenching shower 3 can be attached at an unusually large distance a 'of 100 to 600 mm from the hardening burner and a previously not thought possible glow zone width c'-d' of 400-600 mm results over which the workpiece surface is kept at temperatures above the Ac3 point. As a result, an unusually large depth of hardening is achieved, since the amount of heat supplied penetrates deeply into the workpiece due to the correspondingly long annealing time.
Therefore, the hardening burner should not cause such a strong increase in temperature that the feed speed v has to be increased, because otherwise the hardening depth will decrease again. The quenching shower 3 is expediently at least 250 mm, primarily 400-600 mm, away from the preheating burner 4, so that the amount of heat supplied by the burners 2 and 4 can penetrate deep enough into the interior of the workpiece to obtain a correspondingly thick one when quenching according to FIG To ensure hardness layer 5.
The isotherms Z entered in FIG. 9 are distinguished from the isotherms <I> X </I> and <I> Y </I> (FIGS. 7 and 8, respectively) by significantly greater chord lengths and vertical distances, which means that the Much greater thickness of the hard layer 5 results.
Behind the first preheating burner 4, according to the exemplary embodiment according to FIG. 6, a second, weaker preheating burner <I> 4a </I> can be provided at a distance <I> b '</I>, which has dropped to approximately the Ac3 temperature Surface temperature increased again to a maximum of approx. 1050 C. The sinking to hardening temperature, e.g. B. 880 C, is even slower than in the first exemplary embodiment due to the greater heat content of the surface zone, so that the distance b "of the burner 4a from the hardening burner 2 can be greater than the distance b '. Therefore, the hardening temperature also drops on the quenching temperature, e.g.
B. 830 C, even slower, so that a correspondingly larger distance a "of the shower 3 from the hardening burner 2 and a strongly ver broadened glow zone e-f, connected with an increased hardening depth, is achieved.
The thickness of the hardening layer can be increased by using one or more additional preheating burners. The distance between the first preheater and the quenching shower 3 is expediently at least 250 mm, and an additional 100 mm for each additional preheater. Instead of the usual gas-oxygen burners, electrical heating devices can also be used as heaters.
Surprisingly, the tests even with the already mentioned sensitive cold roll steel have shown that not only the preheating temperature but also the hardening and quenching temperatures can be increased far beyond the known level without damaging the object to be hardened Way overheating or cracking. It is one of the previous principles of hardening technology that the hardening temperature, that is the temperature that the object to be hardened should have immediately before quenching according to the regulations, must be adhered to as precisely as possible.
The standards therefore allow tolerances of no more than 30 C for maintaining this temperature. With normal hardening, the hardening temperature is 30 to 50 C above the Ac3 point, with surface hardening, however, according to steel-iron material sheet no. 830-850, up to about 50 C higher.
The quenching temperature corresponds theoretically to the hardening temperature; in practice, however, it is always somewhat lower, since the workpiece, which has been heated to the hardening temperature, inevitably cools down in the time that elapses before quenching.
It has now been shown that in the case of the surface hardening process according to the invention, the quenching temperature customary up to now can be exceeded by around 50-200 C and therefore 880-1050 C can be. In Fig. 6, these variants are indicated by broken lines GE. This results in a further increased shower distance, furthermore a widened annealing zone e-g and increased hardening thickness.
Depending on the selected conditions, hardening depths of 15-60 mm can be achieved, which meet all requirements that have occurred so far. In any case, large cold rolls are continuously surface hardened afterwards, with a preheating burner and a hardening burner about 40 mm deep hardening and a particularly smooth transition being achieved. The annealing zone has a width of around 500 mm.
In practice, a few attempts are usually sufficient to match the preheating and hardening temperatures with the feed speed in such a way that the workpiece surface does not overheat.
Through the present invention, the area of application of surface hardening experiences a considerable expansion to the limit of what is currently technically necessary. The application of the invention brings extremely large savings.