DE10350832A1

DE10350832A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke

Info

Publication number: DE10350832A1
Application number: DE2003150832
Authority: DE
Inventors: Ingo von Dr. Hagen; Axel Dr. Kulgemeyer
Original assignee: Mannesmannroehren Werke AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-06-09
Also published as: EP1528109A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere von Blechen oder Rohren aus Stahl, wobei der Stahl auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und danach mittels eines Kühlmediums auf nahezu Raumtemperatur abgeschreckt wird. Dabei wird als Kühlmedium Wasser verwendet, wobei die Temperatur des Wassers in einem Bereich oberhalb Raumtemperatur bis unterhalb Siedetemperatur eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere von Blechen oder Rohren aus Stahl, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Während Bleche oder Rohre ohne besondere Anforderungen im Walzzustand ausgeliefert werden können, wird bei höheren Anforderungen, z. B. größere Zähigkeit, üblicherweise eine dem Walzen nachfolgende gesonderte Wärmebehandlung durchgeführt.
Häufig ist eine Vergütungsbehandlung vorgesehen, bei der nicht nur die Zähigkeit des Stahls sondern auch die Festigkeit entscheidend verbessert wird.
Unter Vergüten eines Stahls ist ein Härten mit nachfolgendem Anlassen zu verstehen. Beim Härten wird der Stahl üblicherweise auf eine definierte Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt und anschließend bis auf etwa Raumtemperatur abgekühlt. Nachfolgend wird der gehärtete Stahl wieder auf Temperaturen unterhalb des Ac1-Punktes angelassen, dort eine bestimmte Zeit gehalten und dann an Luft abgekühlt.
Als Kühlmedien zur Abschreckung beim Härtevorgang kommen nach dem allgemein bekannten Stand der Technik beispielsweise Wasser, Wasser-Tensid-Gemische oder Öl zum Einsatz, die unterschiedliche Auswirkungen auf die Abschreckintensität des Stahls haben.
Wasser als preisgünstigstes und umweltneutrales Abkühlmittel besitzt zwar die höchste Abschreckintensität auf den Stahl, hat aber den Nachteil, dass Bleche oder Rohre starkem Verzug unterworfen sind.
Bei härterissempfindlichen Stählen ist zudem die Gefahr sehr groß, dass sich beim Abschrecken aufgrund zu großer Aufhärtung des Gefüges Risse im Stahl bilden. Die Neigung zur Aufhärtung und damit zur Rissbildung beim Abschrecken wird mit steigendem Kohlenstoffgehalt größer, wobei besonders Stähle mit Kohlenstoffgehalten > 0,3% C betroffen sind.
Um derartige Probleme zu vermeiden sind in der Vergangenheit härterissempfindliche Stähle entweder mit einem Wasser-Tensid-Gemisch oder mit Öl abgeschreckt worden, da diese Abkühlmittel gegenüber Wasser deutlich geringere Abkühlintensität besitzen. Öl weist die geringste Abkühlintensität auf, Wasser-Tensid-Gemische sind zwischen reinem Wasser und Öl einzuordnen.
Insbesondere Öl ist jedoch durch seine Rauchbildung beim Einsatz und durch schwierige Entsorgung als sehr umweltproblematisch anzusehen. Außerdem sind Öl und Wasser-Tensid-Gemische im Vergleich zu reinem Wasser deutlich teurer, was sich auf die Kosten des vergüteten Werkstückes niederschlägt.
Bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel ist durch mechanische Maßnahmen, wie z. B. Laminarkühlung oder Bedüsung, versucht worden die oben geschilderten Probleme zu vermeiden. Diese Maßnahmen waren jedoch für härterissempfindliche Stähle entweder nicht wirksam genug oder aus betriebswirtschaftlichen Gründen nicht realisierbar.
Aus der EP 1 277 845 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches die Nachteile der Verwendung der bekannten Kühlmedien Wasser, Wasser-Tensid-Gemische oder Öl vermeiden soll.
Bei diesem Verfahren wird vorgeschlagen, Wasser als Abkühlmedium zu benutzen, wobei zur Steuerung der Abkühlrate des Stahls dem Wasser unlösliche anorganische Partikel, beispielsweise aus keramischen Material, zugesetzt werden. Die Partikel sollen dabei eine Größe von 0,01 bis 0,1 μm aufweisen. Über die Teilchendichte im Wasser soll die Abkühlrate gezielt gesteuert werden können, um so die nachteiligen Auswirkungen einer etwaigen zu großen Abkühlrate auf den Stahl bzw. das Werkstück zu vermeiden.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass das Kühlwasser speziell aufbereitet werden muss, wobei unterschiedliche Abkühlbedingungen der abzuschreckenden Stähle jeweils unterschiedliche Wasser-Keramik-Gemische als Kühlmedium erfordern. Dies ist aufwändig und betrieblich unpraktikabel. Außerdem muss das Wasser vor der Wiederverwendung gefiltert und danach wieder neu aufbereitet werden, was zusätzliche Kosten verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere von Blechen oder Rohren aus Stahl anzugeben, bei dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden und die Abkühlgeschwindigkeit des Stahls gezielt steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke verwendet, bei dem zur Abschreckung als Kühlmedium Wasser verwendet wobei die Temperatur des Wassers in einem Bereich oberhalb Raumtemperatur bis unterhalb Siedetemperatur eingestellt wird.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Effekt genutzt, der darauf beruht, dass die Wärmestromdichte, d. h. die Wärmeabfuhr an der Grenzfläche Stahl-Wasser, einerseits von der aktuellen Oberflächentemperatur des Stahls andererseits aber auch von der Kühlwassertemperatur selbst abhängig ist.

Hierbei ändert sich die Dichte des von der Stahloberfläche abgeführten Wärmestroms in der Weise, dass diese bei zunehmender Kühlwassertemperatur oberhalb Raumtemperatur reduziert wird.

Nutzt man diesen Effekt beim Abkühlen von Stahl, lässt sich so auf einfache und wirksame Weise über die Steuerung der Wärmestromdichte gezielt die Abkühlgeschwindigkeit des Stahls beeinflussen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Einstellbereich der Kühlwassertemperatur auf 25 bis 80°C begrenzt. Eine Steigerung der Kühlwassertemperatur über 80°C ist zwar möglich, jedoch wird der Effekt auf die Wärmestromdichte immer geringer.

Beispielsweise wird bei einem Stahl im Temperaturbereich von ca. 500 bis 200°C die Wärmestromdichte bei Verwendung eines Kühlwassers mit einer Temperatur von 20°C bei Erhöhung der Kühlwassertemperatur auf nur 60°C um mehr als 50% reduziert. Eine weitere Erhöhung der Kühlwassertemperatur z. B. auf 80°C bewirkt eine Reduzierung der Wärmestromdichte und damit der Abkühlgeschwindigkeit um zusätzlich ca. 20%.
Der in der Praxis günstigste Einstellbereich für die Kühlwassertemperatur wird daher in der Regel bei ca. 40 bis 60°C liegen.
Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfahren ist, dass als Abkühlmedium nur noch reines Wasser verwendet wird, wobei einerseits den Umwelt- und betriebswirtschaftlichen Aspekten, andererseits aber auch den Qualitätsanforderungen an den Stahl und das Bauteil in idealer Weise Rechnung getragen wird.
In vorteilhafter Weise kann weiterhin unter Berücksichtigung des jeweiligen Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildes (ZTU-Schaubild) für den Stahl eine gezielte Gefügebeeinflussung vorgenommen werden, um so optimale Werkstoffeigenschaften bei der Wärmebehandlung des Stahls einzustellen.
Bei härterissempfindlichen Stählen bedeutet dies, dass gerade im kritischen Temperaturbereich die Aufhärtung und die Umwandlung des Gefüges in einfacher Weise, im Sinne der Vermeidung von Härterissen, gezielt beeinflusst werden kann.
In der einzigen Darstellung ist die Abhängigkeit der Wärmestromdichte von der Oberflächentemperatur bei unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen dargestellt.
In dieser Grafik, die auf Versuchsergebnissen beruht, ist im Temperaturbereich von ca. 200 bis 500°C an der Oberfläche des Stahls die deutliche Abhängigkeit der Wärmestromdichte von der Kühlwassertemperatur zu erkennen. Hierin sind die Kurven bei der Verwendung von 20, 40, 60 und 80°C warmen Wassers aufgetragen.
Deutlich erkennbar ist die ausgeprägte Abminderung der Wärmestromdichte an der Grenzfläche Wasser-Stahl bei Erhöhung der Wassertemperatur von 20 auf 80°C. Die Wärmestromdichte sinkt von ca. 2,4 MW/m² um 67% auf ca. 0,8 MW/m².

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, insbesondere von Blechen oder Rohren aus Stahl, wobei der Stahl auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und danach mittels eines Kühlmediums auf nahezu Raumtemperatur abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Wasser verwendet wird und die Temperatur des Wassers in einem Bereich oberhalb Raumtemperatur bis unterhalb Siedetemperatur eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur in einem Bereich von 25 bis 80°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur in einem Bereich von 40 bis 60°C eingestellt wird.
Verwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3 mit der Maßgabe, dass ein härterissempfindlicher Stahl eingesetzt wird.
Härterissempfindlicher Stahl nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffgehalt ≥ 0,3 Gew. % aufweist.