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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung metallkundlicher Untersuchungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung metallkundlicher Untersuchungen
unter Wärmebehandlung von metallischen Probekörpern, beispielsweise solchen aus
Stahl. In der Metallkunde ist es bekanntlich üblich, kleine Probekörper verschiedenen
Aufheiz- und Abkühlvorgängen sowie gegebenenfalls Wärmebehandlungszyklen zu unterwerfen,
um auf diese Weise Erkenntnisse über die Vorgänge bei den Wärmebehandlungen zu gewinnen,
z. B. eingetretene Phasenänderungen oder Wärmeinhaltsänderungen zu ermitteln, vorauszubestimmen
oder nachzuahmen.
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Ein bezeichnendes Beispiel hierfür ist die Aufnahme von Zeit-Temperatur-Umwandlungs-
und -Auflösung-Schaubildern (ZTU-ZTA). Für isotherme Wärmebehandlungsvorgänge werden
isotherme ZTU-(A)-Diagramme aufgestellt, für kontinuierliche - Vorgänge sind dagegen
kontinuierliche Diagramme für die Betrachtung erforderlich. Beide Diagrammarten
werden bisher auf Grund dilatometrischer und metallographischer Messungen und Beobachtungen
aufgestellt. Die dilatometrische Methode gestattet jedoch nur, Anfangs- und Endpunkte
von Umwandlungen festzustellen. Sie gestatten nur in den seltensten Fällen die Trennung
verschiedener Phasen, z. B. die Umwandlung in der Perlitstufe bei Stahl wird dilatometrisch
durch den Beginn der Ausscheidung von Ferrit und das Ende durch die Beendigung der
Perlitausscheidung angezeigt. Das Ende der Ferritausscheidung bzw. der Beginn der
Perlitausscheidung sind im Dilatometer nicht erfaßbar.
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Dagegen ist mit der metallographischen Methode die Möglichkeit gegeben,
Gefügeanteile mehrerer Phasen mengenmäßig unter dem Mikroskop zu ermitteln. Es wird
dabei so vorgegangen, daß nach verschiedenen Zeitabschnitten des gewählten Behandlungsablaufes
der Vorgang unterbrochen wird und die bis zu diesem Zeitpunkt entstandenen Gefüge,
Phasen, durch schnelles Abschrecken fixiert werden.
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Die bisher bekannten Einrichtungen zur Herstellung von kontinuierlichen
Diagrammen haben den Nachteil, daß sehr schnelle Abkühlvorgänge, die bei schnell
umwandelnden Legierungen notwendig sind, nicht verwirklicht werden können.
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Unterbrechungen des Ablaufes sind kaum möglich.
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Bei langsam umwandelnden Legierungen ist es sehr schwierig, gleichmäßige,
sehr langsame Abkühl-oder Aufheizkurven zu verwirklichen. Das Abkühlen der Proben
erfolgt bisher zum Teil in der Weise, daß die Proben zum Erreichen hoher Abkühlgeschwindigkeiten
aus dem Wärmeofen heraus in Flüssigkeiten getaucht werden. Nachteilig ist hierbei,
daß der zeitliche Verlauf der Abkühlgeschwindigkeit bei Wahl einer bestimmten Flüssigkeit
nur wenig beeinflußbar ist. Sollen unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten erzielt
werden, so ist es im allgemeinen erforderlich, mit Flüssigkeiten unterschiedlicher
chemischer Zusammensetzung zu arbeiten. Bei geringeren Abkühlgeschwindigkeiten erfolgt
das Abkühlen in einem strömenden oder ruhenden gasförmigen Medium, wie z.B. in freier
Luft oder bei noch langsameren Abkühlvorgängen im beheizten oder teilbeheizten Ofen.
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Diese Abkühlverfahren haben somit den Nachteil, daß für unterschiedliche
Abkühlwirkungen auch unterschiedliche Medien oder unterschiedliche Probengrößen
für den Wärmeentzug erforderlich sind und daß die Charakteristik des Abkühlvorganges
(zeitlicher Verlauf des Temperaturganges in der Probe während des Abkühlens) nur
mangelhaft beeinflußt werden kann. Erwärmungsvorgänge mit unterschiedlicher Aufheizgeschwindigkeit
sind im allgemeinen noch schwieriger zu beherrschen.
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Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das diese Nachteile
bekannter Methoden vermeidet und gestattet, jede gewünschte Charakteristik für das
Abkühlen und auch Aufheizen am Probekörper feinfühlig zu verwirklichen, ohne daß
die
Anwendung unterschiedlicher Medien für die Wärmeabfuhr bzw. eine Variation der Probekörper
erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Probekörper
gleichzeitig der Einwirkung eines Kühlmittelstromes und eines elektromagnetischen
Wechselfeldes ausgesetzt wird, wobei Kühl-und Heizleistung im Sinne eines vorgegebenen
Aufheiz- und Abkühlprogramms aufeinander abgestimmt werden. In besonders wirkungsvoller
Weise gelingt dies mit einem konstant fließenden Kühlmittelstrom, der eine so große
Kühlmittelmenge an dem beheizten Probekörper vorbeiführt, daß praktisch keine Temperaturerhöhung
im Kühlmittel festzustellen ist. Dann ist es möglich, ausschließlich durch Steuerung
der Heizleistung der Induktionsspule in dem Probekörper Aufheiz- und vor allem Abkühlvorgänge
hervorzurufen, die genau nach einem vorgegebenen Programm verlaufen. Dabei ist es
möglich, jede beliebige Geschwindigkeit für das Aufheizen und Abkühlen einzustellen
sowie die Geschwindigkeiten innerhalb eines Behandlungszyklus zu variieren.
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Damit ist ein Verfahren geschaffen, das auf feinstfühlige Weise die
gesamte Skala möglicher und erwünschter Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten erfaßt,
die für metallkundliche Untersuchungen benötigt werden. Außer für die Ermittlung
von Gefügeumwandlungen, wie sie durch reines Erwärmen und Abkühlen hervorgerufen
werden, eignet sich das Verfahren gemäß der Erfindung besonders dafür, Diffusionsvorgänge
zu untersuchen, wie z. B. die Wasserstoff- und/oder Kohlenstoffaufnahme bei der
Zementation von Stahlkörpern in verschiedenen gasförmigen Kohlenstoffträgern.
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Bei der Durchführung des Verfahrens wird vorteilhafterweise die Leistung
der Induktionsspule über einen Programmregler mittels eines die Temperatur des Probekörpers
abfühlenden Thermoelementes gesteuert.
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Zur Ausübung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung
vorgeschlagen, die ein nichtmetallisches, von einer Induktionsspule umgebenes Rohr,
das kühhnitteldurchflossen ist und einen nichtmetallischen Halter für den Probekörper
im Bereich des Induktionsspulenfeldes vorsieht. Der Halter weist eine Bohrung auf
zur Aufnahme eines in den gebohrten Probekörper hineinragenden Thermoelementes.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
in einem senkrechten Axialschnitt dargestellt.
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Am Ende eines Rohres 1 ist ein Rohrabschnitt 2 aus einem nicht ferromagnetischen
Werkstoff, beispielsweise Porzellan, Glas oder Kunststoff, vorgesehen.
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Dieses Rohr 2 ist von einer Induktionsspule 3 umschlossen, die in
üblicher und bekannter Weise aus Hohileitern hergestellt sein kann, um auf diese
Weise eine Kühlung der Windungen zu ermöglichen.
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Im Bereich des von der Spule 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes
befindet sich der Probekörper 4. Er wird gehalten von einem Halter 5, der aus nichtmetallischem
Werkstoff, beispielsweise Porzellan, Quarz od. dgl., hergestellt ist. Der Halter
5 ist in einer Kappe 6 befestigt, die auf das Rohrstück 2 aufgesetzt oder aufgeschraubt
werden kann.
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Die Kappe 6 ist mit Öffnungen 7 versehen, aus denen
das durch die Rohre
1 und 2 zugeführte Kühlmittel abfließen kann.
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Der Halter 5 zeigt ebenso wie der Probekörper 4 eine Bohrung für
die Aufnahme eines Thermoelementes 8, dessen Lötstelle 9 in unmittelbarer Berührung
mit dem Probekörper 4 steht.
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Die Spule 3 wird mit einem Wechselstrom geeigneter Frequenz, vorzugsweise
10 bis 1000 kHz, beaufschlagt. Das erzeugte magnetische Wechselfeld führt zur Erwärmung
des Probekörpers 4. Wenn der Querschnitt der Rohre 1 und 2 im Verhältnis zum Querschnitt
des Probekörpers 4 und damit die Durchflußmenge des Kühlmittels, vorzugsweise Wasser,
so groß gewählt wird, daß selbst bei stärkstem Beheizen des Probekörpers 4 an der
Austrittsstelle 7 das Kühlmittel keine fühlbare Temperaturerhöhung erfahren hat,
ist es durch Steuerung der Leistung des Induktors 3 möglich, im Probekörper jede
Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit einzustellen.
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Im gewählten Ausführungsbeispiel wird die Leistung des Induktors
über einen nicht dargestellten an sich bekannten Programmregler mittels des die
Temperatur des Probekörpers abfühlenden Thermoelementes 8 gesteuert.
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Im einzelnen wird so vorgegangen, daß der Probekörper 4 zunächst
so lange dem strömenden Kühlmittel ausgesetzt wird, bis er die Temperatur dieses
Mittels angenommen hat. Sodann wird der Induktor eingeschaltet, und die Temperatur
im Probekörper steigt entsprechend dem vom Regler vorgegebenen Programm. Wenn die
vorgeschriebene Temperatur des Probekörpers erreicht ist, wird die Leistung des
Induktors nach der vorgegebenen Programmkurve schnell oder langsam heruntergeregelt,
bis eine gewünschte Endtemperatur erreicht ist. Die Heizleistung kann im Verlauf
einer solchen Abkühlung so eingestellt werden, daß sie bei einer bestimmten Temperaturhöhe
des Probekörpers der Kühlwirkung des Kühlmittels die Waage hält. Auf diese Weise
sind isothermische Behandlungen möglich.
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Unter Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung in der beschriebenen
Vorrichtung ist es möglich, alle Werte für das Aufstellen von ZTU-und ZTA-Schaubildern
sowie für isotherme ZTU-(A)-Diagramme in einfachster Weise und in viel größerer
Variationsbreite als bisher möglich zu ermitteln.