DE1205999B

DE1205999B - Verfahren und Vorrichtung zum Oberflaechen-haerten von geschmiedeten oder gegossenenWalzen aus Stahl

Info

Publication number: DE1205999B
Application number: DED35561A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Gerhard Seulen
Original assignee: ALLG ELECTRICITAETS GES; Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: ALLG ELECTRICITAETS GES; Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1961-03-04
Filing date: 1961-03-04
Publication date: 1965-12-02
Also published as: US3174884A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Oberflächenhärten von geschmiedeten oder gegossenen Walzen aus Stahl Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenhärten von geschmiedeten oder gegossenen Walzen aus Stahl, und zwar insbesondere von Kaltwalzen. Zum Erhitzen der zu härtenden Oberflächen ist es ganz allgemein und im besonderen auch für das Oberflächenhärten von Walzen bekannt, sich des induktiven Erhitzens zu bedienen. Gerade bei Kaltwalzen hat die Möglichkeit des induktiven Oberflächenerhitzens Schwierigkeiten beseitigt, die beim Härten dieser Walzen vorher bestanden. Es war unter Anwendung dieses Verfahrens nicht mehr notwendig, die Walzen durchgehend auf Härtetemperatur zu bringen und dann abzuschrecken, um auf diese Weise eine gehärtete Oberflächenschicht zu erhalten. Es konnte vielmehr die Walze an der Oberfläche bis auf eine bestimmte Tiefe erhitzt und abgeschreckt werden, ohne daß der Kern der Walzen durch diese Wärmebehandlung berührt wurde. Es konnte daher ein zäher Kern angestrebt und erhalten werden, während die Oberfläche hart ist. Auf Grund langer Erfahrungen war es dann möglich, dieses Verfahren so weit zu entwickeln, daß sich gute Ergebnisse erzielen ließen.
Das Verfahren hat aber einen entscheidenden Nachteil. Bekanntlich wird, jedenfalls bei den größeren Walzen, mit Ballendurchmessern von mehr als 250 mm das fortschreitende Verfahren angewendet, welches darin besteht, einen Induktor in Achsrichtung über die Walzenoberfläche zu führen und unmittelbar hinter dem Induktor mit einer Brause abzuschrecken. Trotz Anwendung der verschiedensten Mittel, wie langsames Wandemlassen oder die Hintereinanderschaltung zweier Induktoren sowie die Wahl niedriger Frequenzen für den Induktionsstrom, war es nicht möglich, einwandfreie Härteschichten vergleichsweise großer Tiefe zu erzielen. Auch mit einem Verfahren war dies nicht möglich, das darin besteht, eine Oberflächendichte zunächst auf eine Temperatur von etwa 750° C zu bringen, wobei der Induktor hin- und hergefahren wird. Darauf wird die erhitzte Schicht im Vorschubverfahren auf Härtetemperatur gebracht und unmittelbar hinter dem vorwärts bewegten Induktor abgeschreckt. Bei dem Bestreben, mit dem bekannten Verfahren größere Härtetiefen zu erzielen, ergibt sich leicht die Gefahr, daß die äußerste Oberflächenschicht beschädigt wird und nach geraumer Zeit Haarrißbildung zeigt. Es mußte daher ein Mittelweg beschritten werden, indem zugunsten einer einwandfreien Oberflächenschicht auf eine größere Einhärtetiefe verzichtet wurde.
Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren - anzugeben, welches es ermöglicht, geschmiedete oder gegossene Walzen aus Stahl tiefer einzuhärten als dies bisher möglich war, ohne daß dabei die äußerste Oberflächenschicht beeinträchtigt und andererseits der Kern von der Wärmebehandlung an der Oberfläche unberührt bleibt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem während des Aufheizens der Werkstückoberfläche im Induktorbereich auf Temperaturen kurz oberhalb oder unterhalb Aci gekühlt wird. Es ist zwar bekannt, Werkstücke während des induktiven Erhitzens zu kühlen. Hiermit sollte erreicht werden, daß die nicht zu härtenden Teilflächen des Werkstückes so kalt gehalten würden, daß eine Härtung an diesen Stellen nicht eintrat. Auf diese Weise konnten Härtebilder durch rein wärmetechnische Maßnahmen, d. h. durch geeignet angesetztes Kühlen, beispielsweise des Rückens eines Werkstückes, wunschgemäß beeinflußt werden, wozu vorher elektrische Maßnahmen umständlicher Art erforderlich waren. Nach einem bekannten Vorschlag konnte dabei auch so verfahren werden, daß das Werkstück insgesamt in Wasser eintaucht und im Bereich des Induktors die entstehende Hitze dafür sorgte, daß infolge des Leidenfrostschen Phänomens eine Zone auf Härtetemperatur gebracht wurde, die beim Fortschieben des Induktors unmittelbar abgeschreckt wurde.
Gemäß der Erfindung dagegen wird der Bereich der Werkstückoberfläche, der unter dem Einfluß des Induktors steht, zunächst so kräftig gekühlt, daß diese Fläche nicht auf eine Temperatur über Ac3 gelangen -kann. Das Anwenden einer hohen Leistungsdichte bewirkt aber, daß im Innern des Werkstückes in einem nicht unbeträchtlichen Abstand von der Oberfläche ein oberhalb Ac" liegendes Teinperaturmaximum ohne Schwierigkeiten erzeugt werden kann. Dies bedeutet, daß dieses Temperaturmaximum im Werkstückinnern erzielt wird, ohne daß es an der Außenfläche zu Überhitzungen und damit zu Schädigungen an der alleräußersten Oberflächenschicht kommt.
Wenn das erwünschte Temperaturmaximum im Werkstückinnem erzielt ist, wird bei abgeschalteter Kühlung ein Temperaturausgleich herbeigeführt, durch den die zu härtende Zone nach außen auf Härtetemperatur gebracht wird, worauf das Abschrecken zum Zwecke des Härtens erfolgt.
Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme gelingt es, mit der Härtung weit tiefer in die Oberfläche einzudringen als dies bisher möglich war und außerdem eine äußerste Oberfläche zu erzielen, die keinerlei Schädigungen aufweist, da sie zu keinem Zeitpunkt der Erzeugung überhitzt war. Die größere Eindringtiefe der Härtung hat außerdem zur Folge, daß die Härtezonen wirksam abgestützt sind und unter späterer Belastung nicht eingedrückt werden. Es wird also ein Mangel vermieden, der oberflächengehärteten und später bei hohen Belastungen arbeitenden Werkstücken anhaftet.
Der Temperaturausgleich zwischen dem im Innern des Werkstückes erzeugten Temperaturmaximum und der kaltgehaltenen äußeren Schicht kann durch zeitliche Verzögerung zwischen Ende der Kühlung und Beginn der Abschreckung erzielt werden. Es ist aber zweckmäßig, diesen Temperaturausgleich durch ein induktives Beheizen zu unterstützen. Dieses zusätzliche induktive Beheizen ist insbesondere dort zweckmäßig, wo die Werkstücke aus sehr härtetemperaturempfindlichen Stählen bestehen. Man kann bei diesen das Temperaturmaximum nur unwesentlich höher wählen, als der eigentlichen Härtetemperatur entspricht. Um ein Absinken der Gesamttemperatur beim Ausgleichen unter Ac. zu verhindern, ist dann ein Nachheizen zweckmäßig. Dabei wird zusätzlich erreicht, daß zwischen Außenhaut und der Stelle des Temperaturmaximums ein völlig waagerechter Temperaturverlauf erreicht wird, während beim Ausgleichsvorgang ohne Beheizung die Temperaturkurve bis zum Maximum leicht ansteigt.
Das Bestreben, mit der Erwärmung und damit der Härtung möglichst tief in das Werkstück einzudringen, wirkt die Anwendung höherfrequenter Ströme entgegen. Es ist daher besonders zweckmäßig, Ströme mit Frequenzen von 50 bis 600 Hz anzuwenden.
Das Verfahren gestattet in idealer Weise das tiefe Einhärten, ohne daß dabei das Gefüge tieferer Schichten und insbesondere des Kernes beeinflußt werden. Auf welche Temperatur die Außenzone durch das Kühlen gehalten werden sollte, richtet sich im allgemeinen nach den Werkstückabmessungen, der aufzuwendenden elektrischen Energie, der Heizzeit u. dgl. Vorzugsweise wird die Kühlung so einzustellen sein, daß die Permeabilität in der gekühlten Zone gering bleibt. Temperaturen von 600 bis 780° C sind besonders geeignet.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, für das Kühlen ein Gemisch aus Preßluft und Wasser zu verwenden. Die Wirkung dieses an sich bekannten Kühl- und Abschreckmittels läßt sich besonders einfach beeinflussen, indem das Verhältnis von Preßluft zu Wasser sowie Druck und Menge variiert werden. Es ist daher möglich, in ganz differenzierter Form die Kühlwirkung zu steuern. Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich sowohl im Vorschubhärteverfahren als auch im Gesamtflächenhärteverfahren anwenden, d. h. also bei Verfahren, die an sich in der Technik des Oberflächenhärtens bekannt und üblich sind.
Wenn das Vorschubhärteverfahren angewendet wird, so kann gemäß der Erfindung ein Induktor vorgesehen werden, der mit einer Kühlbrause versehen ist, deren Strahlen unmittelbar auf die Induktionszone des Werkstückes gerichtet sind. Diesem Induktor mit Kühlbrause ist eine im Abstand zum Induktor einstellbare Abschreckbrause nachgeordnet. Besonders einfach ist es, wenn das Kühlmittel durch die Windungen der Induktionsspule hindurch aufgesprüht wird.
Eine solche Einrichtung ist schematisch in A b b.1 dargestellt. Der Ballen 1 der Walze soll nach dem Verfahren gemäß der Erfindung an der Oberfläche gehärtet werden. Zu diesem Zweck ist eine mehrwindige Spule 3 vorgesehen. Das Kühlmittel, welches dafür sorgt, daß trotz der angewendeten hohen elektrischen Leistungsdichte die äußere Oberfläche kalt bleibt, wird zwischen den Windungen des Induktors 3 hindurch auf die Induktionszone der Ballenoberfläche 1 aufgespritzt, wie durch die Pfeile 4 angedeutet. Die Walze 2 bewegt sich in Richtung des Pfeiles 5 durch den Induktor hindurch, und in dem aus dem Induktor 3 austretenden Werkstückabschnitt 6 tritt der Temperaturausgleich zwischen dem im Werkstückinnern erzeugten Temperaturmaximum und der Oberfläche ein, derart, daß, wenn der betreffende Werkstückabschnitt die Abschreckbrause 7 erreicht, Härtetemperatur, d. h. eine Temperatur um Ac3, erreicht wird. Es erfolgt alsdann in an sich bekannter Weise das Abschrecken.
In A b b. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher das Werkstück 1 nicht nur eine Bewegung in Richtung des Pfeiles 5 ausführt, sondern außerdem eine axiale Umlaufbewegung gemäß Pfeil 8. Es ist daher möglich, eine oder mehrere Heizleiterschleifen, im gewählten Beispiel sind es zwei Heizleiterschleifen 9, vorzusehen, die in an sich bekannter Weise mit Magnetblechen 10 besetzt sind. Zwischen diesen Heizleiterschleifen 9 befinden sich Kühlmitteldüsen 11. Wie ersichtlich kann bei axialem Vorschub unter gleichzeitigem radialem Umlauf dem Grundsatze nach das gleiche erreicht werden wie in Verbindung mit A b b. 1 geschildert. Die Abschreckbrause ist bei 7 dargestellt.
Sowohl bei der Ausführungsform als auch derjenigen nach A b b. 2 kann der Temperaturausgleich auf dem Wege vom Induktor zur Abschreckbrause unterstützt werden durch die Einwirkung eines weiteren Induktors in diesem Bereich.
Nach A b b. 3 ist der gesamte Ballen 1 der Walze 2 von einer Induktionsspule 12 überdeckt. Zwischen den Windungen des Induktors hindurch wird das Kühlmittel in Richtung der Pfeile 13 aufgespritzt. Wenn das Aufheizen unter gleichzeitigem Kühlen lange genug angedauert hat, um das Temperaturmaximum im Innern des Werkstückes zu erzielen, wird der Strom abgeschaltet und durch eine Wartezeit der Temperaturausgleich herbeigeführt, worauf alsdann das Abschrecken erfolgt. Um den Temperaturausgleich zu beschleunigen, kann die Spule während der Wartezeit unter abgeschalteter Kühlung elektrisch beaufschlagt werden. Um vor allem eine gleichmäßige Einwirkung des Kühl- und Abschreckmittels zu gewährleisten, kann es zweckmäßig sein, das Werkstück umlaufen zu lassen.
In A b b. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei welcher eine Heizleiterschleife 14 sich in Richtung des Ballens 1 über das Werkstück erstreckt. Die Heizleiterschleife ist in an sich bekannter Weise mit Magnetblechen 15 besetzt. Das Werkstück 2 läuft während der Bewegung radial um und, wie ohne weiteres verständlich, wird bei diesem Umlauf die gesamte Oberfläche erhitzt. Unmittelbar hinter dem Induktor ist eine Brause 16 vorgesehen, die nacheinander Kühl-und Abschreckmittel führen kann. Es ist aber auch möglich, die Abschreckbrause in Form eines Kastens 17 vorzusehen, der die gesamte Induktionseinrichtung umfaßt.
Für eine Kaltwalze im Abmessungsbereich von 400 bis 500 mm Durchmesser ist eine Leistungsdichte von beispielsweise 0,1 Kw/cm= Oberfläche erforderlich. Die Temperatur der Außenhaut wird auf 750° C gehalten, während das Temperaturmaximum mit 890° C gewählt wird. Nach dem Ausgleich bei zusätzlicher Beheizung ergibt sich eine Temperatur von 850° C, die praktisch zwischen Außenhaut und Lage des Temperaturmaximums konstant ist. Das Temperaturmaximum wird dabei bei Verwendung einer Frequenz von 500 Hz in einer Tiefe von 15 mm erreicht, so daß eine Härtetiefe von 20 mm ohne Schwierigkeiten erreicht wird. Ohne Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung können bei sonst gleichartigen Verhältnissen Härtetiefen von etwa 10 bis 12 mm erreicht werden.
Es ist zweckmäßig, bei der Gesamtflächenhä;tung bei Beginn der Behandlung vorerst ein Aufheizen auf etwa 750° C mit relativ geringer spez. Leistung ohne Kühlung durchzuführen. Wenn eine genügende Eindringtiefe dieser Temperatur erreicht ist, wird auf hohe spez. Leistung mit Kühlung umgeschaltet. Bei der Vorschubhärtung kann dem mit hoher Leistungsdichte beanspruchten Induktorteil ein mit geringer Leistungsdichte beaufschlagter Vorinduktor vorgeschaltet werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Oberflächenhärten von geschmiedeten oder gegossenen Walzen aus Stahl, insbesondere Kaltwalzen unter induktivem Erhitzen bei gleichzeitigem Kühlen und nachfolgendem Abschrecken, dadurch gekennzeichnet, daß während des Aufheizens im Induktorbereich auf Temperaturen unter Acl gekühlt und im Innern ein oberhalb Acl liegendes Temperaturmaximum erzeugt wird, sodann anschließend durch einen bei abgeschalteter Kühlung bewirkten Temperaturausgleich die zu härtende Zone auch außen auf eine oberhalb Acl liegende Temperatur gebracht wird, worauf das Abschrecken erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturausgleich durch ein induktives Beheizen unterstützt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Anwendung niederfrequenter Ströme, insbesondere von 50 bis 600 Hz.
4. Verfahren nach Anspruch 1. bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur an der gekühlten Außenzone in einem Bereich von 600 bis 780° C gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Kühlen und/oder Abschrecken ein Preßluft-Wasser-Gemisch verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte Vorschubhärteverfahren angewendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte Gesamtflächenhärteverfahren angewendet wird. B. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit vergleichweise geringer spez. Leistung und ohne Kühlung auf Temperaturen von etwa 750° C erhitzt und alsdann auf hoher spez. Leistung bei gleichzeitiger Kühlung umgeschaltet wird. 9. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine unmittelbar am Induktor angeordnete, mit ihren Strahlen auf die Induktionszone gerichtete Kühlbrause und eine nachgeordnete, im Abstand zum Induktor einstellbare Abschreckbrause. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel durch die Windungen der Induktionsspule hindurch aufgesprüht wird. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Walze eine oder mehrere Heizleiterschleifen mit zwischengeordneten Kühlmitteldüsen gegenüber dem radial umlaufenden und axial vorgeschobenen Werkstück angeordnet sind und unterhalb der Schleifen eine Abschreckbrause vorgesehen ist. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Abschreckbrause eine oder mehrere Heizleiterschleifen oder eine oder mehrere umfassende Spulen für das Ausgleichsheizen gemäß Anspruch 2 vorgesehen sind. 13. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine die gesamte Ballenlänge überdeckende umfassende Spule vorgesehen und eine durch die Windungen hindurchwirkende, nacheinander Kühl- und Abschreckmittel zuführende Düse vorgesehen ist. 14. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei radial umlaufender Walze eine oder mehrere, vorzugsweise axial gerichtete Heizleiterschleifen mit unmittelbar nachgeordneter Brause vorgesehen sind, die nacheinander Kühlmittel und Abschreckmittel führen. 15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckbrause die Induktionseinrichtung umfaßt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 767 227; britische Patentschrift Nr. 749 609.