DE1433715A1 - Verfahren zur Waermebehandlung von schweren Werkstuecken aus Schmiede- oder Gussstahl - Google Patents

Description

NE/hge Γ""'" """'-» -f I 29o Oktober 1963

Verfahren zur Wärmebehandlung von schweren Werkstücken aus Schmiede- oder Gußstahl

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärme'-behandlung von schweren Werkstücken aus Schmiede- oder Gußstahl₉ insbesondere von Rotoren und Walzen.,

An die Eigenschaften solcher Werkstücke werden auf Grund der Beanspruchung während des Betriebes im allgemeinen hohe Anforderungen gestellte Durch geeignete Zusammensetzung des Stahls 'ind entsprechende Wärmebehandlung₉ die sich in der Reg-el aus den Einzeloperationens Norma!glühen₉ Härten und Anlassen zusammen setz1₉ lassen sich Werkstücke bestimmter Eigenschaften her^tellen_o Während die beiden ersten Maßnahmen» die Wärmebehandlung;, die Gebrauchseigenschaften, wie Festigkeit und Zähigkeit,, maßgebend bestimmen, sollen durch Anlassen und das anschließende langsame Abkühlen die durch ungleichmäßige Abkühlung der Oberflächen- und Kernzonen entstandenen Eigenspannungen praktisch beseitigt werden»

Die Vergütung eines Werkstückes ist von verschiedenen Faktoren abhängig« Insbesondere hat. bei der Abkühlung von Härtetemperatur die Zeit für den Temperaturabfall zwischen ca« 900 und 400°C großen Einfluß_o Je kurzer diese Zeit ist₉ ura so mehr wird die Ausscheidung von Ferrit und eine Perlitbildung aus" dem Austenit unterdrückt ο Dies ist oesonders vorteilhaft„ wenn die Vergütung in der Zwischenstufe erzielt werden soll, w..e bei chrom- und molytdänlegierten Stählen_o Bei anderen legierten Werkstücken;, ZoBo bei nickel- und chromlegierten Stählen*, wird im Gegensatz dazu auf feinperlitiscb.es Grundgefüge hin gearbeitete

8 O 9 8 1 2 / Π 6 U 2

Die zur- ang.estreb ten Umwand lung führende Äbkühlungsge— schwindigkeit wird im allgemeinen durch Abkühlen in Luft •wxe bei den Cr-Ni-Stählen oder durch Tauchen in Öl oder .-■"." Wasser wie bei den Cr-Mo-Stählen verwirklicht,, Bei den derzeit praktizierten Methoden entstehen aber durch zu hohe oder zu kleine Abkühlungsgeschwindigkeiten unerwünschte Mischgefüge 3 z.„B„ bestehend aus Perlit« Zwischenstuf enge- ' füge und Martensit <> Außerdem tritt als Folge zu hoher und unterschiedlicher Abkühlungsgeschwindigkeiten häufig der Fall ein, daß. si chim Material Risse bilden. Schließlich wird eine der wichtigsten Forderungen an die mechanischen .-»-—-Eigenschaften größerer Werkstücke nicht erfüllts Die Gleichmäßigkeit der Festigkeits- und Zähigkeitswerte über einen möglichst großen Querschnitt_o

Um die Rißgefahr durch Spannungen beim Abkühlen zu vermeiden, ha> man Versuche mit einer sogenannten Luft—Wasser-Brause durchgeführt, bei der zur Kühlung ein Luftstrom durch Axiallüfter mit trichterfÖrmigen Austrittsöffnungen erzeugt und der bewegten Luft durch Düsen Wasser in femzerstäubter Form zugesetzt wird» (Zeitschrift "Neue Hütte¹* 1963 <, Heft 6₉ S» 35^-35?)° Das abzukühlende Werkstück rotiert in waagerechter Lage auf . einer Drehvorrichtung j damit eine gleichmäßige Wärmeabfuhr am Umfang gewährleistet wird_o ' Die bekannte^ Luft-Wasser-Brause wurde bisher in Fällen eingesetzt, bei denen die Kühlwirkung entsprechend einem jeweils zu kühlenden Querschnitt des Werkstückes, ZoBu bei Stahlgußwalzen entsprechend dem Ballen und den wesentlich dünneren Zapfen« eingestellt werden muß» Zur Verwirklichimg der erforderlichen verschiedenen Kühlwirkungen wurde die zugesetzte Wassermenge verändert., indem jeweils ein bestimmter Wasserdruck gewählt wurde« Die Äbkühlungsversuche auf der Luft-Wasser-Brause wurden nun so durchgeführt _s daß während der ersten Stunden mit einem Zusatz von Wasser bestimmten Druckes gearbeitet und dann das Werkstück in Luft abgelegt wurde_o Um die Rißgefahr beim Abkühlen möglichst klein zu "haltenj wurde ι η einem Falle vor dem Ablegen in Luft das Werkstück einige S-fund fen noch mit bewegter Luft· gekühlt _u Auf diese Weise läßt -: l) zwar das Verhältnis der Abkühlungsgeschwindigkeit, zur ί · tnpera turdif f erenz zwischen Oberfläche und Kern gegenüber^, einer

8 0 9 8 T 2 / Π B 4 2 ^ BAD ORIGHSIAL 3 .„

1Λ33715

Härtung durch Tauchen günstig verändern, was aber auf* Kosten der Umwandlung in das angestrebte Gefüge und die DnrchvergüTung gehtο

Aus den geschilderten Mangeln ergab sich die Aufgabe_s sichere Unterlagen für eine Technologie zur Vergütung von Werkstücken verschiedener* Arten und Dimensionen zu schaffen, sowie allgemein gültige Richtlinien zu en twi ekeln _s nach denen eine Wärmebehandlung durchzuführen ist₉ um eine möglichst vollständige Umwandlung in das angestrebte Gefüge und größtmögliche Durchvergütung zu erreichenο

Gemäß der Erfindung wird zur Wärmebehandlung von schweren Werkstücken aus Schmiede— oder Gußstahls insbesondere von Rotoren und Walzen, die auf Härtetemperatur erwärmt und dann mit Abschreckmitteln abgekühlt werden₉ vorgeschlagen, daß die Abkühlung durch Einsatz verschiedener- Abschreckmittel so gesteuert wird_y daß die Oberflächentemperatur ein kontinuierliches Tempera» tur-Zeit-Programm durchläuft._: das aus dem die Stahlsorte betreffendes Umwandlungsschaubild unter ^ermeidung unzulässiger Wärmespannungen festgelegt wird..

Die Voraussetzungen für die gesteuerte Abkühlung werden aus sogenannten ZTU-(Zeit-Temperatür-Umwandlungs-) Schaubildern entnommen» die für die einzelnen Stahllegierungen bekannt sind_o Es läßt sich aus diesen entnehmen, daß die Geschwindigkeit der Abkühlung sowohl nach unten als auch nach oben begrenzt ist,, wenn ein bestimmtes Umwandlungsgefüge erreicht werden soll_o Andererseits hat die Abkühlungsgeschwindigkeit der Bedingung zu genügen«, daß durch die beim Abkühlen entstehenden Spannungen die zulässige Materialbeanspruchung nicht überschritten wird_o Es handelt sich hierbei um thermische_f durch die Temperaturdifferenz zwischen Rand und Kern des Werkstückes hervorgerufene Spannungen*. Für diese sind die oberen Grenzwerte bekannt» Dabei ist zu beachten, daß Spannungen oberhalb etwa 600 C weniger gefährlich sind, weil in diesem Bereich eine ausreichende Plastizität des Stahls vorhanden ist ο

Nach der Erfindung wird nun der Temperatur-Zeit-Verlauf der
gesteuerten Abkühlung aus dem betreffenden Umwandlungsschau=- bild in der Weise festgelegt, daß einmal eine möglichst voll=· ständige Umwandlung in das angestrebte Gefüge , zum anderen
eine größtmögliche Durchvergütung erreicht wird, ohne daß die beim Abkühlen entstehenden Spannungen die zulässige Material·= beanspruchung Überschreitens Um einen solchen optimalen Ab.·='
kühlungsverlauf zu ermitteln^, wird der örtliche und zeitliche Temperaturverlauf schrittweiae für bestimmtes durch das Um- " wandlungsschaubild innerhalb gewisser Grenzen vorgegebene
Abkühlungsgeschwindigkeiten nach einem an sich bekannten
graphischen Verfahren konstruiert und dann jeweils geprüft,
ob die berechneten Grenzwerte der Wärmespannungen noch unter= halb der zulässigen Materialbeanspruchung liegen» Ist auf diese Weise der Abkühlungsverlauf festgelegt, so können -für den
jeweiligen'Temperaturverlauf an der Oberfläche die für die
gesteuerte Abkühlung erforderlichen Wärmeübergangszahlen der
Konstruktion des Tempera tür feld es entnommen werden«,

Nach diesem Verfahren wird ein für die Praxis der gesteuerten Abkühlung gemäß der Erfindung wichtiger Zusammenhang zwischen der zeitlich.veränderlichen Oberflächentemperatur und den jeweiligen Wärmeübergangszahlen gewonnen, mit denen sich der gewünschte Temperaturverlauf verwirklichen läßt« Ferner ist damit möglich, den Abkühlungsvorgang an Hand der zeitlich veränderlichen Oberfläehent empera tür ₈ die kontinuierlich gemessen werden kann, zu kontrollieren,, Zum Messen der Oberflächentemperatur wird vorteilhafterweise ein Gesamtstrahlungspyrometer mit Anzeigegerät eingesetzt, das auch bei Verzunderung und Oxydation der Oberfläche des Werkstückes bei höheren Temperatüren genügend genau mißfrv

Die zur Steuerung der zeitlich veränderlichen Oberflächentemperatur erforderlichen Wärmeübergangszahlen lassen sich praktisch verwirklichen durch Anblasen des Werkstückes mit Luft verschiedener Greschwindigkeiten, durch Besprühen mit einem Luft-Flüssigkeits-Semijsch unterschiedlicher Zusammensetzung und durch Abbrausen

" ^{: :} ' ■. ■ ' ■■'■ ^:- " ■ -■■■ ■■'"■■ -^: -■. "'■- ■■". ■■- '^v' :- 5 — ■ 809812/ 064 2

mit reiner Flüssigkeit, insbesondere mit 0I₉ Wasser oder verdünnter Lauge, wie Natronlauge, oder einem Gemisch dieser Flüssigkeitenο Die Wärmeübergangszahl kann durch diese Maß= nahmen bis etwa zu einem Faktor 100 gegenüber der der freien Konvektion geändert" werden, was für die praktisch vorkommenden Fälle völlig ausreicht« Gegebenenfalls kann der Wärme" übergang auch verhältnismäßig klein gemacht werden, und zwar durch Isolieren des Werkstückes und Anbringen von Strahlungsblechen ο ^:

Für die Durchführung des Vergütungsverfahrens gemäß der Er= findung wird zur Steuerung der Abkühlung eine kontinuierlich regelbare, mit einer Programmsteuerung versehene Abkühlungsvorrichtung eingesetzte Mit Hilfe einzelner unterschiedlicher Kurvenscheiben, deren Profile gemäß der Funktion der Abkühlungsbedingungen, insbesondere der zeitlich veränderlichen Oberflächentemperatur, hergestellt sind₉ werden die Ventile der Zuiuhrrohrleitungen gesteuert und hierdurch Menge und Geschwindigkeit der Abschreckmittel geregelt. Zur Verwirklichung verhältnismäßig hoher Wärmeübergangszahlen wird das abzukühlende Werkstück mit Öl, Wasser, verdünnter Natronlauge oder e'nem Gemisch hieraus abgebraust, und zwar senkrecht zur Werkstuckachse_o Die Austrittsöffnungen sind zweckmäßig radial zum Werkstück in mehreren parallelen Reihen angeordnet, damit eine gleichmäßige Abkühlung erzeugt werden kann» Bei Verwendung eines Luft-Flussigkeitsgemisches zur Verwirklichung mittlerer Wärmeübergangszahlen kommt es darauf an, daß die der bewegten Luft zugesetzte Wassermenge ausreicht, den Luftstrom mit Wasserdampf zu sättigen und zusätzlich Wasser in feinzerstäubter Form zu erzeugen.· Ansonsten ist die beigemischte Wassermenge praktisch wirkungslos, da dann der Wärmetransport des Konvektionsstromes von dem Produkt spezifische Wärme und Dichte abhängig ist und dieses Produkt für Luft verschiedener Feuchtigkeitsgrade annähernd übereinstimmt _a

■ - 6 -

809812/0642

Im folgenden ist das Verfahren gemäß der Erfindung an einem Beispiel näher erläutert'₉ und zwar an der Wärmebe= ^ handlung einer chrotn- und molybdänlegierten Stahlgußwalze von 850 mm Durchmesser, die von Austenltlsi erungs = temperatur abgekühlt wird₉ um Zwischenstüfengefüge zu erzielen,,

In Figur 1 ist das Umwandlungsverhalten des betreffenden Werkstoffes dargestellt_o Das Schaubild wurde durch dilatometrische und metallographische Untersuchungen nach festgelegten Richtlinien ermittelte Die Bereiche der Bildung des nichtperlitischen Eutektoids (P + K) bzw_o des Perlits (Ρ) und der Zwischenstufe (Zw) sind scharf getrennt» Zum Umwandiungsbereich der Zwischenstufe gelangt man durch eine rasche Abkühlung zur Unterkühlung des Austenits auf Temperaturen über dem Bereich der Martensitumwandlung (M) mit nachfolgender 9 möglichst isοthermischer Abkühlung (Kurve a) oder durch eine verhältnismäßig langsame Abkühlung aus dem Austeri.itgebiet (Kurve b)_o

Unter Zuhilfenahme des dargestellten Umwandlungsschaubildes sind diejenigen optimalen Abkuhlungsbedingungen zu ermitteln, die zu einer möglichst vollständigen Umwandlung in Zwischenstüf enge füge und größtmöglichen Durchvergiitung führen_o Diese Forderungen können nur erfüllt werden₉ wenn durch besondere Maßnahmen bei der Abkühlung dafür gesorgt wird₉ daß die Temperatur der Walzenoberfläche möglichst rasch auf eine Temperatur dicht über dem Bereich*der Martensitbildung abfällt unddann dicht oberhalb der unteren Grenze des Zwischenstufenbereiches verläuft ο Die Ursache hierfür liegt in der endlichen Wärmeleitfähigkeit des Walzenwerkstoffes j die bewirkty daß die Abkühlungsgeschwindigkeit in der Nähe der Oberfläche am größten ist und zum Kern hin abnimmt_o Die Abkühlungsgeschwindigkeit der Oberfläche kann jedoch wegen der beim Abkühlen entstehenden Wärmespannung en nicht beliebig gesteigert werden«

Zur Bestimmung des optimalen Abkühlungsverlaufes ist die Kenntnis des Temperaturfeldes erforderlichg das sich für eine in ""

.,..-■.■ 809812/Ö642 "

jedem Zeitpunkt vorgeschriebene Oberflächentempera tut· ein~ stellte Für die Ermittlung dieses Temperaturfeldes wird ein graphisches Verfahren, das sogenannte Differenzverfahren nach E₀ Schmidt, herangezogen. Die nächste Aufgabe besteht, wie eingangs beschrieben^ dann darin₉ die entstehenden Wärmespannungen rechnerisch zu ermitteln und zu prüfen, ob diese noch unterhalb der zulässigen Materia,lbeanspruchung liegen₀ Ist auf diese Weise der angestrebte Abkühlungsverlauf ermittelt, z_oB<, Kurve a für die Oberfläche der Walze, so können für den Temperaturverlauf an der Oberfläche die entsprechenden Wärmeübergangszahlen der graphischen Konstruktion des Temperaturfeldes auf bekannte Weise entnommen werden»

Figur 1 gibt einen Überblick über die Abkühlungsvorgänge in der Nähe der Walzenoberfläche (a) und an zwei Stellen im Innern der Walze (b,c) unter den beschriebenen optimalen Bedingungen» Das Umwandlungsverhalten kann in bestimmten Abständen von der Oberfläche aus den eingezeichneten Umwandlungsbereichen abgeleitet und s.omit die Durchvergütung für die Zwiesel·! ens tuf enumwandlung abgeschätk.^ werden.

Figur 2 zeigt die bei der graphischen Konstruktion des Temperaturfeldes gewonnenen Wärmeübergangszahlen über der Abkühlungszeit aufgetragene Dem Schaubild ist zu entnehmen, daß die gesteuerte Abkühlung zu Beginn vergleichsweise hohe Wärmeübergangszahlen verlangt₉ daß diese aber mit zunehmender Abkühlungszeit monoton, zunächst sehr schnell_s dann langsam abnehmen und schließlich zu einem Zeitpunkt in der Nähe der beendeten Umwandlung ein Minimum erreichen« An dieser Stelle kann die gesteuerte Abkühlung unterbrochen werden, da der weitere Abkühlungsverlauf auf das Umwandlungsverhalten ohne Einfluß istο Ein derartiger Abkühlungsvorgang, der im Bild dargestellt ist, hat eine gewisse Bedeutung, wenn die Steuerung von möglichst kurzer Dauer sein soll, und das Werkstück anschließend langsam völlig auskühlen kanne In Figur 2 ist dagegen der Fall zugrundegelegt, daß,die^Abkühlung nach beendeter Umwandlung schnellstmöglich erfolgte

■■. '-~^c ■■■■-■■■■ ■"·· -■■■■■;■■ _ ₈ _ ■ ■

8 0 98 12

Für die praktische Durchführung der gesteuerten Abkühlung wird der Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur, und Wärmeübergangszahl in Abhängigkeit von der -Abkühlungszeit herangezogenj, der aus den beiden Figuren 1 und 2 leicht entnommen werden kann» Zur Verwirklichung der erforderlichen Wärmeübergangszahlen werden im Temperaturbereich von Austenitisierungstemperatur bis Grenztemperaturder Mart.ens.itbildung .schroff wirkende Abschreckmittel verwendet_s und zwar wird zunächst mit Flussigkeiteji und, Luft-FlüssigVftitsgemis.chen

kcal mit Wärmeübergangs zahlen von 5QQ bis iOO^fl _; m&Vho °g ,abgebraust

Xm Bereich der Zwischenstufenumwandlung werden dann milder.

wirkende Abschreckmittel;, wie strömende Luft-Flussigkeitsge=?

' - kcal

mischeund Luft mit Wärmeübergangszahlen kleiner als 500 m2°h°°C benutzt» Es sei erwähnt₉ daß bei.Werkstücken vergleichsweise kleiner Dimensionen der Einsatz von nur Luft-Piüssigkeitsgemischen und bewegter Luft zur Verwirklichung der Wärmeübergangs-.zahlen häufig, ausreichend ist, da im allgemeinen keine sehr hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten auftreten»

Das Wärmebehandlüngsverfahren gemäß der Erfindung ist nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt₉ sondern auf Werkstücke beliebiger Zusammensetzung und Dimensionen anwendbar., und zwar immer daüh mit besonderem Vorteil, .wenn gleichmäßige Gebrauchseigenschaften über eine möglichst große Tiefe gefordert werden« ~~~. .

Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Wärmebehandlung von schweren Werkstücken aus Schmiedestahl oder Stahlguß_p Z₀B₀ Rotoren oder Walzen„ dadurch gekennzeichnet, daß der Abkühlungsvorgang durch konti~ η υ!erIi ch veränderliche Dosierung bzw₀ Zusammensetzung der auf die Oberfläche der Werkstücke aufgestrahlten oder -gesprühten Abschreckmittel einer in dem Z-T»*U^Schaubild des betreffenden Werkstoffes unter Vermeidung unzulässiger Warmespannungen im voraus festgelegten Kurve folgt_o

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Abkühlung auf Basis der mit einem Gesamt strahlungspyrometer kontinuierlich gemessenen Oberflächentemperatur des Werkstückes erfolgt»

   Verfahren nach Anspruch 1 und 2₉ dadurch gekennzeichnet,, daß als Abschreckmittel Flüssigkeiten, insbesondere 0I₉ Wasser, verdünnte Lauge, wie Natronlauge,' oder ein Gemisch dieser Flüssigkeiten, Luft-Flüssigkeitsgemische unterschiedlicher Zusammensetzung und Luft verwendet werden»

   Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3 zur Zwischenstufenvergütung legierter Stahlgußwalzen, dadurch gekennzeichnet., daß die Wärmeübergangszahl so gesteuert wird, daß nach einer anfänglich schroffen Abkühlung (Wärmeübergangszahlen zwischen etwa 500 und 1000 kcal/m h C) der Bereich der Zwischenstufe möglichst isotherm (Wärmeübergangszahlen unter 500 kcal/m h c) durchschritten wird«

   809812/0642