DE1508378B1

DE1508378B1 - Verfahren zum Haerten von Stahlplatten

Info

Publication number: DE1508378B1
Application number: DE19661508378
Authority: DE
Inventors: Melloy George F; Hlinka Joseph W
Original assignee: Bethlehem Steel Corp
Current assignee: Bethlehem Steel Corp
Priority date: 1965-11-24
Filing date: 1966-10-11
Publication date: 1970-10-01
Also published as: DK136870B; FI44916C; AT309496B; DK136870C; ES332216A1; GB1149045A; SE328324B; NL156755B; BE688278A; NO118925B; LU52168A1; NL6614528A; FI44916B

Description

1 2

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten F i g. 2 ein Diagramm mit einer logarithrnischen

von Stahlplatten, die durch eine Abschreckzone be- Abszisse und arithmetischen Ordinaten, in dem wegt werden, durch Abschrecken von einer Tem- Meßpunkte, die durch die zwei gestrichelten Kurven peratur oberhalb des Ac₃-Punktes durch Aufsprühen gebildet sind, die Art und Weise darstellen, in der die mehrerer Wassersprühstrahlen unter Drücke. 0 Streckgrenze oder Zerreißfestigkeit einer Stahlplatte,

Es ist bekannt, Stähle dadurch zu härten, daß sie die mit aufprallenden Wasserstrahlen gehärtet ist, in auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der der Abhängigkeit von dem Parameter streut. In F i g. 2 Stahl austenitisch ist, und daß sie anschließend ist ferner die durch eine volle Linie dargestellte durch ein umgerührtes Unterwasserabschreckbad von Kurve gezeigt, die aus F i g. 1 übernommen ist. dieser Temperatur herabgekühlt werden. Dies ist ein io Bei der Durchführung der Erfindung wird eine zu praktisches Verfahren zum Härten kleirief Teile, härtende Stahlplatte auf eine Härtetemperatur eraber es ist nicht ohne weiteres zum Härten von wärmt, bei der sie vollständig austenitisch ist, und angroßen Platten oder Blechen geeignet, da es schwierig schließend wird sie durch sehr intensive Wasserstrahist, ein gleichförmiges Umrühren innerhalb eines Jen mit bestimmten nachstehend beschriebenen ganzen großen Behälters durchzuführen, wobei ein 15 Eigenschaften von einer Temperatur herab abgenicht gleichförmiges Umrühren zu unregelmäßigen schreckt, bei der sie vollständig austenitisch ist. und nicht gleichförmigen physikalischen Eigenschaf- Die sehr intensiven Strahlen oder die kräftige

ten führt. Es ist auch bekannt, eine Wasser- Besprühung gemäß der Erfindung sollen während besprühung zum gleichförmigen Abschrecken von der anfänglichen Abschreckperiode so lange auf die Stahlplatten anzuwenden, ein wirksames Härten 20 Platte gerichtet werden, daß die Ausbildung von wird hiermit jedoch nur bei relativ härtbaren Legie- Heißtemperatur-Umsetzungsprodukten auf einem rungsstählen oder bei relativ dünnen Platten aus minimalen Wert gehalten ist. Die erforderliche Zeit-Kohlenstoffstahl erreicht. spanne ändert sich mit der Zusammensetzung und Die Patentinhaberin hat entdeckt, daß Stahlplatten Dicke der abzuschreckenden Platte. Wie in Fachoder -bleche wirksam gehärtet werden können, deren 25 kreisen allgemein bekannt ist, kann ein Anhalt für Dicke größer als und/oder deren Härtbarkeit geringer die Feststellung dieser Zeitspanne aus isothermischen als bei denjenigen Gegenständen ist, die bisher durch Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagrammen und aus eine Wassersprühabschreckung gehärtet werden fortlaufenden Kühlungs-Ümwandlungsdiagrammen, konnten, vorausgesetzt, daß die Menge und der die für die spezielle Zusmmensetzung charakteristisch Druck des Wassers auf oder über gewissen Grenz- 30 sind* erzielt werden.

werten und in einem gewissen Verhältnis zueinander Bei der Ausführung der Erfindung werden die

gehalten werden, worauf anschließend näher ein- Menge und der Druck des Wassers so gewählt, daß gegangen wird. Das Verfahren geht davon aus, daß der Parameter Q \T sin Θ für jede Sprühdüse wähder Winkel θ zwischen der Oberfläche des Werk- rend der anfänglichen Periode nicht weniger als etwa Stückes und der Mittellinie des Wassersprühstrahls 35 110 beträgt. In dem Parameter Q]Tsin θ ist Q die kleiner oder gleich 90° ist. Wassermenge in Liter pro Sekunde pro Qudratmeter

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ver- der Fläche, auf die der Strahl auftrifft, P der Meßfahren zum Härten von Stahlplatten oder -blechen druck des Wassers an der Sprühdüse in kg/cm² und anzugeben, bei dem die Stahlplatten mittels Wasser- Θ der Aufprallwinkel, nämlich der spitze oder rechte sprühstrahlen abgeschreckt werden, deren Parameter 40 Winkel zwischen der Oberfläche der Platte und der besonders günstige und gleichmäßige Eigenschaften Mittellinie des Wasserstrahls. Es wurde festgestellt, der gehärteten Platten ergeben. daß zum wirksamen Abschrecken die Faktoren Q

Gemäß der Erfindung wird bei größeren Platten, und P nicht kleiner als gewisse minimale Werte sein bei denen die Breite der Abschreckzone mindestens dürfen, Q muß groß genug sein, nämlich nicht wenigleich der Abmessung der Vorderseite der Platte 45 ger als etwa 20 1 pro Sekunde pro Quadratmeter der quer zur Bewegungsrichtung ist, das Verfahren derart besprühten Fläche betragen, so daß das Wasser die ausgeführt, daß 3er Parameter (O|/Fsin0) einen i Wärme von der Platte abführt, ohne daß es über-Wert von nicht weniger als 110 für jede den Wasser- JJ mäßig heiß wird, und P muß groß genug sein, nämsprühstrahl erzeugende Düse annimmt, wobei O $ lieh nicht weniger als etwa 2.5 kg'cm² betragen, um die Wassermenge, die pro Sekunde und pro Quadrat- 50 zu gewährleisten, daß die Strahlen den Wasserfilm meter auf die besprühte Platte auftrifft und P den an der Oberfläche der Platte durchdringen. Druck des Wassers an der Düse in kg/cm² bedeutet In der Fig. 1 zeigen die Meßpunkte und die

und daß ferner O nicht kleiner als 20 und P nicht volle Kurve 16 die Art und Weise auf, in der der kleiner als 2,5 gewählt werden, und daß die Ab- anfängliche Wärmeübertragungskoeffizient h in messungen der Abschreckzone mindestens gleich den 55 kcal/m² -1Ir-⁰C zwischen einer Stahlplatte und den Abmessungen der Platte sind, so daß die Platte voll- Wasserstrahlen von Q] T sin Θ abhängig ist. Die ständig von den Wassersprühstrahlen bedeckt ist. Fig. 1 zeigt deutlich, daß h auf ein Maximum an-

Die Erfindung wird nun an Hand der Abbildungen steigt, wenn Q \'Ύύη Θ auf einen Wert von etwa 110 ausführlich beschrieben. Es zeigt erhöht wird und auf diesem Maximum konstant ge-

Fig. 1 ein Diagramm mit logarithmischen Koordi- 60 halten wird, wenn Q \Τύηθ weiter auf Werte über naten, in dem Meßpunkte die Art und Weise aufzei- etwa 110 erhöht wird.

gen, in der sich der Wärmeübertragungskoeffizient F i g. 2 zeigt die Meßpunkte, welche darstellen, wie

zwischen den Stahlplatten und den aufprallenden die Streckgrenze oder Zerreißfestigkeit (kp/mm²) der Wasserstrahlen während des anfänglichen Abschnit- Stahlplatte sich mit dem Wert von O vT sin Θ vertes des Abschreckens nach einem Parameter ver- 65 ändert. Die Meßpunkte werden durch die gestrichelte ändert, der in diesem Diagramm gezeigt ist und eine Kurve 17, die das Maximum des Meßbereiches dar-Funktion des Druckes, der Wassermenge und des stellt, und durch die gestrichelte Kurve 18 gebildet, Aufspritzwinkels ist, die das Minimum darstellt. Alle Meßwerte bezüglich

der Zerreißfestigkeit wurden aus Zugfestigkeitsprüfungen ermittelt, bei denen Proben benutzt wurden, die von Platten aus Stahl mit einer Dicke von 19 mm abgeschnitten wurden, wobei die Stahlplatten di i d bll i Z

sache, daß in diesem Bereich der Wert von h am empfindlichsten auf Änderungen von Q VP sin Θ ist, deutet darauf hin, daß die Wärmeübertragung von der Platte auf das Wasser sich von dem einen

die in der Tabelle I gezeigte Zusammensetzung 5 Zusammenhang auf den anderen ändert. Dies weist

gg g

hatten, nachdem sie von einer Temperatur über Ac₃ mit Wasserstrahlen abgeschreckt wurden, die auf die gegenüberliegenden Seiten der Platte unter einem Winkel von 90° auftrafen, und nachdem sie a"f 427° C angelassen wurden.

Tabelle I

C	Mn	P	S	Si
0,28	1,18	0,013	0,031	0,25

zusammen mit der größeren Streuung der Meßdaten für h in und unterhalb dieses Bereiches auf die Notwendigkeit hin, daß bei einem vorgegebenen Wert von Θ Q auf oder über seinem spezifischen minimalen ίο Wert gehalten und P so eingeregeltwird, daß ein Wert erreicht wird, der nicht kleiner als etwa 110 für Q VP sin Θ ist, oder daß P auf oder über seinem spezifizierten minimalen Wert gehalten und Q so eingeregelt wird, daß ein Wert geschaffen wird, der 15 nicht weniger als etwa 110 für Q V¹T⁵SiH Θ beträgt. Mit anderen Worten, maximale Abkühlgeschwindigkeiten können durch Sprüh abschrecken nicht bei einem zu niedrigen Druck erreicht werden, selbst Die Kurve 16 der Fig. 1 ist in dem unterschied- wenn eine sehr große Wassermenge verwendet wird, liehen Ordinatenmaßstab auch in F i g. 2 als volle 20 und sie können auch nicht erzielt werden, wenn trotz Kurve 16 gezeigt. Die Ähnlichkeit der Form der Vorliegens eines sehr hohen Druckes zu wenig Was-Kurve 16 und der Form der Umhüllenden, die von ser zugeführt wird. Es wird ferner bemerkt, daß den Kurven Yl und 18 gebildet wird, ist bemerkens- Öl/T'sinΘ abnimmt, wenn Θ kleiner wird, wert. Es wird jedoch auf die größere Streuung der Die Tabelle II gibt Beispiele von Kombinationen

Zugfestigkeitsmeßpunkte unter einem Wert von etwa 25 der Wasserströmung und eines Druckes, die bei 110 für QVPsinÖ und insbesondere bei den Zwi- 0=90° zu einem Wert von 110 für Öl/Fsin© fühschenwerten von Q VPsin Θ hingewiesen; auf diese ren, und sie deutet ferner an, wie die Wasserströmung Streuung wird noch eingegangen. Die F i g. 2 zeigt und der Druck innerhalb weiter Grenzen verändert deutlich, daß die maximal durch Wassersprüh- werden können, während gleichzeitig die maximal abschreckung mögliche Kühlgeschwindigkeit dadurch 30 mögliche Abkühlgeschwindigkeit beibehalten wird. erreicht wird, daß die Menge und der Druck des
Wassers und der Aufprallwinkel so aufrechterhalten
werden, daß der Wert von O]/Psin Θ nicht kleiner
als HO ist, und daß eine solche Abkühlgeschwindikeit
zu einer Zugfestigkeit führt, die gleich der Zug- 35
festigkeit ist oder diese überschreitet, die bei einer
Probe aus dem gleichen Stahl durch ein heftig umgerührtes Unterwasserabschreckbad und ein Anlassen
auf 427° C erreicht wird, wie dies durch die horizontale gestrichelte Linie 19 für einen Wert von 40
85,4 kg/mm² angedeutet ist.

Es ist erkennbar, daß beim Sprühabschrecken gemäß der Erfindung eine Erhöhung des Wertes von Q yPsin Θ über 110 nicht die Abkühlgeschwindigkeit

	Tabelle II
	<ßl/F=110
P (kg/cm*)
2,5
7,0
11,8
27,5


Q (Liter pro Sekunde/m²)




70,0
41,5
32,0
21,0

beim Sprühabschrecken erzielt wird, sondern auch, wie diese Geschwindigkeit mit dem geringsten Wasser- und Energieverbrauch zum Pumpen des Wassers erreicht wird.

Ein anderer bemerkenswerter Punkt ist darin zu sehen, daß bei Werten von QVPsin©, die beträchtlich kleiner als 110 sind, nicht nur die Wahrscheinlichkeit besteht, daß kaum eine wirksame Abschrek-

Ein gleichmäßiges Bedecken oder Beaufschlagen innerhalb des Sprühkegels einer einzelnen Sprühdüse der Platte erhöht. Die Erfindung zeigt daher nicht 45 ist offensichtlich erwünscht, und es sind zur Zeit nur auf, wie die maximale Abkühlgeschwindigkeit Düsen erhältlich, die eine solche Gleichförmigkeit

liefern. Im Anschluß an die anfängliche sehr intensive Abschreckung kann ein weiteres Abschrecken mit Wasserstrahl oder einer Besprühung durch-50 geführt werden, für das der Parameter Q~\/Psin Θ kleiner als 110 ist.

Zum Abschrecken oder Härten von Platten, deren Flächen so groß sind, daß sie nicht durch den Strahl aus einer einzigen Düse bedeckt werden können,

kung erreicht wird, sondern auch die Gefahr gegeben 55 können Wasserstrahlen aus einer Vielzahl von ist, daß die Platte veränderliche oder nicht vor- Sprühdüsen verwendet werden, vorausgesetzt, daß bestimmbare Eigenschaften erhält, da sich h ändert QVP'sin Θ für jede Düse nicht kleiner als etwa 110 und daher die Kühlgeschwindigkeit, was von kleinen ist. Die Strahlen kann man, falls erwünscht, gleich- und unvermeidbaren Änderungen in den Werten von zeitig auf die gesamte Oberfläche der zu härtenden Q und/oder P begleitet wird. Der letztegenannte 60 Platte auftreffen lassen, wobei in diesem Fall die Punkt ist in Fig. 2 durch die Streuung der Zugfestig- Sprühdüsen so angeordnet werden sollten, daß die keitsmeßdaten bei Werten von Q VPsin Θ unterhalb Strahlen die Bereiche der Seiten, auf denen sie auf-110 dargestellt. treffen, vollständig überdecken, d. h., daß Spalten

Es ist von Interesse, daß die Kurve von h bzw. von oder freie Räume zwischen den Bereichen vermieden Q VPsin Θ der Fig. 1 am oder nahe einem Wert von 65 werden, auf denen der Strahl aus den einzelnen Q VP sin Θ von 31,6 am steilsten ist, wobei sie diesen Düsen auftrifft, denn solche Spalten oder freie Räume Wert erhält, wenn O und P beide ihre entsprechenden würden nicht wirksam abgeschreckt oder gehärtet Minimumwerte von 20 und 25 einnehmen. Die Tat- werden. Es kann jedoch aus Zweckmäßigkeitsgrün-

den vorgezogen werden, die Strahlen nur auf einen Teil oder Teile des Bereiches der Platte zu einem jeweiligen Zeitpunkt auftreffen zu lassen und die Platte relativ zu den Strahlen zu bewegen, damit die gesamte Platte gehärtet wird. Ein zweckmäßiges Verfahren zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Platte durch eine Abschreckzone mit einer Breite hindurchzubewegen, die wenigstens gleich der Abmessung der Seite der Platte ist, die quer zur Bewegungsrichtung verläuft und die ferner eine Länge in Bewegungsrichtung hat, die wenigstens ein Vielfaches, vorzugsweise das Fünffache oder noch mehr der Dicke der Platte beträgt. Dadurch wird der Längswärmefluß innerhalb der Platte von dem heißen zudem abgeschreckten Abschnitt auf einem Minimum gehalten. Die Sprühdüsen sollten so angeordnet werden, daß die Strahlen den Bereich der Abschreckzone vollständig bedecken, d. h., daß Spalten oder freie Räume zwischen den Flächen vermieden werden sollten, auf die die Strahlen aus den einzelnen Düsen auftreffen. Ein Überlappen der von den Strahlen aus den einzelnen Düsen beaufschlagten Flächen bringt keine Nachteile in bezug auf die Eigenschaften der Platte, führt jedoch zu einer Verschwendung von Wasser.

An Stelle einer einzigen Abschreckzone können mehrere eng im Abstand nebeneinander angeordnete Abschreckzonen verwendet werden, von denen eine jede eine Länge aufweist, die kleiner als das Mehrfache der Dicke der Platte ist. Die Gesamtlänge der Zonen muß jedoch wenigstens ein Mehrfaches, vorzugsweise das Fünffache oder noch mehr der Dicke der Platte betragen.

Wie bereits erwähnt, sollten die sehr intensiven Strahlen so lange auf die Platte auftreffen, daß die Ausbildung von Heißtemperatur-Umsetzungsprodukten auf einem minimalen Wert gehalten wird, wobei die erforderliche Zeitspanne von der Zusammensetzung und der Dicke der zu härtenden Platte abhängig ist. Um die Abkühlgeschwindigkeit darzustellen, die durch Abschrecken mit den sehr intensiven Strahlen gemäß der Erfindung erreichbar sind, wird folgendes angegeben:

Strahlen, die auf die gegenüberliegenden Seiten einer Platte aus Kohlenstoffstrahl gerichtet werden, die sich anfänglich auf einer gleichmäßigen Temperatur von überall 905° C befindet, kühlen die Mitte der Platte auf etwa 260° C in 6 Sekunden ab, wenn die Platte 6 mm dick ist, und in 16 Sekunden, wenn sie 19 mm dick ist. Die Abschreck- oder Härtezeit wird, wenn die Platte relativ zu den Strahlen bewegt wird, durch die Geschwindigkeit der Platte und die Länge der Abschreckzone oder -zonen vorbestimmt. Wenn sich z. B. die Platte in einer Abschreckzone mit einer Länge von 1 m mit einer Geschwindigkeit von 10 m pro Minute fortbewegt, beträgt die Zeitspanne, innerhalb der ein jeder Abschnitt der Platte sich in der Abschreckzone befindet, 6 Sekunden. Längere Zeitspannen können dadurch erreicht werden, daß die Abschreckzone oder -zonen länger gemacht und/oder die Platte mit einer niedrigeren Geschwindigkeit bewegt werden.

Wenn Platten gemäß der Erfindung abgeschreckt werden, werden die Strahlen vorzugsweise gleichzeitig auf die gegenüberliegenden Seiten der Platte gerichtet, um ein Verwerfen oder Verbiegen der Platte auf einem minimalen Wert zu halten.

An Stelle der Sprühdüsen können andere Vorrichtungen mit Löchern oder Schlitzen zusammen mit Ablenkvorrichtungen verwendet werden, die das Wasser strahlen- oder fiächenförmig ausbreiten. Der Ausdruck »Sprühdüse« soll daher alle diese Ausführungsformen umfassen.

Die vorliegende Erfindung kann zum Härten von Kohlenstoff-Stahlplatten angewendet werden, und sie ermöglicht das erste Mal, daß durch Sprühabschrecken wirksam gehärtete Kohlenstoff-Stahlplatten mit Dicken hergestellt werden können, wofür bisher legierter Stahl erforderlich war. Darüber hinaus ist die Erfindung zum Abschrecken von Platten aus legiertem Stahl anwendbar, und sie macht es möglich, daß der Legierungsanteil verringert werden kann, der zum wirksamen Härten einer Platte von vorgegebener Dicke nötig war, oder daß eine dickere Platte mit vorgegebenem Legierungsanteil oder beide gehärtet werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Härten von Stahlplatten, die durch eine Abschreckzone bewegt werden, durch Abschrecken von einer Temperatur oberhalb des Ac₃-Punktes durch Aufsprühen mehrerer Wassersprühstrahlen unter Druck, wobei der Winkel Θ zwischen der Oberfläche des Werkstückes und der Mittellinie des Wassersprühstrahls kleiner oder gleich 90° ist und die Breite der Abschreckzone mindestens gleich der Abmessung der Vorderseite der Platte quer zur Bewegungsrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter (QlI³sin Θ) einen Wert von nicht weniger als 110 für jede den Wassersprühstrahl erzeugende Düse annimmt, wobei Q die Wassermenge, die pro Sekunde und pro Quadratmeter auf die besprühte Platte auftrifft, und P den Druck des Wassers an der Düse in kg/cm² bedeutet und daß ferner Q nicht kleiner als 20 und P nicht kleiner als 2.5 gewählt werden, und daß die Länge der Abschreckzone in der Bewegungsrichtung der Platte wenigstens ein Vielfaches, vorzugsweise das Fünffache oder noch mehr der Dicke der Platte beträgt und daß der Bereich der Platte in der Abschreckzone vollständig von den Wassersprühstrahlen bedeckt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wassersprühstrahlen erzeugenden Sprühdüsen auf beiden Seiten der Platten liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckzone mehrere in angemessenem Abstand angeordnete Abschreckzonen enthält, von denen jede eine Länge aufweist, die kleiner als die Dicke der Platte ist, während die Gesamtlänge der Zonen jedoch wenigstens ein Mehrfaches, vorzugsweise das Fünffache oder noch mehr der Dicke der Platte beträgt.

4. Verfahren zum Härten von Stahlplatten in einer Abschreckzone durch Abschrecken von einer Temperatur oberhalb des Ac_:1-Punktes durch Aufsprühen mehrerer Wassersprühstrahlen unter Druck, wobei der Winkel Θ zwischen der Oberfläche des Werkstückes und der Mittellinie des Wassersprühstrahles kleiner oder gleich 90° ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter (Q YF sin Θ) einen Wert von nicht weniger als

110 für jede den Wassersprühstrahl erzeugende Düse annimmt, wobei Q die Wassermenge, die pro Sekunde und pro Quadratmeter auf die Platte auftrifft, und P den Druck des Wassers an der Düse in kg/cm² bedeutet und daß ferner Q nicht

kleiner als 20 und P nicht kleiner als 2,5 gewählt werden, und daß die Abmessungen der Abschreckzone mindestens gleich den Abmessungen der Platte sind, so daß die Platte vollständig von den Wassersprühstrahlen bedeckt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

009 540/153