DE1508378C - Verfahren zum Harten von Stahlplatten - Google Patents

Description

1 2

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

von Stahlplatten, die durch eine Abschreckzone be- Abszisse und arithmetischen Ordinaten, indem

wegt werden, durch Abschrecken von einer Tem- Meßpunkte, die durch die zwei gestrichelten Kurven

peratur oberhalb des Ac.,-Punktes durch Aufsprühen gebildet sind, die Art und Weise darstellen, in der die

mehrerer Wassersprühstrahlen unter Drücke. 5 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 Fig. 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 kleiner 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 len 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-Umwandlungsdiagrammen, 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 ejn- Menge und der Druck des Wassers so gewählt, daß

gegangen wird. Das Verfahren geht davon aus, daß der Parameter β j/Psin Θ für jede Sprühdüse wäh-

de.r Winkel Θ zwischen der Oberfläche des Werk- rend der anfänglichen Periode nicht weniger als etwa

Stückes und der Mittellinie des Wassersprühstrahls 35 HO beträgt. In dem Parameter Q ]/Fsin 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, O muß groß genug sein, nämlich nicht weni-

gleich der Abmessung der Vorderseite der Platte 45 ger als etwa 201 pro Sekunde pro Quadratmeter der

cjucr zur Bewegungsrichtung ist, das Verfahren derart besprühten Fläche betragen, so daß das. Wasser die.

ausgeführt, daß der Parameter (Q j/Psin(~>) einen Wärme von der Platte abführt, ohne daß es über-

Wert von nicht weniger als 110 für jede den Wasser- mäßig heiß wird, und P muß groß genug sein, näm-

sprühstrahl erzeugende Düse annimmt, wobei Q Hch nicht weniger als etwa 2,5 kg/cm² betragen, um

die Wassermenge, die pro Sekunde und pro Quadrat- 5° 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 F i g. 1 zeigen die Meßpunkte und die

und daß ferner Q 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 Wärmcübertragungskoeffizient Ii in

messungen der Abschreckzone mindestens gleich den 55 kcal/m²-hr· ⁰C zwischen einer Stahlplatte und ucn

Abmessungen der Platte sind, so daß die Platte voll- Wasserstrahlen von (?j/Fsinf) abhängig ist. Die

ständig von den Wasserspriihstrahlen bedeckt ist. Fig. 1 zeigt deutlich, daß Ii auf ein Maximum an-

Die Erfindung wird nun an Hand der Abbildungen steigt, wenn Q J/Fsin M 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 Qj/Psinfi) weiter auf Werte über

naten, in dem Mcßpunkte die Art und Weise aufzei- etwa 110 erhöht wird.

gen, in der sich der Wärmeübeitragungskoeffizient F i g. 2 zeigt die Mcßpunkte, welche darstellen, wie

zwischen den Stahlplatten und den aufprallenden die Streckgrenze oder Zerreißfestigkeit (ki>/mm²) der

Wasserstrahlen während des anfänglichen Abschnit- Stahlplatte sich mit dem Wert von QVPs'inß ver-

tes des Abschreckens nach einem Parameter ver- 65 ändert. Die Mcßpunkte 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 darslellt. 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 die in der Tabelle I gezeigte Zusammensetzung 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 auf 427° C angelassen wurden.

Tabellel

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

Die Kurve 16 der Fig. 1 ist in dem unterschiedlichen Ordinatenmaßstab auch in F i g. 2 als volle Kurve 16 gezeigt. Die Ähnlichkeit der Form der Kurve 16 und der Form der Umhüllenden, die von den Kurven 17 und 18 gebildet wird, ist bemerkenswert. Es wird jedoch auf die größere Streuung der Zugfestigkeitsmeßpunkte unter, einem Wert von etwa 110 für QYP sin θ und insbesondere bei den Zwischenwerten von ö VFsin θ hingewiesen; auf diese Streuung wird noch eingegangen.-Die Fig. 2 zeigt deutlich, daß die maximal durch' Wassersprühabschreckung mögliche Kühlgeschwindigkeit dadurch erreicht wird, daß die Menge und der Druck des Wassers und der Aufprallwinkel so aufrechterhalten werden, daß der Wert von QVFsin Θ nicht kleiner als 110 ist, und daß eine solche Abkühlgeschwindikeit zu einer Zugfestigkeit führt, die gleich der Zugfestigkeit 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 85,4 kg/mm² angedeutet ist.

Es ist erkennbar, daß beim Sprühabschrecken gemäß der Erfindung eine Erhöhung des Wertes von Q vT sin Θ über 110 nicht die Abkühlgeschwindigkeit der Platte erhöht. Die Erfindung zeigt daher nicht nur auf, wie die maximale Abkühlgeschwindigkeit 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 Qj/Psin(9, die beträchtlich kleiner als 110 sind, nicht nur die Wahrscheinlichkeit besteht, daß kaum eine wirksame Abschrekkung erreicht wird, sondern auch die Gefahr gegeben ist, daß die Platte veränderliche oder nicht vorbestimmbare Eigenschaften erhält, da sich Ii ändert und daher die Kühlgeschwindigkeit, was von kleinen lind unvermeidbaren Änderungen in den Werten von Q und/oder P begleitet wird. Der Ietztegenannte Punkt ist in F i g. 2 durch die Streuung der Zugfestigkeitsmeßdaten bei Werten von QVPsIn θ unterhalb 110 dargestellt.

Es ist von Interesse, daß die Kurve von Ii bzw. von Q \ΠΡsin θ der Fig. 1 am oder nahe einem Wert von Q VF sin θ von 31,6 am steilsten ist, wobei sie diesen Wert erhält, wenn Q und P beide ihre entsprechenden Mminuimwcrte von 20 und 25 einnehmen. Die Tatsache, daß in diesem Bereich der Wert von h am empfindlichsten auf Änderungen von Q yPsin Θ ist, deutet darauf hin, daß die Wärmeübertragung von der Platte auf das Wasser sich von dem einen S Zusammenhang auf den anderen ändert. Dies weist 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 nicht weniger als etwa 110 für QVPsinG beträgt. Mit anderen Worten, maximale Abkühlgeschwiridigkeiten können durch Sprühabschrecken nicht bei einem zu niedrigen Druck erreicht werden, selbst wenn eine sehr große Wassermenge verwendet wird, und sie können auch nicht erzielt werden, wenn trotz Vorliegens eines sehr hohen Druckes zu wenig Was-. ser zugeführt wird. Es wird ferner bemerkt, daß Q VP sin θ abnimmt, wenn θ kleiner wird.

Die Tabelle II gibt Beispiele von Kombinationen der Wasserströmung und eines Druckes, die bei θ=90° zu einem Wert von 110 für Q VPsin θ führen, und sie deutet ferner an, wie die Wasserströmung und der Druck innerhalb weiter Grenzen verändert werden können, während gleichzeitig die maximal

mögliche Abkühlgeschwindigkeit beibehalten wird.

Ein gleichmäßiges Bedecken oder Beaufschlagen innerhalb des Sprühkegels einer einzelnen Sprühdüse ist offensichtlich erwünscht, und es sind zur Zeit Düsen erhältlich, die eine solche Gleichförmigkeit liefern. Im Anschluß an die anfängliche sehr intensive Abschreckung kann ein weiteres Abschrecken mit Wasserstrahl oder einer Besprühung durchgeführt werden, für das der Parameter QyTs'mß 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, können Wasserstrahlen aus einer Vielzahl von Sprühdiisen verwendet werden, vorausgesetzt, daß QVPsinto für. jede Düse nicht kleiner als etwa 110 ist. Die Strahlen kann man, falls erwünscht, gleichzeitig auf die gesamte Oberfläche der zu härtenden Platte auftreffen lassen, wobei in diesem Fall die Sprühdüsen so angeordnet werden sollten, daß die Strahlen die Bereiche der Seiten, auf denen sie auf-

- treffen, vollständig überdecken, d.h., daß Spalten

oder freie Räume zwischen den Bereichen vermieden werden, auf denen der Strahl aus den einzelnen Düsen auftrifft, denn solche Spalten oder freie Räume würden nicht wirksam abgeschreckt oder gehärtet werden. Es kann jedoch aus Zweckmüßigkeitsgrün-

	Tabellen <ÖVT=110
P (kg/cm')
2,5 ■ 7,0 11,8 27,5
β (Liter pro Sekunde/m2)
70,0 41,5 - 32,0 21,0

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 zu dem 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 Kohlenstoflstrahl 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 langer 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 flächenfönnig 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 (4)

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 (QVPsin 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

4. Verfahren zum Härten von Stahlplatten in einer Abschreckzone durch Abschrecken von einer Temperatur oberhalb des Ac_s-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 VFsin Θ) einen Wert von nicht weniger als

ilO 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

109 618/146