DE2104826C3 - Vorrichtung zur Durchführung von Stirnabschreckversuchen an zylindrischen Stahlprobenkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung von Stirnabschreckversuchen an zylindrischen Stahlprobenkörpcrn, bei denen die Probe während der Abschreckung im Ofen verweilt.

Mit Hilfe des Stirnabschrcckversuches, auch lominy-Vcrsuch genannt, kann die Härtbarkei¹ eines Stahles unter verschiedenen Abkühlungsbedingungen mit geringem Zeitaufwand geprüft werden. Einzelheiten der Versuchsdurchführung sind im Stahl-Eisen-Prüfblatt !650—61, herausgegeben von der Normenstelle des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute, enthalten. Ein zylindrischer Stahlprobenkörper mit einer Länge von 100 mm und einem Durchmesser von 25 mm wird auf Härtetemperatur erhitzt; anschließend wird die Stirnfläche des Probenkörpers mit Wasser abgeschreckt: es kommt hierbei mit zunehmender Entfernung von der Stirnfläche innerhalb des Probenkörpers zu abnehmenden Abkühlgeschwindigkeiten und zur Ausbildung verschiedener Gefüge. Hierauf können an einer Reihe von Meßpunkten in verschiedenen Abständen von der Stirnfläche Härtemessungen und Gefügeuntersuchungen vorgenommen werden. Wenn die den Meßpunkten zugeordneten Abkühlungsgeschwindigkeiten bekannt sind, kann aus den gewonnenen Werten auf das Umwandlungsverhalter, der untersuchten Stahlqualität rückgeschlossen und das Ergebnis in Schaubildern festgehalten werden. Die Versuchseinrichtung besteht aus einem Ofen, wie einem Muffelofen, in dem der Probenkorpei auf Härtetemperatur aufgeheizt wird, und ;nis einer 1 ialtecinrichtung, in die der Probenkörper nach der Entnahme aus dem Ofen eingehängt wird, worauf von unten mittels eines Rohres Wasser gegen die Stirnfläche des Probenkörpers gespritzt wird: die Wärmeabfuhr uns dem zylindrischen Probenkörper erfolgt vorwiegend in axialer Richtung; die Wärmeabgabe von der Mantelfläche an die ruhende Luft der Umgebung ist verhältnismäßig gering. Die jominy-Probe wird zur Prüfung von Stählen verwendet, die aus der Härtetemperatur in Wasser oder Öl abgeschreckt werden; da der Temperaturabfall je Zeiteinheit innerhalb der Jominy-Probe relativ groß ist, gibt der Jominy-Versuch keinen Aufschluß über das Umwandlungsverhalten von Stahlbauteilen größerer Wandstärke, die mittels Preßluft oder an ruhender Luft abgekühlt werden, wobei der für die Gefügeumwandlung wesentliche Temperaturbereich wesentlich langsamer durchlaufen wird. Der klassische Stirnabschreckversuch ist daher zur Prüfung von luftvergüteten, dicken Grobblechen aus hochfesten, schweißbaren Baustählen völlig ungeeignet, weil die Wärmeabfuhr in axialer Richtung des Probenkörpers viel ?u rasch vor sich geht. Versuche, wobei der Probenkörper mit einer Aluminiumhülse umgeben war, um die Wärmeabfuhr entlang seiner Mantelfläche herabzusetzen, haben nicht zum gewünschten Erfolg geführt. Man hat auch vorgeschlagen, das obere Ende des in vertikaler Stellung befindlichen Probenkörpers im Härteofen zu belassen, während das unte^re Probenende — gleich wie beim klassischen Stirnabschreckversuch — an der Stirnfläche mit Wasser abgesehreckt wurde und die Mantelflächt an ruhender Luft abkühlte. Zweck dieser Bestrebungen war es, die Abkülur.3sgeschwindigkeit innerhalb der Jominy-Probe so weit zu verringern, daß die gleichen Abkühlungsbe-

jo dingungen wie beim Wasser- oder Ölvergüten von Stahlwerkstücken mit relativ großem Querschnitt erzielt werden. Um mit Hilfe des Jominy-Versuches die Eigenschaften dickwandiger, normalgeglühter oder luftvergüteter Werkstücke beurteilen zu können, reichen diese Maßnehmen jedoch nicht aus.

Um den Einfluß der Manipulationen auf die Ergebnisse von Stirnabschreckversuchen auszuschalten, ist es bekannt, den zunächst beim Aufheizen der Probe horizontal in Stellung gebrachten abgedichteten Ofen in eine senkrechte Lage zu verschwenken, worauf die Probe nach Lösen des Ofenverschlusses zwecks Abschreckung aus dem Ofen herausgleiten gelassen wird, bine Verringerung der Abkühlungsgeschwindigkeit innerhalb des Probekörpers ist dabei jedoch nicht gegeben.

Ziel der Erfindung ist es, den Anwendungsbereich des Jominy-Versuches auf die Qualitätsprüfung von relativ langsam von Härtetemperatur abkühlenden Stählen auszudehnen und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine wesentlich langsamere Abkühlung der Probenkörper gestattet, als dies beim klassischen Jominy-Versuch der Fall ist, so daß auch Bleche mit einer Dicke bis zu 150 mm und darüber beurteilt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs definierten Art, die gekennzeichnet ist durch einen vertikalen feuerfest ausgekleideten, elektrisch beheizten Ofen mit einer den Probenkörper aufnehmenden Bohrung und eine, das untere Ende der Bohrung verschließende, und den

f>o Probekörper tragende, gekühlte Metallplatte.

Vorzugsweise umgibt die elektrische Heizung den oberen Teil der Bohrung.

Vorteilhaft ist in eine Ausnehmung der Metallplatte ein Plättchen aus einem Metall mit niedrigem

h'i Schmelzpunkt einsetzbar, das mit der Stirnfläche des Probenkörpers in Kontakt steht, wobei der Durchmesser des Ph.iiichcns größer ist als der Durchmesser des IVnbeukörpers.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung für die gesteuerte Abkühlung eines zylindrischen Probenkörpers verwendet, welcher aus fünf bis zehn Stahlscheiben zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Scheiben voneinander durch je eine dünne Schicht aus einem Stoff mit gegenüber Stahl verminderter Wärmeleitfähigkeit getrennt sind.

Diese und weitere Merkmale der Erfindung sowie deren Vorteile werden an Hand der Zeichnung nrher erläutert. Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine erfindungsremäße Vorrichtung. F i g. 2 ist eine Seitenansicht eines Probenkörpers mit mehreren Temperaturmeßstellen, welcher der Aufnahme von Temperaturkurven dient. F i g. 3 zeigt Abkühlungskurven, und zwar ist in der oberen Hälrte von F i g. 3 der Temperaturverlauf innerhalb eines Probenkörpers nach Fig. 2 in Abhängigkeit von der Zeit nach dem Aufsetzen auf eine gekühlte Metallplatte dargestellt, während die untere Hälfte von Fig.3 den experimentell ermittelten Temperaturverlauf im Kern von verschieden dicken Blechen zeigt, welche nach Erwärmung auf Härtetemperatur an ruhender Luft, bzw. mittels Preßluft abgekühlt werden.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Blechmantel bezeichnet, welcher die erfindungsgemäße, in ihrem oberen Teil als :~> elektrisch beheizter Ofen ausgebildete Vorrichtung umgibt und einen Durchmesser von etwa 160 mm und eine Höhe von etwa 180 mm aufweist; sein Querschnitt ist quadratisch. Mit 2 ist ein Bodenblech bezeichnet, welches eine aus Schamotte 3 und einem feinkörnigen, κι wärmeisolierenden Material 4 bestehende feuerfeste Ofenauskleidung trägt, die eine durchgehende vertikale Bohrung 5 zur Aufnahme eines Probenkörpers aufweist. Der Durchmesser der Bohrung 5 ist etwas größer als der Durchmesser des mit 6 bezeichneten Probenkörpers. »

Der Probenkörper 6 hat — in Übereinstimmung mit dem beim klassischen |ominy-Versuch verwendeten Probenkörper — einen Durchmesser von 25 mm und eine Länge von 100 mm. Um die im Kern von dicken Grobblechen bei der Abkühlung an Luft auftretenden Temperaturänderungen simulieren zu können, wird der Probenkörper 6 vorteilhaft aus neun Scheiben 7 zusammengesetzt, zwischen denen jeweils eine 0,2 bis 1,2 mm dicke Scheibe 8 aus Glimmer angeordnet ist; die Stahlscheiben 7 und die Glimmerscheiben 8 weisen eine « zentrische Bohrung auf, durch die ein Bolzen 9 einschiebbar ist. Der Bolzen 9 hat an seinem unteren Ende ein Gewinde, welches in ein entsprechendes Gegengewinde ocr untersten Stahlscheibe 7 einschraubbar ist; hierbei wird der am oberen Ende des Bolzens 9 starr befestigte Bolzenkopf 10 gegen die oberste Stahlscheibe 7 angezogen. Mit 11 ist eine Halteeinrichtung bezeichnet, die die Entnahme des Probenkörpers aus einem nicht dargestellten Härteofen jnd das Einsetzen desselben in die erfindungsgemäße Vorrichtung erleichtert.

Im oberen Teil der Vorrichtung, welcher die beiden obersten Stahlscheiben 7 des Probenkörpers 6 aufnimmt, ist eine elektrische Heizung 12, bestehend aus einem Tonerdekörper mit eingelagerten Heizwendeln 6< > vorgesehen, welche durch eine Leitung 13 über Anschlußklemmen 14 an eine Stromquelle anschließbar ist. Der aus dieser 1 lei/.einrichtung, die für eine Leistung von mindestens 200 Watt ausgelegt ist, und der feuerfesten Auskleidung 3, 4 bestehende Ofen wird vor μ dem Einsetzen des Pmbcnkörpcrs auf eine Temperatur aufgeheizt, welche etwa der des Probenkörpers 6 entspricht. Die Heizleistung ist entweder stufenweise oder stufenlos bis auf etwa 35 Watt regelbar. Zur Kontrolle der Ofentemperatur wird ein Thermoelement 15 verwendet, das an eine Buchse 16 angeschlossen ist. welche mit einem Temperaturanzeigegerät verbunden ist. Nach dem Einsetzen des auf Härtetemperatur erhitzten Probenkörpers 6 ist das obere Ende der Bohrung 5 durch wärmeisolierendes Material 17, beispielsweise Schlackenwolle, abschließbar. Das untere Ende der Bohrung 5 ist durch eine Chro.n-Nickel-Stahl-Platte 18 abschließbar, in welcher ein von Wasser durchflossenes Kühlrohr 19 vorgesehen ist. Die Stahlplatte 18 ist an einer Halterung 20 lösbar befestigt. Mit 21 ist eine dünne Scheibe aus Lötzinn (25 bis 90% Sn; 75 bis 10% Pb) mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 181 bis 271⁰C bezeichnet. Dieses Lötzinn schmilzt, sobald es von der Stirnfläche 27 (Fig. 2) des Probenkörpers berührt wird, wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen der Stirnfläche 27 und der wassergekühlten Stahlplatte 18 erreicht wird. An Stelle von Lötzinn kann für das Plättchen 21 auch Blei mit einem Schmelzpunkt von 327°C, reines Zinn mit einem Schmelzpunkt von 232°C oder Wood-Metall (50,0% Bi, 12,5% Cd, 25,O^c/o Pb, 12,5% Sn) mit einem Schmelzpunkt von 6O⁰C verwendet werden. Das Plättchen 21 hat einen etwas größeren Durchmesser als der Probenkörper 6 und wird zweckmäßig in eine Ausnehmung 22 der Stahlplatte 18 eingelegt.

In F i g. 2 sind mit 23, 24, 25, 26 Meßpunkte innerhalb eines für Eichzwecke verwendeten Probenkörpers 6' bezeichne!, an weichen der Temperaturverlauf während eines Stirnabschreckversuches gemessen werden kann. Zu diesem Zweck weist dieser Probenkörper 6' vier nicht dargestellte, über den Umfang gleichmäßig verteilte axiale Bohrungen auf. die in verschiedenem Absland von der Stirnfläche 27 des Probenkörpers endigen; in diese Bohrungen sind Thermoelemente eingeschoben. In Fig. 2 sind die Meßpunkte 23, 24, 25, 26 der Einfachheit halber jedoch auf einer gemeinsamen Längsachse liegend dargestellt. Die Abstände der Meßpunkte 23, 24, 25, 26 von der Stirnfläche des Probenkörpers betragen 5, 25, 45 und 80 mm. Der Probenkörper 6' dient der Aufnahme von Eiclikurven für den Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Zeit in Stählen gleicher Wärmeleitfähigkeit: für die laufende Erprobung werden dann Probenkörper 6 aus dem zu prüfenden Stahl gefertigt, bei welchen nach der Abkühlung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung an verschiedenen Stellen das Gefüge untersucht und die Härte festgestellt wird; die mit dem Probenkörper 6' ermittelten Eichkurven haben also Gültigkeit für Stähle ähnlicher chemischer Zusammensetzung bzw. gleicher Wärmeleitfähigkeit.

Die obere Hälfte von F i g. 3 zeigt den Temperaturverlauf des Probenkörpers 6' nach dem Einsetzen in die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Ausgangstemperatur des Probenkörpers 6' beträgt 900⁰C. Die den Meßpunkten 23, 24, 25,26 entsprechenden Temperaturkurven sind mit 23', 24', 25', 26' bezeichnet. Diese Temperaturkurven brauchen für eine Type von Stählen, z.B. für unlegierte Stähle, 18/8-Chrom-Nickel-Stahl oder dgl., nur ermittelt zu werden.

In der unteren Hälfte von F i g. 3 ist der experimentell crmiticlleTcmpcraturvcrlauf im Kern etwa 5 m² großer Großbleche dargestellt, welche aus einer Temperatur von 900"C an ruhender Luft bzw. mittels Preßluft abgekühlt wurden. Die durchgehend gezeichneten Kurven gelicn für die Abkühlung an ruhender Luft und die gestrichelt gezeichneten Kurven für die Abkühlung

mittels Preßluft: Die Kurve 28 zeigt den Temperaturverlauf im Kern eines 5 mm dicken Grobbleches bei Abkühlung an ruhender Luft, die Kurve 29 zeigt dasselbe für ein 20 mm dickes Blech, die Kurve 30 für ein 50 mm dickes Blech und die Kurve 31 für ein 100 mm dickes Blech; die Kurven 32,33,34,35 veranschaulichen den Temperaturverlauf im Kern von 5, 20, 50 bzw. 100 mm dicken, mittels Preßluft abgekühlten Grobblechen.

Ein Vergleich der oberen und der unteren Hälfte von Fig. 3 zeigt, daß durch einen Stirnabschreckvcrsuch unter Verwendung einer aus neun Stahlscheiben 7 mit dazwischen eingelegten, 1,2 mm dicken Glimmerplättchen zusammengesetzten Probe der Temperaturverlauf bzw. die Abkühlgeschwindigkeit im Kern verschieden dicker und auf verschiedene Weise abgekühlter Grobbleche simuliert werden kann; beispielsweise entspricht die dem Meßpunkt 24 zugeordnete Abkühlungskurve 24' der Temperaturkurve 29 für ein 20 mm dickes, an ruhender Luft abgekühltes Grobblech; die dem Meßpunkt 25 zugeordnete Abkühlungskurve 25' entspricht der Temperaturkurve 30 für ein etwa 50 mm dickes, an ruhender Luft abgekühltes Grobblech bzw. dem Temperaturverlauf im Kern eines etwa 80 mm dicken, mittels Preßluft abgekühlten Grobbleches; die dem Meßpunkt 26 zugeordnete Abkühlungskurve 26' entspricht dem Temperaturverlauf im Kern eines etwa 150 mm dicken Grobbleches, welches mittels Preßluft abgekühlt wird. Die an einem Probenkörper nach Durchführung des Stirnabschreckversuches in verschiedenen Abständen von der Stirnfläche 27 festgestellten mechanischen Eigenschaften, wie Härte, Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit, entsprechen somit den im Kern verschieden dicker Grobbleche gleicher Stahlqualität zu erwartenden mechanischen Eigenschaften, falls die Grobbleche an ruhender Luft oder mittels Preßluft abgekühlt werden. Um für über 5 mm dicke, an ruhender Luft oder mittels Preßluft abgekühlte Grobbleche Schaubilder erstellen zu können, welche die Gefügeumwandlung in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit veranschaulichen und der Beurteilung der Eigenschaften wärmebehandelter Stähle dienen, mußten bisher umfangreiche dilatometrische und metallographische Untersuchungen an einer großen Anzahl von Probeblechen durchgeführt werden. Die durch diese zeitraubenden und aufwendigen Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse können durch Untersuchung eines einzigen, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gesteuert abgekühlten Probenkörpers gewonnen werden, welcher aus mehreren Scheiben mit dazwischen angeordneten wärmeisolierenden Schichten besteht. Die für die Durchführung des Stirnabschreckversuches an diesen Probenkörpern erforderlichen Einrichtungen sind mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung gleich wie beim klassischen

ίο jominy-Versuch; beispielsweise kann derselbe Ofen zur Erwärmung der Probenkörper auf Härtetemperatur verwendet werden. Man braucht also nur die aus dem zu prüfenden Stahl hergestellten Probenkörper 6 abzukühlen und an mehreren Stellen in verschiedenen Abständen von der Stirnfläche das Gefüge untersuchen, und die Härte prüfen, um einen Rückschluß auf das Verhalten verschieden dicker und verschieden rasch abgekühlter Bleche ziehen zu können.

Die Lage der Kurven 23', 24', 25', 26' kann durch die Anzahl der den Probenkörper 6 bildenden Stahlscheiben 7 und/oder durch die Dicke der wärmeisolierenden Schichten 8 sowie durch die Art des wärmeisolierenden Materials verändert werden. Eine weitere Möglichkeit, diese Temperaturkurven nach links oder nach rechts zu verschieben, um die Abkühlungsverhältnisse in dünneren oder dickeren Blechen simulieren zu können, besteht darin, die Heizleistung des Ofens nach dem Einsetzen des Probenkörpers zu ändern; beträgt beispielsweise die Heizleistung bei Beginn des Einsetzens 35 Watt, so ist die Zeit für den Abfall der Temperatur von 900 auf 500⁰C nur etwa halb so lang wie bei einem Stirnabschreckversuch, bei dem der Probenkörper in den auf etwa 900°C vorgeheizten Ofen eingesetzt und eine Heizleistung von 100 Watt während des Abschreckens aufrecht erhalten wird. Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur gesteuerten Abkühlung einer einteiligen Stahlprobe, wie sie beim klassischen Jominy-Versuch verwendet wird, eingesetzt werden; dadurch verschieben sich die in Fig. 3 unten gezeichneten Temperaturkurven nach links. Durch Variation der Versuchsbedingungen in der oben beschriebenen Weise können natürlich auch die in Blechen, welche in Wasser abgeschreckt wurden, vor sich gehenden Gefügeänderungen und Temperaturänderungen erfaßt werden, insbesondere dann, wenn sehr dicke Bleche geprüft werden sollen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Durchführung von Stirnabschreckversuchen an zylindrischen Stahlprobenkörpern, bei denen die Probe während der Abschrekkung im Ofen verweilt, gekennzeichnet durch einen vertikalen feuerfest ausgekleideten, elektrisch beheizten Ofen (3, 4, 12) mit einer den Probenkörper (6) aufnehmenden Bohrung (5) und eine, das untere Ende der Bohrung (5) verschließende, und den Probenkörper (6) tragende, gekühlte Metallplatte (18).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizung (12) den oberen Teil der Bohrung (5) umgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Ausnehmung (22) der Metallplatte (18) ein Plättchen (21) aus einem Metal! mit niedrigem Schmelzpunkt einsetzbar ist, das mit der Stirnfläche (27) des Probenkörpers (6) in Kontakt steht, wobei der Durchmesser des Plättchens (21) größer ist als der Durchmesser des Probenkörpers (6).

4. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, für die gesteuerte Abkühlung eines zylindrischen Probenkörpers, welcher aus fünf bis zehn Stahlscheiben zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Scheiben voneinander durch je eine dünne Schicht aus einem Stoff mit gegenüber Stahl verminderter Wärmeleitfähigkeit getrennt sind.