DE2124041A1

DE2124041A1 - Wärmebehandlungsverfahren an untereutektioden Vergütungsstählen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2124041A1
Application number: DE19712124041
Authority: DE
Inventors: Otto 4000 Düsseldorf; Greulich Klaus Dipl.-Ing. 4006 Erkrath. P Reimann
Original assignee: Bau-Stahlgewebe GmbH, 4000 Düsseldorf-Oberkassel
Priority date: 1971-05-14
Filing date: 1971-05-14
Publication date: 1972-11-23
Also published as: BE783367A; CH582242A5; IT955361B; GB1371292A; FR2137843B1; DE2124041C3; SE393818B; NL7206353A; ATA414572A; BR7202999D0; ES402595A1; AT328486B; FR2137843A1; LU65338A1; DE2124041B2

Description

PATENTANWÄLTE ? 1 9 A Π Λ

DipUng. WERNER COHAUSZ · Dipl.-lng. WILHELM FLORACK · DipWng. RU UbLrKNAUF

4 Düsseldorf, Sdiumannstraße 97

Bau-Stahlgevrebe GmbH 12. Mai 197I

4 Düsseldorf-Oberkassel
Burggrafenstraße 5

Wärmebehandlungsverfahren an untereutektolden Ver- ά

gütungsstählen und Vorrichtung zur Durchführung des

Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren an untereutektoiden Vergütungsstählen mit 0,5° bis ο,βο % Kohlenstoff, auch an solchen mit üblichen Legierungsgehalten, Rest Eisen und die üblichen Beimengungen, wobei -ler Stahl in Stabform kontinuierlich durch eine Schneller wärmungszone (als Wärmequelle elektrische Induktion, eventuell aber auch Elektronenstrahlen) geführt, dabei auf hohe Temperaturen erwärmt und anschließend abgeschreckt wird.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren anzugeben, mit dem gegenüber den bekannten Vergütungsverfahren eine Verbesserung der mechanischen Werkstoffeigenschaften, wie Festigkeit und Dehnung, insbesondere aber deren Verhältnis zueinander, erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dai3 von einem Stahl mit einem kristallin-heterogenen Auogangsgefüge (voroutektoider Ferrit und Perlit) ausgegangen wire! und die-

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ser Stahl über seinen Gesamtquerschnitt im Mittel mit mindestens 2oo° C/s, vorzugsweise mindestens j5oo° C/s, durch das Temperaturgebiet oberhalb der Perlitlinie auf Temperaturen bis maximal Ij5oo° C erwärmt und darauf vor einem weitgehenden Diffusionsausgleich des Kohlenstoffs mit einer Geschwindigkeit abgeschreckt wird, die ein nahezu martensitfreies Gefüge ergibt. Das erzielte Gefüge soll vorzugsweise aus Troostit, insbesondere aber auch aus Zwischen- stufengefüge bestehen, soweit das Gefüge nicht in geringerem Umfang aus freiem Ferrit besteht.

Vorzugsweise weist das Ausgangsgefüge des Stahls vor der Wärmebehandlung mindestens 2o %, vorzugsweise J5o %₃ voreutektoiden Ferrit auf.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens wird der Stahl nur in seiner Schale auf die Temperatur zwischen Ac₁ und ljoo⁰ C erwärmt, wobei der in die Schale über die einstellbaren Parameter Leistungsdichte und Eindringtiefe (bei Induktion z.B. Leistungsdichte in W/cm und Frequenz) eingebrachte Wärmeinhalt den Kern im Mittel mit mindestens 2oo°C/s, vorzugsweise mindestens 4oo°C/s, auf höchstens lloo° C erwärmt und der erwärmte Stahl innerhalb eines Temperaturausgleichsbereiches (tpt^t, gem. Fig. 1) abgeschreckt wird. Es ist von Vorteil, den Kern im Mittel mit etwa 7oo°C/s zu erwärmen.

Mit besonderem Vorteil wird innerhalb des Temperaturausgleichsbereiches zum Zeitpunkt t = tp gemäß Fig. labgeschreckt.

Die Gesamtzeit vom Durchschreiten des Ac,-Punktes bis zum Beginn des Abschreckens liegt vorzugsweise unterhalb 8 Sekunden. Bei der Schnellerhitzung über 9oo°C v/irr¹, es bevor-

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zugt, daß die Verweilzeit des Stabquerschnittes im Temperaturgebiet oberhalb 9oo C nicht mehr als 1 Sekunde beträgt. Bei einem Aufheizen auf sehr hohe Temperaturen können Verweilzeiten unter einer halben Sekunde empfehlenswert sein.

Es kann zweckmäßig sein, den Stahl vor der Wärmebehandlung maximal auf Temperaturen unterhalb Ac₁ vorzuerwärmen. Dies bringt insbesondere wirtschaftliche Vorteile. In einigen Fällen ist es zu bevorzugen, den Stahl bis maximal in den oberen-Bereich der Kristallerholung vorzuerwärmen. In diesem Bereich dürfen noch keine Gefügeänderungen (Rekristallisation) auftreten.

Mit besonderem Vorteil wird der Stahl kontinuierlich mittels Induktion bei hoher Eindringtiefe vorerwärmt. Unter hoher Eindringtiefe werden bei dünnen Stababmessungen 9o % des Stabquerschnittes und bei gängigen Abmessungen - wie oberhalb l4 mm Durchmesser - 6o % des Stabquerschnittes verstanden, die also primär von der Vorerwärmung erfasst werden.

Vorzugsweise wird durch Aufbrausen oder Auffächern von Wasser abgeschreckt. Zu hohe Abkühlgeschwindigkeiten sollten vermieden werden, da eine Martensitbildung nicht erwünscht ist. Sehr gute Ergebnisse ergeben sich bei Abkühlgeschwindigkeiten zwischen 5°o und 35o°0; wobei der Stab die Wasser- ^

brause mit einer Temperatur von j5oo bis 4oo°C verlassen sollte.

Es ist von Vorteil, zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften bei noch guten Dehnungseigenschaften innerhalb des Temperatura.usgleichsbereiches für den Zeitpunkt t = tp gernäß Fig. eine Temperatur von 75° bis looo C herbeizuführen und von dort aus abzuschrecken.

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Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren in seiner Anwendung auf Stäbe mit einem Durchmesser von 4 bis 4o mm, insbesondere 6 bis 16 mm.

Besonders bevorzugt wird das Verfahren auf unlegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen o,j5o und o,5o %, einem Mangangehalt von o,5o bis 2,ο $, Gehalten an Silizium bis 1,5 %» Rest Eisen und den üblichen Begleitelementen angewendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Stäbe, die als vorgespannte Armierung eingesetzt werden.

Es kann zweckmäßig sein, im Anschluß an die erfindungsgemäße Wärmebehandlung ein Richten vorzunehmen und gegebenenfalls ein Anlassen anzuschließen, wodurch insbesondere die Elastizitätsgrenze verbessert wird.

Zur Definition werden nachfolgend folgende Begriffe erklärt :

"Stabform"; hierunter werden Abmessungen verstanden, die senkrecht zu ihrer Längsachse im wesentlichen immer die gleiche Querschnittsfläche aufweisen, insbesondere aber auch Abmessungen, die außerdem eine gleiche Oberflächenkontur besitzen.

"Schale" des Stabes; hiermit ist gegenüber der Kernzone des Stabes die nach außen liegende Schicht gemeint. Die Dicke dieser Schale, d.h. insbesondere das Volumen der Schale im Verhältnis zum Kernvolumen, wird von der gewünschten Kern- " temperatur bestimmt. Technisch wird beim Induktionsverfahren die Dicke der gewünschten Schale durch die vorgegebene Frequenz bestimmt. Je kleiner die Frequenz gewählt wird, umso stärker ist die Schalendicke. Über die Spulenabmessung und die Leistungsdichte wird die übertragene Wärmemenge geregelt

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Somit wird durch die Wahl der Frequenz und die Abstimmung der VorSchubgeschwindigkeit des Stabes gegenüber der Spulenabmessung und der Leistungsdichte (Verweilzeit des Stabes in der Induktionszone) die gewünschte Temperatur in der Schale eingestellt.

Maßgebend für die Temperaturen ist der "Temperaturausgleichsbereich". Zum besseren Verständnis sei auf Fig. 1 verwiesen. In Pig. 1 ist schematisch der Zeit-Temperatur-Verlauf einer induktiven Erwärmung ohne nachfolgende Abschreckung dargestellt (Abkühlung an Luft durch Abstrahlung) Der schematischen Darstellung liegt der Temperaturverlauf an einem Draht von 8 mm zugrunde, bei dem eine Schale ^;SS von o,8 mm Dicke primär erhitzt wurde. Wie die Fig. 1 zeigt, findet bereits während der Verweilzeit in der Spule in geringem Umfang ein Wärmefluß zum Kern hin statt. Der größte Teil des Wärmeflusses von der heißen Schale zum relativ kalten Kern findet nach Verlassen der Induktionsspule statt (T₀ in Fig. 1). Dieser mit der Zeit ablaufende Ausgleich über den Stabquerschnitt fällt unter den Begriff des Temperaturausgleichsbereiches At. Zur Erzielung der erfindungsgemäßen Effekte muß die nachfolgende Abschreckung innerhalb dieser Zeitspanne erfolgen, wobei insbesondere der Zeitpunkt t * t₂ erwählt wird. Diesen Zeitpunkten sind bestimmte Temperaturen zugeordnet, die in den Ansprüchen im einzelnen angegeben sind. (|

Das in Fig. 1 dargestellte Schaubild entspricht dem mittels eines Rechners simulierten Temperaturverlauf. Zur Erfüllung der zeitlich unteren Grenze t, soll die Perlitlinie überschritten sein. Zur Erfüllung der zeitlich oberen Grenze t, darf der Stab noch nicht unter den Punkt Ar, abgekühlt sein. Diese Zeitpunkte t, und t-, geben die Grenzen des erfindungsgemäßen Verfahrens an, während normalerweise im Bereich des Zeitpunktes t = t_p gearbeitet wird.

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Der Fachmann wird zweckmäßigerweise die erforderlichen Temperaturen mit Hilfe eines Glühfadenpyrometers ermitteln und überprüfen. Aus diesem Grunde beziehen sich die in den Ansprüchen und in der Beschreibung angegebenen Temperaturwerte auf gemessene Pyrometertemperaturen (Schalenoberfläche), Der Zeitpunkt t = t innerhalb des angegebenen Temperaturausgleichsbereiches lässt sich mittels der Pyrometermessung in der Praxis gut bestimmen, da nach dem Wärmeausgleich zum Kern hin, der an.der Schalenoberfläche messbare Temperaturabfall ausgeprägt langsamer als vorher erfolgt, da ein Wärmefluss nur noch durch Abstrahlung zur Atmosphäre erfolgt.

Anhand eines Beispiels sollen die Bedingungen für die Aufheizgeschwindigkeit nachfolgend erläutert werden. Geht man von der bevorzugten Kerntemperatur von 850 C und einer Aufheizgeschwindigkeit von Joo^oC aus, so errechnet sich, daß vom Spuleneintritt bis zum Zeitpunkt der Abschreckung 2,8 Sekunden vergehen. Ausgehend von diesen Randbedingungen und einem Stabdurchmesser von 8 mm errechnet sich bei einer Verweilzeit von 1,3 Sekunden in der Spule eine Frequenz von 485 kH und eine Leistungsdichte von etwa 95o W/cm . Ebensogut können diese Bedingungen bei einer kleineren Frequenz (größere Schalendicke) und einer geringeren Leistungsdichte erzielt werden.

Wenn von der bevorzugten Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, eine Vorerwärmung vorzunehmen, so ist zur Einhaltung der schnellen Aufheizgeschwindigkeiten eine sehr hohe Schalentemperatur erforderlich. Diese hohe Sohalentemperatur bedingt gleichzeitig eine kurze Verweilzeit im Austenitgebiet, um die erfindungsgemäßen Effekte zu erzielen.

Nachfolgend wird anhand einiger Zahlenbeispiele dargestellt, welche mechanischen Werkstoffeigenschaften sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielen lassen. Dabei sind

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in Tabelle 1 die. Werte der chemischen Analyse wiedergegeben und in Tabelle 2 die für die Stahlqualitäten 1, 2 und 3 im Ausgangszustand unlim WarmebehandTungszustand vorliegenden mechanischen Werkstoffeigenschaften angegeben. Die Abschreckung erfolgte, wie die Tabelle 2 zeigt, zum Zeitpunkt t » t₂ gem. Fig. 1. Es wurde innerhalb von 2 Sekunden auf Temperaturen von etwa J55o C hinab abgekühlt. Der restliche Temperaturausgleich erfolgte an Luft. Die Schliffbilder zeigten, daß das Gefünje nahezu martensitfrei-ist, wobei Martensitgehalte oberhalb von 5 % auf keinen Fall überschritten werden dürfen. Die erzielten Härtewerte und die Schliffbilder deuten in den überwiegenden Fällen auf Zwischenstufengefüge hin. Troostit als . g Gefüge ergibt auch noch gute Werte, insbesondere hinsichtlich der Dehnung. Greift man z.B. die Qualität 2 heraus und vergleicht die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten mechanischen Werkstoffeigenschaften mit den Werten, die bei herkömmlichen \^ergütungsverfahren (z.B. Widerstandsdurchlauferhitzung) erzielt werden, so ergibt sich noch eine beträchtliche Steigerung sowohl in den Festigkeitsais auch in den Dehnungseigenschaften.

Beim bekannten Vergüten werden z.B. für die Qualität 2 folgende Werkstoffeigenschaften nach der Vergütungsbehandlung erzielt:

Streckgrenze 159 kg/mm ; . Zugfestigkeit 154 kg/mm und eine Dehnung <i, von 6,1 %.

Aus der T?belle 2 und den weiteren, hier im einzelnen nicht aufgeführten Versuchen geht hervor, daß insbesondere das Zulegieren von Mangan, aber auch die Zugabe von Silizium in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Werkstoffeigenschaften führt.

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Es kommt hinzu, daß die bekannten Vergütungsanlagen einen höheren Platzbedarf haben, mit langsameren Durchlaufgeschwindigkeiten arbeiten, zu einer höheren Randentkohlung führen und z.B. die Vorerwärmung mittels Bleibäder erforderlich machen.

Die oben dargelegten technischen Zusammenhänge führen zu dem allgemeinen Gedanken, daß es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um Vorgänge handelt, bei denen Inhomogenitäten des Kristallaufbaus eine wesentliche Rolle spielen. Der voreutektoide Ferrit im Ausgangsmaterial scheint hierbei eine wesentliche Rolle zu spielen. Bei der Schnellerhitzung gemäß der Erfindung und den sehr kurzen Zeiten im Austenitgebiet wird ein Gefügezustand herbeigeführt* bei dem noch kein vollständiger Ausgleich des Kohlenstoffs innerhalb des Gefüges stattgefunden hat. Es kann z.B. nur der Perlit in Austenit umgewandelt werden oder auch zusätzlich Ferrit unter der Voraussetzung, daß der entstehende Austenit kohlenstoffärmer bleibt als es dem Gleichgewichtszustand bei vollständigem Diffusionsausgleich entsprechen würde. Dieser Ungleichgewichtszustand wird mittels Abschreckung festgehalten, wobei insbesondere die kohlenstoffreicheren Gebiete in Troostit oder vorzugsweise Zwischenstufengefüge übergeführt werden. Daraus ergibt sich eine differenzierte Struktur, die für die günstigen mechanischen Werkstoffeigenschaften mit verantwortlich sein dürfte.

Abschließend soll Fig. 2 beschrieben werden, in welcher schematisch eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist. Mit 1 ist der Stab, mit 2 die zur Vorerwärmung dienende Mittelfrequenzanlage, mit J die zur Schnellerwärmung dienende Hochfrequenzanlage und mit 4 die im Abstand a hiervon angeordnete s zur Abschreckung dienende Wasserbrause bezeichnet.

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Der Bereioh der Vorerwärmung.kann- durch die angegebene Mindestaufheizgeschwindigkeit für den Kern begrenzt sein.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der mechanischen Werkstoffeigenschaften (Festigkeit, Dehnung oder deren Verhältnis zueinander) an untereutektoiden Vergütungsstählen mit 0,50 bis ο,60 % Kohlenstoff, auch an solchen mit üblichen Legierungsgehalten, Rest Eisen und die üblichen Beimengungen, wobei der Stahl in Stabform kontinuierlich durch eine Schnellerwärmungszone (als Wärmequelle elektrische Induktion, evtl. aber auch Elektronenstrahlen) geführt, dabei auf hohe Temperaturen erwärmt und anschließend abgeschreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ein kristallin-heterogenes Ausgangsgefüge (voreutektoider Ferrit und Perlit) aufweist und über seinen Gesamtquerschnitt im Mittel mit mindestens 2oo° C/s, vorzugsweise mindestens 3oo C/s, durch das Temperaturgebiet oberhalb der Perlitlinie auf Temperaturen bis max. Ij5oo° C erwärmt und darauf vor einem weitgehenden Diffusionsausgleich des Kohlenstoffs mit einer Geschwindigkeit abgeschreckt wird, die ein nahezu martensitfreies Gefüge ergibt,

2. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsgefüge des Stahls mindestens 2o %_f vorzugsweise 30 %_s voreutektoiden Ferrit aufweist.

5. Wärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl nur in seiner Schale auf die Temperatur zwischen Ac, und IJoo⁰ C erwärmt wird, wobei der in die Schale über die ein-

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stellbaren Parameter Leistungsdichte und Eindringtiefe (bei Induktion z. B. Leistungsdichte in W/cm und Frequenz) eingebrachte Wärmeinhalt den Kern ■im Mittel mit mindestens 2oo C/s, vorzugsweise mindestens 4oo° C/s, auf höchstens lloo° C erwärmt und der erwärmte Stahl innerhalb eines Temperaturausgleichsbereiches (t,<-1<: t, gemäß Pig. I) abge-' schreckt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5# dadurch gekennzeichnet, daß der Kern im Mittel mit etwa 7oo° C/s erwärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Temperaturausgleich (t - t₂ gemäß Fig. 1) abgeschreckt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzeit vom Durchschreiten des Ac.-Punktes bis zum Beginn des Abschreckens max. 8 Sekunden beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Schnellerhitzung über

9oo°C die Verweilzeit des Stabquerschnittes im Tem- ä

peraturgebiet oberhalb 9oo°C höchstens 1 Sekunde beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl vor der Wärmebehandlung maximal auf Temperaturen unterhalb Ac, vorerwärmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl maximal bis in den oberen Bereich der Kristallerholung vorerwärmt wird. "

2 0 9 8 4 8 fö% 6 7

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9* dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl kontinuierlich mittels Induktion bei hoher Eindringtiefe vorerwärmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufbrausen oder Auffächern von Wasser abgeschreckt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaf ten (S^-rn* ^r^s^ ^ei ^nocn guten Dehnungseigenschaften innerhalb des Temperaturausgleichsbereiches für den Zeitpunkt t = tp (gem. Fig. 1) eine Temperatur von 75o°C bis looo°C herbeigeführt und von dort aus abgeschreckt wird.

Ij5. Anwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auf Stäbe mit einem Durchmesser von 4 bis 4o mm, insbesondere 6 bis 16 mm.

14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auf unlegierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen o,3o und 0,50 $, einem Mangangehalt von o,5o bis 2,o %, Gehalten an Silizium bis 1*5 %» Rest Eisen mit den üblichen Beimengungen.

15. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auf Stäbe für vorgespannte Armierung.

16. ' Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach

Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß in Stablaufrichtung eine Mittelfrequenzanlage, dann eine Hochfrequenzanlage und anschließend eine Wasserbrause angeordnet ist.

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