DE2219406A1 - Metallhärtungsverfahren und nach diesem Verfahren hergestelltes Hartmetall - Google Patents
Metallhärtungsverfahren und nach diesem Verfahren hergestelltes HartmetallInfo
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Description
. ing. ß. HOLZEK
«» ADG SB CJKQ
-W KXJiKB-8TRA.88» IA
K.
Augsburg, den 19. April 1972
The British Oxygen Company Limited, Hammersmith House,
London, W.6 9DX, England
Metallhärtungsverfahren und nach diesem Verfahren hergestelltes Hartmetall
Die Erfindung betrifft ein Metallhärtungsverfahren..
Metallhärtungsverfahren bestehen im allgemeinen aus mehreren aufeinanderfolgenden Behändlungsstufen des Erwärmens
auf hohe Temperaturen und des AbkUhlens auf Umgebungstemperatur.
Es sind bereits Vorschläge zur Einführung eines Verfahrensabschnittes gemacht worden, in.
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welchem das Metall bis auf Temperaturen abgekühlt wird, welche wesentlich unter O0C liegen, doch sind hierbei
hinsichtlich der vorgeschlagenen Kühlmethoden Schwierigkeiten aufgetreten. Direkte Berührung des Metalls mit
der Kühlflüssigkeit, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, würde starke Spannungen im/Materialgefüge verursachen.
Das Läßt sich nur teilweise durch geeignete Mittel verhindern, wie z.B. durch Einpacken des Metalles in eine
Schutzhülle, beispielsweise aus Papier. Außerdem wird bei den bekannten Verfahren nicht in dem für den Kühlvorgang
ο
unter 0 C optimalen Temperaturbereich gearbeitet, denn die beim Abkühlen erreichte Temperatur des flüssigen Stickstoffes (- 196 0C ) ist für die meisten Anwendungszwecke zu niedrig. Ein anderer wichtiger Fanrtor ist das jenige Stadium des Härtungsverfahrens, in welchem der AbkUhlungsprozeß unter 0 0C vorgenommen wird.
unter 0 C optimalen Temperaturbereich gearbeitet, denn die beim Abkühlen erreichte Temperatur des flüssigen Stickstoffes (- 196 0C ) ist für die meisten Anwendungszwecke zu niedrig. Ein anderer wichtiger Fanrtor ist das jenige Stadium des Härtungsverfahrens, in welchem der AbkUhlungsprozeß unter 0 0C vorgenommen wird.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein derartiges Metallhärtungsverfahren so zu verbessern,
daß es praktisch durchführbar wird.
Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist das Metallhärtungsverfahren
gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das betreffende Metall nacheinander folgenden
Behandlungsstufen unterworfen wird:
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a) Erwärmen auf eine hohe Temperatur,
b) "Abschrecken auf eine Temperatur, die nicht niedriger als die Umgebungstemperatur ist,
c) Langsames Abkühlen auf eine Temperatur im Bereich von - 80 0C bis - 120 0C mit Hilfe
von verflüssigtem Gas oder kaltem Gas in einer Kühlzone, die anfänglich Umgebungstemperatur aufweist,
d) Zurückführen auf Umgebungstemperatur und
e) Anlassen bei einer hohen Temperatur und Abkühlen auf Umgebungstemperatur.
Die Art und Weise des anfänglichen Erwärmens wird entsprechend dem zu behandelnden Metall gewählt. Beispielsweise
bei Werkzeugstahl geschieht das anfängliche Erwärmen normalerweise in einer Phase des Vorerwärmens auf eine Temperatur
im Bereich von 650 0C bis 900 0C und anschließend einer
kurzen Phase ( 1 bis 5 Minuten ) des Weitererwärmens auf eine Temperatur im Bereich von 750 0C bis 1325 0C.
Das Abschreckmittel weist normalerweise eine Anfangstemperatur von etwa 500 0C auf. Dazu können Gase wie beispielsweise
Luft oder Stickstoff verwendet werden. Als flüssige Abschreckmittel eignen sich bei derartigen Temperaturen
verschiedene öle und Salzbäder. Auf dem Metall zurückbleibendes
öl oder Salz sollte vorzugsweise vor dem Abkühl-
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prozeß auf eine Temperatur im Bereich von - 80 0C bis - 120 °c
entfernt werden. Ist die Temperatur des Abschreckmittels höher.als die Umgebungstemperatur, so sollte das abgeschreckte
Metall zuerst -bis auf Umgebungstemperatur abkühlen können, bevor es in" die Kühlzone gebracht wird. Dabei sollte
die Zeitspanne vom Erreichen der Umgebungstemperatur bis zum Beginn des weiteren Abkühlungsprozesses vorzugsweise
3 Stunden nicht überschreiten und so kurz als möglich sein, damit die Stabilisierung des Austenits möglichst
klein bleibt.
Beim Abkühlen auf eine Temperatur im Bereich von - 00 uc uxfa - 120 0C ist ein langsamer Abkühlvorgang notwendig,
damit zwischen benachbarten Metallschichten keine übermäßig hohen Temperaturunterschiede auftreten. Die
Dauer der Haltezeit bei der gewählten Temperatur im Bereich von - 8o 0C bis - 120 0C sollte mindestens genau
so lange wie der Abkühlungaorgang von der Umgebungstemperatur
bis zu der genannten gewänlten Temperatur sein. Damit das Metall wieder bis auf Umgebungstemperatur zurückkehren kann,
wird es danach vorzugweise in Luft bei Umgebungstemperatur s t ehengelassen.
Im allgemeinen findet der Abkühlungsvorgang vorzugweise in einem Flüssigkeitsbad statt, das durch verflüssigtes
Gas gekühlt wirct. Als andere Möglichkeit kann das
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Flüssigkeitsbad durch kaltes Gas gekühlt werden, welches
sich aus Flüssiggas entwickelt.
Für das Flüssigkeitsbad eignen sich u.a. organische Flüssigkeiten mit niedrigem Erstarrungspunkt, wie beispielsweise
Aceton.
Geeignete Flüssiggase zum Kühlen des Flüssigkeitsbades sind beispielsweise flüssiger Stickstoff, flüssiger
Sauerstoff und flüssiges Argon. Im allgemeinen wird flüssiger Stickstoff bevorzugt.
Das Flüssiggas kommt vorzugsweise nur indirekt mit dem Flüssigkeitsbad in Berührung, beispielsweise, indem
das Flüssiggas durch ein in das Flüssigkeitsbad eingetauchtes Rohr oder eine gewendelte Leitung strömt.
Als andere Möglichkeit kann das Flüssiggas direkt in das Flüssigkeitsbad hineingeleitet werden, wobei die
Flüssigkeit vorzugsweise umgewälzt wird. Das Metall muß langsam abgekühlt werden, damit zwischen benachbarten
Metallschichten keine übermäßig hohen Temperaturunterschiede entstehen. Folglich ist die Geschwindigkeit, mit
der das Flüssigkeitsbad abgekühlt werden muß, von der Dicke und der Wärmeleitfähigkeit des zu behandelten Metallstückes
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abhängig. Beispielsweise bei einer Eisenstange von 1 cm Durchmesser wird das Bad vorzugsweise während einer Zeitspanne
von etwas 10 min von 15 0C auf - 110 0C abgekühlt.
Unter gewissen Umständen wird das Metall jedoch direkt mit kaltem Gas in Berührung gebracht. Wird beispielsweise
das erfindungsgemäße Verfahren bei einem großen Werkstück angewandt, so können Schwierigkeiten beim Einbringen
dieses Werkstückes in ein Flüssigkeitsbad auftreten.
Das kalte Gas wird vorzugsweise durch Verdampfen von Flüssiggas erzeugt: dabei wird Stickstoff bevorzugt.
Damit die Handhabung eines großen Werkstückes erleichtert wird, befindet sich die Gaskühlzone vorzugsweise
in einer Kühlkammer, welche von der Frontseite her mit dem Werkstück beschickt werden kann.
Wenn kaltes Gas verwendet wird, wird es vorzugsweise
derart eingeleitet, daß es mit der Oberfläche des zu kühlenden Metallstückes in intensive Berührung kommt.
Die Temperatur des Gases und die Geschwindigkeit, mit welcher es in die Kühlzone eingeleitet wird, können leicht
derart gewählt werden, daß eine geeignete Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird.
- 6 209846/1079
Das Anlassen wird normalerweise bei einer Temperatur im Bereich von I50 0C bis 6OO 0C während einer Zeitdauer
von 1/2 Stunde bis 2 Stunden vorgenommen, wobei die jeweilige Temperatur und die jeweilige Zeitdauer entsprechend der
Zusammensetzung und dem Querschnitt des Werkstückes gewählt werden.
Im Gegensatz zu früheren Härtungsverfahren ergibt das
erfindungsgemäße verfahren bei einem einzigen Anlaßvorgang wenigstens einen genau so großen Härtegrad, wie er früher
mit mehreren Anlaßvorgängen erreicht wurde. Das verfahren nach der Erfindung eignet sich gut zum Härten von Leichtmetallegierungen,
beispielsweise Magnesium- oder Aluminiumlegierungen, und besonders zum Härten von Stahl, speziell
von Werkzeugstählen. Wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahl angwandt, so bewirken die
auf das anfängliche Erwärmen auf eine hohe Temperatur folgenden Verfahrensabschnitte eine Verminderung des Restaustenits
und eine verbesserung der Beschaffenheit der ausgeschiedenen Carbide im Stahl.
Eine Temperatur unter - 8O °C begünstigt den Zerfall
von Austenitkristallen, wenngleich die Zerfallgeschwindigkeit mit sinkender Temperatur abnimmt, und bringt die
Ausscheidung von Carbiden weitgehend zum Stillstand. Infolge-
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dessen werden beim Wiedererwärmen auf Umgebungstemperatur und dem nachfolgenden Anlassen die Carbide in einen Stahl
mit sehr geringem Restaustenit ausgeschieden und es wird
eine bessere Härte erzielt.
Temperaturen unter - 1200C sollen vermieden werden.
Sie können im Metallgefüge übermäßige Spannungen hervorrufen
und außerdem ergäbe sich in der Praxis die Schwierigkeit, für das Flüssigkeitsbad eine Substanz zu finden,
die auch bei Temperaturen unter - 120 0C noch in, flüssigem
Zustand bleibt.
Das Verfahren nach der Erfindung weist die Vorteile auf, daß es schneller abläuft und weniger Energie erfordert
als Verfahren mit mehr als einem AnlaßVorgang. Weiterhin
ergibt dieses verfahren ein Fertigerzeugnis, das beständiger gegen Abblättern als ein Erzeugnis ist, wie es durch ein
Verfahren mit herkömmlicher Kältebehandlung erzielt wird.
Die Erfindung schließt auch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Metalle ein.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen das Verfahren nach der Erfindung:
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Werkzeugstahlproben mit folgender, nach Gewichtsprozenten
aufgeschlüsselter Zusammensetzung:
18# Wolfram
4 % Chrom
1 % Vanadium·
werden
werden
a) nach einem herkömmlichen Verfahren und
b) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gehärtet.
Die Proben maßen insgesamt 51 mm χ 12,7 mm χ 12,7 mm,
die Schneidenwinkel waren ( nach ISO ) 0°, 15°, 10°, 5°,
15°, 20° und der Radius der Spitzenabrundung betrug 0,38 mm.
Die nach der üblichen Methode behandelten Werkzeugstähle
wurden auf 850 °C vorerwärmt, bei 1280 0C etwa
2 min gehärtet und in einem heißen ölbad von 250 0C abgeschreckt.
Dann wurden Sie in Luft bis auf 18 0C abgekühlt
und von anhaftendemöl gereinigt. Schließlich wurden sie zweimal jeweils eine stunde lang bei einer Temperatur von 550 0C
angelassen und danach jeweils in Luft abgekühlt. Die nach
dem erfindungsgemäßen verfahren behandelten WerkEeugstähle
wurden ebenfalls auf 850 °C vorerwärmt, bei I280 0C während
2 min gehärtet, in einem heißen ölbad von 250 0C abgeschreckt
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und in Luft j5O min abgekühlt. Dann wurden sie von anhaftendem
öl gereinigt und in ein Acetonbad von l8 0C
gebracht. Durch dieses Acetonbad war eine gewendelte Leitung hindurchgeführt, durch welche flüssiger Stickstoff
langsam hindurchgeleitet wurde, so daß das Aceton in einer Zeit von 10 min auf - 100 0C abgekühlt wurde.
Die Temperatur des Acetons wurde dann während weiterer 10 min auf - 100 0C gehalten, indem zum Ausgleich der
Wärmeabgabe an die Umgebung eine sehr kleine Menge flüssigen Stickstoffes durch die genannte gewendelte Leitung
geleitet wurde. Danach wurden die Werkzeugstähle wieder aus dem Bad herausgenommen und jX>
roin lang in Luft stehen gelassen, damit sie wieder auf Umgebungstemperatur
( 18 0C ) zurückkehren konnten. Schließlich wurden sie einem einzigen Anlaßvorgang von einer Stunde Dauer bei
550 0C unterzogen und in Luft abgekühlt.
In einem Vergleichstest nach einer Methode und mit einer Vorrichtung gemäß der GB-PS 1 190 072 wurde dann
eine Stange Freischnitt-ENIA-Stahl in eine Drehbank eingespannt
und durch die verschiedenen, einerseits (a) in bekannter Weise und andererseits ( b) in erfindungsgemäßer
Weise behandelten Werkzeugstähle zerspannt. Die Spandicke betrug 1,3 mm und der Vorschub betrug 0,1 mm pro Umdrehung.
Die Schneidenabnutzung während einer bestimmten Zeitdauer
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wurde gemessen und die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:
Verfahren
| Testzeit ( see ) |
Schnittgeschwin digkeit ( m / min ) |
Schneiden abnutzung ( mm ) |
| 2550 | 97,5 | 0,28 |
| 2850 | 97,5 | 0,23 |
| 3OOO | 73 | 0,19 . |
| 3OOO | 73 | 0,14 |
Die Vorrichtung, mit welcher die Abkühlung auf eine Temperatur im Bereich von - 80 0C bis - 120 0C in diesem
Beispiel vorgenommen wurde, wird im folgenden mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische" perspekti
vische Ansicht eines Kühlbehälters,
Fig. 2 eine Ansicht einer Kühlvor
richtung, welche den in Fig. dargestellten Kühlbehälter enthält, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines
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Steuersystems einer Flüssiggasversorgung, die in Verbindung mit der in Fig. 2 dargestellten
Vorrichtung angewandt werden kann.
Ein Kühlbehälter 2 besteht gemäß den Figuren 1 und 2 aus einem Deckel 4 und einem Unterteil 6. Der Innenraum des
Kühlbehälters 2 bildet eine Kühlzone, in welcher ein Metall während des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Temperatur
im Bereich von - 80 0C bis - 120 0C abgekühlt werden
kann. Im Innenraum des Kühlbehälters 2 sind verschiedene Leisten 8 angeordnet, auf welche das zu Kühlende Werkstück
gelegt werden kann. Der Kühlbehälter 2 weist einen Einlaß 10 und einen Auslaß 12 für verdampftes Flüssiggas auf.
Eine wärmeisolierte Rohrleitung 14 ermöglicht die Rückführung
des aus dem Auslaß 12 herausströmenden Gases zum Einlaß 14, wobei ein Gebläse 16 diese Rückführung bewirkt,
welches unmittelbar stromauf des Einlasses .10 angeordnet ist.
Eine Zuleitung 18 führt von einer nicht gezeichneten Flüssiggasquelle durch die Wandung der Rohrleitung 14 in
eine Sprühvorrichtung 20, die sich in der Rohrleitung 14 befindet. Im Betrieb verdampft das eingesprühte Flüssiggas,
wenn es von dem bereits verdampften Gas in Richtung des
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Gebläses 16 gefördert wird. Infolgedessen umströmt ein
kalter Strom verdampften Gases das auf den Leisten 8 liegende Werkstück.
Damit sich im Kühlbehälter 2 kein unerv;anseht hoher
Druck aufbaut, ist aus der Rohrleitung 14 ein Entlüftungsrohr 22 herausgeführt und mit einem überdruckventil
versehen, das so eingestellt werden kann, daß es sich bei einem gewünschten Druck öffnet.
In Fig. 3 ist ein System dargestellt, wie es zur Steuerung der Flüssiggaseinspritzung durch die Sprühvorrichtung
20 angewandt werden kann. Ein Temperaturfühler 26, der an der Auslaßseite des Kühlbehälters 2 gelegen sein
kann, wirkt mit einem Thermostat 28 zusammen. Der Thermostat 28 kann so eingestellt werden, daß ein Magnetventil
30,. welches die Flüssiggas zufuhr zu der Sprühvorrichtung
20 steuert, so lange geöffnet bleibt, bis die durch den Temperaturfühler 26 gemessene Temperatur
ein gewähltes Minimum erreicht.
Der Kühlbehälter weist eine äußere,Holzverkleidung
und eine 'innere Isolierschicht auf, welch letztere durch eine Auskleidung aus Aluminiumblech gegen das kalte Gas .
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geschützt wird. Die inneren Abmessungen des lü'ihlbehälters
betragen 3j66 m χ 0,3 m χ 0,3 m.
In diesem Beispiel ist das zu kühlende Werkstück eine 3 m lange Stahlklinge. Wenn das Abschrecken beendet ist,
wird die Klinge schon in der nachher einzunehmenden Lage an den Kühlbehälter 2 gebracht, der Deckel 4 des Kühlbehälters
2 geöffnet, die Klinge in den Kühlbehälter 2 eingelegt und der Deckel 4 wieder geschlossen. Dann beginnt
die Zufuhr flüssigen Stickstoffes in die Sprühvorrichtung 20, Der Thermostat 28 wird so eingestellt, daß der Kühlvorgang
in mehreren Abschnitten abläuft; dadurch soll übermäßig schnelles Abkühlen vermieden werden. Nachdem
die Klinge auf die gewünschte Temperatur abgekühlt worden ist, kann sie wieder bis auf Umgebungstemperatur zurückkehren,
danach wird sie auf eine hohe Temperatur angelassen und wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt.
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Claims (24)
1. Metallhärtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet>
daß ein Metall nacheinander folgenden Behandiüngsstufen ,
unterzogen wird:
a) Erwärmen auf eine hohe Temperatur,
b) Abschrecken auf eine Temperatur, die nicht niedriger als die Umgebungstemperatur ist,
c) langsames Abkühlen bis auf eine Temperatur im Bereich von -80 0C bis -120 °C mit Hilfe von
verflüssigtem Gas oder kaltem Gas in einer Kühlzone, die anfänglich Umgebungstemperatur aufweist,
d) Zurückführen auf Umgebungstemperatur, und
e) Anlassen bei einer hohen Temperatur und Abkühlen auf Umgebungstemperatur.
2. Verfahren nach Anspruch I3 insbesondere zur Behandlung von Werkzeugstahl, dadurch gekennzeichnet, daß
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der Verfahrensschritt a) in eine Phase der Vorerwärmung
auf eine Temperatur im Bereich von 650 0C bis 900 0C und
eine anschließende kurze Phase der Weitererwärmung auf eine Temperatur im Bereich von 750 0C bis 1325 0C unterteilt
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt b) die Anfangstemperatur des
Abschreckmittels etwa 500 0C beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3»
dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt b) ein Gas als Abschreckmittel dient.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß im Verfahrensschritt b) Luft oder Stickstoff als Abschreckmittel dienen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt b) ein
öl- oder ein Salzbad als Abschreckmittel dient.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) das abge-
- 16 -
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schreckte Metall zuerst bis auf Umgebungstemperatur abkühlen kann, bevor es dem weiteren langsamen Abkühlungsprozeß unterworfen wird. . -
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet,
daß im Verfahrensschritt c) die Zeitspanne vom Erreichen
der Umgebungstemperatur bis zum Beginn des weiteren langsamen Abkühlungsprozesses weniger als drei Stunden beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) die Haltezeit
bei der gewählten Temperatur im Bereich von -80 C bis -120 C mindestens genau so lange wie der Abkühlungsprozeß von der Umgebungstemperatur bis zu dieser
gewählten Temperatur dauert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9»
dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) das Metall !nach dem langsamen Abkühlungsprozeß in Luft
bei Umgebungstemperatur verweilen gelassen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) der
langsame Abkühlungsprozeß in einem durch verflüssigtes
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Qas gekühltem Flüssigkeitsbad abläuft.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) der
langsame Abkühlungsprozeß in einem durch kaltes Gas gekühlten Flüssigkeitsbad abläuft.
13· Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß im Verfahrensschritt c) das verflüssigte Gas oder das kalte Gas mit dem Flüssigkeitsbad in
Wärmeaustausch gebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) das verflüssigte
Gas oder das kalte Gas so durch das Flüssigkeitsbad geleitet wird, daß es mit diesem nicht in unmittelbare
Berührung kommen kann.
15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) das verflüssigte
Gas oder das kalte Gas direkt in das Flüssigkeitsbad eingeleitet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
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daß die Flüssigkeit des Bades während des Einleitens des verflüssigten Gases oder des kalten Gases .umgewälzt
wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Bad eine organische
Flüssigkeit mit niedrigem Erstarrungspunkt verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssiggas flüssiger
Stickstoff verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall direkt mit kaltem
Gas in Berührung gebracht wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß das kalte Gas durch Verdampfen von Flüssiggas erzeugt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß gasförmiger Stickstoff als kaltes
Gas verwendet wird.
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22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der langsame Abkühlungsprozeß
in einem Kühlraum durchgeführt wird.
23· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlassen bei einer
Temperatur im Bereich von 150 °C bis 600 0C während
einer Zeitdauer von 1/2 bis 2 Stunden vorgenommen wird.
24. Hartmetall, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23.
- 20 -
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