DE2349225C3 - Abschreckmittel - Google Patents
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Description
25
Die Erfindung betrifft ein Abschreckmittel zum Härten
von unlegiertem und legiertem Stahl sowie von anderen Metallen, bestehend aus einer wäßrigen Lösung
eines Polymeren.
Herkömmliche Abschreckmittel haben einige Mangel. Wird beispielsweise ein unlegierter Stahl mit niedrigem
Kohlenstoffgehalt in Wasser abgeschreckt, kommt es wegen der sehr raschen Abkühlung des
Stahls häufig zum Auftreten von Eigenspannungen und Härterissen. Wird andererseits ein unlegierter Stahl mit
höherem Kohlenstoffgehalt in Öl abgeschreckt, so ist die Abschreckung nicht selten unvollständig, und im
Stahl entstehen Weichstellen.
Urn diese Mangel zu beseitigen, sind schon verschiedene andere Abschreckmittel vorgeschlagen worden.
So ist beispielsweise aus der britischen Patentschrift 12 70 690 eine wäßrige Abschreckflüssigkeit bekanntgeworden,
die aus einer wäßrigen Lösung eines Amins oder Alkylolamins sowie einer Monocarbonsäure oder
Alkoxyessigsäure besteht. Die Flüssigkeit ist zum Abschrecken induktions- oder flammgehärteter, also nur
oburflächengehärteter Teile aus legiertem Stahl bestimmt,
nicht dagegen zum Abschrecken voll austenitisierter, durchzuhärtender Teile. Hierfür dürfte die wäßrige
Lösung auch nicht geeignet sein. Die als Zusätze verwendeten monomeren Amine, Alkylolamine und
Carbonsäuren können nicht gewährleisten, daß in den abgeschreckten Teilen keine Weichstellen entstehen
und über den ganzen Querschnitt der Teile ein gleichmäßiges Härtungsgefüge erzielt wird. Es ist nicht anzunehmen,
daß mit dieser nur zum Oberflächenhärten von legiertem Stahl bestimmten Flüssigkeit Härtungsgefüge
erhalten werden können, die von niedriger Härte, wie beim Abschrecken in Öl, bis zu hoher Härte, wie beim
Abschrecken in Wasser reichen.
Ein weiteres Abschreckmittel ist aus der britischen Patentschrift 11 63 345 bekannt. Es besteht aus einer
wäßrigen Lösung von Polyacrylamid, Polymethacrylamid oder Copolymeren des Acrylamide und Methacrylamids
mit Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure jder Vinylsulfonsäure. Doch auch dieses Abschreckmittel
kann nicht voll befriedigen, da bei seiner Anwendung immer wieder Härterisse in den gehärteten
Teilen auftreten.
Es stellte sich somit die Aufgabe, ein Abschreckmittel zur Verfügung zu stellen, das keine Eigenspannungen
in den gehärteten Teilen erzeugt, keine Weichstellen entstehen läßt, die Erzeugung von Härtegefügen mit
niedriger Härte — wie beim Abschrecken in Öl — bis zu hoher Härte — wie beim Abschrecken in Wasser —
ermöglicht und keine schädlichen Dämpfe oder Gerüche entwickelt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Abschreckmittel der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß die wäßrige Lösung 0,4 bis 10,0 Gew.-% eines Polymeren aus der Gruppe Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure,
eines Copolymeren der Methacrylsäure und Acrylsäure sowie deren Natrium-, Kalium-
und Triäthanolamin-Salzen enthält, wobei das Polymer eine Viskositätszahl von 10 bis 50 ml/g hat.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.
Das Abschreckmittel besteht also aus einer wäßrigen Lösung mindestens eines wasserlöslichen Polymeren,
wie Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, ein Copolymer von Acrylsäure und Methacrylsäure und Salzen davon.
Zu den Salzen gehören diejenigen des Natriums, Kaliums, Triäthanolamins.
Von diesen wasserlöslichen Polymeren sind die Salze · den freien Säuren im Hinblick auf die Abschreckungsintensität H, die Wärmebeständigkeit, die Korrosionsversprödung
und die leichte Beseitigung von Abfallflüssigkeit vorzuziehen. Insbesondere sind Natrium- und
Kaliumsalze vorzuziehen.
Optimale Ergebnisse sind mit einem Gemisch von 40 bis 60 Gew.-°/o Natrium- oder Kaliumpolyacrylat und 60
bis 40 Gew.-% Natrium- oder Kaliumpolyacrylatmethacrylat zu erreichen. Wenn die Konzentration an Natrium-
oder Kaliumpolyacrylatmethacrylat höher ist, besteht die Gefahr daß eine Dampfhaut das Stahlstück
längere Zeit überzieht und in seltenen Fällen eine nicht vollständige Abschreckung erzielt wird. Ist dagegen die
Konzentration an Natrium- oder Kaliumpolyacrylatmethacrylat geringer als angegeben, so besteht die
Gefahr, daß die Abschreckgeschwindigkeit des Stahls bei der Anfangstemperatur der Martensitbildung (Ms)
übermäßig hoch wird, und daß in seltenen Fällen ein Härteriß im abgeschreckten Gefüge auftritt.
Die wasserlöslichen Polymere sollen eine Viskositätszahl von η = 10 bis 50 ml/g, vorzugsweise 20 bis 45 ml/g
haben. Der Begriff »Viskositätszahl« bedeutet hier die in Wasser bei einer Temperatur von 25°C bestimmte
Viskositätszahl. Wenn die Viskositätszahl η des wasserlöslichen Polymeren kleiner als 10 ml/g ist, hat das Abschreckmittel
eine hohe Abschreckungsintensität H, die praktisch gleich der von Wasser ist. In diesem Fall
kann die Abkühlungsgeschwindigkeit des Stahls am Ms-Punkt nicht im erwünschten Maß erniedrigt werden,
selbst wenn die Konzentration des wasserlöslichen Polymeren im Abschreckmittel erhöht wird. Ist dagegen
die Viskositätszahl η des wasserlöslichen Polymeren höher als 50 ml/g, so wird das Stahlteil im Abschreckteil
längere Zeit von einer Dampfhaut umgeben, was zu einem Härteverlust und zu unvollständigem Abschrekken
führt.
Die Konzentration der wasserlöslichen Polymeren im Abschreckmittel beträgt 0,4 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise
0,5 bis 6,0 Gew.-%. Wenn die Konzentration
weniger als 0,5 Gew.-% beträgt, bat das Abschreckmittel
eine Abschreckintensität H, die praktisch gleich
der von Wasser ist, und es besteht die Gefahr der Entstehung
von Abschreckrissen, obgleich das abgeschreckte Produkt eine größere Härte hat Wenn
dagegen die Konzentration 10 Gew.-% überschreitet, verringert sich die Wärmeübertragung im Abschreckmittel
und seine Abschreckintensität //nimmt erheblich ab.
Wenn ein Werkstück aus austenitisiertem Stahl in das
Abschreckmittel getaucht wird, umhüllt das im Abschreckmittel gelöste Polymer das Werkstück and verhindert
zunächst einen Wärmeaustausch, wodurch in erwünschter Weise die Abkühlungsgeschwindigkeit des
Stahls bei der Ms-Temperatur verringert wird. Das Abschreckmittel erzeugt so ein Härtegefüge ohne
Eigenspannungen und Härterisse.
Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung.
In den Beispielen wurde die Härte des abgeschreckten Produkts an der Oberfläche und im Kern nach der
Japanischen Industrienorm (nachstehend kurz als »JIS« bezeichnet) Z 2245 bestimmt und in Rockwell C [HRC]
angegeben. Die in den Spalten für die Härte der Oberfläche des abgeschreckten Produkts angegebenen
Zahlenwerte bedeuten die erreichte niedrigste und höchste Härte, bestimmt an sieben Punkten der Oberfläche
des abgeschreckten Produkts.
Das Auftreten von Härterissen wurde durch eine Magnetpulverprüfung für ferromagnetische Werkstoffe
nach der Methode der JIS G 0565 bestimmt.
Eine unvollständige Abschreckung wurde durch mikroskopische Prüfung der abgeschreckten Probe
bestimmt.
Zwei Zahlenwerte für die Temperatur des Abschreckmittels bedeuten die Temperatur unmittelbar vor dem
Eintauchen der Stahlprobs in das Abschreckmittel und
die Temperatur nach dem Abschrecken der Stahlprobe.
Alle Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht.
Rundstäbe aus unlegiertem Stahl SAE 1045 mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 50 mm
wurden unter folgenden Bedingungen gehärtet:
Austenitisierung: 40 Minuten bei 85O0C;
Abschrecktemperatur: 8500C;
Abschreckmittel:
Mittel 1-A
1,0%ige wäßrige Lösung eines 1 : !-Gemisches aus Natriumpolyacrylat mit einer Viskositätszahl von
η = 23,4 ml/g und Natriumpolyacrylatmethacrylat mit einer Grundviskosität von η = 39,6 ml/g;
Mittel 1-B
l,6%ige wäßrige Lösung des gleichen Polymergemisches;
Mittel 1-C
3,0%ige wäßrige Lösung des gleichen Polymergemisches;
Mittel 1-D
Leitungswasser;
Mittel 1-E
Abschrecköl der Bezeichnung No. 1-1 nach JIS K 2242.
Anmerkung:
1 Copolymer aus 70% Natriumacrylat und 30% Natriummethacrylat.
Volumen des Abschreckmittels: 51;
Temperatur des Abschreckmittels: 28—32° C.
Temperatur des Abschreckmittels: 28—32° C.
Die Härte der abgeschreckten Stäbe wurde geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle I angegeben.
Mittel | 10 | 1-A | Oberflächenhärte | Kernhärte |
1-B | [HRC] | [HRC] | ||
1-C | 60,0-60,9 | 46,5 | ||
1-D (Kontrolle) | 56,0-57,6 | 45,2 | ||
1-E (Kontrolle) | 28,5-31,6 | 27,5 | ||
59,5-62,6 | 45,2 | |||
25,4-28,4 | 27,0 |
Rundstäbe aus Chrom-Molybdän-Stahl SAE 4135 mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von
50 mm wurden unter den folgenden Bedingungen gehärtet:
Austenitisierung: 40 Minuten bei 8500C;
Abschrecktemperatur: 850°C;
Abschreckmittel:
Mittel 2-A
l,0%ige wäßrige Lösung eines 1 :1-Gemisches aus Natriumpolyacrylat und Natriumpolyacrylatmethacrylat
ähnlich dem des Beispiels 1;
Mittel 2-B
4,0%ige wäßrige Lösung des gleichen Polymergemisches;
Mittel 2-C
4,6%ige wäßrige Lösung des gleichen Polymergemisches;
Mittel 2-D
Leitungswasser,
Mittel 2-E
Abschrecköl der Bezeichnung No. 1-1 nach ]IS K 2242.
Volumen des Abschreckmittels: 5 1;
Temperatur des Abschreckmittels: 28—320C;
Temperatur des Abschreckmittels: 28—320C;
Härte der abgeschreckten Stäbe wurde geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle II angegeben.
Mittel | Oberflächenhärte | Kernhärte |
[HRC] | [HRC] | |
2-A | 58,1-60,2 | 57,9 |
2-B | 52,4-54,6 | 50,5 |
2-C | 49,2-53,3 | 50,3 |
2-D (Kontrolle) | 60,5-61,3 | 60,6 |
2-E (Kontrolle) | 52,5-56,1 | 57,3 |
Ein Hauptarm (Automobilteil) aus Chrom-Molybdän-Stahl SAE 4135 und eine Schraubenfeder aus Kohlenstoffwerkzeugstah!
SAE W 108 wurden unter den folgenden Bedingungen gehärtet:
Austenitisierung:
50 Minuten bei 8500C bei dem
Hauptarm;
3 Minuten bei 950°C bei der
Schraubenfeder;
Abschrecktemperatur: 8500C bei dem Hauptarm und
950° C bei der Schraubenfeder;
Abschreckmitiel:
Mittel 3-A
3,0°/oige wäßrige Lösung des gleichen Polymergemisches
wie im Beispiel 1-,
Mittel 3-B
Leitungswasser;
Temperatur des Abschreckmittels: 23—50°Ό; ίο
Oberflächenhärte der abgeschreckten Teile:
Mittel Oberflächenhärte [HRC]
Hauptarm Schraubenfeder
3-A
3-B
3-B
58,4—59,5
51,2-53,4
51,2-53,4
61,0-63,2 60,8-63,8
Mittel Oberflächenhärte [HRC]
unlegierter Stahl Cr-Mo-Stahl
4-A
4-B
4-B
10,0-13,7
25,4-28,4
7,8- 8,3*)
25,4-28,4
7,8- 8,3*)
Härterisse wurden sowohl in der.". Hauptarm als auch
in der Schraubenfeder festgestellt, die in Leitungswasser abgeschreckt worden waren (3-B). Dagegen wurden
keine Risse in dem Hauptarm und in der Schraubenfeder festgestellt, die in der wäßrigen Lösung (3-A) des
Gemisches aus Natriumpolyacrylat und Natriumpolyacrylatmethacrylat abgeschreckt worden waren, obgleich
sowohl die Härte des Hauptarms und der Schraubenfeder höher als jene waren, die bei der Abschreckung
in Leitungswasser erreicht wurden. Das Auftreten eines Risses in der Schraubenfeder wurde mit
unbewaffnetem Auge festgestellt.
Rundstäbe aus unlegiertem Stahl SAE 1045 mit einem
Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 50 mm und Rundstäbe aus Chrom-Molybdän-Stahl SAE 4135
mit dem gleichen Durchmesser und der gleichen Länge wie vorstehend wurden unter den folgenden Bedingungen
gehärtet:
Austenitisierung: 40 Minuten bei 8500C;
Abschrecktemperatur: 850° C;
Abschreckmittel:
Mittel 4-A
Mittel 4-A
10,0%ige wäßrige Lösung des gleichen Polymerge-
misches wie in Beispiel 1;
Mittel 4-B
Mittel 4-B
Abschrecköl der Bezeichnung No. 1-1 nach JIS K 2242;
Volumen des Abschreckmittels: 5 1; Temperatur des Abschreckmittels: 28—32° C.
Es wurden folgende Oberflächenhärten der abgeschreckten Stäbe festgestellt:
50
55
35,5-40,0 52,5-56,1 17,0-18,5*)
Anmerkung:
*) Oberflächenhärte der Probe vor dem Abschrecken.
Wie aus Vorstehendem ersichtlich, kann das das Polymer enthaltende Abschreckmittel bei relativ hoher
Konzentration ein Abschreckgefüge erzeugen, das eine geringere Härte als die eines Gefüges hat, das durch
Abschrecken in Öl erhalten wird.
Hauptarme aus Chrom-Molybdän-Stahl SAE 4135 wurden unter den folgenden Bedingungen gehärtet:
Austenitisierung: 50 Minuten bei 850°C;
Abschrecktemperatur: 850° C;
Abschreckmittel:
Mittel 5-A
l,5%ige wäßrige Lösung von Polyacrylsäure mit einer Viskositätszahl von 23,4 ml/g;
Mittel 5-B
l,5%ige wäßrige Lösung eines Copolymeren aus 70% Acrylsäure und 30% Methacrylsäure mit einer
Viskositätszahl von η=39,6 ml/g;
Mittel 5-C l,5%ige wäßrige Lösung eines 1 :1-Gemisches aus
der Polyacrylsäure des Mittels 5-A und dem Copolymeren des Mittels 5-B;
Mittel 5-D
l,5%ige wäßrige Lösung von Kaliumpolyacrylat
mit einer Viskositätszahl von η = 23,4 ml/g;
Mittel 5-E
i,5%ige wäßrige Lösung des Kaliumsalzes eines Copolymeren aus 70% Acrylsäure und 30% Methacrylsäure
mit einer Viskositätszahl von η = 39,6 ml/g;
Mittel 5-F
l,5%ige wäßrige Lösung eines 1 :1-Gemisches aus dem Kaliumpolyacrylat des Mittels 5-D und dem
Copolymeren des Mittels 5-E;
Mittel 5-G
l,5%ige wäßrige Lösung des Triäthanolaminsalzes von Polyacrylsäure mit einer Viskositätszahl von
η = 23,4 ml/g;
Mittel 5-H
l,5%ige wäßrige Lösung des Triäthanolaminsalzes eines Copolymeren aus 70% Acrylsäure und 30%
Methacrylsäure mit einer Viskositätszahl von η = 39,6 ml/g;
Mittel 5-1
l,5%ige wäßrige Lösung eines 1 :1-Gemisches des Triäthanolaminsalzes der Polyacrylsäure des Mittels
5-G und des Triäthanolaminsalzes des Copolymeren des Mittels 5-H;
Mittel 5-J
Abschrecköl der Bezeichnung No. 1-1 nach JIS K 2242;
Mittel 5-K
Leitungswasser;
Mittel 5-L
l,5%ige wäßrige Lösung von Polymethacrylsäure mit einer Viskositätszahl von η=23,0 ml/g;
Mittel 5-M
l,5%ige wäßrige Lösung von Kaliumpolymethacrylat mit einer Viskositätszahl von ij=23,0 ml/g;
Mittel 5-N
l,5%ige wäßrige Lösung des Triäthanolaminsalzes von Polymethacrylsäure mit einer Viskositätszahl
von η = 23,0 ml/g;
Volumen des Abschreckmittels: 51;
Temperatur des Abschreckmittels: 28—320C.
Temperatur des Abschreckmittels: 28—320C.
Die Härte und das Auftreten von Rissen in den abgeschreckten Hauptarmen sind in Tabelle III angegeben.
Mittel
Oberflächenharte
[HRC]
Kernhärte
[HRC]
5-A | 59,5-61,2 | 60,4 |
5-B | 59,8-61,0 | 59,0 |
5-C | 59,3-60,8 | 59,5 |
5-D | 58,5-59,2 | 58,8 |
5-E | 58,5-59,5 | 58,3 |
5-F | 58,8-59,6 | 58,5 |
5-G | 59,0-60,1 | 59,3 |
5-H | 59,3-61,0 | 60,7 |
5-1 | 58,5-59,5 | 59,5 |
5-j (Kontrolle) | 52,5-58,1 | 57,3 |
5-K (Kontrolle) | 58,5-61,3 | 60,6 |
5-L | 59,3-61,3 | 59,4 |
5-M | 58,8-59,9 | 59,0 |
5-N | 59,5-60,4 | 60,0 |
Rißbildung
nein nein nein nein nein nein
nein nein nein nein
ja
nein nein nein
der nachfolgenden Tabelle IV hatten, und zwar unter den folgenden Bedingungen:
Hauptarme aus Chrom-Molybdän-Stahl SAE 4135 25 Austenitisierung:
50 Minuten bei
wurden in einem Bad aus einer 3%igen wäßrigen Lösung eines 1 :1-Gemisches aus Natriumpolyacrylat
und Natriumpolyacrylatmethacrylat .abgeschreckt, die verschiedene Viskositätszahlen gemäß den Angaben in
850° C;
Abschrecktemperatur: 850° C;
Volumen des Abschreckmittels: 5 1; Temperatur des Abschreckmittels: 28—32°C.
Tabelle IV | Grundviskosität des | NPA6) | 9,2 | Polymeren | Oberflächen | Zustand des abge |
Mittel | 9,2 | härte | schreckten Teils | |||
Gemisch | Leitungswasser | 23,0 | NPAM') | |||
[ml/g] | 8,8 | 23,4 | [HRC] | |||
12,5 | 33,0 | 60,5-62,5 | Rißi) | |||
6-A (Kontrolle) | 26,8 | 42,0 | 8,5 | 59,8-61,0 | Riß*) | |
6-B | 34,0 | 13,3 | 58,1 -60,2 | kein Riß3) | ||
6-C | 49,5 | 37,0 | 55,4-57,8 | dgl. | ||
6-D | 51,8 | Abschrecköl5) | 39,6 | 52,6-54,3 | dgl. | |
6-E | 52,2 | 51,0-53,3 | dgl. | |||
6-F | 55,0 | 49,2-54,5 | kein Riß") | |||
6-G (Kontrolle) | aber unvollkom. | |||||
Abschreckung | ||||||
50,5-56,3 | dgl. | |||||
5-H (Kontrolle) | ||||||
Anmerkungen:
Risse wurden in allen zehn der geprüften Proben festgestellt
Risse wurden in zweien-der zehn geprüften Proben festgestellt. Keine Risse in einer der zehn geprüften Proben festgestellt
In keiner der zehn geprüften Proben wiirden Risse festeestellt jedoch wurden in zwei der zehn
Proben Abschreckunvollkommenheiten gefunden.
Abschrecköl mit Bezeichnung No. 1-1 nach JIS K 2242.
NPA: Natriumpolyacrylat
NPAM:Natnumpolyacrylatmethacrylat
«30 248/143
Claims (2)
1. Abschreckmittel zum Härten von unlegiertem und legiertem Stahl sowie anderen Metallen, bestehend
aus einer wäßrigen Lösung mindestens eines Polymeren, dadurch gekennzeichnet,
daß die wäßrige Lösung 0,4 bis 10,0 Gew.-% mindestens eines Polymeren aus der Gruppe Polyacrylsäure,
Polymethacrylsäure, eines Copolymeren der Methacrylsäure und Acrylsäure sowie deren
Natrium-, Kalium- und Triäthanolamin-Salzen enthält, wobei das Polymer eine Viskositätszahl von
10 bis 50 ml/g hat
2. Abschreckmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung 0,5 bis 6,0
Gew.-% eines Gemisches enthält, das im wesentlichen aus 40 bis 60 Gew.-% Natrium- oder Kaliumpolyacrylat
und 60 bis 40 Gew.-% des Natrium- oder Kaüumsalzes eines Copolymeren von Acrylsäure
und Methacrylsäure besteht, wobei das Gemisch eine Viskositätszahl von 20 bis 45 ml/g hat.
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---|---|---|---|
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Family Applications (1)
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