DE2349225C3

DE2349225C3 - Abschreckmittel

Info

Publication number: DE2349225C3
Application number: DE2349225A
Authority: DE
Inventors: Takshi Yokosuka Kanagawa Kato; Takashi Yokohama Tokuue
Original assignee: Toho Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Toho Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-10-01
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE2349225B2; DE2349225A1; JPS533725B2; US3939016A; JPS4955510A

Description

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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.

Beispiel 1

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.

Die Härte der abgeschreckten Stäbe wurde geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle I angegeben.

Tabelle 1

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

Beispiel 2

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;

Härte der abgeschreckten Stäbe wurde geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle II angegeben.

Tabelle II

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

Beispiel 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

58,4—59,5
51,2-53,4

61,0-63,2 60,8-63,8

Mittel Oberflächenhärte [HRC]

unlegierter Stahl Cr-Mo-Stahl

4-A
4-B

10,0-13,7
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.

Beispiel 4

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

10,0%ige wäßrige Lösung des gleichen Polymerge-

misches wie in Beispiel 1;
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.

Beispiel 5

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.

Die Härte und das Auftreten von Rissen in den abgeschreckten Hauptarmen sind in Tabelle III angegeben.

Tabelle 111

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

Beispiel 6

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

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Claims

Patentansprüche:

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.