DE2630176A1

DE2630176A1 - Verfahren zum abschrecken zur hitzebehandlung von metallen

Info

Publication number: DE2630176A1
Application number: DE19762630176
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Kopietz; Francis S Munjat
Original assignee: EF Houghton and Co
Current assignee: EF Houghton and Co
Priority date: 1975-07-03
Filing date: 1976-07-05
Publication date: 1977-03-17
Also published as: FR2316336A1; FR2316336B1; CA1084822A; BR7604351A; US4087290A; GB1549639A; DE2630176C2; IT1061756B

Description

D r.-1 ng. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. BERKcNFELD, Paifentanwälte, Köln

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Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 3O.Juiii 1976 my/ Name d. Anm. E. F. Houghton & Company

H 123/2

Verfahren zum Abschrecken zur Hitzebehandlung von Metallen

Nicht-martensitische Strukturen verbesserter Formbarkeit und kalter Verarbeitungsbedingungen und verbesserter Bearbeitbarkeit von Eisenmetallen, insbesondere Kohlenstoffstahl, wurden bisher durch Abkühlen des austenitischen Eisenmetalles in der Weise hergestellt, dass man 1. das Kühlen in einem der üblichen Kühlmittel, wie Wasser, wässrigen Lösungen, ölen oder geschmolzenen Salzbädern durchführte, um hauptsächlich martensitisehe Mikrostrukturen zu erhalten, worauf ein Tempern erfolgte, um diese verhältnismässxg harten und brüchigen Strukturen in formbarere bzw. besser bearbeitbare Strukturen überzuführen, oder 2. das austenisierte Eisenmetall in einem geschmolzenen Blei- oder Salzbad bei einer Temperatur von etwa 500 - 650 C behandelte, um unmittelbar ein pearlitisches Gefüge zu erhalten, ein Verfahren, das im allgemeinen als Patentieren bekannt ist.

Die bekannten auf wässrigen Abschreckmitteln beruhenden Verfahren, die man zur Herstellung nicht-martensitischer Mikrostrukturen anwendet, dienen zur Herstellung von gleichförmigen nicht-martensitisehen Strukturen. Das Abschrecken und Tempern besteht aus drei Stufen, nämlich dem Austenitisieren, Abschrecken und Tempern; man erhält Mikrostrukturen, wie Sperodit, welche für ein nachfolgendes Zieher und gewisse Bearbeitungsverfahren ungeeignet ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass die

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Abschreckmittel keine Dampfhülle an der Oberfläche des Metalles, das abgeschreckt wird, bildet, die ausreichend beständig und gleichförmig ist, um das erforderliche langsame und gleichförmige Kühlen zu ermöglichen, so dass die gewünschten feingestreiften Pearlit-Strukturen, frei von Martensit erhalten werden.

Man hat zur Überwindung dieses Nachteils geschmolzene Blei- bzw. Salzbäder benutzt, um die erforderliche! verringertei Abschreckstufen zu erzielen, die zu den gewünschten nicht-martensitisehen Strukturen führen. Die für das Patentieren hauptsächlich verwendeten geschmolzenen Blei- und Salzbäder bringen die Gefahr von Brand, Verbrennungen des Bedienungspersonals sowie der Verschmutzung von Luft und Wasser mit sich.

Aus der US-Patentschrift 2 994 328 ist bekannt, Rundstahl unmittelbar nach dem heissen Walzen dadurch zu patentieren, dass man den Rundstahl fortlaufend durch eine Reihe von Wasserkühlbädern führt. Die Patentierung wird fortlaufend dadurch gesteuert, dass man das Strömen des Wassers zu jedem der Wasserkühlbäder einstellt. Dieses Verfahren erfordert mehrere Wasserkühleinrichtungen; das Verfahren ist ferner verhältnismässig umständlich und führt zu unerwünschten Ergebnissen, insbesondere zur Bildung von groben Pearlit, der nur eine begrenzte Formbarkeit und Kaltbearbeitungseigenschaften hat.

Aus der US-Patentschrift 3 231 432 ist eine Patentierung bekannt, nach welcher austenitischer Stahldraht durch Gas gekühlt wird, ein Verfahren, welches wesentlich schwieriger hinsichtlich der

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Geschwindigkeit der Abkühlung zu steuern ist, als es die Anwendung eines flüssigen Abschreckmittels ermöglicht. Hinzu kommt, dass ein solches Verfahren nur für eine beschränkte Zahl von Legierungen und nur mit Rundstählen eines beschränkten Durchmessers durchgeführt werden kann.

Aus der US-Patentschrift 3 669 762 ist die Patentierung heiss gewalzten Kohlenstoffrundstahls durch Abschrecken in heissem Wasser bekannt, das eine beständige Dampfhülle um den Stahl bilden soll. Das Wasser, das 0,1 bis 2,0 Gew.% eines oberflächenaktiven Mittels enthalten kann, befindet sich bei einer Temperatur von 45 bis 100, vorzugsweise von 70 bis 100⁰C; diese Temperatur soll nicht mehr als 5 C um die ausgewählte Temperatur schwanken. Das Verfahren ist auf das Patentieren von Rundstahl beschränkt, der keine Schuppen auf seiner Oberfläche hat, da dadurch der Dampffilm zusammenbrechen und zur Bildung von MartensitsteIlen in dem Draht führen kann. Das Vorliegen solcher Stellen ist höchst unerwünscht, da während des folgenden Aufwickeins oder Ziehens der Draht an solchen Flächen brechen kann.

Bei der Anwendung bekannter Abschreckmittel wörÄe» bilden sich Teile legierter Stähle mit einer martensitischen Struktur, die Probleme mit sich bringen. Die abgeschreckten Teile sind oft gebrochen bzw. verworfen. Es besteht deshalb ein Bedürfnis nach Abschrecklösungen, die durch Einstellung ihrer Parameter es möglich machen, einen grossen Bereich von Abkühlgeschwindigkeiten

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zu erzielen, so dass Teile erhalten werden können, die die gewünschte, von Fehlern freie MikroStruktur haben.

Vorliegende Erfindung sieht ein neues und brauchbares Verfahren zum Kühlen von austenitischen Eisenteilen vor, mit dem Ziel, nicht-martensitische Mikrostrukturen zu bilden, die eine verbesserte Formbarkeit, Kaltbearbeitungseigenschaften und verbesserte Bearbeitbarkeit aufweisen, wie feingestreiftes Pearlit, ohne dass eine weitere Abschreckbehandlung erforderlich ist.

Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren vor, bei welchem Teile aus austenitischem Eisenmetall in verhältnismässig kühlen, wässrigen Polyacrylatsalzlosungen abgeschreckt werden, deren Parameter gleichförmige, langsame Abkühlungen infolge der Entwicklung einer beständigen und gleichförmigen Dampfhülle an der Oberfläche der Teile ermöglichen, und zwar unabhängig davon, ob solche Oberflächen rauh oder mit rauhen oder groben Schuppen bedeckt sind.

Die Erfindung sieht ferner einen Abschreckprozess vor, bei welchem die Abkühlungsgeschwindigkeiten weitgehend geändert werden können, aber das Verfahren nicht temperaturempfindlich ist, wodurch beachtliche Schwankungen in der Temperatur der Abschrecklösungen die Gleichförmigkeit der Qualität der abgeschreckten Teile nicht beeinträchtigen.

Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Abschrecken von

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aus Legierungsstählen gebildeten Teilen vor, um in diesen martensitische Strukturen zu erhalten, wobei die abgeschreckten Teile frei von unerwünschten Brüchen und Verwerfungen sind.

Die Erfindung sieht ferner ein Abschreckverfahren vor, bei welchem das flüssige Medium des Abschreckbades nicht entflammbar, nicht explosiv, ungiftig ist, und nicht zu Verschmutzungen führt, wodurch das Betriebspersonal und die Umgebung beeinträchtigt werden könnte.

Weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgaben ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen.

Vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Wärmebehandlung von Metallen, insbesondere Eisenmetallen, wie Kohlen-, stoffstählen und Legierungsstählen, um in dem Metall gewünschte metallurgische Änderungen herbeizuführen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Abschrecken, das für die Hitzebehandlung von Metallen brauchbar ist, bei welcher das zu behandelnde Metall auf eine erhöhte Temperatur gebracht und dann das erhitzte Metall in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt wird, das eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Salzes von Polyacrylsäure ist, um die gewünschten metallurgischen Änderungen in dem Metall zu bewirken.

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Das·Verfahren jst besonders vorteilhaft für die Wärmebehandlung von Kohlenstoffstahl-Draht oder Rundstahl, um nicht-martensitische Mikrostrukturen einer verbesserten Formbarkeit und Kaltverformung zu erzielen, die ein Ziehen des Drahtes bzw. Stabes ohne jede weitere Wärmebehandlung ermöglicht. Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch zum Kühlen von heiss verformten Stahlteilen verwendet werden, um unmittelbar und ohne nachfolgende Wärmebehandlung eine solche nicht-martensitische MikroStruktur zu erhalten. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch zum Kühlen von Eisenmetallgußstücken, insbesondere schmiedbaren Gußstücken angewendet werden, um nicht-martensitische Strukturen, wiefeinstreifiges Pearlit, und zwar ohne nachfolgende Wärmebehandlung, zu erhalten.

Das Verfahren der Erfindung ist zur Behandlung von Kohlenstoffstahl, Stahllegierungen und Eisenmetallgußstücken anwendbar; das Verfahren der Erfindung stellt eine neue Methode der Abschreckung dar, um nicht-martensitische Strukturen in Eisenmetallen zu erzielen, das heisst, Strukturen, die bis jetzt hauptsächlich nur dadurch erhalten werden konnten, dass man 1. abschreckte, um martensitisehe Mikrostrukturen zu erzielen und dann temperte, oder 2. dadurch, dass man lediglich in einem heissen Blei- oder Salzbad langsam abschreckte. Das neue Verfahren ist in verschiedener Hinsicht vorteilhaft, 1. wegen einer gifösseren Wirtschaftlichkeit, 2. wegen einer geringeren oder überhaupt keiner Verschmutzung, 3. keine Feuergefahr, 4. keine Gefahr, dass sich das Bedienungspersonal durch Berührung mit dem heissen

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Blei- oder Salzbad verbrennt und 5. wegen einer leichteren Steuerung der Kühlungswirkung.

Nach dem Verfahren der Erfindung wird durch die Wahl des Molekulargewichtes des Polyacrylsäuresalzes, seiner Konzentration in der wässrigen Abschrecklösung und der Geschwindigkeit der Rührung der Lösung während des Abschreckens eine beständige und gleichförmige Umhüllung aus Wasserdampf der heissen Metallteile gebildet, wobei diese Umhüllung aus Wasserdampf eine ungewöhnlich niedrige Geschwindigkeit und eine gleichförmige Kühlung des Metalles bewirkt, so dass die nicht-martensitische MikroStruktur erhalten werden kann.

Selbst durch Lösen einer sehr kleinen Menge des Polyacrylsäure-

sich
salzes erhöht/die Dauer der Dampfphase um den abzuschreckenden Teil im Vergleich zu der Dauer durch die Anwendung von lediglich Wasser; bei der praktischen Durchführung wird indes eine Mindestmenge von etwa 0,1 Gew.% des Salzes gewöhnlich verwendet.Eine praktische obere Grenze der Konzentration des Salzes ist etwa 6 Gew.%; die Anwendung höherer Konzentrationen ist indes möglich.

Während ein Rühren der Abschrecklösung nicht nötig ist, führt ein Rühren zu einer Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit, insbesondere während der Dampfphasenperiode; in vielen Fällen ist ein massiges Rühren wünschenswert, um die Gleichförmigjikeit der Kühlwirkung des Abschreckmittels zu erhöhen. Es ist von Vorteil, dass ein Rühren möglich ist, ohne dass dadurch die physikalischen Eigen-

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schäften des Bades nachteilig beeinflusst werden.

Die Wirkung des Salzes der Polyacrylsäure hinsichtlich der Verlängerung der Dauer der Dampfphasenperiode hängt auch von dem
Molekulargewicht des jeweilig gewählten Salzes ab und als allgemeine Regel gilt, dass die Dauer der Dampfhase mit steigendem
Molekulargewicht wächst. Eine praktisch untere Grenze des Molekulargewichtes ist derart, dass eine wässrige Lösung, die 2OGew.% des Salzes hat, eine Viskosität von mindestens 700 Centipoise
bei 25 C hat. Für viele Anwendungen sollte das MolektJargewicht
wenigstens in der Grössenordnung liegen, dass es einer Viskosität von etwa 5000 bei 25°C entspricht. Wenn auch die obere Grenze des Molekulargewichtes nicht kritisch ist und einer Viskosität von 100000 Centipoise oder mehr entsprechen kann, entspricht
der bevorzugte Molekularbereich einer Viskosität von etwa 25000 bis etwa 75000 Centipoise bei 25°C für eine 20%ige Lösung.
Die vorstehende Viskositäten sind mit einem Brookfield RVT
Modell bei 10 RPM gemessen.

Die Abschreckgeschwindigkeit fällt im allgemeinen mit einer Erhöhung der Abschrecktemperaturen, gemessen vor der Berührung durch das eingetauchte Metall; der bevorzugte Bereich der Abschrecktemperatur ist etwa 21,O⁰C bis etwa 71,0⁰C; für die meisten Anwendungen können indes niedrigere Temperaturen, wie von etwa 15,5 C angewendet werden, wie aber auch Temperaturen, die über dem bevorzugten Bereich von etwa 71,0⁰C liegen, nämlich Temperaturen bis zu 1OO°C.

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Durch Einstellen der vorstehend angegebenen Faktoren, nämlich der Temperatur, des flüssigen Quenchmediums, der Konzentration und dem Molekulargewicht des in dem Quenchmedium verwendeten Polyacrylsäuresalzes, sowie die Anwendung von Rühren oder keiner Rührung bzw. der Stärke der Rührung kann ein verhältnismässig breiter Bereich der Kühlbedingungen erzielt werden, ein Bereich, der wesentlich grosser ist als der, der mit anderen bekannten wässrigen Lösungen möglich ist.

Zusätzlich zu dem wesentlichen Polyacrylsäuresalz kann das wässrige Abschreckbad weitere Zusätze enthalten, um seine Wirkung für gewisse Anwendungen zu verbessern. So können zum Beispiel dem Bad Korrosionsinhibitoren, wie Natriumnitrit, Äthanolamin oder Aminseifen zugesetzt werden, die eine Korrosion der Abschrecktanks, der Förderbänder und der abgeschreckten Teile verhindert; weitere mögliche Zusätze sind Entschäumer, Biozide und Bäetallinaktivierende Mittel.

Das wässrige Abschreckmedium der Erfindung ist verhältnismässig preiswert, nicht explosiv, praktisch nicht giftig und vor allen Dingen von einer niedrigen Toxizität für Menschen. Das erfindungsgemässe Medium verunreinigt praktisch nicht die Umgebung. Das wässrige Abschreckmittel haftet ferner nicht an den behandelten Metallteilen, wenn sie aus dem Abschreckbad vor dem Zusammenfallen der beständigen Dampfumhüllung herausgenommen werden. Die Teile erfordern daher kein Waschen irgendwelcher Art, wodurch die Bildung von Abfallwasser, das abgeleitet werden muss,

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vermieden wird. Wenn indes das Metallteil auf die Temperatur der Abschrecklösung gekühlt wird, wobei die Lösungen einen auf der Oberfläche des Metalles haftenden Film bilden, wenn dieses aus dem Bad entfernt wird, verursacht die verbleibende Abfallflüssigkeit nach dem Spülen keine dauernde Verunreinigung, da die Salzrückstände biologisch abbaubar sind und nur eine geringe Menge Sauerstoff erfordern.

Wenn auch die Art des wasserlöslichen Salzes von Polyacrylsäure, welches zur Erzielung der gewünschten Ergebnisse verwendet wird, nicht entscheidend ist, ist das besonders bevorzugte Salz Natriumpolyacrylat. Vergleichbare Ergebnisse können aber auch erzielt werden mit Kaliumpolyacrylat, niederen Alkylaminpolyacrylaten, wie Methyl-, Äthyl-, Propyl- und Butylmono-, di- und tri-Polyacrylaten, niederen Älkanolaminpolyacrylaten, wie mono-, di- und tri-Äthanol- und Isopropanolaminpolyacrylaten, sowie Ammoniumpolyacrylat, Diäthylaminpolyacrylat, Triäthjjjjfiolaminpolyacrylat und Ammoniumpolyacrylat.

Die nachstehend aufgeführten Daten sind das Ergebnis von unmittelbaren Messungen der Temperatur eines erhitzten Metallstückes bei den angegebenen bestimmten Zeiten nach dem Eintauchen des Metall— Stückes in das Kühlmedium, wobei ein in die Mitte des Prüfstückes eingesetztes Thermoelement verwandt wurde.

Die Bezeichnung "Dampfphase" bezieht sich auf den Teil des Kühlzyklus, der mit dem Eintauchen des erhitzten Metallteiles in das Abschreckbad beginnt, während welcher die heissen Oberflächen des

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Metallteiles die Bildung einer dünnen Einhüllung oder eines Filmes aus Dampf auf solchen Oberflächen verursachten. Die thermische Leitfähigkeit dieses Films ist äusserst niedrig und führt infolgedessen zu einem verhältnismässig langsamen übergang der Wärme von dem erhitzten Teil auf das Abschreckbad, solange der Film besteht. Je langer die Dauer der Dampfphase und je dicker der Film, desto langsamer ist die Abkühlungsgeschwindigkeit. Die nachstehend beschriebenen Versuche und die erhaltenen Versuchsergebnisse, die gemäss der Zeichnung in ein Diagramm eingetragen sind, zeigen die Wirkung des Polyacrylatsalzes auf die Verlängerung des Bestehens der Dampfphase und damit auf die Verringerung der Abkühlungsgeschwindigkeit. Die Kurven zeigen, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit mit der Erhöhung der Konzentration des Polyacrylatsalzes und des Molekulargewichtes des Polyacrylates und mit der Erhöhung der Temperatur im Bade fällt* Die Verlängerung der Dampfphase ist indes weniger hervortretend, wenn das Bad gerührt wird, wenn auch im allgemeinen etwas Rührung wünschenswert ist, um die Gleichförmigkeit der Kühlwirkung des Bades zu verbessern, vorausgesetzt, dass die Rührung ausreichend ist, um die wünschenswerte Wirkung des Polyacrylates hinsichtlich der Verlängerung der Dauer der Dampfphase beachtlich zlu verringern.

Die Probestücke bestanden aus einem Zylinder mit einer Länge von 120 mm und einem Durchmesser von 20 mm; die Probestücke bestanden aus zünderfreiem austenitischen Stahl AISI 302 B. In die Mitte des Zylinders war ein Miniatur Chromel-Alumel-Thermometer

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eingesetzt und die Temperatur, welche der Leistung des Thermoelementes entsprach, wurde mittels eines Diagramms (Speedomax H, Modell S von Leeds & Northrup, North Wales, Pa.) aufgenommen. Das Probestück wurde in einem elektrischen Ofen erhitzt, der in seiner Türe eine öffnunghatte, durch die das Probestück eingeführt wurde. Der Ofen wurde ohne irgendeine gesteuerte Atmosphäre erhitzt und auf 925°C eingestellt. Bei jeder Prüfung belief sich die Temperatur des Probestückes beim Eintauchen in das Abschreckmittel auf 849°C. Es wurden 3.0 1 Abschreckmittel verwendet,und das Abschreckmittel konnte auf verschiedene Temperaturen,die mittels eines in das Abschreckmittel eingeführten Thermometers gemessen werden, eingestellt werden. Mittels eines Laboratoriumrühres fand eine leichte turbulente Bewegung statt, durch die das Abschreckmittel in bezug auf das Probestück etwa 10cm /Sek. zirkuliert wurde.

Es wurden verschiedene Abkühlkurven, je nach den Verachsbedingungen und den wässrigen Lösungen verschiedener Polyacryl salze erhalten. Die verwendeten Polyacrylsalze sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt, aus der die Zusammensetzung und die Viskosität der Salze ersichtlich ist.

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TABELLE

Probe-Nr.

Zusammensetzung

dynamische Viskosität in CPS bei 25°C^X

Natriumpolyacrylat	22,800
Natriumpolyacrylat	44,300
Natriumpolyacrylat	102,000
Kaliumpolyacrylat	11,000
Diäthanolaminpoly- acrylat	4,100
Triäthanolaminpoly- acrylat	2,100
Ammoniumpolyacrylat	6,400

Natriumpolyacrylat

plus Korrosionsinhibitoren

50,000

χ ermittelt mit einer 20%igen wässrigen Lösung mittels eines Brookfield RVT Viskosimeters bei 10 RPM.

Jede Abkühlkurve der Figuren 1,2,3 und 4 zeigt den Abfall der Temperatur des Probestückes mit der Zeit nach dem Eintauchen in das für den jeweiligen Versuch verwendete Abschreckbad. Die Ordinaten der Figuren zeigen die Temperatur des Probestückes in ⁰F, gemessen mit dem Thermoelement, und die Abszissen sind die Zeit in Sekunden, gemessen von dem Augenblick des Eintauchens jedes Probestückes in das Abschreck-

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bad. Die Temperatur- und Zeitskalen sind für alle Figuren gleich.

Die Abkühlungskurven der Fig. 1 wurden mit wässrigen Lösungen von Natriumpolyacrylat erhalten, deren 20%ige Lösung (Produkt 8, Tabelle I) bei 25°C eine Viskosität von 50000 CPS hatte. Das Kontrollbad war Wasser. Die Temperatur der verschiedenen Bäder betrug 140⁰F. In Fig. 1 entsprechen^ die Kurven A,B,C,D,E und F 0% (Wasser), 0,1%, 0,5%, 2,0%, 4,0% und 6,0% wässrige Lösungen des Polyacrylats.

Die Kurven B,C,D,E und F, die mit Natriumpolyacrylatlösungen erhalten wurden, zeigen, dass in dem Maße,wie die Konzentration des Polyacrylats erhöht ist, die Abkühlungsgeschwindigkeit sich verringert und der Dampfphasenzeiträum erhöht wird. Selbst bei einer Konzentration von 0,1% (Kurve B) ergibt sich eine beachtlich langsamere Abkühlung und eine längere Dampfphasenperiode, als wenn Wasser alleine vorliegt (Kurve A) .

Die Kurven der Fig. 1 verlaufen weich und in einem fast regelimässigen Abstand voneinander für die progressiv steigenden Konzentrationen von Polyacrylat. Die Abkühlungskurven für die Lösungen mit mehr als 2,0% Polyacrylat (Kurven D, E und F) sind sehr interessant, da sie fast oprade verlaufen und nicht die übliche schnellere Abschreckungswirkung wähaaid des Kochens und in den üblichen Bereichen zeigen, wie dies, z.B. aus dem Verlauf der Kurve C hervorgeht, die miteiner 0,5% Lösung erhalten wurde. Diese Unterschiede in den Formen der Kurven weisen auf aus austeni~

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nitischem Eisenmetall gebildete Teile hin, die'auf die Temperatur des Abschreckbades gekühlt werden können, ohne Gefahr der Bildung ungewünschter Mikrostrukturen, wie Martensit oder Bainit, Selbst wenn die MikroStruktur der Teile noch nicht vollständig in perlitische Strukturen während der durch die Dampfphase vorgesehenen Abkühlung übergeführt worden sind.

Die Figuren 2 und 3 zeigen Abkühlungskurven wässriger Lösungen desselben Polyacrylate (Produkt 8, Tabelle I), und die Wirkung der Badtemperatur auf die Abkühlungsgeschwindigkeit. Die wässrigen Abschrecklösungen der Figure» 2 enthalten 0,5% Polyacrylat, während die der Fig. 3 2,0% Polyacrylat enthalten. Die in den Figuren 2 und 3 mit A, B, C, D, E, F, G und H bezeichneten Kurven geben Badtemperaturen von 60°, 80°, 100°, 120°, 140°, 160°, 180° bzw. 200⁰F wieder.

Die verschiedenen Abkühlungskurven der Fig. 2 und 3 zeigen, dass in dem Maße, wie die Badtemperatur steigt, sich eine wachsend längere Dampfphase ergibt, in Kombination mit einer abfallenden Kühlungsgeschwindigkeit. Diese Figuren zeigen ferner, dass sogar die sehr niedrige Abschrecktemperatur von nur 60°F (Kurve A) Abkühlungseigenschaften hat, die die Bildung von nicht-martensitischen Strukturen in Eisenmetallen erlauben. Für praktische Zwecke werden indes Temperaturen der Lösung von mehr als 60 F bevorzugt.

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Die Figur 4 zeigt Abkühlungskurven für Wasser (Kurve A) und für Lösungen verschiedener Polyacrylatprodukte, dieiLn der Tabelle I mit 1-7 bezeichnet sind, und den Kurven B bis H entsprechen. Die Badtemperatur war 14OF, und die Konzentration des PoIyacrylats war in jedem Versuch 0,4%. Die Kurven zeigen, dass die Natrium-, Kalium-, Ammonium- und Alkanolaminsalze der Polyacrylsäure mit guten Ergebnissen verwendet werden können und dass das Molekulargewicht des Polyacrylate eine grössere Wirkung auf die Abkühlungsgeschwindigkeit als das besondere Kation hat.

Figur 5 ist ein Diagramm der Dauer der Dampfphase in Sekunden versus des Molekulargewichts des Polyacrylats (ausgedrückt in der Viskosität ) für die Abschreckbäder der Figur 4 (Wasser und die Produkte Nr. 1 - 7 der Tabelle I). Die Kurve in Figur 5 wurde aufgetragen unter Verwendung der Bruchpunkte in den Kurven der Figur 4. Figur 5 zeigt, dass die Dauer der Dampfphase mit wachsendem Molekulargewicht des Polyacrylats erhöht wird.

Im Nachfolgenden sind Versuche mit Stahlproben beschrieben.

Die folgenden Versuche wurden ausgeführt, um metallurgische Änderungen in dem Eisenmetall zu veranschaulichen, wenn eine Wärmebehandlung gemäss vorliegender Erfindung stattfindet.

Für diese Versuche wurden drei Kohlenstoffstähle, nämlich SAE 1035, 1045 und 1060 und drei Legierungsstähle, nämlich SAE 4140, 4340 und 5160 verwendet. Mit Ausnahme des SAE 5160 Legierungsstahles

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waren die Prüfstücke 86 mm lang und aus einem Stab zugeschnitten, der heissgewalzt und getempert war und einen Durchmesser von 25,4 mm hatte. Die Probestücke des SAE 5160 Legierungsstahls hatten eine Abmessung von 7,8 χ 64 χ 86 mm. Acht Proben jeden Stahltyps wurden für die Versuche verwendet.

Vier verschiedene wässrige Abschrecklösungen wurden verwendet; jede Lösung enthielt Natrxumpolyacrylat; die dynamische Viskosität einer 20%igen Lösung betrug bei 25°C 50000 Cps. Die Konzentration des Polyacrylates war in den Bädern in Gewichtsprozent 0.376%, 0,75%, 1,5% bzw. 3,0%. Ausserdem wurde ein wässriges Abschreckmittel (kein Polyacrylat) als Kontrolle verwendet. Die Temperatur der Abschrecklösung vor dem Eintauchen des Probestückes war 80°F bzw. 160°F.

Jedes Probestück wurde einzeln in etwa 18 1 Abschreckmittel in einem 5 Gallonen (18,93 1) Eimer abgeschreckt. Das Abschreckmittel wurde mit einer Geschwindigkeit von 60 cm/ Sek. mittels eines Propellermischers (Dayton Drill Modell 2Z393 A, 1/6 HP) gemischt; in dem Bad war eine vertikale Platte angeordnet, damit das Abschreckmittel im Bereich des Probestückes nach aufwärts floss.

Vor dem Abschrecken wurden alle Probestücke auf die für den jeweiligen Stahl infrage kommende Temperatur der Austenesierung erhitzt, wie dies in der nachstehenden Tabelle II angegeben ist, und zwar unter Anwendung eines elektrisch beheizten Widerstands-

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ofens. Die gesamte Erhitzungszeit betrug in jedem Fall 30 Minuten; jedes Probestück wurde etwa 20 Minuten auf der für die Austenisierung angegebene Temperatur gehalten.

TABELLE II

Stahltype Austenisierungs-

_SAE ' Temperatur

1035 843.3°C (155O°F)

1045 843.4°C (155O°F)

1060 843.3°C (155O°F)

4140 882.2°C (162O°F)

4340 843.3°C (155O°F)

5160 843.3°C (155O°F)

Jedes Probestück wurde fünf Minuten abgeschreckt; dann war jedes Probestück auf die Temperatur des Abschreckmittels abgekühlt.

Nach dem Abschrecken wurde jedes Probestück bis zu einer Tiefe von 1 mm abgeschliffen, um jeglichen Zunder und jeglich entkohlte Oberflächenschicht zu entfernen. Dann wurde die Rockwell C Härte jeden Probestückes durch zehn Einkerbungen auf jedem Probestück ermittelt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in der Tabelle III aufgeführt.

Für Vergleichszwecke wurden Probestücke jedes der Stahltypen in ruhender Luft gekühlt; die Rockwell C Härte jeden Probestückes ist ebenfalls in der Tabelle III aufgeführt.

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	Wasser	0.376	TABELLE III	Natrlumpolycrylat	3.0	Windstille
Abschreck mittel	100	Wassrige Lösungen von	3-0 1.5		100
Konzentration In (Jew. 2		0.75 1.5

CO

O CD

TemDeratur In ⁰C.	, 26,7	26,7	26,7	,26,7	26,7	,71.1
Stahlart SAE			ROCKWELL	C HÄRTE ^x).
1035	53.4-54.0 (53.7)	26.0-28.0 (27.0)	21.0-22.0 (21.5)	10.4-10.8 (10.6)	8.5-9.2 (8.9)	8.5-9.0 (8.8)
1045	56.0-56.2 (56.1)	29.0-34.0 (31.5)	22.8-23*0 (22.9)	16.6-17.0 (16.8)	13.0-13.5 (13.3)	12.5-13.0 (12.8)
1060	61.2-62.0 (61.6)	33.0-35-2 (34.1) .	23.0-23.5 (23.3)	19.6-2Ό.Ο (19.8)	15.5-16.2 (15.9)	16.0-16.5 (16.3)
4140	56.0-56.2 (56.1)	45.0-47-2 (46.1)	33.Ο-33.2 (33.1)	29.0-30.0 (29.5)	24.0-24.5 (24.3)	24.5-25.0 (24.8)
4340	54.5-55.2 (54.9)	51.0-52.0 (51.2)	49.Ο-5Ο.Ο (49.5)	46.0-46.6 (46.3)	44.0-45.0 (44.5)	46.0-46.0 (46.0)
5160	62.5-63.1 (62.8)	58.0-60.5 (59.3)	56.8-57.0 (56.9)	49.6-50.2 (49.9)	46.0-47.0 (46.5)	55.0-56.0 (55.5)

.71,1

ungefähr 25,0

8.0-8.2
. (8.1)

13*5-14*0
(13.8)

16,5-17.0
(16.8)

23.0*24.0
(23,5)

42,0-43'.O
(42.5)

46·.Ο-47.Ο
(46.5)

χ)

Zahlen getrennt durch einen Bindestrich entsprechen dem Bereich der erhaltenen Versuchswertej
die Werte in Klammern sind Dürchachnittswerte.

6.0-7.0 (6.5)

8.2-8.5 (8.4)

8.0-8.5 (8.3)

20.0-25 (20.6)

29.Ο-32 (30.5)

29.0-31 (30.0)

Ca) CD

Fig. 6 zeigt eine Reihe von Kurven, bei welchen die durchschnittlich® Rockwell C Härte-Werte der abgeschreckten Stahlproben als Funktion der Konzentration des Polyacrylate in dem Abschreckmittel, dessen Temperatur 80⁰F beträgt, eingetragen sind.

Fig. 7 ist ein Rechteck-Diagramm, in welchem die durchschnittliche Härte jeder Stahlprobe eingetragen ist, die nur in Wasser bei 80°F abgeschreckt wurden, und die, welche in Luft gekühlt wurden, sind mit der durchschnittlichen Härte von Proben verglichen, die gemäss vorliegender Erfindung unter Anwendung einer 3%igen Polyarylatlösung abgeschreckt worden sind, wobei die PoIyacrylat-Abschrecklösungen sich bei einer Temperatur von entweder 80° oder 160°F befanden.

Aus den vorstehenden Ergebenissen folgt, dass in dem Maße, wie sich die Konzentration des Polyacrylats in der wässrigen Abschrecklösung erhöht, die Abschreckgeschwindigkeit fällt. Die in Tabelle III und in den Figuren 6 und 7 aufgeführten Daten zeigen ebenfalls, dass gemäss vorliegender Erfindung Kohlenstoff stähle, z.B. SAE 1035, 1045 und 1060 nicht gehärtet werden, wenn sie in wässrigen Lösungen von Polyacrylat abgeschreckt werden, sogar bei so niedrigen Konzentrationen wie 0,375%. Ein Bad, das eine Konzentration von 1,5% Polyarylat hat, ergibt Rockwell C Härtewerte für Kohlenstoffstahl unter 20 ähnlich den Werten, die durch Luftkühlung erhalten werden. Das Verfahren der Erfindung macht es infolgedessen möglich, nicht-martensitische Mikrostrukturen unmittelbar zu erhalten. Durch Abwandlung der Parameter des Abschreckbades, wie Konzentration, Molekulargewicht des Polyacrylates, der Badtemperatur und der Stärke des Rüiirens,können Teile erhalten werden, die verschiedene Härtegrade

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haben.

Die Daten in Tabelle III und in den Figuren 6 und 7 zeigen ferner, dass nach der Erfindung Legierungsstähle (SAE 4140, 4340 und 5160) zur Herstellung der gewünschten martensitischen Mikrostrukturen abgeschreckt werden können. Die Figuren 6 und 7 zeigen ferner, dass 25,4 mm Durchmesser-Proben eines höher legierten Stahls (SAE 4340) und dünner Proben (7,8 mm dick) solchen Stahls (SAE 5160) auf hauptsächlich maiiensitischefi Strukturen abgeschreckt werden können, wenn man ein Abschreckbad mit einer wässrigen Lösung von 3% Polyacrylat verwende. Vorteilhafterweise können die Legierungsstähle, sogar die höher legierten Stähle abgeschreckt werden, um nach der Erfindung martensitische Mikrostrukturen zu erhalten, ohne dass in den abgesehreckten Teilen Risse oder Verwerfungen auftreten. Solche Legierungsstähle wurden bisher in öl- oder Salzbädern^geschreckt.

Die Bezeichnungen "Kohlenstoffstahl" und "Legierungsstahl", die in vorliegender Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden, sind zum Beispiel erläutert in 1974 SAE Handbuch, Society of Automotive Engineers, Inc., 1974, Part 1, Seiten 52-54 (SAE J411d).

Wenn auch vorliegende Erfindung vorwiegend anhand der Wärmebehandlung von Eisenmetallen beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass nach dem Verfahren der Erfindung auch nicht Eisen enthaltende Metalle,z.B. Aluminiumlegierungen, behandelt

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werden können.

PATENTANSPRUCH E

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Claims

Dr.-lng. E. IERKENFELD . Dipl.-lng. H. BcRKENFcLD, Patentanwälte, Köln

ζΓγ Eingabe vom 3O.Juiii 1976 my/ νΪΓΓ. An"_m. ^E-^F * Houghton & Company

H 123/2 PATEN TANSPRÜCH E

i] Verfahren zum Abschrecken wärmebehandelter Metalle, bei welchem das zu behandelnde Metall auf eine erhöhte Temperatur erhitzt und das erhitzte Metall in einem flüssigen Abschreckmittel abgeschreckt wird, um in dem Metall die gewünschten metallurgischen Änderungen zu erzielen, dadu rch gekennzeichnet, dass man als Abschreckmedium eine
wässrige Lösung eines wasserlöslichen Salze von Polyacrylsäure verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschreckmittel etwa 0,1 bis etwa 6,0^: Gew.% des Salzes aufweist, und das Salz ein solches Molekulargewicht hat, dass eine
20Gew.% des Salzes enthaltende wässrige Lösung eine Viskosität von etwa 700 bis etwa 100000 Centipoise bei 25°C hat.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Salz ein solches Molekulargewicht hat, dass eine 20Gew.%
des Salzes enthaltende wässrige Lösung eine Viskosität von
etwa 25000 bis etwa 75 000 Centipoise bei 25°C hat.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz Natriumpolyacrylat, Kaliumpolyacrylat, Ammoniumpolyacrylat, ein niedriges Alkylaminpolyacrylat oder ein niederes Alkanolaminpolyacrylat ist.

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5. Verfahren zum Abschrecken eines Kohlenstoffstalls, bei welchem der Stahl auf eine austenisierende Temperatur erhitzt und der erhitzte Stahl dann in einem flüssigen Abschreckmedium abgeschreckt wird, um einen Stahl mit einer MikroStruktur verbesserter Formbarkeit und verbesserter Kaltbearbarkeit ai erzielen, nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass man als ^bschreckmedium eine wässrige Lösung eines wasserlöslichen Salzes von Polyacrylsäure verwendet.
6.Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschreckmedium etwa 0,1 bis etwa 6,0 Gew.% des Salzes aufweist, und das Salz ein solches Molekulargewicht besitzt, dass eine wässrige Lösung, die 20 Gew.% dieses Salzes aufweist, eine Viskosität von etwa 700 bis etwa 100000 Centipoise bei 25°C hat.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz ein· solches Molekulargewich-ttfiat, dass eine wässrige Lösung, die 20 Gew.% dieses Salzes enthält, eine Viskosität von etwa 25000 bis etwa 75000 Centipoise bei 25°C hat.
8. Verfahrennach den Ansprüchen 5-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz Natriumpolyacrylat, Kaliumpolyacrylat, Ammoniumpolyacrylat, ein niederes Alkylaminpolyacrylat oder ein niederes Alkanolaminpolyacrylat ist.

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