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Verfahren des Härtens und Anlassens von Kohlenstoffstahl in einem
einzigen Arbeitsgang. Es ist bekannt, daß Stahl ohne Äaderung seiner chemischen
Zusammensetzung dadurch gehärtet werden -kann, -daß man ihn von einer über einem
bestimmten kritischen Punkt lie-,genden Temperatur, die sich nach der Zusarninensetzung
des Stahles richtet, abschreckt. Zn Dieses Abschrecken geschieht 1dIadurch, daß
man den erhitzten Stahl in einen Behälter taucht, der mit Wasser, 01 oder
einer anderen Flüssigkeit gefüllt ist, oder indem man den Stahl mit Wasser abbraust
oder einen Luftstrom darauf bläst. Die Härte des so behandelten
Stahles
beruht auf der Verhütung von Änderungen im Gefüge des Stahles, die bei einer langsamen
Abkühlung eintreten würden. Das Gefüge des so gehäTteten Stahles ist allgemein unter
der Bezeichnung Martensit bekannt. Es ist ausgeprägt spröde und kann daher für viele
Zwecke ohne Gefahr nicht benutzt werden.
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Um diese Sprödigkeit ohne allzu große Beeinträchtigung der Härte zu
beseitigen, hat man den abgeschreckten Stahl nochmals auf eine Temperatur erhitzt"die
etwas tiefer liegt als die kritische Temperatur, worauf man den Stahl langsam abkühlen
läßt. Durch dieses Wiedererhitzen und die langsame Abkühlu#ng erfährt das Gefü-e
des Stahles eine andere Veränderung, aus der sich dann ein Stahl ergibt, der Härte
und Zähigkeit in sich verei#ni#,:,t. Ein Stahl von solchem Gefüge b
wird,
im allgemeinen als Sorbit bezeichnet. Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung eines
solchen Stahles mit Sorbitgefüge ohne die Notwendigkeit, nochmals zu erhitzen und
abzukühlen, besteht darin, daß man den Stahlgegenstand von einer Temperatur von
8oo bis goo' C auf eine Temperatur von 55o bis 6oo' C plötzlich und
dann langsam abkühlt (vgl. L e d e b u r, Handbuch -der Eisenhüttenk-unde,
V. Aufl. Band 3, S. 63). Die einziore Art, plötzlich abzukühlen, ist
indessen d t> as Eintauchen in geschmolzenes Blei. Es ist klar, daß Jieses
Verfahren nur für Gegenstände von geringer Größe anwendbar ist. Da ferner, wie erwähnt,
die zu kühlenden Gegenstände in geschmolzenes Blei getaucht werden müssen, so ist
der Betrag der Abküh-
lung durch die kritische Temperatur hindurch nicht genügendi
unter Kontrolle, so daß ein sehr kleiner Gegenstand zu plötzlich abgekühlt wird
und ein Martensitgefüge annimmt, während ein größerer Gegenstand sich nur langsam
abkühlt und dann in, ein Perlitgefüge übergeht, also ungenügend gehärtet wird. Abgesehen
von diesem Nachteil beeinträchtigt der Mangel an Kontrolle die Anwendung des Verfahrens
beträchtlich, d-a,die Erzeugung eines Sorbitgefüges sowohl von dem KdhIenstoffgehalt
des Stahles als auch von dem Grad der Abkühlung abhängt, so daß letztere von Fall
zu Fall der Zusammensetzung des zu behandelnden Stahles angepaßt werden muß. Wenn
z. B. die Geschwindigkeit ider Abkühlung durch den kritischen Temperaturbereich
bei einem Stahl-,gegenstand mit o,5 Prozent Kohlenstoff 3 Minuten beträgt,
so muß bei einem Stahl mit o,4 Prozent Kohlenstoff die Abkühlung schneller stattfinden,
etwa in 2,5 Minuten, während bei einem Stahl mit o,6 Prozent Kohlenstoff
die Abkühlung weniger schnell, nämlich in etwa 3,5 Minuten, vor sich zu gehen,
bat. Da nun aber die Temperatur des ,geschmolzenen Bleies sich nur in außerordentlich
geringen Grenzen ändern läßt, so ist es mit diesem Verfahren unmöglich, die verschiedenen
Abkühlungsg-eschwindigkeiten einzuhalten.
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Es ist 'nicht immer erwünscht, daß der Stahl durchweg hart und zähe
ist. lwanderen Fällen braucht nur die Oberfläche des Stahl-es widerstandsfähig
- en# Abnutzung Z, 09 ei
zu sein, und es genügt dann, wenn die
Eigenschaft-lergleichzeitigen Härte und Zähigkeit auf eine Oberflächenschicht von
verhältnismäßig geringer Tiefe beschränkt 'bleibt. Für solche Zwecke hat man vorgeschlagen,
-den Stahl mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit zu behrausen, wenn seine Oberfläche
eine über der kritischen Temperatur liegende Temperatur besitzt, so -daß nur eine
oberflächliche Schicht bis zu der gewünschten Tiefe abgeschreckt wird.
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Es könnte nun erwartet werden, daß #dieses Verfahren in seiner Anwendung
auf Gegenstände von beträchtlicher Masse sehr wirksam sein würde, weil die in den
nicht abgeschreckten Teilen des Gegenstandes vorhandene Wärme sich nach Beendigung
des .,#£lbsch-recl,en-s auf die abgeschreckten Teile überträgt und diese wieder
erwärmt, so daß sie nach langsamer Abkühlung ihre Sprödig# keit verlieren. Der Erfinder
hat indessen festgestellt, daß sich eine solche Erwartung in der Praxis nicht erfüllt,
weil das Abschrekken durch Flüssigkeitsstrahlen so schnell vor sich -geht, daß die
Temperatur der bebrausten Schichten dadurch so tief herabgeht, daß auch durch die
Innenwärme des iGegenstandies -eine ,genügende Wiedererhitzung- nicht stattfindet,
die durcIi lan#gsa-me Abkühlung eine ausreichende Zähigkeit zur Folge halben würde.
Die abgebrausten Schichten bleiben im Gegenteil spröde. Und selbst wenn in einzelnen
Fällen lIie im Innernder Masseaufgespeicherte Wärm-e genügen würde, um die gehärteten
Schichten in ausreichendem Maße nachzuerhitzen, so entstehen doch in den gehärteten
Schichten vor der Wiedererhitzung feine Sprünige.
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Es kommt noch hin#zu, daßbei vielen Stahlgegenständen, besonders z.
B. bei Eisenbahnschienen, infolge der wechselnden Temperaturen" mit -denen diese
Erzeugnisse die Walzen verlassen, ferner infolge der wechselndien Geschwindi,-lkeiten,
mit denen sJe durch die Walzen hin-durchgehen, und schließlich infolge der Verschiedenheiten
ides Gewichts die beschriebenen Verfahren praktisch nicht unter ,genügender Kontrolle
verlaufen können, um mit einiger Regelmäßigkeit das gewünschte Gefüge im Stahl zu
erzielen.
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Es bleibt noch das bekannte Verfahren,der
Selbsthärtung
oder #Luft:härtung zu erwähnen, bei d-em insbesondere Werkzeugstahl mit einem Luftstrom
behandelt wird. Diesel Verfahren ist indessen nur auf ganz besondere Stahllegierungen
von bestimmter Zusammensetzung anwendbar und nicht auf Kohlenstoffstahl. Das durch
dieses Verfahren bei )bestimmten Stahlsorten ürzielte Gefüge ist denn auch ganz
verschieden von,djem, das durch das vorliegende Verfahren bei gewöhnlichem Kohlenstoffstahl
erstrebt wird.
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Es ist nodh zu- bemerken, daß im Falle Beines Gegenstandes, der wie
eine Eisenbahnschiene nur auf eine bestimqnte Tiefe idies ;Kopfes ein hartes undl
zähes Gefüge erhalten soll, die Abkühlung im geschmolzenen Blei unmöglich seinwürde.
Dennhierzurwürdleesnötigsein, nur den Kopf der Schiene in das geschmolzene Blei
einzutauchen. Das Ergebnis hiervon würde sein, daß der 'Schienenkopf sich schneller
abkühlen würde als der Steg und ,der Fuß. Der Kopf würlde sich zuisammenziehen,
und die Schiene ihrer ganzen Länge nach sich krümmen. Infolgedessen-, würde sich
der Schienenkopf in der Mitte aus -dem geschmolzenen. Blei herausheben, während-
die Enden zu tief,e.intauchen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung bezweckt die Erzeugung eines harten
und zähen oder so:ffiftischen. Gefüges entweder durch die ganze Masse ides Stahlgegenstandes
oder nur 'bis zu,einerbestimmten, Tiefe der Oberfläche, und zwar auf einem Weg,
der eine genaue Kontrolle gestattet und für Gegelistände von beliebiger Größe und
beliebigem KohIengehalt anwendbar ist, sofern die Stahlsorte nur überhaupt ein Solibitgefüge
annehmen kann. Das vorliegende Verfahren besitzt also nicht die Nachteile der Albkühlung
dturch Blei und' ist in) der Anwendun.g auf große Gegenstände auch billiger. Dabei
erzielt man mitdiesem Verfahren in der Oberfläche eines Stahlgegenstandes mlit größerer
Sicherheit als durch Abkühlen ein hartes und zähes Sorbitgefüge.
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Der Erfinder hat nämlich festgestellt, daß man bei der Behandlung4
#von Kohlenstoffstahl, der eine über dem kritischen Punkt liegende Temperatur besitzt,
mit deinem. elastischen Druckmittel, wie z. B. Luft oder Dampf odler sehr fein verteiltem
oder zerstäubtem Wasser oder Salzlake oder mit tinem. Gemisch, eines elastischen
Druckmittels und einer Flüssigkeit, wenn, man diese Mittel auf die Oberfläche (cres
Stahles derart aufbläst oder aufsprüht, daß der Stahl schneller als an dier Luft,
aber nicht so plötzlich abkühlt, daß er spröde wird oder ein Martensitgefüge annimmt,
ein. Produkt erzielt, das ein hartes und zähes oder (Sorbitgefüge besitzt, ohne
daß ein idoppeltes Erhitzen oder ein Wiedererhitzen, nötig wäre und ohne,daf in
dem Stahl feine Sprünge entstehen.
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Demgemäß besteht die vorliegende Erfin-,lung -darin, daß Jer bis über
die kritisch( Temperatur erhitzte Stahl mit einem elastischen Druckmittel oder einer
sehr fein ver-#eilten oder zerstäuhten Flüssigkeit eid-ei einem Gemisch von beiden
entweder nur ar der Oberfläche oder durch seine ganze MassE hindurch mäßig schnell
abgekühlt wird, je-
doch nicht so schnell, daß Martensit entsteht.
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Da das Aufsprühen des fein verteilten Flüssigkeitsstrahles oder elastischen
Druckmittels nach Bedarf idurch Einstellung -der Menge des Druckmittels oder der
Flüssigkeit und durch Veränderung der Dauer des Aufsprühens geregelt werden -kann,
so läßt sich die Einwirkung der Größe !des Gegenstandes und der Zusammensetzung
des Stahles gut anpassen. Da ferner das Aufsprühen auf einzelne Teile des Gegenstandes
besclitänkt bleiben -oder an einzelnen Stellen mehr, an anderen weniger stark ausgeführt
werden kann, so ist auch eine Örtlich verschiedene Härtung ohne weiteres möglich.
Die Geschwindigkeit,d,er Abkühlung läßt siclidurch Versuche mit Gegenständen aus
Stahl der in Betracht kommenden Sorte ohne weiteres ermitteln.
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Das Verfahren soll im folgenden, beispielsweise in Anwendung auf Eisenibahnschienen
näher beschrieben werden,. Selbstverständlich läßt es sich aber auf beliebige Gegenstände
anwenden, die aus Kohlenstoffstahl mit mehr als 0,3 Prozent Kohlenstoffgehalt
bestehen. Für die Anwendung des Verfahrens ist es gleichgültig, ob während des Walzens
oder des sonstigen in Betracht kommenden Herstellungsverfährens schon einmal eine
Abkühlung des Stahles stattgefunden hat.
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Im allgemeinen 'kann. man indessen besond-ers ihei iSchienen die vom
Walzprozeß her dem Erzeugnis noch innewohnende Wärme benutzen, wenn man die noch
oberhalb der kritischen Temperatur befindliche iSchiene mit Dampf öder Luft oder
einer Mischung von Dampf und Luft odler mit einem.,anderen elastischen Druckmittel
während einer bestimmten Zeit abbraust, die sich nach -dem Gewicht, dem- Querschnitt
und der Temperatur der Schiene richtet. Die Behandlung wird so geleitet, daß die
Abkühlung in dem Maße und.' Verhältnis stattfindet, daß auch ,durch die aus den
nicht behandelten Teilen der Schiene herrührende Wiedererhitzung der behandelten
Teile an diem erziielten harten und zähen Gefüge nicht geändert wird, während andererseits
#d#ie nicht behandelten Teile überhaupt unbeeinflußt IblÜben. Es ist demnach weder
vor noch nach dem verhältnismäßig schnellen Abkühlen eine Wiedererhitzung der
t)
Schiene erforderlich, die bekanntlich außerorlentlich
schwierig und kostspielig ist, wenn sie über #die ganze Länge der Schiene mit ,yenü-en,--ler
Gleichmäßigkeit durchgeführt werden soll.
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Ein weiterer erheblicher Vorteil der Erfin-lung besteht darin, (daß
inan die Schiene auf gewöhnliche Weise bis auf die Ternperatur abkühlen lassen kann,
bei der das verhältnismäßig schnelle Abkühlen gemäß' dein vorliegenden Verfahren
beginnen soll, so daß ,las Verfahren in keiner Weise die Arheits-,"eschwin"li-keit
des Walzwerkes Ibeeinträchti st oder seinerseits vonf der Temperatur abhängt mitider
die Schiene das Walzwerk verläßt. Auch kann man, ohne daß die Arbeit des Walzwerkes
dadurch irgendwie b:erührt würde, dias ' Maß und die Geschwindigkeit der
Behandlung in gewünschten Grenzen verändern, indern man die Dauer der Abkühlung
verlängert oder verkürzt oder den Drück oder die Temperatur oder die Menge des Kühlmittels
steigert oder vermindert, je
nach der Zusammensetzung, dem Querschnitt und
dem -Gewicht der Schienen.
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Die in der beschriebenen Weise auf der Warmbarik gekühlten Schienen
können entweder einzeln oder gruppenweise behandelt werden.
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Es ist nicht möglich, bestimmte Bedingungen für die Ausübung des Verfahrens
vorzuschreiben, die auf alle Fälle passen. Die Metallk-unde gibt aber ausreichende
-Methoden an #die Hand, durch die die Bedingungen für -die besonderen Verhältnisse
eines jeden Wulzwerkes ermittelt werden können, so daß man, in der Lage ist, die
Größe und die Schnelligkeit der Abkühlung für diie in einem Betrieb zur Verwendung
konimende Stahlsorte, idas Ouerschnittsgewicht der Schienen und -die Temperatur,
bei der die Kühlung beginnt, festzustellen. Zur Bestiminung der physikalischen Eigenschaften
des Stahles können mechanische Untersuchungen Jer Härte und Zähigkeit an Stelle
einer inikroskopischen Prüfung dienen.
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Zur Behandlung von Eisenbahnschienen, die beispielsweise aus einem
Stahl von o.5 Prozent Kohlenstoff, o,g: Prozent Man-,gan und o,o8Prozent Silicium
hergestellt sind, ein Querschnittsgewicht von etwa So kg für das laufende Meter
besitzen und mit einer Temperatur von etwa. 85o' C aus dem Walzwerk herauskommen,
kann eine Vorrichtung der in A.,bb. i schematisch dargestellten Art dienen, bei
der ein Rohr a von etwa 5 cm Durchmesser auf der Unterseite mit Löchern,
b von etwa ili-, min Durchmesiser und mit einer gegenseitigen, Lochentfernung
z# zn von annähernd 2 cm mit Luft von, gewöhnlicher Temperatur und unter einem Druck
von 5 bis 6 Atlii. aus einer Hauptzuleitung c g ,' e Speist wird.
Dieses Rohra liegt Z> etwa .21 /2 cm über dem Kopf der Schiene d.
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Die Kurvee in Abb.:2 zeigt den Verlauf fler Kühlung der Schiene unter
der Einwirkung eines Luftstrahles nach dem vorliegenden Verfahren, #während die
Kurve f die Kühlung derselben Schiene unter dem Einfluß der Atmosphäre darstellt.
Die Abszissen stellen die Temperaturen und idie Ordiliaten die Zeiten dar. Wie Jie
Kurve e anzeigt, wird! bei dem angenommenen Beispiel ZD der Kopf der Schiene von
einer Temperatur von 8oo' C auf etwa 6oo' C nach dem vorliegenden
Verfahren in il/, Minuten abgekühlt, während die gleiche Abkühlung in der Luft ohne
beschleunigte Kühlung gemäß der Kurve f etwa 61/, Minuten in Anspruch nehnien
würde. In il/, Minuten würde man bei der normalen Kühlung nach de-r Kurvef nur auf
etwa 720' C kommen.
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Die obere Temperaturgrenze, bis zu der der Schienenkop#f abgekühlt
wer-dien sollte, kann nicht ein für allemal angegeben werden, da sie sich nach den
Verhältnissen des besonderen Falles richtet, insbesondere von ihrem Gewicht und
ihrer Querschnittsform abhängt. Wesentlich ist nur, idaß die verhältnismäßig schnelle
Abkühlung durch das elastische Kühlinittel soweit geführt wird, daß der abgekühlte7
Schienenkopf durch die Einwitkung der in. der Schiene noch entbaltenen Wärme nicht
wieder bis auf die kritische Temperatur erhitzt -werden kann.
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Für die Anwendung ides vorliegenden Verfa#hrens ist eine besonders
hohe chemische Härte #cles Stahles nicht erforderlich, um den Schienen eine hohe
Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung zu geben,. Es ist aber wohlbekannt, daß zur
Erzeugung von Schienen mit genügender Widerstandsfähigkeit gegen die neuerdings
immer stärker werdenden Beanspruchungen beim Befahren besonderer Wert auf eine hohe
chemische Härte gelegt werden mußte. Dies, in Verbindung mit den Sveigerungserscheinungen
und anderen bei rIer fabrikationsmäßigen Herstellung von Sta:hlschienen auftretenden
Übelständen, verursachte Sprödilgkeit und zahlreiche Schienenbrüche und sonstige
stören-de Zwischenfälle. Im Gegensatz hierzu gewährleistet die geringere cheinische
Härte, die bei dem vorliegenden Verfahren genügt, zähere und iv,i.#,1,erstandsf
ähigere Schienen, während -leich7,eiti,- das Gefü-e in dem oberen Teil
Z, ZD des Schienedkopfes der Abnutzung noch weniger unterworfen ist als bei
Schienen mit einer größeren. chemischen Härte.
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Die Behandlung von anderen Stahlgelgenständen ist im allgemeinen ähnlich
der der Schienen. Man spritzt das elastische Kühlm:
ittel auf die
Oberfläche des Gegenstandes an der Stelle, die hart und- zähe gemacht werden soll.
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In ähnlicher Weise verfährt man, wenn die Behandlung mit fein verteiltem
oder zerstäubtem Wasser oder -einer anderen Flüssigkeit oder auch, mit einem Gemisch
von Flüssigkeit -und Luft stattfinden soll.. Die Zerstätibung der Flüssigkeit wird
dabei zweckmäß,ig so weit getrieben, daß -die einzelnen Flüssigkeitsteilchen in
dem Augenblick, in dem sie auf den heißen Stahl auftreffen, so# fort verdampfen
und sich nicht zu größeren Flüssigkeitstropfen zusammenballen können. Wird dies
beachtet, so fließt keine Flüssigkeit über den.Stahl, und -das Verfahren verläuft
ebenso wie bei der Behandlung des Stahles mit einem elastisehen. Druckmittel. Bei
der Behandlung von Schienen mit zerstäubter Flüssigkeit ist die #Gesamtanordnung
zur Ausführung des Verfahrens ähnlich Jer in Abb. i veranschaulichten, wobei indessen
die Luftaustrittslöcher durch Zerstäubervorrichtungen beliebiger Konstruktion ersetzt
sind. Wird zerstäubbe Flüssigkeit gemeinschaftlich mit einem elastischen Druciunittel
benutzt, so können, dlie beiden, Leitungen nebeneinander mit getrennten oder gemeinsamen
Einstellvorrichtungen angeordnet werden. Wird das elastische Druckmittel zum Zerstäuben
der Flüssigkeit benutzt, so können beide durch dieselbe Düst austreten. Soll der
Stahlgegenstand in seiner ganzen Masse dias harte und zähe Gefüge annehmen, so wird
die Behandlung fortgesetzt, bis die Temperatur der ganzen Stahlmasse unter den kritischen
Punkt gesunken ist, worauf die weitere Abkühlung durch, die Atmosphäre stattfinden
kann, Selbstverständlich kann man aber auch die völlige Abkühlung mit,d"ein vorliegenden*
Verfahren vollenden.
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Die Erfindung ist für alle möglichen Stahlgegenstände anwendbar, z.
B. für Schienen, Räder, Radkränze, Achsen, Blattf edern, Schraublenfed'ern, Gußstahlstücke,
Schmiede_ stahlstücke, Stahlplatten, Stahlröhren, Stahlschraubenbolzen usw.