DE4340568A1 - Verfahren zum kontinuierlichen Vergüten von Stahldraht - Google Patents
Verfahren zum kontinuierlichen Vergüten von StahldrahtInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Vergüten von Stahldraht, insbesondere
Federstahldraht, wobei ein Erwärmen auf eine Temperatur im Austenitbereich, ein Abschrecken,
ein Anlassen und ein Abkühlen des Drahtes vorgesehen ist.
Aus der Patentschrift DE 29 17 287 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen von Schraubenfedern,
Torsionsstäben oder dergleichen aus Federstahldraht bekannt. Nach diesem bekannten Verfahren
soll im wesentlichen wie folgt gearbeitet werden:
- 1. Erhitzen des Drahts mittels Hochfrequenzinduktion oder direktem Stromdurchgang mit mehr als 100°C/sec. auf Austenit-Temperatur und Abschrecken unmittelbar nach Erreichen der Härtetemperatur,
- 2. Anlassen des abgeschreckten (= gehärteten) Drahts auf gleiche Weise und mit derselben Geschwindigkeit auf 300-600°C, wobei die Haltezeit < 60 sec. betragen soll,
- 3. Abkühlen des angelassenen Drahts mit einer Geschwindigkeit <50°C/sec.,
- 4. Wärmebehandlung der aus dermaßen behandeltem Draht durch Kaltformung erzeugten Federn nach einer bereits in DIN 2095 vom Mai 1973 vorbeschriebenen Methode, wobei Eigenspannungen abgebaut werden.
Das in dieser Patentschrift vorgestellte Verfahren der induktiven Erwärmung auf eine
Härtetemperatur entspricht der aus der Flamm- oder Induktionshärtetechnik bekannten
kontinuierlichen Austenitisierung mit schneller Erwärmung auf eine vorgegebene
Spitzentemperatur und unmittelbar nachfolgende Abkühlung.
Bei untereutektoiden Stählen, die außer Kohlenstoff noch Legierungsmetalle in Konzentrationen
aufweisen, wie sie bei Federstählen üblich sind, tritt anstelle des Dreiphasengleichgewichts
Zementit - Ferrit - Austenit, also eines Ac1-Punktes im Fe-C-Diagramm, ein Dreiphasenraum
Ferrit + Austenit + Karbid auf, mit den Übergangstemperaturen Ac1b und Ac1e. Bei der
Austenitisierung sind demzufolge zunächst nach der α-γ-Umwandlung noch Karbide beständig
(HTM 33 (1978) 2, S. 63-114). Zu deren Lösung im Austenit bedarf es jedoch erhöhter Temperaturen, die im Beispiel der DE-PS 29 17 287 1100°C betragen, aber selbst dann "ergibt
sich nach dem Härten ein Gefüge mit einer ungleichförmigen Konzentration von Kohlenstoff,"
weil der gelöste Kohlenstoff in der Austenitmatrix bevorzugt an den Stellen ehemaliger Karbide
vorkommt. (Umwandlung und Gefüge unlegierter Stähle, 2. Auflage, Düsseldorf 1990 H.P.
Hougardy), daneben aber Stellen mit Kohlenstoffdefizit, die besonders umwandlungsfreudig sind.
Beim Härten sinkt die Martensitstarttemperatur in Bereichen lokaler Kohlenstoffanreicherung
unter Raumtemperatur, so daß diese austenitisch bleiben und deshalb eine mindere Härte
aufweisen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe geeigneter Hintereinanderschaltung
von Wärmebehandlungsstationen, gegebenenfalls unter zusätzlicher Einbindung einer optimalen
thermomechanischen Behandlung, ein Verfahren zu realisieren, bei dem ein Federstahl mit hoher
Feinkörnigkeit zwecks Vergrößerung der Korngrenzenfläche, einer Festigkeit < 1800 MPa
zwecks Erzielung einer hohen Dauerfestigkeit bei einem Streckgrenzenverhältnis Rp0,2/Rm = 0,9
und einer Einschnürung von ca. 42% als Maß ihr eine hohe Duktilität erreicht wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- 1. Schnellerwärmen des Drahtes auf eine Temperatur im Austenitbereich mit einer Geschwindigkeit zwischen 85 und 100°C/sec.;
- 2. Halten des Stahldrahtes im Austenitbereich während einer Zeit von 10-60 sec.;
- 3. Abschrecken des Stahldrahtes bis auf Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit < 80° C/sec.;
- 4. Schnellerwärmung auf Anlaßtemperatur mit einer Geschwindigkeit von 85 bis 95°C/sec.;
- 5. Halten auf Anlaßtemperatur während einer Zeit von 60 bis 120 sec.;
- 6. Abkühlen des Drahtes mit einer für Wasserkühlung üblichen Geschwindigkeit von < 50° C/sec.
Nach einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß zwischen Schritt 2 und 3 der Draht
dicht oberhalb der Ar3-Temperatur gewalzt wird.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß zwischen den Schritten 2 und 3
- a) eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb Ar3 günstigerweise unterhalb der Perlit- bzw. Bainit-Bildungstemperatur und oberhalb der Ms-Temperatur erfolgt und
- b) anschließend der Draht gewalzt wird.
Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, daß das Schnellerwärmen gemäß den Schritten 1 und 4
induktiv erfolgt.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, daß die induktive Erwärmung von Stahldrähten mit einem
Durchmesser bis 10 mm mit Hochfrequenz erfolgt.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß die induktive Erwärmung von Stahldrähten mit
einem Durchmesser von größer als 10 mm mit Mittelfrequenz erfolgt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Halten im Austenitisierungsbereich mit
Widerstandsbeheizung erfolgt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein
widerstandsbeheizter Röhrenofen vorgesehen ist, wobei die Röhren mit Schutzgas geflutet sind.
Letztlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß nach dem Walzen ein Kalibrieren des Stahldrahtes
mit Hilfe einer Druckdüse erfolgt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß eine möglichst
homogene Kohlenstoffverteilung im Austenit erreicht wird, ohne daß es durch Überhitzen oder
Überzeiten zur Kornvergröberung kommt, die zusätzlich von Entkohlung in der Randzone eines
Drahtes begleitet sein kann.
Die einzelnen Schritte zur Herstellung eines vergüteten Federstahles nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren werden wie folgt unternommen:
(= kontinuierliche Erwärmung) eines Federstahldrahtes
auf Temperaturen von ca. 50°C <Ac3, vorteilhafterweise mittels induktiver Erwärmung,
wobei
- - Materialien entsprechend einem Durchmesser bis zu 10 mm mittels Hochfrequenz (<10 kHz),
- - Materialien entsprechend einem Durchmesser von < 10 bis 20 mm mittels Mittelfrequenz (5-10 kHz) mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 85-100°C/sec. erwärmt werden.
Da bekanntermaßen in der Randschicht eines induktiv beheizten Körpers 63% des gesamten
Stromes = 86% der erzeugten Wärmemenge fließen, ist ein anschließender Wärmeausgleich
der induktiven kontinuierlichen Erwärmung nachgeschaltet, nachdem die
Oberflächentemperatur die vorgeschriebene Austenitisierungstemperatur erreicht hat. Dieses
isotherme Halten hat gegenüber dem in der DE-PS 29 17 287 ausschließlich zur
Anwendung gelangenden kontinuierlichen Austenitisierungsprozeß den Vorteil, daß in der
Werkstoffoberfläche kein Grobkorn infolge Überhitzung entstehen kann. Wie erwähnt, ist
bei kontinuierlicher Austenitisierung, insbesondere bei hohen Erwärmungsgeschwindigkeiten
(< 100° C/sec.) eine hohe Endtemperatur erforderlich, da die Umwandlungspunkte mit
zunehmender Erwärmungsgeschwindigkeit bzw. kürzerer Erwärmungszeit zu höheren
Temperaturen verschoben werden.
Dieses isotherme Halten im Durchlaufverfahren erfolgt vorteilhafterweise in einem mit
Inertgas durchfluteten Röhrenofen, der z. B. widerstandsbeheizt sein kann.
Fig. 1 zeigt schematisch anhand eines kontinuierlichen ZTA-Schaubildes den Verlauf einer
zunächst kontinuierlichen Erwärmung eines Federstahles 60 SiCr 7 mit einer Geschwindigkeit
von 90°C/sec. auf eine Austenitisierungstemperatur von 860°C. Die Temperatur wird nach
ca. 9,2 sec. erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wandelt die Ferritstruktur restlos in Austenit um.
Das anschließende Halten auf Austenitisierungstemperatur soll 10-30 sec. währen, was
bereits eine sehr homogene Verteilung des Kohlenstoffs im Austenit ermöglicht.
In Federstählen mit Vanadin, Niob, Molybdän, oder Titan-Zusätzen liegen Sonderkarbide
vor, zu deren größtmöglicher diffusionsgekoppelter Lösung im Austenit höhere
Aktivierungsenergien erforderlich sind. Hierbei wird bei der induktiven kontinuierlichen
Erwärmung stärker überhitzt. Für die weitere Diffusion der C-Atome wird die Zeit
isothermer Austenitisierung erfindungsgemäß auf ca. 60 sec. verlängert, wobei allerdings die
Beeinflussung der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit beachtet werden muß. Diese
Prozeßdaten sind bei gegebener Leistungsfähigkeit einer konzipierten Anlage
ausschlaggebend ihr die Zahl der Induktionsspulen und ihre Positionierung bei Behandlung
von bikonischem Draht, dem Energiebedarf sowie der Länge des Röhrenofens für die
isotherme Austenitisierung.
Die schnelle Abkühlung des Drahtes mit einer Geschwindigkeit < 80°C/sec. erfolgt
bevorzugt mit heftiger Badbewegung, dadurch gekennzeichnet, daß das Bad an einen
Ultraschallgeber angeschlossen ist. Als Abschreckmedien kommen insbesondere Wasser,
Polymerlösungen und Öl in Frage. Dadurch wird die zu Beginn des Abschreckprozesses
gegebene Filmbildung auf dem Draht mit nur geringem Wärmestrom (ca. 210 J/s cm²)
verhindert und die Kochphase mit einem Wärmestrom von ca. 800 J/s cm² früher eingeleitet.
Auch der Wärmeaustausch unterhalb der Siedetemperatur des Abschreckmittels, der dann nur
noch konvektiv erfolgt, kann dadurch erheblich schneller ablaufen (< 100 J/s cm²). Das
Abschrecken kann auch mittels Sprühkühlung erfolgen.
Alternativ zur bisher beschriebenen erfindungsgemäßen verfahrenstechnischen
Vorgehensweise kann der Draht nach Verlassen des Röhrenofens bei einer Temperatur
oberhalb Ac3 (im gezeigten Beispiel = 860°C) thermomechanisch behandelt werden, um
insbesondere eine höhere Feinkörnigkeit vor allem mit dem Vorteil der besseren Duktilität zu
erzielen (Fig. 2a).
Das MAF-Verfahren ist an sich bei der Fertigung von Blattfedern als Alternative zu
Ausforming (AF) erfolgreich eingesetzt worden, da zur Durchführung der AF-Prozesse die
Blattfedernfertigungszeiten zu lang sind. (Literaturauswertung zum Thema Modified
Ausforming von Federstählen, MPI für Eisenforschung, Düsseldorf (1991), S. 8-10). Bei
der kontinuierlichen Behandlung von Walzdraht im Zuge der Durchlaufvergütung ist es bis
heute industriell nicht angewendet worden.
Erfindungsgemäß soll der mechanische Umformprozeß bevorzugt bei Draht mit
kreisförmigem Querschnitt durch ein Walzwerk mit zwei Gerüsten in H/V-Anordnung und
einer nachgeschalteten Kalibrierdüse realisiert werden.
Dabei wird der Draht bei Temperaturen oberhalb Ac3 im ersten Stich ovalisiert, im zweiten
Stich rundgewalzt und durch die Kalibrierdüse getrieben, wobei die jeweils geforderten
Rundheiten garantiert werden können. Die Gesamtverformung liegt im Bereich zwischen 10
und 20%, je nach der chemischen Zusammensetzung des Federstahles. Bikonischer Draht
wird nur im Bereich hoher Spannungsbeaufschlagung, also im Abschnitt mit großem
Durchmesser, thermomechanisch behandelt.
In dem gezeigten Beispiel des Stahles 60 SiCr7 ist die MAF-Behandlung dann auf
Durchmesser unterhalb von ca. 13 mm beschränkt, wenn während der thermomechanischen
Behandlung nicht Wärme zugeführt wird, um eine Umwandlung in der Perlitstufe zu
verhindern.
Fig. 2b zeigt, daß ein AF-Prozeß beim Stahl 60 SiCr7 wesentlich günstiger durchgeführt
werden kann.
Hierzu wird der Stahl nach Verlassen des Röhrenofens in einem Kühlsystem konvektiv auf
Temperaturen zwischen 270 und 360° C (in Fig. 2 auf 360 ±4°C) intensiv gekühlt. Eine
solche Vorrichtung zur konvektiven Wärmebehandlung von zylindrischen Halbzeugen ist aus
der DE 39 35 929 A1 bekannt. Eingegliedert in den industriellen Verfahrensablauf zur
kontinuierlichen Vergütung von Federstahldraht erlaubt sie erstmalig die AF-Behandlung
solcher Werkstoffe.
Bei dem auf beispielsweise 360 ±4°C unterkühlten und damit metastabilen Martensit wird die
gleiche Umformungstechnologie wie beim MAF-Verfahren angewendet. Allerdings liegt die
Gesamtumformung bei ca. 10%, um bei relativ tiefer Umformtemperatur und kleinem
Verformungsgrad eine erhöhte Keimbildungsrate an Korngrenzen und gegebenenfalls eine
zusätzliche Keimbildung entlang von Deformationsbändern innerhalb eines Kornes zu
erzielen. Allerdings muß dabei vor allem in Abhängigkeit von der Stahlzusammensetzung die
Ms-Temperatur beachtet werden, die im allgemeinen nach einer AF-Behandlung erhöht wird.
Für bikonischen Draht gilt das unter 3a Gesagte.
Das Anlassen besteht bekanntlich aus der Erwärmung des gehärteten Materials auf
Temperaturen <Ac1, wobei der thermodynamisch instabile Gefügezustand des tetragonal
aufgeweiteten Martensits in einen stabileren überführt werden soll. Bei Federstählen mit
Sonderkarbiden bildenden Legierungselementen ist dabei wichtig, daß sich diese Karbide an
Defektstrukturen wie Versetzungen ausscheiden sollen. Dabei üben Legierungsgehalt und
Erwärmungsgeschwindigkeit einen wesentlichen Einfluß auf die verschiedenen
Bildungsmechanismen aus.
Vor allem sind die Versprödungen bei ca. 300 und 500°C infolge Anreicherungen von P, Sb,
As und Sn durch Ausscheidungen bei der Karbidbildung bedingt, wodurch der Zusammenhalt
der Austenitkorngrenzen geschwächt wird. Die Gefahr, daß solche Elemente in gefährlicher
Konzentration vorliegen, besteht besonders bei den in Elektroöfen aus Schrott erschmolzenen
Stählen.
Gemäß der DE-PS 29 17 287 soll das schnelle Anlassen mit 100°C/sec. auf 300-600°C
eine Auflösung des übersättigten Martensits mit einem "Zwischengefüge aus einer
Feststofflösung" bewirken. Ob hier ein besonderer Gefügezustand oder
Zwischenstufengefüge (Bainit) gemeint ist, wird nicht deutlich. Letzteres würde jedoch neben
umgewandeltem (= kubischen) Martensit, eventuell Restaustenit noch einen dritten
Gefügebestandteil und somit eine erhebliche Beeinträchtigung der Homogenität bedeuten.
Bei schneller Erwärmung auf Anlaßtemperatur werden die gefährlichen
Versprödungsbereiche schneller durchlaufen. Hierzu ist eine erfindungsgemäße
Erwärmungsgeschwindigkeit von ca. 85-95°C/sec. völlig ausreichend. Die Einstellung auf
diese Werte ist aus Investitions- und Energiekostengründen bedeutsam.
Um vor allem die erwähnte Gefahr der Versprödung zu umgehen, sollten
- a) Anlaßtemperaturen zwischen 200-500°C vermieden werden,
- b) diese Gefahrenzone insbesondere beim Aufheizen, aber auch bei der Abkühlung schnell durchlaufen werden, (was beim üblichen Abkühlen in Wasser stets mit einer Geschwindigkeit < 50°C/sec. erfolgt, (siehe H. Bennighoff, Wärmebehandlung der Bau- und Werkzeugstähle, Basel (1978) S. 107-149),
- c) das Halten auf Temperaturen unterhalb Ac1 und oberhalb 500°C nicht etwa, wie in der DE-PS 29 17 287 beschrieben, kürzer als 60 sec., sondern länger sein.
Da bekanntlich aber das Halten auf einer bestimmten Temperatur bei induktiver
Durchlauferwärmung schwierig ist, wird erfindungsgemäß eine ähnliche Kombination
wie beim Erwärmen auf Austenitisierungstemperatur vorgeschlagen:
- 1. Schnellerwärmen, beispielsweise induktiv auf 500°C <T < Ac1 (abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Stahles),
- 2. Halten, beispielsweise in einem widerstandsbeheizten Röhrenofen (ohne Schutzgas), wobei die Haltezeit abhängig vom Drahtdurchmesser und der Durchlaufgeschwindigkeit ist.
Bei einem Durchmesser von 12 mm sollte sie < 60 sec. betragen, um neben der Vermeidung
unliebsamer Seigerungen eine ausreichende Anzahl von versetzungshemmenden Karbiden zu
erzielen, bei einem Durchmesser von 20 mm aber noch < 120 sec. sein, um die erforderlichen
Halteöfen nicht über 15 m Länge zu bauen.
Die Abkühlung erfolgt anlagentechnisch ähnlich wie beim Abschrecken, aber in Wasser, bei
größerem Drahtdurchmesser (< 16 mm) mit starker Badbewegung.
Claims (9)
1. Verfahren zum kontinuierlichen Vergüten von Stahldraht, insbesondere Federstahldraht,
wobei ein Erwärmen auf eine Temperatur im Austenitbereich, ein Abschrecken, ein Anlassen
und ein Abkühlen des Drahtes vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- 1. Schnellerwärmen des Drahtes auf eine Temperatur im Austenitbereich mit einer Geschwindigkeit zwischen 85 und 100°C/sec.;
- 2. Halten des Stahldrahtes im Austenitbereich während einer Zeit von 10-60 sec.;
- 3. Abschrecken des Stahldrahtes bis auf Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit < 80 °C/sec.;
- 4. Schnellerwärmung auf Anlaßtemperatur mit einer Geschwindigkeit von 85 bis 95 °C/sec.;
- 5. Halten auf Anlaßtemperatur während einer Zeit von 60 bis 120 sec.;
- 6. Abkühlen des Drahtes mit einer für Wasserkühlung üblichen Geschwindigkeit von < 50 °C/sec.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schritt 2 und 3 der
Draht dicht oberhalb der Ar3-Temperatur gewalzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schritten 2 und 3
- a) eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb Ar3 günstigerweise unterhalb der Perlit- bzw. Bainit-Bildungstemperatur und oberhalb der Ms-Temperatur erfolgt und
- b) anschließend der Draht gewalzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellerwärmen gemäß den
Schritten 1 und 4 induktiv erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Erwärmung von
Stahldrähten mit einem Durchmesser bis 10 mm mit Hochfrequenz erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Erwärmung von
Stahldrähten mit einem Durchmesser von größer als 10 mm mit Mittelfrequenz erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halten im
Austenitisierungsbereich mit Widerstandsbeheizung erfolgt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein widerstandsbeheizter Röhrenofen vorgesehen ist, wobei die Röhren mit Schutzgas
geflutet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Walzen ein
Kalibrieren des Stahldrahtes mit Hilfe einer Druckdüse erfolgt.
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DE19934340568 DE4340568C2 (de) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | Verfahren zum kontinuierlichen Vergüten von Stahldraht |
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DE19934340568 DE4340568C2 (de) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | Verfahren zum kontinuierlichen Vergüten von Stahldraht |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4340568A1 true DE4340568A1 (de) | 1995-06-01 |
DE4340568C2 DE4340568C2 (de) | 1996-04-18 |
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ID=6503675
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934340568 Expired - Lifetime DE4340568C2 (de) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | Verfahren zum kontinuierlichen Vergüten von Stahldraht |
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