DE878504C

DE878504C - Verfahren und Anordnung zur Waermebehandlung von Metallteilen, insbesondere Stahl- und Eisenteilen

Info

Publication number: DE878504C
Application number: DEG2041D
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl-Ing Gumprecht
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1944-04-22
Filing date: 1944-04-22
Publication date: 1953-06-05

Description

Verfahren und Anordnung zur Wärmebehandlung von Metallteilen, insbesondere Stahl- und Eisenteilen Es ist bekannt, bei der Herstellung von Stahlteilen und Halbzeugen, beispielsweise Stangen, Rohren, Bändern und Profilstücken sowie von ähnlichen Werkstücken, die in kaltem Zustand in einer oder mehreren Stufen verformt «erden:, diese zwischenzuglühen. Die Anzahl der Zwischenglühungen richtet sich nach der Art des Werkstoffs, seinen Legierunbskomponenten und. dem Verformungsgrad. Für die Durchführung dieser Wärmebehandlungen stehen heute elektrische und auch gasgefeuerte Öfen zur Verfügung, wobei die zu behandelnden Stahlteile in größeren Mengen zusammengefaßt «-erden und entweder durch die strahlende Wärme der Muffeln oder auch durch die Heizgase selbst erwärmt werden. Diese Ofen benötigen sowohl wegen des großen Einssatzes wie auch wegen ihrer Feuerungsart einen großen Platz. Die Wärmebehandlungseinrichtung wird dann besonders schwierig, wenn vergleichsweise hoheTemperaturen gefordert werden und trotzdem der Einsatz in seiner Gesamtheit auf eine gleichmäßige Temperatur gebracht werden muß. Es ist deshalb notw,endig, die Wärmebehandlung über einen längeren Zeitraum zu verteilen, damit eine gleichmäßige Durchwärmung sämtlicher Teile mit. Sicherheit erfolgt. Zusätzliche Einrichtungen, wie beispielsweise Luftumwälzvorrichtunigen, müssen im allgemeinen bei derartigen Öfen Anwendung finden. Des weiteren müssen die in Einzelstücken anfallenden Stahlteile zusammengestellt und über Förderanlagen. zu den Wärmebehandlungsöfen hingebracht werden. Das gleiche gilt im übrigen auch für den Abtransport. Des weiteren entstehen Schwierigkeiten deshalb, weil entweder der Einsatz, im Ofen abkühlt und deswegen während einer längeren Zeitdauer der Ofen unbenutzbar ist, oder die gesamte Wärmekapazität der Beschickung an einen. ges!onderten Ort ausstrahlt. Alle diese Wärmebehandlungsöfen machen einen kontinuierlichen Alblauf von Verformung und Wärmebehandlung unmöglich, so daß laufende Fertigung, wie sie bei allen diesen Betrieben -wünschenswert erscheint, nicht vorgenommen werden kann.
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, Kaltverformung und Wärmebehandlung miteinander zu vereinigen und. kontinuierlich zu gestalten. Unter Wärmebeh.andlungbraucht dabei nicht nur die Zwischenglühung zwischen den einzelnen Stufen .der Kalttverform:ung verstanden zu werden, sondern es rechnet hierzu beispielsweise auch das Normalglühen, gegebenenfalls auch das Härten, das Vergüten und Anlassen hinzu. Der Erfindungsgedanke wird dadurch verwirklicht, daß,die Wärmebehandlung mit Hilfe von Induktionserwärmungseinrichtungen durchgeführt -wird. Hierbei gelingt es nämlich, auf vergleichsweise, kleinem Raum hohe Erwärmungsleistungen zu konzentrieren, so daß die gewünschten Temperaturen der Wärmebeh.andlung an Ort und Stelle innerhalb des Fabrikationsablaufs vorgenommen werden können, wobei außerdem durch .die leichte Überwachung und Steuerbarken oder Induktionserwärmungsvorrichtung mit Sicherheit die gewünschte Temperatur getroffen wird.
Um die Anwendbarkeit des Erfindungsgedankens näher zu kennzeichnen, seien im folgenden einige Beispiele genannt, wobei aber äusdrücklich betont werden muß, ,das der Erfindungsgedanke hierauf nicht beschränkt -ist, sondern in allen ähnlieh gelagerten Fällen ebenfalls Anwendung finden kann. Es sei außerdem noch bemerkt, daß auch Vorgänge wie das Schweißen, wie später noch gezeigt werden soll, nach Art des vorliegenden Erfindungsgedankens in den Fertigungsvorgang und zwischen die einzelnen Wärmebehandlungen und Kaltverformungen eingeschaltet werden kann. Dabei ist der Schweißvorgang ebenfalls mit Hilfe von Induktionserwärmungseinrichtungen durchzuführen.
Zuvor .aber muß noch bemerkt wenden, .d:aß die Induktionserwärmungsvorrichtungen, die mit Wechselstrom der verschiedensten! Frequenz arbeiten können, nach Größe -der zu behandelnden Werkstücke und nach den geforderten Temperaturbereichen ausgelegt werden müssen. Handelt es sich um Rundstähle mit einem Durchmesser von etwa 15 bis 3o mm, so wird die induktive Erwärmungsvorrichtung beispielsweise mit einer Frequenz von etwa 16oo Hz betrieben werden, insbesondere dann, wenn die Temperaturen der Wärmebehandlungen im Bereich des magnetischen Umwandlungspunkts oder darüber hinaus liegen. Es kann durch .die Wahl einer höheren Frequenz die Leistungskonzentration auf kleinem Raum höher getrieben werden. Es besteht jedoch eine. Grenze darin, @daß mit Erhöhung der Frequenz die Durchwärrnungder betreffenden zu behandelnden Stücke untrer Umständen schwieriger wird und der Gewinn an Platzbedarf mit einem Verlust in Behandlungszeit erkauft werden muß, da die Erzeugung der Wärme dann nur in einer so kleinen Schicht erfolgt, daß nur die Wärmeleitung für die Durchwärmung des Werkstücks maßgebend wird. Dabei kann es! .vorkommen., daß bei zu hoher Frequenz und gleichzeitig zu hoher spezifischer Leistung eine Überhitzung der Außenhaut des Werkstücks auftritt, ehe die Wärmeleitung den gesamten Querschnitt des Werkstücks durchsetzt hat.
Die Wärmebehandlungseinrichtung für Querschnitte über 8o mm und Temperaturbereichen bis etwa goo° C kann mit Netzfrequenz erfolgen, wobei ,die Ankopplun!g ,der im allgemeinen aus mehrwindigen Spulen bestehenden Erwärmungseinrichtung an das eigentliche Werkstück durch zusätzliche Eisenkörper erfolgt, .da hierdurch die Streuinduktivitäten verkleinert werden.
Handelt es sich,darum, Schweißvorgänge bei der Wärmebehandlung mit vorzusehen, so muß im Gegensatz zu dem eben Gesagten an einzelnen Stellen des Werkstücks eine so hohe Stromkonzentration auftreten, daß.!diese und lediglich. diese Teile zum Schmelzfluß gebracht werden. Bei dieser Art der Wärmebehandlung empfiehlt es sich dann vergleichsweise, hoheFrequenzen mit hohenLeistungen und Stromdichten zu verwenden, bei denen eine Erwärmung !der Stahlteile an denen derInduktionserwärrnungseinrichtung benachbartesten Stellen innerhalb kürzester Zeit sichergestellt ist. Hierbei kann es sich also empfehlen, auf Frequenzbereiche von iooooi Hz und höher hinaus zu gehen.
Die Verarbeitung von Stabstahl erfolgt so, daß auf einer Ziehbank in mehreren Verformungsstufen der Ouerschnitt .das Werkstoffs verkleinert wird. Z-vischen den einzelnen Verformungsstufen müssen Zwischenglühungen eingeschaltet werden; nach der letzten Verformung ,wird eine Wärmebehandlung, d. h. also entweder Weichglühen. oder Normalglühen oder Vergütung, angeschlossen. Entsprechend dem vorliegenden: Erfindungsgedanken werden die einzelnen Stufen des Zwischenglühens sofort im Anschluß an die vorhergehende Kaltverformung praktisch unmittelbar anschließend an den Ziehstein vorgenommen, so daß der ganze Arbeitsgang kontinuierlich verläuft. Anschließend an die erfolgte Wärmebehandlung kann nach entsprechender Abkühlung, sei es an; Luft oder durch ein geeignetes Mittel; :der zweite Ziehvorgang angeschlossen, werden. Das gleiche gilt für die anderen Ziehstufen und sinngemäß auch für den letzten. Arbeitsgang der Wärmebehandlung, d. h. für das Weich- oder Normalglühen oder das Vergüten.
Das gleiche Verfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung kann in der gleichen Form auch für die Verformung vorn Rohren. der verschiedensten Ouerschnitte und Wandstärken benutzt werden. Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren mit geringfügigen, Abweichungen auch bei Profilstäben, die gewalzt oder gezogen Werden, Anwendung finden.
Bei den bisher angewendeten Verfahren zur Erzeugung von Bandstahl und auch Drähten werden nach der Kaltverformung diese Stahlerzeugnisse in Ringen aufgewickelt -und dann. in sogenannten Tieföfen zwischen- oder weichgeglüht. Erst dann können sie ihrem eigentlichen Verwendungszweck zugeführt werden. Im Sinne der vorliegenden, Erfinidung wird die; Wärmebehandlung mit Hilfe der Induktionserwärmungseinrichtung vor der Aufwickelvorrichtung angeordnet, so daß es möglich ist, die Zwischen- oder Weichglühung in den gesamten Fabrikationsvorgang einzureihen und die Tieföfen mit der stets notwendigen Stapelarbeit und der Unterbrechung im kontinuierlichen Fabrikationsvorgang zu vermeiden.
Elektrisch, @d. h. mit Elektroden oder Kohle oder auch autogen geschweißte Rohre müssen, um Spannungen für die Weiterverarbeitung zu vermeiden, nach den bisherigen Verfahren in entsprechenden gas- oder elektrisch beheizten Öfen einer Ausgleichswärmebehandlung unterworfen werden. Das gleiche gilt auch für diejenigen geschweißten Rohre, die dann durch Zieh- oder sonstige Verformungseinrichtungen auf kleinere Durchmesser und Wandstärken gezogen werden sollen. Unter Anwendung .des erfindungsgemäß durchzuführenden Verfahrens wird unmittelbar im Anschluß an die Schweißung der Rohre die Induktionserwärmungsvorrichtung angeschlossen, so daß auch hier eine kontinuierliche Fabrikation unter Vermeidung der sonst notwendigen großen Öfen möglich ist.
Sollen beispielsweise Rohre aus Flachmaterial hergestellt werden, so können diese im Sinne einer mehrfachen Anwendung der vorliegenden Erfindung angefertigt wenden. Bandstahl wird im flachen Anlieferungszustand zunächst geglüht, und zwar auch in. der Induktionserwärmungsvorrichtung, anschließend gebogen und nunmehr unter Anwendung des Induktionsächweiß:verfahrens zu dichtenRohren verarbeitet. Die Art und Anwendung des Induktionsschweißverfahrens ist zwar bereits vorgeschlagen worden, gehört aber noch nicht zum Stand .der Technik. Anschließend an diesen Herstellungsprozeß kann nunmehr nochein Spannungsfreiglühen -des so hergestellten Rohres nachgeschaltet werden.
Die Induktionserwärmungseinrichtungen müssen den einzelnen Anwendungszwecken entsprechend angepaßt werden. Handelt es sich um die Anwendung von ?Netzfrequenz, so können entweder bei großer räumlicher Ausdehnung der zu behandelnden Teile oder der Möglichkeit einer großen flächenmäßigen Ausdehnung der Behanidlungsspule die zur Verfügung stehenden Netzspann,unge@n, Wie 220 und 380 V Wechsel- und .Drehstrom, unmittelbar ausgenutzt werden. In anderen Fällen empfiehlt es sich, sogenannte Hochstromzwischentran.sformatoren zu verwenden. Das gilt in ähnlicher Form auch bei der Anwendung von Mittelfrequenzen, da es hierdurch gelingt, auf außerordentlich kleinem Raum mit ein- bis eüwa dreiwindigen Heizspulen auszukommen, die dann entsprechende Stromdichten führen. In allen Fällen wird die Anwendung von Eisenkopplung innerhalb des Transformators und Zwischenwerkstücks und Heizspule empfohlen.
Da die Behandlungszeiten gegenüber den bisher bekanntgewordenen Verfahren außerordentlich gering sind (sie liegen in der Größenordnung von d. bis 5 m/min. unter Anwendung von Leistungen in der Größenordnung von zoo kW, gerechnet für Stabstahl in den Abmessungen von 2o bis 40 mm), so ist es notwendig, die Temperatur höher zu wählen als beiden bisher angewendeten Verfahren. Hierdurch gelingt es aber auch, die Festigkeitseigenschaften der warmbehandelten Stähle mitunter recht erheblich zu verbessern, und- zwar bezieht sich dies insbesondere auf :die Zähigkeit und Einschnürung, die bei gleicher Festigkeit wesentlich höhere Werte wie bisher .bekannt annehmen. Die Höhe .der bei. der Behandlung notwendigen Temperatur ist abhängig von den Legierungsbestandteilen, die der Stahl aufweist, und von den gewünschten Festigkeitseigenschaften. Beispielsweise bei Stählen, die sonst bei Temperaturen. von etwa 6oo bis 65o° C angelassen werden, liegt der günstigste Bereich -beiden Weiter oben angegebenen Geschwindigkeiten :der Wärmebehandlung im Bereich von 8oo bis goo° C, d. h. zum Teil erheblich über der eigentlichen notwendigen Härtetemperatur; jedoch setzt,die sonst bei Überschreitung der bekannten Anlaßtemperatur von 6oo° C auftretende Kornvergröberung nicht ein, im Gegenteil bleibt die Feinkörni.gkeit des Gefüges erhalten. Entsprechend müssen auch je nach dem Verformungsgrad und insbesondere in den Gebieten der kritischen Verformung die Temperaturen beim vorliegenden Verfahren höher gewählt werden, damit eine einwandfreie Rekrista.llisation bzw. ein Weichglühen im gewünschten Sinne einsetzt.
Jedes Halbzeug oder Stahlstück wird bei dem erfindungsgemäß. durchzuführenden Verfahren für sich getrennt behandelt und kann daher mit Leichtigkeit unmittelbar anschließendeinerPrüfung unterzogen Werden. Bezeichnet diese Prüfung das betreffende Stahlstück. als Ausschuß, so kann durch Änderung der zugeführten Leistung zur Induktionsheizvorrichtung oder durch Änderung der Behandlungs@geschwindigkeit sofort Abhilfe geschaffen werden. Desgleichen können @die Temperat.urüberwachungsglieder wie Temperaturums:chlagsfarben, optische Teilstrahlungs- und Gesamtstrahlungspyrometer mit subjektiver und objektiver Ablesung oder .gegebenenfalls auch mit Kopplung eines Schreibens jedes Einzelstück genauestens überwachen und auch gleichzeitig die Heizvorrichtung regeln. Es hat sich nämlich gezeigt, daß durch die Einhaltung des genauen Temperaturbereichs die bisher immer in Kauf genommenen Streuungen in. den Zu:gfestigkeitswerten beispielsweise von Baustählen durch :die Anwendung des neuen Verfahrens außerordentlich verringert werden. Lagen bisher etwa die Streuungen im Bereich von 15 bis a0 kg/mm2, so werden Festigkeitswerte von 3 bis q. kg/mm2 bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung genau eingehalten.
Die Induktionserwärmungsvo:rrichtung bildet für :das Glühen von tgeschweißten Rohren, die nach der Schweißung erhitzt werden, gleichzeitig ein Prüfungsverfahren, .da nur bei einwandfrei durchgeführter Schweißnaht die am Umfang der Rotire induzierten Wirbelströme einen gleichmäßigen Verlauf nehmen. Ist nämlich die Schweißnaht nicht einwandfrei und besitzt sie Fehlstellen oder Risse; so erfolgt an .der Stelle der Strominduzierung ein ungleichmäßiger Stromverlauf und damit auch eine ungleichmäßige Erwärmung selbst. Es ist dies also gleichzeitig ein Kriterium für :die Güte der Schweißung, und eis können Ausschußstücke sofort erkannt und aussortiert werden. Das gleiche gilt auch für an, der Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke befindliche Risse, da auch diese einen veränderten Stromweg und damit eine ungleichmäßige Erwärmung zur Folge haben.
Die Induktionserwärmung für die verschiedensten Zwecke, wie Härten, Oberflächenhärten und Anlassen einzelner Teile, war zwar bekannt, jedoch hatte sie bisher noch keine Anwendüng gefunden währernd:der Behandlung vorn Stahl und Halbzeugen innerhalb der einzelnen Fabrikationsvorgänge. Abgesehen von diesem für den Fertigungsvorgang und den Platzbedarf der Fertigung erzielten Vorteil bringt die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung weiterhin eine Qualitätssteigerung, so daß die betreffenden; Stähle mit geringeren Legierungskomponenten versehen werden können und trotzdem die gleichen geforderten, Festigkeitseigenschaftben haben wie diejenigen, die nach dem alten Verfahren mit einem höheren Anteil an Legierungselementen versehen waren.
Das für Eisen- und Stahlteile gekennzeichnete Verfahren. gemäß der Erfindung kann auch auf die Wärmebehandlung von Gußeisenteilen oder von Nichteisenmetallen Anwendung finden. Das gilt in besonderem Maße für alle diejenigen Warmbehandlungen, die nach .dar Verformung von Leichtmetallen auftreten, wenn auch hierbei dieTemperaturbereiche im allgemeinen erheblich niedriger liegen,

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Ausführung von Wärmebehandlungen an Metallteilen, insbesondere an Stahl- und Eisenteilen zwischen und nach Kaltverformungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung mit Hilfe von Induktionserwärmungseinrichtungen auf kleinem Raum kontinuierlich während (des Fabrikationsablaufs vorgenommen wird. a. Anwendung des: Verfahrens nach Anspruch i bei der Verarbeitung und Weiterverformung von Stabstahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung mit der Induktionserwärmunigsvorrichtung auf der Ziehbank zwischen den einzelnen Ziehstufen vorgenommen wird. 3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Wärmebehandlung während der Herstellung von nahtlosen Rohren vorgenommen wird. ¢. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch :gekennzeichnet, daß die induktive Wärmebehan.dlunig während der Verarbeitung von Profilstäben durch Walzen oder Ziehen vorgenommen wird. 5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch i beider Herstellung von Bandstahl und Drähten, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Wärmebehandlung nach der Kaltverformung und vor,der Aufwickelvorrichtun:g vorgenommen wird. 6. Verfahren nach Anspruch i zur Warmbehandlung voni geschweißten Rohren,, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der elektrischen oder autogenen Schweißung die Ausgleichswärmebehandlung durch eine Induktionsvorrichtung vorgenommen wird, die gleichzeitig als Prüfung für Fehlstellen in der Schweißnaht dient. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet"daß bei geschweißten Rohren nach der Ausgleichswärmebehandlung und einer anschließenden Verarbeitung :durch Verformung die induktive Wärmebehandlung zwischen die einzelnenVerformungsstufen eingeschaltet wird. B. Verfahren nach Anspruch i bei der Herstellung von Rohren aus Flachmaterial, dadurch gekennzeichnet, @daß sämtliche notwendigen Wärmebehandlungen induktiv durchgeführt -,werden, wobei -das Schweißen ,der Rohre nach Art ,des Induktionsschweißverfahrens vorgenommen wird. g. Verfahren nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet, @daß die induktive Wärmebehandlung in kurzer Zeit unter Anwendung höherer Temperaturen durchgeführt wird, als sie bei den bisher angewandten Verfahren üblich sind. io. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die In, duktionserwärmungseinrichtung zur Anzeige von Fehlern in tangentialer Richtung der Werkstücke herangezogen wird. v i. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei großen Werkstoffquerschnitten, die Induktionserwärinungseinrichtung unmittelbar an Netzspannung angeschlossen. ist. 1z. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet, :daß die Induktionserwärmungseinrichtung an einen Hochstromtrans.formator angeschlossen ist, der jeweils für I1Tetzfrequenz oder Mittelfrequenz ausgelegt ist und bei dem sowohl zwischen Primär- wie Sekundärwicklung wie auch zwischen der angeschlossenen Heizspule und dem Werkstück eine Eisenkopplung besteht.