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Verfahren und Vorrichtung zur Bad-Patentierung Zu dem Zweck, einem
Stahldraht ein für das nachfolgende Ziehen auf hohe Festigkeit besonders günstiges
Gefüge zu geben, wird das sogenannte Patentieren angewendet. Dieses besteht in,
einem Erhitzen auf Temperaturen oberhalb A" und einer zweckentsprechenden, meist
beschleunigten Abkühlung, z. B. in Blei- oder Salzbädern oder an Luft. Meistens
wird das Patentieren als Durchlaufverfahren durchgeführt.
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Die berim Patentieren vor sich gehenden Umwandlung9vorgänge seien
an Hand der Abbildung erläutert, wobei der Einfachheit halber hier vernachlässigt
wurde, daß sich die Umwandlung bei kontinuierlicher Abkühlung gegenüber der isothermen
Temperaturführung zu längeren Zeiten verschiebt.
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Die in der Abbildung wiedergegebenen; S-förmigen Kurven geben den
Beginn und das Ende der Austänitumwandlung des Stahles bei verschiedenen Temperaturen
wieder und kennzeichnen damit das Umwandlungsbestreben des Stahles. Wird der Stahldraht
bei der üblichen Patentierung in einem Bleibad von beispielsweise 5oo° C abgekühlt,
so stellt sich ein Abkühlungsverlauf gemäß Kurve 1 ein. Die Abkühlungsgeschwindigkeit
des Drahtes wird hiernach immer geringer, je näher seine Temperatur der Badtemperatur
Tpb kommt, die der Draht dann bis zum Verlassen des Bades beibehält.
Die
Umwandlung des Drahtes beginnt bei dem Schnittpunkt A1 der Abkühlungskurve mit der
vorderen S-Kurve, d. h., der Stahl hat sich nach Erreichen der Temperatur TA, schon
so lange im UmwandluDgsgebiet befunden, daß die Umwandlung nach Z,41 Sekunden beginnt.
Bei Bi, dem Schnittpunkt der Abkühlungskurve mit der S-Kurve für beendigte Umwandlung
mit der Temperatur TB, bei der Zeit ZBi, ist die Umwandlung abgeschlossen. Da Gefügeausbildung
und Festigkeit des Stahles von der Umwandlungstemperatur abhängig sind, zeigt das
erst bei der tieferen Temperatur TBl entstandene Gefüge in seinem Aufbau und seiner
Festigkeit mehr oder weniger große Unterschiede gegenüber dem bereits bei
TA, entstandenen. Bei einem umwandlungs.trägeren Stahl wird die Umwandlung
bei etwas tieferen Temperaturen beginnen und damit die Festigkeit dieses Stahles
bei gleicher Badtemperatur höher werden als bei einem umwandlungsfreudigen Stahl.
Bei einem umwandlu gsfreudigen, untereutektoiden Stahl besteht insbesondere bei
geringeren, durch hohe Badtemperatur oder dicken Drahtquerschnitt bedingten
Ab-
kühlungsgeschwindigkeiten die Gefahr des Auftretens von voreutektoidem
Ferrit im Gefüge. In der Praxis gestalten sich die Abkühlungsverhältnisse für den
Draht häufig noch ungünstiger, als in der Abbildung dargestellt, da das Bleibad
an der Eintrittsstelle des Drahtes infolge der Wärmezufuhr durch den heißen Draht
eine örtliche Erwärmung erfährt, durch die- die Abkühlungsgeschwindigkeit des Drahtes
zu Beginn der Abkühlung weiter herabgesetzt wird. Daher wird bei der üblichen Patentierung
die Gefügeausbildung in gewissen Grenzen je nach der Chargeneigentümlichkeit und
den Abkühlungsbedingungen schwanken.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Badtemperatur beim Patentieren
von Stahldraht in Flüssigkeitsbädern über die Badlänge auf verschiedene Höhe einzustellen,
und zwar derart, daß der- Draht möglichst schnell auf die angestrebte Umwandlungstemperatur
abgekühlt und dann auf konstanter Temperatur gehalten wird, bis seine Umwandlung
zu Ende abgelaufen ist. In einfacher Weise läßt sich diese Bedingung dadurch einhalten,
daß die Badternperatur an der Eintrittsstelle des Drahtes z. B. durch örtliche Kühlung
oder geringere Wärmezufuhr möglichst tief gehalten wird und im anschließenden möglichst
schmalen Bereich bis zu der Temperatur ansteigt, die der angestrebten Umwandlungstemperatur
des Drahtes entspricht. Diese wird dann auch für den Restteil des Bades beibehalten.
Auf diese Weise wird beim Eintritt des Drahtes in das Bad eine sehr hohe A_bkiihlungsgeschivindigkeit
erreicht.
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Der kältere vordere Badteil wird zweckmäßig so bemessen, daß der Draht
etwa dann in den Bad.teil mit konstanter höherer Temperatur eintritt, wenner diese
Temperatur im kälteren Teil des Bades ungefähr erreicht hat.
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Der Temperaturverlauf des Bades ,gemäß Erfindung und der Abkühlungsverlauf
des Drahtes in einem solchen Bad sind aus der Abbildung ersichtlieh. Das Bad soll
z. B. ali der Eintrittsstelle des Drahtes eine Temperatur von etwa 300° C haben,
die nach einer kurzen Strecke schnell auf die Temperatur TA" ansteigt. Der in das
Bad eintretende Draht kühlt gemäß Kurve Il infolge des hohen Temperaturgefälles
schnell auf die Temperatur TA., -ab, die er nach der Zeit ZAO erreicht. Wegen der
schnellen Abkühlung war die Verweilzeit des Drahtes im Temperaturgebiet der Umwandlung
so kurz, daß die Umwandlung noch nicht begonnen hat.
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`Diese setzt erst nach ZA2 Sekunden beim Schnittpunkt A2 des waagerechten
Astes der Temperaturverlaufskurve mit der vorderen. S-Kurve des Stahles ein und
ist bei genau der gleichen Temperatur im Schnittpunkt B2 der Temperaturverlaufskurve
des Drahtes mit der S-Kurve für beendigte, Umwandlung abgeschlossen. Der erfindungsgemäß
wärmebehandelte Stahl weist daher ein einheitliches Gefüge auf, das in seinen Eigenschaften
dem Patentierungsgefüge alter Art weit überlegen ist. Die Gefahr der Entstehung
von voreutektoidem Ferr it ist beseitigt, da die Abkühlungskurve des Drahte die
S-Kurven erst unterhalb des Aursscbeidungsgebietes für Ferrit trifft.
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Die Festigkeit des in bisher üblicher Weise pa:tentierten Drahtes
ergibt sich als Mittel aus den Festigkeitswerten der bei den verschiedenen Temperaturen
entstandenen Gefügebestandteile. Durch entsprechende Einsteilung der Badtemperatur
kann die Gesamtfestigkeit des Drahtes bis zu. einem gewissen Grade beeinflußt werden,
wobei durch hohe Badtemperature.n eine niedrigere Festigkeit und durch tiefe Badtemperaturen
eine höhere Festigkeit erzielt wird.
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Die untere Grenze der Festigkeit bzw. die obere Grenze der Badtemperatur
ist neben dem-Auftreten von vo-reutektoidem Ferrit dadurch gegeben, daß der zu.
Beginn der Umwandlung (in der Nähe des Punktes Al der Abbildung) entstandene Perlit
zu groblamellar wird und ungünstige Zieheigenschaften aufweist. Wenn der Anteil
dieser Perlitart am Gesamtgefüge zu groß wird, werden die Gebrauchseigenschaften
des Drahtes in untragbarem Maße verschlechtert, obwohl bei den tieferen Temperaturen
der Umwandlung ein günstigeres Gefüge mit allerdings höherer Festigkeit entstanden
ist.
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Nach, oben ist die Festigkeit des in bisher üblicher Weise patentierten
Drahtes durch die Bildung von 1lartensitinseln und von schlecht verformbarem Sorbit
gegeben, der gegen Ende der Umwandlung, also bei der niedrigsten Temperatur des
Umwandlunigsbereiches in der Nähe des Punktes Bi der Abbildung entsteht. Auch hier
ist wiederum zu berücksichtigen, daß sich zu Beginn der Umwandlung gut verformbare
Gefügebestandteile mit niedrigerer Festigkeit gebildet haben, deren günstige Eigenschaften
aber durch den entstandenen Martensit und schlecht verformbaren Sorbit überdeckt
werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß bei der bisherigen Patentierungsart
durch Veränderung der Badternperatur der gesamte Umwandlungsbereich verschoben «-erden
kann, daß aber die hierbei erzielten Festigkeits-,verte! nicht den
Grenzwerten
des Umwandlungsbereiches entsprechen, sondern nur einer mittleren. Festigkeit für
den, jeweiligen Umwandlungsbereich.
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Bei der isothermen Patentierung sind die, Grenzen für die Umwandlungstemperatur
etwa die gleichen wie bei der Patentierung alter Art. Da aber bei der Patentierung
gemäß Erfindung die gesamte Umwandlung nur bei einer Temperatur abläuft und sich
nicht über einen Temperaturbereich, erstreckt, entsprechen die erzielten Festigkeitswerte,
den Festigkeitswerten der Gefügebestandteile der Grenztemperaturen. Es kann also
bei der Patentierung gemäß Erfindung die Festigkeit innerhalb wesentlich weiterer
Grenzen verändert und damit den technischen Anforderungen angepaßt werden, als dies
bisher möglich war.
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Das Arbeitsverfahren gemäß der Erfindung kann für die praktischen
Bedürfnisse dadurch besonders günstig gestaltet werden, daß an der Eintrittsstelle
des Drahtes eine einfache Kühleinrichtung eingebaut wird, die auf eine mehr oder
weniger lange Strecke in das Bad-eintaucht oder mehr oder weniger stark mit einem
Kühlmittel beschickt wird, so daß die Stärke der Kühlwirkung und die Länge der Kühlstrecke
dem Drahtquerschnitt, der Dralitgeschwindigkeit, dem Umwandlungsbestreben des Stahles
und den sonstigen Anforderungen bequem angepaßt werden können. Man kann auch so
vorgehen, daß der kältere Badteil, in den der Draht Eintritt, durch Zwischenwände
mit Durchtrittsöffnungen für den Draht von dem übrigen, auf höherer Temperatur ble°findlichen
Teil des Bades abgetrennt wird.
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Um die Schmelzpunkte der beiden Badteile den Arbeitstemperaturen anzupassen,
kann auch mit verschiedenen Badzusammensetzungen für den kälteren und für den wärmeren
Teil des Bades gearbeitet werden, wobei allerdings unter Umständen damit gerechnet
werden muß, daß Teile des ersten Badteiles in den zweiten Badteil verschleppt werden.
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Nach genügend langem Halten auf der Umwandlungstemperatur tritt der
Draht aus dem Wärmebehandlungsbad aus und kühlt beliebig, z. B. an Luft, weiter
ab.
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In entsprechender Abwandlung läßt sich das Verfahren auch auf die
Wärmebehandlung anderer Erzeugnisse, z. B. Bänder, anwenden.
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Wenn oberhalb bestimmter Querschnitte - die obeire Grenze ist unter
anderem abhängig von der Drahtanalyse, der Drahtgeschwindigkeit, der Badzusammensetzung,
der angestrebten Umwandlungstempera.tur u:sw. - durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung
keine so große Abkühlungsgeschwin< digkeit erzielt wird, daß der Draht vollkommen
die Temperatur des wärmeren Badteileis angenommen hat, bevor seine Umwandlung beginnt,
so wird durch diese Maßnahme doch eine wesentliche Verbesserung der Drahteigenschaften
erzielt.