EP0049340A1 - Verfahren zur Bestimmung der Abschreckwirkung eines Abschreck-mediums, insbesondere beim Härten von Stahl - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Abschreckwirkung eines Abschreck-mediums, insbesondere beim Härten von Stahl Download PDF

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EP0049340A1
EP0049340A1 EP81105887A EP81105887A EP0049340A1 EP 0049340 A1 EP0049340 A1 EP 0049340A1 EP 81105887 A EP81105887 A EP 81105887A EP 81105887 A EP81105887 A EP 81105887A EP 0049340 A1 EP0049340 A1 EP 0049340A1
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EP
European Patent Office
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test specimen
quenching
hardness
specimen
location
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP81105887A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Dr.-Ing. Wünning
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Original Assignee
Individual
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/55—Hardenability tests, e.g. end-quench tests

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the quenching effect of a quenching medium which brings about a abrupt cooling of steel workpieces, in particular when hardening steel, in which a specimen made of steel is quenched by means of the quenching medium and then hardness measurements are carried out on the quenched specimen, from which a characteristic parameter for the quenching effect is derived.
  • the invention also relates to a test specimen for carrying out this method.
  • the hardening of workpieces made of steel is usually carried out in such a way that the workpieces are brought to the hardening temperature in a furnace chamber and then cooled abruptly by a quenching medium, i.e. be deterred.
  • a quenching medium i.e. be deterred.
  • Water or oil is predominantly used as the quenching medium, the workpieces then being immersed in corresponding water or oil baths, but it is also known to use salt baths or, in particular, air as a quenching medium for very large workpieces.
  • the properties of the hardened steel parts depend, among other things. on the quenching conditions.
  • quenching effect of water or oil baths is mostly only roughly described on the basis of empirical experience, for example by terms such as "mild" and
  • the quenching effect itself depends on the heat transfer between the workpiece and the quenching medium and is therefore difficult to obtain an accurate measurement because the heat transfer conditions are subject to strong changes during the quenching process.
  • a so-called film phase is obtained in the high temperature range (from about 600 to 800 0 C), during which a film vaporized quenching to form on the workpiece surface, which determines the heat transfer characteristic.
  • the temperature curve can only be measured with the required accuracy in the laboratory.
  • the essential influence of operating conditions such as quench bath circulation and temperature cannot be taken into account, while an indirect measurement of the heat flow density on the surface via the hardness of the material is not possible with silver and copper. This process is therefore of no operational importance.
  • the object of the invention is to provide a simple process which can be carried out under the practical conditions of the hardening shop and which allows a characteristic variable which is characteristic of the heat transfer during the quenching process and thus of the quenching effect to be determined with sufficient accuracy and which determines the determination of the cooling process Workpieces of different shapes, dimensions and material values permitted.
  • test specimens could only be used for the relative identification of the quenching effect, but not for the absolute determination of the heat transfer. Because of the distorted temperature profile, the measured values for hardness obtained at individual measuring points have no simple connection with the heat transfer on the surface.
  • the invention has now recognized that, surprisingly, in such a relatively large test specimen there is a location (depending on the shape of the body, a surface, a line or a point) which, even under the extreme heat transfer conditions, does little when quenched in water or oil relocated if a short start-up phase is neglected, which is insignificant in terms of hardening technology and if the volume / surface area (V / A) ratio of the test specimen is in the range between V / A of 2 to 12 mm.
  • This location below the surface of the test specimen is determined by the fact that when it is quenched, the cooling rate is approximately proportional to the heat flow density at the surface. It is therefore the location of the so-called integral mean temperature, which can be calculated using the theory of unsteady heat conduction processes.
  • test specimen made of an unalloyed or weakly alloyed steel with approx. 0.4% C is used, whereby in the In practice, a larger number of such test specimens can be produced from a uniform material, ie from a melt. Some of these test pieces can then be used as calibration pieces.
  • the procedure is such that the relationship between the measured hardness and the rate of cooling of the test specimen at the location of the integral mean temperature is determined in that, in the case of a calibration body made of the same material, the rate of cooling is initially immediately at the location of the integral mean temperature ⁇ / ⁇ t during the quenching process and then the hardness are measured.
  • the calibration is carried out at different hardness temperatures and, if appropriate, over different holding times, and a functional relationship (calibration curve) is established between the hardness and the cooling rate Z ⁇ 9 ⁇ t in a predetermined range.
  • a cylindrical test specimen with a diameter D of 8 to 48 mm and a length L of L> 3D can also be used, the hardness then being appropriately exposed at a distance X of 0.15D below the peripheral surface Cylinder surface is measured, which forms the pre-calculated location of the integral mean temperature.
  • a spherical test specimen with a diameter D of 12 to 72 mm can finally be used, in which the hardness is at a distance X of 0.11D below the surface correspondingly exposed spherical surface is measured, which here forms the location of the integral mean temperature.
  • this test specimen can have either a disk-shaped, cylindrical or spherical shape, as is the subject of subclaims.
  • a larger number of test specimens are made from a single material, namely unalloyed to weakly alloyed steel with approx. 0.4% C, from a melt.
  • Some of these samples are used as calibration bodies, heated to the respective hardening temperature and hardened in quenching baths with different quenching effects.
  • These calibration bodies 1 are formed in the manner shown in FIGS. 1 and 2 - just like the corresponding test bodies - in the form of thin hexagonal disks for which the thickness S is between 4 and 24 mm and the width (or diameter) L> 6 .S are.
  • the temperature curve is measured by means of the thermocouple 3 at a point which is at the aforementioned distance of 0.21 S from the upper end face of the calibrated body and is therefore on a cross-sectional area which. is referred to as the so-called place of the integral average temperature and thus is characterized in that on it the A is bkühlungsgeschwindig- ness is approximately proportional to the heat flow density Q at the surface during quenching are essential for the period of time.
  • This measured temperature profile during the quenching process in the hardness critical Temperature range is shown in Fig. 3.
  • the diagram shows that there is an essentially linear relationship between the cooling time t and the temperature administrated by the cooling time ⁇ t for the thermally critical temperature range A ⁇ , while the temperature profile on the surface (at the edge) and in the center (in the core) of this linear dependence differs significantly.
  • a milling 4 is carried out to the depth of the location of the integral mean temperature, i.e. 1 with a depth of 0.21 S, whereupon the hardness R is measured on the base of the depression.
  • the calibration curve shown in FIG. 4 is set up from the corresponding Q and R values obtained in this way.
  • test specimens mentioned at the outset which consist of the same material as the calibration bodies, are now used.
  • a test specimen is heated to the hardening temperature and then quenched using the quenching medium.
  • the recess 4 is attached and so that the location of the integral mean temperature is exposed. From the hardness R measured at this location, the corresponding value of the average heat flow density Q for the respective quenching medium is read off directly via the calibration curve according to FIG. 4.
  • the value of the average heat flow density Q is a direct parameter for the quenching effect to be achieved.
  • the quenching effect to be expected on the workpiece together with the quantities (surface, shape, thermal conductivity, etc.) which characterize the workpiece, can be predicted relatively precisely in a manner known per se.
  • Calibration test 1 oil with little movement
  • Calibration test 2 oil with strong circulation
  • ⁇ / ⁇ t 850 ⁇ 600 ° C
  • R 2 48 HRC calibration test 3 (water)
  • the calibration curve for the entire sample quantity according to FIG. 4 was determined using these three pairs of measured values (if necessary also more).
  • the quenching effect can be specified with an objective and absolute measured variable and checked during operation. The spread of hardness can be reduced and in certain cases the alloy content in the steel can be reduced.
  • a calibration test is sufficient if test specimens made of uniform material but of different thickness are quenched in a quenching medium at the same time.
  • other geometrically simple bodies can also be used as test and calibration bodies, which allow the location of the location of the integral mean temperature to be calculated without difficulty.
  • Cylinders and balls are preferred, the diameter D between 8 and 48 mm and the length L being greater than 3.
  • the circumferential surface of a disk-shaped test specimen can be thermally insulated, which also applies to the end face of a cylindrical test specimen.
  • This heat insulation must be heat-resistant to the extent that it can withstand the quenching process. It can consist, for example, of a ceramic layer, of asbestos or glass fiber fabric and the like.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Abschreckwirkung eines eine schroffe Abkühlung von stählernen Werkstücken bewirkenden Abschreckmediums, insbesondere beim Härten von Stahl, wird ein aus Stahl bestehender Probekörper verwendet, bei dem das Verhältnis V/A zwischen 2 und 12 mm liegt (V = Volumen, A = Oberfläche). Nach dem Abschrecken wird die Härte des Probekörpers an wenigstens einer Stelle an dem unterhalb der Oberfläche des Probekörpers liegenden Ort bestimmt, an dem beim Abschrecken die Abkühlungsgeschwindigkeit angenähert proportional zu der Wärmestromdichte an der Oberfläche ist (Ort der integralen mittleren Temperatur), worauf aus den Härtemeßergebnissen mittels der Werkstoffeigenschaften des Probekörpers die zugehörige Abkühlungsgeschwindigkeit Δϑ/Δt in dem für die Abschreckung jeweils wesentlichen Temperaturbereich Δϑ bestimmt und daraus nach der Formel Q = k. Δϑ/Δt der Mittelwert der Wärmestromdichte Q auf der Oberfläche des Probekörpers berechnet und dieser sodann als Kenngröße für die Abschreckwirkung verwendet wird (k = Materialkonstante für die Probekörper).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Abschreckwirkung eines eine schroffe Abkühlung von stählerenen Werkstücken bewirkenden Abschreckmediums, insbesondere beim Härten von Stahl, bei dem ein aus Stahl bestehender Probekörper mittels des Abschreckmediums abgeschreckt wird und sodann an dem abgeschreckten Probekörper Härtemessungen vorgenommen werden, aus denen eine für die Abschreckwirkung charakteristische Kenngröße abgeleitet wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf einen Probekörper zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Beim Härten von aus Stahl bestehenden Werkstücken wird in der Regel derart vorgegangen, daß die Werkstücke in einer Ofenkammer auf die Härtetemperatur gebracht und sodann durch ein Abschreckmedium schroff abgekühlt, d.h. abgeschreckt werden. Als Abschreckmedium wird überwiegend Wasser oder Öl verwendet, wobei die Werkstücke dann in entsprechende Wasser- oder Ölbäder eingetaucht werden, doch ist es auch bekannt, zu diesem Zwecke Salzbäder oder insbesondere für sehr große Werkstücke Luft als Abschreckmedium zu verwenden.
  • Die Eigenschaften der gehärteten Stahlteile hängen u.a. von den Abschreckbedingungen ab. In der Härtereipraxis wird dabei die sogenannte Abschreckwirkung von Wasser- oder Ölbädern meist lediglich aufgrund empirischer Erfahrungswerte grob beschrieben, beispielsweise durch Begriffe wie "mild" und
  • "schroff". Die Abschreckwirkung selbst hängt von dem Wärmeübergang zwischen dem Werkstück und dem Abschreckmedium ab und ist deshalb einer genauen Messung nur schwer zugänglich, weil die Wärmeübergangsbedingungen während des Abschreckvorganges starken Änderungen unterworfen sind. Beim Eintauchen eines erwärmten Werkstückes in ein Wasser- oder ölbad ergibt sich in dem hohen Temperaturbereich (von ca. 600 bis 8000 C) zunächst eine sogenannte Filmphase, während der sich ein Film verdampften Abschreckmediums auf der Werkstückoberfläche bildet, der den Wärmeübergangswert bestimmt. Bei absinkender Oberflächentemperatur setzt beispielsweise in der Gegend von 500 C in der Nähe der Werkstückoberfläche ein Siedevorgang ein, der eine Blasenbildung zur Folge hat, die ihrerseits einen Rühreffekt hervorruft, durch den der Wärmeübergangswert steil auf einen extrem hohen Wert ansteigt, um nach einer gewissen Haltezeit auf einen Wert abzusinken, der niedriger liegt als während der Filmphase und dessen Größe dadurch bestimmt ist, daß nunmehr der Wärmeaustausch zwischen der Werkstückoberfläche und dem umgebenden Medium bis zur vollständigen Auskühlung des Werkstückes durch Konvektion stattfindet.
  • Um trotz dieser grundsätzlichen. technologischen Schwierigkeiten die Abschreckwirkung von Abschreckbädern vergleichsweise abschätzen zu können, wird in der Praxis häufig die sogenannte H-Wert-Methode nach Grossmann benutzt (vgl. beispielsweise "Härtereitechnische Mitteilungen" Band 6, Heft 2 (1953, Seiten 9 ff.). Bei diesem Verfahren wird in starker Vereinfachung des Abschreckvorganges die sogenannte Abschreckintensität H mit einem mittleren Wärme- übergangskoeffizienten für den Wärmeübergang von dem Werkstück auf das Abschreckmedium definiert. Die Messung des H-Wertes erfolgt meist indirekt über Härtemessungen an einem in dem Härtemedium abgeschreckten Stahl-Probekörper. Dabei geht das Verfahren von der Vorstellung aus, daß innerhalb verschiedener Querschnitte von unterschiedlich dimensionierten gehärteten Werkstücken desselben Stahles alle Punkte mit gleichen Härtewerten während des Abschreckens auch die gleiche Abkühlungsgeschwindigkeit erfahren haben. Mit dem aus den Härtemessungen gewonnenen H-Wert kann sodann eine Umrechnung auf andere Werkstückformen und -querschnitte erfolgen. Diese Methode ist aus prinzipiellen Gründen verhältnismäßig ungenau; auch stellt der H-Wert nur einen Richtwert dar, der nicht direkt überprüft werden kann. Bei einem anderen bekannten Verfahren, der sogenannten Silber- kugel-Methode,wird ein insbesondere kugelförmiger Probekörper aus Silber (gegebenenfalls auch aus Kupfer) in das Abschreckmedium eingebracht, wobei der Temperaturverlauf während des Abschreckvorganges gemessen wird. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Silber (gegebenenfalls Kupfer) treten in einem Probekörper bis etwa 20 mm Wandstärke selbst bei hoher Abschreckwirkung nur geringe Temperaturunterschiede auf. Es kann deshalb aus dem Abkühlungsverlauf der Wärmeübergang an der Oberfläche des Probekörpers einfach berechnet werden:
    Figure imgb0001
    • Q - Wärmestromdichte an der Oberfläche in MW/m2
    • c - spezifische Wärmekapazität des Werkstoffs in J/(kg.K) 8- Dichte des Werkstoffs in kg/m 3
    • V - Volumen der Probe in m3
    • A - Oberfläche der Probe in m2
    • Δϑ- Temperaturintervall in K
    • Δt- Zeitintervall in s
    • k - Faktor für bestimmte Probe in 10-6.J/(m2.K)
  • Die Messung des Temperaturverlaufes kann aber mit der erforderlichen Genauigkeit nur im Laboratorium erfolgen. Auch kann der wesentliche Einfluß von Betriebsbedingungen, wie Abschreckbadumwälzung und -temperatur nicht berücksichtigt werden, während eine indirekte Messung der Wärmestromdichte an der Oberfläche über die Härte des Materials bei Silber und Kupfer nicht möglich ist. Diesem Verfahren kommt deshalb keine betriebstechnische Bedeutung zu.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches unter den praktischen Bedingungen des Härtereibetriebes durchführbares Verfahren zu schaffen, das es gestattet, mit ausreichender Genauigkeit eine für die Wärmeübertragung während des Abschreckvorganges und damit für die Abschreckwirkung unmittelbar charakteristische Kenngröße zu ermitteln, die die Bestimmung des Abkühlungsverlaufes bei Werkstücken verschiedener Form, Abmessungen und Stoffwerte gestattet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren, bei dem ein aus Stahl bestehender Probekörper benutzt wird, erfindungsgemäß derart vorgegangen, daß:
    • a) ein Probekörper verwendet wird, bei dem das Verhältnis V/A zwischen 2 und 12 mm liegt (V = Volumen, A = Oberfläche),
    • b) nach dem Abschrecken die Härte des Probekörpers an wenigstens einer Stelle an dem unterhalb der Oberfläche des Probekörpers liegenden Ort bestimmt wird, an dem beim Abschrecken die Abkühlungsgeschwindig- keit angenähert proportional zu der Wärmestromdichte an der Oberfläche ist (Ort der integralen mittleren Temperatur,
    • c) aus den Härtemeßergebnissen mittels der Werkstoffeigenschaften des Probekörpers die zugehörige Abkühlungsgeschwindigkeit Δϑ/Δt in dem für die Abschreckung jeweils wesentlichen Temperaturbereich Δϑ bestimmt wird und
    • d) daraus nach der Formel Q = k.Δϑ/Δt der Mittelwert der Wärmestromdichte Q auf der Oberfläche des Probekörpers berechnet und diese sodann als Kenngröße für die Abschreckwirkung verwendet wird. (k = Materialkonstante für den Probekörper).
  • Bei diesem Verfahren wird auf Temperaturmessungen unter Betriebsbedingungen verzichtet; es wird vielmehr durch einfache Härtemessungen an dem abgeschreckten Probekörper ein Mittelwert der Wärmestromdichte Q an der Oberfläche des Probekörpers während des Abschreckvorganges in dem jeweils wesentlichen Temperaturbereich bestimmt.
  • Daß es möglich ist, durch eine solche Härtemessung eine für den Abkühlungsverlauf eindeutig kennzeichnende Wärmestromdichte Q bestimmen, ist keineswegs selbstverständlich. Bei sehr kleinen Probekörpern (V/A < 2 mm) ist nämlich die Kühlgeschwindigkeit, wie sich herausgestellt hat, beim Abschrecken in Flüssigkeiten für genaue Messungen wesentlich zu hoch. Auch hängt der Wärmeübergang von den Probekörperabmessungen ab. Schon beim Umsetzen vom Ofen in das Abschreckbad entsteht ein wesentlich zu hoher Temperaturverlust, wobei das Meßergebnis obendrein noch durch Verzunderung und Entköhlung wesentlich beeinträchtigt und verfälscht würde. Andererseits wird aber bei größeren Probekörpern (V/A > 2 mm) der Temperaturverlauf über den Querschnitt des Probekörpers gesehen, durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Stahls zunehmend verzerrt. Man konnte daher derartige Probekörper bisher nur zur relativen Kennzeichnung der Abschreckwirkung benutzen, nicht dagegen zur absoluten Bestimmung des Wärmeübergangs. Wegen des verzerrten Temperaturverlaufes stehen die an einzelnen Meßstellen gewonnenen Meßwerte für die Härte in keinem einfachen Zusammenhang mit dem Wärmeübergang an der Oberfläche.
  • Die Erfindung hat nun erkannt, daß überraschenderweise es in einem solchen verhältnismäßig großen Probekörper einen Ort (je nach der Gestalt des Körpers eine Fläche, eine Linie oder ein Punkt) gibt, der sich selbst unter den extremen Wärmeübertragungsbedingungen beim Abschrecken in Wasser oder öl nur wenig verlagert, wenn von einer kurzen Anlaufphase abgesehen wird, die härtetechnisch unbedeutend ist und wenn außerdem das Verhältnis Volumen/ Oberfläche (V/A) des Probekörpers in dem Bereich zwischen V/A von 2 bis 12 mm liegt. Dieser unterhalb der Oberfläche des Probekörpers liegende Ort ist dadurch bestimmt, daß an ihm beim Abschrecken die Abkühlungsgeschwindigkeit angenähert proportional zu der Wärmestromdichte an der Oberfläche ist. Es handelt sich deshalb um den Ort der sogenannten integralen mittleren Temperatur, der mittels der Theorie der instationären Wärmeleitvorgänge berechnet werden kann.
  • Da der Temperaturverlauf an diesem Ort der integralen mittleren Temperatur wie bei einer Silber- oder sehr dünnen Stahlprobe nicht verzerrt ist, und lediglich die Abkühlung langsamer als an der Oberfläche verläuft, ergibt eine Härtemessung an diesem Ort einen genauen indirekten Meßwert für die Wärmestromdichte an der Oberfläche.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Probekörper aus einem unlegierten oder schwach legierten Stahl mit ca. 0,4% C verwendet wird, wobei in der Praxis eine größere Anzahl von solchen Probekörpern aus einem einheitlichen Material, d.h. aus einer Schmelze hergestellt werden. Einige dieser Probekörper können dann als Eichkörper verwendet werden. Zu diesem Zweck wird derart vorgegangen, daß der Zusammenhang zwischen der gemessenen Härte und der Abkühlungsgeschwindigkeit des Probekörpers an dem Ort der integralen mittleren Temperatur dadurch bestimmt wird, daß bei einem aus dem gleichen Material bestehenden Eichkörper an dem Ort der integralen mittleren Temperatur zunächst unmittelbar die Abkühlungsgeschwindigkeit Δϑ/Δt während des Abschreckvorganges und sodann die Härte gemessen werden. Zweckmäßig ist es, wenn mittels mehrerer Eichkörper die Eichung bei verschiedenen Härtetemperaturen und gegebenenfalls über unterschiedliche Haltezeiten vorgenommen und daraus ein funktioneller Zusammenhang (Eichkurve) zwischen der Härte und der Abkühlungsgeschwindigkeit Z\9 Δt in einem vorbestimmten Bereiche hergestellt wird.
  • Bei geringeren Ansprüchen an die Genauigkeit kann auf diese Eichung verzichtet werden, wenn die Härtbarkeit des Probekörperwerkstoffes (Härte R = f(Δϑ/Δt) z.B. aus dem sogenannten Jominy-Versuch oder aus Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubildern genügend genau bekannt ist.
  • Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich, wenn für die Eichung Abschreckmedien verwendet werden, bei denen in dem für die Abschreckung jeweils wesentlichen Temperaturbereich die Wärmestromdichte Q im wesentlichen konstant ist.
  • Da bei der indirekten Messung über die Härte an dem Ort der integralen mittleren Temperatur lediglich ein Mittelwert der Wärmestromdichte Q und damit des Wärmeüberganges während des für die Abschreckung jeweils wesentlichen Temperaturbereiches des Werkstoffes des Probekörpers bestimmt wird, kann es zweckmäßig sein, an dem abgeschreckten Probe- und/oder Eichkörper zusätzlich die Randhärte und/oder die Kernhärte (in der Probenmitte) zu bestimmen.. Daraus ergeben sich Rückschlüsse auf Veränderungen der Wärmestromdichte, beispielsweise beim Ubergang von der Film- zu der Siedephase.
  • Für die praktische Durchführung des Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß ein scheibenförmiger Probekörper mit einer Dicke S von 6 bis 24 mm und eher Breite L von L > 6.S verwendet wird, wobei die Härte auf einer im Abstand X von 0,21 S unter einer Stirnfläche liegenden, entsprechend freigelegten ebenen Querschnittsfläche gemessen wird. Diese Querschnittsfläche bildet den für diesen geometrisch einfachen Probekörper berechneten Ort der integralen mittleren Temperatur. Zur Erleichterung der Handhabung kann dabei ein scheibenförmiger Probekörper von polygonaler Gestalt verwendet werden.
  • Zur Durchführung des Verfahrens kann aber auch ein zylindrischer Probekörper mit einem Durchmesser D von 8 bis 48 mm und einer Länge L von L>3D benutzt werden, wobei die Härte dann auf einer im Abstand X von 0,15D unter der Umfangsfläche liegenden, entsprechend freigelegten Zylinderfläche gemessen wird, die den vorausberechneten Ort der integralen mittleren Temperatur bildet.
  • In ähnlicher Weise kann schließlich auch ein kugelförmiger Probekörper mit einem Durchmesser D von 12 bis 72 mm Verwendung finden, bei dem die Härte auf einer im Abstand X von 0,11D unter der Oberfläche liegenden entsprechend freigelegten Kugelfläche gemessen wird, die hier den Ort der integralen mittleren Temperatur bildet.
  • Gegenstand der Erfindung ist neben dem geschilderten Verfahren auch ein Probekörper zur Durchführung dieses Verfahrens, der aus unlegiertem oder schwach legiertem Stahl besteht und bei dem das Verhältnis V/A zwischen 2 und 12 mm liegt (V = Volumen, A = Oberfläche). Dieser Probekörper kann in verschiedener Ausführungsform entweder eine scheibenförmige, zylindrische oder kugelförmige Gestalt aufweisen, wie dies Gegenstand von Unteransprüchen ist.
  • In der Zeichnung sind das erfindungsgemäße Verfahren und ein Eichkörper zur Durchführung dieses Verfahrens veranschaulicht. Es zeigen:
    • Fig. 1 einen scheibenförmigen Eichkörper in der Draufsicht,
    • Fig. 2 den Eichkörper nach Fig. 1, geschnitten längs der Linie II - II der Fig. 1, in einer Seitenansicht,
    • Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abkühlungsgeschwindigkeit an dem Ort der integralen mittleren Temperatur bei einem dem Eichkörper nach Fig. 1 entsprechenden Probekörper, und
    • Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Zusammenhanges zwischen der an dem Ort der integralen mittleren Temperatur bei einem dem Eichkörper nach Fig. 1 entsprechenden Probekörper gemessenen Härte und der mittleren Wärmestromdichte Q an der Oberfläche des Probekörpers.
  • Zur Bestimmung der Abschreckwirkung, beispielsweise eines Wasser- oder Ölbades, wird eine größere Anzahl von Probekörpern aus einheitlichem Werkstoff, und zwar unlegiertem bis schwach legiertem Stahl mit ca. 0,4% C, aus einer Schmelze hergestellt. Einige dieser Proben werden als Eichkörper benutzt, auf jeweilige Härtetemperatur erwärmt und in Abschreckbädern unterschiedlicher Abschreckwirkung gehärtet. Diese Eichkörper 1 sind in der aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen Weise - ebenso wie die entsprechenden Probekörper - in Gestalt dünner sechseckiger Scheiben ausgebildet, für die die Stärke S zwischen 4 und 24 mm und die Breite (oder der Durchmesser) L > 6.S sind. In die Eichkörper 1 ist in einem Abstand X = 0,21 S unterhalb einer Stirnfläche seitlich wenigstens eine Bohrung 2 eingearbeitet, die etwa bis zum Mittelpunkt der Scheibe ragt und in die ein Thermoelement 3 eingesteckt ist.
  • Beim Abschrecken des auf die jeweilige Härtetemperatur erwärmten Eichkörpers 1 wird mittels des Thermoelementes 3 der Temperaturverlauf an einer Stelle gemessen, die in dem erwähnten Abstand von 0,21 S von der oberen Stirnfläche des Eichkörpers liegt und sich damit auf einer Querschnittsfläche befindet, die. als der sogenannte Ort der integralen mittleren Temperatur bezeichnet ist und sich dadurch auszeichnet, daß auf ihr die Abkühlungsgeschwindig- keit angenähert proportional zu der Wärmestromdichte Q an der Oberfläche während der für die Abschreckwirkung wesentlichen Zeitspanne ist. Dieser gemessene Temperaturverlauf während des Abschreckvorganges in dem härtetechnisch kritischen Temperaturbereich ist in Fig. 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt, daß während der Kühlzeit Δt für den härtetechnisch kritischen Temperaturbereich A ϑ ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen der Kühlzeit t und derTemperatur ϑ besteht, während der Temperaturverlauf auf der Oberfläche (am Rand) und in der Scheibenmitte (im Kern) von dieser linearen Abhängigkeit wesentlich abweicht.
  • Aus der Kühlzeit A t für den härtetechnisch kritischen Temperaturbereich Δϑ, den Stoffwerten und den Abmessungen des Probekörpers kann der Mittelwert der Wärmestromdichte Q nach der Beziehung Q = K.Δϑ/Δt unmittelbar abgeleitet werden.
  • Außerdem wird bei dem Eichkörper 1 nach der Abschreckung in der Mitte eine Ausfräsung 4 bis auf die Tiefe des Ortes der integralen mittleren Temperatur, d.h. bei dem Eichkörper nach Fig. 1 einer Tiefe von 0,21 S hergestellt, worauf auf dem Grund der Vertiefung die Härte R gemessen wird.
  • Aus den so gewonnenen korrespondierenden Q- und R-Werten wird die in Fig. 4 dargestellte Eichkurve aufgestellt.
  • Zur betriebsmäßigen Bestimmung der Abschreckwirkung eines bestimmten Abschreckbades oder allgemeinen Abschreckmediums werden nun die eingangs genannten, aus dem gleichen Material wie die Eichkörper bestehenden Probekörper verwendet. Dazu wird jeweils ein Probekörper auf die Härtetemperatur erwärmt und sodann mittels des Abschreckmediums abgeschreckt. Anschließend wird die Vertiefung 4 angebracht und damit der Ort der integralen mittleren Temperatur freigelegt. Aus der an diesem Ort gemessenen Härte R wird über die Eichkurve nach Fig. 4 unmittelbar der entsprechende Wert der mittleren Wärmestromdichte Q für das jeweilige Abschreckmedium abgelesen.
  • Der Wert der mittleren Wärmestromdichte Q ist eine unmittelbare Kenngröße für die zu erzielende Abschreckwirkung. Für Werkstücke unterschiedlicher Gestalt kann zusammen mit den für das Werkstück .kennzeichnenden Größen (Oberfläche, Gestalt, Wärmeleitfähigkeit etc.) die an dem Werkstück zu erwartende Abschreckwirkung verhältnismäßig genau in an sich bekannter Weise vorausberechnet werden.
  • Bei geringeren Ansprüchen an die Genauigkeit kann auf die geschilderte Eichung verzichtet werden, wenn die Härtbarkeit des Probenkörperwerkstoffes (Härte R = f (Δϑ/Δt)), z.B. aus dem Jominy-Versuch oder aus Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubildern genau genug bekannt ist. Dann wird bei der Bestimmung .der Abschreckwirkung eines , Abschreckmediums derart vorgegangen, daß wiederum in der geschilderten Weise bei dem abgeschreckten Probekörper die Härte R an dem Ort der integralen mittleren Temperatur gemessen und daraus zunächst die Abkühlungsgeschwindigkeit Δϑ/Δt an diesem Ort bestimmt wird. Diese kann sodann ihrerseits nach der Beziehung Q = K.Δϑ/Δt in den entsprechenden Q-Wert umgerechnet werden.
    • Ausführungsbeispiel
  • Probe- und Eichkörperform: Scheibe, sechseckig, wegen der Handhabung Abmessungen: S = 12,5 mm; L = 75 mm Meßfläche: X = 2,6 mm unter der Oberfläche in Proben- bzw. Eichkörpermitte
  • Werkstoff: 37 Mn Si 5 (0,37 % C, 1,2 % Mn, 1,2 % Si) spez. Wärmekapazität (650 oC, unterkühlter Austenit) :
    Figure imgb0002
    Dichte: δ = 7 800 kg/m3 Volumen/Oberfläche (ohne Kanten): V/A = S/2 = 0,00625 m Probenfaktor: k = 10-6.cδ. V/A = 0,034 Härtetemperatur: 850°C / 30 Minuten
  • Eichversuch 1 (Öl mit geringer Bewegung)
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    Eichversuch 2 (Öl mit starker Umwälzung) Δϑ/Δt (850→600 °C) = 25 K/s Q2 = 0,039.25 = 0,85 MW/m 2 R2 = 48 HRC Eichversuch 3 (Wasser)
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Mit diesen drei Meßwertpaaren (gegf. auch mehr) wurde die Eichkurve für die gesamte Probenmenge nach Fig. 4 ermittelt.
  • Die Unsicherheit des Q-Wertes als Folge einer eventuellen Verlagerung des Ortes der integralen mittleren Temperatur (ΔX = + 0,4 mm) sowie anderer Fehler beträgt etwa + 10 %, was ein praktisch völlig ausreichendes Ergebnis darstellt. Mit dem Verfahren kann die Abschreckwirkung mit einer objektiven und absoluten Meßgröße vorgegeben und im Betrieb kontrolliert werden. Die Härtestreuung kann vermindert und in bestimmten Fällen der Legierungsanteil im Stahl abgesenkt werden.
  • Ein Eichversuch ist ausreichend, wenn Probekörper aus einheitlichem Material, aber unterschiedlicher Stärke, gleichzeitig in einem Abschreckmedium abgeschreckt werden.
  • Als Probe- und Eichkörper können grundsätzlich auch andere geometrisch einfach gestaltete Körper verwendet werden, die ohne Schwierigkeit eine Vorausberechnung der Lage des Ortes der integralen mittleren Temperatur gestatten. Bevorzugt werden Zylinder und Kugeln, wobei bei dem zylindrischen Probekörper der Durchmesser D zwischen 8 und 48 mm und die Länge L größer als 3.D sein müssen, während der Ort der integralen mittleren Temperatur auf einer Zylinderfläche im Abstand X = 0,15 D von der Außenumfangsfläche liegt. Bei einem kugelförmigen Probekörper kommt ein Durchmesserbereich von D = 12 bis 72 mm infrage. Der Ort der integralen mittleren Temperatur ist eine Kugelfläche , die im Abstand X = 0,11 D von der Oberfläche liegt.
  • Bei einem scheiben- und zylinderförmigen Probekörper kann der Wärmefluß durch die Umfangsfläche bzw. die Stirnfläche vernachlässigt werden, wenn die angegebenen Mindestmaße für den Wert L eingehalten werden. Der Abstand X des Ortes der integralen mittleren Temperatur verschiebt sich dabei unter praktischen Bedingungen um maximal + 15%. Mit der Scheibenform für den Probekörper wird wegen des geringsten Querschnittes die höchste Genauigkeit erreicht, jedoch kommen aus praktischen Erwägungen auch die anderen Probekörperformen in Frage.
  • Um den Kanteneinfluß bei Probekörpern mit kleinerem L zu vermindern, kann bei einem scheibenförmigen Probekörper die Umfangsfläche wärmeisoliert werden, was in gleichem Maße auch für die Stirnfläche eines zylindrischen Probekörpers gilt. Diese Wärmeisolation muß insoweit wärmebeständig sein, daß sie dem Abschreckvorgang standhält. Sie kann beispielsweise aus einer Keramikschicht,aus Asbest- oder Glasfasergewebe und dergl. bestehen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Bestimmung der Abschreckwirkung eines eine schroffe Abkühlung von stählernen Werkstücken bewirkenden Abschreckmediums, insbesondere beim Härten von Stahl, bei dem ein aus Stahl bestehender Probekörper mittels des Abschreckmediums abgeschreckt wird und sodann an dem abgeschreckten Probekörper Härtemessungen vorgenommen werden, aus denen eine für die Abschreckwirkung charakteristische Kenngröße abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein Probekörper verwendet wird, bei dem das Verhältnis V/A zwischen 2 und 12 mm liegt (V = Volumen, A - Oberfläche),
b) nach dem Abschrecken die Härte des Probekörpers an wenigstens einer Stelle an dem unterhalb der Oberfläche des Probekörpers liegenden Ort bestimmt wird, an dem Abschrecken die Abkühlungsgeschwindigkeit angenähert proportional zu der Wärmestromdichte an der Oberlfäche ist (Ort der integralen mittleren Temperatur,
c) aus den Härtemeßergebnissen mittels der Werkstoffeigenschaften des Proberkörpers die zugehörige Abkühlungsgeschwindigkeit Δϑ/Δt in dem für die Abschreckung jeweils wesentlichen Temperaturbereich Δϑ bestimmt wird und
d) daraus nach der Formel Q = k.Δϑ/Δt der Mittelwert der Wärmestromdichte Q auf der Oberfläche des Probekörpers berechnet und diese sodann als Kenngröße für die Abschreckwirkung verwendet wird (k = Materialkonstante für den Probekörper).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Probekörper aus einem unlegierten oder schwach legierten Stahl mit ca. 0,4% C verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein scheibenförmiger Probekörper mit einer Dicke S von 6 bis 24 mm und einer Breite L von L > 6.S verwendet wird und daß die Härte auf einer im Abstand X = 0,21 S unter einer Stirnfläche liegenden, entsprechend freigelegten ebenen Querschnittsfläche gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein scheibenförmiger Probekörper von polygonaler Gestalt verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Probekörper mit einem Durchmesser D von 8 bis 48 mm und einer Länge L von L > 3 D verwendet wird und daß die Härte auf einer im Abstand X = 0,15 D unter der Umfangsfläche liegenden entsprechend freigelegten Zylinderfläche gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein kugelförmiger Probekörper mit einem Durchmesser D von 12 bis 72 mm verwendet wird und die Härte auf einer im Abstand X = 0,11 D unter der Oberfläche liegenden entsprechend freigelegten Kugelfläche gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen der gemessenen Härte und der Abkühlungsgeschwindigkeit des Probekörpers an dem Ort der integralen mittleren Temperatur dadurch bestimmt wird, daß bei einem aus gleichem Material bestehenden Eichkörper an dem Ort der integralen mittleren Temperatur zunächst unmittelbar die Abkühlungsgeschwindigkeit Δϑ/Δt während des Abschreckvorganges und sodann die Härte gemessen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mehrerer Eichkörper die Eichung bei verschiedenen Härtetemperaturen und gegebenenfalls über unterschiedliche Haltezeiten vorgenommen und daraus ein funktioneller Zusammenhang (Eichkurve) zwischen der Härte und der Abkühlungsgeschwindigkeit Δϑ/Δt in einem vorbestimmten Bereich hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Eichung Abschreckmedien verwendet werden, bei denen in dem für die Abschreckung jeweils wesentlichen Temperaturbereich Δϑ die Wärmestromdichte Q im wesentlichen konstant ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem abgeschreckten Probe- und/oder Eichkörper zusätzlich die Randhärte und/oder die Kernhärte (in der Probenmitte) bestimmt werden.
11. Probekörper zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus unlegiertem oder schwach legiertem Stahl besteht und ein Verhältnis V/A zwischen 2 und 12 mm aufweist (V = Volumen, A = Oberfläche).
12. Probekörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem schwach legierten Stahl mit etwa 0,4% C besteht.
13. Probekörper nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er eine scheibenförmige Gestalt mit einer Stärke S von 4 bis 24 mm und einer Breite (Durchmesser L) > 6.S aufweist.
14. Probekörper nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zylinderförmige Gestalt mit einem Durchmesser von 8 bis 48 mm und einer Länge L > 3D aufweist.
15. Probekörper nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er eine kugelförmige Gestalt mit einem Durchmesser D von 12 bis 72 mm aufweist.
16. Probekörper nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß er im Bereiche der Umfangsfläche bzw. der Stirnfläche eine Wärmeisolation aufweist.
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