EP1528109A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Stähle - Google Patents
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- C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
- C21D1/60—Aqueous agents
Definitions
- the invention relates to a method for heat treatment of carbonaceous steels, in particular of sheet metal or pipes, according to the preamble of claim 1.
- sheet metal or tubes without special requirements delivered in the rolling condition can be used for higher requirements, eg. B. greater toughness, usually one the rolling subsequent separate heat treatment performed.
- tempering a steel is meant a hardening with subsequent tempering.
- the steel is usually heated to a defined temperature above Ac3 and then cooled to about room temperature. Subsequently, the hardened Steel tempered again to temperatures below the Ac1 point, there a certain Time kept and then cooled in air.
- cooling media for quenching during the curing process come after the well-known State of the art, for example, water, water-surfactant mixtures, emulsions or oil used, which has different effects on the quenching intensity of the Have steel.
- water as a cooling medium, wherein for controlling the cooling rate of the steel, the water-insoluble inorganic particles, for example made of ceramic material.
- the particles should be a size from 0.01 to 0.1 microns.
- the cooling rate can be controlled in a targeted manner so as to reduce the adverse effects of any eventuality great cooling rate on the steel or the workpiece to avoid.
- the object of the invention is therefore to provide a process for heat treatment of carbonaceous Specify steels, in particular sheets or pipes, in the water as a cooling medium is used and the cooling conditions depending on the carbon content of the steel are controllable.
- the setting range of the cooling water temperature is limited to 25 to 80 ° C. An increase in the Cooling water temperature above 80 ° C is possible, but the effect on the heat flux density ever smaller.
- Another increase in the cooling water temperature z. B. to 80 ° C causes a reduction of the heat flux density and thus the cooling rate by an additional 20%.
- the water temperature is set as a function of the C content of the steel. For C-contents of 0.30 to 0.39%, this range is 25 to 60 ° C, for C-contents 0.40 to 0.45% 61 to 70 ° C and for C-contents of 0.46 to 0 , 50% is the temperature range 71 to 79 ° C.
- the cooling conditions can thus be adjusted in an advantageous manner specifically to the carbon content of the steel and thus to the sensitivity to heat.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Stähle, insbesondere von Blechen oder Rohren, wobei der Stahl auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und danach mittels eines Kühlmediums auf nahezu Raumtemperatur abgeschreckt wird, wobei als Kühlmedium Wasser verwendet wird. Hierbei wird die Temperatur des Wassers in einem Bereich oberhalb Raumtemperatur bis unterhalb 80°C für Kohlenstoffstähle mit C-Gehalten 0,3% bis 0,5% eingestellt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Stähle, insbesondere
von Blechen oder Rohren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Während Bleche oder Rohre ohne besondere Anforderungen im Walzzustand ausgeliefert
werden können, wird bei höheren Anforderungen, z. B. größere Zähigkeit, üblicherweise eine
dem Walzen nachfolgende gesonderte Wärmebehandlung durchgeführt.
Häufig ist eine Vergütungsbehandlung vorgesehen, bei der nicht nur die Zähigkeit des Stahls
sondern auch die Festigkeit entscheidend verbessert wird.
Unter Vergüten eines Stahls ist ein Härten mit nachfolgendem Anlassen zu verstehen. Beim
Härten wird der Stahl üblicherweise auf eine definierte Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt
und anschließend bis auf etwa Raumtemperatur abgekühlt. Nachfolgend wird der gehärtete
Stahl wieder auf Temperaturen unterhalb des Ac1-Punktes angelassen, dort eine bestimmte
Zeit gehalten und dann an Luft abgekühlt.
Als Kühlmedien zur Abschreckung beim Härtevorgang kommen nach dem allgemein bekannten
Stand der Technik beispielsweise Wasser, Wasser-Tensid-Gemische, Emulsionen
oder Öl zum Einsatz, die unterschiedliche Auswirkungen auf die Abschreckintensität des
Stahls haben.
Wasser als preisgünstigstes und umweltneutrales Abkühlmittel besitzt zwar die höchste Abschreckintensität
auf den Stahl, hat aber den Nachteil, dass Bleche oder Rohre starkem Verzug
unterworfen sind.
Bei härterissempfindlichen, kohlenstoffhaltigen Stählen ist zudem die Gefahr sehr groß, dass
sich beim Abschrecken aufgrund zu großer Aufhärtung des Gefüges Risse im Stahl bilden.
Die Neigung zur Aufhärtung und damit zur Rissbildung beim Abschrecken wird mit steigendem
Kohlenstoffgehalt größer, wobei besonders Stähle mit Kohlenstoffgehalten > 0,3% C
betroffen sind.
Um derartige Probleme zu vermeiden sind in der Vergangenheit härterissempfindliche Stähle
entweder in einem Wasser-Tensid-Gemisch, in ÖI oder Emulsionen abgeschreckt worden,
da diese Abkühlmittel gegenüber Wasser deutlich geringere Abkühlintensität besitzen. Öl
weist die geringste Abkühlintensität auf, Wasser-Tensid-Gemische sind zwischen reinem
Wasser und Öl einzuordnen,
Insbesondere das Abschrecken in ÖI oder in einer Härteemulsion bei dem in der DD 67999
offenbarten Verfahren, ist jedoch durch seine starke Rauchbildung beim Einsatz und durch
schwierige Entsorgung als sehr umweltproblematisch anzusehen. Außerdem sind Öl, Emulsionen
und Wasser-Tensid-Gemische im Vergleich zu reinem Wasser deutlich teurer, was
sich auf die Kosten des vergüteten Werkstückes niederschlägt.
Bei der Verwendung von Wasser als Kühlmittel ist durch mechanische Maßnahmen, wie
z. B. Laminarkühlung oder Bedüsung, versucht worden die oben geschilderten Probleme zu
vermeiden. Diese Maßnahmen waren jedoch für härterissempfindliche Stähle entweder nicht
wirksam genug oder aus betriebswirtschaftlichen Gründen nicht realisierbar.
Aus der EP 1 277 845 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches die Nachteile der Verwendung
der bekannten Kühlmedien Wasser, Wasser-Tensid-Gemische oder Öl vermeiden soll.
Bei diesem Verfahren wird vorgeschlagen, Wasser als Abkühlmedium zu benutzen, wobei
zur Steuerung der Abkühlrate des Stahls dem Wasser unlösliche anorganische Partikel, beispielsweise
aus keramischen Material, zugesetzt werden. Die Partikel sollen dabei eine Größe
von 0,01 bis 0,1 µm aufweisen. Über die Teilchendichte im Wasser soll die Abkühlrate
gezielt gesteuert werden können, um so die nachteiligen Auswirkungen einer etwaigen zu
großen Abkühlrate auf den Stahl bzw. das Werkstück zu vermeiden.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass das Kühlwasser speziell aufbereitet werden
muss, wobei unterschiedliche Abkühlbedingungen der abzuschreckenden Stähle jeweils unterschiedliche
Wasser-Keramik-Gemische als Kühlmedium erfordern. Dies ist aufwändig und
betrieblich unpraktikabel. Außerdem muss das Wasser vor der Wiederverwendung gefiltert
und danach wieder neu aufbereitet werden, was zusätzliche Kosten verursacht.
In der DE 197 55 001 C2 wird ein Verfahren offenbart, welches auf über 80°C erhitztes Wasser
als Kühlmedium für höherlegierte härtbare Stähle anwendet.
Für die üblichen härtbaren Kohlenstoffstähle mit C- Gehalfen ≥ 0,3% ist dieses Verfahren nicht anwendbar, da bei diesen hohen Kühlmitteltemperaturen und in dem schmalen zur Verfügung stehenden Temperaturbereich eine Durchhärtung dieser Stähle nicht mehr sicher erreicht werden kann.
Für die üblichen härtbaren Kohlenstoffstähle mit C- Gehalfen ≥ 0,3% ist dieses Verfahren nicht anwendbar, da bei diesen hohen Kühlmitteltemperaturen und in dem schmalen zur Verfügung stehenden Temperaturbereich eine Durchhärtung dieser Stähle nicht mehr sicher erreicht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Wärmebehandlung kohlenstoftraltiger
Stähle, insbesondere von Blechen oder Rohren anzugeben, bei dem Wasser als Kühlmedium
verwendet wird und die Abkühlbedingungen in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt
des Stahls steuerbar sind.
Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren zur Wärmebehandlung
kohlenstoffhaltiger Stähle verwendet, bei dem zur Abschreckung als Kühlmedium
Wasser verwendet und die Temperatur des Wassers in einem Bereich oberhalb Raumtemperatur
bis unterhalb 80°C für Stähle mit Kohlenstoffstoffgehalten 0,3% bis 0,5% eingestellt
wird.
Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Effekt genutzt, der darauf beruht, dass
die Wärmestromdichte, d. h. die Wärmeabfuhr an der Grenzfläche Stahl-Wasser, einerseits
von der aktuellen Oberflächentemperatur des Stahls andererseits aber auch von der Kühlwassertemperatur
selbst abhängig ist.
Hierbei ändert sich die Dichte des von der Stahloberfläche abgeführten Wärmestroms in der
Weise, dass diese bei zunehmender Kühlwassertemperatur oberhalb Raumtemperatur reduziert
wird.
Nutzt man diesen Effekt beim Abkühlen von Stahl, lässt sich so auf einfache und wirksame
Weise über die Steuerung der Wärmestromdichte gezielt die Abkühlgeschwindigkeit des
Stahls beeinflussen.
Der Einstellbereich der Kühlwassertemperatur auf 25 bis 80°C begrenzt. Eine Steigerung der
Kühlwassertemperatur über 80°C ist zwar möglich, jedoch wird der Effekt auf die Wärmestromdichte
immer geringer.
Beispielsweise wird bei einem Stahl im Temperaturbereich von ca. 500 bis 200°C die Wärmestromdichte
bei Verwendung eines Kühlwassers mit einer Temperatur von 20°C bei Erhöhung
der Kühlwassertemperatur auf nur 60°C um mehr als 50% reduziert. Eine weitere Erhöhung
der Kühlwassertemperatur z. B. auf 80°C bewirkt eine Reduzierung der Wärmestromdichte
und damit der Abkühlgeschwindigkeit um zusätzlich ca. 20%.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird deshalb die Wassertemperatur in Abhängigkeit vom C- Gehalt des Stahles eingestellt. Für C- Gehalte von 0,30 bis 0,39 % beträgt dieser Bereich 25 bis 60°C, bei C- Gehalten 0,40 bis 0,45 % 61 bis 70°C und bei C-Gehalten von 0,46 bis 0,50 % beträgt der Temperaturbereich 71 bis 79 °C. Die Abkühlbedingungen können somit in vorteilhafter Weise gezielt auf den Kohlenstoffgehalt des Stahles und damit auf die Härterissempfindlichkeit eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird deshalb die Wassertemperatur in Abhängigkeit vom C- Gehalt des Stahles eingestellt. Für C- Gehalte von 0,30 bis 0,39 % beträgt dieser Bereich 25 bis 60°C, bei C- Gehalten 0,40 bis 0,45 % 61 bis 70°C und bei C-Gehalten von 0,46 bis 0,50 % beträgt der Temperaturbereich 71 bis 79 °C. Die Abkühlbedingungen können somit in vorteilhafter Weise gezielt auf den Kohlenstoffgehalt des Stahles und damit auf die Härterissempfindlichkeit eingestellt werden.
Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den bekannten Verfahren ist, dass als Abkühlmedium
nur noch reines Wasser verwendet wird, wobei einerseits den Umwelt- und betriebswirtschaftlichen
Aspekten, andererseits aber auch den Qualitätsanforderungen an den Stahl
und das Bauteil in idealer Weise Rechnung getragen wird.
In vorteilhafter Weise kann weiterhin unter Berücksichtigung des jeweiligen Zeit-Temperatur-Umwandtungsschaubildes
(ZTU-Schaubild) für den Stahl eine gezielte Gefügebeeinflussung
vorgenommen werden, um so optimale Werkstoffeigenschaften bei der Wärmebehandlung
des Stahls einzustellen.
Bei härterissempfindlichen Stählen bedeutet dies, dass gerade im kritischen Temperaturbereich
die Aufhärtung und die Umwandlung des Gefüges in einfacher Weise, im Sinne der
Vermeidung von Härterissen, gezielt beeinflusst werden kann.
In der einzigen Darstellung ist die Abhängigkeit der Wärmestromdichte von der Oberflächentemperatur
bei unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen dargestellt.
In dieser Grafik, die auf Versuchsergebnissen beruht, ist im Temperaturbereich von ca. 200
bis 500°C an der Oberfläche des Stahls die deutliche Abhängigkeit der Wärmestromdichte
von der Kühlwassertemperatur zu erkennen. Hierin sind die Kurven bei der Verwendung von
20,40,60 und 80°C warmen Wassers aufgetragen.
Deutlich erkennbar ist die ausgeprägte Abminderung der Wärmestromdichte an der Grenzfläche
Wasser-Stahl bei Erhöhung der Wassertemperatur von 20 auf 80°C. Die Wärmestromdichte
sinkt von ca. 2,4 MW/m2 um 67% auf ca. 0,8 MW/m2.
Claims (4)
- Verfahren zur Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Stähle, insbesondere von Blechen oder Rohren, wobei der Stahl auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und danach mittels eines Kühlmediums auf nahezu Raumtemperatur abgeschreckt wird, wobei als Kühlmedium Wasser verwendet wird
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wassers in einem Bereich oberhalb Raumtemperatur bis unterhalb 80°C für Kohlenstoffstähle mit C- Gehalten 0,3% bis 0,5% eingestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur für Stähle mit C- Gehalten 0,30- 0,39% in einem Bereich von 25 bis 60°C eingestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur für Stähle mit C- Gehalten von 0,40 - 0,45 % in einem Bereich von 61 bis 70°C eingestellt wird. - Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur für Stähle mit C- Gehalten von 0,46 - 0,50 % in einem Bereich von 71 - 79°C eingestellt wird.
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Also Published As
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