EP1528109A1 - Porcess for the heat treatment of medium carbon steels - 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
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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
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung kohlenstoffhaltiger Stähle, insbesondere
von Blechen oder Rohren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for heat treatment of carbonaceous steels, in particular
of sheet metal or pipes, according to the preamble of
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.During 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.
Häufig ist eine Vergütungsbehandlung vorgesehen, bei der nicht nur die Zähigkeit des Stahls sondern auch die Festigkeit entscheidend verbessert wird.Often, a tempering treatment is envisaged, not only the toughness of the steel but also the strength is decisively improved.
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.By tempering a steel is meant a hardening with subsequent tempering. At the Hardening, 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.
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.As 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.
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.Although water as the cheapest and environmentally neutral cooling agent has the highest quenching intensity on the steel, but has the disadvantage that sheets or pipes heavy distortion are subject.
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. In the case of hardness-sensitive, carbon-containing steels, the danger is also very great that Form during quenching due to excessive hardening of the structure cracks in the steel. The tendency to harden and thus cracking during quenching is increasing Carbon content greater, with especially carbon steels> 0.3% C are affected.
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,In order to avoid such problems, hardenable steels have been used in the past quenched either in a water-surfactant mixture, in oil or emulsions, since these cooling agents have significantly lower cooling intensity compared to water. oil has the lowest cooling intensity, water-surfactant mixtures are between pure To classify water and oil
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.In particular, quenching in oil or in a hardness emulsion in the DD 67999 disclosed method, but is characterized by its strong smoke formation during use and by difficult disposal as very environmentally problematic. There are also oils, emulsions and water-surfactant mixtures compared to pure water significantly more expensive, which is reflected in the cost of the annealed workpiece.
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.When using water as a coolant is through mechanical measures, such as z. As laminar cooling or spraying, has been tried the problems described above avoid. However, these measures were either not for hardness-sensitive steels either effective enough or not feasible for business reasons.
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.From
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.In this method, it is proposed to use 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. About the particle density in the water is 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.
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.However, this method has the disadvantage that the cooling water are specially treated must, with different cooling conditions of quenching steels each different Require water-ceramic mixtures as cooling medium. This is expensive and operationally impractical. In addition, the water must be filtered before reuse and then reprocessed again, which causes additional costs.
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.DE 197 55 001 C2 discloses a process which uses water heated above 80 ° C. as cooling medium for higher-alloyed hardenable steels.
For the usual hardenable carbon steels with C-content ≥ 0.3%, this method is not applicable, because at these high coolant temperatures and in the narrow available temperature range, a hardening of these steels can not be achieved safely.
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.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.
Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is according to the preamble in conjunction with the characterizing features
of
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.According to the teachings of the invention, a method for heat treatment to solve this problem carbonaceous steels used in which for quenching as a cooling medium Water used and the temperature of the water in a range above room temperature adjusted to below 80 ° C for steels with carbon contents 0.3% to 0.5% becomes.
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.In this method according to the invention, an effect based on the fact that the heat flux density, d. H. the heat dissipation at the interface steel-water, on the one hand from the current surface temperature of the steel on the other hand, but also from the cooling water temperature self dependent.
Hierbei ändert sich die Dichte des von der Stahloberfläche abgeführten Wärmestroms in der Weise, dass diese bei zunehmender Kühlwassertemperatur oberhalb Raumtemperatur reduziert wird.Here, the density of the discharged from the steel surface heat flow in the changes Way that this reduces with increasing cooling water temperature above room temperature becomes.
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.Using this effect when cooling steel, can be so simple and effective By controlling the heat flow density specifically the cooling rate of the Steel influence.
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.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.
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.For example, in a steel in the temperature range of about 500 to 200 ° C, the heat flux density when using a cooling water with a temperature of 20 ° C when increasing the cooling water temperature to only 60 ° C reduced by more than 50%. 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%.
In an advantageous development of the method, therefore, 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.
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.The advantage of this method over the known methods is that as a cooling medium only pure water is used, on the one hand the environmental and business management But also the quality requirements for steel and the component is ideally accommodated.
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.Advantageously, further taking into account the respective time-temperature conversion diagram (ZTU diagram) for the steel a purposeful structural influence be made to optimal material properties during heat treatment of the steel.
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.For hardness-sensitive steels, this means that especially in the critical temperature range the hardening and transformation of the structure in a simple manner, in the sense of Avoidance of hardening cracks can be specifically influenced.
In der einzigen Darstellung ist die Abhängigkeit der Wärmestromdichte von der Oberflächentemperatur bei unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen dargestellt.In the only representation of the dependence of the heat flux density is shown on the surface temperature at different cooling water temperatures.
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.In this graph, which is based on test results, is in the temperature range of about 200 up to 500 ° C on the surface of the steel the significant dependence of the heat flux density to recognize from the cooling water temperature. Herein are the curves when using 20,40,60 and 80 ° C warm water applied.
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.The pronounced reduction of the heat flux at the interface between water and steel can be clearly seen when the water temperature rises from 20 to 80 ° C. The heat flux decreases from approx. 2.4 MW / m 2 by 67% to approx. 0.8 MW / m 2 .
Claims (4)
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.Process for the heat treatment of carbonaceous steels, in particular sheets or tubes, wherein the steel is heated to Austenitisierungstemperatur and then quenched by means of a cooling medium to near room temperature, wherein water is used as the cooling medium
characterized in that the temperature of the water is adjusted in a range above room temperature to below 80 ° C for carbon steels with C contents 0.3% to 0.5%.
dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur für Stähle mit C- Gehalten 0,30- 0,39% in einem Bereich von 25 bis 60°C eingestellt wird.Method according to claim 1
characterized in that the water temperature for steels having C contents of 0.30-0.39% is set in a range of 25 to 60 ° C.
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.Method according to claim 1
characterized in that the water temperature for steels having C contents of 0.40-0.45% is set in a range of 61 to 70 ° C.
dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertemperatur für Stähle mit C- Gehalten von 0,46 - 0,50 % in einem Bereich von 71 - 79°C eingestellt wird.Method according to claim 1
characterized in that the water temperature for steels with C-contents of 0.46 - 0.50% in a range of 71 - 79 ° C is set.
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