FI68863B - Foerfarande foer vaermebehandling av ett staolarbetsstycke - Google Patents

Description

68863

Menetelmä teräksisen työkappaleen lämpökäsittelemiseksi Tämä keksintö kohdistuu menetelmään yhden ainoan teräksisen työ-kappaleen, jonka pituus on rajoitettu ja jolla on yhtenäinen poikkileikkaus ja joka tavanomaisessa uunissa austenitisoituna ja ankarasti karkaistuna on alttiina karkaisusäröilylle ja -vään-tymiselle, lämpökäsittelemiseksi karkaisusäröilyn ja -vääristymän olennaiseksi eliminoimiseksi.

Austenisointi, sammutus ja temperointi on ennestään tunnettu prosessi terästen lämpökäsittelemiseksi. Tällaista prosessia käytetään pääasiallisesti teräksien tekemiseksi lujemmiksi ja sitkeäm-miksi, niin että niitä voidaan käyttää osiin, jotka käytössä joutuvat suurten rasitusten alaisiksi. Yleensä toteutetaan aus-tenisointivaihe kuumentamalla teräs uunissa, jonka lämpötila pidetään A3-lämpötilan yläpuolella. Teräs pidetään uunissa riittävän pitkän ajan sen varmistamiseksi, että uunin koko kuorma on tullut täysin austenisoiduksi.

Sen jälkeen kun teräs on tullut täysin austenisoiduksi, se sammutetaan vedessä, öljyssä, sulassa suolassa tai jollakin muulla sopivalla aineella, niin että teräkseen muodostuu vallitsevasti mar-tensiittinen rakenne. Sammutusvaiheen aikana muodostuu usein säröjä teräkseen johtuen muutoksesta ja lämpörasituksista, joita syntyy sammutustoiminnan aikana. Tätä ilmiötä nimitetään sammu-tussäröilyksi. Sammutussäröily on täten tavanomaisen lämpökäsittelyn haitallinen efekti, koska se on luonteeltaan ennalta-arvaamaton ja kallis. SammutussärÖilyn vähentämiseksi on usein tarpeen käyttää veden sijasta miedompaa sammutusainetta, kuten esimerkiksi öljyä. Lievennän sarmutusaineen käyttäminen merkitsee, että tietylle seokselle ei käytetä täyttä kovettumispotentiaalia. Tämän varotoimenpiteen käyttämisestä huolimatta tapahtuu silti vielä usein saimutussäröilyä.

Toinen sammutusvaiheeseen liittyvä ei—toivottava ilmiö tavanomaisessa lämpökäsittelyssä on työkappaleen vääristyminen. Sammutus-vaiheen aiheuttamat termiset ja muutosrasitukset 2 68863 saavat työkappaleen vääristymään eli muuttamaan muotoaan.

Tämä pulma on erityisen vaikea pitkillä kangilla, palkeilla, tangoilla tai putkilla, joissa vääristymä usein esiintyy työkappaleen taipumana tai kaarevuutena. Taipuneita työkap-paleita on vaikea käsitellä läpi seuraavien prosessivaiheiden ja lopuksi täytyy työkappale oikaista. Tavanomaisena keinona sammutusvääristymän vaikutusten vähentämiseksi on käyttää miedompia sammutusaineita.

Sen jälkeen kun teräs on tullut sammutetuksi, se yleensä on liian kovaa ja haurasta kaupalliseen käyttöön. Tämän johdosta se on temperoitava sellaisen tuotteen tuottamiseksi, jolla on haluttu yhdistelmä mekaanisia ominaisuuksia. Tempe-rointi toteutetaan tavallisesti suurissa uuneissa, jotka pidetään lämpötilan alapuolisissa lämpötiloissa. Työkappa-leet kuormataan uuniin ja pidetään siinä kunnes uunin koko kuorma on saavuttanut halutun lämpötilan. Sitten työkappaleet poistetaan uunista ja niiden annetaan jäähtyä. Valittu täsmällinen temperointilämpötila riippuu lopulliseen tuotteeseen halutuista mekaanisista ominaisuuksista. Yleensä laskee teräksen lujuus nousevan temperointilämpötilan mukana samalla kun teräksen muovattavuus ja sitkeys paranevat temperointilämpötilan noustessa.

Sen jälkeen kun teräs on austenisoitu, sammutettu ja temperoi-tu käyttämällä tavanomaista tekniikkaa, sitä täytyy edelleen käsitellä lämpökäsittelyn ei-toivottujen vaikutusten poistamiseksi. Näihin vaikutuksiin kuuluu teräksen pinnalle muodostunut oksidi, hiilen poistuminen teräksen pinnasta ja sammu-tusvääristymä. Lämpökäsittelyn austenisointivaiheen aikana teräs on korkeiden lämpötilojen vaikutuksen alaisena pitkän aikaa. Usein tämä aiheuttaa hiilen reagoimisen uunin atmosfäärin kanssa, mistä on seurauksena hiilen tyhjentyminen teräksen pinnasta. Tätä hiilityhjää vyöhykettä voidaan nimittää myös mellotetuksi kerrokseksi, joka usein on poistettava teräksen pinnasta ennenkuin työkappale voidaan tehdä 68863 hyödylliseksi osaksi. Tavallisesti käytetään hiontaa tai sorvausta hiilettömäksi tehdyn pintakerroksen poistamiseksi ja nämä prosessit ovat varsin kalliita.

Toisena pulmana, joka liittyy tavanomaiseen lämpökäsittelyyn, on oksidin muodostuminen teräksen pinnalle. Sen jälkeen kun teräs on tullut hiilettömäksi, muodostuu teräkselle oksidi-hilse. Tämä oksidihilse on yleensä varsin kovaa ja hankaa-vaa ja se täytyy poistaa teräksestä ennenkuin ryhdytään seuraavien prosessivaiheiden toteuttamiseen. Oksidihilse voidaan poistaa joko mekaanisin tai kemiallisin keinoin, mutta molemmissa tapauksissa aiheutuu lisäkustannuksia. Suojaavaa atmosfääriä voidaan käyttää hilseen muodostumisesta aiheutuvien pulmien välttämiseksi, mutta suojaavan atmosfäärin kustannukset ovat korkeat.

Lopuksi on mahdollinen sammutusvääristymä, joka on tapahtunut lämpökäsittelyn aikana, korjattava, ennenkuin työkappa-le voidaan valmistaa hyödylliseksi osaksi. Pitkillä työkappa-leilla, kuten kangilla, tangoilla, putkilla jne. on normaalina korjaavana toimenpiteenä mekaaninen oikaisu. Pienet osat täytyy hioa tai koneistaa haluttuun lopulliseen kokoon sammutusvääristymän kompensoimiseksi. Molemmissa tapauksissa ovat sammutusvääristymän korjaamisen kustannukset suhteellisen korkeat.

Ennestään tunnetun tekniikan mukaan on lämpökäsittelyproses-sit, kuten edellä jo mainittiin, toteutettu suuria uuneja käyttämällä. Juuri näiden uunien koko lattiapinta-alalla mitattuna sekä tarvittavat investointikustannukset merkitsevät huomattavaa epäkohtaa niiden käytölle. Kuten alan am-mattimiehille on hyvin tunnettua, liittyy tavanomaisten läm-pökäsittelyuunien käyttöön useita muita epäkohtia. Ensiksikin on uunin kuumennushyötysuhde yleensä varsin alhainen, mistä on seurauksena se, että lisääntyvät polttoainekustannukset tekevät tarpeelliseksi ja toivottavaksi tehokkaampien 4 68863 keinojen aikaansaamisen teräksen kuumentamiseksi. Lisäksi tapahtuu uunissa kuumentaminen säteilyllä, johtumisella ja konvektiolla, mikä tekee tarpeelliseksi pitkien jaksojen käyttämisen sen varmistamiseksi, että uunin koko teräspanos on saanut tasaisen käsittelyn tiettynä kuumennusjaksona. Tällaiset pitkät jaksot ovat sinänsä epäedullisia, koska käytetyt korotetut lämpötilat vaativat tunnetun ei-hapetta-van atmosfäärin (so. suoja-atmosfäärin tai tyhjön) käyttämistä, jonka tuottaminen vaatii lisää energiaa. Vaihtoehtona on antaa työkappaleen hapettua käsittelyn aikana ja sitten puhdistaa työkappale lämpökäsittelyn jälkeen.

Uunikuumennuksen lisäepäkohta liittyy kuorman lämpötilan kontrollointiin uunissa. Uunin kuorman suora tarkkailu on vaikeaa ja tavallisesti käytetään lämpösähköpareja tarkkailemaan uunin lämpötilaa eikä itse kuorman lämpötilaa. Myös on uunin kuorman ulkopuolen lämpötila tyypillisesti erilainen kuin kuorman sydämessä. Tämän johdosta käytetään pitkiä "imeytys"-aikoja tämän eron minimoimiseksi. Tuloksena kontrollin puutteesta uunin kuorman lämpötilan suhteen uunin kuumentamisen aikana on se, että kuorma ei tule tasaisesti kuumennetuksi joko austenisointivaiheen tai temperointivai-heen aikana. Tällä kontrollin puutteella on huomattava osa huonoon tuotteen tasaisuuteen.

On ehdotettu, kuten on kuvattu US-patenteissa 3 908 431, 4 040 872 ja 4 088 511, teräksen käsittelemistä eri lämpöjak-soja käyttäen ottamalla käyttöön suora sähkövastuskuumennus-tekniikka. Tämän tekniikan etuna on, että sillä saadaan aikaan hyvin nopea teräksisen työkappaleen kuumentaminen hyvin korkealla hyötysuhteella mukaanluettuna se etu, että työkappale tulee tasaisesti kuumennetuksi poikki koko sen poikkipinnan. Lisäetuna on se, että kunkin työkappaleen lämpötilaa voidaan helposti tarkkailla, niin että voidaan tuottaa hyvin tasaisia tuotteita.

Suoraa sähkövastuskuumennusta on käytetty jossakin määrin 5 68863 samanlaisessa lämpökäsittely-prosessissa, kuten on kuvattu US-patentissa 4 040 872. Tässä prosessissa hiiliteräs suoralla sähkövastuskuumennuksella kuumennetaan hyvin nopeasti lämpötilan yläpuoliseen lämpötilaan ja sammutetaan tasaiset ominaisuudet omaavan mikrorakenteen aikaansaamiseksi. Tämä mikrorakenne käsittää seoksen neulamaisesta pro-eutektoidisesta ferriitistä ja hienojakoisesta ferriitti-ja rautakarbidiaggregaatista. Tällä prosessilla vältetään teräksen sammutus täysin martenssiittisen rakenteen muodostamiseksi.

Fdellä esitetyn mukaisesti on esillä olevan keksinnön kohteena saada aikaan parannettu prosessi teräksien austenisoimi-seksi, sammuttamiseksi ja temperoimiseksi.

Esillä olevan keksinnön erityisenä kohteena on saada aikaan teräksien lämpökäsittelemiseksi parannettu prosessi, jolla olennaisesti eliminoidaan sammutussäröilypulma, minimoidaan sammutusvääristymäpulma, estetään merkittävässä määrin hiilen poistuminen teräksestä lämpökäsittelyn aikana ja minimoidaan sen oksidihilseen määrä, jota muodostuu teräksen pinnalle ja tämä kaikki saavutetaan Selmalla kun tehdään mahdolliseksi toteuttaa teräksen koko kovettumispotentiaali.

Esillä olevan keksinnön vielä yhtenä kohteena on saada aikaan teräksiä, joissa tasaisuusaste on korkea ja joilla on parannettu muovattavuus, sitkeys ja väsymislujuus.

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti laitteistoa, jota käytettiin pitkänomaisten työkappaleiden lämpökäsittelyyn esillä olevan keksinnön mukaisesti; kuvio 2 esittää kaaviollisesti laitteistoa, jota käytettiin pienten työkappaleiden käsittelyyn erityisesti tarkoituksella verrata esillä olevan keksinnön mukaista lämpökäsittelyä ja tavanomaisin keinoin suoritettua lämpökäsittelyä; kuvio 3A on valokuva, joka kuvaa uunissa käsiteltyjä 4150 teräksisiä työkappaleita sammutetussa tilassa; 68863 6 kuvio 3B on valokuva, joka kuvaa 4150 teräksisiä työkappa-leita sammutetussa tilassa, kun työkappaleet on käsitelty esillä olevan keksinnön mukaisesti; kuvio 4A on valokuva yhden, kuvion 3A kuvaaman työkappaleen pinnasta suurennuksena 4X; kuvio 4B on valokuva yhden, kuvion 3B kuvaaman työkappaleen pinnasta suurennuksena 4X; kuvio 5A on valokuva, joka kuvaa uunissa käsiteltyä 6150 teräksistä työkappaletta sammutetussa tilassa; kuvio 5B on valokuva, joka kuvaa 6150 teräksistä työkappaletta sammutetussa tilassa, kun työkappale on käsitelty tämän keksinnön mukaisesti; kuvio 6A on valokuva yhden, kuvion 5A kuvaaman työkappaleen pinnasta suurennuksena 4X; kuvio 6B on valokuva yhden, kuvion 5B kuvaaman työkappaleen pinnasta suurennuksena 4X; kuvio 7 on graafinen esitys vetolujuudesta ja venymästä tem-perointilämpötilan funktiona, koordinaatistoon on merkitty pisteet kymmenestä koe-erästä, tämä kuvio esittää sitä tyypillistä lämpö-lämpö-hajontaa mekaanisissa ominaisuuksissa, joka on seurauksena tämän keksinnön mukaisesta käsittelystä; kuvio 8 on graafinen esitys vetolujuudesta temperointilämpö-tilan funktiona erilaisille keskihiilisilie hiiliteräksille, jotka on käsitelty tämän keksinnön mukaisesti. Esillä olevan keksinnön joustavuus käy ilmi tästä kuviosta; kuvio 9 on graafinen esitys vetolujuudesta temperointilämpö-tilan funktiona keskihiilisilie teräksille, jotka käsiteltiin tämän keksinnön mukaisesti; kuvio 10A on valokuva useista pitkistä työkappaleista sammutetussa tilassa kuvaten vaikeaa sammutusvääristymää; kuvio 10B on valokuva samoista pitkistä työkappaleista kuin kuvio 10A, mutta nyt työkappaleet on temperoitu tämän keksinnön mukaisesti, kuviosta nähdään sammutusvääristymän eliminointi; kuvio 11 on graafinen esitys venymästä vetolujuuden funktiona kuvaten sen teräksen parempaa muovattavuutta, joka on käsitelty tämän keksinnön mukaisesti; 7 68863 kuvio 12A on mikrovalokuva, joka esittää hiilen poistumista pinnasta uunissa käsitellyssä kappaleessa; kuvio 12B on mikrovalokuva, joka kuvaa hiilen pinnasta poistumisen puuttumista kappaleessa, joka oli käsitelty tämän keksinnön mukaisesti; kuvio 13 on graafinen esitys Vickers-kovuudesta pinnanalaisen syvyyden funktiona kahdessa lämpökäsitellyssä esineessä.

Esillä olevan keksinnön sisältö perustuu sen keksimiseen, että monet pulmat, jotka liittyvät tavanomaiseen austeninointi-, sam-muttamis- ja temperointilämpökäsittelyyn, voidaan eliminoida tai niitä voidaan merkittävästi vähentää käyttämällä nopeaa kuumentamista. Nyt on keksitty, että sammutussäröytyminen voidaan käytännöllisesti katsoen eliminoida, jos käytetään nopeaa austenisointia. Lisäksi on havaittu nopean austenisoinnin käyttämällä suoraa sähkö-vastuskuumennusta merkittävästi vähentävän sammutusvääristymistä. Nopea austenisointi myös vähentää sen oksidin määrää, joka muodostuu teräksen pinnalle lämpökäsittelyn aikana ja minimoi hiilen poistumisen teräksestä. Lopuksi on nyt keksitty, että mahdollisesti tapahtuva sammutusvääristyminen voidaan käytännöllisesti katsoen eliminoida käyttämällä sopivia jännityksiä lämpökäsittelyn tempe-rointijakson aikana.

Esillä oleva keksintö perustuu siten alla olevien valheiden yhdistelmään: (A) sopivia sähkökontakteja kiinnitetään teräksisen työkappaleen vastakkaisiin päihin, (B) koko työkappale kuumennetaan sähköisesti nopeasti austenitisoin-tilämpötilaan, joka on teräksen A^-lämpötilan yläpuolella, siten että tarvittava kuumennusaikä lämpötilan A^ ja austenitisointiläm-pötilan välillä on alle 100 sekuntia, (C) koko austenitisoitu työkappale karkaistaan välittömästi kar-kaisunesteessä, jonka karkaisun ankaruuskerroin on yhtäsuuri tai suurempi kuin sekoittamattomalla vedellä ensisijaisesti marten-siittisen mikrorakenteen muodostamiseksi ja (D) temperoidaan karkaistu työkappale kuumentamalla koko työkappale nopealla sähkökuumennuksella lämpötilaan, joka on teräksen A^-lämpötilan alapuolella samalla kun työkappale pidetään jännityksen alaisena teräksen myötörajan alapuolella olevassa kuormituksessa.

8 68863

Rajoittamatta esillä olevaa keksintöä mihinkään teoriaan, uskotaan, että esillä olevassa keksinnössä käytetty nopea austenisointijakso käytännöllisesti katsoen eliminoi sammu-tussäröytymisen, koska lyhyen austenisointijakson aikana on riittämättömästi aikaa haurastuttavien elementtien diffu-soitumiseen austeniittijyvästen raja-alueille ja aiheuttamaan jyvästen raja-alueiden haurautta. On ennestään tunnettua, että sairunutussäröytyminen on jyvästen raja-alueiden ilmiö. Kun käytetään tavanomaista uuniaustenisointikäsitte-lyä, tulee uunin kuorma yli A·^ lämpötilan olevien lämpötilojen vaikutuksen alaiseksi pitkäksi aikaa sen varmistamiseksi, että uunin koko kuorma on saavuttanut asianmukaisen lämpötilan ennen sammutusta. Tämän johdosta on eri alkuaineilla riittävästi aikaa diffusoitua austeniittijyvästen raja-alueille ja jäädä rikastuneina näille alueille. Tunnettujen haurastuttavien alkuaineiden, kuten rikin, fosforin, tinan ja antimonin on havaittu rikastuvan austeniittijyvästen raja-alueille tavanomaisten uuniaustenisointikäsittely-jen aikana. Lisäksi erottuu myös muita alkuaineita, kuten kromia, nikkeliä ja mangaania austeniittijyvästen raja-alueille ja myös nämä alkuaineet voivat aiheuttaa sammutus-säröytymistä.

Suora sähkövastuskuumennus tekee mahdolliseksi kuumentaa teräs hyvin nopeasti ja aika yläpuolella A^ lämpötilan on riittämätön sallimaan sitä, että tapahtuu merkittävässä määrin rikastumista jyvästen raja-alueille. Tästä syystä jyvästen raja-alueet pysyvät lujina ja säröytyminen sammutuksen aikana on käytännöllisesti katsoen eliminoitu.

Uskotaan myös, että suora sähkövastuskuumennus tekee mahdolliseksi vähentää työkappaleen sen vääristymisen tasoa, jota tapahtuu seurauksena tavanomaisesta lämpökäsittelystä. Kun teräs kuumennetaan uunissa, on kuumentaminen epätasaista, koska lämmön täytyy tunkeutua uunin kuormaan uuniympäristös-tä. Tämän epätasaisen kuumentamisen seurauksena kehittyy työ- 9 68863 kappaleisiin lämpörasituksia, jotka voivat aiheuttaa vääristymistä. Lisäksi voi uunin kuorma saadan riippumaan oman painonsa johdosta, mikä vääristää työkappaleita. Myös voi uunin kuorman massa estää joidenkin työkappaleiden vapaan laajenemisen niitä kuumennettaessa ja tämä voi aiheuttaa lisää vääristymistä. Näiden ilmiöiden seurauksena ovat työkappaleet jonkin verran deformoituja, kun ne poistetaan uunista ja sammuttamisen aikana tämä vääristyminen korostuu.

Kun uunissa kuumentamisen sijasta käytetään suoraa sähkövas-tuskuumennusta, voidaan työkappaleen vääristyminen minimoida. Suoran sähkövastuskuumennuksen aikana voidaan työkappale pitää jännityksen alaisena, sallia vapaa laajeneminen ja hyvin tukea se pitkin sen pituutta riippuman ehkäisemiseksi. Koska vain yksi työkappale kuumennetaan kerrallaan, ei muiden työkappaleiden paino edistä vääristymistä. Lisäksi on suora sähkövastuskuumennus tasainen yli koko poikkileikkauksen ja pitkin työkappaleen koko pituuden. Tämän johdosta ovat lämpörasitukset vähäisiä ja lämpörasituksista johtuva vääristymä on eliminoitu. Koska austenisoitu työkappale viedään sammutusaineeseen minimaalisesti vääristyneenä, tapahtuu vähemmän vääristymistä sammutuksen aikana. Tästä johtuen suora sähkövastuskuumennus tekee mahdolliseksi minimoida se vääristymä, joka tapahtuu teräksisten työkappaleiden auste-nisoinnin ja sammutuksen aikana.

Suoran sähkövastuskuumentamisen vielä yhtenä etuna on se, että vääristymistä, joka tapahtuu prosessin austenisointi-ja sammutusvaiheiden aikana, voidaan merkittävästi vähentää temperointivaiheen aikana. Nyt on keksitty, että pitkänomaisten työkappaleiden vääristymätasoa voidaan tosiasiassa vähentää temperoinnin aikana, jos työkappale pidetään jännityksessä koko kuumennusprosessin ajan.Suoristamiseen tarvittava vetorasitus on paljon alapuolella teräksen myötöra-situsta. Tätä suoristamisprosessia temperointijakson aikana nimitettiin "temperointisuoristamiseksi" ja uskotaan, että 10 68863 sen aiheuttaa teräksen jäännösrasitusten edullinen uudelle en jakaantuminen temperoinnin varhaisvaiheessa.

Sen lisäksi, että esillä olevalla keksinnöllä eliminoidaan monia tavanomaiseen lämpökäsittelyyn liittyviä pulmia, sillä myös aikaansaadaan parempi laatu lämpökäsiteltyyn teräkseen. Testit ovat paljastaneet, että tuotteilla, jotka on valmistettu esillä olevan keksinnön mukaisesti, on parannettu tasaisuus verrattuna tuotteisiin, jotka on tuotettu tavanomaisin keinoin. Parannuksia muovattavuudessa, sitkeydessä ja väsymislujuudessa on myös havaittu.

Edustavia niistä teräksistä, joita voidaan käyttää esillä olevan keksinnön mukaisesti, on esitetty seuraavassa taulukossa.

11 68863

»A »n IN H n 0« A N

•T.NNV 0« ^ f»* m\ 3 O © H o O O O o o ········· o · 3 000000000 · o

f I I I « * | | | o I

3 Q> OJ Qi cu <d a> a? I o S H > w h p-ι h m m m a m oO-’r'O'Oovaoer-trirooineooorteMMin'»

^ ^ ooooooooooooooooooooooooO

<J O OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO

^ κρ ί"'θΗη<-·ΗηΗΓ<<ΊΝη^<ΤΗ»νΗΗ^ΗΝ<»Ν'ί

0 *^OOOi-4^«Ha4000a4<~IOOOOOOOOOOO

I ooooooooooooooooooooooooO

n W e'ei’*«Ar*Oeor*OvOsOO«H*-lO«Na4m^eD®r*f-|r,| ΗθΗΡ<ΗΗΗΗΗΗΗ«ΝθΟΗβ, 0«βΗ« *<00 ΟΟΟΟΟ ΟΟΟΟΟΟΟΟΟΟΟ o O O o. O O Oqq ^ νηββΓ^ΓΗΛπ ιλ o> o r» irt m n ^ n m n « h h n m q «(ηοσιΟΑΟΦΦΑΑοιβοοιΛωοΗηβοοο·^

•H OOOOHOHOOOOHOOOOOOOOOHHnJ

CO w ^ >·, t-H «H 6"5 •rtr*«Nr*^00<Na^fNfN*ftrtMnOO<NOiNININ^—»eo

J2 OHOHHHNHNOOOP*OO^OOf»OOOOQQ

C ©ΟΟΟΟΟΟΟΟΟΟΟ-ΙΟΟΟΟΟΟΟΟΟ©*-!

Co o W

e '

O) 6^ «»«(NOnAmNotfrtMotroaHOHonvonr^N

C ΕΛ ννν«»ννννννπ^ηηνπημνμ«μΗΝ

ooooooooooooooooooooooooO

H

cd •H -«ηΝθΟ«ΟΟ9Η^ηΐΝΝ9Η\0νΗΜΓ«><τ«\·νΟΟΟ

@ C/D6^ r%n.-N-i—«NfNn<NiN(NfNfNN0»-4*nf-iww^^o«*HrN

qj ooooooooooooomooooooooooO

H OOOOOOOOOOOOO'OOOOOOOOOOQO

o e X ω _

-P , eP^Pkff^OOOf-eifimOintft^NrtOHnNH^O

3 (O I ooe^o^HHooHO^OHOOMMHM^t-iOr^

H ;c^ p_! £so I oooooooOooooouoooooooooOO

Ϊ3 P I oooooooooooooooooooooooOO

cd <u H ·*-> C C | «ΛΟίΛίηοηνοβι-ΐίΗΟΡ^ηοίΝΓΊβοί^βΚσι^^*^ <D Jg gs,o J 0®βΟΟΛΛΓ'ί»ΟβΛΓ·*θωΟΟ»ΠΡ,“<ΛνΡ»θΝ'ί W I ·*0ΟΟ0ΟΟΟ0#-ΙΟ0ΟρΝΟ»ν0Μ0ΟΟ0<η00

CO

•r^

r“H

H HOA^^nnteoNHtaoNvi^NAnHAHntOOO

cd U «n^<n,rt,,,TttvVTf^nn(nNNt,eol

OOOOOtJOOOOOOOOOOOOOOOOOOO

rt rt · "m totouJt^oocoooococnoococnomtnirctDor^ioj-o • rj ooo--.moul®a><n<riu<j-a)OC3ts-tu>enrHcMmi^o COS coi-cnuvmr-cfMocNC-.mOinocr^cNtoNU^®^ ° tM*" cT ~ cT <N cnT c/V b uT id «.n h h cm tg im m n.« n n - n rt *

3 o H

*J ΟΟΝΝΟ^ΟΜΟΝΝΜ'ΟνιΛΟΟηΝΝΟΜ^^Ο

Cd n. ·ρ n q n *r γ 00 O

(rt hJ ιη q>äO <QoaauosM^»cjsxofliOKieHD>Jx>< O u S4 a) 12 68863 Tämän keksinnön edullisessa suoritusmuodossa teräs on työ-kappaleen muodossa, joka voidaan kuumentaa erikseen, niin että kuumennusprosessia voidaan täsmällisesti kontrolloida. Tähän tarkoitukseen on usein edullista käyttää sen muotoisia työkappaleita, joissa on toistuva poikkileikkaus, kuten kan-kia, tankoja, putkia ja senkaltaisia.

Edullisen suoritusmuodon mukaisesti yksilölliset työkappaleet kuumennetaan nopeasti suoralla sähkövastuskuumennuksella samalla kun työkappaleen lämpötilaa tarkkaillaan sopivalla tuntolaitteella. Kuumennusprosessin nopeus, samalla kun se tekee mahdolliseksi työkappaleiden suurien määrien käsittelemisen taloudellisesti, aiheuttaa austenisointimuutoksen hyvin nopean etenemisen. Edullisin menetelmä esillä olevan keksinnön mukaista nopeaa kuumentamista varten on yksityiskohtaisesti kuvattu US-patentissa 3 908 431 ja se käsittää proseduurin, jolla sähkövirta johdetaan läpi teräksisen työkappaleen; työkappaleen sähkövastus sähkövirralle aiheuttaa työkappaleen nopean kuumentumisen läpi sen koko poikkileikkauksen.

Esillä olevan keksinnön mukaiselle prosessille on kriittistä, että työkappaleen kuumentaminen teräksen muuttamiseksi auste-niitiksi, toteutetaan nopasti, so. ajan, jonka teräs pidetään Ai lämpötilan yläpuolella, tulee olla alle viisi minuuttia. Keksinnön edullisessa käytännön sovellutuksessa teräksen austenisointi suoralla sähkövastuskuumennuksella toteutetaan kokonaisajassa, joka on alueella 5-100 sekuntia, jolloin aika, jonka teräs on A^ lämpötilan yläpuolisessa lämpötilassa, tavallisesti on alle 40 sekuntia.

Esillä olevaa keksintöä käytännössä sovellettaessa teräksinen työkappale ensin kuormataan sähkökoskettimiin ja kiinnitetään varmasti. Sitten kytketään sähkövirta, ja työkappale tulee nopeasti kuumennetuksi austenisointilämpötilaan. Lämpötilaa tarkkaillaan käyttämällä standardityyppistä säteily-pyrometriä. Kun asianmukainen austenisointilämpötila on saavutettu, katkaistaan sähkövirta ja työkappale irrotetaan.

i3 6 8 8 6 3

Kun teräs edellä kuvatulla tavalla nopeasti kuumennetaan, on tarpeen kuumentaa teräs korkeampaan lämpötilaan kuin mitä tarvitaan uunikäsittelyssä. Esimerkiksi seos 4140 voidaan täysin austenisoida uunissa, jonka lämpötila pidetään 843°C:ssa, mutta aika, joka vaaditaan täydellisen austeni-soinnin varmistamiseksi, olisi useita tunteja. Sama teräs voidaan täysin austenisoida alle minuutissa käyttämällä suoraa sähkövastuskuumennusta, mutta teräs täytyy kuumentaa lämpötilaan 927°C lämpötilan 843°C sijasta.

Tämä aika-lämpötila-suhde teräksen austenisointia varten on suora seuraus hiilen diffuusion riippuvuudesta sekä ajasta että lämpötilasta. Tämä on ilmiö, joka alan ammattimiehille on ennestään tunnettu.

Sen jälkeen kun työkappale on täysin austenisoitu asianmukaisessa austenisointilämpötilassa, se poistetaan kuumennus-asemasta ja välittömästi kuormataan sammutuslaitteeseen. Täällä se nopeasti jäähdytetään lämpötilaan, joka on lähellä sammutuskylvyn lämpötilaa, ja teräkseen muodostuu vallitsevasti martensiittinen rakenne. Kovetettu työkappale kuormataan sitten pitopöydälle.

Tämän keksinnön edullisen käytännön sovellutuksen mukaan käytetään voimakasta sammutusainetta. Sammutusaineet luokitellaan tavanomaisesti kertoimella, jota nimitetään sammutuksen voimakkuudeksi tai "H-kertoimeksi". Sammutuksen voimakkuus (kovuus) on funktio sekä sammutusaineen koostumuksesta että hämmentämisasteesta. Esimerkiksi tyynelle öljylle on H-ker-roin likimain 0,25, kun voimakkaasti hämmennetyn öljyn H-kerroin on lähellä 1,0. Tyynen veden H-kerroin on lähellä 1.0 ja hämmennetyn veden H-kerroin voi olla suurempi kuin 1.0 riippuen hämmentämisen voimakkuudesta. Tämän keksinnön edulliseen käytäntöön soveltamiseen sisältyy sellaisen sammu-tusprosessin käyttäminen, jossa saavutetaan H-kertoimia yli 1,2 samalla kun varmistetaan työkappaleen tasainen jäähtyminen. Käytetään vesipitoista sammutusainetta, joka voi 14 688 6 3 olla vettä tai sellaista vettä, joka sisältää erilaisia tavanomaisia sammutuslisäaineita. Jonkin verran hämmentämistä suositellaan sen varmistamiseksi, että osa tulee tasaisesti sammutetuksi.

Kun koko työkappalekuorma on tullut austenisoiduksi ja sammutetuksi, kuormataan työkappaleet tulopöydälle temperoin-tia varten. Temperointitoiminnan aikana työkappaleet kuormataan yksilöllisesti kuumennusasemään, pidetään jännityksessä (jännitys on alle teräksen myötörajan) ja kuumennetaan asianmukaiseen temperointilämpötilaan. Kuumentamisen ja jännityksen yhdistelmä saa työkappaleen oikenemaan. Kaaviollinen kuva laitteistosta, jota käytettiin tämän keksinnön mukaiseen käsittelyyn, on esitetty kuviossa 1.

Kuvion 1 kuvaama laitteisto esittää todellista laboratorio-laitteistoa, jota käytettiin useimpien taulukossa 1 lueteltujen teräksien käsittelyyn. Muita laitteistomuotoja voidaan käyttää teräksen käsittelyyn esillä olevan keksinnön mukaisesti ja kuvion 1 esittämä laitteistomuoto on esitetty vain esimerkkinä. Tämä laitteistomuoto suunniteltiin kankia, tankoja tai putkia varten, joiden pituus on alueella 2,4- 4,3 m ja halkaisija 1,3-8,9 cm.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti laitteistomuotoa, jota käytettiin erityisesti pienempien teräksisten työkappaleiden käsittelyyn tämän keksinnön mukaisesti ja tavanomaiseen tapaan vertailutarkoituksessa.

Kuten edellä jo selitettiin, kun käytetään nopeaa kuumentamista teräksen austenisoimiseksi, on eri alkuaineilla hyvin vähän aikaa diffusoitua austeniittijyvästen raja-alueille. Tämän johdosta pysyy austeniittijyvästen raja-alueiden lujuus suurena ja teräs vastustaa säröytyrnistä sammutusproses-sin aikana. Tämä ilmiö on yksi esillä olevan keksinnön pää-eduista.

is 688 6 3

Muuna etuna teräksen käsittelemisestä tämän keksinnön mukaisesti on se, että sammutuksen aikana tapahtuu vähemmän vääristymistä verrattaessa siihen vääristymiseen, jota havaitaan tavanomaisten prosessien yhteydessä.

Nopean austenisointijakson lisäetuna on, että vain hyvin vähän oksidia muodostuu työkappaleen pinnalle, koska teräs on korkeissa lämpötiloissa niin lyhyen ajan. Oksidin muodostuminen voidaan uunikäsittelyissä välttää käyttämällä suo-jaavaa atmosfääriä, mutta tämän suojaavan atmosfäärin synnyttäminen on kallista. Esillä olevalla prosessilla vältetään oksidin merkittävän määrän muodostuminen teräksisille työ-kappaleille ja siten saadaan aikaan säästöä teräksen painonmenetyksessä, teräksen puhdistamiskustannuksissa taikka suojaavan atmosfäärin aiheuttamissa kustannuksissa.

Vielä yhtenä etuna teräksen käsittelyssä tämän keksinnön mukaisesti on aleneminen siinä hiilenpoiston määrässä, jota tapahtuu lämpökäsittelyn aikana. Kun teräs käsitellään tämän keksinnön mukaisesti, on austenisointijakso hyvin lyhyt ja hiilellä on hyvin vähän aikaa reagoida ilman kanssa ja poistua teräksestä. Tämän johdosta ei hiilenpoistumisvyöhykettä muodostu teräkselle. Esillä olevan prosessin tämä aspekti tekee mahdolliseksi käsitellä työkappaleita, jotka on sorvattu tai hiottu sen vyöhykkeen poistamiseksi, josta hiili on poistumut, ilman pelkoa hiilen poistumisesta työkappaleen pinnasta. Tämän mukaisesti voidaan teräksisen työkappaleen pinta sorvata tai hioa kuumvalssatussa tai päästetyssä tilassa ennen lämpökäsittelyä. Tavanomaisissa prosesseissa teräs täytyy sorvata tai hioa lämpökäsittelyn jälkeen, kun teräs on kovetetussa tilassa.

Vielä yksi etu teräksen käsittelyssä tämän keksinnön mukaisesti liittyy seoksiin, joita käytetään lämpökäsitellyn tuotteen tiettyjä vaatimuksia varten. Kuten edellä jo selitettiin, ovat tavanomaisissa teräksen käsittelyprosesseissa suurimpi- 16 688 6 3 na pulmina sammutussäröyminen ja sammutusvääristyminen.

Näiden pulmien vähentämiseksi käytetään tavallisesti miedompaa sammutusainetta. Epäkohtana lievempien sammutusaineiden käytöstä on se, että ei voida toteuttaa teräksen koko kovet-tumispotentiaalia. Seurauksena tämän keksinnön mukaisen prosessin käyttämisestä on se, että voidaan käyttää voimakasta sammutusainetta ja tietyllä seoksella voidaan toteuttaa koko kovettumispotentiaali.

Vielä yksi esillä olevan keksinnön edullinen piirre liittyy sammutusvääristymän pienentämiseen prosessin temperointivai-heen aikana. Prosessin tämä aspekti mainittiin jo edellä aikaisemmin ja uskotaan, että tämän temperoinnin oikaisuil-miön aiheuttaa työkappaleen jäännösrasitusten edullinen uudelleenjakaantuminen. Testit ovat osoittaneet, että jännitys, joka vaaditaan temperointioikaisun tapahtumiseen, on paljon teräksen myötörajan alapuolella. Tämän mukaisesti eroaa ilmiö kiristinoikaisusta ja muista mekaanisista oikai-suprosesseista, jotka vaativat suurempien jännitysten kehittämistä kuin teräksen myötöraja.

Esillä olevan keksinnön tärkeä etu on se, että se on hyvin tehokas energian käyttöön nähden. Toisin kuin tavanomaisissa uunikäsittelytoiminnoissa, joissa suuria uuneja täytyy kuumentaa korotettuihin lämpötiloihin, esillä olevassa keksinnössä kuumennetaan olennaisesti vain käsiteltävä työkappa-le. Tutkimukset ovat toisiasiassa osoittaneet, että esillä olevan keksinnön lämpöhyötysuhde on 70-90 % ja tavanomaisten, rekuperaattoreilla varustettujen uunien maksimaalinen hyötysuhde on vain noin 35 %.

On ilmeistä, että esillä oleva keksintö tarjoaa useita tärkeitä etuja lämpökäsiteltyjen teräksisten työkappaleiden valmistajalle. Esillä olevalla prosessilla saadaan käytännöllisesti katsoen eliminoiduksi sammutussäröilypulma. Sammutus-vääristyminen minimoidaan ja oksidin muodostuminen prosessin 17 68863 aikana minimoidaan. Teräksen koko kovettumispotentiaali voidaan toteuttaa esillä olevaa prosessia käyttämällä, koska käytetään voimakasta sammutusta. Edelleen voidaan mahdollista vääristymistä, joka tapahtuu teräksessä austenisoinnin ja sammutuksen aikana, merkittävästi vähentää temperointi-vaiheen aikana. On myös havaittu, että tämän keksinnön mukaisella prosessilla tuotetulla teräksellä on parempi tasaisuus kuin tavanomaisilla tekniikoilla käsitellyllä teräksellä. Parannuksia muovattavuudessa, sitkeydessä ja väsymislujuudessa on myös havaittu.

Sen jälkeen kun edellä on kuvattu esillä olevan keksinnön perusajatukset, käsitellään seuraavassa esimerkkejä, joilla on tarkoitus kuvata keksintöä mutta ei millään tavoin rajoittaa sen piiriä.

Esimerkki 1 Tämä esimerkki käsittää vertailun tavanomaisen uunikäsitte-lyn ja tämän keksinnön mukaisen lämpökäsittelyn välillä.

Tässä esimerkissä, tarkoituksella osoittaa, että tällä keksinnöllä käytännöllisesti katsoen eliminoidaan sammutussä-röily, austenisoidaan kanget, mitä seuraa sammutus, ilman temperointivaihetta, koska Viimeksimainitulla ei olennaisesti ole mitään vaikutusta sammutussäröilyyn.

Tähän vertailutestiin käytetyn teräksen kemiallinen analyysi on esitetty taulukossa 1 - koe-erä A. 4150 terästä käytettiin tähän vertailuun, koska teräksillä, joiden hiilipitoisuus on yli 0,40 %, on taipumus sammitussäröilyyn. Koe-erä sisältää myös Te, joka on koneistettavuuslisäaine. Yleensä koneis-tettavuuslisäaineet, kuten Te, Se, S ja Pb lisäävät mahdollisuutta sammutussäröilyyn. Nämä lisäaineet muodostavat sulkeumia teräkseen ja sulkeumat toimivat alkukohtina sammutus-säröille. Kuviossa 2 kuvattua laitteistoa käytettiin tässä vertailutestissä.

18 68863

Koekappaleet tätä vertailutestiä varten valmistettiin teräksen 4150 kuumavalssatuista kangista, jotka oli mekaanisesti puhdistettu kuumavalssauksen aikana teräkselle muodostuneen oksidin poistamiseksi. Kuumavalssatut kanget valittiin sattumanvaraisesti ja kaksi lyhyttä kappaletta leikattiin jokaisesta näistä kangista. Kukin kappale oli 53,3 cm pituinen ja halkaisijaltaan 2,606 cm. Nämä kaksikymmentä kappaletta jaettiin kahteen kymmenen kappaleen ryhmään. Toinen ryhmä osoitettiin uunikäsittelyyn ja toinen osoitettiin käsiteltäväksi tämän keksinnön mukaisesti.

Kappaleet, jotka oli osoitettu uunikäsittelyyn, kuumennettiin laboratoriouunissa lämpötilaan 843°C. Tässä tapauksessa tarvittiin neljän tunnin uunikäsittely sen varmistamiseksi, että uunin koko kuorma saavutti austenisointilämpötilan. Sitten kukin kappale yksilöllisesti sammutettiin hämmennetyssä vedessä. Mitään lisäainetta ei käytetty sammutuskylvyssä ja kylvyn lämpötila pidettiin 27°C:ssa.

Toinen kappaleryhmä käsiteltiin käyttämällä suoraa sähkö-vastuskuumennusta. Kukin kappale kuumennettiin lämpötilaan 927°C ja sammutettiin samassa sammutustankissa, jota käytettiin käsitellyille kappaleille. Tarvittiin vain 16 sekuntia kunkin kapnaleen kuumentamiseen haluttuun austenisointilämpö-tilaan. On huomattava, että sähkökäsittelyssä oli käytetty austenisointilämpötila 66°C korkeampi kuin uunikäsittelyssä käytetty austenisointilämpötila. Sähkökäsittelyssä oli tarpeen korkeampi austenisointilämpötila sen varmistamiseksi, että teräs oli tullut täysin austenisoiduksi tämän lyhyen kuumennusjakson aikana. Korkeammat austenisointilämpötilat pyrkivät yleensä edistämään sammutussäröilyä ja tässä vertai-lutestissä käytetty korkeampi austenisointilämpötila tosiasiassa vinoutti testiä uunikäsittelyn hyväksi.

Sen jälkeen kun molempien kappaleryhmien sammutus oli loppuun suoritettu, kukin kappale tarkastettiin sammutussäröjen 19 688 6 3 suhteen ja mitattiin suoruuden määräämiseksi. Sammutussäröjä havaittiin helposti uunissa käsitellyissä kappaleissa ja visuaalinen tarkastus ei paljastanut lainkaan sammutussärö-jä sähköisesti käsitellyissä kappaleissa. Sen varmistamiseksi, että sähköisesti käsitellyissä kappaleissa ei ollut sam-mutussäröjä, nämä kappaleet tutkittiin tarkemmin käyttämällä värin tunkeutumistekniikkaa. Myöskään tässä tapuksessa ei havaittu mitään sammutussäröjä.

Jokainen kappale myös mitattiin suoruuden määräämiseksi.

Tämä tehtiin sijoittamalla kappale tasaiselle pinnalle, työntämällä kappale suoraan teräskankea vasten, joka myös oli sijoitettu tasaiselle pinnalle ja sitten mittaamalla maksimaalinen ero suoran kangen ja koekappaleen välillä. Tämä mitta (senttimetreinä) jaettiin koekappaleen pituudella (metreinä) antamaan kvantitatiivinen indikaatio kunkin koekappaleen vääristymästä. Molemmat kappaleryhmät myös valokuvattiin ja kuviot 3A ja 3B osoittavat, että sähköisesti käsitellyt kanget olivat paljon suorempia kuin uunissa käsitellyt kanget. Taulukko 2 esittää numeroarvot, jotka kuvaavat näitä kahta ryhmää lämpökäsiteltyjä kankia.

Taulukko 2

Vertailutesti teräkselle 4150 Vääristymän määrä

Kappal enumero _ cm/m_ Sammutussäröjä

Uuni F-l 1,592 0 F-2 0,950 1 F-3 0,383 0 F-4 1,425 0 F-5 1,425 1 F-6 1,192 1 F-7 0,892 0 F-8 1,592 1 F-9 1,858 1 F-10 1,075 0

Keskiarvovääristymä 1,242 50 % sammutussäröytyneitä 20 6 886 3

Taulukko 2 (jatkoa) Vääristymän määrä

Kappalenumero _cm/m_ Sammu tussärö jä Sähköinen E-l 0,333 0 E-2 0,325 0 E-3 0,383 0 E-4 0,325 0 E-5 0,117 0 E-6 0,317 0 E-7 0,300 0 E-8 0,258 0 E-9 0,517 0 E-10 0,342 0

Keskiarvovääristymä 0,325 0 % sammutussäröytyneitä

Taulukon 2 esittämistä numeroarvoista ja kuvioiden 3A ja 3B valokuvista on ilmeistä, että teräksellä, joka oli austeni-soitu tämän keksinnön mukaisesti, oli vähemmän sammutusvää-ristymää kuin uunissa käsitellyllä teräksellä. Tosiasiassa oli uunissa käsiteltyjen kappaleiden vääristymä yli kolminkertainen sähköisesti käsiteltyihin kankiin verrattuna. Voidaan olettaa, että sähköisesti käsiteltyjen kappaleiden vähäisempi vääristymä johtui jostakin erosta sammutetussa kovuudessa, joka näillä koekappaleilla saavutettiin. Näin ei kuitenkaan ollut asian laita. Taulukko 3 esittää yhteenvedon kovuusarvoista otettuina paloista, jotka leikattiin näistä kahdesta ryhmästä sammutettuja kappaleita. Nämä numeroarvot osoittavat selvästi, että sama kovuustaso saavutettiin molemmissa kappaleryhmissä. Vähäinen näkyvä ero on Rc-kovuustes-tien tarkkuusrajoissa.

Taulukko 3

Kovuusvertailu 4150 teräkselle

Uunissa Sähköisesti käsitelty käsitelty

Keskimääräinen kovuus keskellä 62,2 Rc 62,1 Rc

Keskimääräinen kovuus säteen puo- 0 „ livälissä 60'8 Rc 61'3 Rc

Keskimääräinen pintakovuus 60,7 Rc 61,4 Rc

Keskimääräinen kokonaiskovuus ~ , _ (30 testiä) 61,2 Ro 61,6 Rc 21 68863

Merkittävin aspekti taulukon 2 esittämissä numeroarvoissa on tulokset sammutussäröilystä. Viisikymmentä prosenttia uunissa käsitellyistä kappaleista säröytyi vesisammutuksen aikana ja sammutussäröytymisen tämä frekvenssi on enemmän tai vähemmän normaalia. Tavallisesti 4150 teräs sammutetaan öljyssä sammutussäröilyn välttämiseksi. Tämän johdosta olisi odotettavissa sammutussäröilyn tapahtumista, jos tällä teräs-laadulla käytettäisiin vettä öljyn sijasta. Mikään sähköisesti kuumennetuista kappaleista ei kuitenkaan säröillyt vaikka ne sammutettiin täsmälleen samassa sammutusaineessa ja teräkseen saatiin sama kovuus sammutettuna. Uskotaan, että sammutussäröilyn tapahtumisen tämän eron syynä voi olla nopea austenisointijakso. Yksinkertaisesti ei ollut riittävästi aikaa haitallisten alkuaineiden erottumiseen auste-nittijyvästen raja-alueille käytetyn lyhyen austenisointi-jakson aikana. Tämän johdosta pysyivät jyvästen raja-alueet lujina ja kappaleet vastustivat sammutussäröilyä. Toiselta puolen oli austeniittijyvästen raja-alueille erottumiseen riittävästi aikaa uunissa käsitellyissä kappaleissa ja 50 % näistä kappaleista säröytyi.

Kuviot 4A ja 4B esittävät vertailuna yhden uunissa käsitellyn kappaleen pintaa ja yhden sähköisesti käsitellyn kappaleen pintaa. Sammutussärö näkyy uunissa käsitellyssä kappaleessa. Yleensä ulottuivat sammutussäröt koko kappaleen pituudelta ja ne noudattivat epäsäännöllistä tietä päästä päähän. Yhden kappaleen poikkileikkaus paljasti sen, että sammutussärö ulottui pinnasta likimain poikkileikkauksen keskustaan. Murtuman tutkiminen osoitti, että se todellakin oli luonteeltaan jyvästenvälinen. Koska yhtään sammutussäröä ei löydetty sähköisesti kuumennetuissa kappaleissa, yhtään ei voitu valokuvata tai tutkia metallograafisesti.

Kuvioiden 4A ja 4B valokuvat kuvaavat toista tärkeää aspektia teräksen käsittelyssä nopeilla austenisointikäsittelyil-lä. Kuvio 4A osoittaa, että uunissa käsitellyn teräksen pin- 22 688 6 3 nalla on paksu kerros oksidia. Toiselta puolen siinä kappaleessa, joka oli sähköisesti austenisoitu, oli vain ohut kerros hilsettä. Oksidin paksuuden mittaukset uunissa käsitellyistä kangista osoittivat, että tämän kerroksen paksuus vaihteli välillä 0,0038-0,0089 cm. Tehtiin yritys oksidi-kerroksen paksuuden mittaamiseksi sähköisesti käsittelyistä kappaleista, mutta kerros oli niin ohut, että mittauksia ei voitu suorittaa. Kaikki mitä voidaan sanoa sähköisesti käsitellyistä kappaleista on, että oksidikerroksen paksuus oli alle 0,00025 cm. Tämä oksidikerroksen puuttuminen tämän keksinnön mukaisesti käsitellystä teräksestä on tämän prosessin yksi ilmeinen etu.

Esimerkki 2 Tässä esimerkissä toistettiin testit ja tutkimukset, jotka suoritettiin esimerkissä 1, mutta käytettiin toista teräs-laatua.

Kymmenen kuumavalssattua, 6150 terästä olevaa kankea koe-erästä B valittiin sattumanvaraisesti. Nämä kymmenen kankea puhdistettiin mekaanisesti ja niistä katkaistiin kaksikymmentä kappaletta. Nämä kappaleet olivat 53,3 cm pituiset ja halkaisijaltaan 2,606 cm. Koe-erän B kemiallinen analyysi on annettu taulukossa 1 ja 6150 teräs valittiin tähän testisarjaan, koska tuntui, että tällä laadulla olisi taipumus saramutussäröytymiseen vedessä sammutettuna. Kuviossa 2 kuvattuja laitteistoja käytettiin näiden kahdenkymmenen kappaleen lämpökäsittelyyn.

Kymmenen näistä kappaleista uunikäsiteltiin käyttämällä aus-tenisointilämpötilaa 843°C ja kuumennusaikaa neljä tuntia. Austenisoinnin jälkeen kappaleet yksilöllisesti sammutettiin hämmennetyssä vedessä, tarkastettiin sammutussäröjen suhteen ja mitattiin suoruuden selvittämiseksi.

23 6886 3

Sitten kymmenen jäljellä olevaa kappaletta austenisoitiin tämän keksinnön mukaisesti. Austenisointilämpötilaksi valittiin 927°C ja aika, joka vaadittiin kunkin kappaleen kuumentamiseen, oli 18 sekuntia. Kappaleet sammutettiin yksilöllisesti ja sammutukseen käytettiin samaa kylpyä kuin mitä oli käytetty uunissa käsitellyille kappaleille. Esimerkissä 1 kuvattuja menettelyjä käytetiin jälleen näiden kappaleiden analysointiin ja näiden testien tulokset on esitetty taulukossa 4. Valokuvat kappaleista sammutettuina on esitetty kuvioissa 5A ja 5B.

Taulukko 4

Verrailutesti 6150 teräkselle

Kappaleen Vääristymän määrä Sammutus- identif iointi _cm/m _ säröjä

Uuni: F-l 1,142 0 F-2 0,767 1 F-3 1,592 1 F-4 1,600 1 F-5 1,275 2 F-6 0,950 0 F-7 1,167 1 F-8 0,717 1 F-9 0,000 1 F-10 0,383 1

Keskimääräinen vääristymä 0,958 80 % säröytyneitä Sähköinen: E-l 0,142 0 E-2 0,142 0 E-3 0,000 0 E-4 0,117 0 E-5 0,300 0 E-6 0,183 0 E-7 0,025 0 E-8 0,158 0 E-9 0,258 0 E-10 0,167 0

Keskimääräinen vääristymä 0,150 0 % säröytyneitä

Taulukossa 4 annetut numeroarvot ja kuvioiden 5A ja 5B valokuvat osoittavat, että nopea austenisointi pyrkii alentamaan sammutusvääristymätasoa. Tässä tapauksessa oli vääristymä-taso uunissa käsitellyillä kappaleilla kuusinkertainen sähköisesti käsiteltyihin kappaleisiin verrattuna.

24 68863

Kovuustestit suoritettiin näytteiden poikkileikkauksille, jotka oli leikattu kappaleista, jotka edustivat sekä uunissa käsiteltyä että sähköisesti käsiteltyä terästä ja näiden kovuustestien tulokset on esitetty taulukossa 5. Taulukon 5 numeroarvot osoittavat, että molemmat kappaleryhmät oli sammutettu olennaisesti samaan kovuustasoon. Tämän johdosta eroja, jotka havaittiin sammutusvääristymässä ja eroja sammu-tussäröilyfrekvenssissä, ei voida pitää johtuvina eroista martensiittisessa muutoksessa.

Taulukko 5

Kovuusvertailu 6150 teräkselle

Uunissa Sähköisesti käsitelty käsitelty

Keskimääräinen kovuus keskellä 61,1 Rc 61,5 Rc

Keskimääräinen kovuus säteen puolivälissä 60'8 Rc 61Ί Rc

Keskimääräinen pintakovuus 61,0 Rc 61,5 Rc

Keskimääräinen kokonaiskovuus „ (30 testiä) 60'9 Rc 61'5 Rc

Merkittävin aspekti taulukossa 4 esitetyissä numeroarvoissa liittyy sammutussäröilyvertailuun. Kahdeksankymmentä prosenttia uunissa käsitellyistä kappaleista säröytyi, kun taas yksikään sähköisesti käsitellyistä kappaleista ei säröytynyt. Nämä numeroarvot osoittavt selvästi, että nopealla austeni-soinnilla vältetään sammutussäröilypulmat.

Kuviot 6A. ja 6B esittävät yhden uunissa käsitellyn kappaleen pintaa ja yhden sähköisesti käsitellyn kappaleen pintaa. Sammutussäröytymä näkyy selvästi uunissa käsitellyssä kappaleessa. Nämä valokuvat myös esittävät paksua oksidikerrosta uunissa käsitellyllä kappaleella ja suhteellisen ohutta oksidikerrosta sähköisesti käsitellyllä kappaleella. Näiden näytteiden oksidikerrosten paksuuksien oletettiin olevan samanlaiset kuin vastaavilla kappaleilla esimerkissä 1.

Tämän testisarjan tulokset vahvistavat ne havainnot, jotka 25 6 8 8 6 3 tehtiin esimerkissä 1. Tämän keksinnön mukainen nopea auste-nisointi estää sammutussäröilyn, vähentää sammutusvääristy-mää ja vähentää oksidin muodostumista teräkselle. Tämän tyyppisiä vertailutestejä on myös suoritettu joillakin muilla teräslaaduilla, joita on lueteltu taulukossa 1, joiden hiili-pitoisuus on suurempi kuin 0,40 %. Jokaisessa tapauksessa tulokset olivat samanlaiset ja uudella prosessilla estettiin sammutussäröilyn tapahtuminen.

Esimerkki 3 Tämä esimerkki antaa lisää todistusta siitä, että sammutus-säröilyä ei liity esillä olevaan prosessiin ja kuvaa niiden kaupallisten tuotteiden aluetta, joita voidaan valmistaa 414X teräksestä.

Kuumavalssattuja kankia kymmenestä koe-erästä kaupallisesti tuotettua 414X terästä valittiin käsittelyyn ja näiden kymmenen koe-erän kemialliset analyysit on annettu taulukossa 1 -koe-erät C-L. 414X seossarja valittiin tähän testiin, koska se on suosituin kaupallinen seos lämpökäsittelyyn. Valittiin useita koe-eriä, jotka sisälsivät koneistettavuuslisäaineita, jotka pyrkivät edistämään teräksen sammutussäröilyä. Testattujen kankien halkaisijat olivat alueella 1,506-8,890 cm ja kankien minimipituus oli 244 cm.

Kuvion 1 esittämää laitteistoa käytettiin useiden kankien käsittelyyn kustakin koe-erästä. Kanget kuormattiin kuumen-nusasemaan, kuumennettiin lämpötilaan 927°C ja sitten sammutettiin. Sammuttamisen jälkeen kanget poistettiin mekaanisesti sammutustankista ja kuormattiin poistumispitopöydälle.

Kun koko määrä terästä oli austenisoitu ja sammutettu, kanget palautettiin tulopöydälle ja sitten yksilöllisesti kuumennettiin eri ternperointilämpötiloihin. Testauksessa käytettiin temperointilämpötiloja välillä 482-732°C. Suurimmat käsitellyt kanget olivat halkaisijaltaan 8,9 cm ja pituudeltaan 30,5 m ja nämä kanget vaativat kokonaisajan kahdeksan 26 6 8 8 6 3 minuuttia austenisointiin. Kaikki muut kanget näistä kymmenestä koe-erästä austenisoitiin alle kahdeksassa minuutissa. Temperointiajat vaihtelivat muutamista sekunneista noin viiteen minuuttiin.

Laajoja testejä suoritettiin näiden kymmenen koe-erän te-räskangille, niin että mekaanisten ominaisuuksien alue voitiin asianmukaisesti luonnehtia. Kuvio 7 esittää niitä lujuus-ja muovattavuusarvoja, jotka kehitettiin. Jokainen merkitty piste edustaa yksilöllisen kangen vetolujuutta yhdessä näistä kymmenestä koe-erästä. Kaikkiaan viisikymmentä kankea käsiteltiin. Katkoviivoilla on rajoitettu mekaanisten ominaisuuksien aluetta ja ne eivät kuvaa mitään tilastollista ominaisuutta numeroarvoista.

Kuviosta 7 nähtävät alueet ovat yllättävän kapeat, kun otetaan huomioon, että kankien halkaisijat vaihtelivat 1,506 emistä 8,890 cmriin. Tämä mekaanisten ominaisuuksien kapea alue osoittaa, että uusi prosessi ei ole herkkä pienehköille vaihteluille teräksen kemiassa taikka halkaisijan vaihteluille. Kuviosta 7 on myös ilmeistä, että lämpökäsitellyn teräksen mekaanisia ominaisuuksia voidaan helposti muutella laajoissa rajoissa yksinkertaisesti kontrolloimalla temperoin-tilämpötilaa.

Kukin käsitelty kanki tarkastettiin myös sammutussäröjen suhteen ja mitään sammutussäröjä ei löydetty. Tämä on erityisesti huomattava, koska suurihalkaisijäiset kanget 414X teräksestä sammutetaan tavallisesti öljyssä sammutussäröjen välttämiseksi. Lisäksi kaikki testatut suurihalkaisijäiset kanget (koe-erät J, K ja L), valmistettiin teräksestä, joka sisälsi koneistettavuuslisäainetta. Kuten edellä aikaisemmin jo mainittiin, koneistettavuuslisäaineet pyrkivät edistämään sammutussäröilyä. Nämä tulokset osoittavat selvästi, että tämän keksinnön mukaista prosessia voidaan käyttää laajassa mittakaavassa kaupallisten terästen käsittelyyn ilman häviöitä, joita normaalisti tapahtuisi sammutussäröilyn johdosta.

27 68863

Esimerkki 4

Esimerkki 3 osoitti, että esillä olevaa menetelmää voidaan käyttää 414X teräksen seosten käsittelyyn laajalla halkaisija-alueella. Se osoitti myös, että sammutussäröily voidaan välttää käyttämällä esillä olevaa prosessia ja se kuvasi laajan alueen mekaanisia ominaisuuksia, jotka voidaan saavuttaa tällä seossarjalla. Tämä esimerkki käsittelee laajempaa aluetta seoskoostumuksista ja se kuvaa esillä olevan prosessin joustavuutta sekä sammutussäröytymisen puuttumista muissa seoksissa.

Kuvion 1 mukaista laitteistoa käytettiin teräksen käsittelyyn tässä esimerkissä. Kaikkien käsiteltyjen kankien minimipituus oli 183 cm ja käytettiin esimerkissä 3 kuvattua käsittelymenetelmää. Austenisointilämpötila oli alueella 871-927°C ja temperointilämpötila oli alueella 482-704°C. Taulukko 1 antaa tässä esimerkissä testattujen terästen halkaisijat ja kemialliset koostumukset ja seuraavia koe-eriä testattiin: A, B, M, N, O, P, Q, R, S ja T.

Useita kankia kustakin näistä koe-eristä käsiteltiin tämän keksinnön mukaisesti ja selvitettiin tiedot kunkin kangen mekaanisista ominaisuuksista. Kuviot 8 ja 9 esittävät veto-lujuusarvoja funktiona temperointilämpötiloista näille kymmenelle teräserälle. Kaikki teräkset käyttäytyivät ennustettavalla tavalla yhdenmukaisesti niiden seoskomponenttisisällön kanssa. Teräksen 6150 käyrän luonne on jonkin verran erilainen kuin muiden laatujen, koska tämä teräs sisältää vanadiinia ja vanadiinivanhentumista tapahtuu tässä teräksessä tem-perointilämpötiloissa lähellä 649°C. Tämä ilmiö on yleinen vanadiinia sisältävissä teräksissä eikä edusta uniikkia aspektia tässä keksinnössä.

Sen jälkeen kun kukin kanki näistä kymmenestä koe-erästä oli lämpökäsitelty, se tarkastettiin sammutussäröilyyn nähden eikä mitään säröjä löydetty. On kuitenkin huomattava, että alle 0,40 % hiiltä sisältävien terästen ei odotettu säröyty-vän vesisammutuksen aikana. Tässä esimerkissä oli kolme seos- 28 6 8 8 6 3 ta, jotka kuuluvat tähän kategoriaan. Muut seitsemän testattua koe-erää yleensä pyrkivät sammutussäröytymään veteen sammutettaessa ja teräksellä 1144 on voimakas tendenssi saminutussäröytymiseen johtuen tämän teräksen suuresta rikkipitoisuudesta .

Näiden eri teräslaatujen prosessin kuluessa pyrittiin määräämään ideaalinen austenisointilämpötila tietylle seokselle. Ilmeisesti oli käytettävä korkeampia lämpötiloja, kun nopeaa austenisointia käytettiin, lyhyen jakson kompensoimiseksi. Kokeelliset tulokset osoittivat, että austenisointi-lämpötilan tulee olla noin 93°C yläpuolella tietyn teräksen lämpötilan. On huomattava, että tämä lämpötila on huomattavasti korkeampi kuin suositeltu lämpötila uunilämpökäsitte-lyä varten.

Tämä esimerkki osoittaa, että uutta prosessia voidaan soveltaa laajaan terässeosalueeseen ilman vaikeuksia. Tämä esimerkki osoittaa myös, että esillä olevalla prosessilla eliminoidaan sammutussäröilypulma laajasta teräslaatualueesta, mikä osoittaa esillä olevan prosessin joustavuutta.

Esimerkki 5 Tämä esimerkki osoittaa, että esillä olevaa prosessia voidaan käyttää teräksisiin työkappaleisiin, jotka ovat putkien muodossa.

Kuviossa 1 kuvattua laitteistoa käytettiin käsittelemään kolme putkea, jotka oli tehty kaupallisesta teräksestä 4130.

Tämän koe-erän (koe-erä U) kemiallinen analyysi on esitetty taulukossa 1. Tässä testissä käytetyt putket olivat halkaisijaltaan 3,81 cm ja seinänvahvuudeltaan 0,95 cm. Nämä putket käsiteltiin lämpökäsittelylaitteistossa siten kuin ne olisivat kankia, eikä mitään vaikeuksia kohdattu. Kukin putki austenisoitiin lämpötilassa 927°C ja temperoitiin lämpötiloissa välillä 399-566°C. Lämpökäsittelyn jälkeen putket testat- 29 68863 tiin niiden mekaanisten ominaisuuksien määräämiseksi. Taulukko 7 esittää näiden testien tuloksia.

Taulukko 7 Lämpökäsiteltyjen putkien mekaaniset ominaisuudet

Veto Myötö Venymä Alan pienene-

Prosessi MPa MPa (%) minen (%)_

Kaikki putket aus-tenisoitiin 927°C:ssa

Temperoitu 399 1399,3 MPa 1270,3 MPa 12,5 59,1 L * SSa ^?Jr0ltU 482° 1274,4 MPa 1202,7 MPa 13,0 62,4

Temperoitu 566° i099/2 MPa 1004,6 MPa 16,0 67,3 L ' SSa

Kukin putki tarkastettiin sammutussäröjen suhteen ja testattiin tasaisuuden suhteen. Mitään sammutussäröjä ei löydetty ja teräksen tasaisuus pinnasta sisälle ja pitkin putken pituutta oli erinomainen.

Tämä esimerkki osoittaa, että tämän keksinnön ajatusta voidaan soveltaa putkiin ilman vaikeuksia. Mitään modifiointia laitteistossa ei tarvittu ja tästä lämpökäsittelystä oli tuloksena tasainen, hyvin luja putkituote.

Esimerkki 6 Tämä esimerkki kuvaa temperointioikaisuilmiötä, joka mainittiin edellä aikaisemmin. Temperointioikaisua voidaan käyttää sen sammutusvääristymän alentamiseksi, jota tapahtuu, kun pitkiä työkappaleita lämpökäsitellään.

Rankia kahdesta koe-erästä, J ja K, 4142 teräksestä käsiteltiin tämän keksinnön mukaisesti. Näiden kankien kemiallinen analyysi ja halkaisijat on annettu taulukossa 1 ja kuvion 1 esittämää laitteistoa käytettiin teräksen näiden koe-erien käsittelyyn.

30 6 8 8 6 3 Tässä testissä mitattiin kunkin kangen suoruus sammutuksen jälkeen ja jälleen temperoinnin jälkeen. Temperoinnin aikana annettiin teräksiseen työkappaleeseen sähkökoskettimien kautta jännittävä voima 1780 N. Tämä jännitystaso yksinään ei ollut riittävä aiheuttamaan plastista muodonmuutosta näihin suurhalkaisijaisiin kankiin. Temperoinnin aikana havaittiin kuitenkin näiden kankien oikenemista huomattavassa määrin. Kuvio 10A on valokuva koe-erän J kangista sammutetussa tilassa. On huomattava, että tämän ryhmän viides kanki oli pahasti vääristynyt sammutuksen aikana johtuen osaksi viasta sammutuslaitteiston hämmennysjärjestelmässä. Kuvio 10B kuvaa samoja kankia jännityksen alaisena tapahtuneen temperoinnin jälkeen. Huomatkaa huomattava parannus kankien suoruudessa temperoinnin jälkeen. Taulukko 8 kuvaa suoruuden mitta-arvoja näille kangille sammutuksen jälkeen ja temperoinnin jälkeen. Temperointilämpötilat on myös annettu.

Taulukko 8

Koe-erän J kankien vääristymä (Kangen pituus 3,76 m) Vääristymä sammu- Vääristymä tempe- Temperointi- tuksen jälkeen roinnin jälkeen lämpötila cm/m cm/m o q 0,2958 0,0442 482 0,4650 0,0875 538 0,4225 0,0875 593 0,1683 0,0442 649 2,1533 0,7042 704 0,0842 0,0442 649 0,2108 0,0442 649 0,0842 0,0442 649

Keskiarvo 0,4850 0,1375 Tämä koe toistettiin suurempihalkaisijäisillä kangilla koe-erästä K. Taulukko 9 esittää tulokset suoruusmittauksis-ta, jotka suoritettiin tämän koe-erän käsittelyn aikana.

31 68863

Taulukko 9

Koe-erän K kankien Vääristymä (Kangen pituus 3,76 m) Vääristymä sammu- Vääristymä tempe- Temperointi tuksen jälkeen roinnin jälkeen lämpötila ___ cm/m cm/m °C_ 0,2533 0,2533 482 0,7600 0,2108 538 1.6892 0,2533 593 1.6892 0,2958 649 1,8583 0,2958 704

Keskiarvo 1,2500 0,2617

Taulukoiden 8 ja 9 numeroarvot kuvaavat temperointioikaisu-ilmiötä. Molemmissa tapauksissa tapahtui huomattava määrä kankien vääristymän alenemista johtuen pienen vetojännityk-sen ja nopean kuumentamisen yhdistelmästä. Vetorasitus, joka annettiin näille kangllle, oli niin pieni, että tätä oi-kaisuilmiötä ei voida selittää teräksen myötämisellä. Sen sijaan johtuu tämä aleneminen vääristymän määrässä jäännösra-situksen edullisesta uudelleenjakaantumisesta kangessa. Tätä suoristumisefektiä ei olisi mahdollista saavuttaa uunitempe-rointikäsittelyssä, koska uunin kuorman massa pyrkii kiinnittämään työkappaleiden muodon ja estää niitä suoristumasta.

Esimerkki 7 Tämä esimerkki kuvaa tuloksia laajoista vertailutesteistä tavanomaisen lämpökäsittelyn ja tämän keksinnön mukaisen lämpökäsittelyn välillä. Näissä vertailutesteissä käytetyn teräksen kemiallinen analyysi (koe-erä G) on annettu taulukossa 1. Testit vahvistivat sen, että tämä koe-erä, teräs 4140, ei sammutussäröile uunissa austenisoitaessa ja veteen sammutettaessa, Sen vuoksi oli mielekästä suorittaa vertailutesti juuri tässä tapauksessa. Kuvion 2 esittämää laitteistoa käytettiin tämän testisarjan kappaleiden valmistamiseen.

Uunissa käsitellyt kappaleet austenisoitiin lämpötilassa 32 68863 843°C yhden tunnin ajan, sammutettiin hämmennettyyn veteen ia sitten temperoitiin yksi tunti lämpötiloissa 482-593°C, Uunin kuormat pidettiin pieninä asianmukaisen austenisointi-ja temperointikäsittelyn varmistamiseksi. Yhtä suuri määrä terästä käsiteltiin sitten tämän keksinnön mukaisesti käyttämällä suoraa sähkövastuskuumennusta. Austenisointilämpötilaa 927°C käytettiin kaikille sähköisesti kuumennetuille kappaleille ja temperointilämpötilat olivat alueella 538-704°C. Kunkin kappaleen austenisointiaika oli 42 sekuntia ja kaikki temperointiajat olivat alle 30 sekuntia. Nämä käsittelyt tuottivat kappaleita, joiden vetolujuus vaihteli välillä 1035-1450 MPa ja riittävästi kappaleita käsiteltiin eri tasoilla vertailun suorittamiseksi kovuuden, lujuuden, muovattavuuden, väsymiskestävyyden ja Charpy iskusitkeyden suhteen.

Vetotestin tulokset osoittivat, että esillä olevan keksinnön mukaisesti käsitellyllä teräksellä oli parannettu muovattavuus kuin tavanomaisesti käsitellyllä teräksellä. Kuvio 11 esittää graafisesti vetolujuutta venymän funktiona kappaleilla, jotka oli käsitelty molemmilla mainituilla tekniikoilla. Tämä graafinen esitys osoittaa, että esillä olevaan prosessiin liittyy muovattavuuden paraneminen. Erojen suuruus on vähäinen, mutta trendi näkyy selvästi. Tämä muovattavuuden paraneminen johtuu hienommasta mikrorakenteesta, joka tuotettiin nopealla austenisomtikäsittelyllä.

Seuraavaksi valmistettiin väsymiskoestusta varten suhteellisen suuret määrät teräskankia samaan lujuustasoon käyttämällä mainittuja kahta prosessia. Tasaisesti pyörintätaivutettavia väsytyskappaleita tehtiin näistä kangista ja testattiin teräksen väsymisrajan määrittämiseksi. Useita veto- ja kovuus-testikappaleita leikattiin myös näistä kangista. Taulukko 10 esittää tulokset tämän teräksen testauksesta. Paraneminen Väsymislujuudessa ja väsymissuhteessa näkyy selvästi tämän taulukon numeroarvoista.

68863

Taulukko 10

Väsytyskappaleiden mekaaniset ominaisuudet - Koe-erä G

Uunissa Sähköisesti

Mekaaniset ominaisuudet käsitelty käsitelty

Vetolujuus (MPa) 1160,6 1159,9

Myötöraja (MPa) 1079,2 1071,6

Venymä (%) 15,8 16,5

Alan pieneneminen (%) 53,5 57,1

Sydämen kovuus (Rc) 36,4 36,8 Väsymisraja (MPa) 612,7 631,4 Väsymissuhde 0,528 0,544 Väsymissuhde = väsymisraja/vetolujuus

Charpy iskusitkeystestit suoritettiin myös näytteille näistä kahdesta teräserästä, jotka valmistettiin samaan vetolujuuteen (1240 MPa). Taulukko 11 esittää tulokset Charpy isku-testistä laajalla lämpötila-alueella. Huomaa, että iskuener-gia oli suurempi teräksellä, joka oli käsitelty esillä olevan keksinnön mukaisesti, riippumatta testauslämpötilasta.

Taulukko 11

Charpy iskuarvot koe-erälle G

Testauslämpötila Uunissa käsitelty Sähköisesti käsitelty °C___ _(J) __JjJ)_ 90 58,8 81,2 50 58,8 61,6 24 54,6 58,8 0 51,1 56,0 -25 37,1 44,8 -40 33,6 38,5 -50 26,6 28,7 -72 20,3 23,1 Tämän esimerkin numeroarvot osoittivat, että tämän keksinnön mukaisesti käsitellyllä teräksellä oli parempi muovattavuus, paremmat väsymisominaisuudet ja parempi Charpy iskusitkeys kuin teräksellä, joka oli tuotettu käyttämällä tavanomaista tekniikkaa.

68863 34

Esimerkki 8

Kuten edellä jo mainittiin, liittyy uunissa kuumentamiseen tiettyjä kontrollipulmia, jotka johtuvat lämpötilan vaihteluista uunin kuorman pinnalta sen sydämeen. Tästä lämpötilan vaihtelusta on seurauksena epätasaisuutta uunissa käsitellyssä tuotteessa. Tämän olettamuksen testaamiseksi hankittiin näyte uunissa lämpökäsiteltyä 4142 terästä teräsmyyntikeskuk-sesta. Sitten valmistettiin samanlainen näyte käyttämällä kuvion 1 kuvaamaa laitteistoa ja tämän keksinnön mukaista prosessia. Molemmat näytteet käsittivät 29 kankea 4142 terästä, halkaisijaltaan 2,54 mm ja pituudeltaan 363 emi.

Näiden kahden koe-erän (erät V ja W) kemiallinen analyysi on annettu taulukossa 1.

Tämän keksinnön mukaisesti valmistettu teräs austenisoitiin lämpötilassa 927°C ja temperoitiin lämpötilassa 688°C. Sitten työkappaleet suoristettiin mekaanisesti kaupallisiin to-leransseihin. Vetotestikappale ja kovuustestikappale leikattiin kustakin kangesta ja tilastollista analyysitekniikkaa käytettiin teräksen tasaisuuden toteamiseksi. Samat testisarjat ja samat analyysit suoritettiin tavanomaisesti tuotetulle teräkselle ja taulukko 12 esittää tulokset näiden kahden te-räserän tilastollisista analyyseistä.

Taulukko 12

Tilastollinen analyysi 4142:n tasaisuudesta

Uunissa käsitelty Sähköisesti käsitelty

Mekaaniset ominai- Standardi- Standardi- suudet____ Alue poikkeama Alue poikkeama

Vetolujuus (MPa) 164,9 29,373 75,2 15,750

Myötöraja (MPa) 156,6 29,318 99,4 25,558

Venymä (%) 5,0 1,045 3,0 1,127

Alan pieneneminen (%) 9,6 2,216 5,6 1,344

Sydämen kovuus (Rc) 6,0 1,394 3,0 0,577

Taulukon 12 numeroarvot osoittavat, että tämän keksinnön mukaisesti valmistettu teräs oli tasaisempaa kuin uunissa käsi- 68863 35 telty teräs. Jokaisessa mekaanisten ominaisuuksien kategoriassa oli saatujen arvojen alue suurempi uunissa käsitellyllä tuotteella. Erot näiden kahden teräksen tasaisuudessa ovat selvimmät, kun tarkastellaan vetolujuus- ja kovuusarvo-ja. Uunissa käsitellyllä tuotteella oli arvojen alue kaksinkertainen verrattuna sähköisesti käsiteltyyn teräkseen. Vetolujuuden standardipoikkeamat näillä kahdella teräksellä myös osoittivat, että tämän keksinnön mukaisesti valmistettu teräs on tasaisuudeltaan noin kaksinkertainen tavanomaiseen verrattuna. Samalla tavoin osoittavat kovuusarvot, että sähköisesti käsitelty tuote on tasaisuudeltaan noin kaksinkertainen uunissa käsiteltyyn tuotteeseen verrattuna.

Sen osoittamiseksi, että tämän keksinnön mukainen prosessi tekee mahdolliseksi toteuttaa teräksen seospitoisuuden koko potentiaalin, suoritettiin vertailu tavanomaisesti tuotetun näytteen, joka on kuvattu esimerkissä 8 (koe-erä V) ja alemman seospitoisuuden omaavan teräsnäytteen (1045, koe-erä O) välillä, joka oli käsitelty esillä olevan keksinnön mukaisesti. Taulukko 13 (koe-erä O) esittää vertailua näiden kahden teräksen mekaanisten ominaisuuksien ja tärkeiden seosaineiden pitoisuuksien välillä. Juuri nämä näytteet valittiin vertailuun, koska niillä oli likimain sama myötöraja.

Taulukko 13

Kahden lämpökäsitellyn teräksen vertailu 4142 1045 uunissa sähköisesti käsitelty käsitelty

Vetolujuus (MPa) 1004,0 1048,8

Myötöraja (MPa) 892,9 895,6

Venymä (%) 17,5 18,0

Alan pieneneminen (%) 60,0 62,3

Hiilipitoisuus (%) 0,41 0,44

Mangaanipitoisuus (%) 0,79 0,82

Kromipitoisuus (%) 1,01 0,03

Molybdeenipitoisuus (%) 0,18 0,01 36 6 8 8 6 3

Taulukossa 13 esitetyt arvot osoittivat, että teräksen 1045 koko kovettumispotentiaali voidaan toteuttaa siihen määrään, että se vastaa enemmän seostetun teräksen kovuutta, joka on tavanomaisesti käsitelty. Tässä tapauksessa 1045 teräksellä tosiasiassa oli parempi yhdistelmä mekaanisia ominaisuuksia kuin teräksellä 4142. Edellä esitetyssä esimerkissä kysymyksessä olevat kaksi terästä sisältävät likimain samat määrät hiiltä ja mangaania, mutta 4142 teräs sisältää paljon enemmän kromia ja moleybdeenia.

Esimerkki 10 Tämä esimerkki osoittaa, että keksinnön mukaisella prosessilla vähennetään hiilen poistumista, jota tapahtuu lämpökäsittelyn aikana. Tämän efektin osoittamiseksi valmistettiin kaksi metallograafista kappaletta. Ensimmäinen kappale otettiin koe-erästä V, joka on tyypillinen näyte uunissa käsit-lystä teräksestä. Toinen kappale otettiin koe-erästä A, joka oli terästä, joka oli käsitelty tämän keksinnön mukaisesti. Molemmat kappaleet leikattiin siten, että hiilen poistu-miskerrosta lähellä pintaa voitiin helposti tutkia. Kuviot 12A ja 12B esittävät metallograafisen tutkimuksen tuloksia.

Näistä kahdesta kuvasta on selvää, että uunissa käsitelty teräs oli pahasti menettänyt hiiltänsä samalla kun tämän keksinnön mukaisesti käsitellyssä teräksessä oli vain vähän merkkiä hiilen vähenemisestä. Metallograafisten havaintojen vahvistamiseksi suoritettiin mikrokoyuustestit näiden kahden kappaleen valmistetuille poikkileikkauksille. Näiden mikro-kovuustestien tulokset on esitetty kuviossa 13. Mikrokovuus-testit osoittivat, että tämän keksinnön mukaisesti käsitellyssä teräksessä oli tapahtunut vähäinen määrä hiilen poistumista. Tämä hiilen poistumistaso on kuitenkin suhteellisesti vähäinen verrattuna uunissa käsitellyn kappaleen hiilenmene-tykseen. Näihin ja muihin havaintoihin perustuen voidaan päätellä, että tämän keksinnön mukainen prosessi auttaa vähentämään teräksen hiilenmenetystä käsittelyn aikana. Todennäköi- 68863 37 semmin on tämä seuraus siitä hyvin lyhyestä austenisointi-ajasta, jota käytetään. Yksinkertaisesti ei ole olemassa riittävästi aikaa merkittävään hiilenmenetykseen.

Näistä esimerkeistä on ilmeistä, että esillä olevalla keksinnöllä saadaan aikaan merkittävä parannus teräksien austeni-soinnissa, sammutuksessa ja temperoinnissa. Esillä oleva prosessi mahdollistaa parannetun energiahyötysuhteen käyttämällä suoraa sähkövastuskuumennusta. Sammutussäröilypulma on käytännöllisesti katsoen eliminoitu ja sammutusvääristy-mäpulmaa on merkittävästi pienennetty. Lisäksi se sammutus-vääristymä, jota tapahtuu, voidaan korjata prosessin viimeisessä vaiheessa.

Teräksen pinnan hapettuminen ja hiilenmenetys ovat muita tavallisia pulmia, joita esillä olevalla prosessilla pienennetään. Tämän keksinnön mukainen prosessi myös tekee mahdolliseksi toteuttaa teräksen koko kovettumispotentiaalin. Lopuksi on tuotteella, joka on tuloksena tämän keksinnön käyttämisestä, parempi tasaisuus verrattuna tuotteeseen, joka on tuotettu käyttäen tavanomaista tekniikkaa, ja parempi muovattavuus, sitkeys ja väsymislujuus.

On ymmärrettävä, että erilaisia muutoksia ja modifikaatioita voidaan tehdä esillä olevan keksinnön toteuttamismenettelyssä poikkeamatta keksinnöllisestä ajatuksesta erityisesti sellaisena, kuin se on määritelty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Claims (7)

38 68863

1. Menetelmä yhden ainoan teräksisen työkappaleen, jonka pituus on rajoitettu ja jolla on yhtenäinen poikkileikkaus ja joka tavanomaisessa uunissa austenitisoituna ja ankarasti karkaistuna on alttiina karkaisusäröilylle ja -vääntymiselle, lämpökäsit-telemiseksi karkaisusäröilyn ja -vääristymän olennaiseksi eliminoimiseksi, tunnettu siitä, että (a) sopivia sähkökontakteja kiinnitetään teräksisen työkappaleen vastakkaisiin päihin, (b) koko työkappale kuumennetaan sähköisesti nopeasti austeni-tisointilämpötilaan, joka on teräksen Aj-lämpötilan yläpuolella, siten että tarvittava kuumennusaika lämpötilan A^ ja austeniti-sointilämpötilan välillä on alle 100 sekuntia, (c) koko austenitisoitu työkappale karkaistaan välittömästi kar-kaisunesteessä, jonka karkaisun ankaruuskerroin on yhtäsuuri tai suurempi kuin sekoittamattomalla vedellä ensisijaisesti mar-tensiittisen mikrorakenteen muodostamiseksi ja (d) temperoidaan karkaistu työkappale kuumentamalla koko työkappale nopealla sähkökuumennuksella lämpötilaan, joka on teräksen Ai-lämpötilan alapuolella samalla kun työkappale pidetään jännityksen alaisena teräksen myötörajan alapuolella olevassa kuormituksessa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kokonaiskuumennusaikä on 5-100 sekuntia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että A^-lämpötilan ja austenitisointilämpötilan välillä on alle 40 sekuntia.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että teräs kuumennetaan nopeasti lämpötilaan, joka on A^-lämpötilan yläpuolella suoralla sähkövastuskuumennuk-sella. 39 68863

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että teräs kuumennetaan karkaisussa suoralla sähkövastuskuumennuksella.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpökäsitellään työkappaletta, jolla on toistuva poikkileikkaus.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että työkaopale karkaistaan olosuhteissa, joiden ankaruuskerroin on suurempi kuin 1,2. 68863