NL8105472A - Werkwijze voor de warmtebehandeling van staallegeringen. - Google Patents

Description

„v ;* ê ^ ? - 1 - \

Werkwijze voor de warmtebehandeling van staallegeringen.

De uitvinding heeft betrekking op de warmtebehandeling van staallegeringen en in het bijzonder op een werkwijze voor het austenitiseren, afschrikken en temperen van staallegeringen ter verbetering van de sterkte en taaiheid.

5 Austenitiseren, afschrikken en temperen vormen een algemeen bekende warmtebehandeling voor staallegeringen. Een dergelijke behandeling wordt in de eerste plaats toegepast voor het sterker maken en taaier maken van de staallegeringen zodat ze kunnen worden gebruikt voor onderdelen die 10 in gebruik blootstaan aan sterke spanningen. In het algemeen vindt het austenitiseren plaats door het staal te verwarmen in een oven die op een temperatuur boven de A^-temperatuur wordt gehouden. Het staal wordt voldoende lang in de oven gehouden om er verzekerd van te zijn dat de gehele lading van de 15 oven volledig is geaustenitiseerd.

Nadat het staal volledig is geaustenitiseerd, wordt het afgeschrikt in water, olie, gesmolten zout of een ander geschikt medium zodat zich in het staal een overwegend martensitische structuur vormt.

20 Dikwijls treden tijdens het afschrikken in het staal scheurtjes op als gevolg van transformatie en thermische spanningen die door de afschrikbehandeling worden opgewekt. Dat verschijnsel wordt aangeduid als "optreden van af-schrikscheurtjes". Optreden van afschrikscheurtjes is een schade-25 lijk effect van de conventionele warmtebehandeling omdat het verschijnsel onvoorspelbaar van aard en duur is. Om optreden van afschrikscheurtjes te verminderen is het dikwijls noodzakelijk een milder afschrikmedium te gebruiken zoals olie in plaats van water. Het gebruik van een milder afschrikmedium betekent dat 30 de volledige hardingspotentiaal van een gegeven legering niet kan worden gerealiseerd. Ondanks toepassing van deze voorzorgsmaatregel treden dikwijls toch afschrikscheurtjes op.

8105472 - 2 - 'i1 *

V

Een ander ongewenst verschijnsel dat geassocieerd is met de afschriktrap bij conventionele warmtebehandelingen is vervorming van het werkstuk. Thermische en transformatiespanningen die door het afschrikken worden ge-5 induceerd veroorzaken vervorming van het werkstuk of wijziging in vorm van het werkstuk. Dat probleem is bijzonder ernstig bij large staven, stangen of buizen waarbij deze vervorming dikwijls optreedt in de vorm van een meer of minder scherpe bocht of knik in het werkstuk. Werkstukken met bochten of knikken 10 zijn moeilijk in de opeenvolgende behandelingstrappen te behandelen en verwerken en uiteindelijk moet het werkstuk worden gericht. De conventionele benadering voor het minimaal maken van de effecten van afschrikvervorming bestaat in het gebruik van een milder afschrikmedium.

15 Nadat het staal is afgeschrikt is het in het algemeen te hard en bros om commercieel bruikbaar te zijn. Bijgevolg moet het worden getemperd om een produkt te verkrijgen met de gewenste combinatie van mechanische eigenschappen. Temperen wordt gewoonlijk uitgevoerd in grote ovens die 20 op temperaturen beneden de Aj-temperatuur worden gehouden. De werkstukken worden in een oven geladen en worden daar ingehou-dën tot de gehele lading van de oven de gewenste temperatuur bereikt. Daarna worden ze uit de oven verwijderd en laat men ze afkoelen. De exacte tempertemperatuur die wordt gekozen 25 hangt af van de mechanische eigenschappen die in het uiteindelijke werkstuk gewenst zijn. In het algemeen neemt de sterkte van het staal af met toenemende tempertemperatuur, terwijl de ductiliteit en taaiheid van het staal beter worden bij toenemende temperatuur.

30 Als eenmaal het staal is geausteniti- seerd, afgeschrikt en getemperd met conventionele technieken, moet het verder worden behandeld om de ongewenste effecten van de warmtebehandeling weg te nemen, waaronder het oxyde dat op het oppervlak van het staal is gevormd, ontkolen van het opper-35 vlak van het staal en afschrikvervorming. Tijdens de austeniti-seringstrap van de warmtebehandeling wordt het staal gedurende 8105472 * * - 3 - ί een. lange tijd blootgesteld aan hoge temperaturen. Dikwijls leidt dit er toe dat koolstof reageert met de atmosfeer in de oven, leidend tot een vermindering van het koolstofgehalte aan het oppervlak van het staal. Deze zone met een verminderd kool-5 stofgehalte wordt aangeduid als de "ontkoolde laag" en moet dikwijls van het oppervlak van het staal worden verwijderd voordat het werkstuk tot een bruikbaar onderdeel kan worden gemaakt. Gewoonlijk vindt slijpen of draaien plaats om de ontkoolde oppervlaktelaag te verwijderen en deze bewerkingen zijn 10 nogal duur.

Een ander probleem dat geassocieerd is met de conventionele warmtebehandeling is de vorming van oxyde aan het oppervlak van het staal. Als het oppervlak van het staal eenmaal is ontkoold, vormt zich op het staal een oxyde-15 laag of oxydehuid. Deze oxydehuid is in het algemeen erg hard en heeft slijpende eigenschappen en moet van het staal worden verwijderd voor er verdere behandelingstrappen op worden toegepast. Oxydehuid kan hetzij mechanisch of met chemische middelen worden verwijderd, maar in beide gevallen gaat dit ge-20 paard met extra kosten. Er kan een beschermende atmosfeer worden gebruikt om het probleem van de vorming van oxydehuid te vermijden, maar de kosten van een beschermende atmosfeer zijn hoog.

Tenslotte moet een eventuele vervorming 25 door afschrikken die is opgetreden tijdens de warmtebehandeling worden gecorrigeerd voordat uit het werkstuk nuttige voorwerpen kunnen worden vervaardigd. Voor lange werkstukken zoals staven, stangen, buizen enz., bestaat de normale corrigerende maatregel uit mechanisch rechtmaken of richten. Kleine onder-30 delen moeten worden geslepen of machinaal bewerkt tot de gewenste eindafmetingen om vervormingen door afschrikken te compenseren. In beide gevallen zijn de kosten van de correctie van de vervorming door afschrikken betrekkelijk hoog.

Volgens de stand van de techniek heeft 35 men, zoals opgemerkt, warmtebehandelingswerkwijzen uitgevoerd onder toepassing van grote ovens. Juist de afmetingen van der- 8105472 i > - 4 - gelijke ovens uitgedrukt in het in beslag genomen vuuroppervlak en de voor die ovens vereiste kapitaalsinvestering betekent een wezenlijk bezwaar van hun toepassing. Zoals aan de vakmensen bekend is, zijn er nog allerlei andere nadelen verbonden 5 met bet gebruik van conventionele warmt eb ehandelings ovens. In de eerste plaats is het verwarmingsrendement van de oven in het algemeen nogal laag, met als gevolg dat stijgende brandstofkosten het gewenst maken te voorzien in een efficiënter middel voor het verwarmen van staal. Bovendien vindt verwarming in 10 een oven plaats door straling, geleiding en convectie waardoor langer verwarmingscycli nodig zijn om te garanderen dat de gehele lading van staal in de oven is onderworpen geworden aan een gelijkmatige behandeling in een gegeven verwarmingscyclus. Dergelijke lange cycli zijn op zichzelf ongunstig, want de 15 ver-hoogde temperaturen die worden gebruikt vereisen de toepassing van een bekende niet-oxyderende atmosfeer (dat wil zeggen een beschermende atmosfeer of vacuum), die aanvullende energie vereist om te worden bereid. Het alternatief is om hoe de werkstukken tijdens de behandeling te laten oxyderen en dan 20 de werkstukken na de thermische behandeling schoon te maken.

Een bijkomend bezwaar van verwarmen in een oven houdt verband met de regeling van de temperatuur van de lading in de oven, Direct waarnemen van de temperatuur van de lading in de oven is moeilijk en gewoonlijk worden thermo-25 koppels gebruikt om de temperatuur van de oven in plaats van de temperatuur van de lading zelf te meten. Voorts is de temperatuur aan de buitenzijde van de lading van de oven typisch anders dan de temperatuur in de kern van de lading. Bijgevolg worden lange "doorwarm" tijden gebruikt om dit verschil minimaal te 30 maken. Het resultaat van het ontbreken van een regeling of beheersing van de temperatuur van de lading van de oven tijdens de verwarming in de oven is, dat de lading niet gelijkmatig wordt verwarmd tijdens hetzij de austenitiseer- of tempertrap van de warmtebehandeling. Dit ontbreken van een regeling of 35 beheersing draagt bij tot een slechte gelijkmatigheid van het produkt.

8105472 - 5 - * »

Er is voorgesteld, zoals bijvoorbeeld wordt beschreven in de Amerikaanse octrooischriften 3.908.431, 4.040.872 en 4.088.511, om staallegeringen te onderwerpen aan behandelingen met verschillende warmtebehandelingscycli door 5 middel van directe elektrische weerstandsverwarmingstechnieken. Die technieken hebben het voordeel dat ze een zeer snelle verwarming geven van stalen werkstukken met een grote efficiency, met inbegrip van een gelijkmatige verwarming over de gehele dwarsdoorsnede van het werkstuk. Een bijkomend voordeel is dat 10 de temperatuur van elk werkstuk gemakkelijk in de gaten kan worden gehouden zodat een zeer gelijkmatig produkt kan worden vervaardigd.

Directe elektrische weerstandsverwarming is toegepast bij een enigszins gelijksoortige warmtebehande-15 lingswerkwijze zoals beschreven in het Amerikaanse octrooi-schrift 4.040.872. In die werkwijze wordt een koolstofstaal snel verwarmd door directe elektrische weerstandsverwarming tot een temperatuur boven de A^-temperatuur en afgeschrikt ter verkrijging van een microstructuur met unieke eigenschappen.

20 Deze microstructuur bestaat uit een mengsel van naaldvormige pro-eutectoïde ferriet en een fijnverdeeld aggregaat van ferriet en ijzercarbide. Met deze werkwijze wordt afschrikken van het staal onder vorming van een volledig martensitische structuur vermeden.

25 De uitvinding heeft bijgevolg ten doel te voorzien in een verbeterde werkwijze voor het austenitise-ren, afschrikken en temperen van staallegeringen.

Het is een meer specifiek doel van de uitvinding te voorzien in een verbeterde werkwijze voor de 30 warmtebehandeling van staallegeringen waarmee de problemen van het optreden van afschrikscheurtjes nagenoeg worden geëlimineerd, de problemen van afschrikvervorming minimaal worden gemaakt, wordt voorkomen dat een significante ontkoling van het staal optreedt gedurende de warmtebehandeling en de hoeveelheid 35 oxydehuid die zich op het staaloppervlak vormt tot een minimum beperkt en dit alles terwijl het toch mogelijk is om de volle- 8105472 ï 5 - 6 - dige hardingspotentiaal van het staal te realiseren.

Nog een ander doel van de uitvinding is om te voorzien in staallegeringen met een grote mate van gelijkmatigheid en met een verbeterde ductiliteit, taaiheid 5 en vermoeiingssterkte.

Figuur 1 geeft een schematisch beeld van de apparatuur die wordt gebruikt voor de warmtebehandeling van langwerpige werkstukken volgens de ideeën van de uitvinding.

Figuur 2 geeft een schematisch beeld 10 van de apparatuur die wordt gebruikt voor de behandeling van kleine werkstukken, en dient met name om de warmtebehandeling volgens de ideeën volgens de uitvinding en op een conventionele wijze te vergelijken.

Figuur 3A is een foto van een in een 15 oven behandeld werkstuk uit staal 4150 in de toestand direct na het afschrikken.

Figuur 3B is een foto van een werkstuk uit staal 4150 in de toestand direct na het afschrikken welk werkstuk werd behandeld volgens de ideeën van de uitvinding.

20 Figuur 4A is een foto van het oppervlak van één van de werkstukken uit figuur 3A bij een vergroting van 4 X.

Figuur 4B is een foto van het oppervlak van ëën van de werkstukken uit figuur 3B bij een vergroting van 25 4 x.

Figuur 5A is een foto die een in een oven behandeld werkstuk uit staal 6150 weergeeft in de toestand direct na het afschrikken.

Figuur 5B is een foto van een werkstuk 30 uit staal 6150 in een toestand direct na het afschrikken welk werkstuk werd behandeld volgens de ideeën van de uitvinding.

Figuur 6A is een foto van het oppervlak van êën van de werkstukken uit figuur 5A bij een vergroting van 4 x.

35 Figuur 6B is een foto van het oppervlak van ëën van de werkstukken uit figuur 5B bij een vergroting van 8105472 - 7 - 4 x.

Figuur 7 is een grafiek van de treksterkte en rek tegen de tempertemperatuur met daarin uitgezet de resultaten voor tien staallegeringen. Deze grafiek toont 5 de typische strooiing in mechanische eigenschappen van legering tot legering die het resultaat is van werken volgens de ideeën van de uitvinding.

Figuur 8 is een grafiek van de treksterkte tegen de tempertemperatuur voor verschillende staal-10 legeringen met een middelmatig koolstofgehalte die werden behandeld volgens de ideeën volgens de uitvinding. De veelzijdigheid van de onderhavige uitvinding wordt door deze grafiek gedemonstreerd.

Figuur 9 is een grafiek van de trek-15 sterkte tegen de tempertemperatuur voor verdere staallegeringen met een middelmatig koolstofgehalte die werden behandeld volgens de ideeën van de uitvinding.

Figuur 10A is een foto van een aantal lange werkstukken in de toestand direct na het afschrikken, 20 die de ernstige vervorming bij afschrikken illustreert.

Figuur 10B is een foto van hetzelfde lange werkstuk uit figuur 10A, maar nu werd dit werkstuk getemperd volgens de ideeën van de uitvinding. Het elimineren van vervormingsverschijnselen door afschrikken wordt hierdoor 25 gedemonstreerd.

Figuur 11 is een grafiek van de rek tegen de treksterkte die de superieure ductiliteit van het staal illustreert dat werd behandeld volgens de ideeën van de uitvinding.

30 Figuur 12A is een microfoto die de oppervlakte-ontkoling laat zien van een in een oven behandeld monster.

Figuur 12B is een microfoto die het ontbreken van ontkolingsverschijnselen laat zien bij een mon-35 ster dat werd behandeld volgens de ideeën van de uitvinding.

Figuur 13 is een grafiek van de Vickers- 8105472 / - 8 - ' / hardheid tegen de diepte onder het oppervlak voor twee aan een warmtebehandeling onderworpen monsters.

De ideeën van de uitvinding berusten op de vondst dat vele van de problemen die zijn.verbonden met 5 conventionele warmtebehandeling omvattende austenitisering, afschrikken en temperen, kunnen worden geëlimineerd of wezenlijk kunnen worden verminderd door toepassing van een snelle verwarming. Er werd gevonden dat afschrikscheurtjes vrijwel kunnen worden geëlimineerd als gebruik wordt gemaakt van snel 10 austenitiseren. Voorts is gebleken dat snel austenitiseren onder toepassing van een directe elektrische weerstandsverwarming in wezenlijke mate de afschrikvervorming vermindert. Snel austenitiseren vermindert ook de hoeveelheid oxyde die zich vormt op het oppervlak van het staal tijdens de warmtebehande-15 ling en maakt de ontkoling van het staal minimaal. Tenslotte werd gevonden dat eventuele afschrikvervorming die optreedt vrijwel geëlimineerd kan worden door toepassing van geschikte spanningen tijdens de tempertrap van de warmtebehandeling.

Volgens de praktijk van de onderhavige 20 uitvinding wordt een stalen werkstuk met een zich herhalende .

dwarsdoorsnede onderworpen aan de volgende trappen; snel verwarmen tot een temperatuur boven de A^-temperatuur van het staal teneinde het staal om te zetten in austeniet. Vervolgens snel afschrikken van het stalen werkstuk in een vloeibaar afschrik-25 medium om het zo gevormde austeniet om te zetten in een overwegend martensitische microstructuur. In die toestand staat het werkstuk onder hoge spanningen. In de laatste trap wordt het staal getemperd door het werkstuk te onderwerpen aan een spanning terwij1 het snel wordt verwarmd op een temperatuur bene-30 den de A^-temperatuur van het staal waardoor het staal wordt omgezet in een getemperde martensitische microstructuur.

Zonder de uitvinding aan enige theorie te willen binden, wordt gemeend dat de snelle austenitiserings-cyclus die bij de onderhavige uitvinding wordt toegepast het 35 probleem van afschrikscheurtjes vrijwel elimineert, opdat er onvoldoende tijd beschikbaar is tijdens de korte austenitiserings- 8105472 « * - 9 - cyclus om verbrozing gevende elementen te doen diffunderen naar de austeniet-korrelgrenzen en daar korrelgrensverbrozing te veroorzaken. Het is algemeen bekend dat het optreden van afschrikscheurtjes een korrelgrensverschijnsel is. Als con-5 ventionele austenitiserende behandelingen in een oven worden toegepast, wordt de lading van de oven lange tijd blootgesteld aan een temperatuur boven de Aj-temperatuur om er voor te zorgen dat de gehele ovenlading de juiste temperatuur heeft bereikt voordat wordt afgeschrikt. Er is bijgevolg voldoende 10 tijd beschikbaar voor verschillende elementen om naar de austeniet-korrelgrenzen te diffunderen en daar afgescheiden te blijven. Van bekende verbrozing geven de elementen zoals zwavel, fosfor, tin en antimoon werd gevonden dat ze segregatie geven aan austeniet-korrelgrenzen tijdens de conventionele 15 austenitiserende behandelingen in een oven. Voorts geven andere elementen zoals chroom, nikkel en mangaan ook segregatie aan de austeniet-korrelgrenzen en deze elementen kunnen het optreden van afschrikscheurtjes eveneens beïnvloeden.

Directe elektrische weerstandsverwar-20 ming maakt het mogelijk om het staal zeer snel te verwarmen en de tijdsduur boven de Aj-temperatuur is ook voldoende om een wezenlijke mate van korrelgrenssegregatie te doen optreden.

De korrelgrenzen blijven bijgevolg sterk en optreden van scheurtjes tijdens het afschrikken wordt vrijwel geëlimineerd.

25 Gemeend wordt ook dat directe elek trische weerstandsverwarming het mogelijk maakt om de mate van verwarming in de werkstukken die optreden als gevolg van een conventionele warmtebehandeling te verminderen. Als staal wordt verwarmd in een oven, is de verwarming niet gelijkmatig, 30 omdat de warmte in de lading van de oven moet penetreren vanaf de omgeving in de oven. Als gevolg van deze niet-gelijkmatige verwarming, worden thermische spanningen ontwikkeld in het werkstuk die vervorming teweeg kunnen brengen. Voorts kan de lading van de oven onder zijn eigen gewicht doorzakken waar-35 door de werkstukken worden vervormd. Ook de massa van de ovenlading kan verhinderen dat bepaalde werkstukken vrij expanderen 8105472 - JO - als ze worden verwarmd en dit kan een extra vervorming veroorzaken. Als gevolg van deze verschijnselen zijn de werkstukken - enigszins vervormd als ze uit de oven worden verwijderd en tijdens het af schrikken wordt deze vervorming nog vergroot.

5 Als directe elektrische weerstandsver- warming wordt toegepast in plaats van verwarmen in een oven, kan de vervorming van het werkstuk tot een minimum beperkt worden. Tijdens directe elektrische weerstandsverwarming, kan het werkstuk onder spanning worden gehouden om vrije expansie mo-10 gelijk te maken en goed worden ondersteund over zijn lengte om doorzakken te vermijden. Daar slechts ëën werkstuk op elk tijdstip wordt verwarmd,draagt het gewicht van andere werkstukken niet bij tot de vervorming. Voorts is directe elektrische weerstandsverwarming gelijkmatig zowel over de dwarsdoorsnede 15 als in de lengterichting van het werkstuk. Bijgevolg zijn thermische spanningen klein en wordt vervorming als gevolg van thermische spanningen geëlimineerd. Daar het geaustenitiseerde werkstuk wordt afgeleverd aan de "afschrikmedia" met een minimale vervorming, treedt tijdens het afschrikken minder ver-20 vorming op. Directe elektrische weerstandsverwarming maakt het dus mogelijk om de vervorming die optreedt tijdens het austenitiseren en afschrikken van stalen werkstukken tot een minimum te beperken.

Nog een ander voordeel van het gebruik 25 van directe elektrische weerstandsverwarming is dat een eventuele vervorming die optreedt tijdens het austenitiseren en de afschriktrap van de werkwijze wezenlijk kan worden verminderd tijdens het temperen. Gevonden werd dat de mate van vervorming in langwerpige werkstukken echt kan worden verminderd tij-30 dens het temperen als het werkstuk tijdens het gehele verwarmingsproces onder spanning wordt gehouden. De trekspanning die nodig is om de voorwerpen recht te maken (te richten) is veel lager dan de rekgrens van het staal. Dit proces van richten tijdens de tempercyclus wordt genoemd "temper-richten" en ge-35 meend wordt dat dit wordt veroorzaakt door de preferentiële herverdeling van restspanningen in het staal tijdens de begin- 8105472 - 11 - stadia van het temperen.

Naast het elimineren van vele van de problemen die verbonden zijn aan de conventionele warmtebehandeling geeft de onderhavige uitvinding ook een verbeterde kwali-5 teit van het aan warmtebehandeling onderworpen staal. Proeven hebben geleerd dat de produkten die worden verkregen volgens de ideeën van de uitvinding een betere gelijkmatigheid bezitten in vergelijking met produkten die met conventionele middelen zijn gemaakt. Verbeteringen van de ductiliteit, taaiheid en 10 vermoei-ingssterkte zijn ook waargenomen. Representatieve staal-legeringen die volgens de ideeën van de uitvinding gebruikt kunnen worden zijn vermeld in de volgende tabel: 15 8105472 - 12 - \ mu-im <n —· co σν σι £-

«j-NiN<f σ\ <f nciM Ol CO

0-00 ·— O OOO 0° £_j A A is A A A AAA Ο Λ <D —* Ο Ο Ο Ο Ο Ο OOO "9 Ό B-S I I I 1 I I I, I, I 9 m β'-''<υ<υα),ηα><υα><υ ·ζ <JH>cnHP^HWWW ¢0 03 m m η ν ο νασνιηοοο — oicoomooovoo —co οι co m -3· CVI ,—ι <J- CM ι—) NNflNlf|>f<tNON nNNin COCM co CO OJ Ol iH ^ OOOOO oooooooooooooo oooooo

> SO A A A Λ Λ Λ Λ Ο Λ Λ η Λ Λ Α Α Α Λ A * a A A A A A

WOOOOO OOOOO OOOOOOOOO oo o o o o

g^-O OO O ~ ’-i —- O O O — — O O O O O OOOOOO

rj Π NP A A «VA «V A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A

5 w o OOOOOOOOOOOOOOOOOO OOOOOO

Ö0 ζ*

•H COvOI^LOr^vOCO^Or'-ONCTvOO^’^COCvI ^CO^COOOr^^jO

^ ^ i—* «** aa CM CM (O C? G5 *’* 1“1 C5

0) 0 fts* A A AA A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A

bOSwo o oo ο ο ο ο O O O O O O O O O O O OOOOOO

<D

nj ί^,-^ΟΟΟΟΟΟ O OOOOOO Ο ΟΟΟΟΙΟΟΟΟ1—' 0-100 OO o^ -3^ +J U5 o" o' O* o" " o" —" Ο* Ο* O O — Ο Ο Ο Ο Ο Ο o oo-’- o -

CO

(U ΙΛΓ— Olt-.-3-vOOOl — OlCMtncO — 01VD030100101 01-3· on CO

i-l ·Η ^ Ο — O — — — CM — ΟΙΟΟΟΓ-ΟΟ-3-ΟΟ ΟΙ OOOOOO

• <U !z fcyO A Λ AA A A A A A A A A A A A A A A A AAAAAA

•H ·—'OOOOOOOOOOO O — O OOO oooooo oo u Ü

CU vOOO'd-I^OfO^O'f-IOOvOC'lOOCTir^OO»— VO — oo CO VO oo Γ-- CM

g Ifln N Ol Ol Ol -3" CM Ol Ol Ol Ol Ol Ol ' — ΟΙ CO — Ol Ol Ol Ol Ol — Ol

C CO 6^5 A A A A A A A A A A A A A A A A A A A AA AAAA

ο --οοοοοοοοοοοοοοοοοοο oooooo 0 G •—cooio-iOvoocjv- -3- co oioi. -3-- ^-3-- oi Γ---3· crv oO vo

<j G .00 OlOlcO — CM OIOIOIOIOI OIOIvO»—<OCO --———OCO— OJ

> C/3 B-S O © OOO ©OOOOOOOOl OOO OOO O^O^O^ O^ O^ % « wooooooooooooooooooooooooo

*H

Eh >- ^cot^r^'^i^ooor-.osiNovovnmcTii^tno — co oj *-< o-0 iH Qj 6-S O O 0-0 — --1-- O O — O — O — O O — — —(N—"O —

G 'QO OOOOOOOOOOOOOOOO OOOOOOO

rj AA AAA AAAA AAA AAA AAA A AAAAAA

G OOOOOO OOOOOOOOOOOOOOOOOOO

CD

Ü G— lOOiOrt-OAJvOOO - — 031--0130010000031-- CO Γ- 03-3* Ol Ol co s s? 0 00 «σνσνσνσιΡ'.σιΟοοσγΐ^νοοοοσιηΐ" 03-3-r-o ι 3- ö — 00000 O' 00 — 000 — o — o — 0000— 00 01 6 — 0 m-ovMC'ioo-i-oO'vf'i-NO'oi OB^ uO tn CO -3· CO -3" -3--3--3--3--3- -3* -3- -3" -3- -3" CO CO CO 000-1-3--0-0003

W A A AA A A A A A A A A A A A A A A A AAAA A A

OO OOOOOOOOOOOOOOOOO OOOOOO

OJ

4J

GS — — —-OOcOOvOOvCOvOovOV-G-OV — OOlO-lvO O — CO CO 0- O

a S Λ*ι „ „ „ „ „ „ „ * r, ·. Λ Λ «< - - - «- *,*».*»>«> G ν5 νο ι-- ΐοΐοίΛο-οοοιοοι — cocomovr-c-ivoo-i r^coirii-nvoi— •Η 0-101 — CM 01 01 ΟΙ <· ΙΟ UO VO 00 CO — — <N CM Ol Ol OlCOOlOl—Ol 0 Φ oo oicMo5otoo<Noimooinoo-oi νοννοο pj Λ(θ-ί-ί®ο N», — — — — — — CO — OvO — UOO O — — — o — fH -3-^-3--3--3--3--3--3--3--3--3--^-^- — 00 UO — -3-^-3--3--3- - Ol 8105472 G 00 a?-S<jpq oow ix,OfGHio tó1JS!SOPMO'pc!cnHO>i3>3><

hJ 1H

- 13 -

Bij de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding bevindt het staal zich in de vorm van een werkstuk dat afzonderlijk kan worden verwarmd zodat het verwarmingsproces nauwkeurig kan worden geregeld. Voor dat doel wordt 5 er dikwijls de voorkeur aan gegeven werkstukken te gebruiken in een vorm met een zich herhalende dwarsdoorsnede zoals staven, stangen, buizen en dergelijke.

Volgens die voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding worden de afzonderlijke werkstukken snel ver-10 warmd door directe elektrische weerstandsverwarming terwijl de temperatuur van het werkstuk met een geschikt meetorgaan wordt in de gaten gehouden. De snelheid van het verwarmingsproces veroorzaakt, terwijl het een economische verwerking van grote hoeveelheden werkstukken mogelijk maakt, dat de austenitiseren-15 de transformatie zeer snel verloopt. De methode voor snel verwarmen volgens de uitvinding waaraan in het bijzonder de voorkeur wordt gegeven wordt in detail beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.908.431 (waarnaar hierbij wordt verwezen); ze omvat een werkwijze waarbij een elektrische stroom door het 20 stalen werkstuk wordt gevoerd; de elektrische weerstand van het werkstuk tegen het doorgaan van een elektrische stroom veroorzaakt een snelle verwarming van het werkstuk gelijkmatig over de gehele dwarsdoorsnede.

Het is bij de werkwijze volgens de on-25 derhavige uitvinding een kritisch vereiste dat de verwarming van het werkstuk ter omzetting van het staal in austeniet snel geschiedt, dat wil zeggen de tijdsduur dat het staal zich boven de Aj-temperatuur bevindt dient korter te zijn dan 5 min. In de voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding wordt 30 het austenitiseren van het staal door directe elektrische weerstandsverwarming uitgevoerd in een totale verwarmingstijd variërend van 5 tot 100 s waarbij de tijd dat het staal zich boven de Aj-temperatuur bevindt gewoonlijk kleiner is dan 40 s.

Volgens de praktijk van deze uitvinding 35 wordt het stalen werkstuk eerst tussen elektrische contacten geplaatst en nauwkeurig vastgeklemd. Daarna wordt de elektri- 8105472 - 14 - sche stroom ingeschakeld en wordt het werkstuk snel verwarmd v ...

tot de austenitiseringstemperatuur. De temperatuur wordt waargenomen met een standaard stralingspyrometer. Als de geschikte austenitiseringstemperatuur is bereikt, wordt de stroom uitge-5 schakeld en wordt het werkstuk losgemaakt.

Als het stad. snel wordt verwarmd zoals hiervoor beschreven, is het noodzakelijk het staal te verwarmen op hogere temperaturen dan nodig zouden zijn voor behandeling in een oven. De legering 4140 kan bijvoorbeeld volledig 10 worden geaustenitiseerd in een oven die op 843°C wordt gehouden, maar de tijdsduur die nodig is om een volledige auste-nitisering te garanderen zou enkele uren bedragen. Hetzelfde staal kan volledig worden geaustenitiseerd in minder dan een min door toepassing van directe elektrische weerstandsverwar-15 ming, maar het staal moet dan worden verwarmd op 927°G in plaats van 843°C. Dit verband tussen tijd en temperatuur voor het austenitiseren van staal is een rechtstreeks resultaat van de afhankelijkheid van de diffusie van koolstof van zowel de temperatuur als de tijd. Het is een verschijnsel dat aan de 20 vakmensen algemeen bekend is.

Nadat het werkstuk volledig is geaustenitiseerd bij een geschikte austenitiseringstemperatuur, wordt het uit het verwarmingsstation verwijderd en direct in een afschrikinrichting gebracht. Daar wordt het snel afgekoeld 25 ' tot een temperatuur nabij die van het afschrikbad, waarbij zich een in hoofdzaak martensitische structuur vormt in het staal. Het geharde werkstuk wordt dan op een rusttafel geplaatst.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt gebruik gemaakt van een krachtig wer-30 kend afschrikmedium. Afschrikmedia worden gewoonlijk ingedeeld volgens een factor die wordt aangeduid als afschriksterkte of "H coëfficiënt". De afschriksterkte is een functie van zowel de samenstelling van het afschrikmedium en van de mate waarin dit medium in beweging wordt gehouden. De H coëfficiënt voor 35 stilstaande olie is bijvoorbeeld ongeveer 0,25 terwijl krachtig geroerde olie een H coëfficiënt heeft van ca 1,0. Stilstaand 8105472 % / - 15 - water heeft een H coëfficiënt van ca 1 ,0 en in beweging gebracht of geroerd water kan een H coëfficiënt hebben van meer dan 1,0 afhankelijk van de mate van roeren. Volgens de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt gebruik gemaakt van een af-5 schrikbehandeling waarmee een H coëfficiënt wordt bereikt van meer dan 1,2 terwijl een gelijkmatige afkoeling van het werkstuk wordt verzekerd. Er wordt gebruik gemaakt van een waterig af-schrikmedium dat kan bestaan uit water of water dat verschillende conventionele toevoegsels voor afschrikmedia bevat. Een zekere 10 mate van roeren of in beweging houden van het afschrikmedium is gewenst om er voor te zorgen dat het voorwerp gelijkmatig wordt afgeschrikt.

Als de gehele partij werkstukken is geaus-tenitiseerd en afgeschrikt, worden de werkstukken op de ingangs-15 tafel voor het temperstation gebracht. Tijdens het temperen worden de werkstukken afzonderlijk in het verwarmingsstation gebracht en daar onder spanning gehouden (onder een spanning die lager is dan de rekgrens van het staal) en verwarmd op een geschikte temper temperatuur. De combinatie van verwarmen en onder 20 spanning houden maakt dat het werkstuk wordt gestrekt. Een schematisch beeld van de inrichting die wordt gebruikt voor de behandeling volgens de ideeën van de uitvinding wordt weergegeven in figuur 1.

In figuur 1 is schematisch de bij de be-25 handeling van de meeste staalmonsters uit tabel A gebruikte laboratorium-inrichting weergegeven. Deze uitvoering van de inrichting is uiteraard slechts een voorbeeld van een mogelijke uitvoering en er kunnen ook allerlei andere uitvoeringsvormen van de inrichting voor de behandeling van staal volgens de ideeën 30 van de uitvinding worden toegepast. De in figuur 1 weergegeven inrichting was ontworpen voor de behandeling van staven, stangen of buizen met een lengte van 2,4 tot 4,2 meter en met een diameter variërend van 12,5 tot 90 mm.

Figuur 2 geeft schematisch een uitvoering 35 van een inrichting weer die in het bijzonder wordt toegepast voor de behandeling van kleine stalen werkstukken volgens de ideeën 8105472 - 16 - van de uitvinding of voor behandeling op een conventionele wijze ter vergelijking.

Zoals hiervoor werd uiteengezet is er, als een snelle verwarming wordt toegepast voor het austenitiseren 5 van het staal, weinig tijd beschikbaar voor de verschillende elementen om naar de austeniet-korrelgrenzen te diffunderen. Bijgevolg blijft de sterkte van de austenietkorrelgrenzen hoog en is het staal bestand tegen het vormen van scheurtjes tijdens het afschrikken. Dit verschijnsel is ëën van de belangrijkste 10 voordelen van de onderhavige werkwijze.

Een ander voordeel van de behandeling van staal volgens de ideeën van de uitvinding is dat er tijdens het afschrikken minder vervorming optreedt bij toepassing van de nieuwe werkwijze in vergelijking met de mate van vervorming 15 die wordt waargenomen bij behandelen op de conventionele wijze.

Een bijkomend voordeel van de snelle austenitiseringscyclus is dat er zeer weinig oxyde wordt gevormd op het oppervlak van de werkstukken omdat het staal slechts korte tijd op de hoge temperatuur verkeert. Oxydevorming kan bij 20 behandeling in een oven worden vermeden door toepassing van een beschermende atmosfeer, maar het vormen van een beschermende atmosfeer is weer duur. De onderhavige werkwijze vermijdt de vorming van een significante hoeveelheid oxyde op het stalen werkstuk en geeft daarmee besparingen aan gewichtsverlies van het 25 staal, kosten van reiniging van het staal, of kosten verbonden aan een beschermende atmosfeer.

Een ander voordeel van werken volgens de ideeën van de uitvinding is dat er een vermindering optreedt in de mate van ontkolen tijdens de warmtebehandeling. Als staal 30 volgens de uitvinding wordt behandeld is de austenitiseringscyclus zeer kort en heeft de koolstof zeer weinig tijd om te reageren met lucht en uit het staal te verdwijnen. Bijgevolg treedt er geen ontkoolde laag op op het staal. Dit aspect van de onderhavige werkwijze maakt het mogelijk om werkstukken te be-35 handelen die zijn gedraaid of geslepen om een ontkoolde laag te verwijderen zonder gevaar voor ontkolen van het oppervlak van het 8105472 - 17 - werkstuk. Bijgevolg kan het oppervlak van het stalen werkstuk worden gedraaid of geslepen in de warm gewalste of ontlaten toestand voor de warmtebehandeling. Bij werken op de conventionele wijze moet het staal worden afgedraaid of geslepen na de 5 warmtebehandeling als het staal zich in een geharde toestand bevindt.

Nog een ander voordeel van werken volgens de ideeën van de uitvinding heeft betrekking op de legeringen die worden gebruikt voor voorwerpen die na de warmtebe-10 handeling aan bepaalde eisen voldoen. Zoals hiervoor uiteengezet, zijn het optreden van afschrikscheurtjes en van vervorming door afschrikken verschijnselen die optreden bij de conventionele behandeling van staal belangrijke problemen. Om deze problemen tot een minimum te beperken wordt gewoonlijk een mil-15 der afschrikmedium gebruikt. De straf voor het gebruik van een milder afschrikmedium is dat de volledige hardingspotentiaal van het staal niet kan worden gerealiseerd. Dankzij de behandeling volgens de ideeën van de uitvinding kan nu wel een sterk afschrikmedium worden gebruikt en kan de volledige hardings-20 potentiaal voor een gegeven legering worden gerealiseerd.

Nog een ander voordeel van de onderhavige uitvinding houdt verband met de vermindering van de vervorming door afschrikken tijdens de tempertrap van de behandeling. Dit aspect van de werkwijze werd eerder genoemd en gemeend 25 wordt dat dit verschijnselen van richten tijdens het temperen wordt veroorzaakt door de preferentiële herverdeling van rest-spanningen in het werkstuk. Proeven hebben aangetoond dat de spanning die nodig is om strekken tijdens het temperen te veroorzaken veel lager is dan de rekgrens van het staal. Bijgevolg 30 verschilt het verschijnsel duidelijk van het effect bij strekken in een strekinrichting of een andere mechanische strek-behandeling waarbij het nodig is dat spanningen worden opgewekt die groter zijn dan de rekgrens van het staal.

Een belangrijk voordeel van de onder-35 havige uitvinding is dat ze een zeer hoog energierendement geeft. In tegenstelling tot de conventionele behandelingen in een oven 8105472 - 18 - waarbij grote ovens moeten worden verwarmd op hoge temperaturen, wordt bij de onderhavige uitvinding praktisch alleen het werkstuk dat de behandeling ondergaat, verwarmd. Studies hebben aangetoond dat de onderhavige uitvinding een energierendement 5 heeft van 70 tot 90 % in vergelijking met een maximum rendement van slechts ca 35 % voor een conventionele oven met recuperators.

Het spreekt vanzelf dat de onderhavige uitvinding verschillende belangrijke voordelen biedt aan de 10 fabrikant van stalen werkstukken die een warmtebehandeling hebben ondergaan. Het probleem van het optreden van afschrikscheur-tjes wordt nagenoeg geëlimineeidmet de onderhavige werkwijze. Vervorming door afschrikken wordt tot een minimum beperkt en de vorming van oxyde tijdens de behandeling wordt eveneens tot 15 een minimum beperkt. De volledige hardingspotentiaal van het staal kan worden gerealiseerd door toepassing van de onderhavige werkwijze omdat een sterk afschrikmedium wordt gebruikt. Voorts kan een eventuele vervorming die toch optreedt in het staal tijdens het austenitiseren en afschrikken in belangrijke 20 mate worden verminderd tijdens het temperen. Er werd ook gevonden dat het staal dat volgens de ideeën van de uitvinding werd behandeld een superieure uniformiteit te zien geeft in vergelijking met staal dat volgens de conventionele technieken werd behandeld. Ook verbeteringen in de ductiliteit, taaiheid 25 en vermoeiingssterkte zijn vastgesteld.

De uitvinding wordt nu nader toegelicht aan dehand van de volgende voorbeelden die ter illustratie dienen en geen enkele beperking inhouden.

'Voorbeeld I

30 Dit voorbeeld geeft een uitvoerige ver gelijking van een conventionele behandeling in een oven en een warmtebehandeling volgens de ideeën van de uitvinding. In dit voorbeeld werden, om te demonstreren dat de ideeën van de uitvinding nagenoeg geheel het optreden van afschrikscheurtjes 35 elimineren, staven onderworpen aan austenitiseren gevolgd door afschrikken zonder de tempertrap toe te passen, opdat deze 8105472 - 19 - laatste praktisch geen invloed heeft op het optreden van af-schriks cheurtj es.

»

De chemische analyse van de staallege-t ring die voor deze vergelijkingsproef werd toegepast is weer- 5 gegeven in tabel A, legering A. Voor deze vergelijking werd staal 4150 gebruikt omdat staal met een koolstofgehalte van meer dan 0,40 % koolstof een duidelijke neiging heeft tot het optreden van afschrikscheurtjes. Deze legering bevatte ook Te dat als toevoegsel dient voor het verkrijgen van een goede 10 machinale bewerkbaarheid. In het algemeen verhogen toevoegsels voor het bereiken van een goede machinale bewerkbaarheid, zoals Te, Se, S en Pb de kans op afschrikscheurtjes. Deze toevoegsels vormen insluitingen in het staal en de insluitingen werken als beginpunten voor de afschrikscheurtjes. Voor deze verge-15 lijkingsproef werd een inrichting gébruikt zoals is geïllustreerd in figuur 2.

Monsters voor deze vergelijkingsproef werden vervaardigd uit warm gewalste staven van staal 4150 die mechanisch waren gereinigd ter verwijdering van het oxyde dat 20 tijdens het warm walsen op het staal was gevormd. De warm gewalste staven werden willekeurig gekozen en uit elke staaf werden twee korte monsters gesneden. Elk monster was 52,5 cm lang en 26 mm in diameter. De twintig monsters werden verdeeld in twee groepen van elk tien. De ene groep werd onderworpen aan 25 een behandeling in een oven en de andere werd behandeld volgens de ideeën van de uitvinding. De monsters voor de behandeling in een oven werden verwarmd in de laboratoriumoven op een temperatuur van 843°C. In dit geval was een 4 h durende warmtebehandeling in de oven nodig om er voor te zorgen dat de gehele 30 lading van de oven de austenitiseringstemperatuur had bereikt. Daarna werd elk monster afzonderlijk afgeschrikt in water dat in beweging werd gehouden. In het afschrikbad werden geen toevoegsels toegepast en de temperatuur van het bad werd op 26,7°C gehouden.

35 Daarna werd de andere groep monsters behandeld onder toepassing van directe elektrische weerstands- 8105472 - 20 - verwarming. Elk monster werd verwarmd op 927°C en afgeschrikt in dezelfde afschriktank die was gebruikt voor de in de oven behandelde monsters. Het vereiste slechts 16 s om elk monster op de gewenste austenitiseringstemperatuur te verwarmen. Opge-5 merkt wordt dat de austenitiseringstemperatuur voor de elektrische behandeling 83,3°C hoger was dan de austenitiseringstemperatuur die werd toegepast bij de behandeling in een oven. Er was een hogere austenitiseringstemperatuur nodig voor de elektrische behandeling om te zorgen dat het staal volledig 10 geaustenitiseerd werd in de korte verwarmingscyclus. In het al-gèmeen geven hogere austenitiseringstemperaturen aanleiding tot sterkere vorming van afschrikscheurtjes en de toepassing van een hogere austenitiseringstemperatuur bij deze vergelijkende proef betekende dan ook in feite dat de proefomstandig-15 heden gunstig waren voor de behandeling in een oven.

Nadat beide groepen monsters waren afgeschrikt werd elk monster geïnspecteerd op afschrikscheurtjes en gemeten om de rechtheid te bepalen. Afschrikscheurtjes werden gemakkelijk vastgesteld aan de in de oven behandelde monsters 20 terwijl visuele inspectie geen afschrikscheurtjes openbaarde bij de elektrisch verwarmde monsters. Om er zeker van te zijn dat er geen afschrikscheurtjes aanwezig waren in de dektrisch behandelde monsters, werden deze monsters nogeens nauwkeurig onderzocht onder toepassing van een kleurstofpenetratietechniek. 25 Ook daarbij werden geen afschrikscheurtjes gevonden.

Elk monsters werd ook gemeten ter bepaling van de rechtheid. Dit werd gedaan door het monster op een vlak oppervlak te plaatsen het monster tegen een rechte stalen staaf aan te drukken die ook op het vlakke oppervlak was ge-30 plaatst en daarna de maximum afstand tussen de rechte staaf en het monster te meten. Deze meting (in mm) werd gedeeld door de lengte van de monsters (in cm) waarmee een kwantitatieve indicatie werd verkregen van de mate van vervorming van elk monster.

De groepen monsters werden ook gefotografeerd en de figuren 35 3A en 3B laten zien dat de elektrisch behandelde staven veel rechter waren dan de in de oven behandelde staven. Tabel B geeft 8105472 - 21 - de cijfers weer die behoren bij deze twee groepen aan een warmtebehandeling onderworpen staven.

Tabel B

Vergelijkingsproef voor staal 4150 5 Monster no. Mate van vervorming Afschrikscheurtjes

Oven (mm/ cm)___ F-l 0,159 0 F-2 0,095 1 F-3 0,038 0 10 F-4 0,142 0 F-5 0,142 1 F-6 0,119 3 F-7 0,089 0 F-8 0,159 1 15 F-9 0,185 1 F-10 0,107 0

Gemiddelde vervorming 0,1235 50 % vertoont afschrik scheurtjes

Elektrisch 20 E-l 0,033 0 E-2 0,032 0 E-3 0,038 0 E-4 0,032 0 E-5 0,012 0 25 E-6 0,032 0 E-7 0,030 0 E-8 0,026 0 E-9 0,051 0 E-10 0,034 0 30 Gemiddelde vervorming 0,032 0 % afschrikscheurtjes

Uit de cijfers in tabel B en de foto's van figuur 3A en 3B blijkt duidelijk dat het staal dat werd ge-austenitiseerd volgens de ideeën van de uitvinding minder af-schrikvervorming te zien geeft dan het staal dat in de oven 35 was behandeld. In de praktijk was de vervorming van de in een oven behandelde monsters meer dan 3 x zo groot als van de elektrisch verwarmde staven. Men zou kunnen menen dat de geringere 8105472 - 22 - / vervorming van de elektrisch behandelde monsters het gevolg was van enig verschil in de hardheid na het afschrikken die bij deze monsters was bereikt. Dit was echter niet het geval. Tabel C geeft een samenvatting van de hardheidscijfers over de door-5 snede van stukken metaal die uit deze twee groepen monsters in de afgeschrikte toestand waren gesneden. Deze cijfers demonstreren duidelijk dat in de twee groepen monsters dezelfde hardheidsniveaus waren bereikt, De geringe verschillen in de vermelde waarden vallen binnen de nauwkeurigheidsgrenzen van 10 de Rc hardheidsproef.

Tabel C

Vergelijking hardheden voor staal 4150

In oven Elektrisch behandeld behandeld 15 Gemiddelde hardheid in het hart 62,2 Rc 62,1 Rc

Gemiddelde hardheid halverwege de straal 60,8 Rc 61,3 Rc

Gemiddelde oppervlakte-hardheid 60,7 Rc 61,4 Rc

Gemiddelde hardheid over het 61,2 Rc 61,6 Rc geheel (30 proeven) 20 Het meest significante aspect van de cijfers in tabel B is het resultaat wat betreft de vorming van afschrikscheurtjes. 50 % van de in de oven behandelde monsters gaven scheurtjes te zien na afschrikken in water en deze frequentie voor het optreden van afschrikscheurtjes is min of 25 meer normaal. Gewoonlijk wordt staal 4150 afgeschrikt in olie om afschrikscheurtjes te vermijden. Men zou bijgevolg verwachten dat afschrikscheurtjes optreden als water werd toegepast in plaats van olie voor deze kwaliteit staal. Geen van de elektrisch behandelde monsters vertoonde echter afschrikscheur-30 tjes ook al werden ze in precies hetzelfde afschrikmedium afge- schrikt en werd in het staal dezelfde hardheid na het afschrik ken bereikt. Gemeend wordt dat de reden voor dit verschil in het optreden van afschrikscheurtjes kan worden toegeschreven aan de snelle austenitiseringscyclus. Er was eenvoudig niet 35 voldoende tijd voor schadelijke elementen om te segregeren op de austenietkorrelgrenzen tijdens de korte austenitiserings- 8105472 - 23 - cyclus die werd toegepast. Bijgevolg bleven de korrelgrenzen sterk en waren de monsters bestand tegen afschrikscheurtjes. Anderzijds was er voldoende tijd beschikbaar voor segregatie naar austenietkorrelgrenzen in de monsters die in de oven wer-5 den behandeld; 50 % van deze monsters vertoonde dan ook scheurtj es.

Figuur 4A en 4B geven een vergelijking te zien tussen het oppervlak van ëën van de in de oven behandelde monsters en dat van ëën van de elektrisch behandelde 10 monsters. In het in de oven behandelde monster ziet men een afschrikscheurtje. In het algemeen strekken de afschrikscheurtjes zich over de gehele lengte van de monsters uit en volgden deze scheurtjes een onregelmatig pad van het ene einde tot het andere uiteinde. Een doorsnede door een van de monsters leerde 15 dat het afschrikscheurtje zich uitstrekte vanaf het oppervlak tot ongeveer het midden van de doorsnede. Onderzoek van het scheurtje leerde dat het inderdaad de aard had van een inter-granulaire breuk. Daar er geen afschrikscheurtjes werden gevonden in de elektrisch behandelde monsters kon daarin geen enkel 20 scheurtje worden gefotografeerd of metallografisch onderzocht.

De foto’s in figuur 4A en 4B illustreren nog een ander belangrijk aspect van de behandeling van staal met een snelle austenitiseringsbehandeling. Figuur 4A laat zien dat op het oppervlak van in een oven behandeld staal een 25 dikke oxydelaag aanwezig was. Anderzijds vertoonde het monster dat elektrisch werd geaustenitiseerd slechts een dunne laag oxyde. Meting van de dikte van de oxydelaag op de in een oven behandelde staven leerde dat deze laag in dikte varieerde van 0,038 tot 0,089 mm. Er werd een poging gedaan om de dikte van 30 de oxydelaag op de elektrisch behandelde monsters te meten, maar de laag was zo dun dat er geen meting kon worden uitgevoerd. Het enige wat over de elektrisch behandelde monsters kan worden gezegd is dat de oxydelaag dunner was dan 0,0025 mm. Dit ontbreken van een oxydelaag op het staal dat volgens de 35 ideeën van de uitvinding werd behandeld vormt een ander duidelijk voordeel van deze werkwijze.

8105472 - 24 -

Voorbeeld II

In dit voorbeeld werden de proeven en onderzoeken van voorbeeld I herhaald maar met een andere kwaliteit staal. Tien warm gewalste staven van staal 6150 uit 5 legering B werden willekeurig uitgekozen. Deze 10 staven werden mechanisch gereinigd en daarna werden er 20 monsters uitgesneden. Deze monsters hadden een lengte van 52,5 cm en een diameter van 26 mm. De chemische analyse van de legering B is vermeld in tabel A en staal 6150 werd voor deze reeks proe-10 ven gekozen omdat deze kwaliteit staal erg gevoelig is voor optreden van afschrikscheurtjes bij afschrikken met water.

De illustratie van figuur 2 werd gebruikt voor de warmtebehandeling van deze twintig monsters.

Tien van de monsters werden in een oven 15 behandeld bij een austenitiseringstemperatuur van 843°C en met een verwarmingsduur van 4 h. Na het austenitiseren werden de monsters afzonderlijk afgeschrikt in water dat in beweging werd gehouden en geïnspecteerd op afschrikscheurtjes en werd hun rechtheid gemeten.

20 Daarna werden de tien overige monsters volgens de ideeën van de uitvinding geaustenitiseerd. De gekozen austenitiseringstemperatuur was 927°C en de tijdsduur om elk monster te verwarmen bedroeg 18 s. De monsters werden afzonderlijk afgeschrikt in hetzelfde bad als werd gebruikt 25 voor de in de oven behandelde monsters. De in voorbeeld I beschreven procedures werden ook nu toegepast om deze monsters te analyseren en de resultaten van deze proeven zijn vermeld in tabel D. Foto's van de monsters in afgeshrikte toestand zijn weergegeven in figuur 5A en 5B.

30 8105472 - 25 -

Tabel D

Verge!ijkingsproef voor staal 6150

Monster Vervormingsgraad Afschrikscheurtjes _ (mm/ cm)____ 5 Oven: F-l 0,114 0 F-2 0,076 1 F-3 0,159 1 F-4 0,159 1 10 F-5 0,127 2 F-6 0,095 0 F-7 0,116 1 F-8 0,71 1 F-9 0,0 1 15 F-10 0,038 1

Gemiddelde ver- 80 % vertoonde scheurtjes vorming 0,095

Elektrisch: E-l 0,014 0 20 E-2 0,014 0 E-3 0,0 0 E-4 0,012 0 E-5 0,030 0 E-6 0,018 0 25 E-7 0,002 0 E-8 0,016 0 E-9 0,026 0 E-10 0,017 0

Gemiddelde ver- 0 % vertoonde scheurtjes 30 vorming 0,015

De cijfers in tabel D en de foto's in figuur 5A en 5B illustreren dat snel austenitiseren leidt tot een lager niveau van afschrikvervorming. In dit geval was de 35 mate van vervorming voor de in een oven behandelde monsters 6 x zo groot als die van de elektrisch behandelde monsters.

8105472 26

Er werden hardheidsproeven uitgevoerd op de doorsneden van monsters die uit de proefstaven waren gesneden en die representatief waren voor zowel in de oven behandeld als voor elektrisch behandeld staal en de resultaten 5 van deze hardheidsproeven zijn vermeld in tabel E. De cijfers in tabel E geven aan dat de twee groepen monsters bij het afschrikken ongeveer dezelfde hardheid verkregen. Bijgevolg zijn de verschillen die werden waargenomen in de mate van af-schrikvervorming en het verschil in de frequentie van het op-10 treden van afschrikscheurtjes niet toe te schrijven aan verschillen in de mate van martensitische transformatie.

Tabél E

Vergelijking hardheid voor staal 6150

In oven Elektrisch 15 " behandeld behandeld

Gemiddelde hardheid in het midden 61,1 Rc 61,5 Rc

Gemiddelde hardheid halverwege de straal 60,8 Rc 61,1 Rc

Gemiddelde oppervlakte- 20 hardheid 61,0 Rc 61,5 Rc

Gemiddelde hardheid over het geheel (30 proeven) 60,9 Rc 61,5 Rc

Het meest significante aspect van de 25 cijfers in tabel D is gelegen in het verschil in optreden van afschrikscheurtjes. 80 % van de in een oven behandelde monsters vertoonden scheurtjes terwijl geen van de elektrisch behandelde monsters scheurtjes vertoonde. Deze cijfers demonstreren duidelijk dat snel austenitiseren het probleem van het optreden 30 van afschrikscheurtjes vermijdt.

De figuren 6A en 6B geven het oppervlak weer van éën van de in de oven behandelde monsters en het oppervlak van een van de elektrisch behandelde monsters. Op het in de oven behandelde monsters is duidelijk een afschrikscheurtje 35 te zien. Deze foto's geven ook duidelijk te zien de dikke laag van oxyde op het in de oven behandelde monster en de betrekke- 8105472 - 27 - lijk dunne laag oxyde op het elektrisch behandelde monster. Gemeend wordt dat de dikte van de oxydelaag op deze monsters soortgelijk is aan die van de overeenkomstige monsters uit voorbedd I.

5 De resultaten van deze reeks proeven bevestigen de waarnemingen van voorbeeld I. Snel austenitiseren volgens de ideeën van de uitvinding voorkomt het optreden van afschrikscheurtjes, geeft minimale afschrikvervorming en een minimale vorming van oxyde op het staal. Vergelijkingsproeven 10 van dit type werden ook uitgevoerd op enkele van de andere in tabel A vermelde kwaliteiten staal met koolstofgehalten van meer dan 0,40 %. In alle gevallen waren de resultaten soortgelijk en werd met de nieuwe werkwijze het optreden van afschrikscheurtjes voorkomen.

15 Voorbeeld III

Dit voorbeeld geeft verdere informatie over het niet optreden van afschrikscheurtjes bij de onderhavige werkwijze en beschrijft de reeks van commerciële produk-ten die kunnen worden vervaardigd uit staallegeringen 414X.

20 Warm gewalste staven uit tien op tech nische schaal bereide legeringen staal 414X werden uitgekozen voor verdere behandeling en de chemische analyses van deze tien legeringen zijn vermeld in tabel A, de legeringen C t/m L. De reeks van legeringen 414X werd voor deze proef gekozen om-25 dat het de meest populaire in de handel verkrijgbare legering voor warmtebehandeling is. Vele van de gekozen legeringen bevatten toevoegsels voor het bereiken van machinale bewerkbaar-heid die in het algemeen het optreden van afschrikscheurtjes in het staal bevorderen. De diameters van de onderzochte sta-30 ven varieerde van 15 mm tot 89 mm en de staven hadden een minimum lengte van 2,4 meter.

Voor het behandelen van de staven uit elke staallegering werd de inrichting volgens figuur 1 gebruikt. De staven werden in het verwarmingsstation gebracht, verwarmd 35 op 927°C en daarna afgeschrikt. Na het afschrikken werden de staven mechanisch uit de afschriktank verwijderd en op de op- 8105472 4 - - 28 - slagtafel aan de uitgang gelegd. Als een hele partij staal was geaustenitiseerd en afgeschrikt werden de staven weer op de invoertafel gelegd en daarna afzonderlijk verwarmd op verschillende tempertemperaturen. Er werden tempertemperaturen beproefd 5 tussen 482°C en 732°C. De grootste staven die werden behandeld hadden een diameter van 89 mm en een lengte van 3 meter en deze staven vereisten een totale tijdsduur van 8 min. voor het auste-nitiseren. Alle andere staven uit deze tien legeringen werden geaustenitiseerd in minder dan 8 min. De tempertijden varieer-10 den van enkele s tot ca 5 min.

Er werden uitvoerig proeven uitgevoerd met de staven uit deze tien staallegeringen zodat het traject van de mechanische eigenschappen goed kon worden gekarakteriseerd. Figuur 7 toont de sterkte en ductiliteitscijfers die wer-15 den ontwikkeld. Elk uitgezet punt geeft de treksterkte van een afzonderlijke staaf weer uit ëën van deze tien legeringen. In totaal werden 50 staven behandeld. De streeplijnen dienen om het traject van de mechanische eigenschappen aan te geven en ze geven geen enkel statistisch kenmerk van de cijfers aan.

20 De in figuur 7 weergegeven trajecten zijn verrassend nauw, in acht genomen dat de diameters van deze staven variëren van 15 mm tot 89 mm. Deze nauwe band voor de mechanische eigenschappen impliceert dat de nieuwe werkwijze niet gevoelig is voor kleine veranderingen in de chemische samen-25 stelling van het staal of in veranderingen in diameter. Uit figuur 7 blijkt ook dat de mechanische eigenschappen van de aan een warmtebehandeling onderworpen staallegeringen gemakkelijk kan worden gevarieerd over een ruim traject, door eenvoudig de tempertemperatuur te regelen.

30 Elke staaf die werd behandeld werd ook geïnspecteerd op afschrikseheurtjes; daarbij werden geen afschrik-scheurtjes gevonden. Dit is bijzonder opmerkenswaard, omdat staven met een grote diameter uit staal 414X gewoonlijk worden afgeschrikt in olie om het optreden van afschrikseheurtjes te ver-35 mijden. Voorts waren alle onderzochte staven met een grote diameter (legeringen J, K en L) vervaardigd uit staal dat toevoeg- 8105472 - 29 - seis voor het bereiken van machinale bemerkbaarheid bevatte. Zoals eerder gezegd bevorderen toevoegsels voor het bereiken van machinale bewerkbaarheid het optreden van afschrikscheurtjes. Deze cijfers demonstreren duidelijk dat behandelen vol-5 gens de ideeën van de uitvinding kan worden toegepast op grote schaal voor de behandeling van technische staallegeringen zonder de verliezen die normaliter zouden optreden door afschrik-scheurtjes.

Voorbeeld IV

10 Voorbeeld III demonstreerde dat de onderhavige werkwijze gebruikt kan worden voor de warmtebehandeling van legeringen van staal 414X met grote verscheidenheid van diameters. Dit voorbeeld demonstreerde ook dat het optreden van afschrikscheurtjes kon worden vermeden door toepassing van 15 de onderhavige werkwijze en het illustreerde het traject voor de mechanische eigenschappen dat bij deze reeks van legeringen kon worden bereikt. Het onderhavige voorbeeld heeft betrekking op een verdere reeks van legeringssamenstellingen en het demonstreert de veelzijdigheid van de onderhavige werkwijze en 20 het ontbreken van afschrikscheurtjes in andere legeringen.

Voor de behandeling van het staal in dit voorbeeld werd de inrichting volgens figuur I gebruikt.

Alle staven die werden behandeld hadden een minimum lengte van 2,4 meter en de behandelingsmethoden.beschreven in voorbeeld 25 III werden daarbij toegepast. De austenitiseringstemperaturen varieerden van 871°C tot 927°C en de tempertemperaturen varieerden van 482°C tot 704°C. Tabel A vermeldt de diameters en de chemische samenstelling van de in dit voorbeeld onderzochte staallegeringen; de volgende legeringen werden onderzocht: 30 A, B, Μ, N, 0, P, Q, R, S en T.

Uit elk van deze legeringen werden een aantal staven behandeld volgens de ideeën van de onderhavige uitvinding en werden cijfers betreffende de mechanische eigenschappen van elke staaf bepaald. Figuur 8 en 9 geven cijfers 35 voor de treksterkte weer uitgezet tegen de tempertemperaturen voor deze tien staallegeringen. Alle staallegeringen gedroegen 8105472 - 30 - zich op een voorspelbare wijze die in overeenstemming was met hun legeringssamenstelling. De aard van de kromme voor het staal 6150 is iets anders dan voor de andere kwaliteiten staal, omdat dit staal vanadium bevatte en vanadium veroudering op-5 treedt in dit staal bij tempertemperaturen ca 649°C. Dit verschijnsel is eigen aan vanadiumbevattende staallegeringen en het betekent niet een uniek aspect van de onderhavige uitvinding.

Nadat elke staaf uit deze tien legerin-10 gen aan een warmtebehandeling was onderworpen werd deze geïnspecteerd op afschrikscheurtjes waarbij geen scheurtjes werden gevonden. Opgemerkt moet echter worden dat van staallegeringen met koolstofgehalten van minder dan 0,40 % koolstof niet wordt verwacht dat ze bij afschrikken met water scheurtjes 15 te zien geven. In dit voorbeeld vielen drie legeringen in deze kategorie. De andere zeven legeringen die werden onderzocht hebben op zichzelf wel neiging tot vormen van afschrikscheurtjes bij afschrikken met water en legering 1144 heeft zelfs een sterke neiging tot het optreden van afschrikscheurtjes als 20 gevolg van het hoge zwavelgehalte van dit staal.

Tijdens de behandeling van deze verschillende kwaliteiten staal werd een poging gedaan om de ideale austenitiseringstemperatuur voor een bepaalde legering vast te stellen. Zoals duidelijk is moesten hogere temperaturen 25 worden gebruikt bij het snel austenitiseren om de korte duur van de cyclus te compenseren. Experimentele resultaten leerden dat de austenitiseringstemperatuur ca 111°C boven de Attemper a tuur van een bepaald staal moet liggen. Opgemerkt wordt dat deze temperatuur aanzienlijk hoger is dan de temperaturen 30 die worden aanbevolen voor warmtebehandeling in een oven.

Dit voorbeeld demonstreert dat de nieuwe werkwijze kan worden toegepast op een grote verscheidenheid van staallegeringen zonder enige moeilijkheid. Dit voorbeeld demonstreert ook dat de. onderhavige werkwijze problemen met het op-35 treden van afschrikscheurtjes voor een grote verscheidenheid van staalkwaliteiten elimineert en demonstreert hiermee de veel- 8105472 - 3J - * zijdigheid van de onderhavige werkwijze.

Voorbeeld V

Dit voorbeeld laat zien dat de onderhavige werkwijze kan worden toegepast op stalen werkstukken in 5 de vorm van buizen.

De inrichting als weergegeven in figuur 1 werd gebruikt voor de behandeling van drie buizen vervaardigd uit een commerciële legering van staal 4130. De chemische analyse van deze legering (legering U) is vermeld in 10 tabel A. De voor deze proef gebruikte buizen hadden een diameter van 38 mm en een wanddikte van 9,5 mm. Deze buizen werden behandeld in de behandelingsinrichting alsof het staven waren waarbij geen moeilijkheden werden ondervonden. Elke buis werd geaustenitiseerd bij 927°C en getemperd bij temperaturen tussen 15 399°C en 566°C. Na de warmtebehandeling werden de buizen be proefd ter bepaling van hun mechanische eigenschappen. Tabel G geeft de resultaten van deze beproeving weer.

Tabel G

Mechanische eigenschappen van aan een warmtebehande- 20 ling onderworpen buizen _-

Behandeling Trek- Rek- Rek Insnoering sterkte grens (MPa) (MPa) (%) (%)

Alle buizen wer-25 den geaustenitiseerd bij 927°C

Getemperd bij 399°C 1399 1270 12,5 59,1

Getemperd bij 482°C 1274 1203 13,0 62,4

Getemperd bij 566°C 1099 1005 16,0 67,3 30

Elke buis werd onderzocht op de aanwezigheid van afschrikscheurtjes en getest op zijn gelijkmatigheid.

Er werden geen afschrikscheurtjes gevonden en de gelijkmatigheid van het staal vanaf het oppervlak tot in het inwendige en 35 over de lengte was uitstekend. Dit voorbeeld demonstreert dat de ideeën van de uitvinding zonder enige moeilijkheid kunnen worden toegepast op buizen. Er waren geen modificaties in de 8105472 - 32 -

apparatuur nodig en bij deze warmtebehandeling werd een buisvormig produkt met een gelijkmatige hoge sterkte verkregen. Voorbeeld VI

Dit voorbeeld demonstreert het verschijn-5 sel van "temperrichten" waarvan hiervoor sprake was. Temper-richtèn kan worden gebruikt om de mate van afschrikvervorming die optreedt als lange werkstukken aan een warmtebehandeling worden onderworpen, te verminderen.

Staven uit twee legeringen J en K van 10 staal 4142 werden behandeld volgens de onderhavige uitvinding.

De chemische analyse en de diameters van deze staven zijn vermeld in tabel A en de apparatuur uit figuur 1 werd gebruikt voor het behandelen van deze twee staallegeringen.

Bij deze proef werd de rechtheid van elke 15 staaf gemeten na het afschrikken en opnieuw na het temperen. Tijdens het temperen werd een trekkracht uitgeoefend op het stalen werkstuk via de elektrische contacten van 1780 N. Deze trekkracht alleen was niet voldoende om plastische deformatie te veroorzaken van deze staven met grote diameter. Tijdens het 20 temperen bleken deze staven echter in belangrijke mate gericht te worden. Figuur 10A geeft een foto weer van staven uit legering J in een toestand na afschrikken. Er wordt op gewezen dat de vijfde staaf van deze groep ernstig was vervormd tij-, dens het afschrikken doordat een deel van het roersysteem van 25 de afschrikinrichting faalde. Figuur 10B geeft dezelfde staven weer na het temperen onder spanning. Gewezen wordt op de aanzienlijke verbetering in de rechtheid van de staven na het temperen. Tabel H geeft de gemeten waarden weer voor de rechtheid na het afschrikken en na het temperen van deze staven. De tem-30 pertemperaturen zijn ook aangegeven.

8105472 - 33 -

'Tabel E

Vervorming in staven uit legering J (staaflengte 3,7 m)

Vervorming Vervorming Temper- 5 na afschrikken na temperen temperatuur (mm/ cm) (mm/cm) (°C) 0,0295 0,0044 482 0,0463 0,0087 538 0,0421 0,0087 593 10 0,0168 0,0044 649 0,2145 0,0701 704 0,0084 0,0044 649 0,0210 0,0044 649 0,0084 0,0044 649 15 Gemidd.

0,0483 0,0137

Deze proef werd herhaald met staven met een grotere diameter uit legering K. Tabel I geeft de resultaten weer van de rechtheidsmetingen uitgevoerd tijdens de be-20 handeling van deze legering.

Tabel I

Vervorming in staven uit legering K (staaflengte 3,7 m)

Vervorming Vervorming Temper- 25 na afschrikken na temperen temperatuur (mm/ cm) (mm/cm) (°C) 0,0252 0,0252 482 0,0757 0,0210 538 0,1682 0,0252 593 30 0,1682 0,0295 649 0,1851 0,0295 704

Gemidd.

0,1245 0,0261 35 De cijfers weergegeven in tabel H en tabel I illustreren het verschijnsel van het richten bij temperen. In beide gevallen trad er een aanzienlijke vermindering 8105472 .- 34 - op in de vorming van de staven door de combinatie van een kleine trekspanning en snel verwarmen. De trekspanning die werd uitgeoefend op deze staven was zo klein dat het richt-verschijnsel niet kan worden verklaard uit het optreden van 5 vloeiverschijnsel in het staal. In tegendeel, deze vermindering in de mate van vervorming is het gevolg van een preferentiële herverdeling van restspanningen in de staaf. Het zou niet mogelijk zijn om dit richteffect te bereiken bij temperen in een oven, omdat de massa van de lading van de oven 10 er toe zou leiden dat de vorm van de werkstukken gefixeerd wordt en dat richten wordt voorkomen.

Voorbeeld VII

Dit voorbeeld beschrijft de resultaten van een uitgebreide vergelijkende proef tussen een conven-15 tionele warmtebehandeling en een warmtebehandeling volgens de uitvinding. De chemische analyse van het gebruikte staal voor deze vergelijkende proef (legering G) is vermeld in tabel A. Er werd bevestigd dat deze speciale legering van staal 4140 bij austenitiseren in een oven en afschrikken met 20 water geen afschrikscheurtjes geeft. Dus was deze legering geschikt voor het uitvoeren van een vergelijkende proef in dit speciale geval. De in figuur 2 weergegeven apparatuur werd gebruikt voor het prepareren van monsters voor deze reeks van proeven.

25 In éen oven behandelde monsters werden geaustenitiseerd gedurende 1 h bij 843°C, afgeschrikt in water dat in beweging werd gehouden en daarna 1 h getemperd bij temperaturen tussen 482 en 593°C. De lading van de oven werd klein gehouden om een juiste austenitisering en temperbehande-30 ling te garanderen. Vervolgens werd een gelijke hoeveelheid staal volgens de uitvinding behandeld onder toepassing van directe elektrische weer stands verwarming. Er werd een austeni-tiseringstemperatuur gebruikt van 927°C voor alle elektrisch verwarmde monsters en de tempertemperaturen varieerden van 35 538 tot 704°C. De tijdsduur voor het austenitiseren voor elk monster was 42 s en de tijdsduur voor het temperen was in alle 8105472 . - 35 - gevallen kleiner dan 30 s. Deze behandelingen leverden monsters op die in treksterkte varieerden van 1035 MPa tot 1450 MPa en er werden voldoende monsters behandeld bij verschillende waarden om vergelijkingen uit te voeren van de hardheid, sterkte, 5 ductiliteit, vermoeiingssterkte en Charpy slagtaaiheid.

De resultaten van de treksterktebepalin-gen leerde dat staal dat was behandeld volgens de onderhavige uitvinding een verbeterde ductiliteit had in vergelijking met op de conventionele wijze behandeld staal. Figuur 11 geeft 10 grafieken weer van de treksterkte tegen de rek voor monster die met de twee technieken waren behandeld. De grafiek geeft aan dat er een verbetering optrad in de ductiliteit bij de onderhavige werkwijze. De verschillen zijn klein, maar de trent blijkt duidelijk. Deze verbetering in ductiliteit wordt toege-15 schreven aan de verfijnde microstructuur die optreedt als gevolg van de snelle austenitiseringsbehandeling.

Vervolgens werden twee betrekkelijk grote partijen stalen staven op hetzelfde sterkteniveau gebracht met de twee werkwijzen, voor bepaling van de vermoeiings-20 sterkte. Uit deze staven werden gladde monsters voor rotatie-buigvermoeiingsproeven vervaardigd en deze werden beproefd ter bepaling van de vermoeiingsgrens van het staal. Er werden uit deze staven ook een aantal monsters voor het bepalen van de treksterkte en de hard-heid gesneden. Tabel K geeft de resul-25 taten weer van deze op het staal uitgevoerde proeven. De verbetering in de vermoeiings levensduur en de vermoeiingsverhou-ding wordt duidelijk geïllustreerd door de cijfers in de tabel.

30 8105472 * t !

- 36 -Tabel K

Mechanische eigenschappen van monsters voor bepaling vermoeiingseigenschappen (legering G)

In oven Elektrisch 5 Mechanische eigenschappen behandeld behandeld

Treksterkte (MPa) 1161 1160

Rekgrens (MPa) 1079 1072

Rek (%) 15,8 16,5

Insnoering (%) 53,5 57,1 10 Hardheid kern (Rc) 36,4 36,8

Vermoeiingsgrens (MPa) 613 631

Vermoeiingsverhouding 0,528 0,544

Vermoeiingsverhouding = vermoeiingsgrens/treksterkte 15 Er werden ook Charpy-slagtaaiheids- proeven uitgevoerd op monsters uit deze twee partijen staal die waren behandeld tot hetzelfde treksterkte-niveau (1242 MPa). Tabel L geeft de resultaten weer van de Charpy slagproeven over een ruim temperatuurtraject. Op te merken valt dat de slag-20 energie groter was voor het staal dat volgens de onderhavige uitvinding was behandeld ongeacht de proeftemperatuur.

'Tabél L

Charpy slagproef voor legering G

Proef- In oven Elektrisch 25 temperatuur behandeld behandeld (°C) (°F) (J) (J) 90 194 56,9 78,6 50 122 56,9 59,7 24 75 52,9 56,9 30 0 32 49,5 54,2 -25 -13 35,9 43,4 -40 -40 32,5 33,3 -50 -58 25,8 27,8 -72 -98 19,6 22,3 35 De in dit voorbeeld gegeven cijfers laten zien dat het volgens de uitvinding behandelde staal een superieure ductiliteit, vermoeiingseigenschappen en Charpy- 8105472 - 37 - slagtaaiheids-eigenschappen bezit in vergelijking met staal dat volgens de conventionele technieken was behandeld.

Voorbeeld VIII

Zoals opgemerkt gaan met verwarmen in 5 een oven bepaalde regelproblemen gepaard die voortvloeien uit variaties in de temperatuur vanaf het oppervlak tot in de kern van de lading in de oven. Deze temperatuurvariaties leiden tot een gebrek aan gelijkmatigheid in het in een oven behandelde produkt. Om deze hypothese te testen, werd van een staal-10 service-centrum een monster staal 4142 betrokken dat aan een warmtebehandeling in een oven was onderworpen. Vervolgens werd een soortgelijk monster vervaardigd met de in figuur 1 weergegeven apparatuur en de ideeën volgens de onderhavige uitvinding. Beide monsters bestonden uit 29 staven van staal 4142, met een 15 diameter van 2,5 cm en een lengte van ca 3,6 m. De chemische analyse van deze twee legeringen (legeringen V en W) zijn vermeld in tabel A.

Het volgens de uitvinding gereed gemaakte staal werd geaustenitiseerd bij 927°C en getemperd bij 688°C.

20 Daarna werden de werkstukken mechanisch gericht tot ze voldeden aan commerciële toleranties. Uit elke staaf werd een monster voor trekproeven en een monster voor hardheidsproeven gesneden en er werden statistische analysetechnieken gebruikt om de gelijkmatigheid van het staal vast te stellen. Dezelfde 25 reeks proeven en dezelfde analyses werden uitgevoerd op het op conventionele wijze vervaardigde en behandelde staal. Tabel M geeft de resultaten weer van de statistische analyses op deze twee partijen staal.

30 8105472 - 38 -

Tabel- Μ

Statistische analyse van de uniformiteit van staal 4142_

Mechanische eigenschappen Traject Standaard Traject Standaard 5 _ ___ deviatie _ deviatie

Treksterkte (MPa) 165,0 29,37 75,2 15,76

Rekgrens (MPa) 156,6 29,32 99,4 25,56

Rek (%) 5,0 1,045 3,0 1,127

Insnoering (%) 9,6 2,216 5,6 1,344 10 Hardheid kern (Rc) 6,0 1,394 3,0 0,577

De cijfers uit tabel M demonstreren dat het staal dat volgens de uitvinding was behandeld gelijkmatiger was dan het in de oven behandelde staal. In elke categorie van 15 mechanische eigenschappen was de reeks van waarden bij het in de oven behandelde produkt groter. De verschillen tussen de gelijkmatigheid van deze twee staalprodukten blijken het duidelijkst als de treksterkte en de hardheidscijfers worden beschouwd. Het in de oven behandelde produkt had een tweemaal zo 20 groot traject van waarden als het elektrisch behandelde staal.

De standaarddeviaties voor de treksterkte van de twee staalprodukten geven ook aan dat het volgens de uitvinding behandelde staal ongeveer tweemaal zo gelijkmatig is. Evenzo geven de hardheidscijfers aan dat het elektrisch behandelde produkt 25 ongeveer tweemaal zo gelijkmatig is als het in dejoven behandelde produkt.

Om te laten zien dat de werkwijze volgens de uitvinding het mogelijk maakt volledig te profiteren van het gehalte aan legeringsbestanddelen in het staal doordat het 30 daardoor mogelijk is een sterke afschrikbehandeling toe te passen, werd een vergelijking gemaakt tussen het op de conventionele wijze verkregen monster beschreven in voorbeeld VIII (legering V) en een monster met een lager gehalte aan legerende bestanddelen (staal 1045, legering Q) die volgens de onderha-35 vige uitvinding was behandeld. Tabel N geeft een vergelijking tussen de mechanische eigenschappen en de belangrijke gehalten 8105472 - 39 - aan legeringsbestanddelen van deze twee staallegeringen. Deze specifieke monsters werden gekozen voor deze vergelijking omdat ze ongeveer dezelfde rekgrens bezaten.

Tabel N

5 Vergelijking van twee aan warmtebehandeling onder- worpen staallegeringen_'

Staal 4142 Staal 1045 in oven be- elektrisch handeld behandeld 10 Treksterkte (MPa) 1004 1049

Rekgrens (MPa) 893 896

Rek (%) 17,5 18,0

Insnoering (%) 60,0 62,3

Koolstofgehalte (%) 0,41 0,44 15 Mangaangehalte (%) 0,79 0,82

Chroomgehalte (%)' 1,01 0,03

Molybdeengehalte (%) 0,18 0,01 . De cijfers in tabel N laten zien dat de 20 volledige hardingspotentiaal van staal 1045 kan worden gerealiseerd in een zodanige mate dat ze aansluit bij die van een sterker gelegerd staal dat op een conventionele wijze werd behandeld. In dit geval had het staal 1045 in feite een betere combinatie van mechanische eigenschappen dan het staal 4142.

25 In het bovenstaande voorbeeld bevatten de twee staallegeringen ongeveer dezelfde hoeveelheid koolstof en mangaan, maar het staal 4142 bevatte veel meer chroom en molybdeen.

Voorbeeld X

Dit voorbeeld demonstreert dat de werk-30 wijze volgens de uitvinding de ontkoling die optreedt tijdens de warmtebehandelinge tot een minimum beperkt. Om dat effect aan te tonen werden twee metallografische monsters gemaakt. Het eerste monster werd genomen uit legering V, die een typisch voorbeeld vormt van een in een oven behandeld staal. Het tweede 35 monster werd genomen uit legering A, een staal dat werd behandeld volgens de uitvinding. Beide monsters werden zodanig door- 8105472 - 40 - gesneden dat de ontkoolde laag nabij het oppervlak gemakkelijk kon worden onderzocht. De figuren 12A en 12B geven de resultaten van metallografisch onderzoek weer. Uit deze figuren blijkt duidelijk dat het in de oven behandelde staal ernstig 5 ontkoold was, terwijl het volgens de uitvinding behandelde staal weinig sporen van ontkoling te zien gaf. Om de metallo-grafische waarnemingen te verifiëren werden microhardheidsproeven uitgevoerd op de geprepareerde dwarsdoorsnede van deze twee monsters. De resultaten van de microhardheidsproeven zijn 10 weergegeven in figuur 13. De microhardheidsproeven openbaarden dat er een geringe mate van ontkoling was opgetreden bij het oppervlak van het staal dat volgens de uitvinding was behandeld. De mate van ontkoling was echter relatief klein in vergelijking met de ontkoling aan het oppervlak van het in de oven behandel-15 de monster.

Op grond van deze en andere waarnemingen kan worden geconcludeerd dat de werkwijze volgens de uitvinding helpt om de ontkoling van staal tijdens de behandeling tot een minimum te beperken. Dit is zeer waarschijnlijk een recht-20 streeks gevolg van de zeer korte austenitiseringscyclus die wordt toegepast. Er is eenvoudig niet voldoende tijd voor een wezenlijke mate van ontkoling.

Uit deze voorbeelden volgt dat de onderhavige uitvinding een significante verbetering geeft in het 25 proces van austenitiseren, afschrikken en temperen van staal-legeringen. De onderhavige uitvinding geeft een beter energierendement door toepassing van directe elektrische weerstands-verwarming. Het probleem van het optreden van afschrikscheurtjes is vrijwel geëlimineerd en het probleem van afschrikvervorming 30 wordt wezenlijk verminderd. Voorts kan de afschrikvervorming die eventueel optreedt worden gecorrigeerd in de laatste trap van de werkwijze.

Oxydatie van het staaloppervlak en ontkoling zijn andere gangbare problemen die tot een minimum wor-35 den teruggebracht met de onderhavige werkwijze. De werkwijze volgens de uitvinding maakt het ook mogelijk om de volledige 8105472 - 41 - hardingspotentiaal van staal te realiseren. Tenslotte heeft het produkt dat voortkomt uit het gebruik van deze uitvinding een superieure uniformiteit in vergelijking met het produkt dat wordt verkregen bij toepassing van de conventionele 5 technieken en heeft het een verbeterde ductiliteit, taaiheid en vermoeiingssterkte,

Het zal duidelijk zijn dat er allerlei variaties en modificaties kunnen worden toegepast bij de werkwijze volgens de uitvinding zonder buiten het kader van de 10 uitvinding te komen.

8105472

Claims (15)

1. Werkwij ze voor de warmtebehandeling van staallegeringen zonder dat afschrikscheurtjes optreden, 5 met het kenmerk, dat men (a) een stalen werkstuk snel verhit op een temperatuur boven de A^-temperatuur van het staal teneinde het staal om te zetten in austeniet, waarbij de verwarmings-snelheid zodanig is dat het staal op een temperatuur boven 10 de Aj-temperatuur wordt gehouden gedurende minder dan 300 s, (b) het staal afshhrikt in een vloeibaar afschrikmedium teneinde het austeniet om te zetten in een in hoofdzaak martensitische microstructuur en (c) het staal tempert door het voorwerp 15 te onderwerpen aan een trekkracht terwijl het snel wordt ver warmd op een temperatuur beneden de Aj-temperatuur van het staal, waardoor het staal wordt omgezet in een getemperde martensitische structuur.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met 20 het kenmerk, dat het staal snel wordt verwarmd op een tempe ratuur boven de A^-temperatuur door directe elektrische weer-s tandsverwarming.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het staal bij het temperen wordt verwarmd 25 door directe elektrische weerstandsverwarming.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het werkstuk de vorm heeft van een stalen voorwerp met een zich herhalende dwarsdoorsnede.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande 30 conclusies, met het kenmerk, dat het werkstuk wordt af geschrikt onder omstandigheden die een coëfficiënt voor de sterkte van afschrikken geven van meer dan 1,2.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het werkstuk tijdens het tem- 35 peren wordt onderworpen aan een trekkracht waarbij de trek kracht zo groot is dat de spanning die in het staal wordt ont- 8105472 - 43 - wikkeld beneden de rekgrens van het staal blijft.

7. Werkwijze voor de warmtebehandeling van staallegeringen zonder dat afschrikscheurtjes optreden, met het kenmerk, dat men 5 (a) een stalen werkstuk met een zich her halende dwarsdoorsnede snel verwarmt op een temperatuur boven de Ag-temperatuur van het staal teneinde het staal om te zetten in austeniet, waarbij de verwarmingssnelheid zodanig is dat het staal op een temperatuur boven de -temperatuur wordt gehouden 10 gedurende minder dan 300 s en dat men (b) het staal afschrikt in een vloeibaar afschrikmedium teneinde het austeniet om te zetten in een overwegend martensitische microstructuur waarna het staal vrij is van afschrikdefecten en een geringe afschrikvervorming heeft.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het staal snel wordt verwarmd op een temperatuur boven de A^-temperatuur door directe elektrische weer-s tandsverwarming.

9. Werkwijze volgens conclusie 7, met het 20 kenmerk, dat het werkstuk de vorm heeft van een stalen voorwerp met een zich herhalende dwarsdoorsnede.

10. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het werkstuk wordt afgeschrikt onder omstandigheden die een afschriksterkte-coëfficient geven van meer 25 dan 1,2.

11. Werkwij ze voor de warmtebehandeling van staal ter vermijding van het probleem van het optreden van afschrikscheurtjes, door toepassing van een korte austenitise-ringscyclus, met het kenmerk, dat men 30 (a) een stalen werkstuk snel verhit op een temperatuur boven de A^-temperatuur van het staal om het staal om te zetten in austeniet met een zodanige snelheid dat de tijdsduur dat het staal boven de A^-temperatuur is, onvoldoende is voor diffusie van een wezenlijke hoeveelheid ver-35 brozend werkende elementen naar de austenietkorrelgrenzen en dat men % 8105472 - 44 - » J V* (b) het stalen werkstuk afschrikt met een vloeibaar afschrikmedium om het austeniet om te zetten in een overwegend martensitische microstructuur.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, 5 met het kenmerk, dat de verhitting plaats vindt door directe elektrische weerstandsverwarming.

13. Werkwijze volgens conclusie Π of 12, mét het kéfroerk, dat de tijdsduur dat het werkstuk zich boven de Ai-temperatuur bevindt korter is dan 300 s.

14. Werkwijze volgens conclusie 11-13, met het kenmerk, dat het werkstuk wordt afgeschrikt onder omstandigheden die een afschriksterkte-coefficiënt geven van meer dan 1,2.

15. Werkwijze volgens een der conclusies 15 11-14, mét'hét'kenmerk, dat het werkstuk een langwerpige vorm heeft. 8105472