SE455507B - Forfarande for herdning och anlopning av ett stal - Google Patents

Description

455 507 en böjning eller båge i arbetsstycket. Böjda arbetsstycken är svåra att hantera under efterföljande behandlingssteg, och slut- ligen måste arbetsstycket rätas ut. Det konventionella sättet att minska effekterna av avkylningsdeformation är att använda ett mildare avkylningsmedium.

Efter att stålet har avkylts, är det vanligen alltför hårt och sprött för att vara kommersiellt användbart. Det måste sålunda anlöpas för bildning av en produkt med den önskade kombinationen av mekaniska egenskaper. Anlöpningen genomföres vanligen i stora ugnar, som hålles vid temperaturer under A1-temperaturen. Arbets- styckena införes i en ugn och hålles där tills hela ugnssatsen uppnår den önskade temperaturen. Därefter avlägsnas de och får svalna. Den exakta anlöpningstemperaturen, som väljes, beror på de önskade mekaniska egenskaperna i det färdiga arbetsstycket.

Generellt minskar hållfastheten för stålet med ökande anlöpnings- temperatur, medan formbarheten och seghetenför stålet förbättras med ökande anlöpningstemperatur.

Då stålet väl har austenitiserats, avkylts och anlöpts med an- vändning av konventionella metoder, måste det ytterligare behand- las för avlägsnande av de oönskade effekterna av värmebehandlin- gen, nämligen oxiden som har bildats på ytan av stålet, avkol- ning av ytan på stålet och avkylningsdeformation. Under austeni- tiseringssteget vid värmebehandlingen utsättes stålet för höga temperaturer under en lång tidsperiod. Detta medför ofta att kol reagerar med ugnsatmosfären och resulterar i utarmning av kol från ytan på stålet. Denna kolutarmade zon benämnas det “avko- lade skiktet", och måste ofta avlägsnas från stålets yta innan arbetsstycket kan användas för tillverkning av en användbar de- talj. Vanligen användes slipning eller svarvning för avlägsnande av det avkolade ytskiktet, och dessa processer är relativt dyr- bara.

Ett annat problem, som är förbundet med konventionell värmebe- handling, är bildningen av oxid på ytan av stålet. Då ytan av stå- let har avkolats, bildas ett oxidglödskal på stålet. Detta oxid- glödskal är vanligen ganska hårt och nötande och måste avlägsnas från stålet innan nâgra efterföljande behandlingssteg genomföres. 455 507 Oxidglödskal kan avlägsnas antingen genom mekaniska eller kemis- ka metoder, men i bâda fallen uppstår ytterligare kostnader.

En skyddande atmosfär kan användas för undvikandè av problemet med glödskalbildning, men kostnaderna för skyddande atmosfärer är höga.

Slutligen mäste varje avkylningsdeformation, som har inträffat under värmebehandlingen, korrigeras innan arbetsstycket kan an- vändas för tillverkning av en användbar detalj. För långa ar- betsstycken, t.ex. stänger, valstrâd, rör etc., är den normala korrigerande åtgärden mekanisk uträtning. Små detaljer måste sli- pas eller maskinbearbetas till den önskade färdiga storleken för kompensation av avkylningsdeformation. I samtliga fall är kostma- den för korrigering av avkylningsdeformation relativt hög.

Enligt tidigare teknik har, såsom nämnts, värmebehandlingspro- cesser genomförts med användning av stora ugnar. Just storleken av dessa ugnar i termer av golvutrymme och den erfordrade kapital- investeringen, representerar en betydelsefull nackdel för deras användning. Som bekant för fackmannen föreligger flera ytterliga- re nackdelar förbundna med användningen av konventionella värme- behandlingsugnar. I första hand är ugnsuppvärmningseffektiviteten generellt relativt låg med resultatet att ökande bränslekostnader gör det önskvärt att åstadkomma ett mera effektivt sätt för upp- värmning av stâl. Dessutom sker ugnsuppvärmning genom strålning, ledning och konvektion, vilket sålunda nödvändiggör långa arbets- cykler för att tillförsäkra att hela satsen av stål i ugnen har utsatts för homogen behandling under en given uppvärmningscykel.

Sådana långa tidscykler är i sig själva ofördelaktiga, då de för- höjda temperaturerna, som användes, erfordrar användning av en känd icke-oxiderande atmosfär (dvs en skyddande atmosfär eller vakuum), vilket erfordrar ytterligare energi för framställning.

Alternativet är att låta arbetsstyckena oxideras under behandlin- gen och därefter rengöra arbetsstyckena efter värmebehandlingen.

En ytterligare nackdel med ugnsuppvärmning är förbunden med tem- peraturkontrollen för satsen inuti ugnen. Direkt mätning av tem- peraturen för ugnssatsen är besvärlig, och vanligen användes ter- moelement för mätning av temperaturen för ugnen i stället för 455 507 .i temperaturen för själva satsen. Likaså är temperaturen på utsi- dan av ugnssatsen vanligen skild från temperaturen i kärnan av satsen. Följaktligen utnyttjas långa "utjämningstider" för att minska denna skillnad. Resultatet av bristen på kontroll över temperaturen för ugnssatsen under ugnsuppvärmningen är att sat- sen icke uppvärmes homogent vare sig under austenitiseringsste- get eller anlöpningssteget vid värmebehandlingen. Denna brist på kontroll bidrager till dålig produkthomogenitet.

Det har föreslagits, såsom beskrives i amerikanska patentskrif- terna 3.908.431, 4.040.872 och 4.088.511, att behandla stål med användning av olika termiska cykler genom användning av direkt elektrisk motståndsuppvärmning. Sådana metoder har fördelen att ge mycket snabb uppvärmning av stâlarbetsstycket med höga effek- tiviteter, inklusive homogen uppvärmning över hela tvärsnittet av arbetsstycket. En ytterligare fördel är att temperaturen för varje arbetsstycke lätt kan mätas så att en mycket homogen pro- dukt kan erhållas.

Direkt elektrisk motståndsuppvärmning har använts i en något lik- nande värmebehandlingsprocess, som beskrives i amerikanska patent- skriften 4.040.872. Vid denna process uppvärmes ett kolstål snabbt genom direkt elektrisk motståndsuppvärmning till en temperatur över A3-temperaturen och avkyles för bildning av en mikrostruktur med unika egenskaper. Denna mikrostruktur består av en blandning av nâlformig pro-eutektoid ferrit och ett finfördelat aggregat av ferrit och järnkarbid. Vid denna process undvikes avkylning av stålet för bildning av en fullständig martensitisk struktur.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är sålunda erhållande av ett förbättrat sätt för austenitisering, avkylning och anlöpning av stål.

Ett mera specifikt ändamål med uppfinningen är erhållande av ett förbättrat sätt för värmebehandling av stål, vilket väsentligen eliminerar problemet med härdsprickning, minskar problemet med avkylningsdeformation, förhindrar en signifikant grad av avkol- ning av stålet under värmebehandlingen och minskar mängden av oxidglödskal, som bildas på stâlytan, medan det dessutom möjlig- 455 507 gör âstadkommande av full härdningspotential för stålet.

Ytterligare ett annat ändamål med denna uppfinning är erhållan- de av ett sätt för framställning av;stål, som uppvisar en hög grad av homogenitet samt förbättrad formbarhet, seghet och ut- mattningshållfasthet.

Dessa ändamål uppfylles enligt uppfinningen genom ett sätt för värmebehandling av ett arbetsstycke av stål för att väsentligen eliminera härdsprickning och avkylningsdeformation, vilket känne- tecknas av att a) elektriska kontakter ansluts till motsatta ändar av arbets- stycket uppvisande bestämd längd och likformig tvärsektion och som är känslig för härdsprickning och avkylningsdeformation vid austenitisering i en konventionell ugn och häftig nedkylning, b) hela arbetsstycket snabbt upphettas elektriskt till en auste- nitiseringstemperatur över A3-temperaturen för stålet ifråga så att upphettningstiden mellan stålets A1~temperatur och austeniti- seringstemperatur är mindre än 100 sekunder, c) det austenitiserade'arbetsstycket omedelbart avkyles i ett fly- tande avkylningsmedium uppvisande en avkylningsfaktor, s.k. H-ko- efficient, som är lika stor som eller större än den hos stilla- stående vatten, under bildning av en övervägande martensitisk mik- rostruktur och d) det härdade arbetsstycket underkastas anlöpning genom att he- la arbetsstycket snabbt upphettas elektriskt till en temperatur under stålets A1-temperatur, medan arbetsstycket är utsatt för dragpákänning vid en nivå under stålets sträckgräns.

På bifogade ritning visar fig. 1 en schematisk illustration av utrustningen, som användes för värmebehandling av lângsträckta arbetsstycken i enlighet med föreliggande uppfinning, fig. 2 en schematisk illustration av utrustningen, som användes för behandling av små arbetsstycken, speciellt för jämförelse av värmebehandling i enlighet med denna uppfinning och på konven- tionellt sätt, 455 507 fig. 3A är ett fotografi, som visar ugnsbehandlade arbetsstycken av 4150 stål i avkylt tillstånd, fig. 3B är ett fotografi, som visar arbetsstycken av 4150 stål i avkylt tillstånd, vilket har behandlats i enlighet med uppfin- ningen, fig. 4A är ett fotografi av ytan av ett av arbetsstyckena, som visas på fig. 3A med en förstoring av 4x, fig. 4B är ett fotografi av ytan på ett av arbetsstyckena, som visas på fig. 3B, med en förstoring av 4x, fig. SA är ett fotografi, som visar ugnsbehandlade arbetsstycken av 6150 stål i avkylt tillstànd, fig. 5B är ett fotografi, som visar arbetsstycken av 6150 stål i avkylt tillstånd, vilka har behandlats i enlighet med denna uppfinning, fig. 6A är ett fotografi av ytan på ett av arbetsstyckena, som visas på fig. SA med en förstoring av 4x, fig. 6B är ett fotografi av ytan på ett av arbetsstyckena, som visas pâ fig. SB med en förstoring av 4x, fig. 7 är en kurva över brottgräns avsatt mot anlöpningstempera- tur för olika kolstål med medelhög kolhalt, vilka har behandlats i enlighet med föreliggande uppfinning, varvid användbarheten av uppfinningen demonstreras genom denna kurva, fig. 8 är en kurva över brottgräns avsatt mot anlöpningstempera- tur för ytterligare kolstål med medelhög kolhalt, vilka behand- lats i enlighet med uppfinningen, fig. 9A är ett fotografi över flera långa arbetsstycken i avkylt tillstånd, vilka visar kraftig avkylningsdeformation, fig. 9B är ett fotografi av samma långa arbetsstycken, som visas på fig. 9A, men nu har dessa arbetsstycken anlöpts i enlighet med uppfinningen, varvid elimineringen av avkylningsdeformation visas, fig. 10 är en kurva över töjning avsatt mot brottgräns, som illustrerar den överlägsna formbarheten för stål, som behandlats i enlighet med denna uppfinning, 455 507 fig. 11A är ett mikrofotografi, som visar ytavkolningen för ett ugnsbehandlat prov, fig. 11B är ett mikrofotografi, som visar bristen på avkolning hos ett prov som behandlats i enlighet med uppfinningen och fig. 12 är en kurva över Vickers hårdhet avsatt mot djupet under ytan för två värmebehandlade prover.

Det väsentliga i denna uppfinning är att många av de problem, som är förbundna med konventionell värmebehandling med austeni- tisering, avkylning och anlöpning, kan elimineras eller signifi- kant reduceras genom användning av snabbuppvärmning. Det har vi- sat sig att härdsprickning kan väsentligen elimineras om snabb austenitisering utnyttjas. Vidare har snabb austenitisering med användning av direkt elektrisk motståndsuppvärmning visat sig signifikant reducera avkylningsdeformation. Snabb austenitisering reducerar även mängden oxid, som bildas på ytan av stålet under värmebehandling, och minskar avkolningen av stålet. Slutligen har det visat sig att eventuell avkylningsdeformation, som ändå uppkommer, kan väsentligen elimineras genom anbringande av lämp- lig påkänning under anlöpningssteget vid värmebehandlingen.

I enlighet med tillämpningen av föreliggande uppfinning utsättes ett stålarbetsstycke med'i längdriktningen likformigt tvärsnitt för snabbuppvärmning till en temperatur över A3-temperaturen för stålet för omvandling av stålet till austenit. Därefter snabbav- kyles stålarbetsstycket i ett vätskeformigt kylmedium for omvand- ling av den sålunda bildade austeniten till en övervägande mar- tensitisk mikrostruktur. I detta tillstånd uppvisar arbetsstyc- ket kraftiga spänningar, i det sista steget anlöpes stålet genom att arbetsstycket utsättes för dragning under snabbuppvärmning till en temperatur under A1-temperaturen för stålet, varigenom stålet omvandlas till en anlöpt martensitisk mikrostruktur.

Utan att begränsa föreliggande uppfinning ur teoretisk synpunkt kan det antagas att den snabba austenitiseringscykeln, som ut- nyttjas i föreliggande uppfinning, väsentligen eliminerar prob- lemet med härdsprickning på grund av att det föreligger otillräck- lig tid under den korta austenitiseringscykeln för att förspröd- 455 507 ningselement skall kunna diffundera till austenitkorngränserna och åstadkomma korngränsförsprödning. Det är välkänt att härdsprick- ning är ett korngränsfenomen. Då konventionella ugnsaustenitse- ringsbehandlingar användes, exponeras ugnssatsen för temperatu- rer över A1-temperaturen under långa tidsperioder för att till- försäkra att hela ugnssatsen har uppnått den lämpliga temperatu- ren före avkylning. Följaktligen föreligger där tillräcklig tid för att olika element ska kunna diffundera till austenitkorn- gränserna och förblir utskilda där. Kända försprödningselement, som t.ex. svavel, fosfor, tenn och antimon, har visat sig ut- skiljas vid austenitkorngränser under konventionella ugnsauste- nitiseringsbehandlingar. Vidare utskiljes andra element, som t.ex. krom, nickel och mangan, likaså vid austenitikorngränserna, och dessa element kan också påverka härdsprickning.

Direkt elektrisk motståndsuppvärmning möjliggör en uppvärmning av stålet mycket snabbt, och tiden över A1-temperaturen är otill- räcklig för att medge att en signifikant mängd korngränsutskilj- ning skall kunna inträffa. Sålunda förblir korngränserna starka, och sprickning under avkylningen elimineras i huvudsak.

Det kan även antagas att direkt elektrisk motståndsuppvärmning gör det möjligt att reducera nivån av deformation i arbetsstyc- kena, som inträffar till'följd av konventionell värmebehandling.

Då stålet uppvärmes i en ugn, är uppvärmningen icke-homogen, ef- tersom värmet måste genomtränga ugnssatsen från ugnsomgivningen.

Till följd av denna icke-homogena uppvärmning utvecklas termiska spänningar i arbetsstyckena, vilka kan medföra deformation. Vi- dare kan ugnssatsen sätta sig under sin egen vikt, och därigenom deformera arbetsstyckena. Massan för ugnssatsen kan även förhind- ra att en del arbetsstycken expanderar fritt, då de uppvärmes, och detta kan medföra ytterligare deformation. Till följd av des- sa fenomen är arbetsstyckena i viss utsträckning deformerade då de uttages från ugnen, och under avkylningen ökas denna deforma- tion.

Då direkt elektrisk motståndsuppvärmning användes i stället för ugnsuppvärmning, kan deformationen av arbetsstycket minskas.

Under direkt elektrisk motstândsuppvärmning kan arbetsstycket 455 507 hållas under dragspänning för att medge fri expansion och väl uppbäras längs sin längd för att förhindra sättning. Eftersom endast ett arbetsstycke upphettas i taget, bidrager vikten av de andra arbetsstyckena icke till deformation. Vidare är direkt elektrisk motståndsuppvärmning homogen både över tvärsnittet och längs längden för arbetsstycket. Följaktligen är de termiska spänningarna små och deformation beroende på termisk spänning elimineras. Eftersom det austenitiserade arbetsstycket överföres till avkylningsmediet med minsta möjliga deformation, inträffar mindre deformation under avkylningen. Sålunda möjliggör direkt elektrisk motståndsuppvärmning en minskning av deformationen, som inträffar under austenitiseringen och avkylningen av stålar- betsstyckena.

Ytterligare en annan fördel med användning av direkt elektrisk motståndsuppvärmning är att eventuell deformation, som inträffar under austenitiserings- och avkylningsstegen vid processen, kan signifikant reduceras under anlöpningssteget. Det har visat sig att nivån av deformation i långsträckta arbetsstycken i själva ver- ket kan reduceras under anlöpning om arbetsstycket hàlles under dragspänning under hela uppvärmningsprocessen. Den dragspänning, som erfordras för att förorsaka uträtning, ligger långt under stålets sträckgräns. Denna process för uträtning under anlöpnin- gen benämnes "anlöpningsuträtning", och det kan antagas att den- na orsakas av en preferenti/ell omfördelning av restspänningar i stålet under de tidigare stadierna av anlöpning.

Förutom eliminering av många av de problem, som är förbundna med konventionell värmebehandling, erhålles genom föreliggande upp- finning även förbättrad kvalitet i det värmebehandlade stålet.

Tester har avslöjat att produkterna, som framställts i enlighet med denna uppfinning, har förbättrad homogenitet jämfört med pro- dukter, framställda genom konventionella metoder. Förbättringar i formbarhet, seghet och utmattningshållfasthet har likaså iakttagits.

Representativa stål, som kan användas i enlighet med föreliggan- de uppfinning, visas i följande tabell: 455 507 10 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 2 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 2 000.0|00 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0|00 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0. 000.0-00 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00p.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0-00 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0. 00.0 00.00 0000 0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 00.0-00 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 00000 0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0-00 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0|w0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 00.0| > 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000.0-w0 000.0 00.0 00.0 00.0 00.0 00.0 000.0 000.0 00.0 00.0 00.00 0000 0 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 0000 00000 00 vmfigm 00. :o o: .Ho 02 fim m. 00 :E o .HmuwE |m>x |0mEm 1000 0 000000 455 507 11 :N@.@ =o.o noao ~:.H wono NN.@ m~@_Q @HO.o ~:.o wm.Q Qo.>w oofimm w m~O.o ~Q.o Ho.O ~@.o nQ.Q ~fi.o wHo.o >oo.o N>.@ mw.o @@.@H mmofi x ~no.o|wm mnQ.o =@“o ßH.o Hoflfi =@.o n~.o :mo.Q ~fio.o :o.fl n=.o mnamw N=H: 3 NmQ.o ~o.o æH.@ H@.H ~o.o @N.o moo.Q NNo.o m~.o H=.o ßN.mN Nfiflz > æ~Q.o ~oÅo æH,o @w.o ~o.ø n~.o =Ho.o mHo.o ß=.@ mN.o @H.æm onfiq a m~oQ.o|m finQ~o :@.o Ho.o =~.O No.O .æ~.Q ßHo.o HHo.@ wm.O HN.o Nm.@~ Hwmofl B @mQ.Q Ho.o m~_o nH.@ Q~.o H~.o ~Ho.@ OHo.o >~.Q mm.@ H@.- mao: m ^“v Axv ARV ^Rv Awv ^&v ^wv ^Rv ^RV ñav ^Rv Assv Qwpflfl mg »wfi»>@ H< so oz »Q flz Mm m m :s O »wpwe -w>x |Hmem |mfl@ ^.w»»0@v H Hfiwnmæ 455 507 12 Enligt uppfinningen är stålet i form av ett arbetsstycke, som kan uppvärmas separat så att uppvärmningsprocessen kan exakt regleras. För detta ändamål föredrages ofta användning av ar- betsstycken i en form med ett i längdriktningen homogent tvär- snitt, som t.ex. stänger, valstrådar, rör och liknande.

I enlighet med den föredragna utföringsformen snabbuppvärmes de individuella arbetsstyckena genom direkt elektrisk motstånds- uppvärmning medan temperaturen för arbetsstycket mätes genom en lämplig mätanordning. Snabbheten för uppvärmningsprocessen med- för att austenitiseringsomvandlingen fortskrider mycket snabbt, medan den medger ekonomisk behandling av stora mängder arbets- stycken. Den mest föredragna metoden för snabbuppvärmning i en- lighet med föreliggande uppfinning beskrives detaljerat av Jones et al., i amerikanska patentskriften 3.908.431, som innefattar en procedur, varigenom en elektrisk ström bringas att passera genom stàlarbetsstycket, och det elektriska motståndet för arbets- stycket mot flödet av elektrisk ström medför en snabb uppvärmning av arbetsstycket homogent över hela dess tvärsnitt.

Det är kritiskt vid sättet enligt föreliggande uppfinning att upp- värmningen av arbetsstycket för omvandling av stålet till auste- nit utföres snabbt, dvs att den tid, som stålet hålles över A1- temperaturen, skall vara mindre än 100 s. Vid den föredragna till- lämpningen av uppfinningen utföres austenitiseringen av stålet ge- nom direkt elektrisk motstândsuppvärmning under en total uppvärm- ningstid i området 5 - 100 sekunder, varvid den tid, som stålet är över A1-temperaturen, vanligen är mindre än 40 sekunder. I enlighet med uppfinningen införes stålarbetsstycket först i elekt- riska kontakter och fastklämmes. Därefter kopplas den elektriska strömmen på och arbetsstycket snabbuppvärmes till austenitiserings- temperaturen. Temperaturen mätes med användning av en strålnings- pyrometer av standardtyp. Då lämplig austenitiseringstemperatur har uppnåtts, frånkopplas strömmen och arbetsstycket frigöres från klämmorna.

Då stålet snabbuppvärmes, såsom beskrivits ovan, är det nödvän- digt att uppvärma stålet till högre temperaturer än de, som er- fordras för ugnsbehandling. Exempelvis kan legeringen 4140 full- 455 507 13 ständigt austenitiseras i en ugn som hålles vid 843,3OC, men den tid, som erfordras för att tillförsäkra fullständig austeniti- sering skulle uppgå till flera timmar. Samma stål kan fullständigt austenitiseras på mindre än en minut med användning av direkt elektrisk motstândsuppvärmning, men stålet måste uppvärmas till 92e,7°c 1 stället för a43,3°c. Detta samband mellan tia och tem- peratur för austenitiseringen av stålet är ett direkt resultat av att diffusionen av kol är beroende av både tid och temperatur.

Detta är ett fenomen, som är välkänt för fackmannen.

Efter att arbetsstycket har fullständigt austenitiserats vid en lämplig austenitiseringstemperatur, avlägsnas det från uppvärm- ningsstationen och införes omedelbart i en avkylningsstation.

Däri snabbkyles det till en temperatur nära temperaturen för av- kylningsbadet, och en övervägande martensitisk struktur bildas i stålet. Det härdade arbetsstycket överföres därefter till ett håll- bord.

I enlighet med uppfinningen utnyttjas ett kraftigt avkylningsme- dium. Avkylningsmedier är konventionellt graderade genom en fak- tor, som benämnes kraftigheten hos avkylningen eller "H-koeffici- enten“. Kraftigheten hos avkylningen är en funktion av både kom- positionen för avkylningsmediet och graden av omröring. Exempel- vis är H-koefficienten för stillastående olja ca 0,25, medan kraf- tigt omrörd olja uppvisar en H-koefficient nära 1,0. Stillastående vatten har en H-koefficient nära 1,0, och omrört vatten kan ha H-koefficienter större än 1,0 beroende på graden av omröring.

Den föredragna tillämpningen av denna uppfinning innefattar an- vändning av en avkylningsprocess, som uppvisar H-koefficienter större än 1,2, medan homogen kylning av arbetsstycket tillförsäk- ras. Ett vattenhaltigt avkylningsmedium användes, vilket kan be- stå av vatten eller vattenhaltiga olika konventionella avkylnings- tillsatser. En viss grad av omröring är önskvärt för att tillför- säkra att detaljen avkyles homogent.

Då hela satsen av arbetsstycken har austenitiserats och avkylts, överföres arbetsstyckena på inmatningsbordet för anlöpning. Un- der anlöpningen införes arbetsstyckena individuellt i uppvärmnings- stationen, hålles under dragspänning (vid en spänningsnivå under 455 507 14 sträckgränsen för stålet), och uppvärmes till en lämplig anlöp- ningstemperatur. Kanbinationen av uppvärmning och dragspänning medför att arbetsstycket rätas ut. En schematisk illustration av utrustningen, som användes för behandling i enlighet med upp- finningen, visas i fig. 1.

Den på fig. 1 visade illustrationen visar utformningen av den laboratorieutrustning, som använts för behandling av de flesta av de i tabell 1 visade stâlen och som lämpar sig för behandling av stora arbetsstycken. Andra utformningar av utrustning_ kan an- vändas för behandling av stål enligt uppfinningen, och denna spe- ciella utformning visas endast som ett exempel. Denna utrustning var utformad för stänger, valstrâd eller rör, som varierar i längd från 2,43 meter till 4,27 meter och varierar i diameter från 12,7 mm till 88,9 mm.

Fig. 2 är en schematisk illustration, som visar en utföringsform av utrustningen, vilken användes speciellt för behandling av mind- re stâlarbetsstycken i enlighet med uppfinningen och på ett kon- ventionellt sätt för jämförelseändamâl.

Pâ fig. 1 och 2 avser hänvisningsbeteckning 1 ett inmatningsbord, 2 en elektrisk uppvärmningsstation, 3 en avkylningsstation, 4 ett utmatningsbord och 8 en ugnsuppvärmningsstation. Ett arbetsstycke 5 spännes fast mellan elektriska kontakter 6 för elektrisk upp- hettningtill austenitiseringstemperaturen, som kontrolleras med en temperaturmätare 7. Efter den snabba elektriska upphettningen avkyles arbetstycket 5 snabbt i avkylningsstationen 3, innan det underkastas anlöpning i den elektriska uppvärmningsstationen 2 under dragpâkänning. Vid jämförelseprovningar utnyttjades ugns- uppvärmningsstationen 8 på fig. 2 i stället för den elektriska uppvärmningsstationen 2.

Då snabbuppvärmning användes för austenitisering av stål före- ligger, såsom förklarats ovan, mycket liten tid för att olika element skall kunna diffundera till austenitkorngränserna. Följ- aktligen förblir hållfastheten för austenitkorngränserna hög, och stålet motstår sprickning under avkylningsprocessen. Detta fenomen är en av de huvudsakliga fördelarna med föreliggande sätt. 455 507 15 En annan fördel med behandling av stål i enlighet med denna upp- finning är att det föreligger en lägre grad av deformation under avkylning, då det nya sättet utnyttjas, jämfört med graden av deformation, som iakttages under konventionell behandling.

En ytterligare fördel med den snabba austenitiseringscykeln är att mycket liten mängd oxid bildas på ytan av arbetsstycket, ef- tersom stålet uppvisar de höga temperaturerna under en så kort tidsperiod. Oxidbildning kan undvikas vid ugnsbehandlingar genom användning av en skyddande atmosfär, men det är dyrbart att ska- pa en sådan skyddande atmosfär. Vid föreliggande sätt undvikes bildningen av en signifikant mängd oxid på stâlarbetsstyckena och därigenom uppkommer en inbesparing i stâlviktförlust, stålrengö- ringskostnader eller kostnader för skyddande atmosfär.

En annan fördel med behandling i enlighet med denna uppfinning är reduktionen i mängden av avkolning, som inträffar under värmebe- handling. Då stålet behandlas i enlighet med denna uppfinning, är austenitiseringscykeln mycket kort, och det föreligger mycket li- ten tid för kol att reagera med luft och lämna stàlet. Följaktli- gen bildas icke nâgot avkolningsskikt på stålet. På detta sätt möjliggöres genom föreliggande uppfinning en behandling av arbets- stycken, som har svarvats eller slipats för avlägsnande av avkol- ning utan risk för avkolning av ytan på arbetsstycket. Följakt- ligen kan ytan på stâlarbetsstycket slipas eller svarvas i varm- valsat eller glödgat tillstånd före värmebehandlingen. Vid kon- ventionell behandling måste stålet svarvas eller slipas efter vär- mebehandling, då stålet är i ett härdat tillstånd.

Ytterligare en annan fördel med behandlingen enligt denna upp- finning gäller de legeringar, som användes för erhållande av en given värmebehandlad produkt. Såsom förklarats tidigare är härd- sprickning och avkylningsdeformation, som inträffar under konven- tionell behandling av stål, väsentliga problem. För att minska dessa problem utnyttjas vanligen ett mildare avkylningsmedium.

Nackdelen med användning av ett mildare avkylningsmedium är att den fullständiga härdningspotentialen för stålet icke kan uppnås.

Vid behandlingen enligt föreliggande uppfinning användes ett kraf- tigt avkylningsmedium och den fullständiga härdningspotentialen 455 507 16 för en given legering kan följaktligen uppnås.

Andra gynnsamma egenskaper hos föreliggande uppfinning är förbund- na med minskning av avkylningsdeformation under anlöpningssteget vid behandlingen. Detta har tidigare nämnts, och det kan antagas att detta fenomen med anlöpningsuträtning förorsakas genom pre- ferentiell omfördelning av restspänningar i arbetsstycket. Tester har visat att den spänning, som erfordras för att åstadkomma an- -löpningsuträtning, ligger långt under sträckgränsen för stålet.

Följaktligen är fenomenet skilt från sträckningsuträtning och andra mekaniska uträtningsprocesser, som erfordrar alstrande av spänningar, som är högre än sträckgränsen för stålet.

En viktig fördel med föreliggande uppfinning är att den är höggra- digt energieffektiv. I olikhet med konventionella ugnsbehandlings- metoder, där stora ugnar måste uppvärmas till förhöjda temperatu- rer, sà uppvärmes väsentligen endast arbetsstycket, som behandlas, vid föreliggande uppfinning. I själva verket har undersökningar visat att föreliggande uppfinning har en effektivitet av 70-90%, jämfört med en maximal effektivitet av endast 35% för en konven- tionell ugn med återvinningsanordningar.

Det är uppenbart att föreliggande uppfinning erbjuder flera vik- tiga fördelar för tillverkaren av värmebehandlade stâlarbetsstyc- ken. Problemet med härdsprickning elimineras väsentligen genom föreliggande sätt. Avkylningsdeformationen minskar och bildningen av oxid under behandlingen minskar. Den fullständiga härdnings- potentialen för stålet kan uppnås genom utnyttjande av föreliggan- de sätt, eftersom en kraftig avkylning utnyttjas. Vidare kan even- tuell deformation, som inträffar i stålet under austenitisering och avkylning, signifikant minskas under anlöpningssteget. Det visade sig även att stålet, som framställts i enlighet med denna uppfinning, uppvisar överlägsen homogenitet jämfört med stål be- handlade genom konventionella tekniker. Förbättringar i formbar- het, seghet och utmattningshållfasthet har även kunnat iakttagas.

Efter ovanstående beskrivning av principerna för föreliggande upp- finning hänvisas nedan till följande exempel, vilka endast avses illustrera uppfinningen och icke på något sätt begränsa denna. 455 507 17 Exempel 1 Detta exempel består av en omfattande jämförelse mellan konven- tionell ugnsbehandling och värmebehandling i enlighet med denna uppfinning. För att visa att denna uppfinning väsentligen eli- minerar härdsprickning utsättes i detta exempel stänger för austenitisering, följt av avkylning, utan någon anlöpning, efter- som den sistnämnda uppvisar väsentligen ingen effekt på härd- sprickning.

Den kemiska analysen för smältan av stål, som användes för detta jämförelseprov, visas i tabell 1 - smälta A. 4150 stål, som inne- håller 0,51% kol, användes för denna jämförelse, eftersom stål med kolnivåer över 0,40% kol uppvisar benägenhet till härdsprick- ning. Denna smälta innehåller även Te, vilken är en tillsats, som förbättrar bearbetbarheten. Generellt ökar sådana tillsatser, som förbättrar bearbetbarheten, såsom Te, Se och S och Pb, möj- ligheten till härdsprickning. Dessa tillsatser bildar inneslutnin- gar i stålet och inneslutningarna fungerar som begynnelsepunkter för härdsprickorna. Den på fig. 2 illustrerade anordningen utnytt- jades för detta jämförelsetest.

Prover för detta jämförelsetest framställdes av varmvalsade stän- ger av 4150 stål, vilka hade mekaniskt rengjorts för avlägsnande av oxiden, som bildats på stålet under varmvalsning. Tio varmval- sade stänger utvaldes slumpmässigt, och två korta prover skars ut från vardera av dessa stänger. Varje prov var 53,3 cm långt och 26,06 mm i diameter. De tjugo proverna uppdelades i två grupper om vardera tio stycken. En grupp var avsedd för ugnsbehandling och den andra var avsedd för behandling i enlighet med denna upp- finning.

De för ugnsbehandling avsedda proverna uppvärmdes i laboratorie- ugnen till en temperatur av 843,3OC. I detta fall erfordrades en fyra timmars ugnsbehandling för att tillförsäkra att hela ugns- satsen uppnått austenitiseringstemperaturen_ Därefter avkyldes varje prov individuellt i stillastående vatten. Inga tillsatser användes i avkylningsbadet, och hadtemperaturen hölls vid 26,7°C.

Därefter behandlades den andra gruppen av prover med användning 455 507 18 av direkt elektrisk motståndsuppvärmning. Varje prov uppvärmdes till 926,7°C och avkyldes i samma avkylningsbehållare, som an- vänts för de ugnsbehandlade proverna. Det erfordrades endast 16 sekunder för uppvärmning av varje prov till den önskade auste- nitiseringstemperaturen. Det torde noteras att den för den elekt- riska behandlingen använda austenitiseringstemperaturen var 65,6°C högre än den för ugnsbehandling utnyttjade austenitiseringstem- peraturen. En högre austenitiseringstemperatur var nödvändig för den elektriska behandlingen för att tillförsäkra att stålet hade blivit fullständigt austenitiserat under denna korta uppvärmnings- cykel. Generellt har högre austenitiseringstempetaturer en benä- genhet att befrämja härdsprickning och användningen av en högre austenitiseringstemperatur i detta jämförelsetest utgjorde egent- ligen en faktor, som var av fördel för ugnsbehandlingen.

Efter att avkylning av båda grupperna av prover hade fullföljts, inspekterades varje prov med avseende på härdsprickor och mättes för bestämning av rakheten. Härdsprickor identifierades lätt pà de ugnsbehandlade proverna, och visuell inspektion avslöjade icke nâgra härdsprickor i de elektriskt behandlade proverna. För att säkert kontrollera att det icke förelåg några härdsprickor i de elektriskt behandlade proverna, undersöktes dessa prover mera nog- grant med användning av färgämnesinträngningsmetoder. Återigen kunde icke nâgra härdsprickor hittas.

Varje prov mättes även för bestämning av rakheten. Detta genom- fördes genom att provet placerades på en plan yta, varpå provet trycktes mot en rak stâlstång, som likaså placerats på den plana ytan, och därefter mättes den största separationen mellan den ra- ka stången och provet. Detta mått (i cm) dividerades med längden av provet (i meter) för erhållande av en kvantitativ indikation på graden av deformation i varje prov. De två grupperna av pro- ver fotograferades ocksâ, och fig. 3A (ugnsbehandlat stål) och 3B (elektriskt behandlat stål) visar att de elektriskt behandlade stängerna var mycket rakare än de ugnsbehandlade stängerna. Tabell 2 visar data tillhörande dessa två grupper av värmebehandlade stänger. 455 507 19 Tabell 2 Jämförelsetest för 4150 grad av härd- Erov nr deformation sgrickor (cm/m) ggpsbehandlat F-1 1,591 0 F-2 0,949 1 F-5 0,383 0 F-U l,U2ü 0 F-5 1,ü2U 1 F-6 1,191 1 F-7 0,891 O F-8 1,591 1 F-9 1,857 1 F-10 1,07U 0 Medeldeformation 1,2Ul 50 % härgsprucket grad av härd- Qrov nr deformation sgrickor (cm/m) elektriskt behandlat E-1 0,333 O E-2 0,525 0 E-5 0,383 0 E-4 0,325 0 E-5 0,117 0 E-6 0,316 0 E-7 0,299 0 E-8 0,258 0 E-9 0,516 O E-10 0,3Ul 0 Meaemeformation 0,325 o z härdspricknins 455 507 ._ 20 Av de i tabell 2 visade data och fotografierna på fig. 3A och 3B framgår att stålet, som austenitiserats i enlighet med den- na uppfinning, uppvisade mindre avkylningsdeformation än stå- let, som behandlades i ugnen- I själva verket var deformationen i de ugnsbehandlade proverna över tre gånger större än för de elektriskt behandlade stängerna.Man skulle kunna antaga, att den lägre deformationen i de elektriskt behandlade proverna be- rodde på någon skillnad i hàrdheten i avkylt tillstånd, som upp- nåtts i dessa prover. Detta var emellertid icke fallet. Tabell 3 visar en sammanfattning av hârdhetsdata, upptagna på tvärsnittet av provstycken utskurna från dessa tvâ grupper av prover i av- kylt tillstånd. Dessa data visar tydligt att samma hårdhetsnivâ uppnåtts i de två grupperna av prover. De visade små skillnaderna ligger inom noggrannheten för Rc-hårdhetstestet.

Tabell 3 Hårdhetsjämförelse för 4150 stål Ugnsbe- Elektriskt handlat behandlat Medelhârdhet i centrum 62,2 Rc 62,1 Rc Medelhârdhet i radiens mittpunkt 60,8 Rc 61,3 Rc Medelhärdhet på ytan 60,7 Rc 61,4 Rc Medelhårdhet totalt ' 61,2 Rc 61,6 Rc (30 test) Det mest väsentliga i de data, som presenteras i tabell 2, är härdsprickningsresultaten, 50% av de ugnsbehandlade proverna sprack under vattenavkylningen. Denna frekvens av härdsprickning är mer eller mindre normal. Vanligen avkyles 4150 stål i olja för undvikande av härdsprickningen. Följaktligen kunde man förvänta härdsprickning om vatten användes i stället för olja för denna kvalitet. Emellertid sprack icke något av de elektriskt behandlade proverna, trots att de avkyldes i exakt samma avkylningsmedium och samma hårdhet i avkylt tillstånd uppnâddes i stålet. Det kan antagas att skälet till denna skillnad i förekomst av härdsprick~ ning kan tillskrivas den snabba austenitiseringscykeln. Det fö- relåg helt enkelt icke tillräcklig tid för att skadliga element skulle kunna utskiljas vid austenitikorngränserna under den an- 455 507 21 vända korta austenitiseringscykeln. Följaktligen förblev korn- gränserna starka och motstod härdsprickning. A andra sidan före- låg gott om tid för utskiljning vid austenitkorngränserna i de ugnsbehandlade proverna och 50% av dessa prover sprack.

Fig. 4A och 4B visar en jämförelse av ytan på ett av de ugnsbe- 'handlade proverna (4A) och ett av de elektriskt behandlade prover- na (4B). En härdspricka kan iakttagas i det ugnsbehandlade pro- vet. I allmänhet sträckte sig härdsprickorna längs hela längden på proverna och de följde en oregelbunden väg från ände till ände.

Ett snitt skuret genom ett av proverna visade att härdsprickan sträckte sig från ytan till ungefär centrum av tvärsnittet. Under- sökning av brottet visade att den verkligen förekom vid korngrän- serna. Eftersom icke några härdsprickor återfanns i de elektriskt behandlade proverna, kunde några sådana ej heller fotograferas eller undersökas metallografiskt.

Fotografierna på fig. 4A och 4B illustrerar en annan väsentlig egenskap vid behandling av stål med snabbaustenitiseringsbehand- ling. Fig. 4A visar att ytan på det ugnsbehandlade stålet uppvisar ett tjockt skikt av oxid. Å andra sidan uppvisar provet, som austenitiserats elektriskt, endast ett tunt skikt av glödskal.

Mätningar av tjockleken av oxiden på de ugnsbehandlade stängerna visade att detta skikt varierade 1 tjocklek 1 området o,o3s-o,oe9 mm. Ett försök gjordes att mäta tjockleken för oxidskiktet på de elektriskt behandlade proverna, men skiktet var så tunt att mät- ningar icke kunde genomföras. Allt som kunde sägas om de elekt- riskt behandlade proverna var att oxidskiktet var mindre än 0,0025 mm i tjocklek. Denna brist på oxidskikt på stålet, som behandlats i enlighet med denna uppfinning, är en annan fördel med detta sätt.

Exempel 2 I detta exempel upprepades testerna och undersökningarna, som genomfördes i exempel 1, men annan kvalitet av stål användes.

Tio varmvalsade stänger av 6150 stål från smälta B valdes slump- mässigt. Dessa tio stänger rengjordes mekaniskt och därefter skars tjugo prover ut från dessa. Dessa prover uppvisade en längd av 53,3 cm och en diameter av 27,08 mm. Den kemiska analysen för 455 507 ..- 22 smälta B anges i tabell 1, och 6150 stål valdes för denna serie av tester, eftersom man kunde antaga att denna kvalitet skulle uppvisa benägenhet till härdsprickning vid vattenavkylning. Den på fig. 2 beskrivna anordningen användes för värmebehandling av dessa tjugo prover.

Tio av proverna ugnsbehandlades med användning av en austenitise- ringstemperatur av 843,3°C och en upphettningstid av fyra timmar.

Efter austenitisering avkyldes proverna individuellt i stillastå- ende vatten, inspehterades med avseende på härdsprickor och mät- tes med avseende på rakhet.

Därefter austenitiserades de tio återstående proverna i enlighet med denna uppfinning. Den valda austenitiseringstemperaturen var 926,7QC och tiden, som erfordrades för uppvärmning av varje prov, var 18 sekunder. Proverna avkyldes individuellt i samma bad, som användes för ugnsproverna. De i exempel 1 beskrivna procedurerna användes återigen för analys av dessa prover, och resultaten av dessa tester anges i tabell 4. Fotografier av proverna i avkylt tillstånd visas på fig. SA - ugnsbehandlat prov - och 53 - elekt- riskt behandlat prov. 455 507 23 Tabell H Jämförelsetest för 6150 prov grad av härd- identifikation deformation sgrickor (cm/m) ugnsbehandlat: F-1 l,lUl 0 F-2 0,766 1 F-3 1,591 l F-U 1,599 1 F-5 1,2TU 2 F-6 0,9h9 0 F-7 1,166 l F-8 0,716 1 F-9 0 1 F-10 0,383 1 medeldeformation 0,958 80 1 sprickning elektriskt behandlat E-l O,lU2 0 E-2 o,1u2 o E-3 O O E-M 0,117 o E-5 0,299 0 E-6 0,183 0 E-7 0,025 0 E-8 0,158 O E-9 0,258 O E-10 0,117 0 medeldeformation 0,150 O 1 sprickning De i tabell 4 angivna data och fotografierna på fig. 5A och SB illustrerar att snabb austenitisering har benägenhet att sänka nivån av avkylningsdeformation. I detta fall var graden av de- formation för de ugnsbehandlade proverna 6 gånger större än den för de elektriskt behandlade proverna. 455 507 24 Hårdhetsprover genomfördes på tvärsnittet av prover, utskurna från prover representerande både ugns- och elektriskt behandla- de stål, och resultaten av dessa hårdhetstester visas i tabell 5. Data i tabell 5 visar att de två grupperna av prover avkyldes till väsentligen samma hàrdhetsnivå. Följaktligen kan skillnader- na, som iakttagits i graden av avkylningsdeformation, och skill- naderna i förekomsten av härdsprickning, icke tillskrivas skill- naden i graden martensitisk omvandling.

Tabell 5 Hàrdhetsjämförelse för 6150 stål Ugnsbe- Elektriskt handlat behandlat Medelhârdhet i centrum 61,1 Rc 61,5 Rc Medelhårdhet i radiens mittpunkt 60,8 Rc 61,1 Rc Meaelnårdnet på ytan 61,0 Rc 61,5 Rc Medelhårdhet totalt 60,9 Rc 61,5 Rc (30 test) Det mest väsentliga av de i tabell 4 angivna data avser härdsprick- ningsjämförelsen. 80% av de ugnsbehandlade proverna hade spruc- kit, medan inget av de elektriskt behandlade proverna sprack. Des- sa data visar tydligt att snabb austenitisering undviker proble- met med härdsprickning. I Fig. 6A och 6B visar ytan på ett av de ugnsbehandlade proverna (fig. 6A) och ytan på ett av de elektriskt behandlade proverna (fig. 6B). En härdspricka synes tydligt på det ugnsbehandlade pro- vet. Dessa fotografier visar även det tjocka skiktet av oxid på det ugnsbehandlade provet och det relativt tunna skiktet av oxid på det elektriskt behandlade provet. Oxidskiktstjockleken på des- sa prover antogs vara ungefär densamma som den på de motsvarande proverna i exempel 1.

Resultaten av denna serie av tester bekräftar de i exempel 1 gjor- da observationerna. Snabb austenitisering i enlighet med denna uppfinning förhindrar härdsprickning, minskar avkylningsdeforma- tion och minskar bildningen av oxid på stålet. Jämförelsetester 455 507 25 av denna typ har även utförts på en del av de andra kvaliteter- na i tabell 1, som uppvisar kolhalter större än 0,40%. I samt- liga fall erhölls liknande resultat, och det nya sättet förhind- rade att härdsprickning inträffade.

Exempel 3 Detta exempel hänför sig till ett brett omrâde av legeringskompo- sitioner och visar mångsidigheten hos sättet enligt uppfinningen, liksom även bristen på härdsprickning i olika legeringar.

Den på fig. 1 beskrivna anordningen användes för behandling av stål för detta exempel. Samtliga behandlade stänger uppvisade en minimilängd av 2,4 m. Stängerna infördes i uppvärmningsstationen, upphettades till austenitiseringstemperatur och avkyldes därefter.

Efter avkylning avlägsnades stängerna mekaniskt från avkylnings- behållaren och överfördes till det utgående hållbordet. Då en hel grupp av stål austenitiserats och avkylts, återfördes stängerna till inmatningsbordet och uppvärmdes därefter individuellt till olika anlöpningstemperaturer.

Austenitiseringstemperaturerna varierade i omrâdet 871,1 - 926,7°C och anlöpningstemperaturerna varierade i området 482,2 - 704,4°C.

I tabell 1 anges diametrarna och de kemiska sammansättningarna för de i detta exempel testade stâlen, och följande smältor testades: A, B, M, N, o, P, Q, R, s; och T.

Flera stänger från vardera av dessa smältor upphettades i enlighet med denna uppfinning och data för de mekaniska egenskaperna för varje stång framtogs. Fig. 7 och 8 visar brottgränsdata avsatta mot anlöpningstemperaturerna för dessa tio smältor av stål. samt- liga stål uppförde sig på ett förutsägbart sätt, som överensstäm- mer med deras legeringshalt. Beskaffenheten av kurvan för 6150 stålet är något annorlunda än för de andra kvaliteterna, eftersom detta stål innehåller vanadin, och vanadinåldring inträffar i det- ta stålvid anlöpningstemperaturer nära 648,9oC. Detta fenomen är vanligt i vanadinhaltiga stål, och det är icke någon unik egen- skap för denna uppfinning. 455 507 26 Efter att varje stång från dessa tio smältor värmebehandlats, in- spekterades dessa med avseende på härdsprickor, varvid icke någ- ra sådana kunde iakttagas. Det torde emellertid noteras, att stål med kolhalter under 0,40% kol icke kunde förväntas spricka under en vattenavkylning. I detta exempel fanns det tre legeringar, som tillhörde denna kategori. De övriga sju smältorna, som testades, skulle ha benägenhet att härdspricka, då vattenavkylning användes, och 1144 stålet skulle uppvisa en kraftig benägenhet till härd- sprickning beroende på den höga svavelhalten i detta stål.

Under loppet av behandlingen av dessa olika kvaliteter av stål gjordes ett försök att bestämma den idealiska austenitiseringstem- peraturen för en given legering. Uppenbarligen måste högre tempe- raturer användas då snabb austenitisering utnyttjades som kompen- sation för den korta cykeln. Experimentella resultat visade att austenitiseringstemperaturen bör vara ca 93,3oC över Aš-temperatu- ren för ett givet stål. Det torde noteras att denna temperatur är avsevärt högre än de rekommenderade temperaturerna för ugnsvärme- behandling.

Detta exempel visar att det nya sättet kan tillämpas på ett brett omrâde av stållegeringar utan svårighet. Detta exempel visar även att sättet enligt föreliggande uppfinning eliminerar härdsprick- ningsproblem för ett brett område av stålkvaliteter, och visar sä- lunda mångsidigheten hos sättet enligt föreliggande uppfinning.

Exempel 4 Detta exempel visar att sättet enligt föreliggande uppfinning kan användas för stålarbetsstycken, vilka är i form av rör.

Den på fig. 1 beskrivna anordningen användes för behandling av tre rör, framställda från en kommersiell smälta av 4130 stål. Den kemiska analysen för denna smälta (smälta U) visas i tabell 1.

De för detta test använda rören uppvisade en diameter av 38,1 mm med en väggtjocklek av 9,52 mm. Dessa rör behandlades genom värme- behandlingselementen pä samma sätt som om de utgjort stänger, och inga svårigheter uppstod. Varje rör austenitiserades vid 926,7°C och anlöptes vid temperaturer i omrâdet 398,9 - 565,6OC. Efter värmebehandling testades rören för bestämning av deras mekaniska 455 507 27 egenskaper. Tabell 7 visar resultaten av dessa tester.

Tabell 7 Mekaniska egenskaper för värmebehandlade rör _ Brott- Sträck- Töj- Kontrak- Behandling gräns gräns ning tion (MPa) (MPa) (%) (%) Alla rör var austeni- tiserade vid 92s,7°c Aniöpning vid 39s,9°c 139a,3 12s9,3 12,5 59,1 Aniöpning vid 4sz,2°c 1273,5 1zo1,s 13,0 62,4 Anlöpning vid 565,6°c 1o98,3 1oo3,9 16,0 67,3 Varje rör inspekterades med avseende på härdsprickor och testades med avseende på homogenitet. Några härdsprickor kunde icke iakt- tagas, och homogeniteten hos stålet från ytan till det inre och längs dess längd var utmärkt.

Detta exempel visar att denna uppfinning kan tillämpas på rör utan några svårigheter. Några modifikationer av utrustningen var icke nödvändigt och en homogen rörprodukt med hög hållfasthet erhölls genom denna värmebehandling.

Exempel 5 Detta exempel visar fenomenet med anlöpningsuträtning, som nämnts tidigare. Anlöpningsuträtning kan användas för att minska nivån av avkylningsdeformation, som inträffar då långa arbetsstycken värmebehandlas.

Stänger från två smältor, J och K, av 4142 stål behandlades i en- lighet med denna uppfinning. Den kemiska analysen och diametern för dessa stänger anges i tabell 1 och den på fig. 1 visade ut- rustningen användes för behandling av dessa två stålsmältor.

I detta test mättes rakheten för varje stång efter avkylning och återigen efter anlöpning. Under anlöpning anbringades en dragkraft av 181,6 kp på stålarbetsstycket genom de elektriska kontakterna.

Denna nivå av dragspänning enbart var icke tillräckligt för att 455 507 ..- 28 âstadkomma plastisk deformation av dessa stänger med stor diame- ter. Emellertid kunde man under anlöpning iakttaga att dessa stän- ger rätades ut i en avsevärd utsträckning. Fig. 9A visar ett fo- tografi av stänger frân smälta J i det avkylda tillståndet. Det torde noteras att den femte stången i denna grupp kraftigt defor- merades under avkylningen på grund av att en del av omröringssys- temet i avkylningsanordningen icke fungerade. Fig. 9B visar samma stänger efter anlöpning under dragspänning. Den avsevärda förbätt- ringen i rakheten hos stängerna efter anlöpning torde noteras.

Tabell 8 visar de uppmätta värdena på rakhet efter avkylning och efter anlöpning för dessa stänger. Även anlöpningstemperaturerna anges.

Tabell 8 Deformation av stänger från smälta J (Stånglängd 3760 mm) deformation efter deformation efter anlöpníngs- avkylníng anlöpning temperatur (cm/m) (cm/m) (OC) 0,2956 o,0HH1 H82,2 0,14%? 0,08% 537,8 0,14222 Q,08714 593,3 o,1682 o,ola141 648,9 2,l5l9 0,705? 701134 o,08l41 0,01H&1 6148,9 0,210? o,ol4u1 6l18,9 o,o8l11 o,olau1 6148,9 genomsnitt 0,U8lz7 0,571: Detta experiment upprepades för stänger med större diameter från smälta K. Tabell 9 visar resultaten för rakhetsmätningar tagna under behandlingen av denna smälta. 10 15 455 507 29 Tabell 9 Deformatíon av stänger från smälta K deformation efter deformation efter anlöpningS_ anlöpning fiemperatur (cm/m) (cm/m) (°C) 0.2532 O,2532 482 2 0,7595 0,210? 537,8 l'6881 °,2532 593,3 1»6881 0,29s6 sus,9 1fl8571 0,2956 7o4,u genomsnitt l,2U92 0,2615 De i tabellerna 8 och 9 illustrerade data visar fenomenet med anlöpningsuträtning. I båda fallen förelåg en avsevärd grad av minskning av deformationen av stängerna beroende på kombinationen av en liten dragspänning och snabb uppvärmning. Dragspänningen, som anbringades på dessa stänger var så liten att detta uträtnings- fenomen icke kan förklaras med sträckning av stålet. I stället beror denna minskning av graden av deformation på den preferen- tiella omfördelningen av restspänning i stången. Det torde icke vara möjligt att uppnå denna uträtningseffekt i en ugnsanlöpnings- behandling, eftersom ugnssatsens massa skulle vara benägen att fixera formen för arbetsstyckena och förhindra att de rätas ut.

Exempel 6 Detta exempel beskriver resultaten av ettomfattande jämförelse- test mellan konventionell värmebehandling och värmebehandling i enlighet med denna uppfinning. Den kemiska analysen för stålet, som använts för detta jämförelsetest (smälta G), anges i tabell 1. Det fastställdes att denna speciella smälta av 4140 stål icke uppvisade härdsprickor vid ugnsaustenitisering och vattenavkyl- ning. Sålunda var det möjligt att genomföra ett jämförelsetest i detta speciella fall. Den på fig. 2 beskrivna utrustningen an- 455 507 30 vändes för framställning av prover för denna serie av tester.

Ugnsbehandlade prover austenitiserades vid 843,3OC under 1 tim~ me, avkyldes i stillastående vatten och anlöptes därefter under 1 timme vid temperaturer i området 482,2 - 593,3°C. Ugnssatserna hölls små för att tillförsäkra ordentliga austenitiserings- och anlöpningsbehandlingar. En lika stor mängd stål behandlades där- efter i enlighet med föreliggande uppfinning med användning av elektrisk motståndsuppvärmning. En austenitiseringstemperatur av 926,7°C användes för samtliga elektriskt uppvärmda prover och an- löpningstemperaturerna varierade i området 537,8 - 704,4°C. Auste- nitiseringstiderna för varje prov var 42 sekunder och alla anlöp- ningstider var under 30 sekunder. Denna behandling gav prover, som varierade i brottgräns i området 1034,2 - 1447,9 MPa, och till- räckligt många prover behandlades vid olika nivåer för genomföran- de av jämförelser mellan hårdhet, hâllfasthet, formbarhet, utmatt- ningshållfasthet och Charpy-slagseghet.

Resultaten för dragtestning visade att stål, som behandlats i en- lighet med uppfinningen, uppvisade förbättrad formbarhet jämfört med konventionellt behandlade stål. Fig. 10 visar en kurva där brottgräns avsatts mot töjning för prover behandlade genom de två teknikerna. Kurvan visar att det föreligger en förbättring i form- barhet, förbunden med sättet enligt uppfinningen. Skillnaderna är små i storlek, men tendensen framgår tydligt. Denna förbättring i formbarhet kan tillskrivas den förfinade mikrostrukturen, som er- hålles till följd av den snabba austenitiseringsbehandlingen.

Därefter behandlades tvâ relativt stora volymer av stålstänger till samma hållfasthetsnivå med användning av två förfaranden för ut- 1 mattningstestning. Jämna rotations-böjnings-utmattningsprover framställdes från dessa stänger och testades för bestämning av utmattningsgränsen för stålet. Flera drag- och hårdhetsprover skars även ut från dessa stänger. Tabell 10 visar resultaten för testning av detta stål. Förbättringen i utmattningsgräns och ut- mattningsförhâllande visas tydligt genom de i denna tabell angivn- na data. 455 507 31 Tabell 10 Mekaniska egenskaper för utmattningsprov - smälta G Ugnsbe- Elektriskt Mekaniska egenskaper handlat behandlat Brottgräns (MPa) 1159,7 1159,0 Sträckgräns (MPa) 1078,3 1070,8 Töjning (%) 15,8 16,5 Kontraktion (%) 53,5 57,1 Kärnhårdhet (Rc) 36,4 36,8 Utmattningsgräns (MPa) 612,3 630,9 Utmattningsförhållande 0,528 0,544 Utmattningsförhållande = utmattningsgräns/brottgräns Charpy-slagseghetstest genomfördes även på prover från dessa två grupper av stål, vilka behandlats till samma brottgränsnivå (1241,1 MPa). Tabell 11 visar resultaten av Charpy-slagtestning över ett brett område av temperaturer. Det torde noteras att slag- energin var större för stål, som behandlats i enlighet med förelig- gande uppfinning, oavsett testningstemperaturen.

Tabell 11 Charpy-slagprov för smälta G Testtemperatur Ugsnsbehandlat Elektriskt behandlat <°c> (Nm) (Nm) 90 57,1 78,9 50 57,1 59,8 24 53,0 57,1 0 49,6 54,4 -25 36,0 43,5 -40 32,6 37,4 -50 25,8 27,9 -72 19,7 22,4 De i detta exempel presenterade data visade att stålet, som fram- ställts i enlighet med denna uppfinning, uppvisar överlägsen form- barhet, överlägsna utmattningsegenskaper, samt utmärkta Charpy~ slagseghetsegenskaper, jämfört med stål framställt med användning 455 507 32 av konventionell teknik.

Exempel 7 Såsom noterats är med ugnsuppvärmning vissa kontrollproblem för- bundna, vilka uppstår genom variation av temperatur från ytan till kärnan i ugnssatsen. Denna temperaturvariation resulterar i en brist på homogenitet i den ugnsbehandlade produkten. För att testa denna hypotes inköptes ett prov av ugnsvärmebehandlat 4142 stål från ett stâlservicecenter. Därefter framställdes ett liknan- de prov med användning av den på fig. 1 beskrivna utrustningen och genom utnyttjande av sättet enligt uppfinningen. Båda proverna bestod av 29 stänger av 4142 stål, med diametern 25,4 mm och en längd av ca 3,6 m. De kemiska analyserna för dessa två smältor (smälta V och W) anges i tabell 1.

Stålet, som framställdes i enlighet med denna uppfinning, auste- nitiseraaes vid 9zs,7°c aan anlöptes via sa7,s°C. Därefter uträ- tades arbetsstyckena mekaniskt till kommersiella toleranser. Ett dragprov och ett hårdhetsprov skars ut från varje stång och sta- tistiska analysmetoder användes för fastställande av homogeniteten hos stålet. Samma serie av tester och samma analyser genomfördes på det konventionellt framställda stålet, och i tabell 12 visas resultaten av de statistiska analyserna på dessa två grupper av stål. ' Tabell 12 Statistisk analys av homogeniteten för 4142 stål Un9n5be' Elektriskt handlat behandlat standard- standard- Mekanisk egenskap omrâde avvikelse område avvikelse Brottgräns (MPa) 164,78 29,35 75,15 15,75 Sträckgräns (MPa) 156,51 29,30 99,29 25,54 Töjning (%) 5,0 1,045 3,0 1,127 dxontraktion (s) 9,6 2,216 5,6 1,344 Kärnhårdhet (Rc) 6,0 1,394 3,0 0,577 455 507 33 De i tabell 12 visade data demonstrerar att stålet, som behandlats i enlighet med denna uppfinning, är mera homogent än ugnsbehand- lat stål. I varje kategori av mekaniska egenskaper var området för de erhållna värdena större än för den ugnsbehandlade produkten.

Skillnaderna mellan homogeniteten för dessa två stål är särskilt framträdande med avseende på brottgräns och hårdhetsdata. Den ugns- behandlade produkten uppvisade det dubbla området av värden jäm- fört med det elektriskt behandlade stålet. Standardavvikelserna i brottgräns för de två stålen tyder även på att stålet, som fram- ställts i enlighet med uppfinningen, är ungefär dubbelt så homo- gent. Likaså visar hårdhetsdata att den elektriskt behandlade pro- dukten är ungefär dubbelt så homogen som den ugnsbehandlade produk- ten.

Exempel 8 För att demonstrera att sättet enligt denna uppfinning gör det möj- ligt att utnyttja hela potentialen för legeringshalten i stålet genom att det är möjligt att använda en kraftig avkylning, genom- fördes en jämförelse mellan det konventionellt framställda pro- vet, som beskrivits i exempel 7 (smälta V) och ett prov av ett stål med lägre legeringshalt (1045, smälta O), vilket behandlats i en- lighet med denna uppfinning. Tabell 13 (smälta O) visar en jämfö- relse mellan de mekaniska egenskaperna och viktiga legeringshal- ter i dessa två stål. Dessa speciella prover utvaldes för denna jämförelse på grund av att de uppvisade ungefär samma sträckgräns.

Tabell 13 Jämförelse mellan två värmebehandlade stål 4142 1045 Ungsbehandlat Elektr. behandlat Brottgräns (MPa) 1003119 1043:00 Sträckgräns (MPa) 992,19 894,95 'röjning (s) 17,5 18,0 Kontraktion (%) 60,0 62,3 Kolhalt (%) 0,41 0,44 Manganhalt (%) 0,79 0,82 Kromhalt (%) 1:01 g 0103 Molybdenhalt (%) 0,18 0:01 455 507 34 De i tabell 13 visade data illustrerar att hela härdningspoten- tialen för 1045 stål kan utnyttjas i sådan utsträckning att den blir jämförbar med den för ett stål med högre legeringshalt, som behandlats konventionellt. I detta fall uppvisade 1045 stålet i själva verket en bättre kombination av mekaniska egenskaper än 4142 stålet. I ovannämnda exempel uppvisade de två stålen ungefär samma mängd kol och mangan, men 4142 stålet innehåller mycket me- ra krom och molybden.

Exempel 9 Detta exempel visar att sättet enligt uppfinningen minskar avkol- ningen, som inträffar under värmebehandling. För att demonstrera denna effekt framställdes två metallografiska prover. Det första provet togs från smälta V, som är ett typiskt prov pâ ugnsbehand- lat stål. Det andra provet togs från smälta A, vilket bestod av stål som hade behandlats i enlighet med denna uppfinning. Båda proverna sektidnerades så att det avkolade skiktet nära ytan lätt kunde undersökas. Fig. 11A och 11B visar resultaten av den metalle- grafiska undersökningen, utförd på nitaletsade prover, 100x för- storing.

Av dessa två figurer framgår att det ugnsbehandlade stålet (fig. 11A) var kraftigt avkolat, medan stålet (fig. 11B), som behandlats i enlighet med uppfinningen, visade föga tecken på avkolning.

För att verifiera de metallografiska iakttagelserna gjordes mikro- hårdhetstester på det preparerade tvärsnittet från dessa två pro-- ver. Resultaten av dessa mikrohårdhetstester visas på fig. 12.

Dessa avslöjade att det förelåg en liten grad av avkolning för- bunden med ytan på stålet, som behandlats i enlighet med uppfin- ningen. Emellertid är denna nivå av avkolning relativt obetydlig vid jämförelse med avkolningen på det ugnsbehandlade provet.

Baserat på dessa och andra iakttagelser kan slutsatsen dragas, att sättet enligt denna uppfinning hjälper till att minska avkol- ningen av stål under behandlingen. Detta är sannolikt ett direkt resultat av den mycket korta austenitiseringscykeln, som utnytt- jas. Det föreligger helt enkelt inte tillräckligt med tid för en betydande avkolning. 455 507 35 Av dessa exempel är det uppenbart att föreliggande uppfinning ger en betydlig förbättring av förfarandet för austenitisering, av- kylning och anlöpning av stål. Sättet enligt föreliggande uppfin- ning ger förbättrat energiutbyte genom användning av direkt elektrisk motstândsuppvärmning. Problemet med härdsprickning eli- mineras i huvudsak, och problemet med avkylningsdeformation mins- kar betydligt. Vidare kan avkylningsdeformationen, som inträffar, korrigeras i det sista steget av processen.

Oxidation av stålytan och avkolning är andra vanliga problem, som minskar genom sättet enligt uppfinningen. Sättet enligt denna upp- finning gör det även möjligt att uppnå den fulla härdningspoten- tialen för stålet. Slutligen uppvisar den produkt, som erhålles genom användning av denna uppfinning, överlägsen homogenitet vid jämförelse med en produkt framställd genom konventionell teknik, samt förbättrad formbarhet, seghet och utmattningshâllfasthet.

Det är underförstått att olika förändringar och modifikationer kan göras i proceduren för genomförande av föreliggande uppfinning utan avvikelse från ramen därför.

Claims (7)

455 507 36 Patentkrav

1. Sätt för värmebehandling av ett arbetsstycke (5) av stål för att väsentligen eliminera härdsprickníng och avkylningsdeforma- tion, k ä n n e t e c k n a t av att a) elektriska kontakter (6) ansluts till motsatta ändar av ar- betsstycket (5) uppvisande bestämd längd och likformig tvärsek- tion och som är känsligt för härdsprickning och avkylningsdefor- mation vid austenitisering i en konventionell ugn och häftig ned- kylning, b) hela arbetsstycket (5) snabbt upphettas elektriskt till en austenitiseringstemperatur över A3-temperaturen för stålet ifråga så att upphettningstiden mellan stålets A1-temperatur och auste- nitiseringstemperatur är mindre än 100 sekunder, c) det austenitiserade arbetsstycket (5) omedelbart avkyles i ett flytande avkylningsmedium uppvisande en avkylningsfaktor, s.k. H-koefficient, som är lika stor som eller större än den hos stil- lastående vatten, under bildning av en övervägande martensitisk mikrostruktur, och d) det härdade arbetsstycket (5) underkastas anlöpning genom att hela arbetsstycket snabbt upphettas elektriskt till en temperatur under stålets A1-temperatur, medan arbetsstycket är utsatt för dragpâkänning vid en nivä under stålets sträckgräns.

2. Sätt enligt krav 1, 'k ä n n e t e c k n a t av att den to- tala upphettningstiden uppgår till mellan 5 och 100 sekunder.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att upphett- ningstiden mellan A1-temperaturen och austenitiseringstemperaturen ligger under ca 40 sekunder.

4. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att stålet snabbt upphettas till över A3-temperaturen genom direkt elektrisk motståndsupphettning.

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att stålet upphettas vid anlöpning genom direkt elektrisk motståndsupphettning. 455 507 37

6. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att arbets- stycket är i form av ett stål med i längdriktningen likformigt tvärsnitt.

7. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att arbets- stycket avkyls under betingelser av en avkylningsfaktor, s.k. H-koefficient, som är större än 1,2.