WO1989003433A1 - Process for hot quenching of alloyed steel objects - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates generically to a method for hot-bath hardening of objects made of alloyed steels, in which the objects are heated to austenitizing temperature and then quenched in a heated fluidized bed from fluidized solid particles, a temperature being set in the fluidized bed and the solid particles of the fluidized bed by a Eddy gas containing water vapor can be fluidized.
  • the invention teaches that the fluidizing gas is enriched with water and / or steam to the point of supersaturation and is introduced into the fluidized bed as a drop mist. It is understood that air or nitrogen is preferably used as the fluidizing gas.
  • the addition of the droplet mist in the fluidized bed creates a climate which improves the cooling rate, without undesired hypothermia occurring on the surface of the objects.
  • a particularly effective climate arises when the fluidizing gas is introduced into the fluidized bed with a fluidizing gas inlet temperature of 90 to 95 ° C. A further acceleration of the cooling can be achieved if additional water is sprayed onto the surface of the fluidized bed.
  • the spraying of the water by the removal of the heat of vaporization supports the cooling of the fluidized bed as a whole. Due to the gentle cooling of the object to be treated, which prevents hypothermia, the fluidized bed temperature can be brought close to the martensite transformation temperature, which also contributes to accelerated cooling.
  • the fluidized bed temperature is chosen as is usual for hot bath curing. It lies z. B. in the temperature range of 100 ° to 550 ° C. According to the preferred embodiment of the Invention, a fluidized bed temperature of less than 400 ° C, preferably less than 320 ° C is set.
  • the fluidized bed medium, in particular the particle size, and the fluidized gas flow velocity in the fluidized bed also influence the cooling rate. Particularly good results are achieved if the fluidized bed is formed from Al 2 O 3 particles with an average grain diameter of 50 to 250 micrometers and if one in the fluidized bed Fluidizing gas flow rate is set, which is 2 to 5 times the minimum fluidization rate.
  • the advantages of the invention can be seen in the fact that a surprising improvement in the cooling rate is achieved in the hot bath hardening in the fluidized bed without the risk of an annoying distortion of the object subjected to the heat treatment or the risk of crack formation.
  • the method according to the invention enables heat-hardening of martensitic chromium steels and can furthermore be used advantageously in tempered steels. In all of these cases, hardening is possible without the formation of troublesome pearlite.
  • the invention is explained below using an exemplary embodiment.
  • the only figure shows a time-temperature conversion (ZTU) graph of an X20Cr13 steel.
  • a cylindrical sample with a diameter of 50 mm and a length of 200 mm was heated to an austenitizing temperature of 1050 ° C. and then quenched in a heated fluidized bed made of fluidized Al 2 O 3 particles.
  • a fluidized bed temperature of 310 ° C. was set in the fluidized bed.
  • As a fluidizing gas air was used which was enriched with water and water vapor to the point of supersaturation.
  • the fluidizing gas was introduced into the fluidized bed with a fluidizing gas inlet temperature of 95 ° C. as a drop mist. In addition, water was sprayed onto the surface of the fluidized bed.
  • curves entered in the figure describe the cooling process in the core of the sample and on the surface of the sample.
  • Curve (A) applies to the change in surface temperature over time and curve (B) describes the temperature profile in the core of the sample. It can be seen from the figure that the cooling rate is sufficiently high to avoid undesired pearlite formation. It can also be seen that the temperature differences between the core and the surface of the sample are very small and that there is no supercooling on the surface of the sample. As a result, a fluidized bed temperature can be set in the fluidized bed which is only slightly higher than the martensite transformation temperature.

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Abstract

In the process described, the objects are heated to the austeniting temperature and then quenched in a heated fluidized bed of fluidized solid particles. The fluidization temperature in the fluidized bed is set higher than the martensitic conversion temperature. The solid particles in the fluidized bed are fluidized by a steam-laden fluidizing gas which, according to the invention, is supersaturated with water and/or steam and introduced into the fluidized bed in the form of a mist.

Description

"Verfahren zum Warmbadhärten von Gegenständen aus legierten Stählen" "Process for hot bath hardening of objects made of alloyed steels"
Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zum Warmbadhärten von Gegenständen aus legierten Stählen , bei dem die Gegenstände auf Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und anschließend in einem beheizten Wirbelbett aus fluidisierten Feststoffpartikeln abgeschreckt werden , wobei in dem Wirbelbett eine Temperatur eingestellt wird und die Feststoffpartikel des Wirbelbettes durch ein Wasserdampf enthaltendes Wirbelgas fluidisiert werden.The invention relates generically to a method for hot-bath hardening of objects made of alloyed steels, in which the objects are heated to austenitizing temperature and then quenched in a heated fluidized bed from fluidized solid particles, a temperature being set in the fluidized bed and the solid particles of the fluidized bed by a Eddy gas containing water vapor can be fluidized.
Der Einsatz von Wirbelschichten als Abkühlmedium ist bekannt (Zeitschrift für die wirtschaftliche Fertigung ( 1982 ) , Seiten 411 bis 416) . Noch nicht befriedigend gelöst ist jedoch das Warmbadhärten im Wirbelbett . Die Abkühlgeschwindigkeit eines auf eine Temperatur oberhalb der Martensitumwandlungstemperatur aufgeheizten Wirbelbettes ist für die meisten legierten Stähle zu gering. An Versuchen zur Verbesserung der Abkühlgeschwindigkeit hat es nicht gefehlt. Es wurde versucht, die Abkühlgeschwindigkeit durch Zugabe von Wasser oder Wasserdampf zu verbessern (R. Pulkkinen , in 4TH INTERNATIONAL CONGRESS ON HEAT TREATMENT OF MATERIALS, 1985, Proceedings, Volume II , Seiten 1284 bis 1287) . Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde ein Wirbelgas mit 30 % Luft und 70 % überhitztem Dampf verwendet . Alternativ hat man versucht , die Abkühlungsgeschwindigkeit durch Aufspritzen von Wasser auf die Oberfläche des Wirbelbettes zu verbessern . Die Untersuchungen kommen jedoch zum Ergebnis , daß eine Verbesserung der Abkühlgeschwindigkeit nur dann erreichbar ist, wenn die der Wärmebehandlung ausgesetzten Gegenstände im Wirbelbett mit Wasser direkt besprüht werden. Hierbei besteht jedoch die Gefahr , daß die Oberfläche der Gegenstände unter die Martensitumwandlungstemperatur abgekühlt wird , was einen unerwünschten Verzug sowie Rißbildung zur Folge haben kann . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so weiter auszubilden, daß eine große Abkühlgeschwindigkeit ohne störenden Verzug oder Rißbildung der Gegenstände erreichbar ist.The use of fluidized beds as a cooling medium is known (Journal for Economic Manufacturing (1982), pages 411 to 416). However, hot bath hardening in a fluidized bed has not yet been satisfactorily resolved. The cooling rate of a fluidized bed heated to a temperature above the martensite transformation temperature is too slow for most alloyed steels. There has been no lack of attempts to improve the cooling rate. Attempts have been made to improve the cooling rate by adding water or water vapor (R. Pulkkinen, in 4TH INTERNATIONAL CONGRESS ON HEAT TREATMENT OF MATERIALS, 1985, Proceedings, Volume II, pages 1284 to 1287). A fluidizing gas with 30% air and 70% superheated steam was used in the course of these investigations. Alternatively, attempts have been made to improve the cooling rate by spraying water onto the surface of the fluidized bed. However, the studies come to the conclusion that an improvement in the cooling rate can only be achieved if the objects exposed to the heat treatment are sprayed directly with water in the fluidized bed. However, there is a risk that the surface of the objects will be cooled below the martensite transformation temperature, which can result in undesired warping and cracking. The invention has for its object to further develop the generic method so that a high cooling rate can be achieved without disturbing distortion or cracking of the objects.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Wirbelgas mit Wasser und/oder Wasserdampf bis zur Übersättigung angereichert und als Tropfennebel in das Wirbelbett eingeführt wird. Es versteht sich, daß als Wirbelgas vorzugsweise Luft oder Stickstoff eingesetzt wird. Überraschenderweise wird durch die Zugabe des Tropfennebels im Wirbelbett ein die Äbkühlgeschwindigkeit verbesserndes Klima erzeugt, ohne daß an der Oberfläche 'der Gegenstände eine unerwünschte Unterkühlung auftritt. Ein besonders wirksames Klima stellt sich dann ein, wenn das Wirbelgas mit einer Wirbelgaseintrittstemperatur von 90 bis 95° C in das Wirbelbett eingeführt wird. Eine weitere Beschleunigung der Abkühlung läßt sich erreichen, wenn auf die Oberfläche des Wirbelbettes zusätzlich Wasser aufgespritzt wird. Während durch das Einspeisen des mit Wasser abgesättigten Wirbelgases im Wirbelbett ein besonderes Klima eingestellt und die WärmeÜbergangsverhältnisse an dem wärmezubehandelnden Gegenstand beeinflußt v/erden, bewirkt das Aufspritzen des W assers durch den Entzug der Verdampfungswärme eine unterstützende Kühlung des Wirbelbettes insgesamt. Aufgrund der schonenden Abkühlung des zu behandelnden Gegenstandes, bei der eine Unterkühlung ausgeschlossen ist, kann die Wirbelbettemperatur nahe an die Martensitumwandlungstemperatur herangeführt werden, was ebenfalls zu einer beschleunigten Abkühlung beiträgt. Die Wirbelbett-Temperatur wird so gewählt, wie es bei der Warmbadhärtung üblich ist. Sie liegt z. B. im Temperaturbereich von 100° bis 550° C. Nach bevorzugter Ausführung der Erfindung wird eine Wirbelbettemperatur von weniger als 400° C , vorzugsweise von weniger als 320° C , eingestellt . Das Wirbelbettmedium , insbesondere die Partikelgröße , und die Wirbelgasströmungsgeschwindigkeit im Wirbelbett beeinflussen die Abkühlgeschwindigkeit ebenfalls , Besonders gute Ergebnisse werden erreicht , wenn das Wirbelbett aus Al2O 3 -Partikeln mit einem mittleren Korndurchmesser von 50 bis 250 Mikrometern gebildet wird und wenn in dem Wirbelbett eine Wirbelgasströmungsgeschwindigkeit eingestellt wird, die das 2 bis 5-fache der Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit beträgt.To achieve this object, the invention teaches that the fluidizing gas is enriched with water and / or steam to the point of supersaturation and is introduced into the fluidized bed as a drop mist. It is understood that air or nitrogen is preferably used as the fluidizing gas. Surprisingly, the addition of the droplet mist in the fluidized bed creates a climate which improves the cooling rate, without undesired hypothermia occurring on the surface of the objects. A particularly effective climate arises when the fluidizing gas is introduced into the fluidized bed with a fluidizing gas inlet temperature of 90 to 95 ° C. A further acceleration of the cooling can be achieved if additional water is sprayed onto the surface of the fluidized bed. While a special climate is set and the heat transfer conditions on the object to be heat-treated are influenced by the feeding of the fluidized gas in the fluidized bed, the spraying of the water by the removal of the heat of vaporization supports the cooling of the fluidized bed as a whole. Due to the gentle cooling of the object to be treated, which prevents hypothermia, the fluidized bed temperature can be brought close to the martensite transformation temperature, which also contributes to accelerated cooling. The fluidized bed temperature is chosen as is usual for hot bath curing. It lies z. B. in the temperature range of 100 ° to 550 ° C. According to the preferred embodiment of the Invention, a fluidized bed temperature of less than 400 ° C, preferably less than 320 ° C is set. The fluidized bed medium, in particular the particle size, and the fluidized gas flow velocity in the fluidized bed also influence the cooling rate. Particularly good results are achieved if the fluidized bed is formed from Al 2 O 3 particles with an average grain diameter of 50 to 250 micrometers and if one in the fluidized bed Fluidizing gas flow rate is set, which is 2 to 5 times the minimum fluidization rate.
Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen , daß bei der Warmbadhärtung im Wirbelbett eine überraschende Verbesserung der Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird, ohne daß die Gefahr eines störenden Verzugs des der Wärmebehandlung unterworfenen Gegenstandes oder die Gefahr einer Rißbildung auftritt . Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Wärmbadhärtung von martensitischen Chromstählen und ist fernerhin vorteilhaft anwendbar bei Vergütungsstählen . In allen diesen Fällen ist eine Härtung ohne störende Perlitbildung möglich .The advantages of the invention can be seen in the fact that a surprising improvement in the cooling rate is achieved in the hot bath hardening in the fluidized bed without the risk of an annoying distortion of the object subjected to the heat treatment or the risk of crack formation. The method according to the invention enables heat-hardening of martensitic chromium steels and can furthermore be used advantageously in tempered steels. In all of these cases, hardening is possible without the formation of troublesome pearlite.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild (ZTU-Schaubild) eines X20Cr13-Stahles .The invention is explained below using an exemplary embodiment. The only figure shows a time-temperature conversion (ZTU) graph of an X20Cr13 steel.
Eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 50 mm sowie einer Länge von 200 mm wurde auf eine Austenitisierungstemperatur von 1050° C aufgeheizt und anschließend in einem beheizten Wirbelbett aus fluidisierten Al2O3-Partikeln abgeschreckt . In dem Wirbelbett wurde eine Wirbelbettemperatur von 310° C eingestellt . Als Wirbelgas wurde Luft verwendet, die mit Wasser und Wasserdampf bis zur Übersättigung angereichert wurde. Das Wirbelgas wurde mit einer Wirbelgaseintrittstemperatur von 95° C als Tropfennebel in das Wirbelbett eingeführt. Zusätzlich wurde auf die Oberfläche des Wirbelbettes Wasser aufgespritzt.A cylindrical sample with a diameter of 50 mm and a length of 200 mm was heated to an austenitizing temperature of 1050 ° C. and then quenched in a heated fluidized bed made of fluidized Al 2 O 3 particles. A fluidized bed temperature of 310 ° C. was set in the fluidized bed. As a fluidizing gas air was used which was enriched with water and water vapor to the point of supersaturation. The fluidizing gas was introduced into the fluidized bed with a fluidizing gas inlet temperature of 95 ° C. as a drop mist. In addition, water was sprayed onto the surface of the fluidized bed.
Die in der Figur eingetragenen Kurven beschreiben den Ablcühlungsverlauf im Kern der Probe sowie an der Oberfläche der Probe. Die Kurve (A) gilt für die zeitliche Änderung der Oberflächentemperatur und die Kurve (B) beschreibt den Temperaturverlauf im Kern der Probe. Man entnimmt der Figur, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit ausreichend groß ist, um die unerwünschte Perlitbildung zu vermeiden. Man erkennt fernerhin , daß die Temperaturunterschiede zwischen Kern und Oberfläche der Probe sehr klein sind, und eine Unterkühlung an der Oberfläche der Probe nicht auftritt. Dadurch kann im Wirbelbett eine Wirbelbettemperatur eingestellt werden, die nur geringfügig größer ist als die Martensitumwandlungstemperatur. The curves entered in the figure describe the cooling process in the core of the sample and on the surface of the sample. Curve (A) applies to the change in surface temperature over time and curve (B) describes the temperature profile in the core of the sample. It can be seen from the figure that the cooling rate is sufficiently high to avoid undesired pearlite formation. It can also be seen that the temperature differences between the core and the surface of the sample are very small and that there is no supercooling on the surface of the sample. As a result, a fluidized bed temperature can be set in the fluidized bed which is only slightly higher than the martensite transformation temperature.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1. Verfahren zum Warmbadhärten von Gegenständen aus legierten Stählen, bei dem die Gegenstände auf Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und anschließend in einem beheizten Wirbelbett aus fluidisierten Feststoffpartikeln abgeschreckt werden, wobei in dem Wirbelbett eine Wirbelbettemperatur oberhalb der Martensitumwandlungstemperatur eingestellt wird und die Feststoffpartikel des Wirbelbettes durch ein Wasserdampf enthaltendes Wirbelgas fluidisiert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Wirbelgas mit Wasser und/oder Wasserdampf bis zur Übersättigung angereichert und als Tropfennebel in das Wirbelbett eingeführt wird.1. A method for hot-bath hardening of objects made of alloyed steels, in which the objects are heated to the austenitizing temperature and then quenched in a heated fluidized bed made of fluidized solid particles, a fluidized bed temperature above the martensite transformation temperature being set in the fluidized bed and the solid particles of the fluidized bed by a steam containing water vapor Fluidizing gas are fluidized, characterized in that the fluidizing gas is enriched with water and / or steam to the point of supersaturation and is introduced into the fluidized bed as a drop mist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelgas mit einer Wirbelgaseintrittstemperatur von 90 bis 95° C in das Wirbelbett eingeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the fluidizing gas is introduced into the fluidized bed with a fluidizing gas inlet temperature of 90 to 95 ° C.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Wirbelbettes zusätzlich Wasser aufgespritzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that water is additionally sprayed onto the surface of the fluidized bed.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wirbelbettemperatur von weniger als 400° C, vorzugsweise von weniger als 320° C, eingestellt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a fluidized bed temperature of less than 400 ° C, preferably less than 320 ° C, is set.
5. Verfahren nagh einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelbett aus Al2O3-Partikeln mit einem mittleren Korndurchmesser von 50 bis 250 Mikrometer gebildet wird und daß in dem Wirbelbett eine Wirbelgasströmungsgeschwindigkeit eingestellt wird, die das 2 bis 5-fache der Mindestfluidisierungsgeschwindigkeit beträgt. 5. The method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fluidized bed is formed from Al 2 O 3 particles with an average grain diameter of 50 to 250 micrometers and that a fluidized gas flow rate is set in the fluidized bed, which the 2 to 5 times the minimum fluidization rate.
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