-
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von vergüteten Formstücken
aus austenitischen Manganstählen. Man verarbeitete bisher Manganstähle, deren Mangangehalt
(hei etwa I ProzenltKolhlengehalt) niemals wesentlich I2Prozent Überstieg. Die Eigenschaften
der austenitischen Manganstähle dieser Art könnten durch die Wärmebelhandlung nicht
den verschiedenen Anforderungen angepaßt werden (vgl. S a u -v e u r, The Metallography
of Iron and Steel, 1912, McGraw-Hill Book Company, Lesson XVII, Seite 9, Absatz
3), nur insofern mußte man den Einfluß der Temperaturverhältnisse berücksichtigen,
als zwecks Erzielung der besten mechanischen Eigenschaften die Bildung voll freien
Karbiden, die zuweilen auftrat, unbedingt verhindert werden sollte(vgl. S ä u v
e u r, Lesson KVII, Seite 8, Aibsatz I), was bei den bisher untersuchten Mänganstählen
nur- diurclh Erhitzen des 5tahles über die kritische Temperatur der Zemen titausscheidung,
also etwa Iooo°C, und durch Abschrecken in Wasser oder Öl erfolgen wußte (vgl. S
ä u v eur, L esson XVII, Seite 9, Absatz 3).
-
Die yörliegende Erfindung bezweckt eine Vergütung der austenitischen
Manganstähle, die nach ihrer Entnahme aus der Gußform bzw. nach ihrer Bearbeitung-
nur in den wenigsten Fällen den Anforderungen entsprechende Eigenschaften besitzen,
so zwar, daß durch eine geeignete Wärmebehandlung unter Beibehaltung der austenitischen
Struktur, durch Beeinflussung der Ausscheidung der freien Karbide innerhalb weiter
Grenzen,-den jeweiligen Anforderungen entsprechende Eigenschaften erzielt werden
können, etwa Eigenschaften der perlitischen Stähle wie die Eigenschaften der perlitischen
Stähle (z.B. der Kohlenstoffstähle) durch die infolge der geeigneten Wärmebehandlung
herbeigefÜhrte Strukturveränderung (weiter oder weniger weit fortgeschrittene Überführung
des Austenits in Martensit, Troostit, Sorbit bzw.Perlit) den verschiedenenAnforderungen
angepäßt- werden können.
-
Die Erfindung fußt auf der Erkenntnis, daß durch die Erhöhung des
Mangangehaltes im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt die Geschwindigkeit der Ausscheidung
der Karbide während der Abkühlung des austenitischen Manganstahles mit steigendem
Mangangehalt abriimmt,- so daß die Zeittemperaturkurven, nach denen der Mlanganstahl
gekühlt werden muß, um bestimmte Materialeigenschaften zu erhalten zeitlich so stark
ausgedehnt werden und die den merklich verschiedenen Materialeigenschäftenentsprechenden
Zeittemperaturkurven So weit auseinandergehalten » werden können, daß die -durch
die praktische Ausführbärkeit der Kühlung lind- die. Materialstärke des zu kühlenden
Gegenstandes bedingten Abiveicliiingen von der gewählten Zeitteinperaturkurve
noch
keine nennenswerte Beeinträchtigung der angestrebten Eigenschaften bewirken.
-
Bekannt war schon, daß der Manganzusatz die kritischen Temperaturen
der Strukturumwandlungen vorn Austenit in der Richtung des Perlits nach Maßgabe
der Höhe des Manganzusatzes herunterdrückt, doch war es nicht bekannt, daß die Steigerung
des Manganzusatzes bei austenitischen Manganstählen die Karbidausscheidung verzögert.
-
Eine der wichtigsten Strukturen, die bei austenitischen Manganstählen
erzielt werden soll, ist die rein austenitischle (bei der also die Karbidausscheidung
gänzlich unterdrückt ist). Diese konnte nun bisher am schwierigsten erhalten werden,
da man hierzu bisher zur jähen Abschreckung greifen mußte, so daß bei größerenl
Stücken eine ungleichmäßige Struktur und dlas Auftreten von gefährlichen Spannungen
im Stahl unvermeidlich war.
-
Da gemäß der Erfindung durch Erhöhung des Manganzusatzes die Karbidausscheidung
wesentlich verzögert wird, so kann man durch die Erfindung auch die reine, also
von Karbidausscheidungen freie. austenitische Struktur auch bei verlangsamter Abkühlung
erzielen. Die gegenüber dem Abschrecken verlangsamnte Abkühlung gestattet es insbesondere
unter Anwendung der weiter unten angegebenen besonderen Maßregeln, daß die Abkühlung
in der ganzen Masse selbst großer Formstücke von stark wechselnder Materialstärke
überall gleichmäßig stattfindet, so daß nicht nur die Struktur des Formstückes durchwegs
gleichmäßig ist, sondern auch das Auftreten von schädlichen Materialspannungen gänzlich
vermieden wird.
-
Die der Erfindung zugrunde liegenden Verhältnisse sind in Fig. g veranschaulicht.
Die Abszissen stellen. die Mangangehalte dar, die Ordinaten die Abkühlungszeiten
in Minuten. In diesem Koordinatensystem sind Kurven gleicher Temperaturen, z. B.
8oo° C, 700° C, 60o° C usw. dargestellt. Die mit der Ordinatenachse parallelen Schnitte
dieser Kurven geben für die einzelnen Mangangehalte an, innerhalb welcher maximalen
Zeit die betreffenden Temperaturen in der Abkühlung, von Iooo° C ausgehend, erreicht
werden müssen, um noch das rein austenitische Gefüge beizubehalten, also eine jede
Karbidausscheidung zu verhüten.
-
Während also z. B. ein Manganstahl mit I Prozent C- und I2 Prozent
Mn-Gehalt in etwa 36 Sekunden von über Iooo° auf 400° abgeschreckt werden muß, um
die Karbidausscheidung hintanzuhalten, kann man bei gleichem Kohlenstoffgehalt des
Stahles mit einem Mangatngehalt von I6 Prozent die Abkühlung von I00o° C auf 400'
C bis auf etwa 4 Mi=
| nuten ausdehnen, ohne daß eine Karbidaus- |
| .:@lll`l@li;lt@; @l<tll;@ati- |
| el1all 1\';iclist dio ttttter Z-er:a@@i@ltnh der Ks;r- |
| hidausscbeidung noch zulässige Vergrößerung |
| der Abkühlungszeit rapid, so daß z. B. bei |
| einem Mangangehalt von 17 Prozent die Ab- |
| lcülilungszeit von etwa iooo° C auf 40o° C |
| bis zu 9l/., Minuten verlängert werden kann. |
| Die absoluten Werte der Zeiten und Tem- |
| peraturen sind gewissen Abweichungen unter- |
| worfen, je nachdem der Kohlenstoffgehalt |
| mehr oder weniger nach unten oder oben von |
| deui Werte z Prozent abm-eicht, doch bleibt |
| (las wesentliche Merkmal der Konvergenz der |
| Kurven gegen 12 Prozent #Kangangehalt stets |
| bestehen. |
| Aus den Schablinien ist ersichtlich, daß die |
| Temperaturkurven bei Überschreitung des |
| :\laiima.ilgehaltes von 12 Prozent ein jähes |
| hn:e,i>Ii@1@11 titl(l elnersel@@ r-.ini,1. 1111r1 zwar |
| 11e1 wachsendem 1\tangangehalt, finit rasch zu- |
| nehmender Steilheit ansteigen, und daß die |
| Kurven anderseits in der Nähe des Mangan- |
| gehaltes von 12 Prozent zusammenlaufen, so |
| daß in der Gegend dieses 1Tangangehaltes die |
| Zeitpunkte, in denen der zu vergütende Stahl- |
| gegenstand die bestimmten Temperaturstufen |
| durchlaufen muß, so nahe.aneinander rücken, |
| daß es praktisch unmöglich ist, die Kühlung |
| derart zu regeln, daß.innerhalb der einzelnen |
| Abschnitte der schon an und für sich kurzen |
| Gesanitabkühlungszeit gerade die erforder- |
| lichen Wärmemengen an der ganzen Ober- |
| fläche und in der ganzen Masse des Gegen- |
| standes diesem entzogen werden. |
| Wenn die Abkühlung des auf etwa ioo° C |
| erhitzten Stahles nicht langsamer, als durch |
| für die betreffende Stahlart maßgebende |
| Schaulinie der Temperaturkurven Fig. 5 an- |
| gegeben ist, vorgenommen wird, so schei- |
| det sich kein T'a rbirl aus, 111,1 rler sta111 erbalt |
| die seiner Zusammensetzung entsprechende |
| größtmögliche Reißfestigkeit Und Dehnung, |
| aber die geringste Härte. Kühlt man schnel- |
| ler, so wird gegenüber der gemäß den Kurven |
| der Fig. 5 ausgeführten Abkühlung keine an- |
| dere Struktur erzielt, aber es entstehen ge- |
| fährliche Spannurigen im Stahle, die eben |
| durch die gemäß der Erfindung ermöglichte |
| verlangsamte Abkühlung vermieden werden |
| sollen. |
| So gestaltet sich z. B. für einen Stahl mit |
| 17Prozent Mangangehalt die äußerste Grenze |
| der Verzögerung der Abkühlung gemäß Fig. 5 |
| wie folzt: ' |
| von iooo° C bis auf 80o° C .2 Minuten, |
| - 800° - 700° _ 1,5 - |
| - 700° - - _ 600°-- 1,5 - |
| -- 60o° - - -- 50o° - 2 - |
| _ 5009 - 400' - 2,5 - |
Diese Abkühlung ist gegenüber der Abküh
lung auf der freien Luft
eine beschleunigte. Wird etwas langsamer gekühlt, so tritt Karbidbildung auf, und
zwar schreitet bei den Stählen mit über Ia Prozent Mangangehalt die Karbidbildung
bei Verzögerng der Abkühlung so allmählich fort, daß man ganz feine Abstufungen
erzielen kann. Bei der im Ofen vorgenommenen, für praktische Zwecke noch in Betracht
kommenden langsamsten Abkühlung, also bei der weitgehendsten Karbidausscheidung
insbesondere an den Grenzen der Körner der sonst unverändert verbleibenden austenitischen
Struktur, wird die Härte, im Gegensatz zu den übrigen Stählen, bei der betreffenden
Zusammensetzung die möglichst größte, wogegen die Reißfestigkeit und Dehnung den
niedrigsten Wert erreichen.
-
Dadurch, daß die Abkühlung auf einen verhältnismäßig großen Zeitraum
ausgedehnt werden kann, ist die Art der Abkühlung nicht wie beim Abschrecken verschiedenen
Zufälligkeiten ausgesetzt, sondern steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Wärmeentziehungsfähigkeit
des in der Zeiteinheit mit dem abzukühlenden Stahlgegenstand in Berührung gebrachten
Kühlmittels. Die Einheit der von der Menge und von den physikalischen Eigenschaften
(spezifische Wärme) des festen, flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels sowie von
dem zwischen demselben und dem zu kühlenden Gegenstand herrschenden Temperaturunterschied
abhängenden Wärmeentziehungsfähigkeit, also die Menge der in der Zeiteinheit von
der Oberflächeneinheit des abzukühlenden Formstückes entzogenen Wärme soll der Einfachheit
halber »wirksame Wärmekapazität« des Kühlmittels genannt werden.
-
Die erforderliche, verhältnismäßig geringe Abkühlungsgeschwindigkeit
ermöglicht es nun, während des Zeitverlaufes der Abkühlung die Menge der wirksamen
Wärmekapazität des mit dem abzukühlenden Gegenstande in Berührung gebrachten Kühlmittels
durch Änderung der die wirksame Wärmekapazität beeinflussenden Faktoren derart zu
regeln, daß die Abkühlung gemäß einer zweckentsprechend gewählten Abkühlungskurve
erfolgt.
-
Will man nun Materialeigenschaften erzielen, die zwischen den beiden
durch die reine austenitische Struktur bzw. durch die langsamste Abkühlung hervorgerufene
maximale Karbidausscheidung hervorgerufenen Grenzwerten liegen, so wird man, durch
während des Verlaufes der Abkühlung vorgenommene planmäßige willkürliche Änderung
der in der Zeiteinheit zur Einwirkung gebrachten Wärnmekapazitäten die Abkühlung
gemäß derjenigen innerhalb dem einerseits durch die Grenzzeittemperaturkurve der
reinen austenitischen Struktur und anderseits durch die Zeittemperaturkurve der
langsamen Abkühlung in ruhender freier Luft begrenzten Gebiete verlaufenden Zeittemperaturkurve
vornehmen, die auf Grund empirischer Ermittelungen die angestrebten Materialeigenschaften
ergibt.
-
Die genaue Einhaltung der Abkühlungskurven wäre nur bei Gegenständen
von verhältnismäßig geringer Materialstärke möglich, bei denen die zwischen der
Oberfläche und dem Inneren herrschenden Temperaturunterschiede bei den in Betracht
kommenden Abkühlungsgeschwindigkeiten vernachlässigt werden können. Um mun bei stärkeren
Stücken den Einfluß des Temperaturunterschiedes zwischen der Oberfläche und dem
Inneren des Formstückes einerseits sowie zwischen dem Formstück und dem Kühlmittel
anderseits auszugleichen, kühlt man gemäß vorliegender Erfindung zweckmäßig nicht
in stetiger Anschmiegung an die gewählte Abkühlungskurve, sondern auf eine Temperatur
ab, die unterhalb der gemäß der gewählten Abkühlungskurve in dem betreffenden Zeitpunkte
zu erreichenden Temperatur liegt, aber von dieser nicht so weit abweicht, daß schädliche
Veränderungen (Ausscheidungen) oder Spannungen auftreten können, und setzt mit der
Zufuhr der wirksamen Wärmekapazitäten bis zii dein für die betreffende Temperatur
durch die gewählte Abkühlungskurve bestimmten Zeitpunkte aus, wonach der gleiche
Vorgang bis zur Erreichung der untersten Abkiihlungstemperatur wiederholt wird.
-
Fig..t veranschaulicht diese Art der absatzweisen Abkühlung für eine
Abkühlungskurve.
-
Zur Abkühlung gemäß der Zeittemperaturkurve A soll nicht -so Gekühlt
werden, daß der Zeittemperaturverlauf des abzukühlenden Formstückes sich stetig
der Kurve A anscIimieZt. Vielmehr wird der Gegenstand, von der Erhitzungstemperatur
von zooo° C, also vom Punkt a ausgehend, steiler als die Kurve A abfallend
auf eine Temperatur b ge-
kühlt, die unterhalb der gemäß Kurve A im Zeitpunkt
b' zu erreichenden Temperatur b" liegt, von dieser jedoch nicht so weit abweicht,
daß die Abweichung b"-b schädliche Materialspannungen verursacht oder Veränderungen
hervorruft, die die Eigenschaften des Materials beeinträchtigen könnten. Hierauf
wird mit der Zufuhr des Kühlmittels bis zu einem Zeitpunkt c' ausgesetzt, also so
lange, bis durch einen im Inneren des Gegenstandes staugefundenen Wärmeausgleich
die Temperatur einen durch die Kurve .1 für den betreffenden Zeitpunkt c' angegebenen
Wert c erreicht hat. Es erfolgt nun eine neue Abkühkingsstufe von c aus auf eine
Temperatur (l,
die tim einen gewissen, jedoch noch ungefährlichen
Betrag unterhalb der durch die Kurve A für den betreffenden Zeitpunkt d' angegebenen
Wert d" liegt, wonach mit der Kühlung wieder ausgesetzt wird, bis durch den Temperaturausgleich
in dem Zeitpunkte' die durch die Kurve A angegebene Temperatur e erreicht worden
ist. Der gleiche Vorgang wird bis zur Erreichung der tiefsten Abkühlungstemperatur
von etwa 2oo° C wiederholt.
-
Mit fortschreitender Abkühlung werden die Ruhepausen b'-c' bzw. d'-e'
usw. im Verhältnis zu den Temperaturabweichungen b"-b bzw. d"-d usw. allmählich
länger, was mit Rücksicht auf die allmähliche Verminderung der im Formstücke herrschenden
Temperaturunterschiede und der verminderten Elastizität des Stahles günstig ist.
-
Bei der Massenerzeugung von Stahlformstücken kann die Regelung der
Zufuhr der wirksamen Wärmekapazitäten durch geeignete mechanische Vorrichtungen
selbsttätig erfolgen.
-
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die die Kühlmittelzufuhr
beherrschenden Regelorgane unter den Einfluß einer gleichmäßig bewegten Steuerschablone
gestellt sind, die den festgestellten Zeittemperaturkurven bzw. Kühl- und Aussetzungsperioden
entsprechend bemessene und angeordnete Steuerglieder trägt.
-
In den Fig. I bis 3 der Zeichnung ist beispielsweise eine Ausführungsform
dieser Vorrichtung zum Kühlen eines Gitterfensters dargestellt.
-
Fig. I zeigt den Grundriß, Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Apparates für die elektrische Betätigung
derselben.
-
Der Rahmen des Gitterfensters weist einen beträchtlich größeren Querschnitt
auf als die Sprossen desselben. Würde dieses Fenster aus Manganstalhl mit etwa I
Prozent Kohlenstoff und I2 Prozent Mangangehalt hergestellt und in der üblichen
Weise durch Erhitzen auf Iooobis I Ioo° C und Abschrecken in Wasser oder Öl vergütet,
so würden die Sprossen viel zu schnell einschrumpfen und vom Rahmen abreißen. Im
Gegensatz hierzu wird der Erfindung gemäß das Fenster z. B. aus Stahl mit I Prozent
Kohlenstoff und einem Marngangehalt von mehr als I7 Prozent hergestellt und die
Abkühlung der oben angeführten Zeittemperaturkurve etsprechend stufenweise dturchgeführt.
Der Vorgang innerhalb einer solchen Stufe bzw. Teilperiode ist der, daß das Stück
vorerst auf die vorher bestimmte Temperatur mittels Kühlflüssigkeit abgekühlt und
dann in der Luft frei liegen gelassen wird, bis sich die Temperatur durch das ganze
Stück ausgeglichen hat. Teilkühlung und Temperaturausgleich vollziehen sich also
abwechselnd so lange, bis das Stück genügend abgekühlt ist. Um diese Vorgänge beim
Vergüten einer Serie gleicher Gegenstände selbsttätig sich abspielen zu lassen,
wird die dargestellte Vorrichtung angewendet.
-
Die Gehäuse 2, 3 und 21 (Fig. I und 2) enthalten die Kühlflüssigkeit,
welche durch die in Fig.2 ersichtlichen Düsen auf das zu kühlende Stück geführt
wird. Der Gehäuseteil 3 ist an dein Gehäuse 2 um den Drehbolzen 4l verschwenkbar
und so angesetzt, daß die Flüssigkeit vom Behälter 2 in den Behälter 3 übertreten
kann. Nach V erschwenken des letzteren um den Zapfen q aus der gezeichneten Stellung
wird das erhitzte Stück in das Gehäuse 2 eingebracht, der Gehäuseteil 3 durch Zurückdrehen
angeschlossen sowie gefestigt und die Kühlung begonnen.
-
Die Düsendurchmesser, d. h. die Austrittsöffnung des Kühlmittels,
richten sich nach der Querschnittsgröße und dem Ausmaß der Kühloherfläche des betreffenden
zu kühlenden Teiles. In dein dargestellten Falle haben z. B., wie aus Fig. 2 ersichtlich,
die Düsen für den Rahmen einen größeren lichten Durchmesser als die Düsen für die
Sprossen. Die Düsendurchmesser sind derart bemessen, daß die den massigeren Teilen
des Fensters entzogene Wärme in demselben Verhältnis größer ist als die den dünnerenTeilen
entzogeneWärmemenge,wie die in den ersteren aufgespeicherte 1@'ärineiiteiige größer
ist als diejenige in den letzteren. Dadurch, daß den Teilen mit mehr Masse auch
im Verhältnis mehr Wärme entzogen wird, sinkt die Temperatur überall in demselben
Ausmaße. Es ist klar, daß insbesondere bei sehr komplizierten Formen des zu kühlenden
Gegenstandes die Kühlvorrichtung selbst sehr kompliziert -werden würde, wollte inan
zu jeder einzelnen Querschnittagröße des Gegenstandes, d. h. der jeweiligen Kühloberfläche
entsprechend bemessene Düsengrößen anordnen. Um in solchen Fällen einfacher vorzugehen,
-wird, -wie bereits erwähnt, der. Kühlvorgang in eine Reihe aufeinanderfolgender
Stufen zerlegt, und zwar so, daß während bestimmter Zeitintervalle der Zufluß des
Kühlmittels abgestellt wird.
-
Um die Unterbrechungen des Flüssigkeitszulaufes zu bewerkstelligen,
sind an den Gehäusen bzw. in den Zuleitungen Ventile oder Hähne vorgesehen, die
für die Behandlung vieler gleichförmiger Gegenstände von gleichen Abmessungen durch
eine selbsttätig wirkende Vorrichtung geöffnet bzw. geschlossen werden, so z. B.
laut Fig. i und 2 das Ventil 51 für die Gehäuse 2 und 3 sowie das
Ventil
61 für das Gehäuse 21. Die Betätigung der Ventile kann mittels irgendeiner an und
für sich bekannten Steuerschablone erfolgen. In Fig. 3 ist eine elektrische Steuerschablone
schematisch dargestellt, die aus einer mit Gleitkontakten Io versehenen gedrehten
Trommel g besteht. Der von einem elektrischen Generator 7 gelieferte Strom wird
bei Drehung der Trommel g durch die Gleitkontakte Io abwechselnd unterbrochen und
wieder geschlossen, wobei der Elektromagnet 8 das Ventil 51 und das in Fig. 3 nicht
eingezeichnete Ventil 61 öffnet und schließt. Bei einer bestimmten Umdrehungsgeschwindigkeit
der Trommel und geeigneter Länge der Gleitkontakte Io vollzieht sich der ganze Kühlvorgang
im Sinne der früheren Ausführungen nach einer bestimmten Zeittemperaturkurve, die
so gewählt werden kann, daß man in allen Teilen des Stückes, sei es ein rein austenitisches
Gefüge, sei es ein solches mit Karbidgehalt erhält. Durch Änderung der Trommelumfangsgeschwindigkeit
und Kontaktabmessungen kann man den Kühlvorgang nach Belieben beschleunigen oder
verzögern und die damit verbundenen, schon erörterten Wirkungen erzielen.