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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abschrecken eines heißen Metallgegenstands,
insbesondere eines solchen aus Stahl.
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Das
thermische Abschrecken heißer
Metallgegenstände
ist ein erforderlicher Schritt in vielen Wärmebehandlungsverfahren wie
beispielsweise Anlassen, Härten,
Einsatzhärten,
Aufkohlen oder Nitroaufkohlen von Stahlgegenständen. Typischerweise wird der
Metallgegenstand durch thermisches Abschrecken aus einer Temperatur
von 850°C
oder darüber
auf eine Temperatur von weniger als 100°C abgekühlt.
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Wasser
ist als thermisches Abschreckmittel verwendet worden, aber es erzeugt
in den meisten Beispielen der Wärmebehandlung
von Konstruktionsstählen
ein zu schnelles Abschrecken mit dem Ergebnis, daß ein Verzug
des Gegenstands oder eine innere Schädigung verursacht wird.
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Es
ist deshalb weit mehr üblich,
ein Öl
als thermisches Abschreckmittel in einem Wärmebehandlungsprozeß einzusetzen.
Mehrere Nachteile erwachsen aus der Verwendung eines Öls. An erster Stelle
unter diesen steht, daß Öl die Umwelt
vergiftet und deshalb ein Entsorgungsproblem darstellt, wenn es
für eine
weitere Verwendung nicht mehr brauchbar ist. Weiter kann Öl giftige
Dämpfe
verursachen und eine Brandgefahr darstellen. Zusätzlich muß Öl am Ende des thermischen Abschreckschritts
von dem Metallgegenstand abgewaschen werden.
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Es
sind deshalb Versuche unternommen worden, alternative thermische
Abschreckmittel zu Wasser allein und zu Ölen zu finden.
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Es
ist beispielsweise bekannt, wasserlösliche organische Substanzen
wie beispielsweise einen Polyvinylalkohol, ein Alkylenglycol, oder
Glycerol in einem wässrigen
thermischen Abschreckmittel aufzulösen, so daß die Intensität des Abschreckens
verringert wird. Obwohl solche Materialien nicht entflammbar sind
und im Gebrauch keine Dämpfe
abgeben, stellen sie immer noch ein Entsorgungsproblem am Ende der
Verwendungsdauer dar.
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Die
GB-A-986 756 bezieht sich auf das Abkühlen eines heißen Feststoffkörpers in
einem Fließbett,
das ist ein sich bewegendes Bett aus festen Metallteilchen. Das
Bett wird mittels eines Flüssigkeitsstroms,
typischerweise Wasser, auf Umgebungstemperatur fluidisiert. Die
fluidisierten Teilchen unterbrechen einen isolierenden Dampffilm,
der sich um den abzukühlenden
Körper
bildet und steigern daher die Abkühlrate. Andere Dokumente beschreiben
ebenfalls das Abkühlen
heißer
Gegenstände
mittels eines fluidisierten Teilchenbetts. Ein Beispiel eines solchen Dokuments
ist die JP-A-306 44 21, welche das Abkühlen eines heißen Stahldrahtstabs
mittels eines fluidisierten Betts aus Metallteilchen offenbart.
Ein weiteres Beispiel ist die WO-A-00/17 405, welche das Abkühlen von
Stahldraht mittels eines fluidisierten Betts aus Oxidteilchen beschreibt.
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Die
JP-A-11 00 217 beschreibt ein Abschreckmittel, das aus Wasser, Polyethylenglykol, und
kolloidalem Siliziumoxid besteht. Das Abschreckmittel verkürzt die
Dampffilmstufe während der
Bildung von Martensit in einem Stahlgegenstand.
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Die
US-A-4 243 439 verwendet ein Abschreckmittel, das aus einer auch
wässrigen
Suspension eines Bindemittels und einer pulverigen Füllerkomponente
zum wahlweisen Modifizieren der Dichte, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit des Mittels zur Verwendung
beim Abschrecken von Aluminiumleggierungen von 525°C besteht.
Gemäß der Lehre
der US-A-4 243 439 steht die Anwesenheit der festen suspendierten
Teilchen der Bildung oder Stabilisierung eines wärmenden Films auf der Oberfläche der Gussteile
entgegen.
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Die
US-A-5 681 407 beschreibt ein Verfahren zum Abschrecken eines geschmiedeten
Metallgegenstands, der aus Aluminium, Eisen, Magnesium oder einer
Leggierung hiervon gebildet ist, wobei ein flüssiges Abschreckmittel (typischerweise
Wasser) eingesetzt wird. Das flüssige
Abschreckmittel enthält darin
absichtlich voraufgelöstes
Gas wie beispielsweise Kohlendioxid. Das Gas bewirkt kein Entsorgungsproblem
und hat eine gewisse Auswirkung beim Absenken der Abschreckrate.
Trotzdem erscheint dieses Verfahren immer noch für viele Konstruktionstähle unbefriedigend,
weil die maximale Abkühlrate
zu hoch ist, ebenso wie die Abkühlrate
bei der Temperatur (etwa 300°C),
bei welcher sich Martensit bildet.
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Es
sind zwei Probleme, die gelöst
werden müssen.
Zuerst besteht eine Notwendigkeit für ein thermisches Abschreckmedium
(ein Abschreckmittel), das dem Betreiber ein gewisses Maß an Steuerung
der Abkühlrate
für eine
gegebene Abschrecktemperatur ermöglicht.
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Zweitens
besteht im Falle von konstruktions- und anderen Stählen die
Notwendigkeit, ein Abschreckmittel zu finden, das niedrigere Abkühlraten möglich macht,
insbesondere bei Temperaturen im Bereich von 300°C, ohne Anlaß zu irgendwelchen ernsthaften
Entsorgungsproblemen zu geben.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, diese Probleme zu behandeln.
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung ist im Anspruch 5 definiert.
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Die
Abschreckrate kann durch Wählen
der Menge des Teilchenmaterials pro Volumeneinheit Wasser gewählt werden.
Je größer diese
Menge ist, desto niedriger ist die Abschreckrate. Wir glauben, daß in einem
statischen System ohne Agitation oder Verdrängung entweder des Wassers
oder des Metallgegenstands das anorganische teilchenförmige Material
beiträgt,
einen Dampffilm um die Oberfläche des
abzukühlenden
Gegenstands zu stabilisieren und dadurch die Abschreckrate zu steigern.
Die Abschreckraten können
weiter reduziert werden, wenn ein leicht lösbares Gas, wie beispielsweise
Kohlendioxid, aufgelöst,
vorzugsweise voraufgelöst,
in der Suspension vorhanden ist. Typischerweise ist die Suspension
mit dem leicht löslichen
Gas gesättigt. Überraschenderweise
unterbricht dies nicht den Dampffilm.
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Das
Teilchenmaterial ist vorzugsweise fein verteilt. Im wesentlichen
haben sämtliche
Teilchen eine Größe im Bereich
von 0,01 bis 10 Mikron. (1 Mikron = 0,001 mm). Das Teilchenmaterial
hat vorzugsweise eine Dichte im Bereich von 1 bis 5g/cm3.
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Anforderungen
für die
Auswahl des teilchenförmigen
Materials sind, daß es
unter den Bedingungen, denen es in dem Verfahren und in der Verwendung
nach der Erfindung ausgesetzt ist, inert sein sollte, und daß es auch
nicht toxisch und nicht karzinogen sein sollte. Keramische Materialien,
beispielsweise Oxide, Nitride und Boride, sind grundsätzlich für die Verwendung
als das Teilchenmaterial geeignet. Verschiedene Formen von Aluminiumoxid,
insbesondere Gamma-Aluminiumoxid, sind besonders geeignet.
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Vorzugsweise
sind pro 100 g Wasser 1 bis 12 g, mehr vorzugsweise 2 bis 8g des
teilchenförmigen Materials
in der Suspension vorhanden.
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Kohlendioxid
ist das Gas zum Auflösen
in der Suspension. Es ist reichlich in Wasser löslich. Andere Gase neigen dazu,
toxisch zu sein, oder sind relativ sparsam löslich. Schwefeldioxid gehört in die
erstere Kategorie, Stickstoff in die letztere.
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Die
Suspension des anorganischen teilchenförmigen Materials im Wasser
wird normalerweise in einem Bad gehalten, das ausreichende Kapazität hat, den
abzuschreckenden Metallgegenstand aufzunehmen, und das zur Atmosphäre offen
ist. Das Abschrecken wird daher vorzugsweise auf atmosphärischem
Druck durchgeführt.
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Die
Suspension des anorganischen teilchenförmigen Materials wird vorzugsweise
auf Umgebungstemperatur vor der Berührung mit den abzuschreckenden
Metallgegenstand gehalten, kann aber gewünschtenfalls auf einer niedrigeren
Temperatur oder einer höheren
Temperatur gehalten werden. Im allgemeinen wird eine Temperatur
im Bereich von 5°C
bis 50°C
bevorzugt.
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Die
Zeitdauer, während
welcher der Metallgegenstand eingetaucht wird, hängt von der Abkühlrate und
der Endtemperatur ab, auf welche der Metallgegenstand abgeschreckt
werden soll. Typischerweise dauert diese Periode 30 Sekunden bis
10 Minuten.
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Gewünschtenfalls
kann ein Biozid in der Suspension aufgelöst sein.
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Das
Abschreckmittel und das Verfahren nach der Erfindung sind zur Behandlung
von Leggierungen wie beispielsweise Konstruktionsstählen geeignet,
die während
des Abschreckens einer Austenit-Martensit-Umwandlung unterliegen
oder in sonstiger Weise eine relativ langsame Abkühlrate erfordern.
Des weiteren sind sie besonders zur Behandlung von hochleggierten
Stählen
oder Werkzeugstählen
geeignet, die nicht eine schnelle anfängliche Abkühlrate erfordern und die zur
Rissbildung neigen, wenn sie zu schnell abgekühlt werden. Beispiele solcher
Stähle
sind Molybdän-
oder Wolfram-Schnellschnittwerkzeugstähle. Das Abschreckmittel hat auch
den Vorteil, keine wesentlichen Entsorgungsprobleme zu verursachen.
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Die
Verwendung und das Verfahren nach der Erfindung werden nun beispielshalber
unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und die folgenden Zeichnungen
näher beschrieben,
in denen zeigt:
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1 eine
Grafik, welche bei verschiedenen Abschreckmitteltemperaturen maximale
Kühlraten für ein einfaches
Wasserabschreckmittel und für
zwei Abschreckmittel zur Verwendung nach der Erfindung vergleicht,
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2 eine
Grafik, welche die Auswirkung der Menge inerten Teilchenmaterials
in der Suspension auf die Abkühlrate
bei 300°C
zeigt,
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3 eine
Grafik ähnlich 2,
welche die gleiche Wirkung zeigt, wenn die Suspension mit Kohlendioxid
gesättigt
ist,
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4 eine
Grafik, welche die Abkühlrate zeigt,
wenn ein Stahlwerkstück
von 850°C
auf unter 100°C
in einem Abschreckmittel abgekühlt
wird, das für
die Verwendung bei der Erfindung geeignet ist, und alternativ in
einem mittleren (Viskosität) Öl.
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Beispiel:
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Die
folgenden Experimente wurden unter Verwendung eines Testwerkstücks (auch
als "Probe" bezeichnet) aus
Inconel (Handelsmarke) 200-Stahllegierung durchgeführt. Das
Testwerkstück
hatte die Form einer Standard-Wolfson-Abschreckprobe, wie sie von
Drayten Probe Systems, Trentham, Stoke-On-Trent, Staffordshire,
UK, unter der Handelsmarke "QuenchMaster" entsprechend dem
vorgeschlagenen internationalen Standard (ISO/DIS 9950 Entwurf)
geliefert wird. Die Probe wurde auf eine Innentemperatur von ungefähr, aber
nicht weniger als 850°C
erhitzt und wurde dann in ein offenes Bad des gewählten Abschreckmittels
eingetaucht. Die Experimente wurden auf einem statischen System
durchgeführt.
Es gab keine Verschiebung der Probe aus ihrer Eintauchposition,
bevor die Abkühlung
beendet war. Das Bad war ebenfalls statisch, das heißt es gab
keine heftige Agitation oder kein heftiges Rühren des Wassers.
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In
einem ersten Experiment wurde die maximale Werkstückabkühlrate bei
verschiedenen Abschreckmitteltemperaturen im Bereich von 0 bis 80°C gemessen,
wobei das Abschreckmittel entgastes Wasser war.
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Bei
einem zweiten Experiment wurde die maximale Werkstückabkühlrate bei
drei verschiedenen Abschreckmitteltemperaturen im Bereich von 15
bis 60°C
gemessen, wobei das Abschreckmittel eine Suspension aus Gamma-Aluminiumoxidteilchen
von 0,05 Mikron in Wasser mit einem Gewichtsverhältnis von Gamma-Aluminium zu
Wasser von 0,044 zu 1 war. Die Suspension wurde durch Verdünnen einer kommerziellen
Suspension hergestellt, die von Leco Instruments, Stockport, Cheshire,
geliefert wird.
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In
einem dritten Experiment wurde die maximale Werkstückabkühlrate bei
vier verschiedenen Abschreckmitteltemperaturen im Bereich von 0
bis 60°C
unter Verwendung desselben Abschreckmittels wie im zweiten Experiment
gemessen, wobei das Wasser wiederum mit Kohlendioxid durch Hindurchperlen
von Kohlendioxid durch das Bad während
einer Periode von 20 Minuten vor dem Eintauchen des Werkstücks in das
Abschreckmittel gesättigt
war.
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Die
Ergebnisse der drei Experimente sind in 1 gezeigt.
Die bei Temperaturen bis zu einschließlich 60°C erhaltenen Abkühlraten
waren in den Aluminiumoxid/Wasser- und Aluminiumoxid/Wasser/Kohlendioxid-Abschreckmitteln
beträchtlich
niedriger als in dem einfachen Wasserabschreckmittel. Im allgemeinen
werden Abschreckmitteltemperaturen oberhalb 60°C weniger bevorzugt, weil Schwierigkeiten
mit übermäßiger Dampferzeugung auftreten
können,
wenn die Temperatur des Abschreckmittels vor dem Eintauchen des
heißen
Werkstücks
näher an
den Siedepunkt von Wasser rückt.
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Wenn
die dritte Phase (gelöstes
Kohlendioxid) eingeleitet wurde, hat es sich gezeigt, daß die Wirkungen
des Kohlendioxids und des Aluminiumsoxids beim Vermindern der maximalen
Abkühlrate
sich im wesentlichen addierten.
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In
einer zweiten Gruppe von Experimenten wurde die Auswirkung von mehreren
verschiedenen Gewichtsverhältnissen
von Gamma-Aluminiumoxid zu Wasser bei einer anfänglichen Abschreckmitteltemperatur
von 40°C
auf die Abkühlrate
bei 300°C untersucht.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in graphischer Form in 2 dargestellt.
Es hat sich gezeigt, daß innerhalb
des untersuchten Bereichs (etwa 0,01:1 bis 0,11:1) die Abkühlrate mit
zunehmender Aluminiumoxidkonzentration von über 100°C/s auf weniger als 10°C/s abfiel.
Die Experimente wurden mit einer Suspension aus Gamma-Aluminiumoxid
in Wasser wiederholt, das mit Kohlendioxid gesättigt war. Wiederum hat sich
gezeigt, daß die
Abkühlrate mit
zunehmendem Gewichtsverhältnis
von Aluminiumoxid zu Wasser abfiel. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt.
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Der
Grund für
die Auswahl der Abkühlrate bei
einer Werkstücktemperatur
von 300°C
war, daß es
etwa diese Temperatur ist, bei welcher die Umwandlung von Austenit
zu Martensit stattfindet. Es ist daher besonders wichtig, daß um diese
Temperatur eine langsame Abkühlung
stattfinden sollte. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht das
Erreichen einer solchen langsamen Abkühlung und das Zuschneiden der
tatsächlichen
Abkühlrate
auf die Zusammensetzung des Werkstücks.
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Es
wurde festgestellt, daß,
wenn das Werkstück
aus dem Abschreckbad herausgenommen wurde, ein Teil des Aluminiumoxids
damit herausgezogen wurde. Die Menge des herausgezogenen Materials
nahm sichtbar mit zunehmendem Aluminiumoxid zu, aber es konnte leicht
durch Waschen mit Wasser entfernt werden. Bei niedrigeren Aluminiumoxidkonzentrationen
war ein gewisses leichtes Rühren
erforderlich, um das Aluminiumoxid in Konzentration zu halten.
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Bei
einer dritten Gruppe von Experimenten wurde die Werkstückabkühlkurve
für ein
Abschreckmittel nach der Erfindung (eine Suspension von Gamma-Aluminiumoxidteilchen
von 0,05 Mikron in Wasser mit einem Gewichtsverhältnis von 0,067:1, wobei das
Wasser anfänglich
auf einer Temperatur von 40°C
war und bei dieser Temperatur mit Kohlendioxid gesättigt wurde)
aufgetragen und mit der Werkstückabkühlkurve
für ein
mittleres Ölabschreckmittel
verglichen. Die beiden Kurven sind in 4 gezeigt.
Die maximale Abkühlrate
tritt bei einer viel niedrigeren Temperatur bei dem Abschreckmittel nach
der Erfindung auf als bei dem mittleren Ölabschreckmittel. Vorzugsweise
wird eine höhere
Konzentration von Aluminiumoxid gewählt, um so die Spitze in der
Abkühlrate
bei etwa 300°C
zu eliminieren. Aus 2 ist ersichtlich, daß Gewichtsverhältnisse
von Alumini umoxid zu Wasser von 0,10:1 verwendet werden können, um
ein solches Ergebnis zu erhalten.
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Die
oben dargestellten Ergebnisse demonstrieren, daß Suspensionen von inertem
teilchenförmigen
Material in Wasser geeignete Abschreckmittel zur Verwendung bei
Wärmehandlungsprozessen sind.
Die Suspension ist mit Kohlendioxid gesättigt.