DE60217344T2

DE60217344T2 - Verfahren zum abschrecken von stahl mittels druckluft

Info

Publication number: DE60217344T2
Application number: DE60217344T
Authority: DE
Inventors: Francis Fromont; Michel Gantois; Daniel Zimmermann
Original assignee: Serthel
Current assignee: Serthel
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2022-06-21
Also published as: WO2003000939A1; CN1289695C; FR2826374B1; CN1545564A; EP1404882A1; FR2826374A1; MXPA03012026A; US20050000597A1; ATE350497T1; EP1404882B1; DE60217344D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Stählen durch Druckluft, mit dem identische metallurgische Merkmale wie mit der Härtung mit Öl gewährleistet werden können und mit dem insbesondere die Oberflächenentkohlung nach einer bei atmosphärischem Druck vorgenommenen Zementierungs- oder Carbonitrierungsbehandlung vermieden werden kann.
Die Härtungsverfahren mit Druckgas besitzen zahlreiche Vorteile gegenüber den Härtungsverfahren durch Flüssigkeiten, und zwar vor allem da die Werkstücke nach der Härtung sauber und trocken sind.
Zahlreiche Artikel wurden der Härtung von Stählen mit Druckgas gewidmet, und es gibt heute mehrere Vorrichtungen, die sich durch den Aufbau der Härtungszelle und die Natur der verwendeten Gase unterscheiden, wobei das Ziel darin besteht, die höchstmögliche Härtungswirksamkeit zu erhalten, d.h. die höchste Kühlgeschwindigkeit, um die Kühlgeschwindigkeiten zu erreichen, die mit Flüssigkeiten wie Ölen, wässrigen Lösungen oder geschmolzenen Salzen erreicht werden. Zu diesem Zweck erhöht man den Massedurchsatz des an der Oberfläche des zu kühlenden Werkstücks strömenden Gases, indem seine Geschwindigkeit und sein Druck erhöht werden.
Das am häufigsten verwendete Gas ist Stickstoff, da es chemisch inert ist und seine relativ akzeptablen Kosten es erlauben, es nicht nach jedem Härtungsgang zu rezyklieren. Meistens wird es unter Drücken zwischen 1 und 10 bar verwendet.
Es wurden auch andere Inertgase vorgeschlagen. So schlägt das europäische Patent 0 313 888 vor, Leichtgase wie Helium oder Wasserstoff mit höheren Drücken (20 bar und mehr) zu verwenden. Die Verwendung dieser Leichtgase hat bei gleichwertigen Leistungen zur Folge, dass die Leistung der Motoren, die ihren Umlauf gewährleisten, begrenzt werden. Diese Gase sind jedoch entweder besonders kostspielig, was, wie bei Helium, eine Rezyklierung erfordert, oder besonders gefährlich, wie Wasserstoff.
Alle im Stand der Technik vorgeschlagenen Gase unterscheiden sich durch ihre physikalischen Merkmale: molare Masse, Wärmeleitfähigkeit usw., aber sie sind alle gegenüber einem Stahl, der vor der Härtung auf hohe Temperatur gebracht wurde, chemisch inert. Das Ziel ist, die Oberflächenoxidation und -entkohlung des Stahls zu vermeiden.
Die zur Durchführung einer Härtung mit Druckgas eingesetzten Vorrichtungen umfassen alle eine Turbine, die das Strömen des Gases auf den Werkstücken gestattet. Das Gas wird dann durch Durchgang über einen Wärmetauscher gekühlt und dann zur Werkstückcharge rückgeleitet.
Die Anmelderin hat sich zum Ziel gesetzt, zur Durchführung der Härtung aufgrund ihrer niedrigen Kosten und ihrer Verfügbarkeit Druckluft zu verwenden. Ihre Verwendung verursacht jedoch ein größeres Problem. Der Sauerstoff ist chemisch sehr reaktiv gegenüber Stahl hoher Temperatur und bewirkt gewöhnlich eine Oberflächenentkohlung, die industriell unannehmbar ist.
Bekanntlich bilden sich, wenn Stähle auf hoher Temperatur und insbesondere zwischen 700 und 1100°C gehalten werden, Oxidschichten, häufig "Zunder" genannt, deren Wachstum sehr schnell ist. Ihre Dicke kann nach einigen Minuten Aussetzung an die Luft mehrere 10 Mikrometer erreichen. Diese Oxidschichtbildung ist auch von einer Oberflächenentkohlung des Stahls begleitet, die für seine metallurgischen Merkmale und seine mechanischen Eigenschaften nachteilig ist.
Die Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren und seine Durchführungsmodalitäten, die die Durchführung einer Härtung von Stählen nach einer bei atmosphärischem Druck durchgeführten Zementierungs- oder Carbonitrierungsbehandlung mit Druckluft von Temperaturen zwischen 700 und 1100°C an gestatten, wobei eine solche Härtung zu denselben metallurgischen Merkmalen wie eine Ölhärtung führt, und zwar von der Oberfläche des Stahls an, d.h. indem jede Oberflächenentkohlung vermieden wird.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Härten einer Stahlcharge, umfassend die folgenden Schritte:

– Extraktion der Charge aus einem mit atmosphärischem Druck arbeitenden Zementierungs- oder Carbonitrierungsbehandlungsofen mit einer Temperatur zwischen 750°C und 110°C,
– Übertragung der Charge zu einer Härtungszelle,
– Einführung eines Härtungsfluids unter einem Druck, der höher als der atmosphärische Druck ist, und In-Umlauf-Bringen des Fluids in der Zelle,
– Kühlung der Charge bis zu einer Temperatur unter 400°C, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vorwiegend aus Luft mit einem Druck zwischen 3 und 40 bar besteht und das Werkstück mit einer Temperatur von höchstens 400°C in einer solchen Zeit nach Austritt aus dem Ofen zugeführt wird, dass sich eine Wüstitschicht mit einer Dicke kleiner als 12 μm bildet, die eine Sperre gegen die Entkohlung des Stahls bildet.

In der vorliegenden Beschreibung gilt, dass keine Entkohlung des Stahls stattgefunden hat, wenn der auf einer Dicke von 60 μm von der Oberfläche an gemessene Kohlenstoffgehalt konstant bleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet insbesondere die Härtung von Kohlenstoffstählen, zementierten Stählen, carbonitrierten Stählen und Werkzeugstählen mit Druckluft.
Die Schrift DE 299137514 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken aus Stahl, das die Schritte der Behandlung in einem Ofen, des Austritts der Werkstücke mit 940°C und Aussetzung an die Umgebungsluft, der Härtung unter einer Luftdusche, um in 10 Sekunden eine Temperatur von 60-70°C zu erreichen, umfasst. Diese Technik gestattet die Bildung von Fe₃O₄ und Fe₂O₃, aber nicht von FeO.
Die Erfindung beruht auf der folgenden Beobachtung. Die Oxidation eines Kohlenstoffstahls bei Temperaturen von nahe 900°C führt zur Bildung einer Oxidschicht vom Typ Wüstit (unterstöchiometrisches FeO). Die Dicke dieser Schicht nimmt mit der Zeit regelmäßig zu, um nach einer Minute in ruhiger Luft 10 bis 12 μm zu erreichen. Man schätzt, dass eine Wüstitoxidschicht mit einer Dicke von 1 μm in der Luft nach 5 Sekunden gebildet wird. Ihre Dicke beträgt etwa 4 μm nach 20 Sekunden bei 870°C, der gewöhnlichen Temperatur bei Beginn der Härtung von zementiertem oder carbonitrierten Stählen.
Man stellt ferner nach 20 Sekunden und in Gegenwart einer Atmosphäre, deren Kohlenstoffpotential bei 870°C unter 0,1 % liegt, fest, dass die von der Entkohlung betroffene Schicht etwa 20 μm beträgt. Diese Entkohlungserscheinung tritt auf, wenn das Kohlenstoffoxid sich in die Atmosphäre freisetzen kann. Aus der Reaktion ergibt sich 1/2 O₂ + C → CO, worin C der im Stahl gelöste Kohlenstoff ist.
Man vermeidet nun die Entkohlung der Oberflächenschichten des Stahls, indem man eine Sperre bildet, die sich jeder Kohlenstoffoxidfreisetzung widersetzt. Aufgrund der kurzen Zeit, über die man verfügt, muss diese Sperre schnell gebildet werden.
Die Erfindung bestand darin, dass man erkannte, dass die Oxidschicht vom Typ Wüstit diese Rolle in dem Maße spielen kann, in dem sie an der Oberfläche des Stahls ausreichend haftet.
Eine Dicke von 1 μm genügt, um die Bildung von CO beträchtlich zu verhindern.
Bei Fehlen einer schnellen Temperaturänderung (thermischer Schock) wird eine gute Haftung der Oxidschicht erhalten, solange ihre Dicke kleiner als 10-12 μm bleibt, und vorzugsweise wenn die Dicke kleiner als 4 bis 5 μm ist. Man verfügt also in Nähe der gebräuchlichen Härtungstemperaturen über einen Zeitraum von 20 bis 40 Sekunden, während dessen die gebildete Eisenoxidschicht sich wie eine Sperre verhält, die sich jeder Kohlenstoffoxidfreisetzung widersetzt, wodurch jede beträchtliche Entkohlung der Oberfläche des Stahls vermieden werden kann.
Gemäß einem anderen Merkmal der erfindungsgemäß wird die Charge, die aus Stahlstücken besteht, die auf der Härtungsanfangstemperatur gehalten werden, an der Luft übertragen, in die Härtungszelle eingeführt und wird die Härtung so begonnen, dass die Oberfläche der Werkstücke in einer Zeit von weniger als 40 Sekunden, vorzugsweise weniger als 20 Sekunden, auf eine Temperatur unter 600°C gebracht wird.
Das Härtungsfluid in der Zelle steht unter einem Druck, der 40 bar erreichen kann und wird mit Geschwindigkeiten in Bewegung gesetzt, die 20 m/s erreichen können, und zwar in einigen Sekunden. Das Härtungsfluid besteht im Wesentlichen aus Luft. Man kann ihm andere Bestandteile zusetzen, die dazu bestimmt sind, die Wärmeübertragungen zu verbessern.
Man hat die Temperatur der Oberfläche der Werkstücke bei der Härtung gemessen. Sie sinkt auf einen Wert unter 700°C in weniger als 2 Sekunden und auf einen Wert unter weniger als 600°C in weniger als 4 Sekunden und weniger als 400°C in weniger als 10 Sekunden. Bei einer Temperatur unter 600°C ist die Geschwindigkeit der Diffusion des Kohlenstoffs im Stahl derart langsam, dass die Entkohlungserscheinung nicht mehr beobachtet wird.
Andere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht begrenzenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, die von der beiliegenden Zeichnung begleitet wird. In dieser zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung,
2 ein Diagramm, das die Profile der Kohlenstoffkonzentration von Oberflächenschichten von zementierten und einerseits erfindungsgemäß gehärteten und andererseits mit Öl gehärteten Stählen zeigt,
3 ein Diagramm, das die Mikrohärteprofile von Oberflächenschichten von zementierten und einerseits erfindungsgemäß gehärteten und andererseits mit Öl gehärteten Stählen zeigt.
Die Vorrichtung von 1 umfasst einen an sich bekannten Behandlungsofen.
Es kann sich um einen Ofen 1 zur Zementierung oder Carbonitrierung in einem kontinuierlichen Verfahren oder in einem Batchverfahren handeln, um einen Schachtofen, einen Glockenofen, wobei diese Öfen die thermochemischen Behandlungen bei atmosphärischem Druck durchführen.
Auf derselben Platte in einigem Abstand ist eine Zelle 3 zur Härtung durch ein Gasfluid dargestellt. Diese Zelle ist durch eine Tür 31 luftdicht geschlossen. Im Inneren wird ein mit Blättern 33, beispielsweise Zentrifugal- oder Schraubenblättern, versehener Rotor, Turbine genannt, durch einen Elektromotor 35 in Drehung versetzt. Die Turbine hat die Aufgabe, das in der Kammer enthaltene gasförmige Härtungsfluid in Bewegung zu setzen. Dieses wird durch Leitorgane 37 in der mit den Pfeilen dargestellten Richtung oder in der entgegengesetzten Richtung geführt. Das Gas passiert ein Wärmetauschmittel 39. Zur Durchführung der Härtung setzt man die mit dem Block A4 dargestellte Charge in die Zelle, die man luftdicht verschließt, wie mit unterbrochener Linie dargestellt ist. Man füllt die Zelle mit Gas bis zu dem gewünschten Druck, zwischen 1 und 40 bar, und setzt es durch die Turbine 33 in Bewegung. Der Druck ist vorzugsweise höher als 3 bar und liegt insbesondere je nach der Natur der zu behandelnden Stücke zwischen 5 und 20 bar. Geeignete Ablenkorgane leiten das relativ kalte Gas zur Charge A4. Nachdem der Charge Wärme entzogen wurde, wird es zur Turbine geleitet. Es passiert den Wärmetauscher, wo es auf die Härtungstemperatur zurückgebracht wird.
Bei dem Beispiel von 1 sind der Wärmetauscher und die Turbine im Inneren der Zelle angeordnet. Sie können jedoch auch außerhalb von dieser angeordnet sein.
Die zu behandelnde Charge kann beispielsweise aus Zahnrädern oder Ritzelwellen bestehen.
Ein Manipulator 40 ist zwischen dem Ofen und der Zelle angeordnet. Er hat die Aufgabe, die Charge aus dem Ofen aufzunehmen und sie auf den Halter der Zelle zu setzen. Es sind die einzelnen Stellungen der Charge zwischen A0, in der sie noch im Ofen ist, und A4, in der sie sich auf ihrem Halter während der Härtung befindet, dargestellt.
Der Manipulator umfasst eine Platte 41, die sich um eine vertikale Achse drehen und in der Höhe bewegt werden kann. Die Platte 41 trägt einen Arm 43, der sich in einer horizontalen Ebene bewegen kann und eine zu behandelnde Charge aufnehmen kann. Der Arm 43 ist zwischen einer äußeren Stellung, in der er die Charge aufnimmt oder ablegt, und einer inneren Stellung beweglich, in der die Charge in einer Schutzglocke 45 untergebracht ist.
Der Arbeitszyklus ist der folgende:

– Die Charge befindet sich bei A0 im Inneren des Ofens 1 auf ihrer Behandlungstemperatur. Man öffnet die Tür des Ofens.
– Der Arm 43 befindet sich gegenüber der Öffnung. Man fährt den Arm aus, auf den die Charge aufgesetzt wird. Man fährt den Arm ein. Die Charge gelangt in die Stellung A1 unter der Glocke 45.
– Die Platte verschwenkt sich, um die Charge in die Stellung A2 gegenüber dem Halter 31 zu bringen.
– Man fährt den Arm aus, der die Charge auf dem Halter 31 in Stellung A3 absetzt.
– Der Halter bewegt sich, bis er in das Innere der Zelle gelangt. Die Charge gelangt in die Stellung A4. Ihre Temperatur hat seit ihrem Austritt aus dem Ofen nicht wesentlich abgenommen.
– Die Härtung wird in Gang gesetzt.

Erfindungsgemäß beträgt die Zeit, die zwischen dem Beginn des Zyklus und der ersten Phase der Härtung, die die Oberflächentemperatur der Charge auf 600°C bringt, abgelaufen ist, weniger als 40 Sekunden, eine Zeit, während der sich eine Oxidschicht gebildet hat und eine Sperre gegen die Entkohlung der Charge bildet. Insbesondere gestattet die Manipulation die Übertragung zwischen dem Ofen und der Zelle in weniger als dreißig Sekunden.
Es wurden Werkstücke geprüft, die der erfindungsgemäßen Härtungsbehandlung unterzogen worden waren. Die metallurgischen Untersuchungen, die an den unter den oben beschriebenen Bedingungen an der Luft gehärteten carbonitrierten Zahnrädern und Ritzelwellen durchgeführt wurden, zeigen:

– dass die an der Zahnflanke und am Zahnfuß durchgeführten Mikrohärteprofile denjenigen gleichwertig sind, die nach einer direkten Härtung bei 870°C in Öl erhalten wurden. Das Diagramm von 3 zeigt, dass die in VICKERS ausgedrückten Mikrohärtewerte, die in verschiedenen Tiefen an einem mit einer Lufthärtung behandelten Werkstück einerseits und an einem mit Öl behandelten Werkstück andererseits gemessen wurden, quasi identisch sind.
– dass die mit Druckluft gehärteten Werkstücke keine Entkohlung zeigen. 2 zeigt die Kohlenstoffkonzentrationsprofile, die an einem Zahnrad auf Höhe einer Zahnflanke und von Zahnfüßen erstellt wurden. Die Profile sind zwischen der Ölhärtung und der Lufthärtung gleichwertig. Sie sind charakteristisch für eine gehärtete zementierte Schicht ohne Oberflächenentkohlung. Eine erste Serie von Messungen bezieht sich auf ein Werkstück, das einer Carbonitrierungsbehandlung unterzogen wurde, worauf eine Lufthärtung bei 870°C folgte. Eine zweite Serie von Messungen bezieht sich auf ein Werkstück, das einer Carbonitrierungsbehandlung unterzogen wurde, auf die eine Ölhärtung folgte.
– dass die Härtung unter Druckluft die Bildung einer Oxidschicht bewirkt, deren Dicke 6 μm beträgt.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren, bei dem die Übertragung unter einer Schutzatmosphäre durchgeführt wird und dessen Härtung mit Luft unter einem höheren Druck als dem atmosphärischen Druck durchgeführt wird. In diesem Fall wird die Entkohlung im Wesentlichen auf dem Niveau der Härtung durch die Bildung einer Oxidschicht während der ersten Phasen der Härtung vermieden.
Die vorliegende Erfindung deckt auch ein Verfahren, bei dem das Härtungsfluid Luft ist, der man ein seine Dichte und/oder seine Wärmeleitfähigkeit modifizierendes Gas zugesetzt hat.
Die vorliegende Erfindung deckt auch ein Verfahren, bei dem das Härtungsfluid Luft ist, der man eine zerstäubte Flüssigkeit zugesetzt hat, die das Kühlen der Werkstücke durch ein Zweiphasengemisch gestattet.

Claims

Verfahren zum Härten einer Stahlcharge nach einer bei atmosphärischem Druck durchgeführten Zementierungs- oder Carbonitrierungsbehandlung, umfassend die folgenden Schritte: a. Man extrahiert die Charge aus einem Behandlungsofen (1) mit einer Temperatur zwischen 750°C und 1100°C, b. man überträgt die Charge in eine Härtungszelle (3), c. man führt ein Härtungsfluid unter einem Druck ein, der höher als der atmosphärische Druck ist, und bringt es im Inneren der Zelle in Umlauf, d. man kühlt die Charge auf eine Temperatur unter 400°C, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in der Härtungszelle vorwiegend aus Luft mit einem Druck zwischen 3 und 40 bar besteht und das Werkstück mit einer Temperatur von höchstens 400°C in einer solchen Zeit nach Austritt aus dem Ofen (1) zugeführt wird, dass sich eine Wüstitschicht mit einer Dicke kleiner als 12 μm bildet, die eine Sperre gegen die Entkohlung des Stahls bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung in der freien Luft stattfindet und die Temperatur der Charge in weniger als vierzig Sekunden, vorzugsweise in weniger als zwanzig Sekunden, auf 600°C gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der gebildeten Wustitschicht kleiner als 5 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung unter Schutzatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Gemisch aus Luft und einem Gas ist, das seine Dichte und/oder seine Wärmeleitfähigkeit ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein zweiphasiges Gemisch aus Luft/zerstäubte Flüssigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Härtungsfluid unter einem Druck zwischen 5 und 20 bar steht.