EP0632137B1 - Verfahren zur thermischen Vorbehandlung von metallischem Gut - Google Patents

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EP0632137B1
EP0632137B1 EP94107705A EP94107705A EP0632137B1 EP 0632137 B1 EP0632137 B1 EP 0632137B1 EP 94107705 A EP94107705 A EP 94107705A EP 94107705 A EP94107705 A EP 94107705A EP 0632137 B1 EP0632137 B1 EP 0632137B1
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Hans-Georg Dr.-Ing. Diplom Ing. Bittner
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Dr Hans-Georg Bittner
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Heimsoth Verwaltungen & Co KG Beteiligungsgesellschaft GmbH
Heimsoth Verwaltungen GmbH and Co KG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals

Definitions

  • the invention relates to methods for heat treatment of metallic goods (e.g. easily warped Steel parts such as sheet metal, round blanks and the like Like.) by means of a Roller oven and presses interacting with it (so-called Quetten), at which the good to a predetermined temperature brought and between press parts with predetermined Cooling rate curve is cooled.
  • metallic goods e.g. easily warped Steel parts such as sheet metal, round blanks and the like Like.
  • the blank is brought to the desired temperature quenched, which requires a quenching medium, namely air, water, salt baths and oil.
  • a quenching medium namely air, water, salt baths and oil.
  • Quetten It is also known to be subjected to quenching of presses, so-called Quetten. It deals are metal parts, e.g. B. cylinder blocks when it comes to the hardening of saw blade blanks goes. These metal parts press the blank from both sides during the Cooling process. It is in this context too known to cool the press parts or the cylinders, be it with water or oil in order to obtain a cheap, to achieve rapid cooling rate progress.
  • the amount of temperature depends on the materials chosen, it is also depending on whether the object to be hardened is now large Dimensions in an extension has a smaller thickness or whether it is more or less compact blanks. The same applies to the temperature.
  • the aforementioned Process parameters can be determined by simple tests so that optimal values are achieved.
  • the blanks arranged between press parts be, the pressure of the two press parts on each other or is controlled in a time-dependent manner on the blank.
  • a High pressure phase is followed by a decrease in pressure so that only the dead weight of the upper press on the blank acts, and it is precisely this pressure drop that leads to this has resulted in the blanks even with unfavorable Dimensioning relationships are treated without delay can.
  • the method according to the invention can also be based on blanks such steels can be used, which have also been used to date Air can be hardened. In this context it shows a significantly lower energy expenditure for the couples according to the Invention.
  • the process can be used on blanks with a thickness of up to 20 mm be applied and shows in this context its Superiority to known methods, especially in required energy expenditure.
  • roller furnaces which can be used according to the invention can be applied to the desired conditions, they are roller ovens known that the temperature range from 850 to 1350 ° C. deal with.
  • the structure too corresponds to a tough and good structure.
  • the main idea is that Hardening and simultaneous straightening or distortion-free hardening the blanks, as well as recycling from hardening Round materials by inserting them into a mold to the known one Hardening flat products.
  • Drills were previously hardened in salt baths. By Environmental protection requirements have to be met by the salt baths in Pass over vacuum ovens. These vacuum furnaces do not guarantee anything distortion-free hardening, and on the other hand, by the lower cooling rate not the very high Hardness value achieved.
  • the invention relates in particular to the hardening of Steel workpieces and preferably on distortion-free hardening of flat products, whatever steel they are made of.
  • the temperature in the Roller furnace guided so that the The temperature of the goods only slightly decreases and the goods still into the hardening presses above the austenitizing temperature reached.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischem Gut (z. B. sich leicht verziehenden Stahlteilen wie Blech, Ronden u. dgl.) mittels eines Rollenofens und mit diesem zusammenwirkenden Pressen (sog. Quetten), bei welchem das Gut auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht und zwischen Pressenteilen mit vorbestimmtem Abkühlungsgeschwindigkeitsverlauf abgekühlt wird.
Zur thermischen Behandlung von Stählen, insbesondere auch zum Härten, ist es bislang üblich, daß die Rohlinge auf die Austenitisierungstemperatur gebracht werden. Hierzu werden mehrere Salzbäder eingesetzt, die auf eine feste Temperatur eingestellt werden und die von einem Rohling nacheinander durchlaufen werden.
Der auf die gewünschte Temperatur gebrachte Rohling wird abgeschreckt, wozu ein Abschreckmedium erforderlich ist, nämlich neben Luft, Wasser, Salzbäder auch Öl.
Das Abschrecken bestimmter Stähle (z. B. höher und niedrig legierter Werkzeugstähle) an Luft ist nicht möglich, weil mit Hilfe der Luft nicht genügend Wärme in ausreichend kurzer Zeit dem Rohling entnommen werden kann. Es gibt also eine Reihe von Stählen, bei denen man auf den Einsatz von Salzbädern und Öl zum Abschrecken angewiesen ist. Diese Verfahren sind im Hinblick auf die heutigen Umweltvorstellungen sehr bedenklich, wobei auch zu berücksichtigen ist, daß das Abschrecken in Wasser durch die im Wasser vorhandenen Bestandteile in dieser Hinsicht problematisch ist.
Es ist auch bekannt, den Abschreckvorgang unter der Einwirkung von Pressen, sogenannten Quetten, durchzuführen. Es handelt sich hierbei um Metallteile, z. B. Zylinderblöcke, wenn es um das Härten von Sägeblatt-Rohlingen geht. Diese Metallteile drücken von beiden Seiten auf den Rohling während des Abkühlvorganges ein. Es ist in diesem Zusammenhang auch bekannt, die Pressenteile bzw. die Zylinder zu kühlen, sei es mit Wasser oder Öl, um auf diese Art und Weise einen günstigen, raschen Abkühlungsgeschwindigkeitsverlauf zu erzielen.
Härterei Technische Mitteilungen, Bd.45, Nr. 6, Dezember 1990, Seiten 325-329 offenbart ein Verfahren zur abschreckmittelfreien Wärmebehandlung von Stahlteilen mittels eines Rollenofens und einer sich daran anschließenden Pressenabkühlungeinrichtung.
Bei dem vorangehend geschilderten Wärmebehandlungsvorgang geht es nicht allein um die Härte eines Rohlings, es soll auch ein gleichförmiges Gefüge angestrebt werden, das sich möglichst über den Querschnitt gleichmäßig verteilt, wobei sogenannte Abkohlungszonen in den Rohlingen unerwünscht sind, weil sie bei großflächigen und dünnen Rohlingen dazu führen, daß sich der Rohling später verzieht.
Es ist das Bestreben der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem Rohlinge aus Stahl thermisch behandelt werden können, ohne daß hierzu der Einsatz von Öl als Abschreckmedium erforderlich wäre.
Erreicht wird dies durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach Anspruch 1 finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Für die eine Gruppe der Verfahren gemäß der Erfindung wesentlich sind vor allen Dingen zwei Merkmale:
Es geht darum, einen Hochtemperaturbereich vorzusehen, der deutlich höher liegt, als bei denjenigen Temperaturen, bei denen bisherige Wärmebehandlungseinrichtungen arbeiten. In der Technik allgemein besteht das Vorurteil, daß man einen solchen hohen Temperaturbereich im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung von Stählen vermeiden sollte, da eine solche Temperatur u.a. Veränderungen des Kohlenstoffgehaltes, Verzunderungen und Verziehen der Rohlinge mit sich bringt. Durch die Erfindung ist jedoch erkannt worden, daß ein solch hoher Temperaturbereich im Hinblick auf die oben aufgeführten Probleme nicht nur unschädlich ist, sondern darüber hinaus auch zu erheblichen Vorteilen führt, nämlich dadurch, daß nunmehr selbst solche Stähle bearbeitet und insbesondere gehärtet werden können, die bislang beim Abschrecken nur unter Öl zu den gewünschten Eigenschaften führten. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang, daß der Bereich besonders hoher Temperaturen mit einer hohen Geschwindigkeit durchlaufen wird, wobei diese Geschwindigkeit den sonstigen Bedingungen, insbesondere der Form und Gestalt den Rohlingen angepaßt ermittelt wird. Die Höhe der Temperatur ist von den gewählten Materialien abhängig, sie ist auch abhängig davon, ob der zu härtende Gegenstand nun bei großen Dimensionen in einer Erstreckung eine geringere Dicke hat oder ob es sich um mehr oder weniger kompakte Rohlinge handelt. Entsprechendes gilt auch für die Temperatur. Die vorgenannten Verfahrensparameter können durch einfache Versuche ermittelt werden, so daß optimale Werte erzielt werden.
Es hat sich herausgestellt, daß bei optimal eingestellten Bedingungen der Energieaufwand pro Werkstück geringer ist, als bei bekannten Verfahren, wenngleich dort mit niedrigen Temperaturen gearbeitet wird.
Weiterhin ist für die vorliegende Erfindung wesentlich, daß beim Abkühlen die Rohlinge zwischen Pressenteilen angeordnet werden, wobei der Druck der beiden Pressenteile aufeinander bzw. auf den Rohling zeitlich abhängig gesteuert wird. Auf eine Phase hohen Druckes folgt eine Herabsetzung des Druckes, so daß lediglich das Eigengewicht der oberen Presse auf den Rohling einwirkt, und es ist gerade diese Druckabsenkung, die dazu geführt hat, daß die Rohlinge selbst bei ungünstigen Dimensionierungsverhältnissen verzugsfrei behandelt werden können.
Weiterhin hat sich herausgestellt, daß bei optimal eingestellten Bedingungen (Temperatur und Geschwindigkeit in der Schnellabzugszone und Druckverhältnisse beim Abkühlen) die einzelnen Rohlinge abkohlungsfrei sind, so daß ein besseres Gefügebild entsteht und daraus resultierend überlegene Eigenschaften festgestellt werden konnten.
Es ist weiterhin wesentlich für die vorliegende Erfindung, daß eine Abkühleinheit und eine Quetten- bzw. Presseneinrichtung fest mit einem Rollenofen verbunden worden sind. Auf diese Art und Weise kann auf die optimale Abkühlung abgestellt werden. Auch hier liegt eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Erfindung darin, daß die Eigenschaften des bearbeiteten Rohlings davon abhängig sind, bei welcher Temperatur der Rohling die Schnellabzugszone mit welcher Geschwindigkeit durchlaufen hat.
Bei einer Vorrichtung, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet, befindet sich am Ausgang des Rollenofens mindestens eine Quetteneinheit, vorzugsweise zwei, die wechselweise mit den sich auf der entsprechenden Temperatur befindlichen Rohlingen beschickt werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, ausreichend lange Abkühlvorgänge durchzuführen und dennoch an den Durchsatz des Rollenofens angepaßt zu arbeiten.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch auf Rohlinge aus solchen Stählen angewendet werden, die bislang auch schon an Luft gehärtet werden können. In diesem Zusammenhang zeigt sich ein deutlich geringerer Energieaufwand bei den Paaren gemäß der Erfindung.
Das Verfahren kann auf Rohlinge mit Dicken bis zu 20 mm angewendet werden und zeigt in diesem Zusammenhang seine Überlegenheit zu bekannten Verfahren, insbesondere beim erforderlichen Energieaufwand.
Es ist daran gedacht, im Zusammenhang mit der Handhabung der Rohlinge geeignete Maschinen und Roboter einzusetzen, so daß auch hier definierte Zeit- und Temperaturbedingungen eingehalten werden.
Es zeigt sich, daß bei dem Verfahren gemäß der Erfindung bei vielen Stählen nur eine ganz geringe Zunderschicht entsteht und daß diese leicht abplatzt. Daher kann im Anschluß an das Verfahren gemäß der Erfindung eine Arbeitsstufe vorgesehen werden, bei welcher mit Hilfe von Druckluft der Zünder von dem Rohling entfernt wird.
Die gemäß der Erfindung verwendbaren Rollenöfen können auf die gewünschten Bedingungen eingestellt werden, es sind Rollenöfen bekannt, die den Temperaturbereich von 850 bis 1350°C bewältigen.
Es hat sich herausgestellt, daß nicht allein das schnelle Härten von Werkzeugstählen, sondern auch das verzugsfreie Härten aller Stahlsorten der wesentliche Punkt des Verfahrens gemäß der Erfindung ist. Insbesondere können hier Flachprodukte verzugsfrei gehärtet werden.
Es müssen zwei unterschiedliche Phänomene voneinander getrennt werden:
  • a) Das schnelle Härten in sogenannten Schnellhärtepressen
  • b) Das verzugsfreie Härten von Stahlmaterialien
  • a) Beim schnellen Härten wird die Austenitisiertemperatur, die bei den normal üblichen Werkzeugstählen vorliegt, deutlich erhöht. Die Erhöhung in etwa liegt hier zwischen 100 - 200 K. Durch diese Erhöhung kann die Austenitisierzeit sehr stark verkürzt werden. Wesentlicher Grund dieser starken Temperaturerhöhung ist es, zu gewährleisten, daß das Material unter der Presse noch nicht die Umwandlungstemperatur HC3 unterschritten hat. Dieses bedeutet, daß nach Beendigung der Austenitisierung das Material schnell den Ofen verläßt und unter die Härtepressen gelangt. Die Transportgeschwindigkeit beträgt in diesen Fällen 250 mm/sec. Um eine ungleichmäßige Abkühlung von Rand und Mitte zu verhindern, ist die Auslaufrollenbahn isoliert und stellt einen Tunnel dar. Dieses ist ein wesentlicher Punkt, schwierige Werkzeugstähle zu härten. In der Regel ist der Rand nämlich oft schon wesentlich kälter, als die Mitte. Wesentlich ist, daß das Material einer Ronde mit nahezu gleicher Temperatur Rand - Mitte in die Härtepresse eingelegt wird und nach Schließen der Härtepresse gleichmäßig abkühlt. Werden diese Maßnahmen nicht ergriffen, so hat sich gezeigt, daß die Randbereiche der Materialien schon so kalt geworden sind, daß sie eine wesentlich geringere Härte und ein nicht ausreichend vorliegendes Martensitgefüge aufweisen.
  • b) Das verzugsfreie Härten wird insbesondere im Härteofen eingestellt. Durch das Einstellen einer bestimmten Temperaturdifferenz in der Austenitisierzone oberhalb und unterhalb der Rollenbahn kann eine derartige Erwärmung gewährleisten, daß sich das Material nicht verzieht. Einerseits wird durch diese Maßnahme bewirkt, daß sich die Temperaturen auf dem Weg zu den Härtepressen so verändern und daß unterhalb und oberhalb des Materials beim Beginn der Abkühlung in den Härtepressen diese Temperatur gleich ist. Auf der anderen Seite wird durch diese Maßnahme die relative Oberflächenbeschädigung gleichgehalten.
    • Diese beiden Punkte a und b sind wesentliche Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung.
    Es hat sich herausgestellt, daß eine sehr hohe Abkühlwirkung erreicht wird, wenn eine bestimmte Dicke der Metallplatte vorliegt, die allerdings so gering wie möglich ausfallen muß (hohe Abkühlgeschwindigkeit und so dick wie nötig). Auch die Temperatur des Kühlwassers der indirekten Kühlung der Härtepressen ist von entscheidender Bedeutung. Sie muß je nach Material entsprechend eingestellt werden. Durch Temperatur und die geometrische Gestalt der Dicke ist eine sehr hohe Abkühlwirkung zu erzielen, die die Bereiche der Ölhärtung abdeckt (hohe Gleichmäßigkeit). Darüber hinaus ist der Druck der Härtepressen hinsichtlich gleichmäßiger Wärmeübertragung ebenfalls von Bedeutung.
    Darüber hinaus sind noch zwei Sonderfälle des Härtens, nämlich das partielle Härten und das Härten von Rundmaterialien in Formen erfolgreich gemäß der Erfindung durchgeführt worden. Nachfolgend werden beide Varianten dieser Verfahren gemäß der Erfindung beschrieben:
    Partielles Härten
    Grundlage des partiellen Härtens von Flachprodukten in diesem System ist die Forderung, daß ein Teilbereich vollständig durchgehärtet, ein anderer Bereich ungehärtet oder nur vergütet vorliegt. Zu diesem Zweck wird der Ofenraum im Bereich der Austenitisierzone mit einer Abdeckung der Rollenbahn oberhalb und unterhalb ausgestattet. Das zu härtende Material durchläuft nun während der Austenitisierung exakt positioniert zum Teil einen Bereich, in dem das Gut die Austenitisiertemperatur annimmt, und auf der anderen Seite einen abgeschirmten Bereich, in dem das Gut am Ende der Austenitisierzone einige hundert Kelvin kälter durchwärmt ist. Anschließend wird das Gut wieder sehr schnell abgezogen und unter die Härtepresse gelegt. Durch das anschließend schnelle Abkühlen wird erzielt, daß das Gut in dem durchgehärteten unabgedeckten Bereich die volle Härte aufweist und in dem abgedeckten Bereich deutlich geringere Härtewerte zeigt. Dieses ist insbesondere bei Messern erforderlich, die ein Schneidenteil und ein Spannteil aufweisen. Der Schneidenteil soll sehr hart sein, der Spannteil dagegen weich bleiben.
    Härten von zylindrischen Bohrern oder zylindrischen Stahlteilen und auch konisch verlaufenden zylindrischen Stahlteilen
    Bei zylindrischen Stahlteilen ist es wichtig, ein verzugsfreies Härten und eine sehr hohe Aushärtung zu erzielen. Zu diesem Zweck werden spezielle Formen angefertigt, in die die zylindrischen Bauteile eingelegt werden. Diese Formen werden dann mit einem Deckel abgedeckt und gegebenenfalls wird auch der Spalt zwischen Gehäuse und Deckel mit einer Schutzpaste abgedichtet. Deckel und Gehäuse werden danach, identisch einer Platte, schnell aus dem Ofen heraustransportiert und unter einem bestimmten Druck abgekühlt. Hiermit wird gewährleistet, daß die innenliegenden Bohrer gehärtet und durch den Druck ebenfalls gerichtet werden. Es ist damit ein verzugsarmes bzw. ein verzugsfreies Härten von Bohrerrohlingen möglich. Durch das Abdichten wird erzielt, daß die Bohrerrohlinge insbesondere bei sehr dünnen Durchmessern keine Beschädigung an der Oberfläche aufweisen. Mit diesem Verfahren sind sehr hohe Härtewerte und eine sehr gleichmäßige Härteverteilung möglich. Auch das Gefüge entspricht einem zähen und guten Gefüge. Kerngedanke ist das Härten und gleichzeitige Richten oder das verzugsfreie Härten der Rohlinge, sowie das Zurückführen vom Härten von Rundmaterialien durch Einbringen in eine Form zu dem bekannten Härten von Flachprodukten. Hier ist eine hohe Gleichmäßigkeit gegeben. Bohrer wurden früher in Salzbädern gehärtet. Durch Umweltschutzauflagen muß man nämlich von den Salzbädern in Vakuumöfen übergehen. Diese Vakuumöfen gewährleisten kein verzugsfreies Härten, und auf der anderen Seite wird durch die geringere Abkühlgeschwindigkeit auch nicht der sehr hohe Härtewert erzielt.
    Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Härtung von Stahlwerkstücken und vorzugsweise auf das verzugsfreie Härten von Flachprodukten, aus welchem Stahl sie auch immer bestehen.
    Bei einem bevorzugten Verfahren wird die Temperatur im Rollenofen so geführt, daß im Schnellabzugsbereich die Temperatur des Gutes nur unwesentlich abnimmt und das Gut noch oberhalb der Austenitisierungstemperatur in die Härtepressen gelangt.

    Claims (3)

    1. Verfahren zur Wärmebehandlung von sich leicht verziehenden Stahlteilen wie Blech, Ronden und dergleichen mittels eines Rollenofens und mit diesem zusammenwirkenden Pressen (sogenannten Quetten), bei welchem das Gut
      auf eine vorbestimmte Temperatur T gebracht wird und
      zwischen Pressteilen mit vorbestimmtem Abkühlungsgeschwindigkeitsverlauf abgekühlt wird,
      wobei jeder Stahlteil nach Erreichen der vorbestimmten Temperatur T einen Schnellabzugsbereich des Rollenofens auf einer Temperatur T1 > T, wobei T1 ca. 100°C höher als die bisher bei Stahl üblicherweise angestrebten Härtetemperaturen (Austenitisierungstemperatur) liegt, mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 40 mm/s oder von 150-300 mm/s durchläuft,
      wobei die Pressenteile während des Abkühlvorgangs zeitabhängig wechselnde Drücke auf das Stahlteil ausüben dergestalt, daß auf eine Phase hohen Druckes eine Herabsetzung des Druckes erfolgt, in der lediglich das Eigengewicht des oberen Pressenteils auf das Stahlteil wirkt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pressenteile pulsierend arbeiten.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pressenteile je nach Material ca. 3 sec. unter Druck stehen, woraufhin eine Periode von 3 sec. folgt, in der die Pressen nur das Eigengewicht auf das metallische Gut ausüben.
    EP94107705A 1993-05-19 1994-05-18 Verfahren zur thermischen Vorbehandlung von metallischem Gut Expired - Lifetime EP0632137B1 (de)

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    Publication Number Publication Date
    EP0632137A1 EP0632137A1 (de) 1995-01-04
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    Family

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