Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken in einem Kühlgas unter Überdruck und Kühlgasumwälzung.

[0002] Zum Härten metallischer Werkstücke, insbesondere Werkzeuge, werden diese in einem Ofen auf die Austenitisierungs­temperatur des Werkstoffs erhitzt und dann abgeschreckt. Je nach Werkstoffart und gewünschter mechanischer Eigenschaften sind zum Abschrecken Bäder aus Wasser, Öl oder geschmolzenen Salzen erforderlich. Teile aus Schnellarbeitsstählen und anderen hochregierten Werkstoffen können auch in Inertgasen abgeschreckt werden, wenn diese kontinuierlich gekühlt und umgewälzt werden.

[0003] In der DE-PS 28 39 807 und der DE-PS 28 44 343 werden Vakuumöfen beschrieben, in denen zum Abschrecken Kühlgase mit hoher Gasgeschwindigkeit und,mit Drücken bis zu 0,6 MPa (6 bar) über die aufgeheizten Werkstückchargen und anschließend über Wärmetauscher geleitet werden. Die erforderlichen hohen Kühlgasgeschwindigkeiten erreicht man mit Hilfe von Düsen oder Ventilatoren. Höhere Abschreckgeschwindigkeiten kann man im Prinzip durch Erhöhung des Kühlgasdrucks erzielen, doch erreicht man bei den derzeit verwendeten Kühlgasen (z. B. Stickstoff, Argon) nur einen Überdruck bis zu etwa 0,6 MPa. Die Anwendung höherer Drücke wird durch die Motorleistung begrenzt, die zur Umwälzung der komprimierten Gase erforderlich ist. Bei Verwendung von Stickstoff als Kühlgas mit 0,6 MPa Überdruck beträgt die erforderliche Motorenleistung bei einem Ventilator bereits über 100 kW. Motoren mit höheren Leistungen sind aber sehr voluminös, teuer und für einen Einbau in einen Vakuumofen normalerweise nicht geeignet.

[0004] Durch diese technisch bedingte Begrenzung der Kühlgasum­wälzung und des Kühlgasdrucks war es bisher nicht möglich, höhere Abschreckintensitäten mit Kühlgasen zu erreichen, so daß das Abschreckverfahren mit Kühlgasen auf spezielle Werkstoffe beschränkt ist.

[0005] Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken in einem Kühlgas unter Überdruck und Kühlgas­umwälzung zu entwickeln, mit dem eine höhere Abschreck­intensität erzielbar ist, ohne die Motorenleistung für die Kühlgasumwälzung erhöhen zu müssen.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Kühlgas Helium, Wasserstoff, Gemische aus Helium und Wasserstoff oder Gemische aus Helium und/oder Wasserstoff mit bis zu 30 Vol% Inertgas verwendet werden, daß der Kühlgasdruck "p" im Ofen bei der Abschreckung auf Werte zwischen 1 und 4 MPa eingestellt wird, und daß die Kühlgasgeschwindigkeit "v" so gewählt wird, daß das Produkt p ˙ v zwischen 10 und 250 m ˙ MPa ˙ sec⁻¹ liegt.

[0007] Vorzugsweise verwendet man als Kühlgas Helium oder Helium­gemische mit bis zu 30 Vol% Wasserstoff und/oder Inertgasen.

[0008] Als günstig hat es sich erwiesen, im Ofen einen Kühlgasdruck zwischen 1,4 und 3,0 MPa einzustellen und die Kühlgasum­wälzung mit einem Ventilator vorzunehmen.

[0009] Die Kühlgasgeschwindigkeit "V" bezieht sich auf den Austritt aus den Kühlgasverteilungsrohren.

[0010] Es hat sich überraschenderweise erwiesen, daß bei Verwendung von Helium und/oder Wasserstoff bzw. deren Gemische mit bis zu 30 Vol% Inertgas, wie z. B. Stickstoff, als Kühlgas in den entsprechenden Öfen Drücke bis zu 4 MPa eingestellt werden können, ohne daß die Motorleistung der verwendeten Ventilatoren erhöht werden müssen. Dadurch wird die Kühlwirkung der Gase derart verstärkt, daß ein wesentlich breiteres Spektrum von Stählen gehärtet werden kann, auch solche Stahlsorten, die man bisher in einem Ölbad abschrecken musste. Diese Hochdruck-Gasabschreckung hat gegenüber flüssigen Abschreckmedien verfahrenstechnische und wirt­schaftliche Vorteile. Außerdem ist sie umweltfreundlicher.

[0011] Bei der praktischen Ausführung dieses Verfahrens werden die Stahlteile in einem für diesen Zweck üblichen Vakuumofen aufgeheizt. Dabei flutet man den Ofen vorteilhafterweise mit dem Helium- bzw. Wasserstoffgas bereits zu Beginn der Aufheizung mit etwa 2 MPa Druck und wälzt das Gas mit einem Ventilator um. Das hat den Vorteil, daß die Wärmeübertragung auf die Stahlteile nicht durch Strahlung sondern durch Konvektion erfolgt, was ein gleichmäßiges Aufheizen der Charge und eine beträchtliche Verkürzung der Aufheizzeit zur Folge hat. Oberhalb 750 °C wird das Gas aus dem Ofen entfernt und unter Vakuum weitererhitzt. In diesem Temperaturbereich ist die Strahlungserwärmung sehr wirksam und ein Schutzgas zur Erwärmung der Chargen nicht notwendig. Nach Erreichen der jeweiligen Austenitisierungtemperatur, die zwischen 800 und 1300 °C liegen kann, wird zum Abkühlen der Charge der Ofen mit kaltem Kühlgas bis zu 4 MPa Überdruck geflutet. Das Kühlgas wird mit Hilfe eines Ventilators umgewälzt, nach Verlassen des Ofeninnenraums über einen Wärmetauscher abgekühlt und erneut der Charge zugeleitet. Diese Umwälzung erfolgt solange, bis die Charge abgekühlt ist. Die Gasgeschwindigkeit wird dabei mit Hilfe des Ventilators so eingestellt, daß das Produkt p ˙ v zwischen 10 und 250 m ˙ MPa ˙ sec⁻¹ liegt.

[0012] Folgendes Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:
Ein Bauteil mit ca. 10 mm Durchmesser aus dem niedrig­legierten Stahl 100 Cr6 wird in einem Vakuumofen auf die Austenitisierungstemperatur von ca. 850 °C erwärmt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird der Ofen mit Helium bis zu einem Überdruck von 1,6 MPa geflutet, wobei bei einer Gasgeschwindigkeit von 65 m ˙ sec⁻¹ in 16 sec die Probe auf 400 °C heruntergekühlt war, was der Abkühlge­schwindigkeit in einem Ölbad entspricht. Man erhält einen martensitischen Gefügezustand mit einer Härte von 64 HRC. Mit den bisher bekannten Gasabschreckungsverfahren läßt sich der Stahl 100 6Cr nicht härten.

Ansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken in einem Kühlgas unter Überdruck und Kühlgasumwälzung,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Kühlgas Helium, Wasserstoff, Gemische aus Helium und Wasserstoff oder Gemische aus Helium und/oder Wasserstoff mit bis zu 30 Vol% Inertgas verwendet werden, daß der Kühlgasdruck "p" im Ofen bei der Abschreckung auf Werte zwischen 1 und 4 MPa eingestellt wird, und daß die Kühlgasgeschwindigkeit "V" so gewählt wird, daß das Produkt p ˙ v zwischen 10 und 250 m ˙ MPa ˙ sec⁻¹ liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als'Kühlgas Helium oder Heliumgemische mit bis zu 30 Vol% Wasserstoff und/oder Inertgasen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Ofen bei der Abschreckung ein Kühlgasdruck zwischen 1,4 und 3,0 MPa eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlgasumwälzung mit einem Ventilator erfolgt.