Verfahren zur thermischen Vorbehandlung von metallischem Gut

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] Der auf die gewünschte Temperatur gebrachte Rohling wird abgeschreckt, wozu ein Abschreckmedium erforderlich ist, nämlich neben Luft, Wasser, Salzbäder auch Öl.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] Erreicht wird dies durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach Anspruch 1 finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

[0010] Für die eine Gruppe der Verfahren gemäß der Erfindung wesentlich sind vor allen Dingen zwei Merkmale:

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] Diese beiden Punkte a und b sind wesentliche Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung.

[0025] 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.

[0026] 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

[0027] 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

[0028] 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.

[0029] 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.

[0030] 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.

Ansprüche

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.

Claims

1. Method for thermal treatment of easily deforming steel parts such as sheet metal, rondes and similar materials by means of a roller furnace and presses cooperating therewith (so-called "Quetten"), in which the material

- is brought to a predetermined temperature T, and

- is cooled between press parts at a predetermined developement of cooling rate,

wherein each steel part, having reached the predetermined temperature T, passes through a region of rapid discharge of the roller furnace at a temperature T₁ > T, T₁ being about 100°C higher as the curing temperatures usually striven for up to now (austenite forming temperature), at a speed of 20 to 40 mm/s or of 150-300 mm/s,

wherein the press parts exert time-dependingly alternating pressures on the steel part during the cooling process such that after a phase of high pressure occurs a decrease of the pressure, during which only the dead weight of the top press part acts upon the steel part.

2. Method according to claim 1, characterized in that the press parts operate pulsatingly.

3. Method according to claim 2, characterised in that the press parts depending on the material are under pressure for about 3 sec., whereupon follows a period of 3 sec., during which the presses exert only the dead weight on the metallic material.

Revendications

1. Procédé de traitement thermique de pièces en acier se déformant facilement, telles que de la tôle, des ronds et analogues au moyen d'un four à rouleaux et de presses coopérant avec celui-ci (appelées coquilles), dans lequel le matériau

- est porté à une température prédéterminée T et

- est refroidi entre des pièces de presse avec une variation dans le temps prédéterminée de la vitesse de refroidissement,

chaque pièce en acier traversant, après avoir atteint la température prédéterminée, une zone d'extraction rapide du four à rouleaux à une température T₁ > T, T₁ étant supérieure d'environ 100°C à la température de trempe (température d'austénitisation) souhaitée jusqu'ici pour l'acier, cette traversée étant effectuée à une vitesse de 20 à 40 mm/s ou de 150-300 mm/s,

les pièces de presse exerçant, pendant le refroidissement, des pressions variables en fonction du temps sur la pièce en acier, de telle manière qu'il se produit sur une phase de haute pression une réduction de pression, dans laquelle seul le poids propre de la pièce de presse supérieure agit sur la pièce en acier.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de presse travaillent de façon pulsatoire.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les pièces de presse sont, suivant le matériau, sous pression pendant environ 3 secondes, à la suite de quoi les presses exercent seulement leur propre poids sur le matériau métallique pendant une durée de 3 secondes.