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Dokumentenidentifikation DE3736501C2 29.04.1993
Titel Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke
Anmelder Leybold Durferrit GmbH, 5000 Köln, DE
Erfinder Heilmann, Paul, Dipl.-Ing., 6457 Maintal, DE;
Preißer, Friedrich, Dipl.-Phys. Dr., 6470 Büdingen, DE;
Schuster, Rolf, 6450 Hanau, DE
DE-Anmeldedatum 28.10.1987
DE-Aktenzeichen 3736501
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.06.1988
Date of publication of amended patent 29.04.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.04.1993
IPC-Hauptklasse C21D 1/773
IPC-Nebenklasse C21D 9/00   C21D 1/767   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Härten metallischer Werkstücke, insbesondere Werkzeuge, werden diese in einem Ofen auf die Austenitisierungstemperatur des Werkstoffs erhitzt und dann abgeschreckt. Je nach Werkstoffart und gewünschten mechanischen Eigenschaften sind zum Abschrecken Bäder aus Wasser, Öl oder geschmolzenen Salzen erforderlich. Teile aus Schnellarbeitsstählen und anderen hochlegierten Werkstoffen können auch im Vakuum erhitzt und in Inertgasen abgeschreckt werden, wenn diese kontinuierlich gekühlt und umgewälzt werden. Das Erhitzen im Vakuum und Abkühlen unter Inertgas ist bei hoher Produktqualität die sauberste Art der Wärmebehandlung.

Als Kühlgas wird aus Kosten- und Sicherheitsgründen im allgemeinen Stickstoff bei Drücken bis zu 0,6 MPa (6 bar) und hohen Umwälzgeschwindigkeiten verwendet (Lit. 5 = HTM 42 (1987) 5, S. 301-308), obwohl bei gleichen Drücken und Umwälzgeschwindigkeiten mit Wasserstoff und Helium höhere Abschreckungsraten erzielt werden (Lit. 4 = VDI-Z 122, 1980, Nr. 22, S. 1021-1028; Lit. 2 = ZwF 76, 1981, 8, S. 405-410; Lit. 1 = HTM 36, 1981, 2, S. 81-85; Lit. 3 = METAL PROGRESS, Bd. 100, Nr. 1, Juli 1971, S. 72-73). Die Beschränkung des Kühlgasdruckes auf unter 1 MPa erfolgte dabei deswegen, weil nach Lit. 3 und 4 bei höheren Werten keine substantielle Steigerung der Abschreckungsrate, nach Lit. 2 wohl aber eine solche Steigerung der für hohe Umwälzgeschwindigkeiten erforderlichen Ventilator-Motorleistung zu erwarten war, daß die Motoren zu voluminös werden und ihre Verlustleistung zu einer kontraproduktiven Erwärmung der umgewälzten Kühlgase führt.

Trotz der gravierenden Vorteile der Gasabschreckmethode und der fundierten Untersuchungen dieser Methode gemäß Lit.1 bis 5 hat man bisher zahlreiche Stahlsorten, insbesondere niedriglegierte Stähle nur im Ölbad abschrecken können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, 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 welchem ein wesentlich breiteres Spektrum von Stählen gehärtet werden kann, auch solche Stahlsorten, die man bisher in einem Ölbad abschrecken mußte.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Patentansprüche 2 bis 3 definiert.

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

Durch die Erfindung werden Abschreckraten verwirklicht, die bisher nur mit Waser oder Öl erzielbar waren, und zwar ohne Erhöhung der Ventilator-Motorleistung, sondern allein durch eine geschickte Kombination von Art, Druck und Geschwindigkeit des verwendeten Kühlgases.

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 Austenitisierungstemperatur, 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 so lange, 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.

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 Cr6 nicht härten.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in einem Vakuumofen durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken in einem Kühlgas, welches Helium bzw. Wasserstoff sein kann, unter Überdruck und Kühlgasumwälzung mit einem motorgetriebenen Ventilator, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Abschreckintensität ohne Erhöhung der Motorleistung des Ventilators für die Kühlgasumwälzung als Kühlgas sowohl Helium oder Wasserstoff verwendet werden, wobei dem Helium oder Wasserstoff oder dem Gemisch aus Helium und Wasserstoff bis zu 30 Vol.-% eines anderen Inertgases als Helium zugesetzt sein können, 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. 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. 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. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgasumwälzung mit einem Ventilator erfolgt.






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