CH506624A

CH506624A - Verfahren zur Verhinderung der Ausbildung und zur Entfernung der Zunderschicht auf Metallteilen bei der Wärmebehandlung

Info

Publication number: CH506624A
Application number: CH1663467A
Authority: CH
Inventors: Eugene Carter Donald
Original assignee: Combustion Eng
Priority date: 1966-12-12
Filing date: 1967-11-27
Publication date: 1971-04-30
Also published as: DE1583352B1; SE331488B; NL6715890A; US3475230A; GB1164888A; ES347350A1; JPS4928091B1; BE706082A

Description

Verfahren zur Verhinderung der Ausbildung und zur Entfernung der Zunderschicht auf Metallteilen bei der Wärmebehandlung
Bei der Wärmebehandlung von Metallen wird üblicherweise zusätzlich zu dem schon vorhandenen Oxydfilm eine relativ dicke oxydische Zunderschicht ausgebildet. Diese Zunderschicht hat wenigstens drei nachteilige Auswirkungen: 1. sie stellt die Zerstörung eines Teils des Metalls an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks dar; 2. sie verringert die Abkühlungsgeschwindigkeit des Werkstücks bei der Abschreckung; und 3 diese Zunderschicht muss üblicherweise bei nachfolgenden Behandlungen entfernt werden.

Die Härtung von Metallen oder Legierungen, mit der sich die Erfindung in erster Linie befasst, beruht auf der schnellen Abkühlung des Metalls von einer erhöhten austenitisierenden Temperatur, so dass die Überführung der Austenite in Martensit bei genügend tiefer Temperatur stattfindet. Der normale Härtungsprozess wird dann mit einer Temperung abgeschlossen. Ist die Abkühlungsgeschwindigkeit nicht genügend gross, findet auch Umwandlung in Perlit oder Ferrit statt, mit einer entsprechenden Verringerung des erzeugten Prozentsatzes von Martensit und der entwickelten Härte. Die schon auf den Metallteilen existierende Oxydschicht oder auch die während der Erhitzung ausgebildete Zunderschicht wirkt als isolierendes Material während der Abschreckung und verringert so den Wärmeübergang.

Es ist deshalb höchst vorteilhaft, diese Oxydschicht vor oder unmittelbar bei dem Eintauchen in das Härtebad zu entfernen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen und Materialien zur Entfernung der Schlackeschicht von Metallen anzugeben.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Technik anzugeben, durch welche der Wärmeübergang von Metallen während der Abschreckung bei einem Wärmebehandlungsverfahren beschleunigt wird.

Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Überzugsmaterial für Werkstücke anzugeben. die wärmebehandelt werden sollen, das die Schlackeschicht von den Werkstücken entfernt, die Abkühlungsgeschwindigkeit während der Abschreckung erhöht und zur Herstellung schlackefreier, wärmebehandelter Werkstücke dient.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verhinderung der Ausbildung und zur Entfernung der Zunderschicht auf Metallteilen bei der Wärmebehandlung, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass auf die Teile ein Überzug eines Materials aufgebracht wird, das als wesentliche Bestandteile eine Mischung von Alkalimetallsalzen, ein schwerschmelzbares Bindemittel und Wasser enthält, dass die Teile anschliessend mit dem Überzug während der erforderlichen Zeitspanne erhitzt und dann abgeschreckt werden.

Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf eine Überzugsmasse zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, die im wesentlichen aus 67 bis 83 Gew.-% einer Mischung aus Alkalimetallsalzen und 17 bis 33 Gew.-% eines schwerschmelzbaren Bindemittels, je berechnet als Trockensubstanz, sowie einer zur Erzielung der für das Auftragen erforderlichen Konsistenz ausreichenden Wassermenge besteht.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird dadurch ausgeführt, dass auf die Metallteile, die wärmebehandelt werden sollen, ein Überzug aufgebracht wird, der an der metallischen Oberfläche haftet und während des Wärmebehandlungsprozesses erhalten bleibt. Dieser Überzug schützt das Metall vor Oxydation und Schlakkenbildung bei den Temperaturen, die normalerweise während der Wärmebehandlung auftreten. Der Überzug muss leicht anzuwenden und wirtschaftlich genug sein, damit seine Verwendung garantiert ist. Ausserdem muss er von dem Metallstück absprengbar sein, vorzugsweise beim Abschrecken. Dazu muss sein Ausdehnungskoeffizient von dem des Metalls wesentlich verschieden sein.

Ausserdem muss der überzug an schon auf der Oberfläche vorhandenen Oxydfilmen oder Schlacke-Materialien haften oder sich mit ihnen verbinden und sie beim Abspringen mitnehmen. Das Metall bleibt dann relativ sauber und frei von Wärmebehandlungsschlacken zu rück. Wenn in der Beschreibung der Ausdruck Metall verwendet wird, schliesst er Legierungen ein.

Die der Erfindung gesetzten Aufgaben werden da durch gelöst, dass die Metalloberfläche vor der Wärme behandlung mit einem Überzug versehen wird, der aus einer Mischung von Alkalisalzen, einem feuerfesten Bindemittel oder Zementmörtel und Wasser besteht. Die verwendeten Alkalisalze sind Natriumchlorid und Kaliumchlorid, die bei den Temperaturen der Wärmebehandlung beide als Flussmittel wirken. Das Salz schmilzt bei Temperaturen von 620 bis 8970C (1150 bis 1650ob), verhindert die Oxydation der Metalloberfläche und verbindet sich mit den Schlacken, wie FeO, Fe2O5 und Fe"O;. so dass die Schlacke zusammen mit dem Salzüberzug beim Abkühlen abspringt. Der Mechanismus, durch den dies zustandekommt, besteht im wesentlichen darin, dass die Salzschmelze die Eisenoxydschlakken löst.

Jedoch ist die Erfindung nicht auf irgendeine Theorie diesbezüglicher Art begrenzt. Es hat sich herausgestellt, dass sowohl Natriumchlorid als auch Kaliumchlorid in der Salzmischung notwendig sind, damit der Überzug die Schlacken wirksam entfernt. Das optimale Verhältnis dieser beiden Salze in der Mischung ist durch 45% Kaliumchlorid und 55% Natriumchlorid gegeben, jedoch kann es, wie später beschrieben, geändert werden.

Die feuerfesten Bestandteile der Überzugsmasse dienen als Bindemittel und halten die Salzmischung zusammen und auf der Metalloberfläche. Ausserdem schützt der feuerfeste Binder die geschmolzene Salzmischung auf der Metalloberfläche vor Rauchgasen, sie sich schädlich auf die Salze und ihre Reaktionen mit der Schlacke auswirken können. Ausserdem dient der feuerfeste Binder zur Ausbildung eines harten Überzugs, der bei der Abkühlung von den Temperaturen der Wärmebehandlung springt und sich von der Metallfläche abschält.

Ein geeignetes feuerfestes Material zur Verwendung nach der vorliegenden Erfindung hat eine Aluminiumsilikatbasis und folgende annähernde Zusammensetzung in Gewichtsprozenten: Chemische Zlçssnu7leezsetzlleg SiO2 41.3 % Also, 49.08% Fe,O 0,2 %
Alkali 3.4 %
Glühverlust 6.0 %
Solches feuerfestes Material wird als dicke Paste gehandelt, die ungefähr 16 bis 20% Wasser enthält.

Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese spezielle feuerfeste Mischung begrenzt. Der feuerfeste Binder sollte nur folgenden Anforderungen genügen: Er muss tatsächlich als Bindemittel wirken können, so dass er zusammen mit den Salzen einen ausreichend harten Überzug bildet u. er muss mit der Reaktion der Salzmischung mit der Schlakke verträglich sein. Das feuerfeste Material sollte keine übermässigen Mengen von Alkali oder anderen Chemi kalten enthalten. welche sich auf die Salze und die Flusswirkung der Salze mit der Schlacke während des Aufheizens schädlich auswirken könnten.

Obwohl das Verhältnis von Kaliumchlorid zu Na triumchlorid in der Salzmischung nicht kritisch und jedes Verhältnis dieser beiden Salze in gewisser Weise wirksam ist. liegen doch die praktischen Grenzen für eine wirksame Salzmischung für die Überzugsmasse bei folgenden Gewichtsprozenten:
Kaliumchlorid 30-55C/,
Natriumchlorid 45 - 70S0
Die Menge des feuerfesten Materials in der Überzugsmasse sollte nicht übermässig variieren, denn falls zuviel vorhanden ist, ist für eine geeignete Wirkung zu wenig Salz an der Metallfläche vorhanden und falls zuwenig feuerfestes Material vorhanden ist, wird keine geeignete Bindung erreicht.

Das optimale Verhältnis des feuerfesten Binders zur Salzmischung kann etwas variieren, und zwar abhängend von dem verwendeten feuerfesten Material als auch von anderen Bedingungen, die bei einem speziellen Wärmebehandlungsprozess existieren. Ein Beispiel für die praktischen Bereiche der Bestandteile von Salz und feuerfestem Material bei einer Salzmischung mit 45% Kaliumchlorid und 55% Natriumchlorid und der oben erwähnten feuerfesten Paste aus Aluminiumsilikat mit ungefähr 18% Wasser ist nachstehend in Gewichtsprozenten aufgeführt:
Salzmischung 63 - 80%
Feuerfestes Material (auf nasser Basis) sO - 37%
Dieser Mischung wird noch Wasser in solcher Menge zugesetzt, dass die geeignete Konsistenz zur Aufbringung auf das Werkstück entsteht.

Ein Beispiel einer speziellen Zusammensetzung zur Erzeugung von 4,5 Litern (one gallon) der Mischung folgt: Kaliumchlorid 0,61 kg (1,35 pounds) Natriumchlorid 0,74 kg (1,65 pounds) Feuerfeste Paste aus Aluminiumsilikat 0,56 kg (1,25 pounds) Wasser Auffüllen auf 4,5 Ltr. (1 gallon)
Offensichtlich kann auch trockenes feuerfestes Material anstelle der feuchten Paste verwendet werden. Die gesamte Wassermenge muss dann später zugesetzt werden.

In diesem FFall würden sich die Prozentsätze der verwendeten Materialien folgendermassen ändern:
Salzmischung 67 - 83%
Feuerfestes Material (auf trockener Basis) 17 - 33%
Um das Werkstück wärmezubehandeln und zu überziehen, wird zunächst die Metalloberfläche von Fett, losem Schmutz. loser Schlacke oder anderen Materialien befreit, die der Aufbringung der Mischung auf das Metall oder der Wirkung der Salze auf die Schlacke entgegenstehen könnten. Die Überzugsmasse wird gut gemischt, so dass ein gleichmässiger Brei entsteht und wird während des Verfahrens in diesem Zustand gehalten. Die Umhüllung kann auf das Metall in irgendeiner Weise aufgebracht werden, z.B. durch Bestreichen. Aufspritzen oder Eintauchen.

Die Konsistenz des Breis muss durch Zusatz von mehr oder weniger Wasser auf das gewählte Aufbringungsverfahren eingerichtet werden. Z.B. kann es günstig und notwendig sein. den Brei mit zusätzlichem Wasser zum Aufsprühen zu verdünnen. Gleichgültig welche Technik zur Umhüllung verwendet wird, ist es notwendig, dass genügend Material auf das Metallstück aufgebracht wird, so dass die geeignete Reaktion mit der Schlacke stattfinden kann und das Metall vor weiterer Oxydation geschützt ist. Im allgemeinen sollte die Um hüllung ungefähr halb so dick wie die Schlackeschicht auf dem Metall sein.

Nachdem das Werkstück umhüllt worden ist, trocknet es, bevor es in den Ofen zur Wärmebehandlung eingeführt wird. Die Trockenzeit beträgt üblicherweise 15 bis 20 Minuten. Wenn die Umhüllung bei der Einführung in den Ofen zur Wärmebehandlung mit seinen o500C (12000F) noch feucht ist, kann Blasenbildung auftreten.

Jedoch verschwindet dieser Effekt wieder durch das Schmelzen der Salze. Dann wird das Werkstück für die erforderliche Zeitspanne in dem Ofen erhitzt u. schliesslich abgekühlt. Obwohl die Abkühlung nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise durch Abschreckung in Wasser ausgeführt wird, kann das Verfahren nach der Erfindung auch bei Abkühlung in anderen Flüssigkeiten oder Medien einschliesslich Luft oder bei einer Ofenabkühlung verwendet werden. Der Ausdruck Abkühlung enthält alle diese verschiedenen Formen. Jedoch wird die Entfernung des Überzugs und der Schlackeschicht von dem Metall auf befriedigendste Weise bei einer Abschrekkung in Wasser erreicht. Die Entfernung der Umhüllung und der Schlackeschicht von dem metallenen Werkstück beginnt nach Austritt aus dem Ofen zur Wärmebehandlung.

Hauptsächlich springt die Umhüllung jedoch bei dem Eintauchen des Werkstücks in das Wasserbad ab.

Dies geschieht natürlich wegen der schnellen Abkühlung und Zusammenziehung der Umhüllung, die von der Abkühlungsgeschwindigkeit und Zusammenziehung des Metalls verschieden ist.

Nach der Erfindung kann auch wahlweise eine gewisse Menge von Borsäure oder Natriumtetraborat, Na2B4O7, oder beides dem Brei zugesetzt werden, um den Angriff der Salze auf die Eisenoxyde zu beschleunigen. Diese Borbestandteile unterstützen die Flusswirkung. Die zugesetzte Menge kann ungefähr drei Gewichtsprozent des Breis betragen, obwohl dies keiner Begrenzung unterliegt.

Eine zusätzliche Wirkung des Salzüberzugs besteht darin, dass die Salze, welche in dem Wasserbad in Lösung gehen, die Dauer der Abschirmung des Werkstücks durch eine Dampfschicht verringern. Dies vergrössert natürlich die Abkühlgeschwindigkeit wegen des besseren Wärmeübergangs.

Obwohl spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung einschliesslich spezieller Materialmengen beschrieben worden sind, versteht es sich, dass dies nur der Veranschaulichung diente und dass Änderungen gemacht werden können, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

I. Verfahren zur Verhinderung der Ausbildung und zur Entfernung der Zunderschicht auf Metallteilen bei.

der Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Teile ein Überzug eines Materials aufgebracht wird.

das als wesentliche Bestandteile eine Mischung von Alkalimetallsalzen, ein schwerschmelzbares Bindemittel und Wasser enthält, dass die Teile anschliessend mit dem Überzug während der erforderlichen Zeitspanne erhitzt und dann abgeschreckt werden.

II. Überzugsmasse zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse im wesentlichen aus 67 bis 83 Gew.-% einer Mischung aus Alkalimetallsalzen und 17 bis 33 Gew.-% eines schwerschmelzbaren Bindemittels, je berechnet als Trockensubstanz, sowie einer zur Erzielung der für das Auftragen erforderlichen Konsistenz ausreichenden Wassermenge besteht.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkalimetallsalzmischung im wesentlichen aus 30 bis 55 Gew.-% KCI und 45 bis 70 Gew. % NaCI besteht.

2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in 3,8 Liter der Überzugsmasse ca.1,35 kg der Salzmischung auf 0,567 kg des schwerschmelzbaren Bindemittels und eine zur Herstellung von 3,8 Liter überzugsmasse ausreichende Wassermenge vorhanden sind.

3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerschmelzbare Bindemittel eine Aluminiumsilikat-Basis hat.

4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Überzugsmaterial auch Borsäure und/oder Natriumtetraborat enthält.

5. Überzugsmasse nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkalimetallsalzmischung im wesentlichen aus 30 bis 55 Gew.-% KCl und 45 bis 70 Gew.-% NaC1 besteht.

6. Überzugsmasse nach Patentanspruch II oder Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzmischung und das feuerfeste Bindemittel im Verhältnis von ca. 1,35kg zu 0,567kg gemischt sind und zusätzlich genügend Wasser zur Erzeugung von 3,8 Liter der Masse beigefügt ist.

7. Überzugsmasse nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das schwerschmelzbare Bindemittel eine Aluminiumsilikat-Basis hat.