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Verfahren zum Bestimmen des Augenblickes, in welchem beim Erhitzen
eines Metalles zum Zwecke des Härtens, Raffinierens oder Anlassens die Erwärmung
abzubrechen ist. Die Erfindung betrifft die Behandlung von Metallen und Legierungen,
insbesondere Stahl, durch Wärme bzw. die Bestimmung gewisser Eigenschaften dieser
Stoffe bei solcher Behandlung. Beispielsweise handelt es sich um Härten, Raffinieren,
Ausglühen oder die Entfaltung ähnlicher physikalischer und chemischer Eigenschaften.
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Die Erfindung besteht in einem verbesserten Verfahren für derartige
Prozesse, durch das ein sicheres und gleichmäßiges Ergebnis erzielt wird. Bei dem
neuen Verfahren ist es nicht nötig, die Temperatur des behandelten Stoffes oder
des ihn umgebenden Mittels oder seiner Oberfläche zu kennen, sowie Vorversuche mit
Materialproben zu machen.
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Das neue Verfahren beruht auf der Ausnutzung einer gleichzeitig im
behandelten Metall und in seiner Umgebung auftretenden Änderung der Geschwindigkeit
des Ansteigens der Temperatur, ohne Bestimmung der wirklichen Temperatur des Metalles
oder seiner Umgebung. Vielmehr wird die genannte Änderung mittels irgendeiner Wärmemeßvorrichtung
festgestellt. Das Verfahren ist ebenfalls unabhängig von dem Verhältnis der Temperatur
des behandelten Stoffes zur Temperatur seiner Umgebung. Die Erfindung wird im folgenden
in einer Ausführungsform an Hand der Zeichnungen beschrieben werden.
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In Fig. x sind für einen bestimmten Stoff die Temperaturschwankungen
in Funktion der Zeit dargestellt. Diese Kurven zeigen die wissenschaftliche. Grundlage
des neuen Verfahrens.
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Fig. s zeigt die Temperaturen in ihrer örtlichen Verschiedenheit außerhalb
und innerhalb des behandelten Stoffes.
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Fig.3 gibt eine Kurve der Temperaturen in Funktion der Zeit, bei der
gegenüber Fig. x die Stärke der Erhitzung verringert ist.
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Fig. q stellt schematisch eine Einrichtung zur Bestimmung der Kurven
nach Fig. I dar. Ein Teil dieser Einrichtung kann zur Ausübung des Verfahrens nach
der Erfindung benutzt werden.
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Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Feuerung, in der sich ein
zu behandelnder Block befindet, mit Wärmemeßvorrichtungen in verschiedener Lage
zur Wand der Feuerung bzw. zum. Arbeitsgut.
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Bisher - war es bei Behandlung von Stahl durch Wärme, z. B. beim Härten,
üblich, den Stahl bis zudem Haltepunkt der Temperatarkurve oder darüber hinaus zu
erhitzen, indem
man die Temperatur des den Stahl umgebenden Mediums
bis zu einem bestimmten-Punkte trieb, uns dann den Stahl in Wasser, einer Salzlösung
oder einem agderen Kühlmittel abzuschrecken. Die Härte würde dann in irgendeiner
bekannten Weise dem Verwendungszweck des Stahles entsprechend abgestimmt.
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Bei dem alten Verfahren ist es üblich, die Temperatur zu bestimmen,
auf die der Stahl gebracht werden muß, um sicher zu stellen, daß der Haltepunkt
erreicht oder überschritten wird. Diese Temperatur wurde durch Versuche mit einer
oder mehreren kleinen Proben des zu behandelnden Stahles bestimmt. Dann wurde die
zu behandelnde Stahlmasse in einen Ofen gebracht und erhitzt, bis ein Pyrometer,
das in der Nähe des Stahles oder in Berührung mit dem Stahl angeordnet war, die
an Proben bestimmte, erwünschte Temperatur anzeigte. Der Ofen wurde dann unter Einhaltung
dieser Temperatur eine gewisse Zeit lang weiter geheizt, je nachdem eine größere
oder geringere Masse Stahl behandelt wurde. Diese Zeit des Nachheizens wurde die
Durchweichungszeit (soaking period) genannt. Sie wurde für nötig erachtet, um das
gewünschte Ergebnis zu erzielen.
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Die geschilderte Art, Stahl in der Wärme zu behandeln, ist falsch
in mehrfacher Hinsiht, und die hierbei erzielten Ergebnisse sind- so verschieden
und unsicher, daß es selbst einem erfahrenen Fachmanne schwer fiel, gleichmäßige
Stahlsorten zu erzielen.
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Einige der Fehlerquellen des bekannten Verfahrens sind folgende x.
Die Probe für den Vorversuch braucht nicht genau dieselbe Zusammensetzung und Eigenschaften
zu haben, wie die Hauptmasse des Stahles.
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2. Der Haltepunkt der Probe kann falsch bestimmt oder durch unsachgemäßes
oder zu langes Erhitzen verändert sein.
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3. Das benutzte Pyrometer kann falsch sein. 4. Das im Ofen befindliche
Pyrometer zeigt günstigstenfalls seine eigene Temperatur an, die von der des Stahles
verschieden sein kann und auch gewöhnlich ist.
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5: Die Art der Erhitzung des Stahles kann durch die Pyrometerablesungen
nicht bestimmt werden, ist- aber, wie gezeigt werden wird, wichtig.
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Fig. 2 zeigt, daß fast mit Sicherheit das Pyrometer- bei seiner gebräuchlichen
Verwendungsart eine höhere Temperatur annimmt als der Stahl. Bei einer Gasfeuerung
steigt die Temperatur des Pyrometers unter der Einwirkung der heißen Gase schneller
als die des Stahles. Bei einer elektrischen Feuerung, bei der die Wärme durch einen
Widerstand aus - Draht öder anderem Material erzeugt wird, besteht der gleiche Übelsta
nd, wenn auch in geringerem Grade, es müßte denn sein, daß so langsam erhitzt wird,
daß sich der Stahl ebenso schnell erwärmt wie der Ofen.
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In Fig. 2 entspricht der Punkt g der Temperatur einer Stelle außerhalb
des Arbeitsgutes. Punkt h gibt die Temperatur einer Stelle auf der Oberfläche des
Arbeitsgutes.: wieder und Punkt i die Temperatur einer Stelle mitten im Arbeitsgut.
Fig. 2 zeigt also, daß zwischen einer Stelle außerhalb des Arbeitsgutes und seiner
Oberfläche ein starker Temperaturabfall vorhanden ist, während im Innern des Gutes
der Temperaturabfall sehr klein, im wesentlichen gleich Null ist.
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Bei Temperaturbestimmungen in einer Stahl= masse von Sog mm Durchmesser
und 6xo mm Länge an verschiedenen Stellen im Innern der Masse und außerhalb derselben
nahe ihrer Oberfläche wurde gefunden, daß eine große Temperaturdifferenz zwischen
allen Punkten im Innern einerseits und außerhalb, aber in der Nähe der Masse andererseits
besteht, während zwischen den Punkten im Innern untereinander stets nur eine kleine
Temperaturdifferenz vorhanden war, und zwar fiel die Temperatur ganz wenig von der
Außenseite nach dem Innern der Masse zu. Mit andern Worten, entsprechend dem geringen
Widerstand des Stahles gegen die Strömung der Wärme findet ein geringer Temperaturfall
von der Oberfläche, wo die Wärme aufgenommenwird, nach dem Innern zu statt. Natürlich
fällt auch diese kleine Verringerung der Temperatur fort, wenn der Stahl die Temperatur
seiner Umgebung angenommen hat.
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Ferner, wenn ein Metallblock aus seiner Umgebung Wärme aufnimmt und
infolgedessen seine Temperatur steigt, so zeigt sich ein sehr großer Temperaturabfall
in dem -Teile des umgebenden Mittels, das sich in nächster Umgebung des Blockes
befindet. Infolgedessen empfängt ein Thermoelement oder ähnliches Pyrometer in der
Nähe der erhitzten Masse einen Teil seiner Wärme durch Strahlung von den erhitzten
Wänden der Feuerung und einen Teil durch Leitung von dem umgebenden gasförmigen-
Mittel. Daher zeigt ein solches Pyrometer die Temperatur der erhitzten Masse nicht
genau an.
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Aus dem gleichen Grunde wird ein Pyrometei eine Anzeige geben, die
mehr von der Temperatur der umgebenden heißen Gase als von der des Metalles selbst
abhängt.
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Verschiedene Versuche sind gemacht .worden gestützt auf die Feststellung,
daß in dem erhitzten Metallkörper nur sehr geringe Temperaturdifferenzen vorhanden
sind. Bei derartigen Versuchen ging der -Erfinder nach Fig- ¢ vor: In dieser -bezeichnet
F den elektrisch oder rnit -Brennstoff geheizten Ofen im Schnitt und S die Stahlmasse.
- In verschiedenen
Entfernungen von der Oberfläche s wurden in
der Masse S mehrere Thermoelemente T1, T2 angebracht, von denen nur zwei dargestellt
sind, obgleich eine größere Zahl von ihnen gleichzeitig benutzt wurde; ohne daß
sich jedoch ein Unterschied im Resultat ergab. In der Atmosphäre der heißen Gase
wurde dicht an der Oberfläche s der Masse S oder gerade in Berührung mit ihr ein
Thermoelement T3 angeordnet.
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Mit den Thermoelementen waren die Anzeigewerke R1, R2 und R3 verbunden.
Diese verzeichneten mit Hilfe ihrer Schreibstifte I, z,3 auf Papierblättern, wie
ein solches in Fig. x dargestellt ist, fortlaufende Kurven, die in bekannter Weise
die Temperaturen in Funktion der Zeit darstellten. Jedes Anzeigewerk wurde mit seinem
Thermoelement vor dem Versuch sorgfältig geeicht, so daß die aufgezeichneten Kurven
die wirklichen Temperaturen der zugehörigen Thermoelemente angaben.
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Betrachtet man Fig. x, in der zwei Kurven aus zwei Anzeigewerken nach
Fig. 4 dargestellt sind, so erkennt man, daß die Kurve A, die die Temperaturschwankungen
des Thermoelementes T3 angibt, erheblich verschieden ist von derjenigen Kurve B,
die die Anzeigen der Thermoelemente T1 und T2 wiedergibt. Die Anzeigen der beiden
letzteren sind nahezu identisch, so daß sie als eine einzige Kurve B dargestellt
werden können, zumal sie bei dem gewählten Maßstab für die Temperaturen kaum zu
unterscheiden wären.
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Die Kurve A ist die Zeittemperaturkurve des Anzeigewerkes R3 bzw.
des Thermoelementes T3, das in Berührung mit der Oberfläche s der Stahlmasse oder
in ihrer unmittelbaren Nähe liegt. Die Ordinaten parallel zur Achse 0, Y stellen
die Temperaturen dar, während die Abszissen parallel zur Achse 0, X die Zeit wiedergeben.
Vom Punkte a bis zum Punkte b der Kurve A nahm die Stahlmusse S Wärme auf, so daß
ihre Temperatur stieg. Vom Punkte b bis zum Punkte c der Kurve kühlte die Masse
ab und strahlte Wärme aus.
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Gleichzeitig mit dem Aufnehmen der Kurve A durch das Anzeigewerk Ra
schreiben die Anzeigewerke R1 und R2 Kurven auf, die bei ihrem geringen Abstande
voneinander durch die Kurve B der Fig. x dargestellt sind. Dieses Zusammenfallen
der Kurven -der Thermoelemente T1 und T2 zeigt, daß, obgleich die Stahlmasse eine
erheblich von der Temperatur ihrer Umgebung abweichende Temperatur hatte, die einzelnen
Stellen der Masse selbst in ihrer Temperatur voneinander nur gering abweichen, Daß
überhaupt solche Temperaturunterschiede auftreten, hängt von der Wärmeleitfähigkeit
"der- Stahlmasse ab und ergibt sich aus dem Fluß der , Wärme von der Oberfläche
der Masse nach innen während der Erhitzung und nach außen während der Abkühlung.
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Vom Punkte d bis zum Punkte e der Kurve B
stieg
die Temperatur nach der Kurve B innerhalb der Stahlmasse, während sie vom Punkte
e bis zum Punkte f fiel.
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Abgesehen davon, daß die Tatsache gezeigt wird, daß in dem behandelten
Block die Temperatur praktisch gleichförmig ist, erkennt man ferner, daß ein verhältnismäßig
erheblicher Unterschied in der Temperatur eines Thermoelementes innerhalb der Metallmasse
und außerhalb derselben besteht, sogar wenn letzteres sich in Berührung mit der
Oberfläche des Stahlblockes befindet. Selbstverständlich hängt die Größe dieser
Temperaturunterschiede zwischen den Kurven A und B in irgendeinem Augenblick von
der Art der Feuerung und der gewählten Heizweise ab. Wenn so langsam gefeuert wird,
daß niemals ein großer Unterschied zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der
der Stahlmasse besteht; so ist auch der Abstand beider Kurvenverhältnismäßig klein.
,Diese Bedingung kann annähernd durch .einen elektrische Widerstandsofen erreicht
werden. Es ist jedoch schwierig, sie mit einer Gasfeuerung zu verwirklichen. Infolgedessen
ist es nicht ungewöhnlich, daß man einen merkbaren Unterschied zwischen den Anzeigen
eines Temperaturmeßgerätes außerhalb der Stahlmasse und eines solchen in der Stahlnasse
findet.
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Aus dem Gesagten ergibt sich ein Grund für das übliche Verfahren der
Durchweichung. Hält man - die Temperatur des Ofens auf der gewünschten Höhe bereit
für eine genügend große Zeit, so erreicht die Stahlmasse ebenfalls diese Temperatur.
Aber da die Stahlmasse hinter der Feuerung in der Temperatur um einen Betrag zurückbleibt,
der von verschiedenen Bedingungen, z. B. der Art der Feuerung, abhängt, so ist es
natürlich, daß die Masse nicht bis auf die gleiche Temperatur gebracht werden kann,
wie ein außer- . halb derselben angeordnetes Meßinstrument, wenn nicht eine sehr
erhebliche Spanne Zeit zur Verfügung steht, theoretisch eine unendlich lange Zeit.
Daher hat man, um das Erreichen der gewünschten Temperatur zu sichern und ein Überschreiten
dieser Temperatur auszuschließen, den Ofen solange auf der gewünschten Endtemperatur
erhalten, als erfahrungsmäßig nötig war. Es war nur eine logische Schlußfolgerung,
daß der Stahl die gewünschte Temperatur erreichte, die zum Teil darauf beruhte,
daß man die Natur des erzeugten Produktes aufzeichnete, zum Teil ; auf der Kenntnis,
daß der Stahl unter Umständen die Temperatur "des . umgebenden
Mittels
erreicht, wenn dieses Mittel lange genug auf gleicher Temperatur erhaltest wird.
Es können mehrere Stunden für einen Stahlblock erforderlich sein, damit er die Temperatur
des Ofens annimmt, und diese Zeit wird ferner durch die Art und Stärke der Heizung
und die Masse und Gestalt des Stahlblockes beeinflußt. Daher ist es lar, daß ein
großes Maß von Erfahrung erforderlich ist, wenn man versucht, die Temperatur einer
erhitzten Metallmasse zu beurteilen.
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Aber selbst, wenn der Durchweichungsprozeß vollständig durchgeführt
wird, so erhält span nicht die besten Ergebnisse, da, abgesehen von dem Zeitverlust
und der Energieverschwendung, solches langes Erhitzen des Stahles diesem nicht förderlich
ist, weil dabei einige wichtige Eigenschaften des Stahles. verloren gehen. Es liegt
auf der Hand, daß diese fange Erwärmungszeit zum Ausgleich des Temperaturunterschiedes
des Meßinstrumentes und des Stahlblockes ein sehr zeitraubendes Verfahren ist. Denn
wenn sich die Temperatur des Blockes der des Ofens nähert, so ist der Temperaturausgleich
notwendigerweise sehr langsam.
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Ein sehr wichtiger Punkt, der bei den Kurven der Fig. z zum Ausdruck
kommt, und worauf das Verfahren nach der Erfindung im wesentlichen beruht, besteht
in der Tatsache, daß, obgleich die Kurve A, die die Temperatur des den Stahlblock
umgebenden Mittels anzeigt, stets während des Steigens der Temperatur höher liegt
als die Kurve B, die die Temperatur des Stahlblockes anzeigt, die Kurve A gewisse
Knicke zeigt (bei j, k, q, r), die zeitlich mit den bekannten Knickert
in der Temperaturkurve B des erhitzten Blockes zusammenfallen.
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Es wurde festgestellt (vgl. Fig. I), daß das Erreichen oder Überschreiten
der Umkristallisierungszone unabhängig von der tatsächlichen Temperatur außerhalb
der Stahlmasse ist und daß die Stahlmasse tatsächlich durch die Umkristallisierungszone
bzw. den Haltepunkt bei wesentlich niedrigerer Temperatur geht, als außerhalb der
Stahlmasse gleichzeitig herrscht, während der Stahl über ein vorher bestimmtes Mindestmaß
hinaus erhitzt wird.
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Ein Blick auf die Kurve A zeigt, daß, obgleich die Temperatur, die
durch diese Kurve wiedergegeben wird, nicht diejenige des behandelten Stahlblockes
ist, sich dennoch auch bei dieser Kurve Knicke zeigen, die ähnlich denen der Kurve
für den Stahlblock sind, und ferner, daß diese Knicke auf der Kurve A zwar bei höheren
Temperaturen als bei der Kurve B liegen, aber doch gleichzeitig mit diesen Knicken
eintreten. Diese sehr wichtige Tatsache ergibt, daß die Wärmemeßvorrichtung zum
Verzeichnen der Kurve A zwar nicht dazu benutzt werden kann, die Tempoeratur des
Stahlblockes anzugeben, wohl aber dazu, die Zeit zu bestimmen, wann das Umkristallisierungsstadium
eintritt oder überschritten ist. Dieses aber ist gerade das, was bei Behandlung
von Stahl in der Wärme erwünscht ist. Es ist nicht erforderlich, die wahre Temperatur
zu kennen, aber es ist notwendig, zu wissen, wann der Stahl über den Haltepunkt
hinaus erhitzt ist. Die Kurve A spiegelt sozusagen die Temperaturvorgänge im Stahl,
die die Kurve B darstellt, wieder, und infolgedessen ist es nicht erforderlich,
die Form der Kurve B festzustellen, sondern nur die der Kurve A. Es ist klar, daß
es nicht nötig ist, da die Kurve A nicht die wirklichen Temperaturen des Stahles
anzeigt, das Wärmemeßinstrument zurrt Verzeichnen der Kurve A genau zu eichen.
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Eine angenäherte Eichung kann sich jedoch in manchen Fällen als nützlich
erweisen. Angenommen z. B., die Erfahrung habe gezeigt, daß der zu verarbeitende
Stahl das beste Erzeugnis liefert, wenn der Punkt # um Ioo° überschritten wird,
so . würde man solange erhitzen, bis das Registrierwerk für die Kurve A um Ioo°
über Punkt k hinausgestiegen. ist und kann voraussetzen, daß dann auch der Stahl
um etwa Ioo° über Punkt P hinaus erhitzt worden ist. Das entscheidende Anzeigewerk
kann hierbei ohne Gefahr um beispielsweise 5o° zu hohe oder niedrigere Angaben liefern.
Dies hindert jedoch nicht, daß der Abstand von ioo ° zwischen dem Punkt k und einem
Punkte it genügend genau bestimmt wird.
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Der Grund für das Auftreten der Knickei und k in der Kurve
A, die gleichzeitig mit den Knicken o und P in der Kurve B erscheinen, liegt
darin, daß das gleichförmige Ansteigen des Anzeigewerkes für Kurve A durch den plötzlichen
Wechsel im Anstieg der Temperatur der Stahlmasse gestört wird, wenn die Umkristallisierungszone
passiert wird. Wenn der Stahl aufhört, sich im anfänglichen Grade zu erhitzen, so
entzieht er seiner Umgebung mehr Wärme und der Temperaturanstieg außerhalb des-
Stahles sinkt entsprechend. Infolgedessen wird das Anzeigewerk in der Nähe oder
an der Oberfläche des Stahles in geringerem Maße als vorher erwärmt. Gleichzeitig
ändert sich die Gestalt der verzeichneten Kurve gerade als-wäre auch das Mittel;
dessen Temperatur sie angibt, zur selben Zeit aber bei anderer Temperatur durch
eine Umkristallisierungszone gegangen-Die Strecke o, p der Kurve Bist ein genaues
Abbild der Umkristallisierungsperiode des Stahles und gibt die kritischen Punkte
an, die erreicht oder überschritten werden, um bestimmte Behandkungsverfahren dutchzuführen.
Die
Strecke j, k der Kurve A ist eine zeitliche Wiedergabe der Strecke o, p der Kurve
B, so daß die kritischen Punkte für den Stahl genau zeitlich und unabhängig von
der Temperatur durch die Kurve A bestimmt werden, die die Temperaturen des Stahles
in Abhängigkeit von der Zeit für ein Mittel außerhalb des Stahles angibt.
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Infolgedessen braucht man bei der Erfindung den wirklichen Zustand
des Stahles nicht genau festzustellen, sondern nur eine Kurve A zu verzeichnen,
wobei nur ein Anzeigewerk, z. B. R3, zusammen mit einem Pyrometer T3 außerhalb der
Masse erforderlich ist, da die Kurve A die Umkristallisierung wiedergibt.
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Außer einem Thermoelement kann natürlich jedes andere Meßgerät benutzt
werden, das imstande ist, die Umkristallisierung durch eine Kurve oder sonstige
Anzeige kenntlich zu machen. Die Wärme kann dem Meßgerät durch Berührung oder Strahlung
zugeführt, die Angaben selbsttätig aufgezeichnet oder durch einen Zeiger, Lichtfleck
o. dgl. kenntlich gemacht werden. Ferner kann das Meßgerät so beschaffen sein, daß
es eine Einstellung mit der Hand erfordert, um es den aufzuzeichnenden Größenänderungen
anzupassen. Z. B. kann ein Thermoelement benutzt werden, das durch Strahlung und
Wärmeleitung erregt wird. Der zu behandelnde Stahl kann elektrisch im Vakuum erhitzt
werden, und das Meßgerät empfängt seine Wärme dann nur durch Strahlung und hat eine
niedrigere Temperatur als der Stahl statt einer höheren. Die Kurve A liegt dann
mit ihrem ansteigenden Teil unter der Kurve B, aber die Knick stellen j und k fallen
trotzdem zeitlich mit den Knickstellen o und Þ der Kurve B zusammen.
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Dann kann ein Widerstandsthermometer benutzt werden, das ebenfalls
beiden Formen der Wärmeenergie folgt, oder es kann ein Strahlungspyrometer vom Widerstands-
oder Thermoelementstyp angewendet werden, die natürlich außerhalb der Wandungen
des Ofens liegen. Oder es kann ein Strahlungspyrometer genommen werden, das auf
solche Strahlen anspricht, die innerhalb des sichtbaren Spektrums liegen. In diesem
Falle erhält man den üblichen Farbenvergleich durch Handeinstellung, und der Wechsel
im Grade der Änderung dieser Einstellung zeigt dann an, ob die Umkristallisierung
oder irgendein kritischer Punkt erreicht oder überschritten ist. Es ist klar, daß
andere Formen von Meßgeräten angewendet werden können, die auf Änderungen im Fluß
der Wärme- oder Strahlungsenergie von und zum erhitzten Stahl reagieren.
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Wie Fig. 5 zeigt, kann das Thermoelement zum-- Aufnehmen der Kurve
A sehr 'nahe an oder in Berührung mit der Masse S angeordnet werden, wie bei 4 angedeutet
ist, oder es kann wie bei 5 in einiger Entfernung sowohl von der Masse S, wie von
der -Ofenwand F sich befinden, oder endlich kann es wie bei 6 in oder nahe an der
inneren Wand des Ofens liegen. Es wurde gefunden, daß, wo auch immer das Thermoelement
außerhalb der Masse S angeordnet ist, die allgemeine Beziehung zwischen den Kurven
A und B hinsichtlich der zeitlichen Übereinstimmung der Knickstellen der Kurve erhalten
bleibt. D. h., während der Umkristallisierungsperiode des Materials der Masse S
findet stets der gleiche Wechsel im Ansteigen der Temperatur am Meßgerät an oder
nahe - der Oberfläche der Masse S statt.
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Durch dieses Verfahren, bei dem man einen Wechsel in der Temperatursteigerung
außerhalb der behandelten Masse unabhängig von der wirklichen Temperatur feststellt,
wird der Anfang, das Ende oder das Überschreiten des Umkristallisierungsstadiums
im Innern der Masse durch ein Meßgerät außerhalb der Masse angezeigt. Die sich hieraus
ergebenden Vor-; teile gegenüber den bekannten Verfahren sind unter anderem die
folgenden a). Eine Stahlmasse kann in den Ofen gebracht -und bis zu dem gewünschten
Zustand j erhitzt werden, ohne daß man vorher irgend-' welche Versuche oder Temperaturbestimmungen
an einer Probe anzustellen brauchte, da das vorbeschriebene Verfahren unabhängig
von der wirklichen absoluten Temperatur ist.
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b) Das Durchweichen der Masse, das bisher üblich war, kann fortfallen,
weil, wie die Kurve B zeigt, alle Teile :der Masse durch das Umkristallisierungsstadium
zu einer Zeit gehen, die von dem Meßgerät unabhängig von i seiner eigenen Temperatur
angezeigt wird. Es ist daher keine fortgesetzte Erhitzung nötig, um das Erreichen
der kritischen Temperatur zu sichern. Durch Vermeiden des Durchweichungsprozesses
werden Wärme, Brennstoff. und Zeit in bedeutendem Maße erspart und in diesem Maße
die Kosten der Wärmebehandlung verringert.
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c) Das Verfahren, das unabhängig von der wirklichen absoluten Temperatur
ist, vermei- j det alle Möglichkeiten eines Irrtumes, wie die alten Verfahren, bei
denen solche Irrtümer bei der Eichung der Meßgeräte möglich waren.
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d) Sicherheit und Gleichförmigkeit des Er- i gebnisses, die bei den
bekannten Verfahren unmöglich waren, bei denen genaue Kenntnis der Temperatur erforderlich
war.
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e) Die Benutzung- eines Thermoelementes oder anderen Wärmemeßgerätes,
das ebenso wie das zugehörige Schreibwerk nicht kalibriert -zu sein braucht, da
ja genaue
Temperaturen zu kennen nicht erforderlich ist.
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f) Man ersetzt Zufall, Annäherungen und Folgen veränderlicher Zusammensetzung,
die bei den alten Verfahren eine Rolle spielten, durch Sicherheit, Genauigkeit und
Unabhängigkeit von der Zusammensetzung.
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Wenn die Masse S der Abkühlung überlassen wird, so hat sie eine höhere
Temperatur als ihre Umgebung, damit eine Abkühlung eintreten kann, und diese höhere
Temperatur wird durch die Tatsache angedeutet, daß die Kurye B (Fig. x) während
der Abkühlung über der Kurve A auf ihrem absteigenden Teile liegt.
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Es ist bekannt, daß bei der Abkühlung die Metallmasse eine Rückkristallisierung
durchmacht, während deren, da ja die Masse während der Abkühlung Wärme verliert,
ihre Temperatur ansteigt oder wenigstens in geringerem Maße abfällt.
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Dieser Umstand ist in Fig. x wiedergegeben. Der Beginn der Rückkristallisierung
liegt beim Punkte q und ihr Ende beim Punkte r auf der Kurve B. Der
Anfang und das Ende der Rückkristallisierungszone wird ebenfalls von dem Meßgerät
angezeigt, das außerhalb der Masse S liegt. Denn auch die Kurve A .zeigt im Punkte
t den Anfang und im Punkte et das Ende des Rückkristallisierung. Auch hier tritt
wie bei der Umkristallisierung während der Erhitzung Anfang und Ende der Rückkristallisierung
bei beiden Kurven gleichzeitig in die Erscheinung, und infolgedessen sind die Angaben
des Meßgerätes ein wirkliches Anzeichen für den inneren Zustand des Stahles und
für die Zeit der Rückkristallisierung.
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Aus den genannten Gründen ergibt sich, daß das Verfahren nach der
Erfindung auch unabhängig von der wirklichen Temperatur geeignet ist, Anfang und
Ende der Rückkristallisierung der Masse zu bestimmen, indem man den Wärmewechsel
außerhalb der Masse beobachtet.
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In Fig. 3 ist eine Kurve A dargestellt, we sie -bei der praktischen
Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung erlangt wird, bei der jedoch das Maß
der Erhitzung geringer ist als im Falle der Fig. I.
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Hier ist der Anstieg der Kurve zwischen den Punkten a und y sowie
k und b nicht so groß, als der Anstieg zwischen den entsprechenden Punkten in Fig.
r. Infolge dieser geringeren Erwärmungsstärke, d. h. des geringeren Maßes von Wärmeübergang
in die Masse und in das die Masse umgebende Mittel, ist der Anstieg zwischen den
Punkten j und k in Fig. 3 bei weitem geringer als zwischen diesen Punkten
in Fig. I. Hieraus ergibt sich, daß das Verfahren nach der Erfindung für verschiedene
Grade der Erhitzung anwendbar, ist. Es ist- klar, daß das Schreibblatt für das Meßgerät
R8; das bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung zum Verzeichnen der
Kurve A verwendet wird; nicht mit Maßlinien oder irgendwelchen Zeit- oder Temperaturmarken
versehen zu sein braucht, sondern daß ein gewöhnliches Blatt weißes Papier genügt,
'da man, wie gesagt, die Temperaturen nicht zu kennen braucht. Während im Vorhergehenden
stets von einem Anzeigewerk die Rede war, das eine fortlaufende Kurve zur Bestimmung
des kritischen Punktes oder Zustandes verzeichnete, und während ein solches zweckmäßig
benutzt wird, kann selbstredend irgendein geeigneter Registrierapparat benutzt werden,
z. B. ein solcher, der eine Reihe von Marken oder Punkten erzeugt, deren Aneinanderreihung
das Bild einer Kurve ergibt. Ferner kann das Verfahren nach -der Erfindung benutzt
werden, ohne ein Schreibwerk zu benutzen, denn das Thermoelement oder sonstige Wärmeanzeigegerät
kann in Verbindung mit irgendeiner geeigneten Anzeigevorrichtung benutzt werden,
von der man in -passenden Zwischenräumen Ablesungen macht. Diese können sogleich
verzeichnet und mit ihrer Hilfe eine Kurve gezogen werden, die derjenigen Kurve
gleicht, die ein Anzeigewerk liefert, das nur einzelne Kurvenpunkte wiedergibt.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht darauf beschränkt, in irgendeiner
Weise den Wechsel der Temperatursteigerung in der Nachbarschaft der behandelten
Masse festzustellen, noch ist es beschränkt auf ein Meßgerät, das nur auf Wärmewirkungen
anspricht; denn, wie bereits gezeigt wurde, kann auch ein Strahlungspyrometer benutzt
werden, dessen Äragaben eine Funktion derjenigen Strahlungsenergie sind, die nur
im Bereiche von Licht erzeugenden Wellenlängen liegt und deren Ablesungen in Farben
zum Ausdruck kommen.
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Während im Vorstehenden hauptsächlich auf das Härten von Stahl Bezug
genommen wurde, den man etwa bis zum Punkte n auf der Kurve A erhitzte und dann
abkühlte, kann selbstverständlich die Bestimmung des Wechsels im Temperaturanstieg
ei Erwärmung oder Abkühlung benutzt werden, um kritische Punkte oder Zustände für
irgendein anderes Verfahren als das Härten von Stahl festzustellen, z. B. beim Raffinieren,
Tempern, Ausglühen oder anderer Behandlung von Stahl oder irgendeiner Legierung
bzw. irgendeines Metalles. -Z. B. zum Raffinieren von Stahl kann dieser erhitzt
werden, bis das Umkristallisierungsstadium mehr oder weniger überschritten ist,
d. h. etwa bis zum Punkte n auf der Kurve A
oberhalb des Punktes k,
und dann in Öl getaucht werden,- welches eine langsamere -Abkühlung
ergibt,
als das Eintauchen in gewöhnliches oder Salzwasser'.' Zum Anlassen von Stahl, der
entweder vorher gehärtet wurde oder sich in seinem gewöhnlichen Zustand befindet,
wird die Masse erhitzt, bis die Umkristallisierung anfängt, aber noch nicht beendet
ist, und dann langsam abgekühlt, indem man mit Unterbrechungen etwas Wärme zuführt.
Je schneller nach dem Beginn der Umkristallisierung die Abkühlung beginnt, desto
besser wird das Anlassen erreicht. Die punktierte Kurve E (Fig. I) zeigt eine solche
Abkühlung, wie sie beim Anlassen stattfindet.
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Es ist ferner möglich, nach dem Verfahren der Erfindung Stahl einschließlich
hochkohlenstoffhaltigen Stahl zu härten, ohne daß irgendein wesentliches Einschrumpfen
oder Deformieren stattfände. Dies ist besonders nützlich beim Herstellen von Stanzen
und Matrizen, wie man sie beim Lochen oder Formen von Metallplatten, Blechen u.
dgl. benutzt.
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Eine Matrize kann aus Stahl in ungehärtetem Zustand hergestellt werden
und genau zur Stanze passen. Wird sie dann nach dem Verfahren der Erfindung gehärtet,
so ist die eintretende Schrumpfung fast gleich Null, so daß nach dem Härten die
Matrize zur Stanze ebenso genau paßt, wie vor dem Härten und nicht nach dem Härten
nachgeschliffen zu werden braucht. Dies erreicht man, indem man die Matrize, nachdem
sie genau zur Stanze passend hergestellt worden ist, etwa bis zum Punkte v (Fig.
i) über die Umkristallisierungszone hinaus erhitzt und dann abkühlt, wenn dieser
Punkt erreicht ist. Der Punkt v, bis zu dem es wünschenswert ist, die Erhitzung
zu treiben, kann für ein gegebenes Material bestimmt werden und man kann dann alle
anderen Matrizen aus dem gleichen Material und von ungefähr gleicher Masse ebenso
behandeln und sicher sein, daß sie geeignet gehärtet sind, ohne Deformation oder
Schrumpfung.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist auch anwendbar, wenn der Stahl
oder das sonst zu behandelnde Metall mit Hilfe von elektrischem Strom erhitzt wird.
In diesem Falle kann das Wärmemeßgerät, trotzdem die Hitze in der Masse selbst erzeugt
wird, nahe bei letzterer oder in Berührung mit ihr angebracht werden, und es kann
eine Kurve, die der Kurve A gleicht, erzeugt werden. Diese Kurve gibt dann ein Bild
des Zustandes der elektrisch erhitzten Masse und zeigt die Umkristallisierung an.
In diesem Falle ist die Temperatur außerhalb der elektrisch erhitzten Masse niedriger
als die Temperatur in der Masse. Aber nichtsdestoweniger treten Anfang und Ende
des Steigungswechsels in der Kurve ein.
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Während im Vorhergehenden besonders von Stahl, der Kohlenstoff enthalt,
und hochkohlenstoffhaltigem Stahl gesprochen wurde, so ist das Verfahren nach -
der Erfindung auch nützlich für ähnliche Behandlung von legiertem Stahl öder irgendeinem
anderen Metall, Legierung öder Stoff, bei denen allen es erwünscht ist, sie bis
zu einem kritischen Zustand zu erhitzen, der sich äußerlich erkennbar macht.