EP0253176A2 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Stahlteilen - Google Patents

Abstract

Zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen werden diese im Vakuum aufgeheizt und unter Druck in einem Inertgas durch Anströmen abgekühlt. Eine gleichmäßige Martensitbildung über die Gesamtcharge erhält man, wenn nach schnellem Abkühlen bis zu Martensitbildungstemperatur ein Temperaturausgleich zwischen Chargenoberfläche und Chargeninnern durch Drosselung der Gasumwälzgeschwindigkeit herbeigeführt wird. Dazu mißt man die Temperatur der Chargenoberfläche und simuliert den Temperaturverlauf im Chargeninnern mittels eines Rechenprogramms, in das zuvor die chargenspezifischen Parameter eingegeben werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahlteilen, die im Vakuum aufgeheizt und unter Druck in einem Inertgas durch Anströmen und Gasumwälzung abgekühlt werden, wobei nach einem schnellen Abkühlen der Charge von Glühtemperatur auf die Martensitbildungstemperatur durch Vergleich der Temperaturen im Chargeninnern und auf der Chargenoberfläche mittels Drosselung der Gasumwälzgeschwindigkeit und/oder des Gasdrucks ein Temperaturausgleich der Gesamtcharge im Bereich der Martensitbildungstemperatur ermöglicht wird, bevor eine weitere Abkühlung auf Entnahmetemperatur aus dem Ofen erfolgt.
• Es ist seit langem bekannt, Stahlteile in Vakuumöfen zu härten, indem sie unter Vakuum auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen sich die Austenitphase als Gefüge bildet, und dann im Inertgas unter höherem Druck möglichst schnell abgekühlt werden. Dazu wird das Inertgas meist mit einem Gebläse umgewälzt und mittels Düsen oder Leitblechen auf die im Ofen befindliche Charge gerichtet. Die Stahlteile­charge kann dem Ofen entnommen werden, wenn sie soweit abgekühlt ist, daß keine Oxidation an der Luft mehr stattfindet.
• Da in einer zur Wärmebehandlung anstehenden Charge die Teile oft unterschiedliche Wandstärken besitzen, können dünne Teile bei der Entnahme aus dem Ofen beispielsweise auf 50°C abgekühlt sein, während die Temperatur dickerer Teile z.B. noch bei 250° C liegen kann. Das hat den Nachteil, daß sich in den verschiedenen Teilen einer Charge und auch in den einzelnen Teilen selbst unterschiedliche Gefüge ausbilden können.
• Das gleiche gilt für Teile, die sich im Innern oder an der Oberfläche einer Charge befinden.
• Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Härtung von Stahlteilen ist beispielsweise in der DE-PS 28 39 807 beschrieben.
• Bei der üblichen Abschreckhärtung wird der auf Härte­temperatur erwärmte Stahl in einem Abschreckmittel so rasch auf etwa Raumtemperatur abgekühlt, daß die Bildung von Ferrit, Perlit und Karbid unterdrückt wird und das Härtungsgefüge "Martensit" entsteht. Die Umwandlung in Martensit setzt während der raschen Abkühlung bei der sogenannten Martensit- Bildungstemperatur ein, die abhängig ist vom Kohlenstoffgehalt und den sonstigen Legierungsbestandteilen des Stahls. Sie liegt normalerweise zwischen 550° C und 150° C, für gebräuchliche Werkzeugstähle bei etwa 200° C.
• Um einen Stahl zu härten, ist es nicht erforderlich, auch das Temperaturintervall der Martensit-Bildung rasch zu durchlaufen. Wird in diesem Bereich langsam abgekühlt, so wandelt sich der Austenit ziemlich gleichmäßig über den ganzen Querschnitt des Werkstücks Martensit um. Bei der anschließenden langsamen Abkühlung auf Raumtemperatur entsteht der volumengrößere Martensit an allen Stellen des Werkstücks fast gleichzeitig, im Gegensatz zur Abschreckhärtung, bei der der Martensit an den einzelnen Partien des Werkstücks zu verschiedenen Zeitpunkten entsteht und dadurch zu Spannungen, verbunden mit Formänderungen und Reißgefahr, führt. Solche Temperaturunterschiede treten allerdings auch bei einer langsamen Abkühlung im Martensitbereich zwischen Teilen im Innern und auf der Oberfläche einer Charge auf.
• Aus den "Fachberichte Hüttenpraxis Metallverarbeitung, Vol 23, Nr. 9, 1985, Seite 717-721" ist es bekannt, solche Temperaturunterschiede weitgehenst zu verhindern, indem mit Thermoelementen die Temperatur an verschiedenen Stellen der Charge gemessen und die Gasabkühlung durch Steuerung der Gasstromrichtung entsprechend variiert wird. In der Praxis treten allerdings Fälle auf, in denen die Temperatur innerhalb der Charge nicht mit einem Temperatursensor gemessen werden kann. Eine Regelung und Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit durch Vergleich der Temperaturen auf der Chargenoberfläche und im Chargeninnern ist in diesem Fällen nicht möglich.
• Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahlteilen,gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs,zu entwickeln, bei dem eine gleichmäßige Martensitbildung innerhalb der einzelnen Teile und innerhalb der gesamten Charge auch ohne Messung der Temperatur im Chargeninnern erreicht werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Temperaturverlauf im Chargeninnern mittels eines Rechenprogramms simuliert wird.
• Der Temperaturausgleich erfolgt in der Weise, daß beim Erreichen der von der Stahlzusammensetzung abhängigen Martensitbildungstemperatur auf der Chargenoberfläche die Gasumwälzung vermindert oder völlig gedrosselt wird, nach einer Temperaturerhöhung auf der Chargenoberfläche infolge Wärmeleitung aus dem Chargeninnern auf Temperaturen von 10 bis 80° C oberhalb der Martensitbildungstemperatur die Gasumwälzung wieder gesteigert, und dieses abwechselnde Vermindern der Gasumwälzung solange fortgeführt wird, bis ein endgültiger Temperaturausgleich zwischen Chargeninnerem und Chargenoberfläche im Martensitbildungstemperaturintervall erfolgt ist.
• Die Temperaturen auf der Chargenoberfläche werden vorteilhafterweise mittels elektrischer Temperatursensoren gemessen, z.B. mit Thermoelementen, und aus den gemessenen Daten über eine Computersteuerung die Gasumwälzung und/oder der Gasdruck geregelt. In der Computersteuerung wird dabei ein Rechenprogramm eingesetzt, in das die zuvor ermittelten chargenspezifischen Parameter und die Martensitbildungstemperatur eingegeben werden. Mit diesem Rechenprogramm wird der Temperaturverlauf im Chargeninnern simuliert, so daß man dort keinen Temperatursensor anzubringen braucht. Sobald der Temperatursensor auf der Chargenoberfläche die zuvor eingegebene Martensitbildungstemperatur anzeigt, wird die Gasumwälzung automatisch gedrosselt. Dadurch steigt die Temperatur auf der Chargenoberfläche wieder an, da aus dem Chargeninneren ein Wärmeabfluß nach außen erfolgt. Nach Erreichen einer Temperatur, die beispielsweise 20° C über eingegebenen Martensitbildungstemperatur liegen kann, wird die Gasumwälzung durch die Computer-Steuerung wieder erhöht, bis der Temperatursensor auf der Chargenoberfläche erneut die Martensitbildungstemperatur anzeigt. Anschließend wird die Gasumwälzung wieder gedrosselt, bis nach mehrmaligem Drosseln und Erhöhen der Gasumwälzung ein Temperaturausgleich zwischen Chargenoberfläche und Chargeninnerem erfolgt ist. Anschließend erfolgt das Abkühlen auf die Entnahmetemperatur aus dem Ofen auf üblicher Weise.

Claims (1)

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahlteilen, die im Vakuum aufgeheizt und unter Druck in einem Inertgas durch Anströmen und Gasumwälzung abgekühlt werden, wobei nach einem schnellen Abkühlen der Charge von Glühtemperatur auf die Martensitbildungstemperatur durch Vergleich der Temperaturen im Chargeninnern und auf der Chargenoberfläche mittels Drosselung der Gasumwälzge­schwindigkeit und/oder des Gasdrucks ein Temperaturaus­gleich der Gesamtcharge im Bereich der Martensitbildungs­temperatur ermöglicht wird, bevor eine weitere Abkühlung auf die Entnahmetemperatur aus dem Ofen erfolgt,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß der Temperaturverlauf im Chargeninnern mittels eines Rechenprogramms simuliert wird.