DE2829339A1

DE2829339A1 - Waermebehandlungsverfahren fuer stahlmaterial

Info

Publication number: DE2829339A1
Application number: DE19782829339
Authority: DE
Inventors: Giichi Ando; Yasuo Nakanishi; Kazunori Sakamoto; Teruki Watanabe
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1979-02-01
Also published as: DE2829339B2; JPS5421943A; GB2001271A; GB2001271B; JPS5625903B2; IT1107214B; FR2398115B1; FR2398115A1; US4519854A; DE2829339C3; IT7850353A0; BE869164A

Description

ΙΙΟΠΠΛ GIKEN KOGYO KABUSHIKI KAISHA 27-8, (5-chome, Jingumae, Shibuya-ku Tokio / Japan

Wärniebehandlungsverfahren für Stahlmatcrial.

Die Erfindung betrifft ein Wärinebehandlungsverfahren für Stahlmaterial wie Weichstahl oder dergleichen und eine Iiiiirichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es war bisher üblich bei der Herstellung von Gegenständen aus Stahl, die einem Ilartlötungsprozess unterworfen wurden, das Stahlmaterial auf etwa 1100 - 1200 C zu erhitzen, um eine ilartlötung mit Kupferhartlot zu erreichen, wobei eine Atmosphäre aus einem "umgewandelten Gas (converted gas) , zerlegtem Amoniakgas oder dergl. im Ofen aufrecht erhalten wurde und anschließend das Material im Ofen langsam auf die Normaltemperatur abgekühlt wurde, wie dies durch die Kurve ει in Fig. 1 angegeben ist. Durch diese Wärmebehandlung erhält man ein Produkt, dessen Dauer- und Biegefestigkeit und andere Eigenschaften unter denen des unbehandelten Ausgangsmaterials liegen. Dieses Produkt besitzt auch nur eine verhältnismäßig geringe Zugfestigkeit in der Lötverbindung. Um daher ein Produkt zu erhalten, das nach der Wärmebehandlung die notwendigen Festigkeitseigenschaften aufwies, war es erforderlich, besondere Konstruktionen bzw. Formen des zu behandelnden Materials vorzusehen, bei denen größere Materialstärken oder ein um mindestens einen Gütegrad höherwertigeres Ausgangsmaterial verwendet wurden. Dies führte zu Nachteilen wie höhere Gewichte, höhere Kosten und andere.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmebehandlungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die genannten Nachteile nicht aufweist und ein hartgelötetes Produkt ergibt, das in der Hartlötverbindung eine hohe Biegefestigkeit aufweist und dessen sonstige Festigkeitswerte weit über denen des Ausgangsmaterials liegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Stahlmaterial wie Weichstahl oder dergleichen, nachdem es auf eine Hartlöttemperatur erwärmt ist, in einem Kühlofen auf eine Temperatur von etwa 570 - 720⁰C abgekühlt wird und danach schnell ganz abgekühlt wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das die Wärmebehandlungskurve der Erfindung im Vergleich mit einer gleichartigen Kurve eines konventionellen Verfahrens zeigt;

Fig. 2

und 3 Diagramme der durch die Erfindung erreichten mechanischen Werte;

Fig. 4 ein Diagramm der Beziehungen zwischen den Verfahrenstemperaturen und der Zugfestigkeit in der Hartlötverbindung;

Fig. 5

und 6 Diagramme der Beziehungen zwischen den Verfahrenstemperaturen und den Biegeeigenschaften des Werkstücks;

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. u eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Einrichtung.

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Eine Hinterradgabel für ein Motorrad, das aus einem Stahlmaterial mit einem C-Gehalt von 0,02 - 0,85% gefertigt ist, wird an seinen Verbindungsstellen mit einem Kupferhartlot versehen, um das Ausgangsmaterial für die Wärmebehandlung zu erhalten. Dieses Werkstück wird in einem Vorwärmofen, der mit oxydationsfreiem Gas gefüllt ist, vorgewärmt. Dann wird es zum Hauptteil des Wärmeofens transportiert, in dem es 2 - 3 Min. lang auf 1100 - 1150⁰C erhitzt wird, sodaß das Hartlot schmilzt, in die Verbindungsstellen einfließt und diese ausfüllt. Das Werkstück wird anschließend in eine Kühlkammer des Ofens, die einen wassergefüllten Kühlmantel besitzt, überführt und dort einer Ofenabkühlung unterworfen. Diese Abkühlung wird für eine kurze Zeit durchgeführt und beendet, wenn das Werkstück eine Temperatur von 57O"< -- 72O C unterhalb des Umwandlungspunktes A erreicht hat. Dann wird es in eine Schnellkühlungskammer überführt, in der es durch Eintauchen oder Kühlung in anderer Weise durch Wasser oder ein anderes Kühlmittel schnell ganz abgekühlt wird. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren beendet· Der Ablauf dieses Wärmebehandlungsverfahrens ist als Beispiel durch die ausgezogene Kurve in Fig. 1 gezeigt und dadurch bestimmt, daß das Material aus einer Temperatur von etwa 6OO C heraus schnell ganz abgekühlt wird.

Von einem so erhaltenen Material, einem Material, das in der bekannten Weise behandelt wurde d.h. das im Ofen kontinuierlich auf die Normaltemperatur abgekühlt wurde, wie dies in gestrichelter Linie in Fig. 1 gezeigt ist, und zum Vergleich einem unbehadelten Material, wurden die Härtewerte gemessen.

Die gemessenen Werte sind nachstehend in Tabelle 1 angegeben:

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	SPCC	Tabelle	1	H.	SPCE	STKMI3A
	0,07°/				0,06% C	0,10% C
	H.B.	ι C		B. 59,5	H.B. 6
Unbehandeltes Material	63

Material in

bekannter Weise

behandelt H.B. 43,5 H.B. 48 H.B. 42

Material nach,
der Erfindung
behandelt H.B. 69,5 H.B. 65 H.B. 69,5

Aus diesen Untersuchungen ge'st IcI ar her vor, du F da κ in bekannter Weise behandelte Material eine geringere Härte besitzt wie das unbehandelte Ausgangsmaterial, während das nach der Erfindung behandelte Material gegenüber dem unbehandelten Material eine ganz erhebliche Verbesserung seiner Eigenschaften aufweist.

Andere mechanische Eigenschaften des erfindungsgemäß behandelten Materials sind durch die Kurven ει in den Fig. und 3 gezeigt, und zum Vergleich sind die entsprechenden mechanischen Werte des nach dem bekannten Verfahren behandelten und des unbehandelten Materials in den Kurven b bzw. c angegeben. Daraus geht klar hervor, daß das gemäß der Erfindung behandelte Material ganz ausgezeichnete und überlegene Eigenschaften aufweist.

D_as erfindungsgemäß behandelte Material besitzt im Vergleich zum konventionell behandelten nicht nur verschiedene wesentlich bessere mechanische Eigenschaften des Materials selbst, sondern auch die Lötverbindungen zeigen infolge der Wärmebehandlung nach der Erfindung eine außerordentlich hohe Festigkeit. Das Ergebnis ist in Fig. 4 aufgezeichnet. In. Fig. 4 ist ein Fall aufgezeichnet, bei dem eine Stoßverbindung (Spaltbreite 0,05 mm) von SPCC Stahlmaterial in einer Stärke

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von 20 nut mit Kupferhartlot nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Das Produkt weist eine große

Zugfestigkeit auf, die Zugbeanspruchungen von etwa 3° kg/mm aufnehmen kann, während das nach dem konventionellen Verfahren hergestelte nur maximal 25 kg/mm aushält. Die Tatsache, daß die erfindungsgemäße Behandlung des Materials, nämlich daß das Material, nachdem es für die Hartlötung erhitzt wurde, anschließend im Ofen auf 570 - 720 C abgekühlt wird, besonders ausschlaggebend ist, geht aus Fig. 5 und 6 hervor. Fig. 5 zeigt die Ergebnisse von Vergleichs-Rohrbiegeversuchen, die mit jedem der in der oben beschriebenen Weise behandelten Materialien durchgeführt wurden, um Belastbarkeitswerte festzustellen, wenn die Ausbiegung 50mm übersteigt, wobei a) das Material im Ofen auf den angegebenen Temperaturbereich bzw. darüber hinaus abgekühlt wurde und anschließend schnell ganz abgekühlt wurde oder b) nach dem konventionellen Verfahren oder c) garnicht wärmebehandelt wurde. Es geht hieraus hervor, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Produkt erzeugt wird, daß eine außerordentlich hohe Biegefestigkeit besitzt. Fig. 6 zeigt in etwa gleicher Weise für jedes Material eine Beziehung zwischen der Belastung und dem Betrag der Ausbiegung nach den genannten Wärmebehandlungen und es kann daraus entnommen werden, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Produkt mit ausgezeichneter Biegefestigkeit bei einer so hohen Belastung von mehr als 200 kg hergestellt werden kann. Wenn die Schnellabkühlung von einer Temperatur von oberhalb 725 C durchgeführt wird, ergibt sich ein solcher Temperaturgradient, daß es schwierig ist, die Abkühlung zu steuern,und die Beanspruchung des Materials und der Lötverbindung wird sehr hoch und dies ist nicht wünschenswert.

Durch das erfindungsgenäße Verfahren kann ein behandeltes Material erzeugt werden, das ausgezeichnete mechanische Eigenschaften besitzt, wenn ein Stahlmaterial mit 0,1 - 0,[>% C G_ehalt im Ofen von jeder für die Ilartlötung gewünschten Temperatur d.h. im Allgemeinen von etwa 1120⁰C auf etwa 65O⁰C d.h. einen Temperaturbereich zwischen 570 und 720⁰C in einer

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verhältnismäßg kurzen Zeit d.h. normalerweise in etwa IO bis 5 Minuten heruntergekühlt wird und dann schnell ganz abgekühlt wird.

Aus vielen Versuchsreihen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, die mit Stählen mit verschiedenen Kohlenstoffanteilen durchgeführt wurden, wurde gefunden, daß jedes Stahlmaterial mit einem C-G_phalt von 0,02 - 0,25% besonders geeignetes Material mit Zugfestigkeiten unter 80 kg/mm liefert und jedes Stahlrnaterial mit höheren C-Gehalten zu hart wird.

Die Schnellabkühlung wird derart durchgeführt, daß das Material in eine Kühlflüssigkeit wie Wasser oder dergl. eingetaucht wird oder die Flüssigkeit auf das Werkstück gegossen wird, wobei die Flüssigkeit auf einer Temperatur von 5 - ^5 C gehalten werden sollte, oder es wird einem kühlenden Gasstrom ausgesetzt.

Wenn auf das Werkstück durch eine Flüssigkeit, wie z.B. eine Phosphatlösung oder dergl., ein Grundüberzug aufgetragen werden soll, ist es zweckmäßig, daß diese Behandlung gleichzeitig mit der Schnellkühlung vorgenommen wird.

Nachstehend wird ein praktisches Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug auf Fig. 7 erläutert:

In Fig. 7 ist mit 1 eine Transporteinrichtung bezeichnet, die ein Tablett 2 schubweise in Pfeilrichtung durch eine Schubvorrichtung weiter transportiert. Diese Einrichtung ist am vorderen Ende mit einer Hubeinrichtung 1-a versehen, durch die das Tablett 2 in eine Zulieferungsstellung gehoben wird und weist am Ausgangsende eine Hubeinrichtung 1-b auf, durch die das Tablett 2 in die Ausgangshöhe abgesengt wird, von wo es durch eine andere Schubvorrichtung weiter transportiert wird. Ein länglicher Wärmeofen 3 überdeckt die obere Fläche der Transporteinrichtung in Transportrichtung und der vordere Teil des Ofens bildet eine Vorwärmkammer 51 die mit einer elektrischen Widerstandsheizung ausgerüstet ist.

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Durch eine Gasleitung 't wird ein beliebiges oxydationsfreies Gas, wie umgewandeltes Gas, zerlegtes Ammoniak, Stickstoff, Reduktionsgas oder dergl., in den Wärmeofen 3 eingeführt, sodaß die Vorwärmung und die Erhitzung auf Löttemperatur in einer oxydationsfreien Atmosphäre vorgenommen wird. Eine Ofenkühlzone 6 mit einem Kühlwassermantel schließt an die Rückseite des Wärmeofens 3 a.n und am rückwärtigen Ende der Kühlzone 6 und am vorderen Ende des Wärmeofens 3 sind Verschluß einriebt uijen 7,7 vorgesehen, die entsprechend dem Vorschubtakt geöffnet bzw. geschlossen werden. Mit 0,8 sind Abgasrohre bezeichnet. Daraus geht hervor, daß auch die Ofenkühlung in einer Atmosphäre aus oxydationsfreiein Gas durchgeführt wird. An die Rückseite der Ofenkühlkammer 6 schließt eine Kühlkammer 9 ^an> unter der ein Kühltank 10 mit einer Kühlflüssigkeit wie Wasser oder dergl. angeordnet ist. Das Innere der Kammer 9 wird über eine Gaszuführleitung 11 mit oxydationsfreiem Gas versorgt, das über die Abgasleitung 8 abgeführt wird. Am rückwärtigen Ende der Kammer ist eine Verschlußeinrichtung 12 vorgesehen, die entsprechend dem Vorschubtakt geöffnet bzw. geschlossen wird. Auf diese Weise wird das zu behandelnde Material in einer oxydationsfreien Gasatmosphäre abgekühlt. Durch die Hubeinrichtung wird das Tablett 2 abgesenkt, für eine festgelegte Zeit in die Kühlflüssigkeit im Kühltank 10 eingetaiicht, sodaß das Material auf dem Tablett schnell ahgelnihl t τ; i j*d mn! dnn.i v.ieilor anj^ebo'ioi:. An einen Vorratsbehälter l^li für die Kühlflüssigkeit ist eine Pumpe 15 angeschlossen, die in den Kühltank 10 fördert, sodaß die Kühlflüssigkeit in diesem Tank 10 je nach Bedarf durch frische Flüssigkeit ersetzt werden kann, um die Temperatur im Kühlbad vorzugsweise auf 5 - '±5 C zu halten. B_ei Verwendung einer Kühlflüssigkeit, durch die ein Grundüberzug aufgetragen wird, wie wässerige Phosphatlösung oder dergl. an Stelle von Wasser, kann die anschließende Behandlung des Werkstücks d.h. der Phosphatbeizvorgang entfallen.

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- lü -

Der Wärmebhandluiigsprozess des Verfahrens wird nachfolgend erLäutert:

üine iltiiterradgcibe L eines Motorrades, die aus einem Materiell STKN 13 Λ iiiit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als O₁IiT₁S und ein den Verbindungsstellen mit lUirtlot, wie Kupferlot, versehen ist, wird auf ein Tablett 2 aufgelegt und eine iiehrzahl solcher Tab Letts wird eins nach dem anderen durch die Schubeinrichtung eier Transporteinrichtung 1 in Pfei L-richtung taktweise in den Wärmeofen eingeschoben. Die Hinterradgabel wird nach einer Vorwärmung in der Kammer ~> in das Zentrum des Wärmeofens 3 verschoben und dort auf IiOO - LLTO C erwärmt, wobei die Spitzeritempercitur von 112Ο C für 2 bis 3 Minuten aufrechterhalten wird. Dadurch schmilzt das Lot und füllt die Verbindungsfugen aus. Nach der Wärmebehandlung für das Hartlöten wird die ilititerradgcibel weiter zur Ofenkühlungszone 6 transportiert. Dort wird sie auf eine optimale Temperatur von etwa 65Ο C d.h. in einem Temperaturbereich zwischen 137O - 720 C unterhalb des ümwandlungspimktes Ar abgekühlt, damit das Material selbst bei schnellster anschließender Abkühlung sich nur gering verformt. Anschließend wird die so abgekühlte Hinterradgabel im Teilet weiter transportiert und in die Kammer 9 für die Schnei]kühlung eingeführt. Dort wird sie durch Eintauchen in den Kühltank 10, der Wasser oder dergl. enthält, mittels der Hubvorrichtung 13 innerhalb von 30 bis 60 Sekunden unter dem Schutz der oxydationsfreien Atmosphäre ganz abgekühlt. Anschließend wird sie durch die Hubvorrichtung 13 wieder in die Ausgangsstellung angehoben. Dann werden die Verschlußeinrichtungen 7, 12 geöffnet und das Tablett 2 wird entsprechend der Taktbewegung der Transporteinrichtung 1 aus der Kammer 9 ausgeschoben. Zu gleicher Zeit wird ein frisches Tablett in die Kammer 9 eingeführt und nachdem die Verschlußeinrichtungen 7» 12 wieder geschlossen sind, wird die Hubeinrichtung 13 betätigt, um den Tauchvorgang zu wiederholen. Das dem Tablett entnommene Material wird der nächsten Fertigungsstation zugeEührt und das nun leere Tablett wird durch die Hubvorrichtung 1-b der Transport-

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vorrichtung 1 abgesenkt, mit einem neuen- zu behandelnden Werkstück beladen und dann taktweise in Pfeil richtung der Eingangsseite zugeführt. Dort wird es durch die Hubvorrichtung 1-a auf die obere Stufe angehoben und im Arbeitstakt in den Ofen eingeführt. Auf diese Weise arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren mit schrittweisem Vorschub, jedoch kontinuierlich.

Wird bei dem beschriebenen Verfahren z.B. eine wässerige Phosphat lösung als Flüssigkeit für einen Grundüberzug gleichzeitig als Kühlflüssigkeit für die schnelle Abkühlung benutzt, so kann der Überzug bei der beim Abkühlen auftretenden Reaktionstemperatur erzeugt werden. Nach Bedarf wird die wässerige Phosphatlösung teilweise oder ganz durch frische Flüssigkeit aus dem Vorratstank Ik ersetzt, wodurch Korrekturen der Temperatur, der Flüssigkeitskonzentration, des PH-Wertes oder dergl. vorgenommen werden können. Die Schnellabkühlung kann statt durch Eintauchen auch durch Bespülen oder Besprühen oder in anderer Weise durchgeführt werden. In einem solchen F_all sind statt des Flüssigkeitstanks 10 Sprühdüsen oder dergl. an der Decke der Kammer 9 vorzusehen, sodaß die Flüssigkeit in geeigneter Weise dem Werkstück zugeführt wird. Die Schnellkühlung kann auch durch Einblasen von Kühlgas in die Kammer 9 oder in anderer Weise vorgenommen werden. Bei der beschriebenen Wärmebehandlung wird die Ofenkühlung von 1120°C auf etwa 600°C in 6 bis 7 Minuten durchgeführt.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel. Am Ein- und Ausgang für das Material sind statt der festen Verschlußeinrichtungen Gasschürzen 16, 16 aus oxydationsfreiem Gas vorgesehen und der Schnellkühltank 10 ist so angeordnet, daß seine Flüssigkeitsoberfläche vom Gasstrom der rückwärtigen Schürze überstrichen wird, sodaß das Werkstück, ohne mit der Außenluft in Berührung zu kommen, aus der Kammer 6 des Kühlofens in den Schnellkühltank 10 überführt werden kann, wo es der Schnellkühlung oder Schnellkühlung in Verbindung mit Grundüberzug-Behandlung unterworfen wird.

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Das Tablett 2 wird kontinuierlich durch ein endloses Förderband 1 bewegt , sodaß eine kontinuierliche I3ehandl\mg durchgeführt- werden kann« lid η Förderband 17 fördert das getatiehte Material aus dem Schnell kühl tank 10 heraus.

Auf diese ii_pise wird gemäß der Erfindung ein Stahlmaterial , nachdem c;s für die Ilartltftung erhitzt wurde, im Ofen auf etwa 57^ - 720 G abgekühlt und wird anschließend schnell iranz abgekühlt, wodurch sich ein behandeltes Material :ni i -.CiHCJIt]-JCh liessereii Eigenschaften vie Härte etc. orj'i-'t, nls sie durch die bekannten Verfallen erreichbar waren.

Der Patentanwalt

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L e e r s e i \ e

Claims

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-BODO MÜNCHEN 22 Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10 Dr. rer.nat. W. KÖRBER ® Ο8« '29 66 84 Dipl.-lng. J. SCHMIDT-EVERS „ „ , bO b J J O J PATENTANWÄLTE . T -. 1rl_Q 4. Juli 1978 HONDA GIKEN KOGYO KADUSIIIKI KAISHA 27-8-, 6 chome Jingumae, Shibuya-ku Tokio/ Japan ANSPRÜCHE

1. Wännebehandlungsverfaliren für Stahlmaterial wie Weichstahl oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlmaterial wie Weichstahl oder dergleichen, nachdem es auf eine Ilartlöttemperatur erwär>rint ist, in einem Kühlofen auf eine Temperatur von etwa 57° - 720 C abgekühlt wird und danach schnell ganz abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlmaterial wie Weichstahl oder dergleichen, nachdem es in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auf eine Ilartlöttemperatur erwärmt ist, in einem Kühlofen auf etwa 570 - 72Ο C abgekühlt wird und danach schnell ganz abgekühlt wird.

3· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Wärmeofen, in dem Stahlmaterial wie Weichstahl oder dergleichen, das das an seinen Verbindungsstellen mit Hartlot versehen ist, in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, auf eine dem Schmelzpunkt des Hartlots entsprechende Temperatur erwärmt wird, eine Kühlofenabteilung, um das Stahlmaterial nach seiner Erwärmung auf eine Temperatur von etwa 570 - 720 C in einer nicht oxydierenden Atmosphäre abzukühlen, eine

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ORIGINAL INSPECTED

Schnellkühlabteilung, um das Material von dieser Temperatur ganz abzukühlen und eine Fördereinrichtung aufweist, um chis Material durch den Wärmeofen, die KühLabteiLung und die Schiiellkühlabteiluiig hindurch zu transportieren.

Einrichtung nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellkühlabteilung ein Tauchbad oder eine Gießvorrichtung für eine Flüssigkeit, durch die auf das Material ein Grundüberzug aufgetragen wird, aufweist.

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