Untersuchung über den Einfluß der Anlaßzeit auf die Härte und Festigkeit von Kreissägeblättern für Holz und Schmelzsägeblättern für Stahl PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN IF N r. 2885 achgruppe Huttenwesen/Werkstoffkunde Herausgegeben yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Dr. -Ing. Helmut Huber Ing .. (grad.) Uwe Volker Munz Institut fUr Werkzeugforschung, Remscheid im Auftrage des Vereins zur Forderung von Forschungs und Entwicklungsarbeiten in der Werkzeugindustrie e. V., Remscheid Untersuchung uber den Einflu~ der Anla~zeit auf die Harte und Festigkeit von Kreissageblattern fur Holz und Schmelzsageblattern fur Stahl Westdeutscher Verlag 1979 C1P-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Huber, Helmut: Untersuchung tiber den Einfluss der Anlasszeit auf die Harte und Festigkeit von Kreissageblat tern ftir Holz und Schmelzsageblattern ftir Stahl I Helmut Huber ; Uwe Volker Mtinz. 1m Auf tr. d. Vereins zur Forderung von Forschungs- u. Entwicklungsarbeiten in d. Werkzeugindustrie e.V., Remscheid. - Opladen : Westdeutscher Ver lag, 1979. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2885 : Fachgruppe Htitten wesen, Werkstoffkunde) ISBN-13: 978-3-53'-02885-9 e-ISBN-13: 978-3-322-87660-7 DOl: 10.1007/978-3-322-87660-7 NE: Mtinz, Uwe Volker: © 1979 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag - 3 - Inhaltsverzeichnis Seite 1. Stand der Technik 5 2. Problemstellung 6 3. Theoretische Grundlagen 7 4. Versuchsdurchflihrung 10 4.1 Werkstoffe 10 4.2 Probenabmessungen 13 4.3 Warmebehandlungseinrichtungen 13 5. Versuchsprogramm 14 5.1 Harte und Gefligeausbildung in Abhangigkeit von der Hartetemperatur 14 5.2 AnlaBtemperaturen und Haltezeiten 17 5.3 Statischer Biegeversuch 19 5.4 Biegewechselversuch 21 5.5 Dilatometerversuch 21 5.6 Beurteilung der Hdrtbarkeit (Stirnabschreck- versuch / ZTU-Schaubild) 22 6. Versuchsergebnisse 23 6.1 EinfluB der AnlaBzeit auf die Harte 23 6.2 EinfluB der AnlaBzeit auf die Biegefestigkeit und 0,1 mm - Biegegrenze 28 6.3 EinfluB der AnlaBzeit auf das Biegewechselver- halten 29 6.4 Auswertung der Dilatometerversuche 29 6.5 Bestimmung der Hartbarkeit (Stirnabschreckversuche/ ZTU-Schaubilder) 31 7. Messung der wirklichen Temperaturverteilung in verschiedenen Betrieben 33 8. Analytische Berechnung des Aufheizvorganges 43 9. Zusammenfassung 49 10. Folgerungen fUr die Praxis 52 11. Schrifttum 54 Bilder 59 - 4 - Zusaromenstellung der verwendeten Kurzzeichen rom Breite der Biegeprobe werkstoffabhangige Konstante c spezifische Warme rom Durchbiegung beim Bruch rom Durchbiegung bei der Elastizitatsgrenze kg/m2 Einsatzgewicht/Heizflache rom Hohe der Biegeprobe rom Auflageabstand der Biegeprobe Beiwert p Vergleichsparameter N Druckkraft Rauhtiefe ~m K AnlaBtemperatur AnlaBzeit Hartetemperatur rom 3 Widerstandsmoment kcal/m2hOC WarmeUbergangszahl N/rom2 kor r igierte Biegefestigkeit °c Ofen-, Heizgastemperatur °c Anfangstemperatur des Warmegutes °c Endtemperatur des Warmegutes °c Temperaturunterschied im Warmegut kcal/mh°C Warmeleitzahl N/rom2 Biegefestigkeit Beiwert -5- 1. Stand der Technik Die Warmebehandlung von Kreissageblattern, die fUr die Bear beitung von Holz und Holzwerkstoffen sowie im Schmelzschnitt fUr Stahl eingesetzt werden, besteht Ublicherweise aus zwei getrennten Vorgangen: Aus dem Harten und dem Anlassen auf den am Fertigprodukt gewtinschten Hartewert. Die Erwarmung auf Hartetemperatur erfolgt im allgemeinen in 01- oder gasbeheizten Durchlauf- oder Karnrnerofen, vereinzelt auch in Drehherdofen. Nach Ablauf der erforderlichen Haltezeit werden die Werkzeuge einzeln in kreisformige, planparallele Spannbacken eingelegt, sog. "Quetten" (Bild 1), und unter Druck stehend in einem 6lbad abgeschreckt. Nur so kann vermieden werden, daB sich die Sagen unverhaltnismaBig stark verziehen und kostenintensive Richtarbeit erforderlich wird (1-3). Aus dem gleichen Grund werden die Werkzeuge auch in vorgespanntem Zustand angelassen. Dazu werden die Sagen durch Bolzen in Paketen verschiedener GroBe verschraubt (Bild 2) und in Topf oder Karnrnerofen, die meistens elektrisch, weniger oft mit IH oder Gas beheizt werden, auf die je nach gewtinschter Harte erforderliche Temperatur gebracht. Durchlaufofen sind wegen des auftretenden starken Verzuges der Werkzeuge fUr diesen Arbeitsgang ungeeignet. Die GroBe der Pakete richtet sich nach den durchzusetzenden StUckzahlen sowie den Abmessungen der Werkzeuge. Da beide werte Uber einen langeren Zeitraum betrachtet stark schwanken konnen, mUssen die benutzten 6fen in ihren MaBen so ausgelegt sein, daB sie moglichst universell und variabel eingesetzt werden konnen, d.h., daB die Masse der zu behandelnden Werk zeuge entsprechend unterschiedlich sein kann. Aus wirtschaftlichen GrUnden wird jeder Betrieb bestrebt sein, in ein und derselben Of enc harge moglichst viele Teile anzulassen. -6- 2. Problernstellung Sowohl Kreissagen flir Holz und Holzwerkstoffe als auch Schrnelz sageblatter flir Stahl sind krafternaBig sehr hoch beanspruchte Werkzeuge, die ein recht unglinstiges Verhaltnis von Durchrnesser zu Dicke besitzen; ein einwandfreies Arbeitsverhalten unter den jeweiligen Einsatzbedingungen ist jedoch wichtig flir die Glite der erzeugten Schnittflache. Darliberhinaus rnuB stets sicherge stellt sein, daB kein Werkzeugbruch auftritt. Neben der Geornetrie der Zahne, den MaBen und der Ausflihrung der Werkzeuge sowie ihrern Vorspannungszustand sind die rnechanischen Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes flir ein einwandfreies Arbeitsverhalten von entscheidender Bedeutung. Dazu ist z.B. ein guter Reinheitsgrad des Stahles ebenso bedeutsarn wie eine einwandfrei durchgeflihrte \'Jarrnebehandlung. Unter der Voraussetzung, daB beirn Harten der Werkzeuge kein Fehler gernacht worden ist, sind AnlaBzeit und AnlaBdauer flir eine optirnale Gefligeausbildung des Endproduktes bei vorgegebener Harte von groBer Wichtigkeit. Der Werkstoff rnuB liberall eine ausreichend lange Zeit bei der entsprechenden Ternperatur ge halten werden, darnit der AnlaBvorgang an jeder Stelle der Werkzeuge gleichrnaBig und vollstandig ablaufen kann. Uber die Ternperaturverteilung beirn Anlassen von verspannten Kreissagen-Stapeln liegen bisher keine durch Versuche unter rnauerte Angaben vor. Die in der Praxis liblichen AnlaBzeiten beruhen auf rein ernpirisch gewonnenen Erfahrungen; sie sind in den einzelnen Betrieben recht unterschiedlich. In der vorliegenden Aufgabe sollte einrnal untersucht werden, welche rninirnalen und rnaxirnalen AnlaBzeiten bei konstanter AnlaBternperatur flir eine optirnale Gefligeausbildung rnit ent sprechend guten rnechanischen Eigenschaften angewandt werden rnlissen und zurn anderen geprlift werden, welche zeiten in ver schiedenen Betrieben tatsachlich eingehalten werden. -7- 3. Theoretisehe Grundlagen (4-12) Reines Eisen besitzt bei Raumtemperaturein kubiseh raumzen triertes Kristallgitter; diese Phase wird als a-Eisen bezeieh net. Bei Erwarmung wandelt sieh bei einer Temperatur von 9110 C das kubiseh raumzentrierte Gitter in ein kubiseh flaehenzentrier tes Gitter um, es entsteht das v-Eisen, aueh "Austenit" ge nannt. Bei diesem Vorgang vergroBert sieh die Gitterkonstante von 2,87 . 10-10 m auf 3,65 • 10-10 m; diese Umwandlung ist bei genugend langsamer AbkUhlung reversibel. Bei hoherer Abkuhlgesehwindigkeit und der Anwesenheit von Kohlenstoff im Gitter ~ndern sieh die Verh~ltnisse entseheidend, da die Losliehkeit des Kohlenstoffes im a-Eisen - bei Raum temperatur - wesentlieh geringer ist als im v-Eisen naeh der Umwandlung: Sie betr~gt im v-Eisen max. 1,7%, im a-Eisen max. 0,018%. Diese Werte ~ndern sieh in Abh~ngigkeit von der Tempe ratur gemaB den Linien HN bzw. PQ des Eisen-Kohlenstoff Diagrammes. Oberhalb einer bestimmten kritisehen Abkuhlgesehwindigkeit, bei der die Umwandlung von a- in v-Eisen diffusionslos aussehlieB lieh dureh einen Umklappm~ehanismus des Kristallgitters er folgt, bleibt der gesamte Kohlenstoff der v-Phase auch in der a-Phase gelost, da fUr eine Ausscheidung des Kohlenstoffes als Eisenkarbid (Fe3C) nicht genugend Zeit zur VerfUgung steht. Die gelosten Kohlenstoffatome weiten das ~itter des Ubersattig ten a-Eisens tetragonal auf: So kann die c-Achse dieses sog. "Martensits" eine Gitterkonstante von 3,0 . 10-10 m erreichen. In diesem Zustand besitzen die meisten Stahle zwar ihre maximal erreichbare H~rte, sie verhalten sieh jedoch bei Belastung sehr sprode und gehen ohne nennenswerte Umformung zu Bruch. Nach Erw~rmung des Martensits, dem "Anlassen" des Stahles, andern sieh die Belastungseigensehaften deutlieh, da nun die -8- vorher verhinderten Ausscheidungsvorgange mehr oder weniger vollstandig ablaufen konnen. Eine gewisse AnlaBwirkung findet zwar auch bei Raumtemperatur statt, doch ist sie kaum fest stellbar, da die dazu notige Zeit sehr groB ist. In der ersten AnlaBstufe scheidet sich bei ca. 1000 C ein sehr feines Eisenkarbid aus, das als €-Karbid bezeichnet wird und im Schliffbild kaum zu erkennen ist; die hohe Harte des Martensits sinkt nur geringftigig abo In der zweiten AnlaBstufe, die bei ca. 2500 C liegt, setzt der Zerfall des Restaustenits ein. Denn je nach der Hohe des Kohlenstoffgehaltes, den vorliegenden Austenitisierungsbedin gungen sowie der Art und Menge von beigeftigten Legierungselemen ten enthalt ein Stahl nach dem Abschrecken noch mehr oder weniger groBe Anteile von y-Phase, Austenit, die nicht in Mar tensit umgewandelt worden sind. Bei ca. 2500 C scheidet sich aus dem Restaustenit €-Karbid aus, die Y-Phase wird dadurch instabil und wandelt sich nun je nach gelostem Kohlenstoffge halt in Ferrit oder Martensit urn. In der dritten AnlaBstufe, urn 3000 C, findet nun eine Umwandlung des €-Karbides in das Eisenkarbid Fe3C, den "Zementit" statt. Dartiberhinaus erfolgt einEinformen und Zusammenballen von Karbiden bei hoheren Temperaturen. In der vierten AnlaBstufe, tiber 4000 C, konnen sich bei bestimm ten legierten Stahlen Sonderkarbide neu bilden, da d.ann bestimmte Elemente diffusionsfahig, d.h. "beweglich" geworden sind. Der Zusatz von Legierungselemenbmtibt also einen deutlichen EinfluB auf das AnlaBverhalten der Stahle aus: Dabei andern sich weniger die ftir unlegierte Werkstoffe entwickelten Vor stellungen tiber den Abiauf der einzelnen AnlaBvorgange; viel mehr entstehen Unterschiede in den Temperaturbereichen, in denen sich die einzelnen Mechanismen abspielen. ~9~ Die erste AnlaSstufe wird durch zugesetzte Legierungselemente am wenigsten berUhrt, da die Geschwindigkeit des Martensit~ zerfalls haupts!chlich vom Grad der KohlenstoffUbers!ttigung des Mischkristalles abh!ngt. 1m zweiten Stadium der Martensitauflosung konnen die Elemente Chrom, Molybd!n, Wolfram, Titan, Vanadin das tetragonale Gitter bis zu hohen Temperaturen (ca. 4500 C) erhalten, da sie der Koagulation der Karbide entgegenwirken. Die verzogerte Wirkung der Karbidbildner l!St sich auf deren EinfluS auf die Diffu~ sionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffes zurUckfUhren. Die zweite AnlaSstufe wird dann also zu hoheren Temperaturen hin ver~ schoben. Die Karbidumwandlungen in den letzten AnlaSstufen bei hoheren Temperaturen verlaufen wie folgt (42): (Fe, Cr)3 C --- (Fe, Cr)3 C + (Cr, Fe)7 ---(Cr, Fe)7 C3 (Fe, V) 3 C -- (Fe, V) 3 C + (V, Fe) C - (V, Fe) C FUr die Erscheinung der Sekundarh!rtebildung (4. AnlaBstufe) konnen feindisperse Karbidausscheidungen verantwortlich sein, die sich bevorzugt in Bereichen mit hoher Versetzungdichte ausscheiden. Da vor allem beim Anlassen von Werkzeugstahlen diese hohen Temperaturen oft in der Praxis Anwendung finden, wird aus wirtschaftlichen GrUnden haufig die Frage nach der Moglichkeit eines "Kurzzeitanlassens" gestellt. in wieweit die Zeitabhangig~ keit der vorab beschriebenen Vorgange dazu genUgend genaU ein~ geschatztwerden kann, ist an dieser Stelle nicht zu beantworten. -10- Die genannten Temperaturen stellen demnach reine Richtwerte dar: Je nach chemischer Zusammensetzung Uberschneiden sich einzelne AnlaBstufen oder sind bei abgeanderten Temperaturen mehr oder weniger stark ausgebildet. Allen AnlaBvorgangen gemeinsam ist jedoch ihre Zeitabhangigkeit, da dabei stets Diffusionsvorgange ablaufen, die je nach Temperatur eine bestimmte Zeit in Anspruch nehmen. FUr eine einwandfrei ablaufende AnlaBbehandlung nach dem Harten ist es also unbedingt erforderlich, daB das WerkstUck an jeder Stelle eine bestimmte Zeit lang auf Temperatur verweilt. Den Uberwiegenden EinfluB der Temperatur kann man zwar durch Veranderung der Zeit in gewissen Grenzen ersetzen, doch hangt dieser Austausch stark vom Stahltyp und seinem GefUgezustand nach der Warmebehandlung abo 4. VersuchsdurchfUhrung 4.1 Werkstoffe (7,13) FUr sog. "CV"-Vollstahlkreissageblatter zur Bearbeitung von Vollholz wird im allgemeinen der Stahl 80 CrV 2, Werkstoff Nr. 1.2235, eingesetzt. Die Werkzeuge sol len gemaB DIN 8085 (14) eine Harte von 44 bis 50 HRC, gemaB DIN 5134 (15) eine Harte von 44 bis 52 HRC besitzen; Ublich ist eine Harte urn 48 HRC. Das Stammblatt eines hartmetallbestUckten Werkzeuges fUr die Bearbeitung von beschichteten oder unbeschichteten Span platten· kann entweder aus dem vorgenannten Werkstoff 80 CrV 2, Werkstoff-Nr. 1.2235 oder dem Stahl 75 Cr 1, Werkstoff-Nr. 1.2003, gefertigt sein. Ublich dafUr ist eine Harte von 42 HRC.
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