Verwendung eines Stahls hoher Festigkeit und Zähigkeit

Abstract

 Die Erfindung betrifft die Verwendungeines Stahls mit Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung von Schmiedetemperaturen oder von Glühtemperaturen über 1150°C ein Gefüge aus Ferrit oder Perlit aufweisen und dabei Streck- bzw. 0,2-Grenzwerte von mindestens 490 N/mm² und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von mindestens30 J haben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahls als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung von Schmiedetemperaturen oder von Glühtemperaturen über 1150⁰C ein Gefüge aus Ferrit und Perlit aufweisen und dabei Streck- bzw- 0, 2-Grenzwerte von mindestens 490 N/mm und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von mindestens 30 J haben.

[0002] Seit etwa 10 Jahren wird ein Stahl für geschmiedete Bauteile wie z. B. Kurbelwellen verwendet (DE-OS 23 50 370), der in Deutschland die Bezeichnung 49 MnVS 3 erhalten hat. Für ihn wird in der Stahl-Eisen-Liste (Werkstoff Nr. 1. 1199) nachstehender Analysenbereich angegeben:

[0003] Das Merkmal dieses Stahles ist, daß er nach dem Schmieden bei Temperaturen zwischen 1000 und 1250°C, vorzugsweise im Gesenk zwischen 1180 und 1250°C, mit anschließendem Ablegen an ruhender oder bewegter Luft eine Mindest-0, 2-Grenze von 450 N/mm^{2 -} ohne eine nachträgliche Wärmebehandlung- erreicht. Dieser Wert wird durch die Ausscheidungshärtung von Vanadiumkarbiden oder -karbonitriden hervorgerufen.

[0004] Die Kerbschlagzähigkeit dieses Werkstoffes ist jedoch gering, so daß seine Verwendung sich auf bestimmte Bauteile, wie z.B. die Kurbelwelle und den Pleuel beschränkt, bei denen andere mechanische Eigenschaften als die Zähigkeit im Vordergrund stehen. Typische Kennwerte, die an 49 MnVS 3 nach dem Glühen bei rd. 1225°C und nach dem Schmieden im Gesenk zu Kurbelwellen erreicht werden, sind in Beispiel 1 aufgeführt. Nach dem Glühen bei 1225⁰C werden etwas höhere Festigkeitswerte bei geringeren Kerbschlagarbeitswerten erzielt als nach dem Schmieden im Gesenk. Die Festigkeitswerte können durch Einstellen der Kohlenstoff- und Mangangehalte im oberen oder unteren Bereich der Grenzanalyse variiert werden, während die Kerbschlagarbeitswerte -insbesondere nach dem Glühen oder Schmieden bei Temperaturen um 1200⁰C- dadurch nicht wesentlich verändert werden.

[0005] Das Gefüge des 49 MnVS 3 nach der Behandlung 1225°C 0, 5 h/Luft (Beispiel 1) ist aus Bild 1 ersichtlich. Der voreutektoidische Ferrit liegt überwiegend auf den ehemaligen Austenitkorngrenzen, wodurch die Bestimmung der bei 1225⁰C vorhandenen Korngröße ermöglicht wird. Nach der Bildrichtreihe von ASTM E 112 ist dieses Gefüge den Bildnummern 1 bis 3 zuzuordnen.

[0006] Die Kerbschlagarbeit dieses Stahls ist jedoch für viele Verwendungszwecke zu niedrig.

[0007] Dieser Erfindung liegt daher nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl mit verbesserter Zähigkeit bei ähnlichen Festigkeitswerten bereitzustellen, wobei dies durch einfache Luftabkühlung von Glüh- bzw. Warmformgebungstemperaturen ohne weitere Wärmebehandlung erreicht werden soll.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines Stahls der in den Ansprüchen angegebenen Analyse für den eingangs genannten Zweck vorgeschlagen. Besonders eignet sich der Stahl für Gegenstände mit größeren Querschnitten, deren kleinster Querschnitt mindestens 100 cm 2 beträgt.

[0009] Die Ergebnisse von Untersuchungen haben überraschenderweise gezeigt, daß durch eine bestimmte Kombination von Silizium, Mangan und Vanadium ein feinkörniges Gefüge nach dem Glühen von Temperaturen über 1200⁰C mit anschließendem Ablegen an Luft erreicht werden kann. Dafür sind ein Siliziumgehalt von mindestens 0, 65 %, ein Vanadiumgehalt von wenigstens 0, 05 % und ein Mangangehalt von wenigstens 0, 55 % notwendig. Das durch diese Kombination der Legierungselemente erreichbare typische Gefüge nach dem Glühen bei 1225⁰C ist in Bild 2 abgebildet, und die augenscheinlich wahrnehmbare- Korngröße liegt nach ASTM zwischen den Bildnummern 7 bis 8.

[0010] Überraschend war auch die Feststellung, daß die allgemein angenommene Gleichwertigkeit von Niob und Vanadium im vorliegenden Fall nicht gilt. Vanadium wäre also durch Niob nicht ersetzbar. Die vorteilhaften Eigenschaften, die mit Vanadium erzielt werden, erreichen Stähle mit Niob statt Vanadium nicht.

[0011] Fehlt eines der Elemente Silizium, Mangan oder Vanadium, so wird die voreutektoidische Ferritbildung innerhalb der ehemaligen Austenitkörner unterdrückt, und es ergibt sich somit ein grobes Sekundärkorn.

[0012] Dies veranschaulicht die Gefügeaufnahme in Bild 3, die von einem Stahl stammt mit den in diesem Patent beanspruchten Gehalten an Silizium und Mangan, jedoch ohne Vanadiumzusatz. Die Korngröße beträgt 2 bis 3 nach ASTM. In diesem Zustand ist eine 0, 2-Grenze von rd. 500 N/mm² bei einer Kerbschlagarbeit von 10 bis 15 J, gemessen an der DVM-Probe, ermittelt worden.

[0013] Ein weiteres Beispiel ist das in Bild 4 dargestellte Gefüge eines Silizium, Mangan und Vanadium enthaltenden Stahls, jedoch mit einem Siliziumgehalt von 0, 3 %, welcher unterhalb des in diesem Patent beanspruchten Bereichs liegt. In diesem Falle sind ebenfalls Korngrößen von 2 bis 3 nach ASTM geschätzt und Kerbschlagarbeitswerte zwischen 10 bis 14 J bei einer 0, 2-Grenze von rd. 500 N/mm² bestimmt worden.

[0014] Die Beispiele der Ver^gleichsstähle, deren Gefüge in den Bildern 1, 3 und 4 abgebildet sind, heben deutlich hervor, welche niedrigen Kerbschlagarbeitswerte (10-15 J) bei 0, 2-Grenzen zwischen 500 und 570 N/mm² erzielt werden.

[0015] Die günstige Wirkung des Gefüges des erfindungsgemäßen Stahls (Bild 2) auf die mechanischen Eigenschaften nach dem Glühen von 1225⁰C mit anschließendem Ablegen an Luft wird anhand von zwei Beispielen verdeutlicht.

Beispiel 2

[0016] enthält die Kennwerte eines Stahls mit rd. 0, 35 % C und mit Silizium-und Mangangehalten im unteren beanspruchten Bereich. Bei 0, 2-Grenzen von rd. 500 N/mm -also ähnlich denjenigen der Vergleichsstähle mit den in Bildern 3 und 4 gezeigten Gefügen-, ergeben sich bedeutend höhere Kerbschlagarbeitswerte von rd. 38 J.

Beispiel 3

[0017] Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes des erfindungsgemäßen Stahls von 0, 33 auf 0, 43 % führt zu einer höheren 0, 2-Grenze von rd. 570 N/mm² bei Kerbschlagarbeitswerten von rd. 28 J. Verglichen mit 49 MnVS 3 (Beispiel 1) hat dieser Stahl eine fast dreifach höhere Kerbschlagarbeit bei praktisch gleicher 0, 2-Grenze.

Beispiel 4

[0018] Hier wurden Kennwerte, die an dem erfindungsgemäßen Stahl nach dem Walzen oder Schmieden in den üblichen Temperaturbereichen mit anschließendem Ablegen an Luft ermittelt. Dieser Stahl weist Silizium-und Mangangehalte an der oberen Grenze des beanspruchten Bereichs auf. Den aufgeführten Werten ist zu entnehmen, daß auch an größeren Querschnitten eine hohe 0, 2-Grenze, hier z. B, rd. 580 N/mm². bei zugleich günstigen Kerbschlagarbeitswerten zu erzielen ist. Diese Werte liegen in der Größenordnung, die an niedriglegierten Baustählen erreicht werden, die aber einer aufwendigen Vergütungsbehandlung unterworfen werden müssen.

Beispiel 1

[0019] 

[0020] Behandlungszustand

Beipiel 2

[0021] 

Beispiel 3

[0022] 

Beispiel 4

[0023] 

Ansprüche

1. Verwendung eines Stahls mit

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung von Schmiedetemperaturen oder von Glühtemperaturen über 1150⁰C ein Gefüge aus Ferrit oder Perlit aufweisen und dabei Streck- bzw. 0, 2-Grenzwerte von mindestens 490 N/mm² und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von mindestens 30 J haben.

2. Verwendung eines Stahls mit

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft oder nach gesteuerter Abkühlung von Schmiede- oder von Glühtemperaturen über 1150°C ein Gefüge aus Ferrit und Perlit besitzen und dabei Streck- bzw. 0, 2-Grenzwerte von mindestens 530 N/mm² und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von wenigstens 25 J aufweisen.

3. Verwendung eines Stahls mit

für Bauteile, die nach dem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen unter 1150°C und anschließendem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft ein ferritischperlitisches Gefüge mit einer Streck- oder 0, 2-Grenze von mindestens 550 N/mm2 und einer Kerbschlag arbeit (gemessen an der DVM-Probe) von wenigstens 30 J aufweisen.

4. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung, Behandlung und Eigenschaften nach Anspruch 3, als Werkstoff für Bauteile, deren kleinster Querschnitt mindestens 100 cm² beträgt.

Zeichnung