Verwendung eines Kohlenstoff-Mangan-Stahles für Bauteile mit hoher Festigkeit und Zähigkeit bei einfacher Wärmebehandlung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahles als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm², die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 1 000 °C oder Glühtemperaturen bis zu etwa 1 000 °C und anschließendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- oder 0,2-Grenze von mindestens 580 N/mm² sowie eine Kerbschlagarbeit gemessen an ISO-U-Proben von mindestens 25 J aufweisen.

[0002] In VDI-Z., Bd. 122, 1980, Nr. 17, S. 705-711 wird der Stand der Technik für die Herstellung von Gesenkschmiedestücken, wie z. B. Pkw-Kurbelwellen, zusammenfassend dargestellt. Danach sind Pkw-Kurbelwellen aus dem mikrolegierten Edelbaustahl 49MnVS3 hergestellt worden (vgl. (1) Kapitel 2 « Die mikrolegierten perlitischen Stähle »). Diese Stähle, die nicht mit Borlegiert sind, haben nach gesteuerter Abkühlung aus der Schmiedewärme (Fig. 3b) ein ferritisch perlitisches Gefüge (Bild 7). Diese Stähle haben jedoch den deutlichen Nachteil der geringen Zähigkeit.

[0003] Desweiteren wird in der VDI-Z. (vgl. Kapitel 3 « Borlegierte Stähle ») ausgeführt, daß Bor die Härtbarkeit von Stählen verbessert. Borgehalte von 0,001 bis 0,004 % ergeben eine günstige Kombination von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei Vergütungsstählen (ohne Vanadium).

[0004] Aus der DE-PS3009443 ist die Verwendung eines bestimmten Stahles für Bauteile bekannt, die neben einer hohen Festigkeit auch eine beachtliche Zähigkeit haben sollen, nämlich bei einer Streck-oder 0,2-Grenze von 580 N/mm² eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J, ohne daß sie einer aufwendigen Wärmebehandlung unterzogen werden müßten. Als Zusammensetzung wird für einen derartige Bedingungen erfüllenden Stahl angegeben :

[0005] Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

[0006] Ein solcher in der besagten Patentschrift angegebener Stahl mit innerhalb den Analysegrenzen relativ hohen Anteilen von Vanadium, Aluminium und Stickstoff soll bei Ablegen an Luft einer auf 155 mm ϕ gewalzten Stange eine 0,2-Grenze von 578 N/mm², eine Zugfestigkeit von 865 N/mm² und eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J aufweisen.

[0007] Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Stahl für Bauteile mit noch höherer Festigkeit bei gleichzeitig mindestens so hoher Zähigkeit bereitzustellen, wobei dies durch einfache Abkühlung der Bauteile an Luft nach einer Warmumformung bzw. einem Glühvorgang ohne weitere Wärmebehandlung erzielbar sein soll.

[0008] Als Lösung dieser Aufgabe wird für den angegebenen Zweck die Verwendung von Stahl entsprechend der im Anspruch 1 angegebenen Analyse vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Angaben hierzu sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0009] Der Erfindung liegen dabei folgende nachstehend aufgezeigte Überlegungen zugrunde :

Mit größer werdendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich der Perlitanteil im Stahl und damit auch seine Festigkeit, Härte und Sprödigkeit ; bis zu etwa 0,6 % Kohlenstoffgehalt nimmt zugleich auch seine Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur ab. Mit bis zu 3 % Anteil ist Mangan ebenso wie Chrom im a-Eisen sehr gut löslich und erhöht die Festigkeit ohne Versprödung durch Härtesteigerung des Ferritanteiles, der zur Erzielung guter Zähigkeit nötig ist. Mangan bildet jedoch im Gegensatz zu Chrom weit weniger die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles verschlechternde Karbide und erniedrigt weit weniger als Chrom den Eutektoidpunkt ; selbst bei relativ großen Mangananteilen wird die Bildung von Zementit vermieden, was die spätere Bearbeitung des Bauteiles besonders beeinträchtigen würde. Mangan verzögert ebenfalls wie vorstehend genannt ein Kohlenstoffgehalt bis 0,6 % die Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung des Bauteiles aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1 000 °C, erniedrigt jedoch zugleich auch alle Umwandlungstemperaturen ; innerhalb eines großen Abkühlgeschwindigkeitsbereiches stellt sich außerdem eine fast konstante Perlitisierung mit davon abhängig gleich hoher Festigkeit ein, auch bei Bauteilen mit durch unterschiedliche Wandstärken verursachter unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen. Die durch die große Affinität von Mangan zu Verunreinigungen wie z. B. Schwefel mögliche unterschiedliche Längs- und Querfestigkeit bedingt durch langgezogene Gefügeunterbrechungen, verursach durch Mangansulfide und Gaseinschlüsse, kann bei Einstellung des Schwefelgehaltes durch Einblase- und Evakuierungsverfahren bei der Pfannenbehandlung mit entsprechenden

Zugaben durch Bildung kugeliger Verunreinigungen umgangen werden. Diese beeinträchtigen die Festigkeitsisotropie weit weniger und gewähren trotzdem eine vom Schwefelgehalt abhängig gute Bearbeitbarkeit des Bauteiles.

[0010] Mit kleinsten Zugaben von Bor und/oder kleinen Zugaben von Molybdän kann die Umwandlungsgeschwindigkeit noch um eine oder mehrere Zehnerpotenzen weiter verlangsamt werden.

[0011] Mikrobeigaben von Vanadium und Aluminium und gegebenenfalls auch von Zirkon und Niob in entsprechender Abstimmung zum Stickstoffgehalt bewirken durch Nitrid- und Karbonitridbildung als Kristallisationskerne für Feinkornbildung, eine gute Verteilung des Ferrits, sowie durch Ausscheidungshärtung im Ferrit eine Erhöhung des Verhältnisses Streckgrenze/Bruchfestigkeit und außerdem eine Erhöhung der Festigkeit. Besagter Vorgang erfolgt bei einem Bauteil, das unbeeinflußt in Raumluft aus einer Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1 000 °C abgekühlt wird, in Abhängigkeit von der Wandstärke bzw. -dicke des Bauteiles mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die durch leichtes Anblasen, beispielsweise mittels einer Luftbrause, vorteilhaft verkürzt werden kann.

[0012] Unter Berücksichtigung dieser vorstehenden Überlegungen ist für ein Bauteil ein solcher Stahl zu verwenden, dessen Kohlenstoff- und Mangangehalt vornehmlich danach festgesetzt wird, daß die angestrebte Festigkeit erzielbar ist, wobei Mangan in einem gewissen Umfang auch durch Chrom ersetzt werden kann. Die feinkornbildenden und ausscheidungshärtenden Legierungsbestandteile müssen ebenfalls sowohl untereinander als auch in Bezug auf den Kohlenstoff- und Mangangehalt abgestimmt sein. Ferner muß so viel Bor und/oder Molybdän zugegeben sein, daß sich bei den den Abmessungen und Produktionsbedingungen des Bauteiles angepaßten Abkühlungsbedingungen mit langsamer oder schnellerer Abkühlung in ruhender oder bewegter Luft eine solche Perlitisierung einstellt, wie die gewünschten Zähigkeitswerte es verlangen.

[0013] Auf diese Weise können durch geringfügiges Legieren mit gut bereitstellbaren, billigen Beigaben bei einfachster Behandlungsmethode - da keine kostpieligen Einrichungen nötig sind - und mit äußerst geringem Energieverbrauch kostengünstige, gut weiterbearbeitbare Bauteile erstellt werden, die den aufgabengemäßen Festigkeits- und Zähigkeitsanforderungen genügen. Diese Anforderungen können erfindungsgemäß durch die Verwendung von Stahl mit folgenden Analysegrenzen erfüllt werden :

[0014] weniger als 0,000 3 % Wasserstoff

[0015] Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

[0016] Mit einem den obigen Bedingungen und innerhalb der entsprechenden Analysegrenzen liegenden Stahl mit

[0017] Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen wurden Wellen mit einem Durchmesser von 250 mm aus einer Schmiedeendtemperatur von 950 °C auf 500 °C in Luft abgekühlt und folgende, der nachstehenden Tabelle entnehmbare Festigkeitswerte erzielt :

(Siehe Tabelle Seite 4 f.)

[0018] 

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß bei einem Bauteil mit einem nach der Erfindung vorgeschalgenen Material schon bei Abkühlung an ruhender Luft sehr hohe Festigkeits- und Zähigkeitswerte erzielbar sind, die durch gezielte Beeinflussung der Abkühlung an Luft noch ganz wesentlich hinsichtlich noch besserer Werte beeinflußbar sind. Diese Werte können durch noch günstigere Legierungsabstimmung speziell der Mikrobeigaben noch weiter verbessert werden. Die angegebenen Werte lassen jedenfalls erkennen, daß mit einem solchen, einfach behandelten Mangan-Stahl praktisch Festigkeits- und Zähigkeitswerte wie mit einem vergüteten Stahl erreichbar sind, welch letzterer bei gleichen Abmessungen (Durchmesser 250 mm) zur Erzielung der gleichen Festigkeits- und Zähigkeitswerte wenigstens dreimal so hoch legiert sein müßte mit Legierungselementen wie Chrom, Nickel, Molybdän und anderen, die in ihren dann notwendigen Anteilen ganz im Gegensatz zu jenen des erfindungsgemäß verwendeten Manganstahles die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles erheblich verschlechtern würden.

[0019] Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Stahl erbringt diese Vorteile besonders bei der Herstellung von Bauteilen mit größeren Querschnitten von etwa 40 cm² an aufwärts wie Kurbelwellen oder Nockenwellen von Brennkraftmaschinen und dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenteile.

Ansprüche

1. Verwendung eines Stahles mit



weniger als 0,000 3 % Wasserstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm², die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen oder einem Glühvorgang bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 1 000 °C oder Glühtemperaturen bis zu etwa 1 000 °C und anschließendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritischperlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- bzw. 0,2-Grenze von mindestens 580 N/mm² sowie eine Kerbschlagarbeit gemessen an ISO-U-Proben von mindestens 25 J aufweisen.

2. Verwendung eines innerhalb der in Anspruch 1 angegebenen Analysegrenzen liegenden Stahles mit

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm² bis etwa 500 cm², die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen oder Glühtemperaturen von 900 bis 950 °C und einem anscließenden Abkühlen in ruhender Luft länger als 60 Minuten oder in bewegter Luft kürzer als 30 Minuten ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit sowie folgende Festigkeits-, Zähigkeits- und Härtewerte aufweisen :

R_m [N/mm²] = 850 bis 970

R_o,₂ [N/mm²] = 600 bis 720

A [%] = 17 bis 20

Z [%] = 56 bis 57

A_v [J] (ISO-U) = 26 bis 28

α ZDW [N/mm²] = 400 bis 420

Härteabfall vom Rand zum Kern des größten Querschnittes von 500 cm² nur 3 % bis 15 %.

3. Verwendung eines Stahles der Zusammensetzung, Behandlung und Eigenschaften nach den Ansprüchen 1 und 2 als Werkstoff für Bauteile wie Kurbelwellen, Nockenwellen von Brennkraftmaschinen oder dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenelemente.

Claims

1. Use of a steel having

the rest iron and melting-induced impurities, as a material for components with a cross section from about 40 cm² which, after heat deformation by rolling, forging or pressing, or an annealing process at final moulding temperatures up to about 1 000 °C or annealing temperatures up to about 1 000 °C, and subsequent cooling in still or moving air, if necessary after controlled cooling, have a ferritic-pearlitic structure with approximately 5 to 20 % ferrite, the rest pearlite and an interval- or 0.2 border of at least 580 N/nm² and an impact energy measured by ISO-U tests of at least 25 J.

2. Use of a steel within the analysis limits stated in claim 1 having

the rest iron and melting-induced impurities, as a material for components with a cross section from about 40 cm² to about 500 cm² which, after heat deformation by rolling, forging or pressing at final deformation temperatures or annealing temperatures of 900 to 950 °C and subsequent cooling in still air for longer than 60 minutes or in moving air for less than 30 minutes, have a ferritic-pearlitic structure with approximately 5 to 20 % ferrite, the rest pearlite and the following strength-, toughness- and hardness values :

R_m [N/mm²] = 85₀ to 970

R_o.₂ [N/mm2] = 600 to 720

A [%] = 17 to 20

Z [%] = 56 to 57

A_v [J] (ISO-U) = 26 to 28

α ZDW [N/mm²] = 400 to 420

hardness decrease from the edge to the core of the largest cross section of 500 cm² only 3 % to 15 %.

3. Use of a steel of the composition, processing and properties according to claims 1 and 2, as a material for components like crankshafts, camshafts of internal combustion engines or of similar alternately-stressed machine elements.

Revendications

1. Application d'un acier contenant :

le reste étant constitué par du fer et des impuretés provenant de l'élaboration, comme matériau pour des pièces de construction dont la section transversale a une surface d'au moins environ 40 cm² et qui, après un formage à chaud par laminage, par forgeage ou par emboutissage ou une opération de recuit à une température de formage finale d'au plus environ 1 000 °C ou à une température de recuit d'au plus environ 1 000 °C, puis un refroidissement dans de l'air au repos et en mouvement, éventuellement après un refroidissement commandé, présentent une structure ferritique-perlitique comportant d'environ 5 à 20 % de ferrite, le reste étant de la perlite, et une limite d'étirage ou d'élasticité à 0,2 % d'au moins 580 N/mm², ainsi qu'une énergie absorbée au choc sur barreau entaillé, mesurée sur des éprouvettes en U ISO, d'au moins 25 J.

2. Application d'un acier dont la composition est comprise dans les intervalles indiqués à la revendication 1 et qui contient :

le reste étant constitué par du fer et des impuretés provenant de l'élaboration, comme matériau pour des pièces de construction dont la section transversale a une surface comprise entre environ 40 et environ 500 cm² et qui, après un formage à chaud par laminage, forgeage ou emboutissage à des températures de formage finales ou à des températures de recuit de 900 à 950 °C, et un refroidissement ultérieur dans de l'air au repos pendant plus de 60 minutes ou dans de l'air en mouvement pendant moins de 30 minutes, présentent une structure ferritique-perlitique comportant d'environ 5 à 20 % de ferrite, le reste étant de la perlite, et ont les valeurs de résistance mécanique, de ténacité et de dureté suivantes :

R_m [N/mm²] = de 850 à 970

Ro2 [N/mm²] = de 600 à 720

A [%] = de 17 à 20

Z [%] = de 56 à 57

A_v [J] (U ISO) = de 26 à 28

σ ZDW [N/m_M²] = de 400 à 420

baisse de dureté du bord au centre (pour la plus grande section transversale, soit 500 cm²) : seulement de 3 à 15%.

3. Application d'un acier dont la composition, le traitement et les propriétés sont conformes à ce qui a été dit dans les revendications 1 et 2 comme matériau pour des pièces de construction, telles que vilebrequins, arbres à cames de moteurs à combustion interne ou autres organes de machines soumis à des contraintes alternées.