Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus sphäroguss und nach diesem hergestelltes Werkstück

Abstract

 Ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus bainitischem Sphäroguss durch Austenitisieren und nachfolgendes Bainitisieren soll diesen verbilligen und verbessern. Es wird in folgenden Schritten vorgegangen: Austenitisieren bei einer Temperatur von 950 bis 1100° Celsius in einer C-haltigen Atmosphäre, dann Abkühlen auf Raumtemperatur, und schließlich Bainitisieren durch Erwärmen auf eine Anlasstemperatur von 150 bis 600° Celsius. Ein verbessertes Ausgangsmaterial enthält mehr C und Si und kann Ce und/oder Ca enthalten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus bainitischem Sphäroguss, ausgehend von einem Werkstück aus Sphäroguss mit Kugelgraphit durch Austenitisieren und nachfolgendes Bainitisieren. Bainitischer Sphäroguss hat gegenüber gewöhnlichem Sphäroguss und geschmiedetem Stahl dank seines besonderen Gefüges bei gleicher Bruchdehnung eine höhere Zugfestigkeit und vor allem eine höhere Dauerfestigkeit bei dynamischer Belastung; nur legierter Stahl reicht an diese Eigenschaften heran. Weitere Vorteile sind geringeres spezifisches Gewicht, gute Dämpfungseigenschaften. Seine Wärmedehnung ist größer, ähnlich der von Aluminium und dessen Legierungen, was bei Kombination dieser beiden Werkstoffe ein Vorteil ist. Daher ist dieser Werkstoff geeignet für Wellen, Zahnräder, Kurvenscheiben, Steuemocken, Getriebegehäuse und Fahrwerksteile.

[0002] Sphäroguss ist aus den Normen DIN EN 1564 (1997), ASTM A 897-90 (1997) ("Standard Specification for Austempered Ductile Cast Iron"), SAE J 24770 (2002) und ISO 17804 (Entwurf) bekannt und in diesen spezifiziert. Er wird üblicherweise, nicht ganz zutreffend, als Bainitischer Sphäroguss oder besser " Austempered Ductile Cast Iron" genannt. Bei dessen Herstellung wird von legiertem Sphäroguss ausgegangen, das Austenitisieren erfolgt in einer Schutzgasatmosphäre bei Temperaturen zwischen 800 und 900° Celsius und dauert mindestens zwei Stunden, bei Teilen mit großen Wandstärken erheblich länger. Zum darauffolgenden Bainitisieren wird das Werkstück von der Austenitisierungstemperatur in einem Salz- oder Metallbad auf eine Bainitisierungstemperatur von 235 bis 425° Celsius abgekühlt, während 1 bis 4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und sodann abgeschreckt. Daran ist zunächst nachteilig, dass die Legierungselemente Molybdän, Kupfer und Nickel in den erforderlichen Mengen das Werkstück bereits vor der Wärmebehandlung schwer bearbeitbar machen und teuer sind. Viel teurer aber kommen die langen Verweilzeiten in besonderen aufwändigen Vorrichtungen (ein Spezialofen mit Schutzgasatmosphäre zum Austenitisieren und ein temperaturgeregeltes Salzbad zum Bainitisieren). Im Gefüge verbleibt aber noch ein fühlbarer Anteil an nadeligem Ferrit, der für die mechanischen Eigenschaften ungünstig ist.

[0003] Somit ist es Ziel der Erfindung, diesen Nachteilen zu begegnen und bainitischen Sphäroguss zu verbilligen und dessen Eigenschaften zu verbessern. Dazu wird ein Verfahren angegeben und begleitend werden zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften des Werkstückes Merkmale zur Zusammensetzung des Werkstückes vorgeschlagen.

[0004] Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in den folgenden drei Schritten:

• Austenitisieren bei einer Temperatur von 950 bis 1100° Celsius in einer C-haltigen Atmosphäre,
• dann Abkühlen auf Raumtemperatur, und schließlich
• Bainitisieren durch Erwärmen auf eine Anlasstemperatur von 120 bis 600° Celsius.

[0005] Durch die höhere Austenitisierungstemperatur geht in diesem Temperaturbereich erheblich mehr Kohlenstoff aus dem Kugelgraphit im sich bildenden Austenit in Lösung, und das in viel kürzerer Zeit. Die kurze erforderliche Haltezeit auf dieser erhöhten Temperatur verhindert die Bildung von versprödendem grobem Korn. Die Abkühlung auf Raumtemperatur ist unproblematisch und erfordert keine besonderen Vorkehrungen. So entsteht ein besonders feines Austenit - Gefüge. Der apparative Aufwand ist dadurch billiger und die Belegungszeit der Apparate kürzer. Beim Bainitisieren sind durch den breiten Temperaturbereich und die relativ kurze Verweilzeit die mechanischen Werkstückeigenschaften in einem weiten Bereich prozesssicher genau einstellbar. Insgesamt wird bei diesem Verfahren also zwischen Austenitisieren und Bainitisieren auf Raumtemperatur abgekühlt. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass das Bainitgebiet (auch "Bainitnase" genannt) im Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (kurz: ZTU-Schaubild) nicht von oben oder von der Seite (wie beim Stand der Technik) sondern von unten, also bei ansteigender Temperatur erreicht wird. Dadurch bleibt kein Ferrit und nur soviel Martensit im Gefüge zurück, als sich aus dem im Austenit gebildeten Kohlenstoff bilden kann. Letzteres, weil die Martensitlinie wegen der hohen Austenitisierungstemperatur im ZTU - Schaubild und wegen des höheren Kohlenstoffgehaltes des Austenites tiefer liegt. Das bringt eine erhebliche Verbesserung des Gefüges und insgesamt der mechanisch-technologischen Eigenschaften mit sich.

[0006] Die folgenden Verfahrensparameter haben sich als günstig erwiesen: zum Austenitisieren gemäß a) eine Verweildauer von 0,2 bis 6 Stunden in einer Atmosphäre von 0,35 bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff (Anspruch 2), dabei steht der tiefere Wert für sehr kleine und der höhere Wert für sehr große und dicke Werkstücke, etwa einen Turbinenrotor. Die Kohlenstoffatmosphäre beugt einer Entkohlung der Randzonen vor, sodass das Werkstück in seiner ganzen Tiefe homogen ist.

[0007] Die Geschwindigkeit, mit der das Abkühlen auf Raumtemperatur gemäß b) erfolgt, soll so gewählt werden, dass die Abkühlkurve im ZTU-Schaubild die "Perlitnase" gerade nicht berührt (Anspruch 3). Das heisst, die Abkühlung kann mit einer reduzierten Abkühlgeschwindigkeit erfolgen, die (je nach Werkstückdicke) mit einem Gasstrom (Stickstoff, Helium und deren Gemische, oder auch nur Luft) erzielbar ist, wieder mit geringem apparativen Aufwand. Dadurch ist trotz der höheren Austenitisierungstemperatur die Verzugsgefahr viel kleiner. Bei geringeren Anforderungen an die Maßhaltigkeit des Werkstückes ist auch eine Abkühlung im Ölbad möglich. Für Werkstücke, bei denen es auf höchste Verschleissfestigkeit ankommt, oder bei denen die Perlitnase weit vorspringt, wird die Abkühlgeschwindigkeit so gewählt, dass die Abkühlkurve auch die "Bainitnase" gerade nicht berührt (Anspruch 4)

[0008] Das Bainitisieren gemäß c) erfolgt dann "von unten", wobei während 0,5 bis 4 Stunden bei der Temperatur von 120 bis 600° Celsius die Festigkeitseigenschaften eingestellt werden (Anspruch 5). Die Dauer ist wieder von der Größe des Werkstückes abhängig, für kleinere Wellen und Zahnräder liegt sie selten über einer Stunde. In dem breiten Temperaturbereich sind die mechanischen Werkstückeigenschaften durch Wahl der Temperatur prozesssicher genau einstellbar, und zwar für höchste Verschleissfestigkeit zwischen 120 und 250° Celsius (Anspruch 6) und für große Zähigkeit und besonders hohe Dauerfestigkeit zwischen 250 und 600° Celsius (Anspruch 7).

[0009] Die geringe Verzugsgefahr hat noch einen besonderen Vorteil: das Werkstück von dem ausgegangen wird besteht aus Sphäroguss und kann bereits bis zu seiner endgültigen Form bearbeitet sein (Anspruch 8), was bei dem gewöhnlichen Sphäroguss, also dem unlegierten Ausgangsmaterial besonders leicht und schnell geht (Anspruch 9).

[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren kann von gewöhnlichem Sphäroguss (z.B. nach DIN EN 1563) ausgehen (Anspruch 9), der keine besonderen Zusatzelemente enthält. Darüber hinaus können in Weiterbildung der Erfindung die Eigenschaften des Werkstückes durch eine modifizierte Zusammensetzung noch weiter verbessert werden. Ein so verbessertes Ausgangsmaterial enthält nebst dem Eisen 2,8 bis 3,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 2,7 bis 4,0 Gewichtsprozent Silizium, Rest unvermeidliche Verunreinigungen und in gewöhnlichem Sphäroguss vorhandene Beimengungen (Anspruch 10). Dabei sind die Eckwerte der Bereiche von Kohlenstoff und Silizium einander kreuzweise zuzuordnen: Zum höheren Kohlenstoffgehalt gehört der tiefere Siliziumgehalt und vice versa , sodass sich entsprechend dem Kohlenstoffäquivalent eine Zusammensetzung leicht über oder unter der eutektischen einstellt.

[0011] Der erhöhte Kohlenstoffgehalt ist wegen der höheren Austenitisierungstemperatur möglich. Der erhöhte Siliziumgehalt vermeidet Karbidbildung beim Bainitisieren. Eine bereits in gewöhnlichem Sphäroguss vorhandene Beimengung ist etwa Magnesium, von dem erfahrungsgemäß 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent genügen, um den Kohlenstoff in sphärische Form zu bringen. Besonders gute Werte wurden erzielt, wenn das Werkstück 3,1 bis 3,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 3,0 bis 3,5 Gewichtsprozent Silizium enthält (Anspruch 11).

[0012] Enthält das Werkstück weiters 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent Kalzium und/oder Cer (Anspruch 12), so werden die Kügelchen aus Kugelgraphit und die Abstände zwischen ihnen besonders klein. Das ergibt ein besonders feines und gleichmäßiges Gefüge. Soll zusätzlich zu den bereits erheblich verbesserten mechanischen Eigenschaften auch noch die statische Streckgrenze besonders hoch sein, kann das Werkstück schließlich doch noch 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Nickel enthalten (Anspruch 13), aus Kostengründen vorzugsweise 0,2 bis 0,35.

[0013] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1:

Ein erfindungsgemäßes Werkstück als Beispiel,

Fig. 2:

das erfindungsgemäße Verfahren im ZTU - Schaubild,

Fig. 3:

das erfindungsgemäß erzielte Gefüge im Schliffbild,

Fig. 4:

einen Vergleich der Festigkeitseigenschaften des neuen Werkstoffes mit dem Stand der Technik,

Fig. 5:

ein Schaubild der beim Bainitisieren einstellbaren Härte.

[0014] Als Beispiel wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstückes beschrieben. Es kann sich um eine Kurbelwelle, Nockenwelle oder Ausgleichswelle eines Verbrennungsmotors, um Zahnräder, Kurvenscheiben, Teile einer Werkzeugmaschine, oder hoch beanspruchte Gehäuse- oder Fahrwerksteile eines Kraftfahrzeuges handeln. So hergestellte Teile können geschmiedete, einsatzgehärtete, nitrierte, anders gehärtete oder vergütete Teile oder solche aus einem Werkstoff nach dem Stand der Technik ersetzen.

[0015] Fig. 1 zeigt beispielsweise eine Ausgleichwelle mit Zahnrad. Sie besteht aus einer Welle 1, einem mit ihr einstückigen Zahnrad und aus den Lagerflächen 3,4. Das Werkstück in seiner Ausgangsform wird durch Giessen als Sphäroguss in Form gebracht. Dann wird das Zahnrad 2 und werden die Lagerflächen 3,4 bearbeitet, was wegen der guten Zerspannbarkeit in diesem Zustand sehr leicht und schnell geht. Wenn die bekannte Volumszunahme beim Bainitisieren berücksichtigt wird, kann das gegossene Werkstück bereits die - entsprechend vorgehaltene - Endform haben, einschließlich einer gröberen Verzahnung. Günstigstenfalls ist dann nach der Wärmebehandlung, dem Bainitisieren, überhaupt keine mechanische Bearbeitung mehr nötig.

[0016] Der Sphäroguss ist entweder ein erfindungsgemäß wärmebehandelter gewöhnlicher Sphäroguss nach DIN EN 1563 oder ein erfindungsgemäß modifizierter und behandelter Sphäroguss. Ein solcher entsteht durch Hinzufügen weiterer Elemente (Ca, Ce, Ni) oder durch Erweiterung der Prozentbereiche von Kohlenstoff und Silizium. Es folgen typische Analysen konkreter Beispiele beider:

Beispiel 1: Gewöhnlicher Sphäroguss

[0017] 

C = 3,74 %	Ni = 0,0 %
Si = 2,83 %	Mg = 0,056 %
Mn= 0,2 %

[0018] Rest Fe und unvermeidliche Beimengungen.

Beispiel 2 : modifizierter Sphäroguss

[0019] 

C = 3,33 %	Mg = 0,031 %
Si = 3,77 %	Ca = 0,04 %
Mn= 0,11 %	Ce = 0,03 %
Ni = 0,29 %

[0020] Rest Fe und unvermeidliche Beimengungen.

[0021] Werkstücke mit diesen beiden Analysen wurden dann der erfindungsgemäßen aus zwei Phasen bestehenden thermischen Behandlung unterzogen, die wie das konventionelle Einsatzhärten in herkömmlichen Kammeröfen oder Durchstoßöfen erfolgen kann. Besondere Metall- oder Salzbäder sind nicht erforderlich.

[0022] Im ZTU - Schaubild der Fig. 2 ist auf der Ordinate die Zeit und auf der Abszisse die Temperatur aufgetragen. Die den verschiedenen Gefügestrukturen zugeordneten Felder sind mit A (=Austenit), B (=Bainit), F (=Ferrit), M (=Martensit), P (=Perlit) und mit M_s (=Martensitstartlinie) bezeichnet. Die Bainitisierung nach dem Stand der Technik erfolgt entlang der strichlierten Kurven a, b und c.

[0023] Erfindungsgemäß wird das Werkstück aus gewöhnlichem oder verbessertem Sphäroguss zur Austenitisierung zunächst auf 1000° Celsius erhitzt, um eine oberflächliche Entkohlung zu verhindern in mit Kohlenstoff angereicherter Atmosphäre. Durch die erhöhte Temperatur geht der erhöhte Kohlenstoffanteil großteils in Lösung. Deren Wirkung ist durch ein Zahlenbeispiel darzutun, das (nach Darwish und Elliott) den Kohlenstoffgehalt Cy im so gebildeten Austenit für dasselbe Werkstück vergleicht: Bei 900° Celsius und einer Verweilzeit von 330 Minuten Cy = 1,27 %, Bei 1000° Celsius und einer Verweilzeit von 60 Minuten Cy = 1,16 %, Bei 1050° Celsius und einer Verweilzeit von 60 Minuten Cy = 1,32 %, Dem gemäß wird das beispielsweise Werkstück 0,2 bis 2 Stunden auf einer Temperatur von 1050° Celsius gehalten.

[0024] In der Folge wird es beschleunigt, aber zur Vermeidung von Verzug des Werkstückes nicht zu schnell, auf Raumtemperatur abgekühlt, entsprechend der Kurve 7, bis zum Punkt 8. Man sieht dass sie weit an der "Perlit-Nase", die unbedingt zu meiden ist, aber sehr nahe an der "BainitNase" B vorbeiführt, bis zu einer Linie M_s-neu, die wegen dem bei der höheren Austenitisierungstemperatur höheren Gehalt an Kohlenstoff tiefer liegt. Wegen der tiefen Linie M_s-neu ist der Martensitgehalt und daher auch die Versprödung sehr gering. Dazu trägt auch der Gehalt an Restaustenit bei, der eine duktile Matrix bildet. Das Abkühlen erfolgt je nach Umständen und Größe des Werkstückes durch Öl- oder Hochdruckgas.

[0025] Schließlich folgt die Bainitisierung durch Anlassen auf 120 bis 600° Celsius und während 0,5 bis 4 Stunden. Die Temperatur richtet sich nach den geforderten mechanischen und technologischen Eigenschaften (Härte, Zähigkeit, Dauerfestigkeit, Zugfestigkeit, etc), die Zeitdauer hängt vorwiegend von dem Verhältnis Masse zu Oberfläche des Werkstückes ab. In Fig. 2 sind zwei beispielsweise Verläufe eingezeichnet. Die trapezförmige Kurve 9 zeigt den Temperaturverlauf beim Bainitisieren auf 300°C, Kurve 10 den beim Bainitisieren auf 530°C.

[0026] Die mechanischen Eigenschaften eines nach der Kurve 9 bei 300°C behandelten Werkstückes sind hohe Verschleissfestigkeit durch harte Oberfläche (z.B. 56 HRC) bei mäßiger Bruchdehnung. Ein nach der Kurve 10 bei 530°C behandeltes Werkstück zeigt etwa die doppelte Dauerfestigkeit eines Sphäroguss nach dem Stand der Technik (DIN EN 1563), eine hohe Kernfestigkeit, wegen des kleineren Elastizitätsmoduls ein sehr hohes Geräuschdämpfungsvermögen und wegen der sehr kleinen Kohlenstoffltügelchen (Sphärolithen) kaum Kerbwirkung und daher hohe Bruchzähigkeit, geringeres Gewicht (Dichte 7,1 g/cm3, gegenüber 7,85 von Stahl), gute Gießbarkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Aluminium sehr nahe kommt. Wegen des Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgrund des Geräuschdämpfungsvermögens ideal geeignet für Zahnräder und Wellen, die in einem Leichtmetallgehäuse laufen.

[0027] Fig. 5 zeigt schließlich noch den Zusammenhang zwischen der Anlasstemperatur = Bainitisierunstemperatur und der damit eingestellten Oberflächenhärte (HB). Wie zu erwarten sinkt die Härte mit der Anlasstemperatur.

[0028] Das dabei entstehende Gefüge ist in Fig. 3 stark vergrößert abgebildet. Es ist eine sehr feine Mischung (im Bild grau) aus Austenit und Bainit, mit nur wenigen Martensit - Nadeln (im Bild weiß) und sehr kleinen Graphitkügelchen (im Bild schwarz).

[0029] Zum Vergleich sind die Eigenschaften Bruchdehnung und Zugfestigkeit verschiedener Werkstoffe in Fig. 4 einander gegenübergestellt, erstere auf der Ordinate und zweitere auf der Abszisse. Das Feld A entspricht dem bainitischem Sphäroguss nach dem Stand der Technik, B geschmiedetem legiertem Stahl, C geschmiedetem unlegiertem Stahl, D gewöhnlichem Sphäroguss und E einem erfindungsgemäß bainitisierten Sphäroguss.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes aus bainitischem Sphäroguss mit Kugelgraphit ausgehend von einem Werkstück aus Sphäroguss durch Austenitisieren und nachfolgendes Bainitisieren, dadurch gekennzeichnet, dass in folgenden Schritten vorgegangen wird:

a) Austenitisieren bei einer Temperatur von 950 bis 1100° Celsius in einer C-haltigen Atmosphäre,

b) dann Abkühlen auf Raumtemperatur, und schließlich

c) Bainitisieren durch Erwärmen auf eine Anlasstemperatur von 120 bis 600° Celsius.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Austenitisieren gemäß a) eine Verweildauer von 0,2 bis 6 Stunden in einer Atmosphäre von 0,35 bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen auf Raumtemperatur gemäß b) mit einer derart gewählten Geschwindigkeit erfolgt, dass die Abkühlkurve (7) im Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (Fig.2) die "Perlitnase" (P) gerade nicht berührt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen auf Raumtemperatur gemäß b) mit einer so gewählten Geschwindigkeit erfolgt, dass die Abkühlkurve (7) im Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (Fig.2) die "Bainitnase" (B) gerade nicht berührt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Bainitisieren gemäß c) während 0,5 bis 4 Stunden bei einer Temperatur von 120 bis 600° Celsius die Festigkeitseigenschaften eingestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Bainitisieren gemäß c) bei einer Temperatur von 120 bis 250° Celsius erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Bainitisieren gemäß c) bei einer Temperatur von 250 bis 600° Celsius erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück von dem ausgegangen wird, bereits bearbeitet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück, von dem ausgegangen wird, aus gewöhnlichem Sphäroguss besteht.

10. Werkstück aus Sphäroguss, dadurch gekennzeichnet, dass es nebst dem Eisen 2,8 bis 3,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 2,7 bis 4,0 Gewichtsprozent Silizium, Rest unvermeidliche Verunreinigungen und in gewöhnlichem Sphäroguss vorhandene Beimengungen enthält.

11. Werkstück nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es 3,1 bis 3,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 3,0 bis 3,5 Gewichtsprozent Silizium enthält.

12. Werkstück nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiters 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent Kalzium und/oder Cer enthält.

13. Werkstück nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es weiters 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Nickel enthält.

Zeichnung