CZ20023038A3 - Tenkostěnný ocelový konstrukční díl a způsob jeho výroby - Google Patents

Description

Vynález se týká tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu s jádrovou vrstvou a okrajovými vrstvami. Vynález se dále týká způsobu výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu s jádrovou vrstvou a okrajovými vrstvami.

Dosavadní stav techniky

Tenkostěnné ocelové konstrukční díly o tloušťce stěny méně než 4 mm, pro které se požaduje obzvláště vysoká odolnost proti namáhání, kupříkladu při konstrukci strojů a vozidel, se nejdříve za tepla a/nebo za studená tvářejí, třískově nebo netřískově obrábějí a následně zušlechťují tepelným zpracováním, martenziticky nebo bainiticky se zušlechťují. Z prokalující se oceli vzniká přitom konstrukční díl s rovnoměrnou vysokou tvrdostí, probíhající přes celý průřez, který má ovšem nepatrnou houževnatost. Příznivé kombinace povrchů odolných proti opotřebení, s vysokou houževnatostí v jádrové zóně, se dosahuje použitím cementačních ocelí. Zpracováním pomocí cementace v termochemickém procesu se vytvářejí zušlechtěné tvrdé okrajové vrstvy, zatímco jádrová vrstva si dále uchovává svou vysokou houževnatost. Proti výhodným užitkovým vlastnostem však stojí relativně nákladný výrobní způsob. Vlivem relativně dlouhé doby cementování, kupříkladu 180 minut při 850-950 °C, a následujícího prudkého ochlazení v olejové lázni nebo v proudu plynu je totiž deformace způsobená kalením nevyhnutelná. Ta způsobuje rozměrové a tvarové odchylky, které vyžadují nákladné další práce, které značně zvyšují výrobní a pořizovací náklady.

• · • ·» · · • · ♦ · • · · · • · · · · • · · · ·· ·· ····

-2Kromě toho vznikne relativně hrubá struktura tvrzení, která má austenitickou velikost zrn podle normy DIN 50601 například 5 nebo 6. Tím vzniká sklon k vytváření trhlinek na hranicích mezi zrny na mezikrystalických hranicích zrn. Jako náhrada cementování je dále známo použití naválcováním plátované oceli, přičemž se spolu válcují dva nebo více legovaných pásů nebo tabulí, výhodně z pásové oceli válcované za studená.

Vlivem tlaku a teploty se spolu jádrové a okrajové vrstvy z rozdílně legovaných ocelí na svých povrchách ve válcovací mezeře vnitřně spojují. Následujícím žíháním vzniká vlivem difúzních procesů kovové spojení. Takovýto způsob plátování naválcováním se kupříkladu uvádí ve spisu DE 4137118. Tím však vzniká strmý, skokový přechod mezi rozdílnými materiálovými vrstvami. Přechod tvrdosti mezi zušlechtěnými a nezušlechtěnými vrstvami je proto rovněž adekvátně strmý, takže na základě gradientů napětí, vyvolaných zatížením, musejí být zhotovovány relativně silné okrajové vrstvy. Vlivem relativních napětí existuje na hraniční ploše navíc nevyhnutelně latentní nebezpečí, že se okrajové zóny při namáhání překročením meze průtažnosti ve spojovací oblasti odloupnou. Této nevýhodě se může čelit, jak již bylo výše zmíněno, pouze silněji dimenzovanými okrajovými vrstvami, což však zase vede k nežádoucí vyšší tloušťce stěny konstrukčních dílů a navíc ztěžuje jejich výrobu. Dále již bylo ve spisu DE 19631999 pro výrobu vrstvených plechů navrženo slévat v zařízení pro plynulé lití jádrové a okrajové vrstvy spolu. Tím se má zhotovit ocelový vrstvený materiál. Problematika při výrobě rozdílně zušlechtěných, popřípadě tvrzených vrstev, se však nevyřeší. Obdobný způsob plynulého lití se uvádí ve spisu DE 3346391, při kterém se rovněž vrstvené plechy zapouštějí do taveniny. Problematika při realizaci rozdílně zušlechtěných, popřípadě tvrzených vrstev, se v něm rovněž neřeší. Uvedené

-3způsoby plynulého lití, popřípadě zařízení pro plynulé lití, jsou navíc zřejmě vhodné jen k výrobě relativně silných ploštin, popřípadě plechů, a nikoliv k výrobě tenkostěnných konstrukčních dílů. Podobně se postupuje se stavem techniky, vyplývajícím ze spisu US 3,457,984. Ten se vztahuje pouze na to, obalit odlévaný slitek ze zařízení pro plynulé lití plechem. Ze spisů DE 19515007 a DE 19850213 jsou známy způsoby a jimi vyrobené tenké kovové pásy, u kterých se materiál jádra z levného materiálu licím způsobem odlévá s tenkými kovovými pásy po vrstvách na kompozitní materiál, přičemž se tenké kovové pásy používají k výrobě proti korozi odolných a/nebo zejména hladkých vnějších vrstev. Také zde není následující zpracování, co se týká regulace jiných.vlastností kompozitního materiálu, uvedeno. Cílem vynálezu je odstranění nevýhod dosavadního stavu techniky. Cílem vynálezu je dále zajistit racionální způsob výroby tenkostěnných konstrukčních dílů z oceli s rozdílnými pevnostními vlastnostmi a/nebo tvrdostí. Dále má být vytvořen konstrukční díl s vrstvami s rozdílnými vlastnostmi týkajícími se pevností a/nebo tvrdostí, který může být vyráběn s nižšími náklady než dosud.

Podstata vynálezu

Nedostatky dosavadního stavu techniky podstatnou měrou odstraňuje a cíl vynálezu splňuje tenkostěnný ocelový konstrukční díl s jádrovou vrstvou a okrajovými vrstvami, který je podle vynálezu tvořen za studená tvářeným vícevrstvým kompozitním materiálem s proměnnými vlastnostmi týkajícími se pevnosti a/nebo tvrdosti, přičemž buď okrajové vrstvy nebo jádrová vrstva mají změněné vlastnosti týkající se pevnosti a/nebo tvrdosti. Podle výhodného provedení martenziticky tvrzené okrajové vrstvy se změněnými vlastnostmi týkajícími se

-4pevnosti a/nebo tvrdosti mají vyšší obsah uhlíku, než jádrová vrstva, přičemž průběh gradientu uhlíku mezi vrstvami je plochý. Podle dalšího výhodného provedení změněné okrajové vrstvy mají jemnozrnnou strukturu odolnou proti opotřebení a vzhledem k nezměněné jádrové vrstvě větší houževnatost a menší náchylnost k mikrotrhlinám. Podle dalšího výhodného provedení tloušťka stěny konstrukčního dílu je menší, než 4 mm. Podle dalšího výhodného provedení gradient uhlíku je rozložen alespoň na 0,1 mm tloušťky stěny konstrukčního dílu. Podle dalšího výhodného- provedení gradient uhlíku je rozložen na 10 až 30 % tloušťky stěny konstrukčního dílu. Podle dalšího výhodného provedení vrstvy se změněnými vlastnostmi týkajícími se pevnosti a/nebo tvrdosti tvoří v řezu stěnou 10 až 50 % tloušťky stěny konstrukčního dílu. Podle dalšího výhodného provedení oblast gradientu legování je širší, než 0,1 mm.

Podle dalšího výhodného provedení gradient legování zaujímá 10-25 % tloušťky stěny konstrukčního dílu. Podle dalšího výhodného provedení jádrové a okrajové vrstvy zahrnují nekorodující vrstvy se změněnými vlastnostmi týkajícími se pevnosti a/nebo tvrdosti. Nedostatky dosavadního stavu techniky podstatnou měrou odstraňuje a cíl vynálezu splňuje způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu s jádrovou vrstvou a okrajovými vrstvami podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se jádrová a okrajové vrstvy z rozdílně zpracovatelných legovaných ocelí spojují litím do jednoho vícevrstvého kompozitního materiálu s ploše probíhajícím gradientem legování na hraničních plochách, kompozitní materiál se tváří na rozměr tenkostěnných konstrukčních dílů a konstrukční díly se tepelně zpracovávají pro dosažení rozdílných vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti vrstev z rozdílně zpracovatelných legovaných ocelí. Podle dalšího výhodného provedení změna vlastností

-5týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti se provádí martenzitickým kalením rozdílně martenziticky kalitelných vrstev. Podle dalšího výhodného provedení vlastnosti týkající se pevnosti a/nebo tvrdosti se mění u vrstev z více legované oceli, přičemž u vrstev z méně legované oceli se změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti neprovádí. Podle dalšího výhodného provedení pro výrobu kompozitního materiálu okrajových vrstev se rovnoběžně s odstupem vůči sobě uspořádají ploštiny z martenziticky kalitelné oceli a mezi nimi se nacházející jádrová vrstva se odlévá roztavenou ocelí s menším obsahem uhlíku. Podle dalšího výhodného provedení ploštiny z martenziticky kalitelné oceli se z vnějšku chladí. Podle dalšího výhodného provedení ploštiny z martenziticky kalitelné oceli se přivádějí jako pásová ocel na okraj licí . mezery plynule pracujícího licího zařízení. Podle dalšího výhodného provedení tváření kompozitního materiálu se provádí válcováním. Podle dalšího výhodného provedení změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti vrstev se provádí pomocí krátkodobého tepelného zpracování. Podle dalšího výhodného provedení kompozitní materiál se měkce žíhá a následně se tváří na konstrukční díly. Podle dalšího výhodného provedení na míru tvářený kompozitní materiál se podrobí tepelnému zpracování pro martenzitické kalení vrstev a změnu pevnosti a/nebo tvrdosti. Podle dalšího výhodného provedení se provede lokálně omezená změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti vrstev. Podle dalšího výhodného provedení martenzitická změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti se provádí průchozím způsobem. Podle dalšího výhodného provedení plynulé lití se provádí pomocí pevné průchozí kokily. Podle dalšího výhodného provedení plynulé lití se provádí v licím zařízení s rotujícími chlazenými válci vymezujícími licí mezeru. Podle způsobu • · · ·

-6výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu s jádrovou vrstvou a okrajovými vrstvami podle vynálezu se jádrové a okrajové vrstvy z ocelových materiálů o rozdílných vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, totiž zejména rozdílných martenzitických cementačních vlastnostech, spolu zkombinují tak, že vzniknou tenkostěnné konstrukční díly, které v sobě spojují příslušné výhody cementování a plátování naválcováním. Jednotlivě se tepelným zpracováním podle vynálezu s ohledem na vlastnosti, týkající se pevnosti a/nebo tvrdosti, kompozitního- materiálu, vytváří rozdělení pevnosti, které je srovnatelné s všeobecně jako za obzvláště výhodný považovaným průběhem cementace. Na rozdíl od cementování nedochází však u způsobu podle vynálezu k prakticky žádné deformaci, takže se poskytne precizní, rozměrově a tvarově přesný konstrukční díl, aniž by byly vyžadovány korekce rozměrů. Dále se podle vynálezu zadaným, plochým gradientem legování, zabraňuje na hraničních plochách mezi vrstvami vytváření vnitřních materiálových vrubů, které jsou při plátování naválcováním, jak již bylo zmíněno výše, nevyhnutelné. Díky takto optimalizovanému gradientu tvrdosti a pevnosti již nevzniká žádné nebezpečí, že se okrajové vrstvy vlivem překročení meze průtažnosti ve spojovací oblasti, tedy na hraniční ploše, při vysokém zátěžovém napětí odloupnou. Výhodně se jednotlivé vrstvy z legovaných ocelí vytvářejí s rozdílnými martenzitickými cementačními vlastnostmi, to znamená rozdílnými obsahy uhlíku, chrómu a manganu, přičemž dochází k následující regulaci vlastností, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, martenzitickým nebo bainitickým tepelným zpracováním, to znamená tepelným zpracováním s kroky ohřívání - prudké ochlazování - popouštění. Jednotlivě vznikají vrstvy, regulovatelné ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, z více legované oceli,

-7to znamená oceli s větším obsahem uhlíku, i vrstvy, ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, neregulovatelné. V oblasti ploše probíhajícího gradientu legování se v tomto případě realizuje adekvátně ploše probíhající gradient uhlíku. Tato přechodová zóna mezi vrstvami, obsahujícími více uhlíku, a vrstvami, obsahujícími méně uhlíku, se při tloušťce stěny konstrukčních dílů méně než 4 mm rozprostírá přes méně než 20 %, výhodně méně než 15 % tloušťky stěny. V každém případě je oblast plochého gradientu legování, popřípadě uhlíku, širší než 0,1 mm, tedy o více než o řádovou velikost širší než u známých způsobů plátování naválcováním. Výhodně tvoří vrstvy, regulovatelné ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, okrajové vrstvy konstrukčních dílů,' které jsou tak povrchově tvrzeny a získají průběh tvrdosti, který se přibližně vyrovná cementování. Nevýhodě cementování, že na základě dlouhých dob prodlev v okrajových zónách vznikne relativně hrubá struktura zrn, která vede ke zvýšené náchylnosti k mikrotrhlinám, se však uspořádáním vrstev podle vynálezu zabrání. Vlivem relativně malých dob prodlev vznikne totiž v okrajových vrstvách rovněž jemnozrnná struktura, odolná proti opotřebení, s vysokou houževnatostí v okrajové zóně, která vede k obzvláště malé náchylnosti k mikrotrhlinám. Výhodně se dají způsobem podle vynálezu vyrábět konstrukční díly s tloušťkou stěny menší než 4 mm. Z tloušťky stěny mají vrstvy, regulovatelné ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, to znamená martenziticky tvrzené vrstvy, podíl průřezu přibližně 10 % až 50 %. Alternativně může být také jádrová vrstva konstrukčních dílů regulovatelná ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, kupříkladu tvrzená, zatímco okrajové vrstvy sestávají z legovaných ocelí, ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, neregulovatelných, nebo nerezavějících ocelí. Vrstvy, ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, regulovatelné, z materiálů jako je kupříkladu C 55, C 67 nebo jiné oceli EN,

100 Cr 6 nebo X 20 Crl3, X 35 CrMo 17, tvoří výhodně okrajové vrstvy, zatímco jádrové vrstvy sestávají z materiálů, ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, neregulovatelných, jako je kupříkladu DC 01 nebo C 10. Pro určitá použití mohou však vrstvy, ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, regulovatelné, rovněž tvořit jádrové vrstvy, kupříkladu jádro pružinové oceli z C 60, C 67 nebo C 75, zatímco okrajové vrstvy sestávat z dobře tvárných ocelí, jako je například C 10 nebo DC.01, nebo i z ocelí odolných proti rezavění, jako je X 5 CrNi 1810. Gradient legování podle vynálezu mezi okrajovými a jádrovými vrstvami se může vytvořit tím, že pro výrobu kompozitního materiálu jsou pro okrajové vrstvy rovnoběžně s odstupem vůči sobě uspořádány ploštiny z martenziticky kalitelné oceli, a mezi ně se nacházející jádrová vrstva se odlévá roztavenou ocelí s menším obsahem uhlíku. Pro vytváření okrajových vrstev se používá kupříkladu pásová ocel válcovaná za studená nebo povrchově upravená pásová ocel válcovaná za tepla s předem daným chemickým složením, zejména vysokým obsahem uhlíku. V roztaveném stavu mezi ně vlévaným jádrovým materiálem, který má menší obsah uhlíku, dochází k lokálnímu natavení ploštin na hraničních plochách materiálu, čímž se na základě difúzních procesů vytvoří plochý gradient legování, popřípadě uhlíku, o hloubce přibližně 0,1 - 0,3 mm. Těchto vlastností se dosáhne spojením podle vynálezu pomocí licího způsobu, poskytujícího rozměry blízké konečným. Výhodně se ploštiny pomocí licích kol, popřípadě licích kokil, při vlévání roztaveného jádrového materiálu z vnějšku chladí. Tím může být jen u tenkých ploštin

-9řízena šíře gradientu legování tak, že leží v rozsahu 0,1 mm a přitom činí až 10 % celkového průřezu. Obzvláště výhodné je to, že se ploštiny do plynule pracujícího licího zařízení přivádějí jako pásová ocel k okraji licí mezery. Alternativně může být licí zařízení zařízením pro plynulé lití s pevnou průchozí kokilou nebo být k provádění plynulého licího válcovacího procesu vybaveno rotujícími válci (licími koly), vymezujícími licí mezeru. Podle vynálezu se pás, který tvoří okrajové vrstvy, zavádí podél válců nebo měděných vrstev na okraji taveniny do licí mezery. Alespoň na svých.vnitřních stranách, kde se vlévá tekutý jádrový materiál, musejí být pásy pomocí příslušného povrchového zpracování holé, bez okují a oxidů, jakož i popřípadě mohou být zdrsněny. Aby se podchytila nežádoucí oxidace povrchu stěny vlivem ohřívání při přivádění do licí mezery, je výhodné vstupující pásovou ocel, popřípadě ploštiny, přivádět za přikrytí zabraňujícího oxidaci. Výhodně jím může být ochranná atmosféra. Takový ochranný plynový zvon se vytváří přiváděním inertních plynů, popřípadě inertních plynných směsí. Jakmile tavenina jádrového materiálu přijde do kontaktu s povrchem pásu, tak se tento ohřeje na více než 950 °C, takže vlivem difúzního svaření taveniny s povrchem pásu vznikne kovové spojení s podle vynálezu plochým gradientem legování. Pásem (ocelovým pásem válcovaným za tepla), tvořícím okrajové vrstvy, se teplo odevzdává dále na měděné válce nebo stěny kokil, takže se pásy nenataví úplně, což by bylo nežádoucí. Důsledek tohoto licího spojení v rozsahu tloušťky stěny, blízké konečným rozměrům, je růst licího výkonu, protože probíhá odvádění tepla pomocí ohřívání přiváděných okrajových vrstev, to znamená že se licí mezera chladí přiváděným studeným materiálem. Na výše uvedené odlévání výhodně navazuje proces válcování za tepla. Vlivem přitom se vyskytujících teplot přes 950 °C se na základě « · · ·> · » ···»

- ÍOvysokého plošného stlačení a tváření zajistí, že se bezpečně dosáhne úplného svaření vrstev způsobem, o který usiluje daný vynález, a sice i tehdy, jestliže by mělo být kovové spojení při kontaktu taveniny s povrchem pásu nedostatečné. Později se potom vytvoří plochý gradient přechodu materiálu mezi vrstvami, který leží v rozsahu 0,1 mm. Povrch válcovaného materiálu získá stav bez bodové koroze a s málo okujemi, bez operací s plamenem a dalších dokončovacích operací. Následně se kompozitní materiál pomocí válcování za tepla a/nebo za studená vyválcuje se stupněm vyválcování zpravidla více. než 30 % na tloušťku 1 až 5 mm. Výhodně se navazujícím válcováním za studená provádí konečné, rozměrově stálé tváření na tloušťku stěny konstrukčních dílů, která leží v rozsahu až 4,0 mm, přičemž povrch má nejmenší korekční hloubky a nízkou poréznost, což je předpokladem pro pozdější použiti vysoce namáhaných konstrukčních dílů, například konstrukčních dílů strojů. Rovněž může být ke konečnému tváření potřebné vícenásobné válcování za studená s vloženým žíháním. Před dalším zpracováním ohýbáním, ražením nebo obdobným způsobem se kompozitní materiál, válcovaný na míru, podrobuje výhodně rekrystalizačnímu, popřípadě měkkému žíhání na přibližně 730 °C. V tomto měkce vyžíhaném stavu se kompozitní materiál dobře hodí pro tváření za studená, kupříkladu konstrukčních dílů strojů. Na závěr se kompozitní materiál, tvářený na míru, podrobuje pro regulaci svých vlastností, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, tepelnému zpracování, při kterém se provádí martenzitické kalení zušlechtitelných vrstev. Pomocí samo o sobě známého sledu způsobových kroků ohřívání - prudké ochlazování - popouštění, se rozdílně kalitelné vrstvy, kupříkladu okrajové vrstvy, martenziticky tvrzují, zatímco méně legované oblasti mají menší tvrdost, a dále si uchovávají svou houževnatost. Částečným tepelným zpracováním, kupříkladu .ί ί

- 11 pomocí ozařování laserovými nebo elektronovými paprsky, se může provádět lokálně omezené regulování vlastností, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, to znamená kalení. Alternativně se může provádět regulování vlastností, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, v krátkodobém průchozím způsobu, výhodně v peci s ochranným plynem. To umožní obzvláště racionální výrobu funkčně optimalizovaného pásového materiálu a konstrukčních dílů. Obzvláště výhodné možnosti použití má tenkostěnný konstrukční díl z oceli, vyrobený podle výše uvedeného způsobu, s měkkou jádrovou vrstvou a martenziticky tvrzenými okrajovými vrstvami, který sestává ze za studená tvářeného, kaleného vícevrstvého kompozitního materiálu, který má martenziticky. tvrzené okrajové vrstvy s vysokým obsahem uhlíku, a relativně k nim jádrovou vrstvu s menším obsahem uhlíku, přičemž gradient uhlíku mezi vrstvami probíhá ploše. Tento konstrukční díl podle vynálezu se vyznačuje tím, že se, co se týká průběhu tvrdosti a rozdělení pevnosti, blíží cementovanému ocelovému konstrukčnímu dílu. Použitím vícevrstvého kompozitního materiálu z rozdílně martenziticky kalitelných vrstev však mohou být přitom zadány materiálové vlastnosti, které nejsou jinými způsoby kalení dosažitelné. Díky ploché přechodové zóně je dáno přizpůsobení srovnávacích napěťových podmínek průběhu napětí při zátěži v průřezu. Adekvátně vyplývá racionální výroba při optimálních funkčních vlastnostech, jako je povrch bez pórů a karbonových usazenin, bez okrajové oxidace hranic mezi zrny, s austenitickou velikostí zrn jemnější než 8 podle normy DIN 50601. Alternativně může mít konstrukční díl také okrajové vrstvy, které nejsou ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, regulovatelné, kupříkladu z nerezavějících legovaných ocelí, a zušlechtěnou jádrovou vrstvu, kupříkladu z pružinové oceli. Tloušťka stěny

- 12• · · * .· • » . · » »

I · * » .·· ♦ ·· · * ··*·

4,0 mm.

konstrukčního dílu podle vynálezu činí výhodně až Gradient uhlíku v přechodové oblasti se rozprostírá přes přibližně 10 až 30 % tloušťky stěny, tedy v každém případě přes více než 0,1 mm. Materiály pro okrajové a jádrové vrstvy se výhodně přizpůsobují k sobě tak, že tvrzení jádrové vrstvy odpovídá alespoň 30 % až 50 % tvrzení okrajových vrstev. Konstrukční díl může sestávat ze dvou rozdílných materiálů, kupříkladu z málo legované jádrové vrstvy a vysoce legovaných okrajových vrstev. Chemické složení okrajových vrstev však může být podle potřeby rovněž rozdílné, takže jsou k dispozici vesměs alespoň tři vrstvy s rozdílnými materiálovými vlastnostmi. Tím se dá dosáhnout další zlepšené funkční optimalizace konstrukčních dílů, jako je ochrana proti korozi nebo tavná svařitelnost. Dále se dá konstrukčními díly podle vynálezu realizovat asymetrické pružení nebo samo se nastavující pružení, popřípadě pružnost.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je v následujícím blíže popsán a objasněn na příkladech jeho provedení podle připojených výkresů, na kterých znázorňuje obr.l průřez konstrukčním dílem podle vynálezu a obr.2 schematický pohled na licí zařízení na výrobu pásového materiálu podle vynálezu.

Příklady provedení

Obr. 1 znázorňuje řez za studená tvářeným, martenziticky v okrajových vrstvách tvrzeným konstrukčním dílem _1. Je výhodně vytvořen z pásového materiálu o celkové tloušťce 5, která leží v rozsahu 0,3 až 4,0 mm. Znázorněný konstrukční díl 1_ sestává z ocelového vrstveného materiálu o více vrstvách. Ty

.1 ·· tt* * ♦ · • · * • · tt • tttt tt* tttttt·

- 13jednotlivě zahrnují jádrovou vrstvu B z nízkouhlíkové slitiny a okrajové vrstvy A z martenziticky tvrzené oceli s vyšším obsahem uhlíku. Jádrová vrstva B sestává například z CklO, DC01, C 10, C 35 nebo C 53. Vnější okrajové vrstvy A sestávají kupříkladu z Ck67, C 55, C 67, nebo také 102 Cr6, X5 Cr Ni 1810 nebo obdobných ocelí. Okrajové vrstvy A mohou ze své strany také sestávat z legovaných ocelí o různých strukturách. Zvláštnost uvedeného konstrukčního dílu 1. spočívá v tom, že vrstvy v pořadí okrajová vrstva A, jádrová vrstva B a okrajová vrstva A byly již spolu před tvářením za studená způsobem podle vynálezu spojeny na konečný rozměr o celkové tloušťce 5, takže jsou na hranicích mezi vrstvami vytvořeny široké přechodové zóny s gradientem G uhlíku, které jsou vyznačeny šrafované a ve kterých se vlivem difúze uhlíku vytvořil mezi vrstvenými materiály plochý gradient uhlíku, který se pohybuje v rozsahu více 1/10 mm. Celý konstrukční díl 1^ podle obr.l, potom co byl například tvářen za studená na konstrukční díl stroje, byl podroben martenzitickému procesu kalení. Tím jsou okrajové vrstvy A tvrzené, zatímco jádrová vrstva B si uchovala relativně velkou houževnatost. Díky podle vynálezu plochému gradientu G uhlíku je na hranicích mezi vrstvami plochý průběh napětí, takže neexistuje žádné nebezpečí odloupnutí okrajových vrstev A od jádrové vrstvy B, jak se to kupříkladu stává u pásu zhotoveného plátováním naválcováním podle stavu techniky. Při martenzitickém kalení nedochází prakticky k žádné deformaci, to znamená k žádné nežádoucí změně tvaru a rozměru, takže konstrukční díl _1 může být již před procesem kalení uveden na konečný rozměr o celkové tloušťce 5, a nejsou již potřebné žádné dodatečné práce, tak jak je to třeba u stavu techniky. Volbou vrstvených materiálů se však přitom dosáhne výhodného průběhu pevnosti a tvrdosti, který je srovnatelný s cementováním nebo je dokonce lepší.

* * • · ·00·

-14Prokalení okrajových vrstev A u vrstveného materiálu podle vynálezu může být totiž dosaženo krátkodobým tepelným zpracováním, tedy se znatelně kratší dobou austenitizace, než při cementování. Tím získají okrajové vrstvy A jemnozrnnější strukturu tvrzení, než jaká by byla dosažitelná cementováním. Případný vznik a rozvoj trhlinek není tedy ovlivňován mezikrystalicky, nýbrž transkrystalicky, což sebou přináší značné zlepšení houževnatosti a adekvátně zvýšení životnosti. Alternativně může mít konstrukční díl £ podle vynálezu, znázorněný na obr.l, také zušlechtěnou jádrovou vrstvu B, která byla zejména martenziticky nebo bainiticky tvrzena, a relativně k ní nezušlechtěné, nebo méně zušlechtěné okrajové vrstvy A, přičemž konstrukční díl £ sestává ze za studená tvářeného, ve svých vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, regulovatelného vícevrstvého kompozitního materiálu, který má ve svých vlastnostech, týkajících se. pevnosti a/nebo tvrdosti, regulovatelnou jádrovou vrstvu B s vysokým obsahem uhlíku, a relativně k ní okrajové vrstvy A s nižším obsahem uhlíku, přičemž zóna gradientu G uhlíku, jak již bylo vysvětleno výše, probíhá mezi jádrovou vrstvou B a okrajovými vrstvami A ploše. Přitom jsou pro výrobu pružných elementů myslitelná obzvláště zajímavá párování materiálů s pružinovou ocelí v jádru, regulovatelnou v jejích vlastnostech, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti, a málo korodujícími, kupříkladu nerezavějícími slitinami v okrajových vrstvách A. Tím se dá například zadávat asymetrické pružení nebo sama se nastavující pružnost. Obr. 2 schematicky znázorňuje plynule pracující dvouválcové licí válcovací zařízení. To má dva rotující, vodou chlazené měděné válce 2, které vymezují licí štěrbinu o šířce 1-5 mm. Ze shora se přes ponornou trubku 4. přivádí tavenina 3 s roztaveným materiálem pro jádrovou vrstvu B. Podél okrajů licí štěrbiny «

9··

99 • · 9

9 9

9 9 9

9 9 »» 9999

-15se ze zásobní role přivádí pásový materiál pro okrajovou vrstvu A. S materiálem pro jádrovou vrstvu B, odlévaným v licí štěrbině, tam dochází ke spojování mezi materiálem pro okrajovou vrstvu A, přiváděným jako pásová ocel válcovaná za tepla, a v roztaveném stavu přiváděným materiálem pro jádrovou vrstvu B. Vlivem vysokého plošného tlaku při teplotách nad 950 °C dochází při válcování za tepla v každém případě k optimálnímu kovovému spojení. U znázorněného zařízení se odvod tepla přes měděné válce skrz za tepla válcovanou pásovou ocel pro okrajovou vrstvu A stará o to, aby gradient G uhlíku nepronikl příliš hluboko do za tepla válcované pásové oceli pro okrajovou vrstvu A. V každém případě zůstává tedy zachována dostatečně tlustá okrajová vrstva A martenziticky kalitelného. materiálu s vysokým obsahem uhlíku, aby se v následujících způsobech tepelného zpracování a kalení získaly konstrukční díly s uvedeným průběhem tvrdosti, popřípadě rozložením pevnosti. S uvedeným zařízením podle vynálezu lze vyrábět ocelové vrstvené materiály s extrémně rozdílnými vlastnostmi ohledně vlastností, týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti jednotlivých vrstev. Za studená tvárný kompozitní materiál se dá zejména dobře a racionálně zpracovávat již na konečný rozměr. V protikladu se známými způsoby nedochází při následujícím kalení ani k nevýhodné deformaci při kalení, ani nevzniká nebezpečí odloupnutí okrajových vrstev. Ty totiž mají jemnou, houževnatou strukturu tvrzení, která ani při vysokém namáhání nebo krátkodobém přetížení nevede k prasknutí konstrukčního dílu.

Claims (21)

1. PATENTOVÉ NÁR OK Y

   - 161. Tenkostěnný ocelový konstrukční díl s jádrovou vrstvou a okrajovými vrstvami, vyznačující se tím, že je tvořen za studená tvářeným vícevrstvým kompozitním materiálem s proměnnými vlastnostmi týkajícími se pevnosti a/nebo tvrdosti, , přičemž buď okrajové vrstvy nebo jádrová vrstva mají změněné vlastnostmi týkající se pevnosti a/nebo tvrdosti.
2. 2. Tenkostěnný konstrukční díl podle nároku 1, vyznačující se t í m, že martenziticky tvrzené okrajové vrstvy se změněnými vlastnostmi týkajícími se pevnosti a/nebo tvrdosti mají vyšší obsah uhlíku, než jádrová vrstva, přičemž průběh gradientu uhlíku mezi vrstvami je plochý.
3. 3. Tenkostěnný konstrukční díl podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že změněné okrajové vrstvy mají jemnozrnnou strukturu odolnou proti opotřebení a vzhledem k nezměněné jádrové vrstvě větší houževnatost a menší náchylnost k mikrotrhlinám.
4. 4. Tenkostěnný konstrukční díl podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že tloušťka stěny konstrukčního dílu je menší, než 4 mm.
5. 5. Tenkostěnný konstrukční díl podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že gradient uhlíku je rozložen alespoň na 0,1 mm tloušťky stěny konstrukčního dílu.

   - 176. Tenkostěnný konstrukční díl podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že gradient uhlíku je rozložen na 10 až 30 % tloušťky stěny konstrukčního dílu.
6. 7. Tenkostěnný konstrukční díl podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že vrstvy se změněnými vlastnostmi týkajícími se pevnosti a/nebo tvrdosti tvoří v řezu stěnou 10 až 50 % tloušťky stěny konstrukčního dílu.
7. 8. Tenkostěnný konstrukční díl podle jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že oblast gradientu legování je širší, než 0,1 mm.
8. 9'. Tenkostěnný konstrukční díl podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se t í m, že gradient legování zaujímá 10 - 25 % tloušťky stěny konstrukčního dílu.
9. 10. Tenkostěnný konstrukční díl podle jednoho z nároků 1 až 9, vyznačující se tím, že jádrové a okrajové vrstvy zahrnují nekorodující vrstvy se změněnými vlastnostmi týkajícími se pevnosti a/nebo tvrdosti.
10. 11. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu s jádrovou vrstvou a okrajovými vrstvami podle nároků 1 až 10, vyznačující se tím, že se jádrová a okrajové vrstvy z rozdílně zpracovatelných legovaných ocelí spojují litím do jednoho vícevrstvého kompozitního materiálu s ploše probíhajícím gradientem » « v ·· ··♦·

    - 18legování na hraničních plochách, kompozitní materiál se tváří na rozměr tenkostěnných konstrukčních dílů a konstrukční díly se tepelně zpracovávají pro dosažení rozdílných vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti vrstev z rozdílně zpracovatelných legovaných ocelí.
11. 12. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle nároku 11, vyznačující se tím, že změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti se provádí martenzitickým kalením rozdílně martenziticky kalitelných vrstev.
12. 13. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že vlastnosti týkající se pevnosti a/nebo tvrdosti se mění u vrstev z více legované oceli, přičemž u vrstev z méně legované oceli se změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti neprovádí.
13. 14. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 13, vyznačující se tím, že pro výrobu kompozitního materiálu okrajových vrstev se rovnoběžně s odstupem vůči sobě uspořádají ploštiny z martenziticky kalitelné oceli a mezi nimi se nacházející jádrová vrstva se odlévá roztavenou ocelí s menším obsahem uhlíku.

    -1915. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 14, vyznačující se tím, že ploštiny z martenziticky kalitelné oceli se z vnějšku chladí.
14. 16. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 15, vyznačující se tím, že ploštiny z martenziticky kalitelné oceli se přivádějí jako pásová ocel na okraj licí mezery plynule pracujícího licího zařízení.
15. 17. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 16, vyznačující še tím, že tváření kompozitního materiálu se provádí válcováním.
16. 18. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 17, vyznačující se tím, že změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti vrstev se provádí pomocí krátkodobého tepelného zpracování.
17. 19. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 18, vyznačující se tím, že kompozitní materiál se měkce žíhá a následně se tváří na konstrukční díly.

    ·· »* « · · • · · • · · · • * 9

    -2020. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 19, vyznačující se tím, že na míru tvářený kompozitní materiál se podrobí tepelnému zpracování pro martenzitické kalení vrstev a změnu vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti.
18. 21. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 20, vyznačující se tím, že se provede lokálně omezená změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti vrstev.
19. 22. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 21, vyznačující se tím, že martenzitická změna vlastností týkajících se pevnosti a/nebo tvrdosti se provádí průchozím způsobem.
20. 23. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle některého z nároků 11 až 22, vyznačující se tím, že plynulé lití se provádí pomocí pevné průchozí kokily.
21. 24. Způsob výroby tenkostěnného ocelového konstrukčního dílu podle nároku 23, vyznačující se tím, že plynulé lití se provádí v licím zařízení s rotujícími chlazenými válci vymezujícími licí mezeru.