DD288404A5

DD288404A5 - HIGH-GRADE, HEAT-TREATED STEEL

Info

Publication number: DD288404A5
Application number: DD33355589A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Schmitt; Gunther Lankau; Kurt Welfle; Arnold Joachim; Franz Tamm
Original assignee: Veb Stahl- U. Walzwerk "Wilhelm Florin",De
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1991-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hochfesten, waermebehandelten Stahl, insbesondere im Abmessungsbereich von Draht und Feinstahl, der als Finalprodukt besonders fuer Federstaehle geeignet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stahl mit speziellem Gefuegeaufbau zu entwickeln, dessen mechanisch-technologische Werkstoffeigenschaften weitgehend denen eines konventionell gehaertet und angelassenen bzw. klassisch hochtemperatur-thermomechanisch behandelten Stahls mit homogenem Verguetungsgefuege ueber den Querschnitt entsprechen, wobei dieser Stahl bei Verzicht auf eine zusaetzliche Anlaszbehandlung, unter Beachtung seines Umwandlungsverhaltens, gesteuert aus dem Bereich des stabilen Austenits abgekuehlt werden soll. Erfindungsgemaesz wird diese Aufgabe dadurch geloest, dasz der Stahl einen heterogenen Gefuegeaufbau ueber den Querschnitt besitzt, wobei die Randzone aus einer oder mehreren selbstangelassenen, martensitischen Schichten und der Kern aus Zwischenstufengefuege besteht.{Feinstahl; Draht; Walzstahl; Verguetung; Zwischenstufenverguetung; Martensit; Umwandlung; Federstahl; Gefuegeaufbau; Abkuehlung; Umformwaerme; Randzone; Kern; Anlasztemperatur; Ausgleichstemperatur; Profilierung}The invention relates to a high-strength, heat-treated steel, in particular in the dimensional range of wire and fine steel, which is suitable as a final product especially for Federstaehle. The invention has for its object to develop a steel with a special Gefuegeaufbau whose mechanical and technological material properties largely correspond to those of a conventionally hardened and annealed or classic high-temperature thermomechanically treated steel with homogeneous Verguetungsgefuege over the cross section, said steel waiving a additional annealing treatment, considering its conversion behavior, should be cooled controlled from the range of stable austenite. According to the invention, this object is achieved by the steel having a heterogeneous structure over the cross-section, the edge zone consisting of one or more self-tempered martensitic layers and the core of interstitial compounds. Wire; Rolled steel; Compensation; Zwischenstufenverguetung; martensite; Conversion; Spring steel; Gefuegeaufbau; Cooling; deformation heat; Border zone; Core; Anlasztemperatur, Compensation temperature; profiling}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen hochfesten, wärmebehandelten Stahl, insbesondere im Abmessungsbereich von Draht und Feinstahl, der als Finalprodukt besonders für Federstähle geeignet ist.The invention relates to a high-strength, heat-treated steel, in particular in the dimensional range of wire and fine steel, which is suitable as a final product especially for spring steels.

Characteristic of the known state of the art

Mit der Anwendung der metallurgischen Verfahrenskombination aus plastischer Verformung und Wärmebehandlung, namentlich der hochtemperatur-thermomechanischen Behandlung (HTMB) von Feinstähl und Draht sowie deren Ausrichtung auf die Verbesserung der Material- und Energieökonomie und die Intensivierung der Produktionsprozesse, wurden in der Vergangenheit eine Reihe von Verfahren zur partiellen und vollständigen Vergütung von Feinstahl und Draht entwickelt und eingeführt.The application of the metallurgical combination of plastic deformation and heat treatment, namely the high temperature thermomechanical treatment (HTMB) of fine wire and wire, and their focus on the improvement of material and energy economics and the intensification of production processes, have in the past been a series of processes developed and introduced for the partial and complete compensation of fine steel and wire.

Demgemäß sind Verfahren zur Herstellung von schweißbaren, thermisch verfestigten Betonstählen bekannt (DD-PS 106661, US-PS 4.016015), wobei die partielle Vergütung des Stahls in der Randschicht durch eine kurzzeitige, von der Abmessung des Betonstahls abhängige, einstufige Intensivkühlung aus der Umformwärme erzielt wird. Die damit verbundene Unterschreitung der M,-Temperatur, im Randbereich des Stahls führt zur Bildung von Martensit, der beim anschließenden Temperaturausgleich zwischen Rand und Kern die notwendige Anlaßbehandlung erfährt. Ein vergleichbares Verfahren zur partiellen Vergütung aus der Umformwärme ist mit der Direktpatentierung von Ziehereivormaterial gegeben.Accordingly, methods for the production of weldable, thermally strengthened concrete steels are known (DD-PS 106661, US-PS 4,016015), the partial compensation of the steel in the surface layer achieved by a short-term, depending on the size of the reinforcing steel, one-stage intensive cooling from the forming heat becomes. The associated undershooting of the M, -Temperatur, in the edge region of the steel leads to the formation of martensite, which undergoes the necessary tempering treatment in the subsequent temperature compensation between edge and core. A similar process for the partial compensation from the forming heat is given by the direct patenting of drawing material.

(DE-PS 2345738). Dabei kommen Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt zum Einsatz, so daß infolge der niedrigen M₁-Temperatur bei vergleichbarer einstufiger Intensivkühlung aus der Umformwärme, gegenüber den thermisch verfestigten Betonstählen eine weniger starke Randschicht mit einem Vergütungsgefüge entsteht.(DE-PS 2345738). In this case, steels with increased carbon content are used, so that due to the low M ₁ temperature at comparable one-stage intensive cooling from the forming heat, compared to the thermally bonded reinforcing steels results in a less strong surface layer with a compensation structure.

Entsprechend DD-PS 135917 ist außerdem ein partielles Vergütungsverfahren zur Herstellung von Walzstahlerzeugnissen mit mehrschichtigem Gefügeaufbau bekannt, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Walzstahl von Temperaturen oberhalb A₃ einer mehrstufigen intermittierenden Intensivkühlung mit schichtweiser martensitischer Umwandlung unterzogen wird, wobei die einzelnen Kühlstufen durch definierte Ausgleichszeiten unterbrochen werden, um einen Temperaturausgleich zwischen dem höher temperierten Kern und der jeweils neu gebildeten Martensitschicht herbeizuführen. Hierdurch wird u.a. ein höherfester Stahl, insbesondere Betonstahl bzw. Ziehereivormaterial mit verbesserten Werkstoffeigenschaften hergestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß or eine inhomogene Verteilung der Festigkeit über den Querschnitt besitzt, bei der sich eine hochfeste martensitische Schicht im Übergangsbereich zwischen der äußeren Randschicht mit verminderter Festigkeit und dem weicheren Kernbereich befindet. (DD-PS 268258)According to DD-PS 135917 is also a partial annealing process for the production of rolled steel products with multilayer structure known, which is characterized in that the rolled steel is subjected to a multi-stage intermittent intensive cooling with layered martensitic transformation of temperatures above A ₃ , wherein the individual cooling stages by defined compensation times be interrupted in order to bring about a temperature equalization between the higher tempered core and the newly formed martensite layer. As a result, inter alia, a higher-strength steel, in particular reinforcing steel or Ziehvorivormaterial produced with improved material properties, which is characterized in that or an inhomogeneous distribution of strength over the cross section has, in which a high-strength martensitic layer in the transition region between the outer edge layer with reduced strength and the softer core area. (DD-PS 268258)

Die bekannten Verfahren zur partiellen Vergütung von Feinstahl- und Drahtsortimenten sind allgemein dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich der verfahrensgemäß behandelten Stähle vorrangig aus Perlit bzw. Ferrit und Perlit besteht, so daß beim gegebenen Gefügeaufbau z. B. ein Einsatz als Federstahl nicht möglich ist.The known methods for partial annealing of Feinstahl- and wire assortments are generally characterized in that the core portion of the treated according to the method steels consists primarily of perlite or ferrite and perlite, so that the given structure structure z. B. use as spring steel is not possible.

Die vollständige Härtung bzw. Vergütung aus der Umformwärme wird als klassische HTMB bezeichnet und kam in Verbindung mit dem Schmiedeprozeß wahrscheinlich als ursprüngliches Härteverfahren für Stähle zur Anwendung. Für Draht- und Feinstahlstraßen scheiterte die Anwendung der klassischen HTMB von Stählen, trotz überzeugender ökonomischer Vorteile gegenüber der konventionellen Vergütung lange Zeit an der Bildung von Spannungsrissen, inhomogenen Werkstoffeigenschaften und starken Verzug des Stabmaterials, weshalb im Fachschrifttum wiederholt nicht anwendbar sei. (Randak, A. u.a., Stahl und Eisen 85 (1965] 22, S. 1452) Auf der Basis eines Verfahrens zur Herstellung von Stählen mit stark verbesserten mechanischen Werkstoffeigenschaften (DD-PS 119438) konnte dieses Vorurteil überwunden und die klassische HTMB mit vollständiger Martensitumwandlung bzw. Vergütung erstmals an einer Drahtstraße zur Anwendung gebracht werden. Ein wichtiges Element dieses Verfahrens ist u. a. mit der kurzzeitigen Induktionsanlaßbehandlung des aus der Umformwärme durchgehend gehärteten Materials im Walzfluß gegeben. Eine vorteilhafte Ausführung der Intensivkühlung ist dabei durch das Verfahren zur Herstellung von Walzstahlerzeugnissen mit entfestigter Randzone und hochfestem Kern gegeben (DD-PS 119270), wobei vergütbare Stähle direkt aus der Walzhitze in einer mindestens zweistufigen Abkühlung derart gehärtet werden, daß die durchgehende Härtung des Kerns erst nach der Härtung der Randzone und dem Temperaturausgleich zwischen Rand und Kern erfolgt.Full heat from the forming heat is referred to as classic HTMB and was probably used as the original hardening process for steels in connection with the forging process. For wire and fine steel streets, the application of the classic HTMB of steels, despite convincing economic advantages over the conventional remuneration for a long time failed on the formation of stress cracks, inhomogeneous material properties and strong distortion of the bar material, which is why repeatedly in technical literature is not applicable. (Randak, A. et al., Stahl and Eisen 85 (1965) 22, p. 1452) On the basis of a process for the production of steels with greatly improved mechanical material properties (DD-PS 119438) this prejudice could be overcome and the classical HTMB with more complete An important element of this process is, inter alia, given by the short-term induction tempering treatment of the material continuously hardened from the forming heat in the rolling flow Demounted edge zone and high-strength core given (DD-PS 119270), wherein heat treatable steels are directly cured from the rolling heat in an at least two-stage cooling such that the continuous curing of the core takes place only after curing of the edge zone and the temperature balance between the edge and core.

Mit Hilfe dieses Verfahrens sind durchgehend vergütete, hochfeste Stähle mit verbesserten Werkstoffeigenschaften herstellbar. (DD-PS 267 513) Voraussetzung ist jedoch in jedem Fall eine primäre Abschreckung des Walzstahls auf Temperaturen unter 5O⁰C mit anschließender Anlaßbehandlung im Walzfluß, d. h., die Herstellung von derart vergüteten Stählen kommt für Hochleistungsdraht· und feinstahlctraße, wegen der begrenzten technologischen Freiheit, in Kombination mit der Umformung nicht in Betracht. Zwar ist entsprechend DD-PS 144424 ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Walzstahl aus der Umformwärme bekannt, mit dem ausgewählte Stähle unter bestimmten anlagentechnischen Voraussetzungen auch auf modernen, kontinuierlichen Walzstraßen zu vergüten sind; dieses Verfahren ist jedoch ausschließlich für Ringbundmaterial bestimmt, daß dann in einer gesonderten Anlage, außerhalb der Walzlinie anzulassen ist. Neben der normalen, aus Härten mit nachfolgendem Anlassen bestehenden Vergütung von Stählen sind außerdem Verfahren der Zwischonstufenvergütung bekannt, bei denen die mechanischen Eigenschaften eines Stahls dadurch verbessert werden, daß er auf Härtetemperatur gebracht und anschließend in einem entsprechend temperierten Salz- oder Metallbad abgeschreckt wird. Mit dem Zwischenstufenvergüten des Stahls werden die Umwandlung in der Martensit- und Perlitstufe unterdrückt und das Anlassen verfahrenstechnisch vorteilhaft mit der Zwischenstufenumwandlung in einem Arbeitsgang vereinigt. Bei Anwendung der Zwischenstufenvergütung aus der Umformwärme könnto somit auf das spezielle, im Walzfluß äußerst problematische, nochmalige Erwärmen des Stahls zum Zwecke des Anlassens verzichtet werden. Entsprechend DE-AS 1284978 wurde demgemäß ein Verfahren zum Vergüten von unlegierten und legierten Stählen unmittelbar aus der Umformwärme entwickelt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Schmiedestücke nach definierter Umformung mittels mild wirkender Abschreckmittel, wie Preßluft, Sprühregen oder Warmluft in den Temperaturbereich der Zwischenstufe abgekühlt und dort umgewandelt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß sich seine Anwendung auf Schmiedeteile beschränkt und wine analoge Zwischenstufenvergütung von Walzstahl in Form von Feinstahl- und Drahtsortimenten, infolge der begrenzten technologischen Freiheit an derartigen Walzstraßen, nicht möglich ist. Außerdem wird bei Anwendung dieses Verfahrens über den gesamten Querschnitt des Schmiedestückes ausschließlich Zwischenstufengefüge erzeugt, d.h., die Herstellung eines vorteilhaften heterogenen Gefügeaufbaus ist verfahrenstechnisch nicht möglich.With the aid of this process, continuously tempered, high-strength steels with improved material properties can be produced. However, (DD-PS 267513) requirement is in any case a primary quenching the rolled steel to temperatures below 5O ⁰ C with subsequent tempering treatment in Walzfluß, ie, the production of such a quenched and tempered steels is for high performance wire · and feinstahlctraße, because of the limited technological freedom , in combination with the forming out of the question. Although according to DD-PS 144424 a method for heat treatment of rolled steel from the forming heat is known to be compensated with the selected steels under certain technical conditions on modern, continuous rolling mills. However, this method is intended exclusively for annular collar material that is then to be started in a separate plant, outside the rolling line. In addition to the normal, consisting of hardness with subsequent tempering tempering steels are also known methods of Zwononstufenvergütung in which the mechanical properties of a steel are improved by being brought to hardening temperature and then quenched in a suitably tempered salt or metal bath. With the intermediate stage hardening of the steel, the transformation in the martensite and pearlite stage is suppressed and the tempering process advantageously combined with the intermediate stage conversion in one operation. When applying the intermediate stage compensation from the forming heat könnto könnto therefore can be dispensed with the special, in the rolling flow extremely problematic, reheating the steel again for the purpose of tempering. According to DE-AS 1284978 a method for quenching unalloyed and alloyed steels was thus developed directly from the forming heat, which is characterized in that forgings cooled after defined deformation by mildly acting quenching agents, such as compressed air, drizzle or hot air in the temperature range of the intermediate and to be converted there. A disadvantage of this method is that its application is limited to forgings and wine analogous intermediate stage tempering of rolled steel in the form of fine steel and wire assortments, due to the limited technological freedom of such rolling mills, is not possible. In addition, when using this method over the entire cross-section of the forging exclusively interstep structure produced, ie, the production of an advantageous heterogeneous structure structure is not procedurally possible.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung ist ein wärmebehandelter Stahl mit einer vorteilhaften Kombination von Festigkeit und Zähigkeit, der selbst bei der an Draht- und Feinstahlstraßen vorherrschenden begrenzten technologischen Freiheit direkt aus der Umformwärme herstellbar ist.The object of the invention is a heat-treated steel with an advantageous combination of strength and toughness, which can be produced directly from the forming heat even with the limited technological freedom prevailing on wire and fine steel lines.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,einen Stahl mit speziellem Gefügeaufbau zu entwickeln, dessen mechanischtechnologische Werkstoffeigenschaften weitgehend denen eines konventionell gehärtet und angelassen bzw. klassisch hochtemperatur-thermomechanlsch behandelten Stahls mit homogenem Vergütungsgefüge über den Querschnitt entsprechen, wobei dieser Stahl bei Verzicht auf eine zusätzliche Anlaßbehandlung, unter Beachtung seines Umwandlungsverhaltens, gesteuert aus dem Bereich des stabilen Austentits abgekühlt werden soll.The invention has for its object to develop a steel with a special microstructure, the mechanical properties of which largely correspond to those of a conventionally hardened and annealed or classic high-temperature thermomechanically treated steel with homogeneous compensation structure across the cross section, said steel waiving an additional tempering treatment , considering its conversion behavior, should be cooled controlled from the area of stable Austentits.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stahl eines heterogenen Gefügeaufbaus über den Querschnitt besitzt, wobei die Randzone aus einer oder mehreren selbstangelassenen, martensitischeh Schichten und der Kern aus Zwischenstufengefüge besteht. Besteht die Randzone lediglich aus einer martensitischen Schicht, so liegt der Anlaß- bzw. Ausgleichstemperatur dieser martensitischen Schicht zwischen der Perlitbildungstemperatur und dem M,-Punkt des Stahls. Besteht die Randzone aus mehreren martensitischen Schichten, so liegt die Anlaß- bzw. Ausgleichstemperatur der äußersten martensitischen Schicht maximal kurz unterhalb der Ai-Temperatur des Stahls, nimmt in den in Richtung des Kerns folgenden Schichten stufenweise ab und wird in derzuletzt gebildeten martensitischen Schicht durch die Perlitbildungstemperatur und den M,-Punkt des Stahls begrenzt. Des weiteren ist der Gefügeaufbau dieses Stahls dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstufengefüge des Kerns im Bereich der oberen oder unteren bzw. der oberen und unteren Zwischenstufe gebildet wurde.According to the invention, this object is achieved in that the steel has a heterogeneous microstructure over the cross section, wherein the edge zone consists of one or more selbstangelassenem martensitic layers and the core of Zwischenstufengefüge. If the edge zone consists only of a martensitic layer, the tempering temperature of this martensitic layer is between the pearlite formation temperature and the M, point of the steel. If the edge zone consists of a plurality of martensitic layers, the tempering temperature of the outermost martensitic layer is at most shortly below the Ai temperature of the steel, gradually decreases in the layers following in the direction of the core, and becomes in the latter formed by the martensitic layer Perlitbildungstemperatur and the M, point of the steel limited. Furthermore, the structural structure of this steel is characterized in that the Zwischenstufengefüge the core was formed in the region of the upper or lower and the upper and lower intermediate stage.

Die Stärke der selbstangelassenen, ein- oder mehrschichtigen martensitischen Randzone ist, ebenso wie der Flächenanteil des aus Zwischenstufengefüge gebildete Kern, eine Funktion der technologischen Einflußgrößen, der Profilierung des Abkühlverlaufes und des Umwandlungsverhaltens des Stahls.The strength of the self-tempered, single- or multi-layered martensitic boundary zone, as well as the area fraction of the core formed from interstitial structure, is a function of the technological parameters, the profile of the cooling process and the transformation behavior of the steel.

embodiment

Die erfindungsgemäßen Gestaltungsmöglichkeiten für den Gefügeaufbau und die damit erreichbaren Werkstoffeigenschaften werden am Beispiel des Federstahls 50SiMn 7 mit einem Durchmesser von 10mm verdeutlicht. Der Stahl besitzt folgende chemische Zusammensetzung:The design possibilities according to the invention for the structure of the structure and the material properties that can be achieved with it are illustrated by the example of the spring steel 50SiMn 7 with a diameter of 10 mm. The steel has the following chemical composition:

0,55% C; 1,71 % Si; 0,85% Mn; 0,028 P; 0,024% S und 0,32% Cr0.55% C; 1.71% Si; 0.85% Mn; 0.028 P; 0.024% S and 0.32% Cr

Nachdem der Stahl im Walzfluß einer einstufigen, intensiven Druckwasserabschreckung unterzogen und dabei, ausgehend von einer Entwalztemperatur von ca. 1000⁰C eine Ausgleichstemperatur des Materials von ca. 400°C erreicht wurde, ergibt sich im Ergebnis der weiteren! Luftabkühlung dieses Stahls auf dem Kühlbett ein Gefügeaufbau, der durch eine bei 400⁰C angelassene, weitgehend martensitische Randschicht von ca. 1,5mm Stärke und einem daran anschließenden Kern aus Zwischenstufengefügo gegeben ist. Dieser Federstahl besitzt insgesamt folgende Werkstoffeigenschaften:After the steel subjected to Walzfluß one-stage, intense pressure water quenching, thereby starting a compensation temperature of the material of about 400 ° C was reached by a Entwalztemperatur of about 1000 ⁰ C, obtained as a result of the further! Air cooling of this steel on the cooling bed a structural structure, which is given by a tempered at 400 ⁰ C, largely martensitic edge layer of about 1.5 mm thickness and an adjoining core of Zwischenstufengefügo. This spring steel has the following overall material properties:

Rm = 1880 MPA Rpo.oi = 1150MPa Aio = 2,8%Rm = 1880 MPA Rpo.oi = 1150MPa Aio = 2.8%

Wird der Stahl einer zweistufigen intensiven Druckwasterabschreckung auf eine analoge Ausgleichstemperatur unterzogen, so wird die angelassene martensitische Randzone des Stahls z.B. aus zwei Schichten gebildet. Die Zugfestigkeit nimmt dann zueammon mit dem den Härtewerten in der äußersten martensitischen Schicht geringfügig ab und die plastischen Eigenschaften werden verbessert.When the steel is subjected to a two-stage intense pressure-quenching operation to an analogue equilibrium temperature, the annealed martensitic edge zone of the steel is e.g. formed from two layers. The tensile strength then slightly decreases with the hardness values in the outermost martensitic layer and the plastic properties are improved.

Claims

1. High-strength, heat-treated steel in the dimensional range of wire and fine steel, which is suitable as a final product Jers special for spring steels, characterized in that the steel has a heterogeneous structure structure over the cross section, wherein the edge zone of one or more selbstangelassenen, martensitic layers and the Core consists of Zwischenstufengefüge.

2. High-strength, heat-treated steel according to claim 1, characterized in that the edge zone consists only of a martensitic layer and the annealing temperature of this martensitic layer between the perlite formation temperature and the M _s point of the steel.

3. High-strength, heat-treated steel according to claim 1, characterized in that the edge zone consists of several martensitic layers, the tempering or balancing temperature is in the outermost martensitic layer at most just below the Ai temperature of the steel, in the direction of Kerns following layers gradually decreases and is limited in the last formed martensitic layer by the pearlite formation temperature and the M _s point of the steel.