DE10156999B4

DE10156999B4 - Hochfester Stahl zum Schmieden und daraus gefertigte Kurbelwelle

Info

Publication number: DE10156999B4
Application number: DE2001156999
Authority: DE
Inventors: Yasunori Takasago Kagawa; Tomohiro Takasago Tsuchiyama
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: ES2208030B1; CZ298442B6; DE10156999A1; ES2208030A1; CZ20014130A3

Abstract

Hochfester Stahl zum Schmieden, welcher umfaßt:
C: 0,3 – 0,5 Massen-%,
Si: 0,1 – 0,4 Massen-%,
Mn: 0,7 – 1,5 Massen-%,
Cr: 1,2 – 3,5 Massen-%,
Mo: 0,1 – 0,6 Massen-%,
Ni: nicht mehr als 0,7 Massen-%,
wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe bestehend aus V, Nb und Ta:
0,03 – 0,35 Massen-% gesamt, und
N: 30 – 250 ppm,
mit dem Rest Fe und unvermeidbaren Unreinheiten bzw. Verunreinigungen, wobei der schmiedbare Stahl eine Mikrostruktur ausbildet, bestehend hauptsächlich aus Bainit und Martensit und enthaltend N in fester Lösung und V, Nb und Ta derart, daß der folgenden Ausdruck (1) erfüllt ist. [Gesamt (Massen-%) von V, Nb und Ta] + 0,001 × [N(ppm) in fester Lösung] ≥ 0,068 (1)

Description

Technisches Gebiet, zu welchem die Erfindung gehört
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen hochfesten Stahl zum Schmieden (nachfolgend als ein hochfester Schmiedestahl bezeichnet) und genauer auf einen hochfesten Schmiedestahl, welcher durch niedrigen Preis (aufgrund seines niedrigen Gehalts an teuren Legierungselementen, insbesondere Nickel) sowie durch hohe Festigkeit gekennzeichnet ist. Dieser Schmiedestahl wird als ein Rohmaterial für groß dimensionierte Kurbelwellen Verwendung finden, um Leistung in einem Schiff oder dgl. zu übertragen. Daher liegen derartige Kurbelwellen, die aus dem hochfesten Schmiedestahl gefertigt sind, auch innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung.

Kurbelwellen, um Leistung bzw. Kraft in einem Schiff zu übertragen, sind üblicherweise aus Chrom-Molybdänstahl gefertigt, der durch ISO 42CrMo4, ISO 36CrNiMo6 und DIN 32CrMo12 typisiert ist. Von diesen Stählen enthält der erste eine vergleichbar große Menge an C und eine vergleichbar geringe Menge an Cr und Mo, was zu einer geringfügig schlechteren Festigkeit und einem relativ niedrigen Preis führt, und findet daher Verwendung in Bereichen, wo die Last bzw. Belastung nicht so hoch ist. Der zweite enthält eine große Menge Nickel als ein Legierungselement, welches ihn am besten in der Festigkeit und Zähigkeit unter diesen drei macht, und daher findet er Verwendung in Bereichen, wo die Last bzw. Belastung hoch ist. Der dritte liegt in bezug auf den Preis und die Festigkeit zwischen den zwei vorhergehenden und findet daher Verwendung in Bereichen, wo die Zähigkeit wichtig ist.

Es wurde kürzlich bekannt, große Kurbelwellen für ein Schiff aus ISO 36CrNiMo6 zu fertigen, um marine Risiken zu verhindern, was teuer ist, jedoch eine hohe Festigkeit aufweist.

Offenbarung der Erfindung

Der oben erwähnte ISO 36CrNiMo6, welcher ein Nickel-Chrom-Molybdänstahl ist, ist in der Festigkeit und Zähigkeit überragend, jedoch ist er aufgrund seines hohen Gehalts an teurem Nickel als ein festigendes bzw. stärkendes Legierungselement teurer als andere schmiedbare Chrom-Molybdänstähle. Dies ist ein Hindernis bezüglich seiner allgemeinen Akzeptanz.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das Vorhergehende komplettiert. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen hochfesten Schmiedestahl, welcher weniger teuer als und vergleichbar oder sogar besser in der Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit (was eine neue bzw. junge Anforderung von Verwendern ist) gegenüber ISO 36CrNiMo6 ist, als einen hochfesten Ni-Cr-Mo-Schmiedestahl in der praktischen Verwendung zur Verfügung zu stellen. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kurbelwelle, gefertigt aus diesem Schmiedestahl, zur Verfügung zu stellen, welcher durch niedrigen Preis, hohe Festigkeit und Zähigkeit und gute Härtbarkeit gekennzeichnet ist.

Das Wesen der vorliegenden Erfindung liegt in einem hochfesten Schmiedestahl, welcher umfaßt C (0,3 – 0,5 %), Si (0,1 – 0,4 %), Mn (0,7 – 1,5 %), Cr (1,2 – 3,5 %), Mo (0,1 – 0,6 %), Ni (nicht mehr als 0,7 %), wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe bestehend aus V, Nb und Ta (0,03 – 0,35 gesamt) und N (30 – 250 ppm), wobei der Rest Fe und unvermeidbare Unreinheiten sind, welcher eine Mikrostruktur ausbildet, die hauptsächlich aus Bainit und Martensit besteht und N in fester Lösung und V, Nb und Ta derart enthält, daß der folgende Ausdruck (1) erfüllt ist. [Gesamt (%) von V, Nb und Ta] + 0,001 × [N(ppm) in fester Lösung] ≥ 0,068 (1)(% bedeutet Massen-%. Dasselbe ist nachfolgend anzuwenden.)

Der hochfeste Schmiedestahl der vorliegenden Erfindung ist durch den begrenzten Gehalt an Nickel, wie oben spezifiziert, den bewußt zugesetzten Stickstoff (N) und wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus V, Nb und Ta, wobei die Menge an N in fester Lösung und die Gesamtmenge an V, Nb und Ta dem obigen Ausdruck (1) genügen, und die Mikrostruktur gekennzeichnet, die hauptsächlich aus Bainit und Martensit zusammengesetzt ist. Er hat eine hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit und eine gute Härtbarkeit und ist jedoch vergleichsweise billig.

Der Gehalt an jedem Element wurde auf der Basis, welche später erläutert wird, ermittelt. Der hochfeste Schmiedestahl der vorliegenden Erfindung zeigt seine Charakteristika bzw. Merkmale unabhängig von seiner Grundzusammensetzung, solange der Gehalt an Nickel, der Gehalt an V, Nb und Ta und der Gehalt an Gesamtstickstoff und der Gehalt an N in fester Lösung den obigen Erfordernissen genügen. Der hochfeste Schmiedestahl der vorliegenden Erfindung sollte die folgende Basis- bzw. Grundzusammensetzung haben, so daß er vollständig seinen oben angeführten Effekt ausbildet.
C: 0,3 – 0,5 %, vorzugsweise 0,36 – 0,45
Si: 0,1 – 0,4 %, vorzugsweise 0,15 – 0,4
Mn: 0,7 – 1,5 %, vorzugsweise 0,8 – 1,2
Cr: 1,2 – 3,5 %, vorzugsweise 1,5 – 2,5
Mo: 0,1 – 0,6 %, vorzugsweise 0,15 – 0,35
wobei der Rest im wesentlichen Fe ist.

Der Schmiedestahl, der die oben angeführte Grundzusammensetzung enthält, kann eine geringe Menge an Al als desoxidierendes Element enthalten. Al bildet seine Wirkung aus, wenn sein Gehalt höher als 0,001 % ist, jedoch bildet es keinen zusätzlichen Effekt aus, wenn sein Gehalt 0,040 % übersteigt. Daher sollte der Al-Gehalt unter 0,040 % gehalten werden. Ein weiteres schädigendes Element, welches in den Schmiedestahl eintreten kann, ist S, welches die Zähigkeit und die Dauer- bzw. Bruchfestigkeit nachteilig beeinflußt. Der S-Gehalt sollte vorzugsweise unter 0,006 % gehalten werden.

Zusätzlich ist der hochfeste Schmiedestahl der vorliegenden Erfindung durch den DI-Wert, nicht kleiner als 30 mm, gekennzeichnet. (DI-Wert ist ein kritischer Durchmesser eines Stahlprodukts, dessen Zentral- bzw. Mittelteil 50 Martensithärte bei bzw. nach Wasserabschrecken erreicht.) Derartige charakteristische Eigenschaften machen den Schmiedestahl extrem geeignet für groß dimensionierte Kurbelwellen für Schiffe. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch insbesondere groß dimensionierte Kurbelwellen, die durch Schmieden aus dem oben erwähnten Schmiedestahl gefertigt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Nickelgehalt und der Zugfestigkeit von experimentellen Schmiedestählen zeigt.

2 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Stickstoffgehalt und der Zugfestigkeit von experimentellen Schmiedestählen zeigt.

3 ist ein Diagramm, das die DI-Werte in Beispielen und Vergleichsbeispielen zeigt.

4 ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Zugfestigkeit durch den V-Gehalt im Stahl und den N-Gehalt in fester Lösung beeinflußt ist.

5 ist ein Diagramm, das das Verfahren zur Bestimmung des N-Gehalts in fester Lösung zeigt.

Beschreibung einer speziellen Ausbildung

Unter Berücksichtigung des vorhergehenden Problems haben die vorliegenden Erfinder umfangreiche Forschungen bzw. Untersuchungen durchgeführt, um einen neuen Schmiedestahl zu entwickeln, welcher billiger als und in der Festigkeit und Zähigkeit mit "ISO 36CrNiMo6" vergleichbar ist, der als ein hochfester Ni-Cr-Mo-Schmiedestahl bekannt ist. Der neue Schmiedestahl enthält als eine Kostenreduktion eine geringere Menge an Nickel als ein Legierungselement und weist eine gute Härtbarkeit auf, die für ein Schmieden von großen Produkten mit hoher Festigkeit wichtig ist. Als das Ergebnis von Forschungen wurde gefunden, daß der oben beschriebene Cr-Mo-Schmiedestahl, der nicht mehr als 0,7 % Nickel als ein Festigungselement enthält, eine hohe Festigkeit und Zähigkeit besitzt, welche das Fehlen an Festigkeit aufgrund des reduzierten Nickelgehalts kompensiert, wenn wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe bestehend aus V, Nb und Ta, und eine sehr geringe Menge an Stickstoff inkorporiert bzw. aufgenommen ist, so daß die Gesamtmenge an V, Nb und Ta und die Menge an in fester Lösung gelöstem Stickstoff dem obigen Ausdruck (1) genügen. Der Schmiedestahl zeigt auch sehr gute Härtbarkeit. Diese Erkenntnis führte zu der vorliegenden Erfindung.

Cr-Mo-Stähle in allgemeiner Verwendung zum Schmieden erfordern Nickel, damit sie eine hohe Festigkeit und Zähigkeit und eine verbesserte Härtbarkeit aufweisen. Leider ist Nickel so teuer, daß es die Stahlkosten über den für Benutzer bzw. Verwender erschwinglichen Preis anhebt, wenn sein Gehalt sehr groß bzw. übermäßig ist. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, einen neuen Stahl zu entwickeln, der trotz seines minimalen Nickelgehalts in der Festigkeit und Härtbarkeit mit dem konventionellen Ni-Cr-Mo-Schmiedestahl ver gleichbar ist. Zur Kostenreduktion sollte der Nickelgehalt unter 0,7 %, vorzugsweise unter 0,5 %, und noch bevorzugter unter 0,3 % liegen.

Eine Reduktion des Nickelgehalts senkt die Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit, die Nickel zuschreibbar sind, und daher genügt der resultierende Stahl nicht den Erfordernissen der Benutzer. Die vorliegenden Erfinder haben ausgiebig nach dem Weg geforscht, um die unzureichende Leistung aufgrund des reduzierten Nickelgehalts durch Inkorporieren bzw. Aufnehmen von anderen Elementen zu kompensieren, und haben dabei einen neuen Schmiedestahl entwickelt, welcher den Anforderungen der Benutzer in bezug auf den Preis ebenso wie in bezug auf die Leistung genügt. Es zeigte sich, daß dieses Ziel erreicht wird, wenn ein Cr-Mo-Schmiedestahl mit einem reduzierten Nickelgehalt mit wenigstens einem Element, gewählt aus V, Nb und Ta, und Stickstoff (welcher bis dato als ein schädigendes Spurenelement betrachtet wurde) versetzt wird, so daß die Menge an V, Nb und Ta und die Menge an in fester Lösung gelöstem Stickstoff dem obigen Ausdruck (1) genügt.

Damit der Schmiedestahl seinen praktischen Effekt ausbildet, ist es wesentlich, daß der Gehalt an Nickel nicht mehr als 0,7 % betragen sollte, der Gehalt von wenigstens einem Element, gewählt aus V, Nb und Ta, von 0,03 %, vorzugsweise 0,045 %, bis 0,35 %, vorzugsweise 0,15 %, liegen sollte, und der Gehalt an Stickstoff von 30 ppm, vorzugsweise 40 ppm, bis 250 ppm, vorzugsweise 100 ppm, liegen sollte. Darüber hinaus ist es auch wesentlich, daß der gesamte Gehalt an V, Nb und Ta und des in fester Lösung gelösten Stickstoffs dem obigen Ausdruck (1) genügen sollten.

Wenn der Gesamtgehalt an V, Nb und Ta und der Gehalt an Stickstoff außerhalb der oben spezifizierten Bereiche liegen und den Erfordernissen für den Ausdruck (1) nicht genügt wird, wird außerdem der resultierende Schmiedestahl eine hohe Festigkeit und Zähigkeit und gute Härtbarkeit nicht aufweisen, wie dies in der vorliegenden Erfindung beabsichtigt ist.

Trotz der Forschungen der vorliegenden Erfinder wurde keine Erklärung des Grundes gefunden, warum der Schmiedestahl mit einem niedrigen Nickelgehalt in der Festigkeit und Zähigkeit stark verbessert ist, wenn der Gesamtgehalt an V, Nb und Ta und der Gehalt an in fester Lösung gelöstem Stickstoff dem oben beschriebenen Ausdruck (1) genügen. Ein möglicher Grund ist, daß Stickstoff kombiniert mit V, Nb und Ta Nitride bildet und gelöster Stickstoff selbst einen guten Effekt zur Verbesserung der Festigkeit ausbildet. Da derartige festigende Elemente, wie V, Nb und Ta, sehr teuer sind, ist es ökonomisch vorteilhaft, die Festigkeit zu erhöhen, indem sie in geringen Mengen in Kombination mit billigem Stickstoff, der in fester Lösung gelöst ist, zugesetzt werden.

Der Effekt der Erhöhung der Festigkeit wird nur ausgebildet, wenn die die Festigkeit steigernden Elemente und Stickstoff einem Cr-Mo-Schmiedestahl, enthaltend nicht mehr als 0,7 % Nickel, zugesetzt werden. Dieser Effekt wird nicht ausgebildet, wenn sie bei einem Spitzenklassen-Schmiedestahl, enthaltend mehr als 0,7 % Nickel, zugesetzt werden.

Der Schmiedestahl gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf einem Cr-Mo-Schmiedestahl, enthaltend nicht mehr als 0,7 % Nickel. Nach Inkorporieren von einem oder mehreren Verfestigungselementen (V, Nb, Ta) und Stickstoff, so daß der Gesamtgehalt an V, Nb und Ta und der Gesamtgehalt an Stickstoff gelöst und ungelöst in fester Lösung und Stickstoff insgesamt der oben angeführten Gleichung bzw. dem oben angeführten Ausdruck genügen, wird der gewünschte Schmiedestahl erhalten, welcher in der Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit mit vergleichsweise billigen Spitzenklassen-Cr-Mo-Schmiedestählen mit einem hohen Nickelgehalt vergleichbar ist.

Wie oben festgehalten, ist der Schmiedestahl gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß er Nickel in einer begrenzten Menge enthält. Er ist auch dadurch charakterisiert, daß er wenigstens eine Spezies aus V, Nb und Ta und Stickstoff (und Stickstoff gelöst in fester Lösung) in spezifischen Mengen enthält. Der Schmiedestahl ist nicht in seiner Grundzusammensetzung beschränkt. Ein Cr-Mo-Schmiedestahl, der die folgende Grundzusammensetzung aufweist, wird verwendet, um die beste Verwendung der Merkmale der vorliegenden Erfindung, wie Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit, welche für Kurbelwellen und dgl. erforderlich sind, zu ergeben.
C: 0,3 – 0,5 %, vorzugsweise 0,36 – 0,45
Si: 0,1 – 0,4 %, vorzugsweise 0,15 – 0,4
Mn: 0,7 – 1,5 %, vorzugsweise 0,8 – 1,2
Cr: 1,2 – 3,5 %, vorzugsweise 1,5 – 2,5 %
Mo: 0,1 – 0,6 %, vorzugsweise 0,15 – 0,35 %

Der Gehalt bzw. die Menge von jedem oben aufgelisteten Element wurde aufgrund der im folgenden erklärten Gründe ermittelt.
C: 0,3 – 0,5 %, vorzugsweise 0,36 – 0,45 %

Kohlenstoff trägt zur Härtbarkeit ebenso wie zur Festigkeit bei. Für seinen maximalen Effekt sollte Kohlenstoff in einer Menge von 0,3 % oder mehr, vorzugsweise 0,36 % oder mehr, und noch bevorzugter 0,38 % oder mehr, enthalten sein. Kohlenstoff in einer übermäßigen Menge hat jedoch einen nachteiligen Effekt auf die Zähigkeit und fördert die umgekehrte Blockseigerung bzw. Entmischung. Daher sollte der obere Grenzwert für Kohlenstoff 0,5 % oder weniger, vorzugsweise 0,45 % oder weniger, und noch bevorzugter 0,42 % oder weniger, sein.
Si: 0,1 – 0,4 %, vorzugsweise 0,15 – 0,4 %

Silicium trägt zur Festigkeit bei. Für seinen maximalen Effekt sollte Silicium in einer Menge von 0,1 % oder mehr, vorzugsweise 0,15 % oder mehr, und noch bevorzugter 0,20 % oder mehr, enthalten sein. Silicium in einer übermäßigen Menge fördert jedoch die umgekehrte Blockseigerung, was in Gußblöcken mit schlechter Sauerkeit resultiert. Daher sollte der obere Grenzwert des Siliciumgehalts 0,4 % oder weniger, vorzugsweise 0,3 % oder weniger betragen.
Mn: 0,7 – 1,5 %, vorzugsweise 0,8 – 1,2 %

Mangan trägt zur Härtbarkeit ebenso wie zur Festigkeit bei. Für seinen maximalen Effekt sollte Mangan in einer Menge von 0,7 % oder mehr, vorzugsweise 0,8 % oder mehr, und noch bevorzugter 0,9 % oder mehr, enthalten sein. Mangan fördert jedoch in einer übermäßigen Menge die umgekehrte Blockseigerung. Daher sollte der obere Grenzwert von Mangan 1,5 % oder weniger, vorzugsweise 1,2 % oder weniger, und noch bevorzugter 1,1 % oder weniger, betragen.
Cr: 1,2 – 3,5 %, vorzugsweise 1,5 – 2,5 %

Chrom trägt zur Zähigkeit ebenso wie zur Festigkeit bei. Für seinen maximalen Effekt sollte Chrom in einer Menge von 1,2 % oder mehr, vorzugsweise 1,5 % oder mehr, und noch bevorzugter 1,75 % oder mehr, enthalten sein. Chrom fördert jedoch in einer übermäßigen Menge die umgekehrte Blockseigerung, was in Blöcken bzw. Gußblöcken, die schlecht in der Reinheit sind, resultiert. Daher sollte der obere Grenzwert von Chrom 3,5 % oder weniger, vorzugsweise 2,5 % oder weniger, betragen.
Mo: 0,1 – 0,6 %, vorzugsweise 0,15 – 0,35 %

Molybdän trägt zur Festigkeit, Zähigkeit und Härtbarkeit bei. Für seinen maximalen Effekt sollte Molybdän in einer Menge von 0,1 % oder mehr, vorzugsweise 0,15 % oder mehr, und noch bevorzugter 0,20 % oder mehr, enthalten sein. Molybdän ist jedoch leicht Gegenstand von Mikrosegregation (normale Segregation) aufgrund seines kleinen Verteilungskoeffizienten. Daher sollte der obere Grenzwert des Molybdängehalts 0,6 % oder weniger, vorzugsweise 0,35 % oder weniger, und noch bevorzugter 0,30 % oder weniger betragen.

Der Schmiedestahl gemäß der vorliegenden Erfindung hat die vorhergehende Grundzusammensetzung, wobei der Rest im wesentlichen Fe ist. Er kann selbstverständlich Spuren von unvermeidbaren Unreinheiten enthalten oder kann gegebenenfalls mit anderen Elementen, welche in bezug auf den Effekt für die vorliegende Erfindung harmlos sind, versetzt bzw. inkorporiert sein. Beispiele von derartigen zusätzlichen Elementen umfassen B (welches zur Härtbarkeit beiträgt), Ti (welches zur Desoxidation beiträgt) und Ca, Mg, Ce, Zr und Te (welche die Form von MnS steuern bzw. regeln). Sie können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden. Ihr Gesamtgehalt sollte weniger als etwa 0,03 % betragen.

Zusätzlich zu der vorhergehenden Grundzusammensetzung enthält der Schmiedestahl gemäß der vorliegenden Erfindung Aluminium als eine von unvermeidbaren Unreinheiten bzw. Verunreinigungen. Aluminium (als ein Desoxidationsmittel) wird zugesetzt, um den Sauerstoffgehalt in dem Schmiedestahl zu reduzieren. Damit ein guter Desoxidationseffekt gebildet wird, sollte Aluminium in einer Menge von etwa 0,001 % oder mehr enthalten sein. Aluminium in einer übermäßigen Menge fixiert jedoch Stickstoff in Form von AlN (wodurch die Festigung durch eine Inkorporierung von N und V behindert wird) und kombi niert mit zahlreichen anderen Elementen, um nicht-metallische Einschlüsse und intermetallische Verbindungen (wodurch nachteilig die Zähigkeit beeinflußt wird) auszubilden. Daher sollte der maximale Aluminiumgehalt 0,10 % oder weniger, vorzugsweise 0,04 % oder weniger, betragen. Das Verhindern des Auftretens von AlN ist wichtig aus dem Gesichtspunkt der Festigung durch Inkorporierung mit V usw. und Stickstoff. Wenn der Aluminiumgehalt sehr niedrig ist, nämlich etwa 0,001 %, ist die gebildete Menge an AlN klein und daher wird der Festigungseffekt ausgebildet, selbst wenn der Stickstoffgehalt etwa 30 ppm beträgt. Wenn jedoch der Aluminiumgehalt hoch ist, nämlich etwa 0,03 %, wird AlN in einem großen Ausmaß gebildet und es ist daher notwendig, den Stickstoffgehalt auf etwa 250 ppm anzuheben oder den Gehalt an V usw. zu erhöhen, so daß der Festigungseffekt, wie gewünscht, gebildet wird.

Ein weiteres Verunreinigungselement ist Schwefel, welcher aus Sulfiden, die im Koks zur Eisenherstellung enthalten sind, stammt. Schwefel in Stahl bildet Sulfide (wie MnS), welche die Ermüdungscharakteristika verschlechtern. Um derartige Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es notwendig, den Schwefelgehalt unter 0,006 %, vorzugsweise unter 0,005 %, zu halten.

Der Schmiedestahl gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er die vorhergehende Grundzusammensetzung aufweist und auch die hauptsächlich aus Bainit und Martensit zusammengesetzte Mikrostruktur aufweist. Er besitzt keine so hohe Festigkeit, wie in der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, wenn der Bereichs- bzw. Flächenanteil von Ferrit und Perlit 10 % übersteigt. Der Ausdruck "hauptsächlich aus Bainit und Martensit zusammengesetzt" bedeutet, daß die Mikrostruktur im Querschnitt, welche durch Beobachtung unter einem optischen Mikroskop unterschieden werden kann, größtenteils Bainit und Martensit ist und der Flächenanteil von Ferrit und Perlit kleiner als etwa 10 % ist. Übrigens gibt es keinen eingeführten Weg der quantitativen Bestimmung des Flächenanteils von Bainit und Martensit. Trotzdem ist es möglich, empirisch die hauptsächlich aus Bainit und Martensit zusammengesetzte Mikrostruktur aus Fotografien der Mikrostruktur im Querschnitt zu differenzieren bzw. zu unterscheiden.

Die hauptsächlich aus Bainit und Martensit zusammengesetzte Mikrostruktur kann aus einem Stahl erhalten werden, der die oben angeführte, chemische Zusammensetzung aufweist, wenn der Stahl bei einer durchschnittlichen Kühlgeschwindigkeit bzw. -rate von etwa 0,5 bis 100 °C/min im Bereich von 870 °C bis zu 500 °C vergütet wird.

Der Schmiedestahl gemäß der vorliegenden Erfindung hat die oben beschriebene, chemische Zusammensetzung. Trotz seines limitierten Nickelgehalts (weniger als 0,7 %) besitzt er eine hohe Festigkeit ohne besonders teure Legierungselemente insbesondere aufgrund von wenigstens einer der Spezies von V, Nb und Ta und Stickstoff, welche in spezifischen Mengen zugesetzt sind. Er ist besser in der Härtbarkeit, wie dies in später gezeigten Beispielen gezeigt wird. Diese gute Härtbarkeit wird durch den hohen DI-Wert über 30 mm (selbst 32 mm) im Jominy-Test angegeben. (DI-Wert ist ein kritischer Durchmesser für das Zentrum, das die Härte von 50 % Martensit nach Wasserkühlen aufweisen muß.) Aus diesem Grund ist der Schmiedestahl sehr für Kurbelwellen, insbesondere groß dimensionierte Kurbelwellen für Schiffe, geeignet, welche einem Abschrecken nach dem Schmieden unterworfen werden.

Aufgrund seiner hervorstechenden Härtbarkeit, wie dies durch den hohen DI-Wert angedeutet ist, ist der Schmiedestahl der vorliegenden Erfindung für Schmiedegegenstände mit einer großen Masse, wie Kurbelwellen mit 150 – 1000 mm Durchmesser, extrem geeignet, welche eine hohe Festigkeit sowohl im Zentrum als auch auf der Oberfläche nach dem Abschrecken benötigen.

Es gibt keine spezifischen Beschränkungen betreffend das Verfahren zur Herstellung des Schmiedestahls der vorliegenden Erfindung. Er kann durch Gießen nach einem Mischen mit gewünschten Komponenten in einem Hochfrequenzinduktionsofen, elektrischen Ofen oder Konverter hergestellt werden. Das Mischen kann durch ein Vakuumentgasen gefolgt sein. Das Gießen kann durch Blockguß für große Schmiedegegenstände oder durch kontinuierliches Gießen für kleine Schmiedegegenstände durchgeführt werden. Überdies ist es gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig, den Stickstoffgehalt in dem Schmiedestahl strikt zu regeln. Ein gewünschter Weg zum Erreichen dieses Gegenstands bzw. Ziels ist es, ein Rohmaterial, das Stickstoff, wie Mangannitrid und Chromnitrid, enthält, dem geschmolzenen Stahl zuzusetzen oder Stickstoffgas in den geschmolzenen Stahl einzublasen. Es ist möglich, den Stickstoffgehalt durch Vakuumentgasen unter geeigneten Bedingungen zu reduzieren.

Der Schmiedestahl der vorliegenden Erfindung kann in Kurbelwellen usw. durch jegliches Verfahren, welches nicht spezifisch beschränkt ist, geformt werden. Ein typisches Verfahren besteht aus den folgenden Schritten:

• Herstellen eines Stahls der gewünschten Zusammensetzung in einem elektrischen Ofen oder dgl.
• Entfernen von Verunreinigungselementen (wie Schwefel) und gasförmigen Komponenten (wie Sauerstoff) durch Vakuumraffinieren.
• Guß- bzw. Blockherstellen.
• Erhitzen des Blocks und Schmieden des erhitzen Blocks.
• Zwischeninspektion, Wiedererhitzen und Schmieden in die Form einer Kurbelwelle.
• Homogenisierungswärmebehandlung und Abschreckhärtung.
• Endbearbeiten.

Schmieden in die Form einer Kurbelwelle kann entweder durch freies Schmieden oder R-R- (oder T-R-) Schmieden durchgeführt werden. Freies Schmieden bildet die Kurbelwangen bzw. Kurbelscheiben und Kurbelzapfen in einem einzigen Block, welcher danach in die Kurbelwelle durch Gasschneiden und Bearbeiten endbearbeitet wird. R-R- (oder T-R-) Schmieden wird derart ausgeführt, daß die Achse des Gußblocks mit der Hauptwelle der Kurbelwelle zusammenfällt. Der Vorteil dieses Schmiedeverfahrens liegt darin, daß der Zentralteil, welcher leicht durch Segregation verschlechtert werden kann, die Hauptwelle der Kurbelwelle wird. Daher weist die resultierende Kurbelwelle eine saubere Oberflächenschicht auf und ist daher in der Festigkeit und den Ermüdungscharakteristika überlegen.

Aufgrund seiner hohen Festigkeit und des niedrigen Preises kann der Schmiedestahl gemäß der vorliegenden Erfindung für jegliche anderen Schmiedeteile als Kurbelwellen, wie Zwischenwellen und Propellerwellen für Schiffe, Hübe zusammengesetzter Kurbelwellen und hohle Gegenstände ohne Schweißen, verwendet werden.

Die Erfindung wird in größerem Detail unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele, welche den Rahmen derselben nicht einschränken sollen, beschrieben. Verschiedene Änderungen und Modifikationen können an der Erfindung ausgeführt werden, ohne den Rahmen und den Geist derselben zu verlassen.
Beispiele 1 bis 19 und Vergleichsbeispiele 1 bis 22
In jedem Beispiel wurde ein Schmiedestahl, der die in Tabelle 1 und 2 gezeigte, chemische Zusammensetzung aufwies, unter Verwendung eines Hochfrequenzinduktionsofens hergestellt. Der Schmiedestahl wurde in einen Block mit Abmessungen von 158 – 132 (Durchmesser) × 323 mm (Höhe) gegossen und wog 50 kg. Der Gehalt an in dem Stahl gelöstem Stickstoff wurde durch Steuern bzw. Regeln von zugesetztem Mangannitrid oder der Zusammensetzung von atmosphärischem Gas gesteuert bzw. geregelt. Dem Stahl wurde auch V, Nb oder Ta in einer vorgeschriebenen Menge zugesetzt.
Mit dem abgeschnittenen Vorlaufteil wurde der resultierende Gußblock auf 1230 °C für 5 – 10 h erhitzt. Der erhitzte Gußblock wurde komprimiert, bis seine Höhe auf die Hälfte reduziert war und wurde dann gedehnt (wobei seine Mittellinie um 90° gedreht wurde), bis er 90 × 90 × 450 mm maß. Das Schmieden war durch Luftkühlen gefolgt. Die resultierende Probe wurde unter Verwendung eines kleinen Simulationsofens für eine Austenitisierungsbehandlung erhitzt. Dieser Schritt bestand aus einem Erhitzen der Probe auf 870 °C bei einer Heizgeschwindigkeit bzw. -rate von 40 °C/h, Halten bei dieser Temperatur für 1 h, Abkühlen mit einer mittleren Kühlgeschwindigkeit von 20 °C/min (im Bereich von 870 °C bis 500 °C), Halten für ein Vergüten bei 610 °C für 13 h und Abkühlen in dem Ofen.
Außerdem zeigt die Menge an in der Probe gelöstem Stickstoff die Summe an in fester Lösung gelöstem Stickstoff und an Stickstoff, der Verbindungen bildet, an. Gesamtstickstoff wurde durch das Inertgasschmelzverfahren bestimmt. Stickstoff, der Verbindungen bildet, wurde durch Jodphenol-Adsorptionsspektrometrie bestimmt, was ausgeführt wurde, nachdem Ausfällungen in dem Stahl durch elektrolytische Extraktion abgetrennt wurden. Die Menge an gelöstem Stickstoff in fester Lösung wurde durch Abziehen der Menge an Stickstoff, der Verbindungen bildet, von der Menge an Gesamtstickstoff berechnet (5).
Die Probe, welche mit austenitisierender Behandlung wärmebehandelt und vergütet wurde, wurde in bezug auf die Mikrostruktur auf die folgende Weise untersucht. Der Querschnitt der Probe wurde mit Nital geätzt und dann unter einem optischem Mikroskop (× 100) beobachtet. Es wurde mehr als ein Feld fotografiert und die erhaltenen Fotografien wurden in bezug auf die Fläche, die zu Ferrit und Perlit gehörte, inspiziert. Es wurde gefunden, daß alle Proben in den Beispielen und Vergleichsbeispielen die Mikrostruktur, die hauptsächlich aus Bainit und Martensit zusammengesetzt war, aufwiesen, wobei die Fläche, die zu Ferrit und Perlit gehörte, im wesentlichen null war.
Jede wie oben erhaltene Stahlprobe wurde in bezug auf mechanische Eigenschaften und Härtbarkeit auf die folgende Weise untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 und 4 und 1 und 2 gezeigt.
[Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur]
Zugfestigkeit wurde gemäß ISO 7892 (unter Verwendung eines Teststücks in einer Form, die durch L₀ = 5,65√S₀ definiert ist) gemessen. Die Charpy-Kerbschlagbiegefestigkeit wurde gemäß ISO 148 (unter Verwendung eines Teststücks mit einer 2 mm Kerbe) gemessen.
[Härtbarkeit]
Die Härtbarkeit wurde durch das Jominy-Verfahren gemäß ISO 642 ausgewertet. Dieses Testverfahren wendet ein geflanschtes Teststück an und besteht in einem Erhitzen auf 870 °C und Kühlen mit Wasser. Die Härtbarkeit ist durch den kritischen Durchmesser (DI) des Zentralteils mit 50 % Martensit ausgedrückt.
Tabelle 3
Tabelle 4
1 und 2 sind Diagramme, die das Verhältnis zwischen dem Ni-Gehalt und der Zugfestigkeit bzw. das Verhältnis zwischen dem Stickstoffgehalt und der Zugfestigkeit zeigen. Diese Diagramme wurden aus den Daten von Tabelle 1 und 2 gezeichnet. Es ist aus 1 erkenntlich, daß der maximale Effekt einer Verbesserung der Festigkeit durch Inkorporieren von Stickstoff und einem aus V, Nb und Ta gebildet wird, wenn der Stahl 0,7 % Ni oder weniger enthält. Es wird auch aus 2 deutlich, daß Stickstoff seinen Effekt ausübt, wenn sein Gehalt 30 ppm oder mehr, vorzugsweise 40 ppm oder mehr, und insbesondere wünschenswert, 50 ppm oder mehr beträgt. Es wird weiter festgehalten, daß sich der Effekt von Stickstoff nahezu einebnet, wenn seine Menge 60 bis 70 ppm übersteigt. Dies legt nahe, daß übermäßige Mengen an Stickstoff (insbesondere mehr als 100 ppm) keinen Effekt bei der Verbesserung der Festigkeit bilden, jedoch Nitride erhöht, welche nachteilige Effekte auf die Zähigkeit besitzen. Daher sollte der Stickstoffgehalt unter 100 ppm, vorzugsweise unter 80 ppm, liegen.
3 ist ein Ausdruck, der die DI-Werte in Beispielen und Vergleichsbeispielen vergleicht. Es ist aus 3 offensichtlich, daß die Schmiedestähle in den Beispielen höhere DI-Werte und somit eine bessere Härtbarkeit als jene in den Vergleichsbeispielen aufweisen.
4 ist ein Graph, der zeigt, wie die Zugfestigkeit durch den Gehalt an V und die Menge von in fester Lösung gelöstem Stickstoff beeinflußt wird. Es wird festgehalten, daß jene Proben, die V und Stickstoff enthalten, wie in Ausdruck (1) oben definiert, eine hohe Festigkeit besitzen. Es ist aus 4 offensichtlich, daß, wenn die Gesamtmenge an V, Nb und Ta höher als 0,068 % ist, der Schmiedestahl eine ausreichende Festigkeit besitzt, selbst wenn die in fester Lösung gelöste Stickstoffmenge im wesentlichen null ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie oben festgehalten richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen neuen Ni-Cr-Mo-Schmiedestahl, welcher billig ist und trotzdem eine gute Leistung bietet. Der Schmiedestahl ist durch seinen gesteuerten, niedrigen Nickel gehalt (für eine Kostenreduktion) und seine hohe Festigkeit aufgrund einer Spurenmenge an V, Nb oder Ta, die dazu zugesetzt ist, gekennzeichnet. Der Schmiedestahl hat auch eine exzellente Härtbarkeit, welche ihn für eine Verwendung als das Werkstück für groß dimensionierte Schmiedestücke, insbesondere groß dimensionierte Kurbelwellen für Schiffe, geeignet macht.

Claims

Hochfester Stahl zum Schmieden, welcher umfaßt: C: 0,3 – 0,5 Massen-%, Si: 0,1 – 0,4 Massen-%, Mn: 0,7 – 1,5 Massen-%, Cr: 1,2 – 3,5 Massen-%, Mo: 0,1 – 0,6 Massen-%, Ni: nicht mehr als 0,7 Massen-%, wenigstens ein Element, gewählt aus der Gruppe bestehend aus V, Nb und Ta: 0,03 – 0,35 Massen-% gesamt, und N: 30 – 250 ppm, mit dem Rest Fe und unvermeidbaren Unreinheiten bzw. Verunreinigungen, wobei der schmiedbare Stahl eine Mikrostruktur ausbildet, bestehend hauptsächlich aus Bainit und Martensit und enthaltend N in fester Lösung und V, Nb und Ta derart, daß der folgenden Ausdruck (1) erfüllt ist. [Gesamt (Massen-%) von V, Nb und Ta] + 0,001 × [N(ppm) in fester Lösung] ≥ 0,068 (1)
Hochfester Stahl zum Schmieden nach Anspruch 1, worin die Menge von jeder Komponente wie folgt spezifiziert ist: C: 0,36 – 0,45 Massen-%, Si: 0,15 – 0,4 Massen-%, Mn: 0,8 – 1,2 Massen-%, Cr: 1,5 – 3,0 Massen-%, Mo: 0,15 – 0,35 Massen-%, und V: 0,035 – 0,17 Massen-%.
Hochfester Stahl zum Schmieden nach Anspruch 1, welcher weiter umfaßt: Al: 0,001 – 0,10 Massen-%.
Hochfester Stahl zum Schmieden nach Anspruch 1, welcher nicht mehr als 0,006 Massen-% Schwefel enthält.
Hochfester Stahl zum Schmieden nach Anspruch 1, welcher einen DI-Wert von nicht weniger als 30 mm aufweist, worin DI-Wert ein kritischer Durchmesser eines Stahlprodukts ist, dessen Zentral- bzw. Mittelteil 50 % Martensithärte nach bzw. bei Wasserabschrecken erreicht.
Hochfester Stahl zum Schmieden nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welcher für eine Herstellung von groß dimensionierten Kurbelwellen verwendet ist.
Hochfester Stahl zum Schmieden nach Anspruch 6, welcher für eine Herstellung von groß dimensionierten Kurbelwellen für Schiffe verwendet ist.
Kurbelwelle, die durch Schmieden aus dem hochfestem Schmiedestahl hergestellt ist, wie er in einem der Ansprüche 1 bis 5 definiert ist.
Kurbelwelle nach Anspruch 8, welche eine groß dimensionierte Kurbelwelle für Schiffe ist.