DE102006041146A1 - Steel and processing methods for the manufacture of high-strength fracture-breakable machine components - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stahl- und Verarbeitungsverfahren für höherfeste bruchtrennbare Maschinenbauteile, die aus mindestens zwei bruchtrennbaren Teilen bestehen, der/das dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen chemische Zusammensetzung folgende Gehalte in Gewichtsprozent aufweist: 0,40% <= C <= 0,60% 0,20% <= Si <= 1,00% 0,50% <= Mn <= 1,50% 0% <= Cr <= 1,00% 0% <= Ni <= 0,50% 0% <= Mo <= 0,20% 0% <= Nb <= 0,050% 0% <= V <= 0,30% 0% <= Al <= 0,05% 0,005% <= N <= 0,020%, wobei der Rest aus Eisen und den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen besteht.The invention relates to a steel and processing method for high-strength fracture-severable machine components, which consist of at least two fracture-separable parts, which / is characterized in that its chemical composition has the following contents in percent by weight: 0.40% <= C <= 0.60 % 0.20% <= Si <= 1.00% 0.50% <= Mn <= 1.50% 0% <= Cr <= 1.00% 0% <= Ni <= 0.50% 0 % <= Mo <= 0.20% 0% <= Nb <= 0.050% 0% <= V <= 0.30% 0% <= Al <= 0.05% 0.005% <= N <= 0.020% the remainder being iron and the contaminants and residues due to melting.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl und das Verarbeitungsverfahren für die Herstellung von höherfesten bruchtrennbaren Maschinenbauteilen. Dieser Werkstoff wurde zum Beispiel für die Herstellung von Crackpleueln entwickelt.The The present invention relates to a steel and the processing method for the Production of higher-strength fracture-breakable machine components. This material became for example for the Production of Crackpleueln developed.

Der Stahl muss zum Schmieden oder zum sonstigen Warmumformen geeignet sein. Aus der Schmiedehitze mit kontrollierter Abkühlung muss ein weitgehend perlitisches Gefüge einzustellen sein, das eine Streckgrenze von über 750 N/mm2, eine Zugfestigkeit von 1000 bis 1200 N/mm2, eine Bruchdehnung von über 10% und eine Brucheinschnürung von über 25% aufweist. Besonders wichtig ist die Eignung zum Bruchtrennen.The steel must be suitable for forging or other hot forming. Forged heat with controlled cooling requires the setting of a largely pearlitic structure with a yield strength of more than 750 N / mm 2 , a tensile strength of 1000 to 1200 N / mm 2 , an elongation at break of more than 10% and a fracture rate of more than 25% , Particularly important is the suitability for fracture separation.

Die gewünschten Eigenschaften können erreicht werden durch die gezielte Einstellung eines perlitischen Gefüges mit Ausscheidungen von Sondercarbiden (Niob- und Vanadiumcarbide) sowie von Mangansulfiden durch eine entsprechend einzustellende chemische Zusammensetzung, eine gezielte Temperaturführung während der Warmumformung bei der Herstellung des Vormaterials sowie bei der Fertigschmiedung der Bauteile (thermomechanische Behandlung) und eine abgestimmte Wärmebehandlung nach erfolgter Schmiedung bzw. Warmumformung.The desired Properties can be achieved by the targeted adjustment of a pearlitic structure with precipitates of special carbides (niobium and vanadium carbides) as well as of manganese sulfides by an appropriately adjusted chemical composition, a targeted temperature control during the Hot forming in the production of semi-finished material as well as in ready-made forging the components (thermo-mechanical treatment) and a coordinated heat treatment after forging or hot forming.

Bisher werden für diesen Verwendungszweck zum Beispiel entweder Stähle von beinahe eutektoider Zusammensetzung mit etwa 0,7% C, 0,5 bis 0,9% Mn, 0,06 bis 0,07% S und ggf. 0,1 bis 0,2% V (C70S6, 70MnVS4) oder mit mittlerem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4% C, etwa 1% Mn, 0,06 bis 0,07% S und etwa 0,3% V (36MnVS4) nach technischen Kundenvorschriften eingesetzt.So far be for this use, for example, either steels of almost eutectoid Composition with about 0.7% C, 0.5 to 0.9% Mn, 0.06 to 0.07% S and optionally 0.1 to 0.2% V (C70S6, 70MnVS4) or medium carbon content about 0.4% C, about 1% Mn, 0.06 to 0.07% S and about 0.3% V (36MnVS4) used according to technical customer specifications.

Diese Stähle weisen ein weitgehend perlitisches Gefüge mit Vanadiumcarbiden sowie Mangansulfiden auf und halten die Vorgaben bezüglich der mechanischen Eigenschaften ein. Nachteile der bekannten Werkstoffvarianten liegen darin, dass die bisherigen Werkstoffvarianten einen hohen Ressourcenverbrauch an teuren und knappen Legierungsmitteln aufweisen. Insbesondere Vanadium wird derzeit vermehrt im Bereich ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stähle (AFP-Stähle) eingesetzt, wodurch Vanadium zu einem zunehmend knappen Gut wird. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile durch den Vorschlag eines neuen Stahles, der die geforderten mechanischen Eigenschaften bezüglich der Festigkeit (und Dauerfestigkeit) aufweist und zusätzlich gute Zähigkeitseigenschaften im Zugversuch mit gleichzeitig guter Crackbarkeit vereint. Gleichzeitig soll der Stahl gut strangvergießbar und schmiedbar sein. Des Weiteren soll der neue Stahl ressourcenschonender herstellbar sein als die bekannten Stähle durch eine partielle Substitution des Vanadiumgehaltes durch Niob mit einer entsprechend angepassten Umform- und Abkühlstrategie.These steels have a largely pearlitic structure with vanadium carbides as well Manganese sulfides and comply with the specifications regarding the mechanical properties one. Disadvantages of the known material variants are that the previous material variants a high resource consumption have on expensive and scarce alloying agents. Especially Vanadium is currently becoming more prevalent in precipitation hardening ferritic-perlitic steels (AFP steels) used, making vanadium an increasingly scarce commodity. The object of the present invention is to avoid the said Disadvantages of proposing a new steel, the required mechanical properties the strength (and fatigue strength) and in addition good toughness properties combined in tensile test with good crackability at the same time. simultaneously the steel should be well castable and be forgeable. Furthermore, the new steel is to be produced in a more resource-efficient manner be as the known steels by a partial substitution of the vanadium content by niobium with a suitably adapted forming and cooling strategy.

Der hohe Wert für die Streckgrenze wird neben der chemischen Basiszusammensetzung durch eine Ausscheidung von möglichst fein verteilten Carbiden der Sondercarbidbildner Niob und Vanadium erzielt. Hierfür ist eine Auflösung der vorhandenen Carbide vor dem letzten Warmumformschritt erforderlich sowie eine kontrollierte Temperaturführung während der Warmumformung und der anschließenden Abkühlung. Fein verteilte Ausscheidungen können insbesondere bei einer niedrigen Endumformtemperatur mit anschließend leicht beschleunigter Abkühlung erzielt werden. Hierdurch wird besonders die Streckgrenze angehoben und somit das Streckgrenzenverhältnis entscheidend verbessert.Of the high value for the yield strength is in addition to the basic chemical composition by an excretion of possible obtained finely divided carbides of carbides special Niob and vanadium. Therefor is a resolution the existing carbides required before the last hot forming step and a controlled temperature control during hot forming and the subsequent Cooling. Finely distributed precipitates can especially at a low Endumformtemperatur with then easily accelerated cooling be achieved. As a result, especially the yield point is raised and thus the yield ratio decisively improved.

Die Zugfestigkeit kann von dem durch die Grundzusammensetzung mit 0,5% C, 0,6% Si, 1,0% Mn, 0,23% Cr, 0,2% Ni und 0,14% V gegebenen Basiswert durch eine leicht beschleunigte Abkühlung nach der Warmumformung ebenfalls im gewünschten Bereich eingestellt werden.The Tensile strength can be reduced from that by the basic composition by 0.5% C, 0.6% Si, 1.0% Mn, 0.23% Cr, 0.2% Ni and 0.14% V given Underlying by a slightly accelerated cooling after hot forming also in the desired Range can be adjusted.

Die Zähigkeitskennwerte werden insbesondere durch die gezielte Zulegierung von 0,06 bis 0,07% Schwefel begrenzt. Ebenfalls positiv in diesem Sinne wirken der Kohlenstoffgehalt und der relativ hohe Stickstoffgehalt.The Toughness characteristics in particular by the targeted adoption of 0.06 to 0.07% Limited sulfur. Also positive in this sense, the Carbon content and the relatively high nitrogen content.

Entscheidend für eine gute Crackbarkeit des Werkstoffes ist ein kristalliner Bruch ohne makroskopische Verformung. Dies wird durch das Legierungskonzept mit hohem Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelgehalt und vergleichsweise geringen Gehalten an Chrom, Nickel und Molybdän vorgegeben.critical for one good crackability of the material is a crystalline fracture without macroscopic deformation. This is due to the alloy concept with high carbon, nitrogen and sulfur content and comparatively low levels of chromium, nickel and molybdenum given.

Lösungsgemäß betrifft die Erfindung einen Stahl zur Herstellung von bruchtrennbaren Bauteilen für die Fahrzeugindustrie mit folgender chemischen Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
0,4% ≤ C ≤ 0,6%; 0,2% ≤ Si ≤ 1,0%; 0,5% ≤ Mn ≤ 1,5%; 0% ≤ Cr ≤ 1,0%;
0% ≤ Ni ≤ 0,5%; 0% ≤ Mo ≤ 0,2%; 0% ≤ Nb ≤ 0,05%; 0% ≤ V ≤ 0,3%;
0% ≤ Al ≤ 0,05%; 0,005% ≤ N ≤ 0,020%
wobei der Rest aus Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.According to the invention, the invention relates to a steel for producing fracture-separable components for the vehicle industry with the following chemical composition in percent by weight:
0.4% ≤ C ≤ 0.6%; 0.2% ≦ Si ≦ 1.0%; 0.5% ≤ Mn ≤ 1.5%; 0% ≤ Cr ≤ 1.0%;
0% ≤ Ni ≤ 0.5%; 0% ≤ Mo ≤ 0.2%; 0% ≤ Nb ≤ 0.05%; 0% ≤ V ≤ 0.3%;
0% ≦ Al ≦ 0.05%; 0.005% ≤ N ≤ 0.020%
the remainder being iron and melt contaminants.

Nachteil alte Variante?Disadvantage old variant?

  • • Zum Teil hoher Legierungskostenzuschlag (LZ) durch 0,29%V (bei 36MnVS4)• To the Part high alloy surcharge (LZ) by 0.29% V (at 36MnVS4)
  • • Kaum Alternativen zu patentierter Stahlgüte• Barely Alternatives to patented steel grades

Vorteil neue Variante?Advantage new variant?

  • • Geringere Legierungskosten (nur 0,14% V)• Lower Alloy costs (only 0.14% V)
  • • Unabhängigkeit des Kunden von einer einzigen patentierten Stahlgüte• Independence of the customer from a single patented steel grade

Claims (15)

Stahl und Verarbeitungsverfahren für höherfeste bruchtrennbare Maschinenbauteile, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie aus mindestens zwei bruchtrennbaren Teilen bestehen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen chemische Zusammensetzung folgende Gehalte in Gewichtsprozent aufweist: 0,40%≤ C ≤ 0,60% 0,20% ≤ Si≤ 1,00% 0,50%≤ Mn≤ 1,50% 0%≤ Cr≤ 1,00% 0% ≤ Ni ≤ 0,50% 0%≤ Mo≤ 0,20% 0%≤ Nb ≤ 0,050% 0% ≤ V≤ 0,30% 0%≤ Al≤ 0,05% 0,005% ≤ N≤ 0,020% wobei der Rest aus Eisen und den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen und Reststoffen besteht.Steel and processing methods for high-strength fracture-breakable machine components, characterized in that they consist of at least two fracture-separable parts, characterized in that their chemical composition has the following contents in percent by weight: 0.40% ≤ C ≤ 0.60% 0, 20% ≦ Si ≦ 1.00% 0.50% ≦ Mn ≦ 1.50% 0% ≦ Cr ≦ 1.00% 0% ≦ Ni ≦ 0.50% 0% ≦ Mo ≦ 0.20% 0% ≦ Nb ≤ 0.050% 0% ≤ V ≤ 0.30% 0% ≤ Al ≤ 0.05% 0.005% ≤ N ≤ 0.020% the remainder being iron and the impurities and residues due to melting. Stahl nach Anspruch 1, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,10% ≤ V ≤ 0,20%Steel according to claim 1, characterized is that its chemical composition is such that 0.10% ≤ V ≤ 0.20% Stahl nach Anspruch 1 oder 2, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,020% ≤ Nb ≤ 0,030%Steel according to claim 1 or 2, characterized is that its chemical composition is such that 0.020% ≤ Nb ≤ 0.030% Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,010% ≤ N ≤ 0,020%Steel according to one of claims 1 to 3, characterized is that its chemical composition is such that 0.010% ≤ N ≤ 0.020% Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,45% ≤ C ≤ 0,55% 0,50% ≤ Si ≤ 0,70% 0,90% ≤ Mn ≤ 1,10% 0,10% ≤ Cr ≤ 0,40% 0,10% ≤ Ni ≤ 0,30% 0,10% ≤ V ≤ 0,20% 0,010% ≤ Al ≤ 0,020% 0,020% ≤ Nb ≤ 0,030% 0,010% ≤ N ≤ 0,020%Steel according to one of claims 1 to 4, characterized is that its chemical composition is such that 0.45% ≤ C ≤ 0.55% 0.50% ≤ Si ≤ 0.70% 0.90% ≤ Mn ≤ 1.10% 0.10% ≤ Cr ≤ 0.40% 0.10% ≤ Ni ≤ 0.30% 0.10% ≤ V ≤ 0.20% 0.010% ≤ Al ≤ 0.020% 0.020% ≤ Nb ≤ 0.030% 0.010% ≤ N ≤ 0.020% Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,45% ≤ C ≤ 0,55% 0,50% ≤ Si ≤ 0,70% 0,90% ≤ Mn ≤ 1,10% 0,10% ≤ Cr ≤ 0,40% 0,10% ≤ Ni ≤ 0,30% 0,10% ≤ V ≤ 0,20% 0,010% ≤ Al ≤ 0,020% 0,020% ≤ Nb ≤ 0,030% 0,010% ≤ N ≤ 0,020% 0,020% ≤ Ti ≤ 0,030%Steel according to one of claims 1 to 4, characterized is that its chemical composition is such that 0.45% ≤ C ≤ 0.55% 0.50% ≤ Si ≤ 0.70% 0.90% ≤ Mn ≤ 1.10% 0.10% ≤ Cr ≤ 0.40% 0.10% ≤ Ni ≤ 0.30% 0.10% ≤ V ≤ 0.20% 0.010% ≤ Al ≤ 0.020% 0.020% ≤ Nb ≤ 0.030% 0.010% ≤ N ≤ 0.020% 0.020% ≤ Ti ≤ 0.030% Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,45% ≤ C ≤ 0,55% 0,50% ≤ Si ≤ 0,70% 0,90% ≤ Mn ≤ 1,10% 0,30% ≤ Cr ≤ 0,40% 0% ≤ Ni ≤ 0,20% 0,10% ≤ V ≤ 0,20% 0,010% ≤ Al ≤ 0,020% 0,020% ≤ Nb ≤ 0,030% 0,015% ≤ N ≤ 0,020%Steel according to one of claims 1 to 4, characterized is that its chemical composition is such that 0.45% ≤ C ≤ 0.55% 0.50% ≤ Si ≤ 0.70% 0.90% ≤ Mn ≤ 1.10% 0.30% ≤ Cr ≤ 0.40% 0% ≤ Ni ≤ 0.20% 0.10% ≤ V ≤ 0.20% 0.010% ≤ Al ≤ 0.020% 0.020% ≤ Nb ≤ 0.030% 0.015% ≤ N ≤ 0.020% Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von bruchtrennbaren Bauteilen für den Fahrzeugbau, die nach dem Schmieden und einer kontrollierten Abkühlung eine weitgehend perlitische Struktur mit Ausscheidungen von Sondercarbiden aufweisen.Use of a steel according to one of claims 1 to 7 for the production of fracture-separable components for vehicle construction, the after forging and a controlled cooling a largely have pearlitic structure with precipitates of special carbides. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckgrenze nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 750 N/mm2 beträgt.Component according to claim 8, characterized in that the yield strength after a controlled cooling from the forming heat over 750 N / mm 2 . Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 950 N/mm2 und unter 1200 N/mm2 beträgt.Component according to claim 9, characterized in that the tensile strength is after a controlled cooling of the Umformwärme over 950 N / mm 2 and under 1200 N / mm 2 . Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 10% beträgt.Component according to Claim 10, characterized that the elongation after a controlled cooling off the forming heat is over 10%. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brucheinschnürung nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 25% beträgt.Component according to claim 11, characterized that the fracture constriction after a controlled cooling from the forming heat over 25% is. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es bruchtrennbar ist.Component according to claim 12, characterized in that that it is breakable. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es zum induktiven Härten geeignet ist.Component according to claim 13, characterized that it is for inductive hardening suitable is. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenschaften sowohl im Schmiedevormaterial als auch im Bauteil durch eine thermomechanische Behandlung eingestellt werden können.Component according to claim 14, characterized in that the mechanical properties in both the forging material and in the component by a thermomechanical treatment can be made.
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