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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schmiedestücken aus
Stahldrahtstangen, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Schmiedestücken aus
Stahldrahtstangen, in welchen die Schmiedestücke eine Zugfestigkeit von
bis zu 160 kp/mm2 (1600 N/mm2,
1600 MPa) und eine Dehnung von bis zu 16–21% haben.
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CNS3934
des chinesischen Nationalstandards (CNS) spezifiziert die Standardeigenschaften, die
Schmiedestücke
haben sollten. Der höchste
Grad an Zugfestigkeit für
starke Schrauben ist 140 kp/mm2 (1400 N/mm2). Jedoch, aufgrund der angetroffenen Beschränkungen
bei Verwendung alter Materialien und alter Herstellungsverfahren,
ist es schwierig, solche Schrauben herzustellen. Daher stellen viele
Hersteller nicht Schrauben des höchsten
Grads an Zugfestigkeit her.
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Im
Angesicht des vorher erwähnten
Standards für
starke Schrauben wurde ein Verfahren zur Herstellung von Schrauben,
die die höchste
Zugfestigkeit haben, entwickelt durch den Anmelder und ist offenbart
in dem
taiwanesischen Patent Nr.
I254656 mit dem Titel „Method of Producing Forgings
that have a Tensile Strength of up to 140 kgf/mm
2". Die in dem Verfahren
zur Herstellung von Schmiedestücken
inbegriffenen Schritte, wie offenbart im
taiwanesischen Patent Nr. I254656 ,
sind wie folgt zusammengefasst:
- (a) Unterwerfen
einer Legierungsstahldrahtstange einem Weichglühprozess;
- (b) Nehmen und Beschichten der Drahtstange;
- (c) Unterwerfen der Drahtstange einem Zwischenziehen;
- (d) Unterwerfen der Drahtstange einem erweichenden Glühprozess;
- (e) Nehmen und Beschichten der Drahtstange ein zweites Mal;
- (f) Unterwerfen der Drahtstange einem Nachwalzziehen;
- (g) Stempelschmieden und Walzschneiden der Drahtstange, um Schmiedestücke zu bilden,
wie Schrauben;
- (h) Waschen der Schmiedestücke;
- (i) Heizen der Schmiedestücke
zu einem Temperaturbereich von 830~900°C für 50~90 Minuten; und
- (j) Bainitisieren der Schmiedestücke bei einem Temperaturbereich
von 300~400°C
für 30~60
Minuten.
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Nach
Durchlaufen des Heizprozesses in Schritt (i) ändert sich die Struktur der
Schmiedestücke
von einer Perlitstruktur zu einer Austenitstruktur, und nach Durchlaufen
des Bainitisierungsprozesses ändert
sich die Struktur der Schmiedestücke
von der Austenitstruktur zu einer nadelförmigen Struktur aus unterem
Bainit, welcher günstige
mechanische Eigenschaften hat, d. h. gute Festigkeit und Zähigkeit.
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Die
durch das vorher erwähnte
Herstellungsverfahren hergestellten Schmiedestücke haben eine Zugfestigkeit
bis zu 140 kp/mm2 (1400 N/mm2)
und eine prozentuale Bruchdehnung von bis 9%~14%, was die CNS3934-Standardspezifikation
für starke Schrauben
erfüllt.
Jedoch, da die Schmiedestücke verschiedene
Größen haben,
z. B. einige haben einen Durchmesser von über 24 mm, produzieren die großformatigen
Schmiedestücke
leicht während
des Heizprozesses einen „Masseneffekt", z. B. ein Phänomen, in
welchem die Härteeffekte
von inneren und äußeren Teilen
des Stahls sich während
des Abschrecken unterscheiden. Somit, je größer die Größen, desto schwieriger ist
es für
die Hitze, sich gleichmäßig von
den inneren zu den äußeren Teilen
des Stahls auszubreiten. Wie während
des Bainitisierungsprozesses, obwohl die größeren Schmiedestücke äußere Abschnitte
haben, die einfach in die untere Bainitstruktur verwandelt werden,
haben die mittigen Abschnitte davon noch die Strukturen des Ferrits plus
dem mittleren Perlit. Daher ist es schwierig für die Schmiedestücke mit
großen
Größen, die
Zugfestig keit von 140 kp/mm2 (1400 N/mm2) zu erreichen, so dass die resultierenden
Produkte ungenügende Härte und
mechanische Eigenschaften haben.
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Aus
der
DE-AS 15 08 416 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Stahlteilen, wie Bolzen, Schrauben
und Zapfen, mit einer Bruchfestigkeit von 70 bis 120 kp/mm
2 aus einem unlegierten oder niedriglegierten
Stahl mit 0,2 bis 0,6% Kohlenstoff bekannt, bei dem ferner vorgesehen
ist, dass Rollendraht in einem kontinuierlichen Verfahren rasch
auf 850 bis 950°C
erhitzt wird, 1 bis 3 Minuten auf dieser Temperatur gehalten wird,
anschließend
durch Abschrecken auf eine Temperatur von unterhalb etwa 200°C gleichförmig durchgehärtet, zum
Anlassen erneut rasch auf 300 bis 700°C erhitzt und 2 bis 10 Minuten auf
dieser Temperatur gehalten wird, abgekühlt, zu Einzelstücken zertrennt
und daraus durch Kaltschmieden das Endprodukt geformt wird.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Herstellen von Schmiedestücken
anzubieten, die eine Zugfestigkeit von bis zu 160 kp/mm2 (1600
N/mm2) und eine Bruchdehnung von bis zu
16~21% haben und die ebenso einen hohen Grad an Zähigkeit
und Härte
haben.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung
von Schmiedestücken
mit einer hohen Zugfestigkeit und einer guten Bruchdehnung die Schritte:
(a) Bilden von Schmiedestücken
aus einer Stahldrahtstange; (b) Heizen der Schmiedestücke zu einem
Temperaturbereich von 830~900°C;
(c) Unterwerfen der Schmiedestücke
einem ersten Tempern bei einem Temperaturbereich von 100~300°C nach dem
Heizen bei 830~900°C;
und (d) Unterwerfen der Schmiedestücke einem zweiten Tempern bei
einem Temperaturbereich von 300~400°C nach dem ersten Tempern.
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Andere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich
werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
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1 ein
Fließbild
ist, das die Schritte beteiligt an einem Verfahren zu Herstellung
von Schmiedestücken
entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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2 ein
Diagramm ist, das Temperaturveränderungen
im Laufe der Zeit während
des Herstellungsprozesses der bevorzugten Ausführungsform zeigt.
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1 zeigt
die beteiligten Schritte in einem Verfahren zur Herstellung von
Schmiedestücken 4, die
eine Zugfestigkeit von bis zu 160 kp/mm2 (1600 N/mm2) und eine Bruchdehnung von bis zu 16~21% haben
entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Diese Schritte werden unten detaillierter beschrieben.
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In
Schritt (a) wird eine Legierungsstahldrahtstange 3 einem ersten
Weichglühprozess
unterworfen, bei einem Temperaturbereich von 680~700°C, welches
niedriger ist als die Phasentransformationstemperatur der Legierungsstahldrahtstange 3.
Die Drahtstange 3 ist aus gehärtetem Drahtmaterial gemacht,
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl, wie SNCM439, und Chrom-Molybdän-Stahl,
wie SCM445H (SAE4145H), SCM445, SCM440 oder SCM440H. In dieser Ausführungsform
ist die Drahtstange 3 aus SNCM439 (JIS G4103; Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl
entsprechend zu AISI 4340, SAE 4340) gemacht mit einer chemischen
Zusammensetzung von 0,36~0,43% C; 0,15~0,35% Si; 0,60~0,90% Mn;
1,60~2,00% Ni; 0,60~1,00% Cr; und 0,15~0,30% Mo. Dieses Material
entspricht den Materialtestregeln des CNS3935-Standards und kann deshalb die nötige Härte erreichen.
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In
Schritt (b) durchläuft
die Drahtstange 3 den Nehmen- und Beschichtenprozess in
einer herkömmlichen
Weise.
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In
Schritt (c) wird die Drahtstange 3 einem Zwischenziehen
unterworfen bei einem Ziehverhältnis
in dem Bereich von 20~30%.
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In
Schritt (d) wird die Drahtstange 3 einem zweiten Weichglühprozess
unterworfen bei einem Temperaturbereich zwischen 600~650°C.
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In
Schritt (e) durchläuft
die Drahtstange 3 den Nehmen- und Beschichtenprozess ein
zweites Mal nach Schritt (d).
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In
Schritt (f) wird die Drahtstange 3 Nachwalzziehen unterworfen
bei einem Ziehverhältnis
von weniger als 5%.
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In
der vorliegenden Erfindung durchläuft die Drahtstange 3 den
Weichglühprozess
zweimal und den Ziehprozess ebenso zweimal, so dass die Karbidsubstanz
des Stahls rund und klein wird, um seine Weichheit und Bruchdehnung
zu erhöhen,
dabei einen nachfolgenden Stempelschmiedenprozess erleichternd.
Aufgrund der unterschiedlichen Bedingungen des Materials der Drahtstange 3 in
Bezug auf Zusammensetzung, Dicke usw. während der Weichglüh- und Ziehprozesse
können
die Prozessschritte oder die Temperatur wie gewünscht erhöht oder verringert werden.
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Der
Zweck des vorher erwähnten
Weichglühprozesses
ist es, die geschichtete oder netzförmige Struktur der Karbidsubstanz
in dem Stahl weichzuglühen,
um die mechanischen Eigenschaften des Stahls zu verbessern. Der
Zweck des Ziehprozesses ist es auf der anderen Seite, den Durchmesser
der Drahtstange 3 zu reduzieren. Während des Ziehprozesses werden
die geschichtete Perlistruktur und die Ferritstruktur parallel zu
dem Zementit versetzt und deformiert, und Mikrorisse erscheinen
entlang Rissflächen
des Zementitkörpers,
was dabei zum Weichglühen
führt.
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In
Schritt (g) wird die Drahtstange 3, nach Unterwerfen einem
Nachwalzziehen, in eine Schmiedemaschine geschickt und wird stempelgeschmiedet,
um Schmiedestücke
zu bilden, die vorgewählte äußere Konturen
haben. Die Schmiedestücke werden
dann in eine Gewindewalzenmaschine geschickt, um die Oberfläche davon
zu schneiden, um schraubenförmige
Schmiedestücke 4 zu
bilden (nur eine ist in 1 gezeigt, hierin einfach als „Schmiedestücke" bezeichnet) sowie
Schrauben.
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In
Schritt (h) werden die Schmiedestücke 4 gewaschen durch
anfängliches
Verwenden von heißem
Wasser, um ölige
Flecken zu entfernen, dann durch Verwenden von kaltem Wasser, um
ein letztes Spülen
der Schmiedestücke 4 durchzuführen.
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Vor
dem Vorgehen in Schritt (i) werden die Schmiedestücke 4 vorgeheizt
in einem Ofen bei einem Temperaturbereich von 550~650°C für 30~90 Minuten.
In dieser Ausführungsform
wird der Vorheizprozess durchgeführt
in einem Ofen, der graduell bis um 600°C für 60 Minuten geheizt wird.
Der Vorheizprozess kann oder kann nicht durchgeführt werden, abhängig von
der verwendeten Ausrüstung.
Zum Beispiel wenn ein Ofen mit gewöhnlich fester Temperatur als
Heizausrüstung
verwendet wird, sollte der Vorheizprozess ausgeführt werden. Auf der anderen Seite,
wenn ein kontinuierlicher Typ, eine temperatureinstellbare Heizausrüstung verwendet
wird, kann der Vorheizprozess dadurch ersetzt werden.
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In
Schritt (i) werden die Schmiedestücke 4 in einem Ofen
bei einem Temperaturbereich von 830~900°C für 30~120 Minuten geheizt. Die
Temperatur in dem Ofen kann schrittweise erhöht, erniedrigt oder konstant
gehalten werden. Zum Beispiel kann der Ofen schrittweise zu sechs
verschiedenen Temperaturleveln geheizt werden, wie 860°C, 880°C, 880°C, 880°C, 880°C und 870°C. Die Hitze
bleibt für 35
Minuten, um die Schmiedestücke 4 zu
einer austenitstabilisierten Temperatur zu erwärmen, bis die Schmiedestücke 4 vollständig in
die Austenitstruktur umgewandelt sind. Dies wird bezeichnet als
eine Austenitisierungsbehandlung.
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In
Schritt (j) werden die erwärmten
Schmiedestücke 4 einem
ersten Temperprozess unterworfen, um die Temperatur der Schmiedestücke 4 zu
einem Temperaturbereich von 100~300°C für 60~130 Minuten zu reduzieren.
In diesem Schritt werden die erwärmten
Schmiedestücke 4 in
einem Salzbad mit einer Temperatur in dem Bereich von 100~300°C abgeschreckt.
Die Temperatur des Salzbades wird im Wesentlichen konstant gehalten
für 120
Minuten. So wird die Struktur der Schmiedestücke 4 von der Austenitstruktur
in eine tetragonale raumzentrierte (BCT) Struktur aus Martensit
plus der Struktur von unterem Bainit umgewandelt. Vor einer Vervollständigung
der Umwandlung in Martensit wird der nächste Schritt (Schritt k) durchgeführt. Ein
isothermisches Temperatursalz (Marquench, MQ), welches zu dem neutralen
Salzbad gehört,
wird in dieser Ausführungsform verwendet.
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In
Schritt (k) werden die Schmiedestücke 4 einem zweiten
Temperprozess unterworfen bei einem Temperaturbereich von 300~400°C für 30~150 Minuten.
Die Schmiedestücke 4 werden
abgeschreckt in einem Salzbad, welches eine Temperatur in dem Bereich
von 300 bis 400°C
hat und welches im Wesentlichen konstant gehalten wird für 150 Minuten,
um die Struktur der Schmiedestücke 4 umzuwandeln.
Danach werden die Schmiedestücke 4 auf Raumtemperatur
gekühlt.
Während
des Salzbadprozesses wird die Struktur der Schmiedestücke 4 in eine
nadelförmige
Struktur aus unterem Bainit umgewandelt, welches eine nicht-geschichtete Struktur aus
Ferrit und feinem Zementit ist, und Abschnitte nahe dem mittigen
Abschnitt der Schmiedestücke 4 und
der anfangs umgewandelte Martensit werden dem Tempereffekt unterworfen.
Die Beziehung zwischen Zeit und Temperatur eingeschlossen in den Prozessschritten
der Schmiedestücke 4 ist
in der 2 gezeigt.
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Die
Abschreckspannung wird dann eliminiert, und der getemperte Martensit,
welcher eine Mischung aus Ferrit und feinem Zementit ist, wird erhalten.
Damit, nach dem zweiten Temperprozess, wird die Struktur der Schmiedestücke 4 eine
gemischte Struktur aus unterem Bainit und getempertem Martensit.
Die gemischte Struktur hat die mechanischen Eigenschaften hoher
Festigkeit und guter Zähigkeit.
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Tests
wurden ausgeführt
unter Verwendung von SNCM439 Ni-Cr-Mo-Stahlgehärtetem Drahtmaterial, um die
Schmiedestücke 4 herzustellen,
die M36-Spezifikation
haben. Einige Proben der Schmiedestücke 4 wurden den vorher
erwähnten
Heizprozessschritten unterworfen. Durch aktuelle Tests und Messungen
wurde die Härte
der Schmiedestücke 4 bei
50~51 HCR gefunden, die Bruchdehnung 16~18% und die Zugfestigkeit
160~170 kp/mm2 (1600~1700 N/mm2).
Daher ist es bestätigt,
dass die Schmiedestücke 4 gute
mechanische Eigenschaften haben.
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Aus
der vorher erwähnten
Beschreibung können
die Vorteile der vorliegenden Erfindung wie folgt zusammengefasst
werden:
Durch den ersten Temperprozess wird die Struktur der
Schmiedestücke 4 direkt
umgewandelt in unteren Bainit und die Martensitstrukturen. Nach
dem zweiten Temperprozess wird die Struktur der Schmiedestücke 4 in
eine gemischte Struktur aus unterem Bainit und getempertem Martensit
umgewandelt. Die mechanischen Eigenschaften, wie Zähigkeit,
Bruchdehnung, Zugfestigkeit usw., des unteren Bainits sind außergewöhnlich gut.
Die Struktur des getemperten Martensits kann auf der anderen Seite
Festigkeit und Härte
verbessern, so dass die Schmiedestücke 4 exzellente Zähigkeit
und Härte
haben. Daher können Schmiedestücke mit
großen
Dimensionen passend produziert werden mit guten mechanischen Eigenschaften.