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Die
Erfindung betrifft einen Einsatzstahl, wie er insbesondere für
die Herstellung von Zahnrädern oder desgleichen eingesetzt
wird.
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Da
Einsatzstähle zu wenig Kohlenstoff aufweisen, um durch
Martensitbildung nennenswerte Steigerungen der Festigkeit zu erzielen,
werden die aus ihnen gefertigten Bauteile zur Erhöhung
ihrer Härte in einer oberflächennahen Randschicht üblicherweise
einer Aufkohlungsbehandlung unterzogen. Dabei werden die betreffenden
Bauteile in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre ”eingesetzt”,
unter der sie dann bei Temperaturen geglüht werden, die üblicherweise
im Bereich von 880°C und 1050°C liegen.
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Bei
diesen Temperaturen diffundiert Kohlenstoff der Glühatmosphäre
von außen in die Randschicht des Stahls ein. Entsprechend
ihres erhöhten Kohlenstoffanteils weist das aus dem Einsatzstahl
gefertigte Bauteil daraufhin in dieser Randschicht eine hohe Härte
auf, während sein Kernbereich weich bleibt. Im Ergebnis lassen
sich so Bauteile erzeugen, die im Inneren eine hohe Zähigkeit
und auf der Oberfläche eine große Härte und
somit eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß aufweisen.
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Ihr
nach der Aufkohlungsbehandlung erhaltenes Eigenschaftsprofil macht
Einsatzstähle besonders geeignet für die Herstellung
von Zahnrädern und anderen Bauteilen, die in der Praxis
in einem oberflächennahen Bereich eine hohe Verschleißbeständigkeit
besitzen, gleichzeitig aber auch ausreichend zäh sein müssen,
um die im praktischen Einsatz auftretenden Belastungen mit der notwendigen
Bruchbeständigkeit aufnehmen zu können.
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Der
Ablauf des Aufkohlungsprozesses ist stark abhängig von
der Glühtemperatur, bei der er durchgeführt wird.
Grundsätzlich gilt, dass eine kurze Glühdauer
mit einer hohen Glühtemperatur einhergeht. So haben praktische
Untersuchungen ergeben, dass durch eine Erhöhung der Aufkohlungstemperatur
von 950°C auf 1050°C die für eine Einsatzhärtetiefe
von 1 mm benötigte Aufkohlungszeit um 50 reduziert werden
kann.
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Diesem
im Hinblick auf eine Zeit- und Energieeinsparung deutlichen Vorteil
steht in der Praxis allerdings der Nachteil gegenüber,
dass konventionelle Stähle der hier in Rede stehenden Art,
z. B. der Stahlwerkstoff 20CrMo2 (Werkstoffnummer 1.7264), bei derart
hohen Wärmebehandlungstemperaturen keine ausreichende Feinkornbeständigkeit
mehr aufweisen. Dies hat zur Folge, dass bei solchen Stählen
bei einer unter hohen Temperaturen durchgeführten Aufkohlungsbehandlung
ein Verlust an Zähigkeit und Festigkeit eintritt. Daher
werden bei einer Aufkohlungsbehandlung solcher Stähle in
der Praxis die Aufkohlungstemperaturen üblicherweise auf
1.000°C beschränkt (K. Klenke, R. Kohlmann "Einsatzstähle
in ihrer Feinkornbeständigkeit heute und morgen",
HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung 60 (2005) 5, Carl Hanser
Verlag, München, Seiten 260–270).
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Bei
einem Einsatzstahl 21NiCrMoCr6-5 (Werkstoffnummer 1.6757) konnte
demgegenüber eine Steigerung der Aufkohltemperatur auf
1050°C durch Zulegierung von Niob ermöglicht werden
(K. Klenke, R. Kohlmann P. Reinhold, W. Schweinebraten "Kornwachstumsverhalten
des Einsatzstahls 20NiMoCr6-5 + Nb (VW 4521 + Nb) für Getriebeteile
beim Hochtemperaturaufkohlen", HTM J. Heat Treatm. Mat.
63 (2008)). Nachteilig an diesem Stahlkonzept ist allerdings,
dass es eine relativ geringe Härtbarkeit aufweist.
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Vor
diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung darin, einen
Einsatzstahl zu schaffen, der nicht nur auch bei hohen Aufkohlungstemperaturen
eine ausreichende Feinkornbeständigkeit aufweist, sondern
bei dem auch eine hohe Härtbarkeit gegeben ist.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Stahl
mit den in Anspruch 1 angegebenen Legierungsbestandteilen gelöst
worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den auf
Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Ein
erfindungsgemäßer Einsatzstahl enthält
neben den in Anspruch 1 angegebenen anderen Bestandteilen, Eisen
und unvermeidbaren Verunreinigungen als wesentliche Elemente (in
Gew.-%) 0,18–0,24% C, bis zu 0,3% Si, 0,9–1,5%
Mn, bis zu 0,035% P, bis zu 0,030% S, 0,9–1,4% Cr, 0,12–0,3%
Mo, 0,02–0,05% Al, 0,008–0,02% N, und mindestens
ein Element aus der Gruppe ”Nb, Ti” mit folgender
Maßgabe:
Nb: 0,01–0,1%, Ti: 0,008–0,1%.
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Die
Erfindung basiert dabei darauf, dass bei einem erfindungsgemäßen
Stahl bei einem gegebenen C-Gehalt die Al-, N-, Nb- und Ti-Gehalte
erfindungsgemäß so aufeinander abgestimmt sind,
dass einerseits durch die von Al, N, Nb und Ti gebildeten Ausscheidungen
auch bei hohen Aufkohlungstemperaturen eine hohe Feinkornbeständigkeit
gewährleistet ist. Andererseits erreicht der erfindungsgemäße
Stahl durch seine jeweiligen Gehalte an Si, Mn, Cr und Mo eine Härtbarkeit,
die auch hohen Anforderungen genügt.
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Die
von Aluminium mit dem im erfindungsgemäßen Stahl
vorhandenen Stickstoff gebildeten AlN-Ausscheidungen behindern während
des Aufkohlungsprozesses ein Kornwachstum und sichern so die Feinkornbeständigkeit.
Bei zu geringen Gehalten an Al und N tritt dieser Effekt nicht ein.
Zu hohe Gehalte an Al und N würden jedoch beispielsweise
die Vergießbarkeit des erfindungsgemäßen
Stahls verschlechtern. Daher ist der Al-Gehalt eines erfindungsgemäßen
Stahls auf 0,02–0,05 Gew.-%, insbesondere 0,02–0,04
Gew.-%, festgelegt. Dagegen beträgt der N-Gehalt eines
erfindungsgemäßen Stahls aus den genannten Gründen
0,008–0,02 Gew.-%, insbesondere 0,011–0,02 Gew.-%,
wobei mögliche negative Einflüsse von N besonders
sicher dadurch vermieden werden können, dass der N-Gehalt
auf 0,017 Gew.-% beschränkt wird.
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Eine
besonders positive Wirkung von Al und N hinsichtlich der Feinkornbeständigkeit
eines erfindungsgemäßen Stahls ergibt sich dann,
wenn sein Al-Gehalt dem Zwei- bis Vierfachen seines N-Gehalts entspricht,
wobei die Zugabe von Al und N im Verhältnis von 2,5:1 bis
3,5:1, insbesondere 3:1, in der Praxis besonders gute Ergebnis erbracht
hat.
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Die
Anwesenheit von Niob bewirkt in Kombination mit dem im erfindungsgemäßen
Stahl vorhandenen Kohlenstoff und Stickstoff ebenfalls die Bildung
von Ausscheidungen, die die Korngrenzen stabilisieren und so die
Feinkornbeständigkeit fördern. Damit sich eine
ausreichende Menge an solchen Ausscheidungen einstellt, enthält
erfindungsgemäßer Stahl mindestens 0,01 Gew.-%
Nb, wobei die erfindungsgemäß genutzte Wirkung von
Nb dann besonders sicher genutzt werden kann, wenn der Nb-Gehalt
mindestens 0,025 Gew.-% beträgt. Um negative Auswirkungen,
die hohe Nb-Gehalte beispielsweise auf die Vergießbarkeit
haben könnten, zu vermeiden, ist bei erfindungsgemäßem
Stahl die Obergrenze des Nb-Gehalts auf 0,1 Gew.-% gesetzt, wobei sich
solche negativen Effekte dann besonders sicher ausschließen
lassen, wenn der Nb-Gehalt höchstens 0,040 Gew.-% beträgt.
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Titan
hat eine hohe Affinität zum im erfindungsgemäßen
Stahl vorhandenen Stickstoff und Kohlenstoff. Als starker Karbidbildner
bildet auch Ti Ausscheidungen, die in erfindungsgemäßem
Stahl die Korngrenzen stabilisieren und so ebenfalls die Feinkornbeständigkeit
erhöhen. Der positive Effekt von Titan auf die Feinkornbeständigkeit
eines erfindungsgemäßen Stahls tritt bei Gehalten
von 0,008–0,1 Gew.-% ein, wobei sich dieser Effekt unter
Vermeidung möglicher negativer Einflüsse dann
besonders sicher nutzen lässt, wenn der maximale Ti-Gehalt
auf 0,02 Gew.-% beschränkt ist.
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Die
feinkornstabilisierende Wirkung von Nb und Ti tritt bereits ein,
wenn in erfindungsgemäßem Stahl ergänzend
zu Al und N jeweils nur eines dieser Elemente in den erfindungsgemäß vorgegebenen
Gehalten vorhanden ist. Eine besonders hohe Feinkornbeständigkeit
wird dabei allerdings dann erreicht, wenn Nb und Ti gleichzeitig
vorhanden sind.
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Kohlenstoff-Gehalte
von 0,18 bis 0,24 Gew.-% tragen bei einem erfindungsgemäßen
Stahl zur Steigerung seiner grundsätzlich vorhandenen Härte
und Festigkeit sowie seiner Härtbarkeit bei. Bei Kohlenstoffgehalten
unter 0,18 Gew.-% tritt dieser Effekt nicht im erforderlichen Maße
ein. Bei über 0,24 Gew.-% liegenden C-Gehalten vermindert
sich die Zähigkeit des Stahls in zu großem Maße.
Besonders sicher lässt sich die positive Wirkung des Kohlenstoffs
auf die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls
nutzen, wenn sein C-Gehalt mindestens 0,19 Gew.-% beträgt.
Andererseits werden die negativen Einflüsse zu hoher C-Gehalte dann
besonders sicher vermieden, wenn der C-Gehalt erfindungsgemäßen
Stahls höchstens 0,23 Gew.-% beträgt.
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Über
die Gehalte an Si, Mn, Mo und Cr wird die Härtbarkeit eines
erfindungsgemäßen Stahls beeinflusst.
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Die
Zugabe von bis zu 0,3% Silizium trägt neben einer Verbesserung
der Härtbarkeit auch zu einer verbesserten Zerspanbarkeit
des erfindungsgemäßen Stahls bei. Die positiven
Einflüsse von Si auf die Eigenschaften erfindungsgemäßen
Stahls lassen sich dabei mit hoher Sicherheit erreichen, wenn der
Si-Gehalt mindestens 0,1 Gew.-% beträgt. Gleichzeitig kann
der Si-Gehalt auf 0,25 Gew.-% beschränkt sein, um eine
Verschlechterung des Verformungsverhaltens bei einer Kalt- oder
Warmverformung des erfindungsgemäßen Stahls zu
vermeiden.
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Neben
seiner desoxidierenden Wirkung bei der Stahlerschmelzung dient die
Zugabe von Mangan zu erfindungsgemäßem Stahl der
Einstellung seiner Festigkeit und Härtbarkeit. Um das für
einen erfindungsgemäßen Stahl gewünschte
Härtbarkeitsniveau sicher zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein
Mindestgehalt von 0,90 Gew.-% vorgesehen. Da Mangan gleichzeitig
aber zur Seigerung neigt, ist der Mangangehalt von erfindungsgemäßem
Stahl auf 1,5 Gew.-% beschränkt. Besonders sicher lassen
sich die positiven Wirkungen von Mn in erfindungsgemäßem
Stahl nutzen, wenn der Mn-Gehalt mindestens 0,95 Gew.-% und höchstens
1,3 Gew.-% beträgt, wobei sich ein optimaler Einfluss von
Mn ergibt, wenn der Mn-Gehalt mindestens 1,00 Gew.-% und/oder höchstens
1,25 Gew.-% beträgt.
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Molybdän
verbessert in erfindungsgemäßem Stahl die Anlassbeständigkeit,
das Verschleißverhalten nach dem Einsatzhärten
und die Härtbarkeit. Dazu ist in erfindungsgemäßem
Stahl Molybdän in Gehalten von 0,12–0,3% vorhanden,
wobei sich die Wirkung von Mo besonders sicher nutzen lässt,
wenn mindestens 0,15 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,18 Gew.-%,
Mo vorhanden sind. Eine auch unter Kostengesichtspunkten besonders
effektive Nutzung von Molybdän ergibt sich dann, wenn der
Mo-Gehalt höchstens 0,25 Gew.-% beträgt, insbesondere
auf 0,24 Gew.-% beschränkt ist.
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Durch
die Anwesenheit von Chrom in Gehalten von 0,9–1,4 Gew.-%,
insbesondere 1,0–1,4 Gew.-%, wird die Härtbarkeit
des erfindungsgemäßen Stahls ebenfalls unterstützt.
Zusätzlich verbessert Cr die Verschleißbeständigkeit
von aus erfindungsgemäßem Stahl gefertigten, einsatzgehärteten
Bauteilen. Ein zu hoher Chromgehalt verschlechtert allerdings das
Umformvermögen. Daher ist der Cr-Gehalt vorteilhafterweise auf
1,30 Gew.-%, insbesondere 1,25 Gew.-%, beschränkt.
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Die
Obergrenze des Phosphor-Gehalts ist bei erfindungsgemäßem
Stahl auf maximal 0,035 Gew.-% gesetzt, um negative Auswirkungen
von P auf die Zähigkeit und Beständigkeit eines
erfindungsgemäßen Einsatzstahles zu vermeiden.
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Der
S-Gehalt eines erfindungsgemäßen Stahls ist auf
maximal 0,03 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,025 Gew.-%,
beschränkt. Geringe Schwefelgehalte wirken sich günstig
auf die Beständigkeit von aus erfindungsgemäßem
Stahl gefertigten Bauteilen aus. Bei Anwendungsfällen,
bei denen eine gute Zerspanbarkeit gefordert wird, kann es dennoch
sinnvoll sein, einem erfindungsgemäßen Stahl zur
Verbesserung des Spanbruchs 0,015 Gew.-% S zuzugeben.
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Nickel
kann in einem erfindungsgemäßen Stahl in Gehalten
von bis zu 0,25 Gew.-% vorhanden sein, um die Entstehung eines feinen
Gefüges zu unterstützen und die Zähigkeit
des erfindungsgemäßen Stahls zu verbessern.
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Gehalte
an Cu, V, As, Sn und B sind in erfindungsgemäßem
Stahl an sich unerwünscht, können aber wie andere
Verunreinigungen erschmelzungsbedingt in erfindungsgemäßen
Stahl gelangen. Um ungünstige Auswirkungen dieser Elemente
auf die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls
auszuschließen, ist sein Cu-Gehalt auf max. 0,25 Gew.-%,
sein B-Gehalt auf max. 0,0005 Gew.-%, sein V auf max. 0,200 Gew.-%,
sein As-Gehalt auf max. 0,0300 Gew.-% und sein Sn-Gehalt auf max.
0,0300 Gew.-% beschränkt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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Aus
zwei erfindungsgemäßen Stählen E1, E2,
deren Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist, sind jeweils fünf
Proben erzeugt worden.
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Die
Härtbarkeit der betreffenden Proben ist im Stirnabschreckversuch,
auch ”Jominyversuch” genannt (s. DIN EN
ISO 642), ermittelt worden.
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Die
Mittelwerte der dabei in einem Abstand von 1,5, 3, 5, 7, 9, 11,
15 und 30 mm für die jeweils aus den Stählen E1,
E2 ermittelten HRc-Härtewerte J1,5–J30 sind in
Tabelle 2 angegeben.
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Anschließend
sind aus den Stählen E1, E2 erzeugte Proben einer Aufkohlungsbehandlung
unterzogen worden, bei der sie bei einer Temperatur von mindestens
1050°C über eine für eine Aufkohlungstiefe
von mindestens 1 mm ausreichende Zeit einer aufkohlenden Atmosphäre
ausgesetzt worden sind. Es zeigte sich, dass das feinkörnige
Gefüge der erhaltenen Proben nach der Aufkohlungsbehandlung
weitestgehend unverändert dem Zustand vor der Behandlung
entsprach. Der Anteil an gröberem Korn im Gefüge
der aufgekohlten Proben lag deutlich unter 10%.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - K. Klenke,
R. Kohlmann ”Einsatzstähle in ihrer Feinkornbeständigkeit
heute und morgen”, HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung
60 (2005) 5, Carl Hanser Verlag, München, Seiten 260–270 [0006]
- - K. Klenke, R. Kohlmann P. Reinhold, W. Schweinebraten ”Kornwachstumsverhalten
des Einsatzstahls 20NiMoCr6-5 + Nb (VW 4521 + Nb) für Getriebeteile
beim Hochtemperaturaufkohlen”, HTM J. Heat Treatm. Mat.
63 (2008) [0007]
- - DIN EN ISO 642 [0029]
