DE102009060015A1

DE102009060015A1 - Verfahren zur Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über der Ac1-Temperatur

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Publication number: DE102009060015A1
Application number: DE102009060015A
Authority: DE
Original assignee: COMTES FHT A S; Comtes Fht As
Current assignee: COMTES FHT A S; Comtes Fht As
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2010-10-14
Also published as: AT508101A1; CZ2009215A3; AT508101B1; CZ301718B6

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Stahlhalbzeuges über der Ac₁-Temperatur, insbesondere eines Stahlhalbzeuges mit größerem Querschnitt, zur Kornverfeinerung und/oder zur Schaffung eines aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehenden Mikrogefüges. Damit bei der Bearbeitung eine Kornverfeinerung des Mikrogefüges, eine Verarbeitung der Wärmebehandlungszeit und eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht wird, sieht die Erfindung vor, dass das Stahlhalbzeug höchstens auf die Ac1-Temperatur erhitzt und anschließend einer Umformung zur Temperaturerhöhung des Stahlhalbzeuges über die Ac1-Temperatur unterzogen wird und dass danach das Stahlhalbzeug in herkömmlicher Weise in freier Luft abgekühlt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über der Ac₁-Temperatur, insbesondere eines Stahlhalbzeuges mit größerem Querschnitt, zur Kornverfeinerung und/oder zu Schaffung eines aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehenden Mikrogefüges.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über der Ac₁-Temperatur, insbesondere eines größeren Querschnitts, zur Kornverfeinerung und/oder zur Schaffung eines aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehenden Mikrogefüges gelöst.
Die herkömmlichen Glühverfahren von Stahlhalbzeugen zur Kornverfeinerung oder zur Schaffung eines aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehenden Mikrogefüges, also des globularen Perlits, erfordern ein Langzeitglühen der Stahlhalbzeuge so, dass die geforderte Temperatur im ganzen Querschnitt konstant ist. Bei Stahlhalbzeugen größeren Querschnitts ist auch ein mehrstündiges Glühen üblich. Das Problem besteht darin, dass die Temperatur durch die Erwärmung im Ofen sich schneller an der Oberfläche als im Inneren des Querschnitts des Stahlhalbzeuges ändert. Nicht nur aus diesem Grund ist also das Glühen mit einem hohen Zeitaufwand verbunden. Bei einer Langzeitglühung knapp unter der Ac₁-Temperatur, die einige Stunden dauern muss, entstehen in der ferritischem Matrix sphärolithisierte Karbide. Dieses Verfahren kann durch Temperaturschwankung des Stahlhalbzeuges um die Temperatur Ac₁ beschleunigt werden, nichtsdestotrotz verändert sich die Temperatur vor allem auf der Oberfläche und dringt in das Querschnittinnere nur langsam durch. Anschließend kühlt das Stahlhalbzeug langsam kontinuierlich ab, wodurch die Entstehung eines feinen globularen Perlits gewährleistet wird. Dieses Verfahren bringt kein gleichmäßiges Mikrogefüge innerhalb des ganzen Querschnitts, weil dessen Entstehung, insbesondere bei größeren Querschnitten, durch unterschiedliche Bedingungen auf der Oberfläche und im Inneren des Halbzeuges beeinflusst wird.
Wesentlich schneller bildet sich das aus ferritischer Matrix sphärolithisierten Karbiden bestehende Mikrogefüge, wenn das Stahlhalbzeug auf eine Temperatur über der Temperatur Ac₁ mit einer anschließenden langsamen Abkühlung geglüht wird. Auch bei diesem Verfahren ist ein Langzeitglühen des Halbzeuges erforderlich. Bei diesem Verfahren sichert die Austenitisierung des Perlits mit eingeschränkter Homogenisierung des Austenits eine ausreichende Menge von Keimen, aus denen durch Abkühlung feine und gleichmäßig verstreute Globularkarbide entstehen. Anschließend wird wie bei dem oben beschriebenen Verfahren das Stahlhalbzeug kontinuierlich abgekühlt, wodurch die Entstehung eines feinen globularen Perlits gewährleistet wird. Das sphärolithisierte Gefüge steht in Verbindung mit der Absenkung der Härte und der Festigkeitseigenschaften des Werkstoffs.
In dem Patent US 6,192,472 erfolgt das Glühen des kohlenstoffreichen Stahls durch eine Erhitzung auf die Temperatur von Ac₁ – 20°C, der eine Erhitzung auf die Tem peratur von Ac₁ + 20°C oder mehr, mit einer anschließenden schnellen Abkühlung auf die Temperatur Ac₁ folgt. Als weiterer Schritt folgt eine Erhitzung des Stahls auf die Temperatur Ac₁ + 20°C und mehr, eine Abkühlung auf 740°C mit einer anschließenden Abkühlung auf 690°C mit einer Geschwindigkeit von 3,5°C/min oder geringer bis auf die Raumtemperatur. Durch dieses Verfahren, das sich bei der Rohrherstellung in einem Durchlauf-Glühofen bewährt hat, wird die Glühzeit erheblich verkürzt. Bei Stahlhalbzeugen größeren Querschnitts verliert es an Effizienz infolge des Temperaturgefälles im Halbzeugquerschnitt.
In ähnlicher Weise ist eine Beschleunigung der Sphärolithisierung von Ferriten in einem kohlenstoffreichen chromlegierten Lagerstahl im Schriftstück JP 041003715 beschrieben. Die Wärmebehandlung besteht aus der Erhitzung auf eine Temperatur von 780–820°C und einer anschließenden Abkühlung unterhalb der Ac₁-Temperatur mit einer Geschwindigkeit von weniger als 200°C/h. Danach folgt eine Erhitzung auf eine Temperatur im Berech von Ac₁ bis Ac₁ + 40°C, eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb von Ac₁ mit einer Geschwindigkeit unter 200°C/h, eine Erhitzung auf die Temperatur von Ac₁ bis Ac₁ + 40°C und schließlich eine Abkühlung unterhalb der Ac₁-Temperatur mit einer Geschwindigkeit unter 75°C/h.
Der gemeinsame Nachteil der oben genannten Glühungsarten ist, und zwar auch bei Stahlhalbzeugen kleinerer Querschnitte, dass sich die Erhitzung über eine lange Zeit erstrecken muss und von einer anschließenden langsamen gesteuerten Abkühlung beendet werden muss. Trotzdem kann auch dadurch keine gleichmäßige Durchwärmung des ganzen Querschnitts des Stahlhalbzeuges gewährleistet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei der Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über der Ac₁-Temperatur eine Kornverfeinerung des Mikrogefüges, eine wesentliche Verkürzung der Wärmebehandlungszeit und eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das Verfahren zur Verarbeitung eines Halbzeuges aus Stahl über der Temperatur Ac₁, insbesondere eines größeren Querschnitts, zur Kornverfeinerung oder zur Schaffung eines aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehenden Mikrogefüges laut der Erfindung besteht darin, dass das Stahlhalbzeug höchstens auf die Ac₁-Temperatur erhitzt wird, dass es anschließend der Umformung zur Temperaturerhöhung des Stahlhalbzeuges über die Ac₁-temperatur unterzogen wird, und dass anschließend das Stahlhalbzeug in der üblichen Weise abgekühlt wird. Durch die Umformung wird in das Stahlhalbzeug eine Verformung eingetragen, deren mechanische Energie die Erhitzung des Stahlhalbzeuges auf eine Temperatur über Ac₁ verursacht, und zwar über dessen ganzem Querschnitt. Die anschließende Abkühlung erfolgt dann durch ein dem jeweiligen Werkstoff entsprechendes herkömmliches Verfahren. Durch dieses Verfahren kommt es zu einer Kornverfeinerung und es wird ein aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehendes Mikrogefüge gebildet. Dadurch kommt es zu einer extremen Verkürzung der Wärmebehandlungszeit einerseits sowie zu einer erheblichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, und zwar über den ganzen Querschnitt des Stahlhalbzeuges.
Zur Verbesserung des Übergangs vom lamellaren zu globularen Perlit ist es gut, wenn das Stahlhalbzeug einer mechanischen Umformung zur Temperaturerhöhung des Stahlhalbzeuges über die Ac₁-Temperatur unterzogen wird und das anschließend in der herkömmlichen Weise wiederholt langsam unter die Ac₁-Temperatur abgekühlt wird.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein die Erhitzung des Stahlhalbzeuges unterhalb der Ac₁-Temperatur im Glühofen darstellendes Diagramm und die anschlie ßende Temperaturerhöhung über der Temperatur Ac₁ durch mechanische Umformung unter einer Schmiedepresse und
2 ein eine wiederholte Erhitzung des Stahlhalbzeuges unterhalb der Ac₁-Temperatur im Glühofen darstellendes Diagramm und eine anschließende wiederholte Temperaturerhöhung über die Temperatur Ac₁ durch eine mechanische Umformung unter einer Schmiedepresse.
Die Erfindung wird anhand von verschiedenen Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
Ein Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,44 Gew.-%, Mn 0,75 Gew.-%, Si 0,36 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,007 Gew.-%, Cr 0,27 Gew.-%, Ni 0,07 Gew.-%, Cu 0,06 Gew.-%, Al 0,009 Gew.-% und B 0,001 Gew.-% mit den mechanischen Eigenschaften Kerbschlagzähigkeit KCV mini 45 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 490 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 670 MPa, Bruchdehnung A_s = 23% mit einer Mittelgröße des Austenitkorns von 29 μm wird im Ofen auf eine Temperatur von 710°C erhitzt, was 15°C unterhalb der Ac₁-Temperatur ist. Anschließend wird es einer mechanischen Umformung unter der Presse mit einer Proportionalverformung ε = 60% unterzogen. Dadurch wurde im ganzen Querschnitt des Halbzeuges eine Temperaturerhöhung von ca. 40°C über der Ac₁-Temperatur erreicht. Anschließend wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch folgende mechanische Eigenschaften erreicht wurden, Kerbschlagzähigkeit KCV mini 62 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 560 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 670 MPa, Bruchdehnung A_s = 19% bei gleichzeitiger Kornverfeinerung auf eine Mittelgröße von 2 μm.
Beispiel 2
Ein Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,42 Gew.-%, Mn 0,57 Gew.-%, Si 1,99 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,004 Gew.-%, Cr 1,27 Gew.-%, Ni 0,07 Gew.-%, Cu 0,06 Gew.-%, Al 0,009 Gew.-% und B 0,001 Gew.-% mit den mechanischen Eigenschaften, Kerbschlagzähigkeit KCV mini 13 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 470 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 895 MPa, Bruchdehnung A_s = 16% und mit anfänglichem durch proeutektoiden Ferrit mit einem hohem Anteil an lamellarem Perlit gebildetem Mikrogefüge wird im Ofen 40 Minuten lang auf eine Temperatur von 780°C erhitzt, was in etwa einer Temperatur knapp unterhalb der Temperatur Ac₁ entspricht. Anschließend wird es einer mechanischer Umformung durch Freiformschmieden mit einer proportionalen Verformung von ε₁ = 65% unterzogen. Dadurch kommt es über den ganzen Halbzeugquerschnitt zu einer Temperaturerhöhung von etwa 40°C oberhalb der Ac₁-Temperatur. Daraufhin wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch es zur Entstehung von globularem Perlit in der ferritischen Matrix mit folgenden mechanischen Eigenschaften kommt, Kerbschlagzähigkeit KCV mini 21 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 590 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 861 MPa und Bruchdehnung A_s = 19%. Das in dieser Weise behandelte Halbzeug wird erneut für 40 Minuten im Ofen auf eine Temperatur von 780°C erhitzt, wonach es einer mechanischen Umformung durch Freiformschmieden mit einer proportionaler Verformung ε₂ = 65% unterzogen wird. Dadurch kommt es im ganzen Querschnitt des Halbzeuges zu einer Temperaturerhöhung von etwa 40°C über der Temperatur Ac₁. Anschließend wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch es folgende mechanische Eigenschaften erhält, Kerbschlagzähigkeit KCV mini 62 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 560 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 870 MPa und Bruchdehnung A_s = 21,5%. Daher kam es gleichzeitig zu einer weiteren Erhöhung des Anteils an globularem Perlit aus der vorhergehenden Verarbeitung.
Beispiel 3
Ein Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,42 Gew.-%, Mn 0,57 Gew.-%, Si 1,99 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,004 Gew.-%, Cr 1,27 Gew.-%, Ni 0,07 Gew.-%, Cu 0,06 Gew.-%, Al 0,009 Gew.-% und B 0,001 Gew.-% mit den mechanischen Eigenschaften, Kerbschlagzähigkeit KCV mini 13 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 470 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 895 MPa, Bruchdehnung A_s = 16% und mit anfänglichem durch proeutektoiden Ferrit mit einem hohem Anteil an lamellarem Perlit gebildetem Mikrogefüge wird durch eine Widerstandserhitzung für die Dauer von 10 s auf eine Temperatur von 790°C erhitzt und anschließend einer mechanischen Umformung unter der Presse mit proportionaler Verformung ε₃ = 50% unterzogen. Dadurch kommt es über den ganzen Querschnitt des Halbzeuges zu einer Temperaturerhöhung von ca. 30°C über der Ac₁-Temperatur. Anschließend wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch es folgende mechanische Eigenschaften bekommt, KCV mini 20 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 573 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 859 MPa und Bruchdehnung A_s = 20%. Gleichzeitig kommt es zu einer Erhöhung des Anteils an globularem Perlit.
Beispiel 4
Ein Stahlhalbzeug mit einer Zusammensetzung C 0,28 Gew.-%, Mn 1,34 Gew.-%, Si 0,32 Gew.-%, P 0,01 Gew.-%, S 0,008 Gew.-%, Cr 0,44 Gew.-%, Ni 0,46 Gew.-%, Cu 0,09 Gew.-%, Al 0,03 Gew.-% und B 0,001 Gew.-% mit den mechanischen Eigenschaften, Kerbschlagzähigkeit KCV mini 40 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 535 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 750 MPa, Bruchdehnung A_s = 21% und mit anfänglichem durch proeutektoiden Ferrit gebildetem Mikrogefüge wird im Ofen auf eine Temperatur von 700°C erhitzt. Anschließend wird es einem Freiformschmieden mit proportionaler Verformung ε1 = 50% unterzogen. Dadurch kommt es über den ganzen Querschnitt des Halbzeuges zu einer Temperaturerhöhung von ca. 40°C über der Ac₁-Temperatur. Anschließend wird das Halbzeug im Ofen erneut auf eine Temperatur von 700°C erhitzt und dann erneut dem Freiformschmieden mit proportionaler Verformung ε1 = 45% unterzogen. Dadurch kommt es über den ganzen Querschnitt des Halbzeuges zu einer Temperaturerhöhung von ca. 40°C über der Ac₁-Temperatur. Anschließend wird das Halbzeug in freier Luft abgekühlt, wodurch es folgende mechanische Eigenschaften bekommt, KCV mini 180 J/cm², Dehngrenze R_p02 = 495 MPa, Festigkeitsgrenze R_m = 625 MPa und Bruchdehnung A_s = 27%. Gleichzeitig entstehen in der ferritischen Matrix feine sphärolithisierte Karbide.
Weitere Nutzungsmöglichkeiten der Erfindung
Das angeführte Verfahren zur Verarbeitungsweise eines Stahlhalbzeuges kann mit Hilfe von unterschiedlichen Technologien einer mechanischen Verarbeitung durchgeführt werden, die nicht auf die Arbeit unter der Presse und das Freiformschmieden begrenzt ist. Es können auch andere Technologien angewandt werden, wie Walzen, Ziehen, Ziehen zwischen Walzen, Fließpressen, Gesenkschmieden und ähnliche und zwar unter Berücksichtigung der Art des Halbzeuges und den Anforderungen an die resultierenden mechanischen Eigenschaften. Diesen Umständen kann auch die Art der Erhitzung sowie dessen anschließende Abkühlung angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6192472 [0005]
- JP 041003715 [0006]

Claims

Verfahren zur Verarbeitung eines Stahlhalbzeuges über der Ac₁-Temperatur, insbesondere eines Stahlhalbzeuges mit größerem Querschnitt, zur Kornverfeinerung und/oder zur Schaffung eines aus ferritischer Matrix und sphärolithisierten Karbiden bestehenden Mikrogefüges, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlhalbzeug höchstens auf die Ac₁-Temperatur erhitzt und anschließend einer Umformung zur Temperaturerhöhung des Stahlhalbzeuges über die Ac₁-Temperatur unterzogen wird und dass danach das Stahlhalbzeug in herkömmlicher Weise in freier Luft abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlhalbzeug einer Umformung zur Temperaturerhöhung des Stahlhalbzeuges über die AC₁-temperatur erhitzt wird und dass anschließend das Stahlhalbzeug wiederholt in herkömmlicher Weise in freier Luft unter die Ac₁-Temperatur abgekühlt wird.