DE102015220184A1

DE102015220184A1 - Aufgekohlter Legierungsstahl mit verbesserter Dauerhaftigkeit und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015220184A1
Application number: DE102015220184.8A
Authority: DE
Inventors: Moon-Ki Bae; Si-Yup LEE; Sung-Chul Cha; Seung-Hyun Hong
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2016-10-20
Also published as: KR101685486B1; KR20160122874A; US20160304997A1; CN106048456B; US9957595B2; CN106048456A

Abstract

Ein aufgekohlter Legierungsstahl enthält, bezogen auf ein Gesamtgewicht des aufgekohlten Legierungsstahls, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Silizium, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Chrom, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Molybdän, mehr als 0 bis 0,07 Gew.-% Niob und als Rest Eisen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen gemäß 35 U.S.C. §119 der Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2015-52243 , eingereicht am 14. April 2015 beim koreanischen Patentamt, die hier vollinhaltlich durch Bezugnahme aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen aufgekohlten Legierungsstahl mit verbesserter Dauerhaftigkeit und ein Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere einen aufgekohlten Legierungsstahl mit einer geeigneten Inhaltskomponente und einem geeigneten Gehalt, dass es wirksam zu Aufkohlung auf einer Oberfläche des Legierungsstahls kommt und so Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Dauerfestigkeit, Dauerhaltbarkeit und dergleichen verbessert werden, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
HINTERGRUND
In den letzten Jahren haben die Umweltprobleme auf der ganzen Welt zugenommen und deshalb hat man in sämtlichen Industriezweigen nach Verfahren zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs gesucht, um solche Probleme zu bewältigen. Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs umfassten die in der Fahrzeugindustrie vorgeschlagenen Lösungen die Verbesserung der Effizienz von Fahrzeugmotoren und die Gewichtsverringerung von Fahrzeugen. Das Verringern des Gewichts des Fahrzeugs kann eine Maßnahme sein, die fähig ist, die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu erhöhen. Wenn jedoch das Gewicht des Fahrzeugs verringert wird, kann dahingehend ein Problem auftreten, dass die bei Fahrzeugen geforderte Festigkeit und Dauerhaftigkeit möglicherweise nicht gegeben ist. Daher wird eine Lösung dafür zu einem wesentlichen Ziel der Fahrzeugindustrie.
Daher hat man in der Fahrzeugindustrie verschiedene umweltfreundliche Fahrzeuge entwickelt mit einem Ziel, eine Ausstoßmenge an Kohlendioxid auf 95 g/km, also auf 27% von dessen derzeitiger Menge, bis 2021 auf der Grundlage europäischer Verordnungen zu verringern. Darüber hinaus streben Fahrzeughersteller nach der Entwicklung einer Technologie zur Verkleinerung und Verbesserung der Kraftstoffersparnis, um 54,5 mpg (23,2 km/l), also den geforderten Wert für den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch von Firmenfuhrparks (Corporate average fuel economy, CAFE), in den USA bis zum Jahr 2025 zu erreichen.
Um einer Zunahme der Anzahl von Teilen oder einer Zunahme des Gewichts entgegenzuwirken, wird im Allgemeinen das Gewicht eines Materials verringert. In diesem Fall wird als ein Verfahren zur Gewichtsverringerung häufig eine Wärmebehandlungstechnologie zum Umsetzen einer hohen Festigkeit des Werkstoffs oder das Härten einer Materialoberfläche verwendet. Darüber hinaus werden zur Bewältigung komplizierter Teilformen präzises Fügen, verzerrungsarmes Schweißen und verzerrungsarme Wärmebehandlungstechnologien verwendet. Zusätzlich werden eine Technologie zur Verringerung der durch Wärmebehandlung verursachten Verzerrung sowie Geräuschverringerungs- und Staubentfernungstechnologien eingesetzt.
Zum Beispiel hat man eine Hochleistungs- und Hocheffizienztechnologie für Motoren und Getriebe zur Maximierung der Kraftstoffersparnis von Fahrzeugen entwickelt und diese Technologie beinhaltet eine erhöhte Anzahl von Gängen, ein neues Konzept für die Anfahrvorrichtung, hocheffiziente Zwei-Pumpen-Systeme, Fusion-Hybrid-Technologie, Technologien in Verbindung mit einem automatisch/manuellen Fusionsgetriebe, einem Hybridgetriebe und dergleichen.
Ein Legierungsstahl, der bei der Technologie in Bezug auf Motoren und Getriebe verwendet wird, kann in Teilen des Motors, Trägern des Getriebes, Gängen, Wellen, Synchronisierungsnaben oder dergleichen verwendet werden und ein verwendeter Anteil des Legierungsstahls entspricht 32 bis 40%, bezogen auf das Gewicht des Motors, und etwa 58 bis 62 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Getriebes. Zum Beispiel wird bei den Gängen des Getriebes und dergleichen die Entwicklung hoch verfestigter und stark belastbarer Materialien, die die Anforderungen der Gewichtsverringerung und der Verkleinerung erfüllen, kontinuierlich gefordert. Eine Technologie in Verbindung mit Verkleinerung oder Verbesserung der Kraftstoffeffizienz steht jedoch dahingehend vor Problemen, dass eine auf die Teile der Motoren ausgeübte Last zunimmt, die Qualität der Teile geringer ist und die Betriebsdauerzeit aufgrund von Verbrennen, Reibung, Verschleiß und dergleichen verringert ist.
Im Allgemeinen handelt es sich bei den Gängen des Getriebes des Fahrzeugs um Teile, die Motorleistung direkt auf ein Differentialsystem übertragen und Rotation oder Kraft zwischen zwei oder mehreren Wellen effizient übertragen, so dass die Motorleistung auf einen Fahrzustand des Fahrzeugs abgestimmt ist und gleichzeitig Biegespannung und Kontaktspannung aufgenommen werden. Wenn die Dauerhaftigkeit des Materials unzureichend ist, kommt es bei den Gängen häufig zu Ermüdungsbruch (Zahnbruch) aufgrund eines Mangels an Biegedauerfestigkeit und zu Ermüdungsschäden (Lochfraß) aufgrund eines Mangels an Kontaktdauerfestigkeit. Deshalb sind bei den Gängen physikalische Eigenschaften, wie Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Dauerfestigkeit und Dauerhaltbarkeit, erforderlich.
Als eine Alternative zu den vorstehend genannten Anforderungen wird derzeit ein aufgekohlter Stahl, wie SCM820PRH, der 0,17 bis 0,23 Gew.-% Kohlenstoff (C), 0,5 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si), 0,45 bis 0,75 Gew.-% Mangan (Mn), 1,95 bis 2,25 Gew.-% Chrom (Cr), 0,015 bis 0,035 Gew.-% Molybdän (Mo), 0,0015 Gew.-% Sauerstoff (O₂) enthält, und dergleichen verwendet. Dieser aufgekohlte Stahl bereitet jedoch dahingehend ein Problem, dass Zahnbruch und Lochfraß leicht auftreten.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt einen aufgekohlten Legierungsstahl mit verbesserten physikalischen Eigenschaften, wie Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Dauerfestigkeit, und einer Dauerhaltbarkeit und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereit.
Die vorliegende Offenbarung wurde in einer Bemühung gemacht, einen aufgekohlten Legierungsstahl, der Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Bor (B), Vanadium (V), Nickel (Ni), Titan (Ti) und Stickstoff (N) enthält, um physikalische Eigenschaften, wie Härte, Festigkeit und Zähigkeit, zu verbessern und somit eine verbesserte Dauerhaftigkeit zu erreichen, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Eine beispielhafte Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts stellt einen aufgekohlten Legierungsstahl bereit, der, bezogen auf ein Gesamtgewicht des aufgekohlten Legierungsstahls, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Silizium, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Chrom, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Molybdän, mehr als 0 bis 0,07 Gew.-% Niob und als Rest Eisen umfasst.
Der aufgekohlte Legierungsstahl kann weiterhin Nickel umfassen. Der Gehalt an Nickel kann 0,1 bis 0,6 Gew.-% betragen.
Der aufgekohlte Legierungsstahl kann weiterhin Vanadium umfassen. Der Gehalt an Vanadium kann mehr als 0 bis 0,3 Gew.-% betragen.
Der aufgekohlte Legierungsstahl kann weiterhin Titan umfassen. Der Gehalt an Titan kann mehr als 0 bis 0,2 Gew.-% betragen.
Der aufgekohlte Legierungsstahl kann weiterhin Stickstoff umfassen. Der Gehalt an Stickstoff kann mehr als 0 bis 0,015 Gew.-% betragen.
Der aufgekohlte Legierungsstahl kann weiterhin Bor umfassen. Der Gehalt an Bor kann 0,00002 bis 0,00005 Gew.-% betragen.
In einer anderen Ausführungsform kann der aufgekohlte Legierungsstahl weiterhin mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Vanadium, Titan, Stickstoff und Bor, umfassen.
Ein Gehalt an Nickel kann 0,1 bis 0,6 Gew.-% betragen, ein Gehalt an Vanadium kann mehr als 0 bis 0,3 Gew.-% betragen, ein Gehalt an Titan kann mehr als 0 bis 0,2 Gew.-% betragen, ein Gehalt an Stickstoff kann mehr als 0 bis 0,015 Gew.-% betragen und ein Gehalt an Bor kann 0,00002 bis 0,00005 Gew.-% betragen, bezogen auf ein Gesamtgewicht des aufgekohlten Legierungsstahls.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines aufgekohlten Legierungsstahls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte Aufkohlen eines Legierungsstahls, der, bezogen auf ein Gesamtgewicht des aufgekohlten Legierungsstahls, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Silizium, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Chrom, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Molybdän, mehr als 0 bis 0,07 Gew.-% Niob und als Rest Eisen umfasst, bei 880 bis 940°C für 1,5 bis 2 Stunden; Abschrecken des aufgekohlten Legierungsstahls in Öl bei 80 bis 120°C und Tempern des in Öl abgeschreckten Legierungsstahls bei 170 bis 200°C für 1 bis 3 Stunden.
Ein Getriebe für ein Fahrzeug kann unter Verwendung des aufgekohlten Legierungsstahls hergestellt werden.
Entsprechend dem aufgekohlten Legierungsstahl und dem Verfahren zur Herstellung des aufgekohlten Legierungsstahls des vorliegenden erfinderischen Konzepts werden Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Vanadium (V), Nickel (Ni), Titan (Ti), Stickstoff (N) und Bor (B) eingebracht, um die Dauerhaftigkeit, wie Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Dauerfestigkeit, und eine Dauerhaltbarkeit eines Werkstoff zu verbessern.
Es ist auch möglich, eine hohe Festigkeit des aufgekohlten Legierungsstahls und somit durch eine Dickenverringerung eine Gewichtsverringerung von etwa 20% und dergleichen realisierbar machen, so dass der Grad der Freiheit einer Fahrzeuggestaltung sichergestellt wird und die Herstellungskosten verringert werden.
Entsprechend einem Getriebe für ein Fahrzeug, das unter Verwendung des aufgekohlten Legierungsstahls, bei dem es sich um das vorliegende erfinderische Konzept handelt, hergestellt wird, ist es möglich, die Dauerhaftigkeit des Fahrzeugs zu erhöhen und eine machbare Gewichtsverringerung des Fahrzeugs zu erreichen und somit die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und Umweltverschmutzung zu verhindern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden hier beispielhafte Ausführungsformen des vorliegenden erfinderischen Konzepts im Detail beschrieben. Begriffe oder Wörter, die in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, sollten nicht so interpretiert werden, dass sie auf typische oder Wörterbuch-Bedeutungen beschränkt sind, sondern sollten so interpretiert werden, dass sie Bedeutungen und Konzepte besitzen, die mit dem technischen Geist des vorliegenden erfinderischen Konzepts übereinstimmen, auf der Basis des Prinzips, dass ein Erfinder das Konzept des Begriffs angemessen definieren kann, um sein/ihr eigenes erfinderisches Konzept in der besten Weise zu beschreiben. Folglich ist die Beschaffenheit der in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen Ausführungsform nur eine Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts, gibt jedoch nicht sämtliche technischen Geiste des vorliegenden erfinderischen Konzepts wieder. Daher sollte es selbstverständlich sein, dass es verschiedene Äquivalente und Modifikationen gibt, die die Ausführungsformen zum Zeitpunkt der Einreichung der vorliegenden Anmeldung ersetzen.
Im Folgenden wird hier das vorliegende erfinderische Konzept im Detail beschrieben. Das vorliegende erfinderische Konzept betrifft einen aufgekohlten Legierungsstahl mit verbesserter Dauerhaftigkeit und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Unter einem Aspekt betrifft das vorliegende erfinderische Konzept einen aufgekohlten Legierungsstahl mit verbesserter Dauerhaftigkeit.
Der aufgekohlte Legierungsstahl mit verbesserter Dauerhaftigkeit gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept kann so hergestellt werden, dass er, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Legierungsstahls, Eisen (Fe) als eine Hauptkomponente, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff (C), 0,1 bis 2 Gew.-% Silizium (Si), 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mangan (Mn), 1,5 bis 3,0 Gew.-% Chrom (Cr), 0,2 bis 0,5 Gew.-% Molybdän (Mo), 0,1 bis 0,6 Gew.-% Nickel (Ni), mehr als 0 Gew.-% und 0,07 Gew.-% oder weniger Niob (Nb), mehr als 0 Gew.-% und 0,3 Gew.-% oder weniger Vanadium (V), mehr als 0 Gew.-% und 0,2 Gew.-% oder weniger Titan (Ti), mehr als 0 Gew.-% und 0,015 Gew.-% oder weniger Stickstoff (N) und 0,00002 bis 0,00005 Gew.-% Bor (B) enthält.
Genauer gesagt, sind Zahlenwerte für Komponenten, die den aufgekohlten Legierungsstahl gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept ausmachen, wie folgt.
(1) 0,1 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff (C)
Kohlenstoff (C) ist ein die interstitielle Matrix verstärkendes Element und wird mit einem Element, wie Chrom (Cr), kombiniert, so dass sich ein Carbid bildet und dadurch Festigkeit, Härte und dergleichen verbessert werden und die Oberflächenhärte erhöht wird und ein Carbid-Niederschlag während des Aufkohlens erzeugt wird.
Der Gehalt an Kohlenstoff (C) kann etwa 0,1 bis 0,35 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Legierungsstahls, betragen. Hier gilt, dass, wenn der Gehalt an Kohlenstoff (C) weniger als etwa 0,1 Gew.-% beträgt, die Festigkeit des Legierungsstahls verringert sein kann und es schwierig sein kann, die Härte durch Aufkohlung sicherzustellen. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff (C) mehr als etwa 0,35 Gew.-% beträgt, erhöht sich andererseits die Kernhärte des Legierungsstahls aufgrund von übermäßigem Aufkohlen, so dass die Gesamt-Zähigkeit des Legierungsstahl abnimmt.
(2) 0,1 bis 2 Gew.-% Silizium (Si)
Silizium (Si) behindert das Aufkohlen, wenn es in einer übermäßigen Menge hinzugefügt wird, unterdrückt aber als ein Desoxidationsmittel die Bildung von Nadellöchern im Legierungsstahl, erhöht die Festigkeit des Legierungsstahls durch eine feste-Lösung-Verstärkungswirkung, indem es in einer Matrix eine feste Lösung bildet, und erhöht die Aktivität von Kohlenstoff (C) und dergleichen.
Der Gehalt an Silizium (Si) kann etwa 0,1 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Legierungsstahls, betragen. Wenn der Gehalt an Silizium (Si) weniger als etwa 0,1 Gew.-% beträgt, dann erhält man eine geringe Wirkung als Desoxidationsmittel, und wenn der Gehalt an Silizium (Si) mehr als etwa 2,0 Gew.-% beträgt, dann erhöht sich auf der anderen Seite die feste-Lösung-Verstärkungswirkung der Matrix übermäßig, so dass die Formbarkeit, die Aufkohlungseigenschaft und dergleichen verringert werden.
(3) 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mangan (Mn)
Mangan (Mn) verbessert eine Abschreckungseigenschaft des Legierungsstahls und verbessert die Festigkeit des Legierungsstahls und dergleichen. Der Gehalt an Mangan (Mn) kann etwa 0,1 bis 1,5 Gew.-% betragen. Wenn der Gehalt an Mangan (Mn) kleiner als etwa 0,1 Gew.-% ist, kann hier eine ausreichende Abschreckungseigenschaft und dergleichen nicht sichergestellt werden, und wenn der Gehalt an Mangan (Mn) mehr als etwa 1,5 Gew.-% beträgt, kommt es andererseits zu Korngrenzenoxidation und mechanische Eigenschaften des Legierungsstahls nehmen ab.
(4) 1,5 bis 3,0 Gew.-% Chrom (Cr)
Chrom (Cr) verbessert eine Abschreckungseigenschaft des Legierungsstahls, wobei es gleichzeitig Härtbarkeit bereitstellt und eine Struktur des Legierungsstahls mikronisiert sowie die Aufkohlung fördert und eine Aufkohlungszeit verkürzt, indem es mit Kohlenstoff (C) unter Bildung eines feinen Carbids reagiert. Darüber hinaus wird die Bildung des Carbid-Niederschlags und von Zementit erhöht.
Der Gehalt an Chrom (Cr) kann etwa 1,5 bis 3,0 Gew.-% betragen. Hier gilt, dass, wenn der Gehalt an Chrom (Cr) weniger als etwa 1,5 Gew.-% beträgt, eine Carbidbildungswirkung verringert ist, und wenn andererseits der Gehalt an Chrom (Cr) mehr als etwa 3,0 Gew.-% beträgt, die Zähigkeit des Legierungsstahls verringert wird und Korngrenzenoxidation auftritt. Eine Wirkung aufgrund eines erhöhten Gehalts ist vernachlässigbar und verursacht eine Erhöhung der Herstellungskosten.
(5) 0,2 bis 0,5 Gew.-% Molybdän (Mo)
Molybdän (Mo) erhöht die Bildung des Carbids, erhöht die Beständigkeit bei hohen Temperaturen und verringert die Aktivität von Kohlenstoff. Weiterhin verbessert Molybdän (Mo) nach dem Abschrecken oder Tempern die Härtbarkeit, die Zähigkeit und dergleichen des Legierungsstahls und stellt Widerstandsfähigkeit gegen Sprödigkeit bereit.
Der Gehalt an Molybdän (Mo) kann etwa 0,2 bis 0,5 Gew.-% betragen. In dem Fall, wenn der Gehalt an Molybdän (Mo) kleiner als etwa 0,2 Gew.-% ist, können hier die Härtbarkeit und Zähigkeit des Legierungsstahls und dergleichen nicht ausreichend sichergestellt sein, und wenn auf der anderen Seite der Gehalt an Molybdän (Mo) mehr als etwa 0,5 Gew.-% beträgt, sind die Verarbeitbarkeit (Zerspanbarkeit) und Produktivität des Legierungsstahls und dergleichen verringert.
(6) mehr als 0 Gew.-% und 0,07 Gew.-% oder weniger Niob (Nb)
Niob (Nb) vereinigt sich mit Stickstoff unter Bildung eines Nitrids und dergleichen, so dass Kristallkörner mikronisiert werden, die Rekristallisationstemperatur erhöht wird und die Hochtemperaturaufkohlung erleichtert wird und somit die Härtbarkeit und Zähigkeit des Legierungsstahls und dergleichen verbessert werden. Der Gehalt an Niob (Nb) kann mehr als 0 Gew.-% und etwa 0,07 Gew.-% oder weniger betragen.
Wenn der Gehalt an Niob (Nb) mehr als etwa 0,07 Gew.-% beträgt, dann ist hier eine Wirkung von Niob (Nb) gesättigt, die Zähigkeit ist verringert und die Verarbeitbarkeit, Produktivität und dergleichen nehmen ab. Wenn dagegen Niob (Nb) nicht eingebracht wird, kann es schwierig sein, ein Aufkohlungsverfahren bei hohen Temperaturen durchzuführen.
(7) Mehr als 0 Gew.-% und 0,3 Gew.-% oder weniger Vanadium (V)
Vanadium (V) bildet Niederschläge, wie Carbide, festigt eine Matrixstruktur durch eine Niederschlagsverstärkungswirkung, verbessert die Festigkeit und die Abriebbeständigkeit und mikronisiert Kristallkörner. Außerdem verringert Vanadium (V) die Aktivität von Kohlenstoff.
Der Gehalt an Vanadium (V) kann mehr als 0 Gew.-% und etwa 0,3 Gew.-% oder weniger betragen. Hier gilt, dass, wenn der Gehalt an Vanadium (V) mehr als etwa 0,3 Gew.-% beträgt, die Zähigkeit und Härte des Legierungsstahls und dergleichen verringert sein können.
(8) Mehr als 0 Gew.-% und 0,2 Gew.-% oder weniger Titan (Ti)
Titan (Ti) bildet ein Titancarbonitrid, so dass das Wachstum der Kristallkörner unterdrückt und die Hochtemperaturbeständigkeit, Festigkeit, Zähigkeit und dergleichen verbessert werden. Der Gehalt an Titan (Ti) kann mehr als 0 Gew.-% und etwa 0,2 Gew.-% oder weniger betragen.
Wenn der Gehalt an Titan (Ti) mehr als etwa 0,2 Gew.-% beträgt, bildet sich hier ein grober Niederschlag, und aufgrund einer Verringerung der Niedertemperatur-Kerbschlageigenschaft und der Sättigung seiner Wirkung erhöhen sich die Herstellungskosten.
(9) Mehr als 0 Gew.-% und 0,015 Gew.-% oder weniger Stickstoff (N)
Stickstoff (N) stabilisiert Austenit, mikronisiert dessen Kristallkörner und verbessert die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Dehnung des Legierungsstahls und dergleichen. Eine Betriebsdauerzeit kann jedoch aufgrund der Bildung von Verunreinigungen verringert sein.
Der Gehalt an Stickstoff (N) kann mehr als 0 Gew.-% und etwa 0,015 Gew.-% oder weniger betragen. Hier gilt, dass, wenn der Gehalt an Stickstoff (N) etwa 0,015 Gew.-% oder weniger beträgt, Sprödigkeit verursacht werden kann und eine Betriebsdauerzeit und dergleichen verringert sein kann.
(10) 0,00002 bis 0,00005 Gew.-% Bor (B)
Bor (B) verbessert die Härtbarkeit, die Zugfestigkeit, die Schlagzähigkeit und die Festigkeit des Legierungsstahls und verhindert Korrosion. Die Schweißbarkeit kann jedoch verringert sein.
Der Gehalt an Bor (B) kann etwa 0,00002 bis 0,00005 Gew.-% betragen. Wenn der Gehalt an Bor (B) weniger als etwa 0,00002 Gew.-% beträgt, ist es hier schwierig, eine ausreichende Härtbarkeit des Legierungsstahls sicherzustellen, und wenn der Gehalt an Bor (B) mehr als etwa 0,00005 Gew.-% beträgt, nehmen auf der anderen Seite Zähigkeit und Verformbarkeit des Legierungsstahls und dergleichen ab, so dass die Schlagzähigkeit und dergleichen verringert ist.
(11) 0,1 bis 0,6 Gew.-% Nickel (Ni)
Nickel (Ni) verbessert Hitzebeständigkeit und Zähigkeit. Der Gehalt an Nickel (Ni) kann etwa 0,1 bis 0,6 Gew.-% betragen. Wenn der Gehalt an Nickel (Ni) kleiner als etwa 0,1 Gew.-% ist, können hier ausreichende Hitzebeständigkeit und Zähigkeit nicht sichergestellt werden, und wenn der Gehalt an Nickel (Ni) mehr als etwa 0,6 Gew.-% beträgt, verringern sich auf der anderen Seite die Verarbeitbarkeit (Zerspanbarkeit) und die Produktivität des Legierungsstahls und dergleichen.
Da der aufgekohlte Legierungsstahl mit der vorstehend genannten Zusammensetzung gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept überlegene Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Dauerfestigkeit und Dauerhaltbarkeit besitzt, kann der aufgekohlte Legierungsstahl auf Fahrzeugteile und dergleichen angewendet werden. Zum Beispiel kann der aufgekohlte Legierungsstahl auf automatische oder manuelle Getriebe und dergleichen angewendet werden. Unter den Getrieben kann der aufgekohlte Legierungsstahl auf Träger, Zahnkränze, Gänge, Wellen, Synchronisierungsnaben oder dergleichen angewendet werden.
Unter einem anderen Aspekt betrifft das vorliegende erfinderische Konzept hier im Folgenden ein Verfahren zur Herstellung eines aufgekohlten Legierungsstahls mit verbesserter Dauerhaftigkeit.
Der aufgekohlte Legierungsstahl mit verbesserter Dauerhaftigkeit gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept kann geeigneterweise von einem Fachmann anhand einer öffentlich bekannten Technologie hergestellt werden. Genauer gesagt, kann das Verfahren zur Herstellung des aufgekohlten Legierungsstahls mit verbesserter Dauerhaftigkeit gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept das Mischen von Materialien des Legierungsstahls für die Aufkohlung; das Aufkohlen-Wärmebehandeln des Legierungsstahls bei etwa 930 bis 980°C für etwa 1,6 bis 4 Stunden; das Abschrecken des aufgekohlten vergüteten Legierungsstahls in Öl bei etwa 80 bis 120°C; und das Anlassen des in Öl abgeschreckten Legierungsstahls bei etwa 150 bis 200°C für etwa 1–3 Stunden umfassen.
In dem Schritt Mischen der Materialien des Legierungsstahls für die Aufkohlung ist Eisen (Fe) als eine Hauptkomponente vorgesehen und Nickel (Ni), Vanadium (V), Titan (Ti), Stickstoff (N) oder Bor (B) können selektiv zu Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Niob (Nb) hinzugefügt werden, um das Mischen durchzuführen.
Hier gilt für den Aufkohlungs-/Wärmebehandlungsschritt, dass, wenn die Wärmebehandlungstemperatur weniger als etwa 930°C beträgt, die Produktivität verringert ist, da sich eine Wärmebehandlungszeit erhöht, und in dem Fall, wenn die Wärmebehandlungszeit kürzer als etwa 1,6 Stunden ist, die Aufkohlung nicht ausreichend durchgeführt werden kann, weil die Zeiten für das Zuführen, Einspritzen und Diffundieren von Kohlenstoff (C) kurz sind.
In dem Fall, wenn die Wärmebehandlungstemperatur mehr als etwa 980°C beträgt, kann auf der anderen Seite Rekristallisation des Legierungsstahls auftreten, so dass sich mechanische Eigenschaften verringern, und in dem Fall, wenn die Wärmebehandlungszeit länger als etwa 4 Stunden ist, kann es zu übermäßiger Aufkohlung und thermischer Verformung kommen und die Herstellungskosten können sich erhöhen.
Im Schritt des Abschreckens in Öl kann es, wenn die Ölabschreckungstemperatur weniger als etwa 80°C beträgt, oder in dem Fall, wenn im vierten Schritt eine Tempertemperatur niedriger als etwa 150°C ist, schwierig sein, die Zähigkeit des Legierungsstahls sicherzustellen, da sich kein verbleibendes Austenit bildet, und wenn die Anlassdauer weniger als 1 Stunde beträgt, kann die Entspannung der Sprödigkeit unzureichend sein, es kann zu schwerwiegender Materialabweichung kommen und es kann schwierig sein, Zähigkeit sicherzustellen.
Wenn dagegen die Ölabschreckungstemperatur mehr als etwa 120°C beträgt oder die Tempertemperatur höher als etwa 200°C ist, kann aufgrund einer Zunahme des verbleibenden Austenits während des Abschreckungsprozesses eine Ermüdungseigenschaft des Legierungsstahls und dergleichen verringert sein, und wenn die Temperdauer mehr als etwa 3 Stunden beträgt, kann es aufgrund einer raschen Verringerung der Härte des Legierungsstahls schwierig sein, eine Betriebsdauerzeit und dergleichen zu verbessern.
Im Folgenden wird hier unter noch einen weiteren Aspekt des vorliegenden erfinderischen Konzepts ein Getriebe für ein Fahrzeug, das unter Verwendung des aufgekohlten Legierungsstahls mit verbesserter Dauerhaftigkeit hergestellt wird, bereitgestellt.
Das unter Verwendung der aufgekohlten Legierungsstahls mit verbesserter Dauerhaftigkeit gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept hergestellte Getriebe für das Fahrzeug kann von einem Fachmann geeigneterweise anhand einer öffentlich bekannten Technologie hergestellt werden. Genauer gesagt, wird in dem Fall, wenn das Getriebe für das Fahrzeug unter Verwendung des aufgekohlten Legierungsstahls hergestellt wird, eine hohe Festigung des entsprechenden Materials und somit durch eine Dickenverringerung eine Gewichtsverringerung von etwa 20% und dergleichen realisierbar gemacht, der Grad der Gestaltungsfreiheit im Hinblick auf das Fahrzeug kann sichergestellt werden und Herstellungskosten können verringert werden.
Daher erhöht sich die Dauerhaftigkeit des Fahrzeugs und eine Gewichtsverringerung des Fahrzeugs wird realisierbar gemacht. und somit erhöht sich die Kraftstoffeffizienz und Umweltverschmutzung wird verhindert.
[Beispiel]
Im Folgenden wird hier das vorliegende erfinderische Konzept im Einzelnen anhand von Beispielen beschrieben. Diese Beispiele dienen nur zur Veranschaulichung des vorliegenden erfinderischen Konzepts und für den Fachmann wird offensichtlich sein, dass der Umfang des vorliegenden erfinderisch Konzepts nicht so interpretiert werden darf, dass er durch diese Beispiele eingeschränkt wird.

Für den Vergleich von physikalischen Eigenschaften des aufgekohlten Legierungsstahls mit verbesserter Dauerhaftigkeit gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept wurden Vergleichsbeispiele und Beispiele mit den Komponenten hergestellt, wie sie in der folgenden Tabelle 1 beschrieben sind, auf die die Bedingungen der Aufkohlungstemperatur und -zeit, der Ölabschreckungstemperatur und der Tempertemperatur und -zeit angewendet wurden, die in der folgenden Tabelle 2 beschrieben sind. [Tabelle 1]

Klassifizierung	Einheit	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Vergleichsbeispiel 3	Beispiel 1	Beispiel 2
C	Gew.-%	0,19	0,20	0,22	0,33	0,18
Si	Gew.-%	0,63	0,62	0,63	0,55	1,86
Mn	Gew.-%	0,65	0,61	0,58	0,78	1,23
Cr	Gew.-%	2,06	3,64	3,73	1,75	2,99
Ni	Gew.-%	-	-	-	0,15	0,58
Mo	Gew.-%	0,38	-	0,16	0,25	0,48
Nb	Gew.-%	0,029	0,026	0,025	0,052	0,066
V	Gew.-%	-	-	-	0,16	0,29
Ti	Gew.-%	-	0,0018	-	0,18	0,04
B	Gew.-%	-	0,013	-	0,000043	0,000026
N	Gew.-%	0,0079	0,0067	0,0083	0,006	0,0053

In Tabelle 1 wurden die Bestandteile und die Gehalte der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 gemäß dem bestehenden Legierungsstahl und die Bestandteile und die Gehalte der Beispiele 1 und 2 gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept verglichen. [Tabelle 2]

Klassifizierung	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Vergleichsbeispiel 3	Beispiel 1	Beispiel 2
Aufkohlungstemperatur (°C)/Zeit (Std.)	930/3,5	940/1,65	930/1,8	930/3,5	980/2,33
Ölabschreckungstemperatur (°C)	110	100	110	80	120
Anlasstemperatur (°C)/Zeit (Std.)	180/2,3	170/2,3	190/2,5	150/3	200/1

Tabelle 2 ist eine Tabelle, in der unter den Herstellungsbedingungen der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 und der Beispiele 1 und 2 mit den Bestandteilen und den Gehalten der Tabelle 1 die Aufkohlungstemperaturen und -zeiten, die Ölabschreckungstemperaturen sowie die Tempertemperaturen und -zeiten verglichen werden. Hier entsprachen alle Vergleichsbeispiele 1 bis 3 und Beispiele 1 und 2 der Aufkohlungstemperatur und -zeit, der Ölabschreckungstemperatur und der Tempertemperatur und -zeit gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept. [Tabelle 3]

Klassifizierung	Vergleichsbeispiel 1	Vergleichsbeispiel 2	Vergleichsbeispiel 3	Beispiel 1	Beispiel 2
Oberflächenhärte (HV)	725	732	744	826	832
Kernhärte (HV)	494	511	515	545	538
Zugfestigkeit (MPa)	1066	1209	1216	1235	1243
Streckgrenze (MPa)	959	1075	1093	1096	1127
Aufkohlungstiefe (mm)	0,70	0,72	0,73	0,77	0,79
Kerbschlagwert (J)	26,8	23,6	38,8	47,3	48,6
Rotationsbiegefestigkeit (K)	106	117	127	149	152
Kontakt-Dauerhaltbarkeit (Zeit, Zyklus)	4.170.000	8.380.000	9.060.000	13.400.000	14.800.000
Niederschlagsanteil (%)	0,04	0,05	0,04	0,08	0,08
Martensit-Anteil (%)	41	39	42	87	88

Tabelle 3 ist eine Tabelle, in der, nachdem die Vergleichsbeispiele 1 bis 3 und die Beispiele 1 und 2 mit den Bestandteilen und den Gehalt der Tabelle 1 unter der Bedingung der Tabelle 2 hergestellt worden sind, Oberflächenhärten, Kernhärten, Zugfestigkeiten, Streckgrenzen, Aufkohlungstiefen, Kerbschlagwerte, Rotationsbiegefestigkeiten und Kontakt-Dauerhaltbarkeiten, Niederschlagsanteile und Martensit-Anteile verglichen werden.
Oberflächenhärte und Kernhärte wurden gemäß dem KS B 0811-Messverfahren unter Verwendung des Mikro-Vickers-Härteprüfgeräts gemessen und im Fall der Rotationsbiegefestigkeit wurde die L10-Lebensdauer gemäß dem KS B ISO 1143-Messverfahren unter der Bedingung des maximalen Flexionsmoments von etwa 20 kgfm, der Rotationszahl von etwa 200 bis 3000 U/min, der maximalen Last von etwa 100 kg oder weniger und der elektrischen Energie von drei Phasen, 220 V, und 7 kW unter Verwendung des Standard-Leitungsdurchmessers von etwa 4 mm durch das Rotationsbiegedauerfestigkeitsprüfgerät gemessen.
Die L10-Lebensdauer ist die Dauerfestigkeitsbewertung der Probe und bedeutet die Gesamt-Rotationszahl des Rotationsbiegedauerfestigkeitsprüfgeräts, bis etwa 10% der Probe beschädigt ist. Darüber hinaus wurde im Fall der Kontaktermüdung die Rotationszahl der Walze für die Kontaktermüdungsprüfung, bis sich Risse in der Probe bildeten, unter der Bedingung eines Oberflächendrucks von etwa 332 kg/mm², der Schmiermitteltemperatur von etwa 80°C und der Schmiermittelmenge von etwa 1,2 l/min durch Verwendung der Kontaktermüdungsprüfapparatur gemessen.
Beispiele 1 und 2 zeigten Werte für die Oberflächenhärte und die Kernhärte, die beide höher waren als diejenigen der Vergleichsbeispiele 1 bis 3, die Werte für die Zugfestigkeit und Streckgrenze waren am höchsten bei Beispiel 2, die Aufkohlungstiefe der Beispiele 1 und 2 war größer als diejenige der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 und der Kerbschlagwert, die Rotationsbiegefestigkeit und die Kontaktdauerhaltbarkeit der Beispiele 1 und 2 waren besser als diejenigen der Vergleichsbeispiele 1 bis 3. Weiterhin konnte bestätigt werden, dass sowohl der Niederschlagsanteil als auch der Martensit-Anteil verbessert waren.
Daher konnte bestätigt werden, dass in den Beispielen 1 und 2 gemäß dem vorliegenden erfinderischen Konzept im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 die Oberflächenhärte um etwa 10% besser war, die Kernhärte um etwa 12% besser war, Zugfestigkeit und Streckgrenze jeweils um etwa 5% besser waren, die Aufkohlungstiefe um etwa 7% besser war, der Kerbschlagwert um etwa 52% besser war, die Rotationsbiegefestigkeit um etwa 24% besser war und die Kontaktdauerhaltbarkeit um etwa 72% besser war.
Wie vorstehend beschrieben, ist das vorliegende erfinderische Konzept in Bezug auf spezifische Ausführungsformen des vorliegenden erfinderischen Konzepts beschrieben worden, aber die Ausführungsformen sind nur Veranschaulichung und das vorliegende erfinderische Konzept ist nicht darauf beschränkt. Beschriebene Ausführungsformen können vom Fachmann auf dem Gebiet, zu dem das vorliegende erfinderische Konzept gehört, verändert oder modifiziert werden, ohne vom Umfang des vorliegenden erfinderischen Konzepts abzuweichen, und verschiedene Veränderungen und Modifikationen sind im technischen Geist des vorliegenden erfinderischen Konzepts und dem äquivalenten Umfang der Ansprüche, die im Folgenden beschrieben werden, möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 10-2015-52243 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

(Corporate average fuel economy, CAFE), in den USA bis zum Jahr 2025 [0004]
KS B ISO 1143-Messverfahren [0065]

Claims

Aufgekohlter Legierungsstahl, umfassend: bezogen auf ein Gesamtgewicht des aufgekohlten Legierungsstahls, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Silizium, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Chrom, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Molybdän, mehr als 0 bis 0,07 Gew.-% Niob und als Rest Eisen.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 1, der zudem umfasst: Nickel.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 2, wobei ein Gehalt an Nickel 0,1 bis 0,6 Gew.-% beträgt.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 1, der zudem umfasst: Vanadium.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 4, wobei ein Gehalt an Vanadium mehr als 0 bis 0,3 Gew.-% beträgt.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 1, der zudem umfasst: Titan.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 6, wobei ein Gehalt an Titan mehr als 0 bis 0,2 Gew.-% beträgt.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 1, der zudem umfasst: Stickstoff.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 8, wobei ein Gehalt an Stickstoff mehr als 0 bis 0,015 Gew.-% beträgt.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 1, der zudem umfasst: Bor.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 10, wobei ein Gehalt an Bor 0,00002 bis 0,00005 Gew.-% beträgt.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 1, der zudem umfasst: mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Vanadium, Titan, Stickstoff und Bor.
Aufgekohlter Legierungsstahl nach Anspruch 12, wobei ein Gehalt an Nickel 0,1 bis 0,6 Gew.-% beträgt, ein Gehalt an Vanadium mehr als 0 bis 0,3 Gew.-% beträgt, ein Gehalt an Titan mehr als 0 bis 0,2 Gew.-% beträgt, ein Gehalt an Stickstoff mehr als 0 bis 0,015 Gew.-% beträgt und ein Gehalt an Bor 0,00002 bis 0,00005 Gew.-% beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines aufgekohlten Legierungsstahls, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aufkohlen eines Legierungsstahls, umfassend, bezogen auf ein Gesamtgewicht des aufgekohlten Legierungsstahls, 0,1 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Silizium, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 1,5 bis 3,0 Gew.-% Chrom, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Molybdän, mehr als 0 bis 0,07 Gew.-% Niob und als Rest Eisen, bei 880 bis 940°C für 1,5 bis 2 Stunden; Abschrecken des aufgekohlten Legierungsstahls in Öl bei 80 bis 120°C; und Tempern des in Öl abgeschreckten Legierungsstahls bei 170 bis 200°C für 1 bis 3 Stunden.
Getriebe für ein Fahrzeug, das unter Verwendung des aufgekohlten Legierungsstahls nach Anspruch 1 hergestellt wird.