DE102015222206A1 - Gegen Überhitzung unempfindlicher, feinkörniger, legierter Stahl zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Gegen Überhitzung unempfindlicher, feinkörniger, legierter Stahl zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung und Verfahren zum Herstellen desselben Download PDF

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Abstract

Ein feinkörniger, legierter Stahl enthält Eisen (Fe) als Hauptbestandteil und – bezogen auf das Gesamtgewicht des legierten Stahls – 0,40 bis 0,55 Gew.-% Kohlenstoff (C), 0,20 bis 0,40 Gew.-% Silizium (Si), 0,8 bis 1,0 Gew.-% Mangan (Mn), 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), 0,045 Gew.-% Aluminium (Al) sowie die unvermeidbaren Verunreinigungen.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Die Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2015-0100871 , die am 16. Juli 2015 beim koreanischen Patentamt eingereicht wurde und auf deren Offenbarung hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen legierten Stahl, der in einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug verwendet wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben und, genauer gesagt, einen gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahl zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung, bei der ein Index bzw. eine Kennzahl für die Korngröße von Austenit beibehalten wird und die auf eine wirksame Weise die Festigkeit und die Belastbarkeit verbessern kann, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben.
  • Hintergrund
  • Um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern wurden in den letzten Jahren ein Verfahren zur Steigerung der Effizienz eines Verbrennungsmotors sowie ein Verfahren zum Herstellen eines leichten Fahrzeugs entwickelt. Von diesen Verfahren wird das Verfahren zum Herstellen eines leichten Fahrzeugs weithin dazu eingesetzt, die Kraftstoffeinsparung des Fahrzeugs zu verbessern. Bei der Verwendung solcher Verfahren können jedoch die Festigkeit und die Haltbarkeit eines Fahrzeugs abnehmen. In der Fahrzeugindustrie besteht daher der Bedarf, diese Probleme zu lösen.
  • In der Fahrzeugindustrie werden aktuell Technologien zur Umweltfreundlichkeit und Energieeinsparung entwickelt, bei denen das Gewicht eines Fahrzeugs zum Zwecke der Kraftstoffeinsparung reduziert wird. So wurden zum Beispiel hohle Materialien zum Herstellen eines Fahrzeugteils eingesetzt. Gegenüber Fahrzeugteilen aus festen bzw. kompakten Bauteilen können die Eigenschaften eines solchen hohlen Bauteils während des Herstellungsverfahrens jedoch Schwankungen unterliegen.
  • Zum Beispiel wird ein stangenförmiges Bauteil zur Kraftübertragung, wie beispielsweise eine Gelenkwelle, mit der ein Rad des Fahrzeugs mit einem Achsantrieb gekoppelt wird, mit Hilfe eines solchen hohlen Materials hergestellt. Während der Herstellung der Gelenkwelle nimmt jedoch die Sprödheit der Gelenkwelle mit dem Wachstum der Körner und durch eine Vergröberung der Körner durch ein Überhitzen im Rahmen der Hochfrequenz-Wärmebehandlung zu, was zu Rissen und einer Beschädigung der Gelenkwelle führt.
  • Um die vorstehend angegebenen Probleme zu lösen, wurde im Stand der Technik ein legierter Stahl aus feinkörnigen Materialien, wie beispielsweise ein hoch verfestigter, legierter Stahl, als Material für eine Gelenkwelle eingesetzt, um so sowohl die Festigkeit als auch die Belastbarkeit des legierten Stahl sicherzustellen. Hierfür wurde ein Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, mit dem ein feinkörniger, legierter Stahl erzielt werden konnte und eine Verfeinerung bzw. Kornfeinung der Körner erreicht werden konnte. Der feinkörnige, legierte Stahl wird bei einer hohen Frequenz wärmebehandelt, um eine Kornfeinung der Körner zu erreichen und eine Vergröberung der Körner zu verhindern, wenn die Körner auf eine Temperatur von 1.000°C oder höher erwärmt, das heißt, überhitzt, werden.
  • Die 1 zeigt den Querschnitt einer herkömmlichen Gelenkwelle. Die Gelenkwelle weist einen stangenförmigen Abschnitt auf, der zum Zwecke der Kraftübertragung die Räder eines Fahrzeugs mit einer Achsantriebseinheit koppelt. Bei einem Aufhängungsmechanismus bzw. Federungssystem muss sich die Gelenkwelle frei nach oben und unten bewegen können, da die Achsantriebseinheit fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist, wohingegen sich die Räder jedoch unabhängig voneinander bewegen können.
  • Wie in der 1 gezeigt ist, weist die Gelenkwelle mit hohler Form einen Stummel aus einem festen Material bzw. einen massiven Stummel, dessen innerer Teil mit einem legierten Stahl gefüllt ist, sowie ein hohles Rohr, dessen innerer Teil leer ist, auf. Obwohl so eine hohle Gelenkwelle entwickelt wurde, um die Kraftstoffeinsparung zu verbessern und das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren, sind die Eigenschaften der hohlen Gelenkwelle im Vergleich zu einer massiven Gelenkwelle schlecht. Zudem kann, wenn eine Hochfrequenz-Wärmebehandlung unter den Bedingungen einer Überhitzung, das heißt bei einer Temperatur von 1.000°C oder höher, durchgeführt wird, die Sprödheit eines legierten Stahls während der Herstellung der Gelenkwelle zunehmen, da die Körner des legierten Stahls eine Vergröberung erfahren, was zu Rissen und Beschädigungen der Gelenkwelle führt.
  • Die 2 zeigt die Aufnahme eines herkömmlichen, legierten Stahls unter einem Transmissionselektronenmikroskop (transmission electron microscope, TEM). Bei normalen, legierten Stählen kann im Allgemeinen festgestellt werden, dass die Korngröße des legierten Stahls bei annähernd 10 μm erhalten bleibt, wie dies in der 3 gezeigt ist. Es lässt sich jedoch auch erkennen, dass sich die Körner des legierten Stahls vergröbern, wenn der legierte Stahl während der Hochfrequenz-Wärmebehandlung überhitzt wird. Aufgrund einer solchen Vergröberung kann die Sprödheit zunehmen und daher werden der massive Stummel der Gelenkwelle oder das hohle Rohr der Gelenkwelle beschädigt. Die Körner des legierten Stahls, der in einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug eingesetzt wird, müssen daher eine Kornfeinung unterzogen werden, wenn sie eine Hochfrequenz-Wärmebehandlung erfahren sollen, damit die Sicherheit und die Haltbarkeit des Fahrzeugs gewährleistet werden können.
  • Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, wurde zwar ein Verfahren zum Verfestigen eines legierten Stahls eingesetzt, es müssen jedoch auch feinkörnige, legierte Stähle entwickelt werden, um sowohl die Festigkeit als auch die Belastbarkeit des legierten Stahls sicherstellen zu können.
  • Es besteht entsprechend der Bedarf danach, die Steifheit einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug zu erhöhen und die Haltbarkeit der Gelenkwelle zu verbessern, indem ein legierter Stahl verwendet wird, der eine ausgezeichnete Festigkeit und Belastbarkeit besitzt, so dass die Eigenschaften des Fahrzeugs verbessert werden können. Daneben kann die Kraftstoffeinsparung verbessert werden, indem ein hohles Fahrzeugteil verwendet wird und einer Umweltverschmutzung kann vorgebeugt werden, indem die Lebensdauer des hohlen Fahrzeugteils gesteigert wird.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Offenbarung erfolgte im Lichte der vorstehend angegebenen Probleme. Ein Aspekt des vorliegenden erfinderischen Konzepts stellt ein Verfahren zum Herstellen eines feinkörnigen, legierten Stahls bereit, wobei ein Wärmebehandlungsverfahren zum Entwickeln eines feinkörnigen, legierten Stahls und zur Kornfeinung der Körner zum Einsatz kommt. Der feinkörnige, legierte Stahl enthält als Hauptbestandteil Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Aluminium (Al), Titan (Ti), Niobium (Nb), Bor (B) sowie die unvermeidbaren Verunreinigungen. Mit dem Verfahren ist es daher möglich, eine Kornfeinung der Körner nach der Hochfrequenz-Wärmebehandlung zu erreichen und ebenso einer Vergröberung der Körner selbst bei einer Überhitzung derselben vorzubeugen.
  • Ein weiterer Aspekt des vorliegenden erfinderischen Konzepts stellt eine Gelenkwelle für ein Fahrzeug bereit, die unter Verwenden eines feinkörnigen, legierten Stahls hergestellt wurde.
  • Die technischen Aspekte des vorliegenden erfinderischen Konzepts sind nicht auf die vorstehend gemachten Angaben beschränkt und ein Fachmann wird der nachfolgend angegebenen, ausführlichen Beschreibung eindeutig weitere technische Aspekte, die hierin nicht beschrieben sind, entnehmen können.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts enthält ein feinkörniger, legierter Stahl als Hauptbestandteil Fe und – jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls – 0,40 bis 0,55 Gew.-% C, 0,20 bis 0,40 Gew.-% Si, 0,8 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Cr, 0,045 Gew.-% Al sowie die unvermeidbaren Verunreinigungen,.
  • Der feinkörnige, legierte Stahl kann ferner Molybdän (Mo) enthalten, wobei Mo mit einem Anteil von 0,20 bis 0,45 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des legierten Stahls, enthalten sein kann.
  • Der feinkörnige, legierte Stahl kann ferner Titan (Ti) enthalten, wobei Ti mit einem Anteil von 0,03 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten sein kann.
  • Der feinkörnige, legierte Stahl kann ferner Niobium (Nb) enthalten, wobei Nb mit einem Anteil von 0,025 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten sein kann.
  • Der feinkörnige, legierte Stahl kann ferner Bor (B) enthalten, wobei B mit einem Anteil von 0,0020 bis 0,0040 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten sein kann.
  • Der feinkörnige, legierte Stahl kann zudem Mo, Ti, Nb und B enthalten, wobei Mo, Ti, Nb und B mit einem Anteil von 0,20 bis 0,45 Gew.-%, mit einem Anteil von 0,030 Gew.-%, mit einem Anteil von 0,025 bis 0,05 Gew.-% bzw. mit einem Anteil von 0,0020 bis 0,0040 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten sein können.
  • C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb können eine Kennzahl F für die Kornfeinung von 8,5 bis 12 aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts umfasst ein Verfahren zum Herstellen ein feinkörnigen, legierten Stahls das Mischen von C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb, um einen legierten Stahl als Ausgangsmaterial vorzubereiten, das Erwärmen des legierten Stahls, das Warmschmieden des erwärmten, legierten Stahls, das Vergüten, d. h. Abschrecken und Tempern, des warmgeschmiedeten, legierten Stahls und das Wärmebehandeln des vergüteten, legierten Stahls mit einer hohen Frequenz. C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb weisen eine Kennzahl F für die Kornfeinung von 8,5 bis 12 auf, für die Folgendes gilt: F = 10 × [C] + 0,33 × [Si] + 0,2 × [Mn] + 0,7 × ([Cr] + [Mo]) + 0,5 × ([Ti] + [Al] + [Nb]), wobei [C] 0,54 × (der Anteil an C (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an C größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,39 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,39 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,55 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an (Gew.-%)) – 0,38 × (der Anteil an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,55 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,65 Gew.-% ist, 0,143 + 0,2 × (der Anteil an C (Gew.-%) ist, wenn der Anteil an C größer als 0,65 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,75 Gew.-% ist, und 0,062 + 0,409 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,135 × (der Anteil an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,75 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,9 Gew.-% ist. [Si] ist 1 + 0,7 × (der Anteil an Si (Gew.-%)), wenn der Anteil an Si größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,4 Gew.-% ist. [Mn] ist 1,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)), wenn der Anteil an Mn größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,8 Gew.-% ist, 3,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) + 1, wenn der Anteil an Mn größer als 0,8 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist und 2,1 x (der Anteil an Mn (Gew.-%)) – 1,12, wenn der Anteil an Mn größer als 1,0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,95 Gew.-% ist. [Cr] ist 1 + 2,16 x (der Anteil an Cr (Gew.-%)), wenn der Anteil an Cr größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 2,0 Gew.-% ist. [Mo] ist 1, wenn der Anteil an Mo größer als 0 Gew.-% und kleiner 0,2 Gew.-% ist und 1 + 3 × (der Anteil an Mo (Gew.-%)), wenn der Anteil an Mo größer als oder gleich 0,2 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist. [Ti] ist 145 x (der Anteil an Ti (Gew.-%)), wenn der Anteil an Ti größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,03 Gew.-% ist, und 4,35, wenn der Anteil an Ti größer als 0,03 Gew.-% ist. [Al] ist 1,73 × (der Anteil an Al (Gew.-%)), wenn der Anteil an Al größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist. [Nb] ist 1 + 0,363 × (der Anteil an Nb (Gew.-%)), wenn der Anteil an Nb größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist.
  • Das Verfahren kann ferner das Reibungsschweißen des vergüteten, feinkörnigen, legierten Stahls nach dem Schritt des Vergütens, d. h. des Abschreckens und Temperns, umfassen.
  • Der Schritt des Vergütens kann das Abschrecken des warmgeschmiedeten, feinkörnigen, legierten Stahls mit einer ersten hohen Frequenz, das Abschrecken des warmgeschmiedeten, feinkörnigen, legierten Stahls mit einer zweiten hohen Frequenz und das Tempern des warmgeschmiedeten, feinkörnigen, legierten Stahls umfassen. Das Abschrecken mit der ersten hohen Frequenz kann bei einem Strom von 310 A bis 410 A, bei einer Spannung von 270 V bis 370 V und mit einer Frequenz von größer als 0 kHz bis 5 kHz erfolgen und das Abschrecken mit der zweiten hohen Frequenz kann bei einem Strom von 310 A bis 410 A, bei einer Spannung von 270 V bis 370 V und mit einer Frequenz von 30 kHz bis 50 kHz erfolgen.
  • Das Tempern kann bei einer während des Temperns gehaltenen Temperatur (Haltetemperatur des Temperns) von 180°C für eine Dauer der Wärmebehandlung von 3 Stunden durchgeführt werden.
  • Gemäß einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts wird eine hohle Gelenkwelle für ein Fahrzeug bereitgestellt, die unter Verwenden eines Verfahrens zum Herstellen eines feinkörnigen, legierten Stahls hergestellt wurde. Das Verfahren umfasst das Mischen von C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb, um einen legierten Stahl als Ausgangsmaterial vorzubereiten, das Erwärmen des legierten Stahls, das Warmschmieden des erwärmten, legierten Stahls, das Vergüten, d. h. Abschrecken und Tempern, des warmgeschmiedeten, legierten Stahls und das Wärmebehandeln des vergüteten, legierten Stahls mit einer hohen Frequenz. C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb weisen eine Kennzahl F für die Kornfeinung von 8,5 bis 12 auf, für die Folgendes gilt:
    F = 10 × [C] + 0,33 [Si] + 0,2 × [Mn] + 0,7 ([Cr] + [Mo]) + 0,5 × ([Ti] + [Al] + [Nb]), wobei [C] 0,54 × (der Anteil an C (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an C größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,39 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,39 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,55 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an C größer als 0,55 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,65 Gew.-% ist, 0,143 + 0,2 × (der Anteil an C (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an C größer als 0,65 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,75 Gew.-% ist und 0,062 + 0,409 × (der Gehalt an C (Gew.-%)) – 0,135 × (der Gehalt an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,75 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,9 Gew.-% ist. [Si] ist 1 + 0,7 × (der Anteil an Si (Gew.-%)), wenn der Anteil an Si größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,4 Gew.-% ist. [Mn] ist 1,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)), wenn der Anteil an Mn größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,8 Gew.-% ist, 3,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) + 1, wenn der Anteil an Mn größer als 0,8 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist, und 2,1 x (der Anteil an Mn (Gew.-%)) – 1,12 ist, wenn der Anteil an Mn größer als 1,0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,95 Gew.-% ist. [Cr] ist 1 + 2,16 x (der Anteil an Cr (Gew.-%)), wenn der Anteil an Cr größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 2,0 Gew.-% ist. [Mo] ist 1, wenn der Anteil an Mo ist größer als 0 Gew.-% und kleiner als 0,2 Gew.-% ist, und 1 + 3 × (der Anteil an Mo (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Mo größer als oder gleich 0,2 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist. [Ti] ist 145 × (der Anteil an Ti (Gew.-%)), wenn der Anteil an Ti größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,33 Gew.-% ist, und 4,35, wenn der Anteil an Ti größer als 0,03 Gew.-% ist. [Al] ist 1,73 × (der Anteil an Al (Gew.-%)), wenn der Anteil an Al größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist. [Nb] ist 1 + 0,363 × (der Anteil an Nb (Gew.-%)), wenn der Anteil an Nb größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die vorstehend angegebenen und weitere Aspekte, Merkmale und weitere Vorteile des vorliegenden erfinderischen Konzepts werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher ersichtlich.
  • 1 zeigt eine Querschnittansicht einer herkömmlichen Gelenkwelle für ein Fahrzeug.
  • 2 zeigt die Aufnahme eines legierten Stahls, bei welchem sich die Körner nach einer herkömmlichen Hochfrequenz-Behandlung vergröbert haben, unter einem Transmissionselektronenmikroskop.
  • 3 zeigt die Aufnahme eines legierten Stahls, bei welchem die Körner nach einer herkömmlichen Hochfrequenz-Behandlung eine Kornfeinung erfuhren, unter einem Transmissionselektronenmikroskop.
  • 4 zeigt einen Graphen, der die Menge an Niederschlägen in dem Zustand einer nicht festen Lösung bzw. eines Nicht-Mischkristalls je nach der Temperatur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts veranschaulicht.
  • 5 zeigt einen Graphen, der die Korngröße eines legierten Stahls je nach dem Anteil an Mo gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts veranschaulicht.
  • 6 zeigt die Aufnahme von Mo-Carbiden, die an den Korngrenzen verteilt sind bzw. sich an den Korngrenzen abgesetzt haben, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts unter einem Transmissionselektronenmikroskop.
  • 7 zeigt einen Graphen, der die Härte eines legierten Stahls je nach dem Anteil an Cr gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts veranschaulicht.
  • 8 zeigt einen Graphen, der die Härte eines legierten Stahls je nach dem Anteil an Ti gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts veranschaulicht.
  • 9 zeigt einen Graphen, der die Ergebnisse veranschaulicht, die bei einem Vergleich der Drehwechselfestigkeiten von legierten Stählen aus den Beispielen, bei denen die entsprechenden Legierungsbestandteile mit ihren unteren und oberen Grenzen zugegeben wurden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts, mit der Drehwechselfestigkeit eines legierten Stahls, bei dem eine übermäßig große Menge der entsprechenden Legierungsbestandteile zugegeben wurde, erhalten wurden.
  • 10 zeigt eine Aufnahme von Körnern eines legierten Stahls, der unter Verwenden eines Ausgangsmaterials, welches aus den üblicherweise verwendeten Legierungsbestandteilen hergestellt worden war, mit einem Wärmebehandlungsverfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts hergestellt wurde, unter einem Transmissionselektronenmikroskop.
  • 11 zeigt eine Aufnahme eines feinkörnigen, legierten Stahls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts unter einem Transmissionselektronenmikroskop.
  • 12 zeigt den Ablaufplan eines Verfahrens zum Herstellen eines feinkörnigen, legierten Stahls, der in einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug eingesetzt wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Im Folgenden werden – unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren – beispielhafte Ausführungsformen des vorliegenden erfinderischen Konzepts ausführlich beschrieben. Vor dem Lesen der Beschreibung sollte verstanden werden, dass die in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe nicht als auf ihre allgemeine Bedeutung und ihre Bedeutung einem Lexikon nach eingeschränkt betrachtet werden sollten, sondern ihrer Bedeutung und den Grundlagen, die aus den technischen Aspekten des vorliegenden erfinderischen Konzepts hervorgehen, nach ausgelegt werden sollten, wobei zugrunde gelegt wird, dass ein Erfinder Begriffe in geeigneter Weise so definieren darf, dass sie einen Zusammenhang bestmöglich erklären. Die hierin angegebene Beschreibung stellt daher lediglich ein Beispiel zu Veranschaulichungszwecken dar und soll den Umfang der Erfindung in keiner Weise einschränken, wobei klar ist, dass verschiedene weitere Äquivalente und Modifikationen möglich sind, die an die Stelle derjenigen treten können, die zum Zeitpunkt des Einreichens der vorliegenden Anmeldung Bestand hatten, ohne dadurch vom eigentlichen Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Es wird nun ausführlich auf die beispielhaft angegebenen Ausführungsformen des vorliegenden erfinderischen Konzepts Bezug genommen, die anhand von Beispielen in den beigefügten Figuren gezeigt sind. Nach Möglichkeit bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren jeweils die gleichen oder ähnliche Bauteile.
  • Die vorliegende Offenbarung ist auf Fahrzeugteile, die einer Hochfrequenz-Wärmebehandlung unterzogen werden, wie beispielsweise eine Gelenkwelle, und auf die Kornfeinung von Körnern eines legierten Stahls, der in den Fahrzeugteilen eingesetzt wird, mittels der Hochfrequenz-Wärmebehandlung des legierten Stahls gerichtet. Die Offenbarung ist ferner darauf gerichtet, einer Vergröberung der Körner des legierten Stahls selbst bei einer Wärmebehandlung des legierten Stahls unter einem Zustand der Überhitzung, das heißt, bei einer Temperatur von 1.000°C oder höher, vorzubeugen. Genauer gesagt, ist die vorliegende Offenbarung auf eine starke Kornfeinung der Körner des legierten Stahls mit Hilfe eines zweifach erfolgenden Abschreckens bei einer hohen Frequenz gerichtet. Daneben ist die vorliegende Offenbarung auf die Entwicklung eines legierten Stahls gerichtet, der dazu in der Lage ist, einer Vergröberung der Körner des legierten Stahls selbst dann vorzubeugen, wenn das Abschrecken zweimal direkt hintereinander erfolgt.
  • Die vorliegende Offenbarung dient dazu, den vorstehend beschriebenen Anforderungen zu genügen und ist daher auf Fahrzeugteile, die einer Hochfrequenz-Wärmebehandlung unterzogen werden, das heißt, einen gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahls zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung für eine Gelenkwelle, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben gerichtet. Gemäß einem Aspekt offenbart die vorliegende Beschreibung einen gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahl zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung.
  • Die vorliegende Offenbarung ist dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile der Legierung, wie beispielsweise Ti und Nb, die selbst dann im Zustand eines Nicht-Mischkristalls erhalten bleiben können, wenn die Legierungsbestandteile während einer Hochfrequenz-Wärmebehandlung überhitzt werden, zu einem legierten Stahl gegeben werden, um einer Vergröberung des legierten Stahls bei einer hohen Temperatur vorzubeugen, da die Niederschläge eine Art Hammerwirkung auf die Korngrenzen ausüben. Mo und B werden zugegeben, um das Abschreckverhalten und die Kornfeinung der Körner zu erhöhen und um sowohl die Festigkeit als auch die Belastbarkeit des legierten Stahls sicherzustellen, und B wird auch zugegeben, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
  • Der legierte Stahl, der in einer Hochfrequenz-Wärmebehandlung zum Herstellen von Fahrzeugteilen verwendet wird, kann daher gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts als Hauptbestandteil Fe und – jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des legierten Stahls – 0,40 bis 0,55 Gew.-% C, 0,20 bis 0,40 Gew.-% Si, 0,8 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Cr, 0,045 Gew.-% Al sowie die unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten.
  • Daneben kann der legierte Stahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts gebildet werden, indem, wenn erforderlich, selektiv wenigstens eines zugegeben wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus 0,20 bis 0,45 Gew.-% Mo, 0,030 Gew.-% Ti, 0,025 bis 0,05 Gew.-% Nb und 0,0020 bis 0,0040 Gew.-% B.
  • Bei dem feinkörnigen, legierten Stahl, der gemäß der vorliegenden Offenbarung entwickelt wurde, sind die Anteile eines Legierungsbestandteils und die Temperatur der Hochfrequenz-Wärmebehandlung und deren Dauer so optimiert, dass die Austenitkörner mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wärmebehandlung eine Kornfeinung erfahren und gleichzeitig einer Vergröberung der Austenitkörner und der Erzeugung anomaler bzw. unregelmäßiger Körner vorgebeugt werden kann, was wiederum zu einer Kornfeinung der Austenitkörner beiträgt. Generell kann die Festigkeit des legierten Stahls abnehmen, wenn sie erhöht werden soll, aber sowohl die Festigkeit als auch die Belastbarkeit des legierten Stahls können verbessert werden, wenn eine Kornfeinung der Körner des legierten Stahls erreicht wird, wodurch auch die Lebensdauer der Fahrzeugteile maximiert wird (Hall-Petch-Effekt).
  • Bei dem feinkörnigen, legierten Stahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts werden die Bestandteile für den feinkörnigen, legierten Stahl anhand der „Kennzahl F für die Kornfeinung” ausgewählt. Die Kennzahl F für die Kornfeinung ist ein aussagekräftiger Wert, wenn der legierte Stahl bei 1.000°C oder mehr überhitzt wird. Wenn die Kennzahl F für die Kornfeinung 8,5 < F < 12 ist, können die Körner des legierten Stahls eine Kornfeinung erfahren und einer Vergröberung der Körner kann vorgebeugt werden. Wenn die Kennzahl für die Kornfeinung zunimmt, können somit überragende Effekte, wie beispielsweise eine überragende Festigkeit und Belastbarkeit des legierten Stahls, erzielt werden. Wenn die Kennzahl für die Kornfeinung kleiner als oder gleich 8,5 ist, beträgt eine Korngröße des legierten Stahls annähernd 30 μm, wodurch es unmöglich wird, eine Kornfeinung der Körner des legierten Stahls zu erreichen. Wenn die Kennzahl für die Kornfeinung größer als oder gleich 12 ist, kann es nicht möglich sein, Einschlüsse bzw. Inklusionen im legierten Stahl geeignet zu handhaben und daher kann die Ermüdungsfestigkeit aufgrund des Vorhandenseins von Niederschlägen erheblich abnehmen. F = 10 × [C] + 0,33 × [Si] + 0,2 × [Mn] + 0,7 × ([Cr] + [Mo]) + 0,5 × ([Ti] + [Al] + [Nb]) <Gleichung 1>
  • Die Kennzahl für die Kornfeinung ist in der Gleichung 1 dargestellt. Die Gleichung 1 ist ein Ausdruck, der aus der Gleichung des Standards ASTM A 255-89 hergeleitet wurde, laut der die Effekte verschiedener Legierungsbestandteile in Zahlenwerten ausgedrückt sind.
  • Genauer gesagt, ist der Wert der Gleichung 1 wie folgt zusammengesetzt.
  • [C] ist 0,54 × (der Anteil an C (Gew.-%)), wenn der Anteil an C größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,39 Gew.-% ist; 0,171 + 0,001 × (der Anteil an C (Gew.-%)) + 0,265 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,39 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,55 Gew.-% ist; 0,115 + 0,268 x (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,55 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,65 Gew.-% ist; 0,143 + 0,2 × (der Anteil an C (Gew.-%)), wenn der Anteil an C größer als 0,65 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,75 Gew.-% ist; und 0,062 + 0,409 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,135 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,75 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,9 Gew.-% ist.
  • [Si] ist 1 + 0,7 × (der Anteil an Si (Gew.-%)), wenn der Anteil an Si größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,4 Gew.-% ist.
  • Daneben ist [Mn] 1,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)), wenn der Anteil an Mn größer als 0 Gew.-% oder kleiner als oder gleich 0,8 Gew.-% ist; 3,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) + 1, wenn der Anteil an Mn größer als 0,8 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist; und 2,1 x (der Anteil an Mn (Gew.-%)) – 1,12, wenn der Anteil an Mn größer als 1,0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,95 Gew.-% ist.
  • [Cr] ist ferner 1 + 2,16 x (der Anteil an Cr (Gew.-%)), wenn der Anteil an Cr größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 2,0 Gew.-% ist.
  • Zudem ist [Mo] 1, wenn der Anteil an Mo größer als 0 Gew.-% und kleiner als 0,2 Gew.-% ist; und 1 + 3 × (der Anteil an Mo (Gew.-%)), wenn der Anteil an Mo größer als oder gleich 0,2 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist.
  • [Ti] ist daneben 145 x (der Anteil an Ti (Gew.-%)), wenn der Anteil an Ti größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,03 Gew.-% ist; und 4,35, wenn der Anteil an Ti größer als 0,03 Gew.-% ist.
  • Zudem ist [Al] 1,73 × (der Anteil an Al (Gew.-%)), wenn der Anteil an Al größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist.
  • Des Weiteren ist [Nb] 1 + 0,363 × (der Anteil an Nb (Gew.-%)), wenn der Anteil an Nb größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist.
  • Genauer gesagt, sind die Gründe für die Einschränkung der Zahlenwerte der Bestandteile, die den legierten Stahl bilden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts folgende.
  • (1) 0,40 bis 0,50 Gew.-% C
  • Kohlenstoff (C) ist von allen chemischen Bestandteilen dasjenige Element, welches die Zwischenräume in einer Matrix am stärksten festigt, unter Bildung von Carbiden an ein Element, wie beispielsweise Cr bindet, und daher die Festigkeit und Härte verbessert und Carbidniederschläge bildet.
  • Um nach der Hochfrequenz-Wärmebehandlung die gleiche Oberflächenhärte wie bei herkömmlichen Materialien sicherzustellen, kann der Anteil an C in einem Bereich von annähernd 0,40 bis 0,50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des legierten Stahls, liegen. Wenn der Anteil an C kleiner als annähernd 0,40 Gew.-% ist, kann die Festigkeit des legierten Stahls abnehmen und die Härte des legierten Stahls kann nicht gewährleistet werden. In diesem Fall kann die Wirkung der Wärmebehandlung bei weniger als annähernd 0,40 Gew.-% nicht erreicht werden, da die Hochfrequenz-Wärmebehandlung bei Stählen mit einem mittelmäßig hohen oder einem hohen Anteil an Kohlenstoff keine Wirkung zeigt. Wenn der Anteil an C größer als annähernd 0,50 Gew.-% ist, kann die Belastbarkeit des legierten Stahls aufgrund einer Zunahme der Härte im Kern des legierten Stahls insgesamt abnehmen, nach der Wärmebehandlung können Risse auftreten und das Schweißverhalten beim Verschweißen mit anderen Bauteilen kann beeinflusst werden.
  • (2) 0,2 bis 0,4 Gew.-% Si
  • Wenn es im Überschuss zugesetzt wird, kann Silizium (Si) eine Aufkohlung verhindern und als Desoxidationsmittel dienen, um das Bilden von Lunkern im legierten Stahl zu unterbinden. Si erhöht die Festigkeit des legierten Stahls aufgrund des festigenden Effekts zwischen Feststoff und Lösung und verstärkt, in Form eines Einschlusses, die Aktivität von Kohlenstoff usw. Während des Einsatzes der Fahrzeugteile kann das zugegebene Si die Beständigkeit gegen eine Erweichung erhöhen und so eine Abnahme der Härte an einer Kontaktfläche verhindern, die sich aufgrund eines Anstiegs der Temperatur ergeben würde.
  • Um diese Rolle übernehmen zu können, kann der Anteil an Si in einem Bereich von annähernd 0,20 bis 0,40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des legierten Stahls, liegen. Wenn der Anteil an Si kleiner als annähernd 0,20 Gew.-% ist, besitzt Si nahezu keine Wirkung als Desoxidationsmittel und die Härte an der Kontaktfläche kann bei einem Temperaturanstieg reduziert sein. Wenn der Anteil an Si größer als annähernd 0,35 Gew.-% ist, können die Formbarkeit und das Aufkohlungsvermögen aufgrund einer übermäßig starken Zunahme des festigenden Effekts zwischen Feststoff und Lösung abnehmen.
  • (3) 0,8 bis 1,0 Gew.-% Mn
  • Mangan (Mn) begünstigt das Abschreckverhalten des legierten Stahls und die Härtbarkeit des legierten Stahls, wodurch die Festigkeit des legierten Stahls usw. verbessert werden. Wenn ein relativ dickes Fahrzeugteil in einer Massenproduktion hergestellt wird, gewährleistet Mn die Haltbarkeit des legierten Stahls. Der Anteil an Mn kann in einem Bereich von annähernd 0,8 bis 1,0 Gew.-% liegen.
  • Wenn der Anteil an Mn kleiner als annähernd 0,8 Gew.-% ist, kann keine ausreichende Festigkeit sichergestellt werden. Wenn der Anteil an Mn größer als annähernd 1,0 Gew.-% ist, kann an den Korngrenzen eine Oxidation auftreten und die mechanischen Eigenschaften des legierten Stahls können abnehmen.
  • (4) 0,8 bis 1,2 Gew.-% Cr
  • Chrom (Cr) begünstigt das Abschreckverhalten des legierten Stahls, sorgt für eine Kornfeinung der Struktur des legierten Stahls und verleiht gleichzeitig Härtbarkeit und bewirkt ein Weichglühen der Körner durch die Wärmebehandlung. Daneben dient Cr dazu, eine Lamellenstruktur im Zementit auszubilden, verbessert das Aushärtungsvermögen und erhöht aufgrund der Bildung von Carbiden die Abriebfestigkeit.
  • Der Anteil an Cr kann in einem Bereich von 0,8 bis 1,2 Gew.-% liegen. Wenn der Anteil an Cr hier kleiner als 0,8 Gew.-% ist, können das Abschreckverhalten und die Härtbarkeit eingeschränkt sein, eine ausreichende Kornfeinung der Körner und ein ausreichendes Weichglühen einer Struktur können nicht erreicht werden und das Aushärten kann nur schwer möglich sein. Wenn der Anteil an Cr größer als 1,2 Gew.-% ist, können die Belastbarkeit und die maschinelle Bearbeitbarkeit abnehmen und Effekte, die durch eine Zunahme der Festigkeit erreicht werden sollten, können vernachlässigbar klein sein, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
  • Die 7 zeigt einen Graphen, der die Härte eines legierten Stahls je nach dem Anteil an Cr veranschaulicht. Wie in dem Graphen der 7 gezeigt ist, nimmt die Festigkeit des legierten Stahls zu, wenn der Anteil an Cr im legierten Stahl zunimmt. Da eine Zunahme des Anteils an Cr jedoch zu einer Zunahme der Herstellungskosten führt, ist der Anteil an Cr auf 1,2 Gew.-% oder weniger eingeschränkt.
  • (5) 0,20 bis 0,45 Gew.-% Mo
  • Molybdän (Mo) begünstigt das Abschreckverhalten des legierten Stahls und verbessert so die Härtbarkeit und die Belastbarkeit des legierten Stahls nach dem Tempern und verleiht einen Widerstand gegen Sprödheit. Zudem reduziert Molybdän die Aktivität von Kohlenstoff. Des Weiteren unterbindet Mo das Wachstum von Körnern, da an den Korngrenzen des Austenits Mo-Carbide ausgefällt werden und, bildet wie Bor (B) eine vollständig bainitische Struktur, was zu einer Kornfeinung der Körner beiträgt.
  • Der Anteil an Mo kann in einem Bereich von annähernd 0,20 bis 0,45 Gew.-% liegen. Wenn der Anteil an Mo kleiner als annähernd 0,20 Gew.-% ist, kann keine ausreichende Härtbarkeit und Belastbarkeit des legierten Stahls sichergestellt werden und der Effekt einer Kornfeinung zeigt sich nicht. Wenn der Anteil an Mo größer als annähernd 0,45 Gew.-% ist, können die Belastbarkeit, die maschinelle Bearbeitbarkeit (d. h. die Verarbeitbarkeit) und die Produktivität des legierten Stahls abnehmen und die Effekte, die durch eine Zunahme des Anteils erreicht werden sollten, können vernachlässigbar klein sein, was zu einer Zunahme der Herstellungskosten führt.
  • 5 zeigt einen Graphen, der die Korngröße eines legierten Stahls je nach dem Anteil an Mo, der dem legierten Stahl zugegeben wurde, veranschaulicht. Die 5 zeigt die Korngröße nur ab einem Anteil an Mo von größer als oder gleich annähernd 0,20 Gew.-%. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Effekte auf die Korngröße vernachlässigbar klein sind, wenn Mo in einem Anteil von annähernd 0,20 Gew.-% oder mehr zugegeben wird. Die 6 zeigt die Aufnahme von Mo-Carbiden, die an den Korngrenzen verteilt sind, unter einem Transmissionselektronenmikroskop. Es ist zu sehen, dass sich Mo-Carbide bilden, wenn dem legierten Stahl Mo zugesetzt wird.
  • (6) 0,0020 bis 0,0040 Gew.-% B
  • B (Bor) verbessert die Härtbarkeit, die Zugfestigkeit, die Kerbschlagfestigkeit und die Festigkeit des legierten Stahls und beugt einer Korrosion des legierten Stahls vor. Daneben wandelt B vor einer Hochfrequenz-Wärmebehandlung die Struktur zu Bainit um und begünstigt die Hochfrequenz-Wärmebehandlung aufgrund einer Verbesserung des Abschreckverhaltens. Die Bainit-Struktur weist als feines Nadelgefüge eine Ferrit-/Zementit-Struktur auf. Die feinen Korngrenzen dienen hier während der Hochfrequenz-Wärmebehandlung als Keim- bzw. Kernbildungsstellen, so dass die Anzahl an Körnern zunimmt, was zu einer Kornfeinung der Körner beiträgt. Die Schweißbarkeit kann jedoch reduziert sein.
  • Zu diesem Zweck kann der Anteil an B in einem Bereich von annähernd 0,0020 bis 0,0040 Gew.-% liegen. Wenn der Anteil an B kleiner als annähernd 0,0020 Gew.-% ist, ist es schwierig, eine ausreichende Härtbarkeit des legierten Stahls sicherzustellen. Wenn der Anteil an B größer als annähernd 0,0040 Gew.-% ist, können die Belastbarkeit und die Duktilität bzw. die Dehnfestigkeit des legierten Stahls abnehmen und daher kann die Kerbschlagfestigkeit des legierten Stahls reduziert sein. Aufgrund einer Segregation bzw. Anreicherung kann die Haltbarkeit des legierten Stahls abnehmen.
  • (7) 0,045 Gew.-% Al
  • Aluminium (Al) ist ein effektives Desoxidationsmittel und verbessert nicht nur die Reinheit des legierten Stahls, sondern trägt auch zu einer Kornfeinung der Körner bei.
  • Der Anteil an Al kann bei annähernd 0,045 Gew.-% liegen. Wenn der Anteil an Al kleiner als 0,045 Gew.-% ist, kann es nur schwer eine ausreichend hohe Wirkung als Desoxidationsmittel entfalten und zufriedenstellende Effekte im Zusammenhang mit der Reinheit und der Kornfeinung der Körner können nur schwer zu erreichen sein. Wenn der Anteil an Al größer als 0,045 Gew.-% ist, können sich grobe Oxideinschlüsse und dergleichen bilden, was zu einer Abnahme der Dauerhaltbarkeit des Stahls führt.
  • (8) 0,030 Gew.-% Ti
  • Titan (Ti) hemmt das Wachstum der Körner und verbessert die Stabilität bei hohen Temperaturen sowie die Festigkeit und die Belastbarkeit des legierten Stahls.
  • Der Anteil an Ti kann 0,030 Gew.-% betragen. Wenn der Anteil an Ti größer als annähernd 0,030 Gew.-% ist, können sich grobe Niederschläge bilden und durch eine Abnahme der Kerbschlagfestigkeit und eine Absättigung bei niedrigen Temperaturen können die Herstellungskosten zunehmen. Wenn der Anteil an Ti kleiner als annähernd 0,030 Gew.-% ist, kann die Stabilität bei hohen Temperaturen nicht verbessert werden.
  • Die 8 zeigt einen Graphen, der die Härte eines legierten Stahls je nach der Erhöhung des Anteils an Ti veranschaulicht. Wie in der 8 gezeigt ist, nimmt die Härte mit steigendem Anteil an Ti zu, wobei die Härte jedoch einen maximalen Wert erreicht, wenn der Anteil an Ti bei 0,030 Gew.-% liegt. Der Anteil an Ti in dem feinkörnigen, legierten Stahl kann daher in der vorliegenden Offenbarung bei 0,03 Gew.-% liegen.
  • (9) 0,025 bis 0,05 Gew.-% Nb
  • Niobium (Nb) trägt zur Kornfeinung der Körner bei, erhöht die Temperatur einer Rekristallisation und verbessert die Härtbarkeit und Belastbarkeit eines legierten Stahls. Der Anteil an Nb kann hierbei in einem Bereich von annähernd 0,025 bis 0,05 Gew.-% liegen.
  • Wenn der Anteil an Nb größer als annähernd 0,05 Gew.-% ist, kann das Nb einen Sättigungswert erreichen und die Belastbarkeit, die maschinelle Bearbeitbarkeit und die Produktivität des legierten Stahls können daher abnehmen. Wenn der Anteil an Nb kleiner als annähernd 0,025 Gew.-% ist, kann der legierte Stahl nicht vom Effekt der Kornfeinung der Körner profitieren.
  • Die Bestandteile Nb, Al und Ti werden in kleinen Mengen zugegeben, um einer Vergröberung der feinkörnigen Struktur im legierten Stahl vorzubeugen. Die Reihenfolge der Bestandteile des legierten Stahls, die in Form von Niederschlägen bzw. Ausfällungen erhalten bleiben, ohne bei hohen Temperaturen aufgelöst zu werden, lautet Nb, Al und Ti. Nach der Cuddy-Gleichung der Absättigung verbleiben Ti, Al und Nb in Form von Ausfällungen, ohne bei annähernd 1.200°C, annähernd 1.050°C bzw. annähernd 1.000°C aufgelöst zu werden, wodurch einer Vergröberung der Körner aufgrund einer Art Hammerwirkung der Niederschläge an den Korngrenzen vorgebeugt werden kann. Tabelle 1
    Element Temperatur (Tc), bei der eine Vergröberung der Körner erfolgt Anmerkung
    Ti 1.198°C * Basierend auf der Gleichung nach Cuddy Tc = A + B [Q/F – log(MX)] – 273 M: (Menge der Legierung)% X: (Kohlenstoff oder Stickstoff)% A, B, Q, F: Konstanten
    Al 1.034°C
    Nb 1.005°C
  • Die Temperaturen der Legierungsbestandteile, bei denen eine Vergröberung der Körner erfolgt, (GCT; grain coarsening temperature), das heißt, Tc, sind in der vorstehend angegebenen Tabelle 1 aufgelistet. Bei 1.000°C können Ti, Al und Nb – in der Reihenfolge, in der die Bestandteile hier angegeben sind – in dem Zustand eines Nicht-Mischkristalls erhalten bleiben. Das heißt, dass einer Vergröberung der Körner bei einem Überhitzen aufgrund einer Art Hammerwirkung der Niederschläge an den Korngrenzen vorgebeugt werden kann. Die 4 zeigt einen Graphen, der die Niederschläge in dem Zustand eines Nicht-Mischkristalls in Abhängigkeit von der Temperatur, bei der eine Vergröberung der Körner erfolgt, wie sie in der Tabelle 1 angegeben ist, veranschaulicht. Wie in der 4 gezeigt ist, nehmen die Niederschläge, die sich in dem Zustand eines Nicht-Mischkristalls befinden, wie beispielsweise NbC und AlN, mit steigender Temperatur ab, während TiN und NbN jedoch in bestimmten Mengen erhalten bleiben, so dass die Niederschläge, die sich in dem Zustand eines Nicht-Mischkristalls befinden, so lange bestehen bleiben, solange eine Kornfeinung der Körner des legierten Stahls bei einer Temperatur von 1.000°C erhalten bleiben kann. Wenn die genannten Bestandteile des legierten Stahls jedoch in großen Mengen zugegeben werden, kann die maschinelle Bearbeitbarkeit schlecht sein und die Legierungsbestandteile können zu Einschlüssen werden, wenn sich die Niederschläge vergröbern. Die Mengen der Legierungsbestandteile müssen daher eingeschränkt werden.
  • Der legierte Stahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts besitzt eine ausgezeichnete Streckfestigkeit, eine ausgezeichnete Zugfestigkeit, eine ausgezeichnete Kerbschlagfestigkeit, eine ausgezeichnete Haltbarkeit und dergleichen kann daher in Bauteilen für eine Hochfrequenz-Wärmebehandlung eingesetzt werden. Insbesondere kann der legierte Stahl in einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts wird ein Verfahren zum Herstellen eines gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahls für eine zweifach erfolgende Hochfrequenz-Wärmebehandlung verwendet.
  • Der gegen Überhitzung unempfindliche, feinkörnige, legierte Stahl zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts kann mit Hilfe bekannter Techniken, die für einen Fachmann offensichtlich sind, in geeigneter Weise hergestellt werden.
  • Die 12 zeigt den Ablaufplan eines Verfahrens zum Herstellen eines gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahls für eine zweifach erfolgende Hochfrequenz-Wärmebehandlung. Ein Verfahren zum Herstellen eines feinkörnigen, legierten Stahls, der zum Herstellen einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts verwendet wird, umfasst das Mischen eines Materials für den legierten Stahl unter Vorbereiten eines legierten Stahls als Ausgangsmaterial (S10), das Erwärmen des legierten Stahls (S20), das Warmschmieden des erwärmten, legierten Stahls (S30), das Vergüten, d. h. Abschrecken und Tempern, des warmgeschmiedeten, legierten Stahls (S40), das Reibungsschweißen des vergüteten, legierten Stahls (S50) und das Wärmebehandeln des reibungsgeschweißten, legierten Stahls bei einer hohen Frequenz (S60).
  • Der Schritt des Mischens und Erzeugens (S10) kann das Zugeben wenigstens eines Elements, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus C, Si, Mn, Cr, Al, Mo, Ti, Nb und B, und das Mischen des Elements mit dem Material für den legierten Stahl, wie es vorstehend beschrieben ist, umfassen. Der Legierungsbestandteil kann den Materialien zugesetzt werden, um eine Kornfeinung der Körner des legierten Stahls zu erreichen. Als Folge davon können die Streckfestigkeit, die Zugfestigkeit, die Kerbschlagfestigkeit, die Haltbarkeit und die Drehfestigkeit des Materials verbessert werden.
  • Der Schritt des Erwärmens (S20) und der Schritt des Warmschmiedens (S30) umfassen das Erwärmen des legierten Stahls mit Hilfe eines üblichen Verfahrens und das Herstellen einer Gelenkwelle in der gewünschten Form mittels Schmieden.
  • Der Schritt des Reibungsschweißens (S50) und der Schritt der Wärmebehandlung (S60) umfassen zudem eine Wärmebehandlung, bei der ein herkömmliches Verfahren eingesetzt wird, und das Verbinden der entsprechenden Bauteile.
  • Daneben umfasst der Schritt des Vergütens, d. h. des Abschreckens und Temperns, (S40) – anders als im Stand der Technik – das Abschrecken des warmgeschmiedeten, legierten Stahls mit einer hohen Frequenz unter bestimmten Bedingungen. Um die Anforderungen zu erfüllen, wird ein Parameter, das heißt, die Kennzahl F für die Kornfeinung gemäß der Gleichung 1, als Maß verwendet, um zu bestimmen, ob die Körner des legierten Stahls durch das mit einer hohen Frequenz erfolgende Abschrecken eine wirksame Kornfeinung der Körner erfahren. Der Wert des Parameters variiert je nach den Anteilen der Elemente für die Legierung und kann auf effektive Weise dazu beitragen, die Eigenschaften des legierten Stahls zu steuern und so die Erzeugung schlechter Produkte zu verhindern. Wenn der Prozess der Hochfrequenz-Wärmebehandlung unter Verwenden der Kennzahl F für die Kornfeinung optimiert wird, können die Kerbschlagfestigkeit, die Drehfestigkeit und die Haltbarkeit des legierten Stahls im Vergleich zu einem herkömmlichen legierten Stahl verbessert werden.
  • Genauer gesagt, umfasst der Schritt des Vergütens, d. h. des Abschreckens und Temperns, (S40) in der vorliegenden Offenbarung das Abschrecken des warmgeschmiedeten, legierten Stahls mit einer ersten hohen Frequenz (S41), das Abschrecken des warmgeschmiedeten, legierten Stahls mit einer zweiten hohen Frequenz (S42) und das Tempern des warmgeschmiedeten, legierten Stahls (S43). In der vorliegenden Offenbarung kann der Schritt des Abschreckens bei der ersten hohen Frequenz (S41) durchgeführt werden, um zu bestimmen, ob eine Struktur des legierten Stahls homogen geworden ist, das heißt, ein tempernder bzw. härtender Effekt auftrat. Die Kornfeinung der Körner des legierten Stahls wird hierbei durch das Abschrecken bei der zweiten hohen Frequenz maximiert. Der Schritt des Abschreckens bei der zweiten hohen Frequenz (S42) trägt durch die für eine kurze Zeit erfolgende Wärmebehandlung zu einer Kornfeinung der Körner, bei der die Körner des legierten Stahls eine große Kornfeinung erfahren. Tabelle 2
    Aspekt Erster Vorgang (S41) Zweiter Vorgang (S42)
    Abschrecken bei hoher Frequenz Strom (A) 310 bis 410 310 bis 410
    Spannung (V) 270 bis 370 270 bis 370
    Frequenz (kHz) 5 oder weniger 30 bis 50
    Tempern (S43) Haltetemperatur und Dauer 180°C und 3 Stunden
  • Die Bedingungen für das Abschrecken bei der ersten hohen Frequenz und das Abschrecken bei der zweiten hohen Frequenz sind in der Tabelle 2 angegeben. Als Bedingungen für das Abschrecken bei der ersten hohen Frequenz und für das Abschrecken bei der zweiten hohen Frequenz werden mi 310 bis 410 A der gleiche Strom und mit 270 bis 370 V die gleiche Spannung verwendet. Die Wärmebehandlung bei der ersten hohen Frequenz umfasst jedoch das Aufbringen einer hohen Frequenz von 5 kHz oder weniger auf den legierten Stahl und die Wärmebehandlung bei der zweiten hohen Frequenz umfasst das Aufbringen einer hohen Frequenz von 30 bis 50 kHz auf den legierten Stahl. Die Bedingungen für das Tempern umfassen daneben eine Haltetemperatur und eine Dauer von 180°C bzw. 3 Stunden.
  • <Beispiele>
  • Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung anhand eines Beispiels ausführlicher beschrieben. Ein Fachmann, an den sich die vorliegende Offenbarung richtet, wird jedoch erkennen, dass die hierin angegebene, ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft ist und die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken soll. Tabelle 3
    Bestandteile des legierten Stahls C Si Mn Cr Mo Al Ti Nb B
    Vergleichsbeispiel 1 (Kohlenstoffstahl) 0,4 0,2 0,75 0,1 -
    Vergleichsbeispiel 2 0,4 0,2 0,7 1 -
    Vergleichsbeispiel 3 0,4 0,25 0,85 1 0,15 0,025 -
    Vergleichsbeispiel 4 0,4 0,4 1 2 1 0,045 0,3 0,05 0,04
    Beispiel 1 (untere Grenze) 0,4 0,2 0,8 0,8 0,2 0,045 0,3 0,025 0,002
    Beispiel 2 (obere Grenze) 0,55 0,4 1 1,2 0,45 0,045 0,3 0,05 0,004
  • Zum Vergleich sind in der Tabelle 3 die Bestandteile der legierten Stähle aus den Beispielen und der herkömmlichen legierten Stähle angegeben. Um die Effekte der vorliegenden Offenbarung nachzuprüfen, wurden ein Kohlenstoffstahl aus dem Vergleichsbeispiel 1, dem kaum Bestandteile des legierten Stahls zugesetzt worden waren, ein Kohlenstoffstahl aus dem Vergleichsbeispiel 2, in dem ein hoher Anteil an Cr vorhanden war, ein Kohlenstoffstahl aus dem Vergleichsbeispiel 3, in dem hohe Anteile an Cr und Mo vorhanden waren, ein Kohlenstoffstahl aus dem Vergleichsbeispiel 4, in dem Cr, Mo und B von allen Bestandteilen des legierten Stahls gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem Anteil, der die obere Grenze derselben überstieg, zugegeben worden waren, verwendet. Ein Kohlenstoffstahl aus dem Beispiel 1 enthielt die Bestandteile des legierten Stahls gemäß der vorliegenden Offenbarung in den unteren Grenzen und ein Kohlenstoffstahl aus dem Beispiel 2 enthielt die Bestandteile des legierten Stahls gemäß der vorliegenden Offenbarung in den oberen Grenzen. Die Koeffizienten und die Kennzahlen für die Kornfeinung der entsprechenden Bestandteile sind in der folgenden Tabelle 4 angegeben.
  • Figure DE102015222206A1_0002
  • In der Tabelle 4 steht der AGS-Index für eine Korngröße. Für den AGS-Index gilt, dass die mittlere Größe der Körner (average grain size, AGS) des legierten Stahls abnimmt, wenn der Wert des AGS-Index zunimmt. Tabelle 5
    AGS-Index Mittlere Korngröße (mm)
    –7 4
    –6 2,828
    –5 2
    –4 1,414
    –3 1
    –2 0,707
    –1 0,5
    0 0,354
    1 0,25
    2 0,177
    3 0,125
    4 0,0884
    5 0,0625
    6 0,0442
    7 0,0312
    8 0,0221
    9 0,0156
    10 0,011
    11 0,0078
    12 0,0055
    13 0,0039
    14 0,0028
    15 0,002
    16 0,0014
    17 0,001
  • Die Tabelle 5 gibt die Daten für die Korngrößen von Ferrit- und Austenitkörnern der legierten Stähle an, wie sie laut KS D 0205 gemessen wurden. Wie in der Tabelle 5 angegeben ist, ist zu sehen, dass die mittlere Korngröße der Körner abnimmt, wenn der AGS-Index zunimmt. Ausgehend von den in der Tabelle 5 angegebenen Ergebnissen kann, wenn die Korngröße der legierten Stähle nach dem Überhitzen der legierten Stähle bei hohen Temperaturen mit den Kennzahlen F für die Kornfeinung, die in der Tabelle 4 angegeben sind, verglichen werden, festgestellt werden, dass die Kohlenstoffstähle aus den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 eine Kennzahl für die Kornfeinung von zwischen annähernd 4 bis 7 besaßen, und die mittlere Korngröße nach dem Überhitzen des legierten Stahls bei einer hohen Temperatur annähernd 30 μm betrug, da der legierte Stahl einen AGS-Index von 7 besaß. Es lässt sich auch erkennen, dass die Kohlenstoffstähle aus dem Vergleichsbeispiel 4 und den Beispielen 1 und 2 eine Kennzahl für die Kornfeinung von annähernd 9 bis 13 besaßen und die mittlere Korngröße nach dem Überhitzen des legierten Stahls bei einer hohen Temperatur daher in einem Bereich von annähernd 3,9 bis 7,8 μm lag, da der legierte Stahl einen AGS-Index von 11 bis 13 besaß. Es kann somit festgestellt werden, dass die Körner eine weitere Kornfeinung erfuhren, wenn die Kennzahl F für die Kornfeinung zunahm. Das heißt, dass sich, wenn die mittlere Korngröße nach einem Überhitzen des legierten Stahls bei 900°C oder mehr bestimmt wurde, feststellen lässt, dass die herkömmlichen Kohlenstoffstähle aus den Vergleichsbeispielen 1 bis 4, die in unerwarteter Weise eine Kennzahl F für die Kornfeinung von 8,5 oder weniger aufwiesen, eine ähnliche mittlere Korngröße von annähernd 30 μm (d. h. einen AGS-Index von 7) besaßen und die mittlere Korngröße abnimmt, wenn die Kennzahl F für die Kornfeinung zunimmt. Aufgrund des Vorhandenseins grober Niederschläge bei einer Kennzahl F für die Kornfeinung von größer als oder gleich 12, nahm, wie dies vorstehend beschrieben ist, die Drehwechselfestigkeit in unerwarteter Weise ab.
  • Die 9 zeigt einen Graphen, der die Ergebnisse veranschaulicht, die durch einen Vergleich der Drehwechselfestigkeiten der legierten Stähle aus dem Vergleichsbeispiel 4 und den Beispielen 1 und 2, die jeweils eine Kennzahl F für die Kornfeinung von 8,5 oder mehr besaßen, erhalten wurden. Unter Bezugnahme auf die Drehwechselfestigkeiten, wie sie in der 9 gezeigt sind, lag die Drehwechselfestigkeit des Kohlenstoffstahls 203 aus dem Vergleichsbeispiel 4 in unerwarteter Weise um annähernd 25% unter den Drehwechselfestigkeiten der Kohlenstoffstähle 202 und 203 aus den Beispielen 1 und 2. Wenn die Bestandteile des legierten Stahls in einer überschüssigen Menge zugegeben wurden, so dass die Kennzahl F für die Kornfeinung größer als oder gleich 12 war, nahm die Drehwechselfestigkeit des legierten Stahls deshalb selbst bei weiterer Kornfeinung des Materials des legierten Stahls in unerwarteter Weise ab und der legierte Stahl war daher nicht als legierter Stahl zur Verwendung in einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug geeignet. Es ist daher gewünscht, dass die Kennzahl für die Kornfeinung in einem Bereich von 8,5 bis 12 liegt.
  • Wenn der feinkörnige, legierte Stahl gemäß der vorliegenden Offenbarung und das Verfahren zum Herstellen desselben umgesetzt wurden, wurden entsprechend sowohl die Festigkeit als auch die Belastbarkeit des legierten Stahls durch die Kornfeinung der Körner in unerwarteter Weise verbessert. Es war in unerwarteter Weise möglich, selbst bei einer Überhitzung des legierten Stahls in einem Wärmebehandlungsprozess eine Kornfeinung der Körner des legierten Stahls zu erreichen und die Festigkeit des legierten Stahls wurde in unerwarteter Weise – und ohne die Härte zu erhöhen – verbessert. Als Folge davon wurden gleichzeitig die maschinelle Bearbeitbarkeit und die Haltbarkeit des legierten Stahls sichergestellt. Daneben ist für einen Fachmann offensichtlich, dass die Festigkeit und die Dehnbarkeit des Materials in unerwarteter Weise verbessert wurden, da die Körner des legierten Stahls infolge des Hall-Petch-Effekts eine weitere Kornfeinung erfuhren. Die vorstehend beschriebenen Kohlenstoffstähle aus dem Vergleichsbeispiel 3 und dem Beispiel 2 wurden deshalb miteinander verglichen, um die physikalischen Eigenschaften zu beurteilen. Die Ergebnisse sind in der nachstehend angegebenen Tabelle 6 aufgeführt. Tabelle 6
    Aspekt Streckfestigkeit (MPa) Zugfestigkeit (MPa) Dehnbarkeit (%) Kerbschlagfestigkeit (J/cm2)
    Vergleichsbeispiel 3 inkl. Abschrecken bei hoher Frequenz gemäß der Erfindung 834 980 12 59
    Beispiel 2 855 1.219 16,4 105
  • Wie in der Tabelle 6 gezeigt ist, wurde auch beim Vergleichsbeispiel 3 eine Wärmebehandlung bei einer hohen Frequenz durchgeführt. Wenn die Ergebnisse mit denen aus dem Beispiel 2 verglichen wurden, zeigten die Kohlenstoffstähle eine ähnliche Streckfestigkeit, die Zugfestigkeit, die Dehnbarkeit und die Kerbschlagfestigkeit des Kohlenstoffstahls aus dem Beispiel 2 nahmen jedoch in unerwarteter Weise um annähernd 24,4%, 36,7% bzw. 78,0% zu.
  • Ferner konnte festgestellt werden, dass, wenn die herkömmlichen Kohlenstoffstähle aus den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 mit einer ersten hohen Frequenz und mit einer zweiten hohen Frequenz abgeschreckt wurden, sich die Körner der herkömmlichen Kohlenstoffstähle in unerwarteter Weise vergröberten, das heißt, dass die mittlere Korngröße bei annähernd 30 μm lag (d. h. ein AGS-Index von 7 vorlag). Die 10 zeigt die Aufnahme von Körnern der herkömmlichen Kohlenstoffstähle aus den Vergleichsbeispielen 1 bis 4, die mit einer ersten hohen Frequenz und mit einer zweiten hohen Frequenz abgeschreckt wurden, unter einem Transmissionselektronenmikroskop. Es kann hier gesehen werden, dass die Körner des legierten Stahls aus dem Beispiel 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung, die eine Korngröße von 30 μm (d. h. einen AGS-Index von 7) besaßen, eine Kornfeinung auf annähernd 5 μm (d. h. einen AGS-Index von 12) erfuhren und sich daher die Festigkeit, die Dehnbarkeit und die Kerbschlagfestigkeit des legierten Stahls jeweils in unerwarteter Weise verbesserten.
  • Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform stellt das vorliegende erfinderische Konzept eine hohle Gelenkwelle für ein Fahrzeug, wobei die hohle Gelenkwelle unter Verwenden eines gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahls für eine zweifach erfolgende Hochfrequenz-Wärmebehandlung hergestellt wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben bereit. Tabelle 7
    Aspekte Ziel Name der Prüfeinrichtung
    Überprüfen der statischen Bruchfestigkeit bei Drehung Beurteilung der statischen Bruchfestigkeit bei Drehung Einrichtung zum Überprüfen der Beständigkeit bei Drehungen/statischen Festigkeit (MTS Systems Corporation)
    Dauerversuch zur Drehermüdung Beurteilung der dauerhaften Leistungsfähigkeit bei Drehermüdung
  • Die Tabelle 7 zeigt eine Übersicht, die die Prüfeinrichtung beschreibt und Angaben zu den Versuchen macht, die zum Überprüfen einer hohlen Gelenkwelle für ein Fahrzeug verwendet wurden, wobei die Gelenkwelle unter Verwenden des gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahls zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Offenbarung und dem Verfahren zum Herstellen desselben hergestellt wurde. Mit Hilfe einer von MTS Systems Corporation hergestellten Prüfeinrichtung wurden die statische Bruchfestigkeit bei Drehung zum Beurteilen der statischen Bruchfestigkeit bei Drehung eines legierten Stahls und ein Dauerversuch zur Drehermüdung zum Beurteilen der dauerhaften Leistungsfähigkeit bei Drehermüdung des legierten Stahls durchgeführt. Tabelle 8
    Aspekte Dauerversuch zur Drehermüdung [Zyklen] (Probelast: 3.412 Nm) Statische Biegefestigkeit bei Drehung [Nm]
    Vergleichsbeispiel 3 280.000 im Mittel 4.660
    Beispiel 1 bei 500.000 beschädigt bei 620.000 beschädigt bei über 1.000.000 unter Gewalt angehalten 6.800
  • Aus den in Tabelle 8 angegeben Ergebnissen ist zu erkennen, dass, wenn die hohle Gelenkwelle für ein Fahrzeug hergestellt wurde, wobei die Gelenkwelle unter Verwenden des gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahls zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Offenbarung und dem Verfahren zum Herstellen desselben hergestellt wurde, und ein Dauerversuch zur Drehermüdung und eine Probe der statischen Biegefestigkeit bei Drehung bei der hohlen Gelenkwelle für ein Fahrzeug durchgeführt wurden, um den legierten Stahl aus dem Beispiel 2 der vorliegenden Offenbarung mit dem legierten Stahl aus dem Vergleichsbeispiel 3 zu vergleichen, die dauerhafte Leistungsfähigkeit bei Drehermüdung in unerwarteter Weise um 78,6% verbessert wurde und die statische Biegefestigkeit bei Drehung in ebenso unerwarteter Weise um 45,9% verbessert wurde. Es lässt sich daher erkennen, dass der legierte Stahl der vorliegenden Offenbarung gegenüber den herkömmlichen legierten Stählen in unerwarteter Weise eine überragend lang anhaltende Kerbschlagfestigkeit und Biegefestigkeit besitzt.
  • Entsprechend dem feinkörnigen, legierten Stahl, der als Hauptbestandteil Fe und C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti, Nb, B sowie die unvermeidbaren Verunreinigungen enthält, und dem Verfahren zum Herstellen desselben kann der feinkörnige, legierte Stahl, der zum Herstellen einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, aufgrund einer Begünstigung des Abschreckverhaltens nutzbringend eingesetzt werden, um die Haltbarkeit zu verbessern, da die Körner nach einer Hochfrequenz-Wärmebehandlung eine Kornfeinung erfahren und einer Vergröberung der Körner selbst dann vorgebeugt werden kann, wenn die Körner während des Prozesses der Hochfrequenz-Wärmebehandlung überhitzt werden, wobei er ebenso nutzbringend dazu eingesetzt werden kann, die Haltbarkeit durch eine Erhöhung der Festigkeit, der Belastbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit des Materials zu verbessern, da eine Kornfeinung der Körner erfolgt. Daneben besitzt die hohle Gelenkwelle bei Verwenden des feinkörnigen, legierten Stahls gemäß der vorliegenden Offenbarung eine durch die Verbesserung der dauerhaften Leistungsfähigkeit bei Drehermüdung und durch die Verbesserung der statischen Biegefestigkeit bei Drehung verbesserte Haltbarkeit und Festigkeit.
  • Entsprechend dem feinkörnigen, legierten Stahl, der als Hauptbestandteil Fe und C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti, Nb, B sowie die unvermeidbaren Verunreinigungen enthält, und dem Verfahren zum Herstellen desselben kann der legierte Stahl, der zum Herstellen einer Gelenkwelle für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, aufgrund einer Begünstigung des Abschreckverhaltens nutzbringend eingesetzt werden, um die Haltbarkeit zu verbessern, da die Körner nach dem Abschrecken mit einer zweifach eingesetzten, hohen Frequenz eine Kornfeinung erfahren und einer Vergröberung der Körner selbst dann vorgebeugt werden kann, wenn die Körner während des Abschreckens unter Verwenden einer zweifach eingesetzten, hohen Frequenz überhitzt werden, wobei er ebenso nutzbringend dazu eingesetzt werden kann, die Haltbarkeit durch eine Erhöhung der Festigkeit, der Belastbarkeit und der Korrosionsbeständigkeit des Materials zu verbessern, da eine Kornfeinung der Körner erfolgt.
  • Die Gelenkwelle für ein Fahrzeug, das unter Verwenden des feinkörnigen, legierten Stahls gemäß der beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden erfinderischen Konzepts hergestellt wurde, besitzt den Effekt, die Haltbarkeit eines Fahrzeugs zu verbessern und die Lebensdauer desselben zu verlängern, so dass einer Umweltverschmutzung vorgebeugt werden kann.
  • Wie anhand der vorstehend angegebenen Beschreibung ersichtlich ist, stellt die vorliegende Offenbarung ein System für einen gegen Überhitzung unempfindlichen, feinkörnigen, legierten Stahl zur Verwendung in einer zweifach erfolgenden Hochfrequenz-Wärmebehandlung sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben bereit.
  • Obwohl zum Zwecke der Veranschaulichung beispielhafte Ausführungsformen des vorliegenden erfinderischen Konzepts offenbart wurden, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Weglassungen möglich sind, ohne dadurch von dem Umfang und dem eigentlichen Sinn der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
  • 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
    • KR 2015-0100871 [0001]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ASTM A 255-89 [0049]

Claims (13)

  1. Feinkörniger, legierter Stahl, enthaltend Eisen (Fe) als Hauptbestandteil und – bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls – 0,40 bis 0,55 Gew.-% Kohlenstoff (C), 0,20 bis 0,40 Gew.-% Silizium (Si), 0,8 bis 1,0 Gew.-% Mangan (Mn), 0,8 bis 1,2 Gew.-% Chrom (Cr), 0,045 Gew.-% Aluminium (Al) sowie die unvermeidbaren Verunreinigungen.
  2. Feinkörner, legierter Stahl nach Anspruch 1, ferner enthaltend Molybdän (Mo), wobei Mo mit einem Anteil von 0,20 bis 0,45 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten ist.
  3. Feinkörner, legierter Stahl nach Anspruch 1, ferner enthaltend Titan (Ti), wobei Ti mit einem Anteil von 0,030 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten ist.
  4. Feinkörner, legierter Stahl nach Anspruch 1, ferner enthaltend Niobium (Nb), wobei Nb mit einem Anteil von 0,0025 bis 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten ist.
  5. Feinkörner, legierter Stahl nach Anspruch 1, ferner enthaltend Bor (B), wobei B mit einem Anteil von 0,0020 bis 0,0040 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls, enthalten ist.
  6. Feinkörner, legierter Stahl nach Anspruch 1, ferner enthaltend Mo, Ti, Nb und Bor (B), wobei – bezogen auf das Gesamtgewicht des feinkörnigen, legierten Stahls – Mo mit einem Anteil von 0,20 bis 0,45 Gew.-% enthalten ist, Ti mit einem Anteil von 0,030 Gew.-% enthalten ist, Nb mit einem Anteil von 0,025 bis 0,05 Gew.-% enthalten ist und B mit einem Anteil von 0,0020 bis 0,0040 Gew.-% enthalten ist.
  7. Feinkörniger, legierter Stahl nach Anspruch 6, wobei C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb eine Kennzahl F für die Kornfeinung aufweisen, für die Folgendes gilt: F = 10 × [C] + 0,33 × [Si] + 0,2 × [Mn] + 0,7 × ([Cr] + [Mo]) + 0,5 × ([Ti] + [Al] + [N]), wobei [C] 0,54 × (der Anteil an C (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an C größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,39 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,39 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,55 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,55 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,65 Gew.-% ist, 0,143 + 0,2 × (der Anteil an C (Gew.-%)), wenn der Anteil an C größer als 0,65 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,75 Gew.-% ist, und 0,062 + 0,409 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,135 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,75 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,9 Gew.-% ist; [Si] 1 + 0,7 × (der Anteil an Si (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Si größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,4 Gew.-% ist; [Mn] 1,333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Mn größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,8 Gew.-% ist, wobei [Mn] 3,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) + 1 ist, wenn der Anteil an Mn größer als 0,8 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist, und 2,1 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) – 1,12 ist, wenn der Anteil an Mn größer als 1,0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,95 Gew.-% ist; [Cr] 1 + 2,16 x (der Anteil an Cr (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Cr größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 2,0 Gew.-% ist; [Mo] 1 ist, wenn der Anteil an Mo größer als 0 Gew.-% und kleiner als 0,2 Gew.-% ist, wobei [Mo] 1 + 3 × (der Anteil an Mo (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Mo größer als oder gleich 0,2 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist; [Ti] 145 x (der Anteil an Ti (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Ti größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,03 Gew.-% ist, wobei [Ti] 4,35 ist, wenn der Anteil an Ti größer als 0,03 Gew.-% ist; [Al] 1,73 × (der Anteil an Al (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Al größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist; und [Nb] 1 + 0,363 × (der Anteil an Nb (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Nb größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines feinkörnigen, legierten Stahls, wobei das Verfahren umfasst: Mischen von C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb für einen legierten Stahl, um ein Ausgangsmaterial vorzubereiten; Erwärmen des legierten Stahls; Warmschmieden des erwärmten, legierten Stahls; Vergüten, d. h. Abschrecken und Tempern, des warmgeschmiedeten, legierten Stahls; und Wärmebehandeln des vergüteten, legierten Stahls mit einer hohen Frequenz, wobei C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb eine Kennzahl F für die Kornfeinung aufweisen, für die Folgendes gilt: F = 10 × [C] + 0,33 × [Si] + 0,2 × [Mn] + 0,7 × ([Cr] + [Mo]) + 0,5 × ([Ti] + [Al] + [Nb]), wobei [C] 0,54 × (der Anteil an C (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an C größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,39 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,39 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,55 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,55 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,65 Gew.-% ist, 0,143 + 0,2 × (der Anteil an C (Gew.-%)), wenn der Anteil an C größer als 0,65 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,75 Gew.-% ist, und 0,062 + 0,409 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,135 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,75 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,9 Gew.-% ist; [Si] 1 + 0,7 × (der Anteil an Si (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Si größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,4 Gew.-% ist; [Mn] 1,333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Mn größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,8 Gew.-% ist, wobei [Mn] 3,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) + 1 ist, wenn der Anteil an Mn größer als 0,8 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist, und 2,1 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) – 1,12 ist, wenn der Anteil an Mn größer als 1,0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,95 Gew.-% ist; [Cr] 1 + 2,16 x (der Anteil an Cr (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Cr größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 2,0 Gew.-% ist; [Mo] 1 ist, wenn der Anteil an Mo größer als 0 Gew.-% und kleiner als 0,2 Gew.-% ist, wobei [Mo] 1 + 3 × (der Anteil an Mo (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Mo größer als oder gleich 0,2 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist; [Ti] 145 x (der Anteil an Ti (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Ti größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,03 Gew.-% ist, wobei [Ti] 4,35 ist, wenn der Anteil an Ti größer als 0,03 Gew.-% ist; [Al] 1,73 × (der Anteil an Al (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Al größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist; und [Nb] 1 + 0,363 × (der Anteil an Nb (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Nb größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend das Reibungsschweißen des vergüteten, legierten Stahls nach dem Schritt des Vergütens, d. h. des Abschreckens und Temperns.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Vergütens, d. h. des Abschreckens und Temperns, umfasst: Abschrecken des warmgeschmiedeten, legierten Stahls mit einer ersten hohen Frequenz; Abschrecken des warmgeschmiedeten, legierten Stahls mit einer zweiten hohen Frequenz; und Tempern des warmgeschmiedeten, legierten Stahls.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Abschreckens bei der ersten hohen Frequenz bei einem Strom von 310 A bis 410 A, bei einer Spannung von 270 V bis 370 V und mit einer Frequenz von größer als 0 kHz bis 5 kHz durchgeführt wird und der Schritt des Abschreckens bei der zweiten hohen Frequenz bei einem Strom von 310 A bis 410 A, bei einer Spannung von 270 V bis 370 V und mit einer Frequenz von 30 kHz bis 50 kHz durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Temperns bei einer Haltetemperatur des Temperns von 180°C für eine Dauer der Wärmebehandlung von 3 Stunden durchgeführt wird.
  13. Hohle Gelenkwelle für ein Fahrzeug, hergestellt unter Verwenden eines Verfahrens zum Herstellen eines feinkörnigen, legierten Stahls, wobei das Verfahren umfasst: Mischen von C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb für einen legierten Stahl, um ein Ausgangsmaterial vorzubereiten; Erwärmen des legierten Stahls; Warmschmieden des erwärmten, legierten Stahls; Vergüten, das heißt Abschrecken und Tempern, des warmgeschmiedeten, legierten Stahls; und Wärmebehandeln des vergüteten Stahls bei einer hohen Frequenz und wobei C, Si, Mn, Cr, Mo, Al, Ti und Nb eine Kennzahl F für die Kornfeinung aufweisen, für die Folgendes gilt: F = 10 × [C] + 0,33 × [Si] + 0,2 × [Mn] + 0,7 × ([Cr] + [Mo]) + 0,5 × ([Ti] + [Al] + [Nb]), wobei [C] 0,54 × (der Anteil an C (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an C größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,39 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2 ist, wenn der Anteil an C größer als 0,39 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,55 Gew.-% ist, 0,115 + 0,268 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,038 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,55 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,65 Gew.-% ist, 0,143 + 0,2 × (der Anteil an C (Gew.-%)), wenn der Anteil an C größer als 0,65 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,75 Gew.-% ist, und 0,062 + 0,409 × (der Anteil an C (Gew.-%)) – 0,135 × (der Anteil an C (Gew.-%))2, wenn der Anteil an C größer als 0,75 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,9 Gew.-% ist; [Si] 1 + 0,7 × (der Anteil an Si (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Si größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,4 Gew.-% ist; [Mn] 1,333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Mn größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,8 Gew.-% ist, wobei [Mn] 3,3333 × (der Anteil an Mn (Gew.-%)) + 1 ist, wenn der Anteil an Mn größer als 0,8 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist, und 2,1 x (der Anteil an Mn (Gew.-%)) – 1,12 ist, wenn der Anteil an Mn größer als 1,0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,95 Gew.-% ist; [Cr] 1 + 2,16 x (der Anteil an Cr (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Cr größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 2,0 Gew.-% ist; [Mo] 1 ist, wenn der Anteil an Mo größer als 0 Gew.-% und kleiner als 0,2 Gew.-% ist, wobei [Mo] 1 + 3 × (der Anteil an Mo (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Mo größer als oder gleich 0,2 Gew.-% und kleiner als oder gleich 1,0 Gew.-% ist; [Ti] 145 x (der Anteil an Ti (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Ti größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,03 Gew.-% ist, wobei [Ti] 4,35 ist, wenn der Anteil an Ti größer als 0,03 Gew.-% ist; [Al] 1,73 × (der Anteil an Al (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Al größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist; und [Nb] 1 + 0,363 × (der Anteil an Nb (Gew.-%)) ist, wenn der Anteil an Nb größer als 0 Gew.-% und kleiner als oder gleich 0,05 Gew.-% ist.
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