DE102016120608A1 - Legierung mit hoher Kernhärte, geeignet zum Schnell-Nitrieren - Google Patents

Legierung mit hoher Kernhärte, geeignet zum Schnell-Nitrieren Download PDF

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Abstract

Legierung mit hoher Kernhärte, geeignet zum Schnell-Nitrieren Die Offenbarung betrifft einen Legierungsstahl, der für die Schnell-Nitrierung geeignet ist, mit einer Stahlzusammensetzung, die nach Gewicht (%) umfasst: Kohlenstoff: von 0,2 bis 0,4; Mangan: von 0,50 bis 1,60; Silizium: von 0,50 bis 2,0; Chrom: von 0,40 bis 1,5; Vanadium: von 0,03 bis 0,30; Aluminium: von 0,07 bis 0,30; und einen Rest Eisen und übrige Elemente, wobei die Mengen an Nickel und Molybdän begrenzt sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Offenbarung betrifft allgemein einen niedriglegierten Stahl mit hoher Kernhärte, und insbesondere einen niedriglegierten Stahl mit hoher Kernhärte, der zum Schnell-Nitrieren geeignet ist.
  • Hintergrund
  • Nitrieren ist eine hochspezialisierte Oberflächenhärtungsbehandlung, die einen dünnen Überzug mit hoher Härte auf einer breiten Reihe von Stählen erzeugt. Die beträchtlichen Vorteile der Nitrierung gegenüber anderen Oberflächenhärtungsbehandlungen liegen darin, dass die Überzugshärte ohne Abschrecken entwickelt wird, und die damit zusammenhängenden Verzerrungsprobleme minimiert werden können. Endbearbeitungsvorgänge können beseitigt oder auf einem Minimum gehalten werden.
  • Nitrierte Oberflächen sind hoch verschleißfest und haben hervorragende Gleiteigenschaften. Die nitrierten Oberflächen von Stahlteilen verbessern die Korrosionsfestigkeit der Teile. Ein zusätzlicher Vorteil des Nitrierens besteht darin, dass die Oberflächenhärte gegen Erweichen bei erhöhten Temperaturen bis zur Nitrierungstemperatur resistent ist.
  • Ein Nitrierverfahren umfasst das Diffundieren von Stickstoff in den Basisstahl. Eine typische Nitriertemperatur beträgt etwa 525 °C. Die Oberflächenhärtung während des Nitrierverfahrens erfordert kein Abschrecken. Die Kerneigenschaften werden durch das Nitrierverfahren nicht beeinträchtigt, solange die Anlasstemperatur höher als die Nitriertemperatur ist.
  • Obwohl eine breite Vielfalt von Stählen nitriert werden kann, umfassen üblicherweise verwendete, zur Nitrierung geeignete Stähle AISI 4140, AISI 4340 und Nitralloy N. AISI 4140 ist der am meisten verwendete niedriglegierte Stahl für Nitrierungsanwendungen, der üblicherweise eine Kernhärte von HRC 28–32 hat, wenn er abgeschreckt und in der Folge bei Temperaturen angelassen werden, die höher als die Nitriertemperatur sind. AISI 4340 hat mehr Legierungselemente im Vergleich zu AISI 4140. AISI 4340 kann eine Kernhärte von HRC 39 aufweisen und wird für Stahlteile verwendet, die einen hoch härtbaren Stahl erfordern. Diese Stähle vom Typ AISI 4140 und AISI 4340 enthalten Silizium in Mengen von etwa 0,15–0,35% nach Gewicht und Nickel in Mengen von etwa 1–2% nach Gewicht.
  • Nitralloy N, das auf dem Markt verfügbar ist, ist speziell für die Nitrierung entwickelt worden. Nitralloy kann abgeschreckt und angelassen werden, um typische Kernhärten von etwa HRC 20–25 zu erreichen. Die Vorteile der Nitralloy-Stähle sind ihre hohe Ansprache auf die Nitrierung und ihre sehr hohe Oberflächenhärte äquivalent zu etwa HRC 62–65. Nitralloy erfordert jedoch Nickel in Mengen von 3–5% nach Gewicht.
  • Legierte Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt, wie etwa Stähle vom Typ AISI 4140, AISI 4340 und Nitralloy werden als Nitrier-Legierungen betrachtet, da sie die Vorteile des Nitrierens erlauben. Diese Legierungen erfordern teurer Legierungselemente, wie etwa Nickel und Molybdän. Es wurden Anstrengungen unternommen, legierte Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt mit verringerten Mengen teurer Elemente zu entwickeln. Zum Beispiel wird ein legierter Stahl für die Nitrierung in dem US-Patent 4,853,049 (im Folgenden ”das ’049-Patent”) mit dem Titel ”Nitriding Grade Alloy Steel” offenbart. Das ’049-Patent betrifft einen nitrierbaren, durchgehärteten legierten Stahl, der Aluminium in einem Bereich von etwa 0,07% bis 0,30% nach Gewicht und Vanadium in einem Bereich von etwa 0,03 bis 0,20% nach Gewicht umfasst.
  • Der legierte Stahl in dem ’049-Patent ist ähnlich AISI 4140, mit einer typischen Kernhärte von etwa HRC 28–32, wenn er bei 530 °C angelassen wird. Eine höhere Kernhärte könnte erzielt werden, wenn die Anlasstemperatur verringert werden könnte. Die Nitriertemperatur müsste ebenfalls verringert werden, um niedriger als die Anlasstemperatur zu sein. Niedrigere Nitriertemperaturen erhöhen jedoch die Zykluszeit des Nitrierens und somit die Kosten des Nitrierverfahrens. Darüber hinaus hängen der Härtegradient in einem nitrierten Teil sowie die Oberflächenhärte stark von der Ausgangshärte ab. Der legierte Stahl in dem ’049-Patent und AISI 4140 haben typischerweise eine Oberflächenhärte von etwa HRC 56–58 nach dem Nitrieren. Obwohl der legierte Stahl, der in dem ’049-Patent offenbart wird, keine großen Mengen an teuren Elemente wie etwa Nickel und Molybdän umfassen mag, benötigt ein solcher legierter Stahl wesentlich weniger Zeit, um die gewünschte Härtungstiefe zu erreichen, als der AISI 4140 der Stahl, bei vergleichbaren Nitriertemperaturen und Ofenatmosphäre. Der legierte Stahl in dem ’049-Patent enthält nicht genügend Legierungselemente, um die erhöhte Kernhärte zu erzielen, die für bestimmte hochbelastete Komponenten gewünscht wird.
  • Daher besteht Bedarf nach einer Legierung mit verringerten Mengen an teuren Legierungselementen, die zum Schnell-Nitrieren geeignet ist, während sie die gewünschte Kernhärte bereitstellt.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Offenbarung zielt darauf ab, die Probleme herkömmlicher legierter Stähle für die Nitrierung zu überwinden. Insbesondere stellt ein durchgehärteter niedriglegierter Stahl gemäß der Offenbarung eine Zusammensetzung bereit, die wirtschaftlich ist, an eine Reihe von Abschreckmedien anpassbar ist, nach dem Anlassen eine hohe Kernhärte beibehält und verbesserte Nitrierungseigenschaften verbessert wird. Die anfänglichen Kosten des niedriglegierten Stahls werden aufgrund der Reduktion von Molybdän, Nickel oder anderen die Festigkeit verbessernden Legierungselementen verringert.
  • Gemäß einem Aspekt betrifft die Offenbarung einen Legierungsstahl, der für die Schnell-Nitrierung geeignet ist, mit einer Stahlzusammensetzung, die nach Gewicht (%) umfasst: Kohlenstoff: von 0,2 bis 0,4; Mangan: von 0,50 bis 1,60; Silizium: von 0,50 bis 2,0; Chrom: von 0,40 bis 1,5; Vanadium: von 0,03 bis 0,30; Aluminium: von 0,07 bis 0,30; und Eisen und übrige Elemente: Rest.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung einen legierten Stahl, der zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, und eine Stahlzusammensetzung, die nach Gewicht (%) umfasst: Kohlenstoff: von 0,2 bis 0,4; Mangan: von 0,50 bis 1,60; Silizium: von 0,50 bis 2,0; Chrom: von 0,40 bis 1,5; Vanadium: von 0,03 bis 0,30; Aluminium: von 0,07 bis 0,30; Nickel: 1,0% oder weniger; Molybdän: 0,1% oder weniger; und Eisen und übrige Elemente: Rest.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlprodukts, das aus einem legierten Stahl hergestellt wird, das zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, wobei das Verfahren umfasst: Warmverformen der Stahllegierung, um das Stahlprodukt zu erhalten; Wärmebehandeln des warmverformten Stahlprodukts; Anlassen des wärmebehandelten Stahlprodukts; und Schnell-Nitrieren des angelassenen Stahlprodukts, wobei der legierte Stahl eine Stahlzusammensetzung aufweist, die nach Gewicht (%) umfasst: Kohlenstoff: von 0,2 bis 0,4; Mangan: von 0,50 bis 1,60; Silizium: von 0,50 bis 2,0; Chrom: von 0,40 bis 1,5; Vanadium: von 0,03 bis 0,30; Aluminium: von 0,07 bis 0,30; und Eisen und übrige Elemente: Rest.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
  • 1 zeigt eine Tabelle, die beispielhafte Legierungen gemäß der Offenbarung mit anderen Legierungen vergleicht.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften offenbarten Verfahrens.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren beispielhaften offenbarten Verfahrens.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Offenbart wird ein niedriglegierter Stahl für die Schnell-Nitrierungsbehandlung. Der niedriglegierte Stahl wird auf wirtschaftliche Weise produziert, ohne viele teure Elemente wie etwa Molybdän und Nickel zu erfordern. Der niedriglegierte Stahl enthält einen mittleren Kohlenstoffgehalt und starke nitridbildende Elemente wie etwa Aluminium. Nitrieren ist eine Wärmebehandlung zur Oberflächenhärtung, die Stickstoff in die Oberfläche des niedriglegierten Stahls einleitet. Wird der niedriglegierte Stahl nitriert, bildet das Aluminium AlN-Partikel, die das Ferritgitter belasten, die Dislozierungsbewegung verhindern und dadurch den niedriglegierten Stahl festigen.
  • Gemäß verschiedener Implementierungen der Offenbarung enthält der niedriglegierte Stahl Silizium in einer Menge von 0,5% oder mehr nach Gewicht. Eine Kombination von nitridbildenden Elementen und Silizium gemäß der Offenbarung stellt den niedriglegierten Stahl mit gewünschter Kernhärte bereit, ohne beträchtliche Mengen teurer Legierungselemente wie etwa Ni, Mo und Ti zuzugeben. Ein niedriglegierter Stahl gemäß verschiedener Implementierungen der Offenbarung kann eine chemische Zusammensetzung aufweisen, die in Tabelle I aufgeführt wird: Tabelle I
    Zusammensetzung des beispielhaften niedriglegierten Stahls in Gewichtsanteilen
    Bestandteile Konzentration nach Gewicht (%)
    Kohlenstoff 0,20–0,40
    Mangan 0,50–1,60
    Silizium 0,50–2,00
    Chrom 0,40–1,50
    Vanadium 0,03–2,0
    Aluminium 0,07–2,0
    Eisen und übrige Elemente Rest
  • Im Detail trägt Kohlenstoff (C) zu dem erreichbaren Härteniveau sowie zur Härtungstiefe des Stahls bei. Zum Beispiel stellt eine gewünschte Menge an Kohlenstoff in dem Stahl den Widerstand gegen Rissbildung beim Abschrecken bereit, sowie eine geeignete Ansprache auf die Nitrierung. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Offenbarung beträgt die Menge an Kohlenstoff zumindest 0,20% oder mehr nach Gewicht. Eine exzessive Menge an Kohlenstoff (z. B. mehr 0,40% nach Gewicht in dem Stahl) kann jedoch Rissbildung oder Verzerrung in komplex geformten Artikeln verursachen, und in solchen Fällen kann ein weniger drastisches Abschreckmedium wie etwa Öl erforderlich sein. Gemäß verschiedenen Implementierungen der Offenbarung liegt Menge an Kohlenstoff in einem Bereich von 0,20% bis 0,40% nach Gewicht. Gemäß einigen Aspekten kann die Menge an Kohlenstoff in einem Bereich von 0,24% bis 0,34% nach Gewicht liegen. Ein Stahlartikel, der mit einem legierten Stahl gemäß der Offenbarung hergestellt wird, kann in Wasser, Öl, Gas oder dergleichen abschreckbar sein, was immer am geeignetsten erscheint.
  • Mangan (Mn) trägt zu einer tiefen Härtbarkeit bei und liegt daher in den meisten härtbaren legierten Stahlqualitäten vor. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Offenbarung beträgt die Menge an Mangan zumindest 0,5% oder mehr nach Gewicht, um eine entsprechende Kernhärte sicherzustellen. Eine exzessive Menge an Mangan (z. B. mehr als 1,60% nach Gewicht in dem Stahl) kann die Rissbildung verursachen. Gemäß verschiedenen Implementierungen der Offenbarung liegt die Menge an Mangan in einem Bereich von 0,5% bis 1,6% nach Gewicht. Um eine gleichmäßige Ansprache auf die Wärmebehandlung beizubehalten, kann eine niedrigere Menge an Mangan von 1,5% oder weniger nach Gewicht in Betracht gezogen werden. Gemäß einigen Aspekten kann ein geringerer Umfang von Mangan von 1,00% bis 1,30% nach Gewicht ebenfalls in Betracht gezogen werden.
  • Chrom (Cr) trägt zur Härtbarkeit von Stahl bei und ist ein Nitridbildner, wodurch die Ansprache auf die Nitrierung verbessert wird. Um diese Wirkungen zu realisieren, beträgt die Menge an Chrom in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Offenbarung 0,40% oder mehr nach Gewicht. Um eine minderwertige Ansprache auf die Nitrierung zu vermeiden, ist die maximale Menge an Chrom auf 1,5% nach Gewicht begrenzt. Gemäß einigen Aspekten kann ein geringerer Umfang von Chrom von 0,9% bis 1,2% nach Gewicht ebenfalls in Betracht gezogen werden.
  • Aluminium (Al) trägt zur Härtbarkeit bei und ist ein guter Nitridbildner. Wenn die Menge an Aluminium in dem Stahl zu gering ist, gibt es nicht nur eine geringe beobachtbare Verbesserung entweder der Härtbarkeit oder der Ansprache auf die Nitrierung, sondern auch inkonsistente Vorteile. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung beträgt die Menge an Aluminium zumindest 0,07% oder mehr nach Gewicht. Es hat sich auch gezeigt, dass die Neigung zur Brüchigkeit des Überzugs ebenfalls zunimmt, während die Menge an Aluminium nützlich für die Nitrierbarkeit ist. Gemäß einem Aspekt kann eine Höchstmenge an Aluminium 2,0% nach Gewicht betragen. Gemäß einigen Aspekten kann die Menge an Aluminium in dem Stahl 1,0% oder weniger betragen. Eine kleinere Menge an Aluminium von 0,3% oder weniger nach Gewicht kann ebenfalls in Betracht gezogen werden.
  • Vanadium (V) ist ebenfalls ein Element, das in dem Stahl vorliegt. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung liegt eine Menge von zumindest 0,03% nach Gewicht vor, um eine konsistent messbare Verbesserung der Überzugs- und Kernhärte zu verwirklichen. Eine Höchstmenge an Vanadium kann 2 % nach Gewicht betragen. Vanadium ist ein teures Element. Es hat sich auch gezeigt, dass die Neigung zur Brüchigkeit des Überzugs ebenfalls zunimmt, während die Menge an Aluminium nützlich für die Nitrierbarkeit ist. Ein Bereich von 0,05% bis 0,10% nach Gewicht kann in Betracht gezogen werden, um dieses Element möglichst wirtschaftlich einzusetzen. Alternativ kann auch eine Menge an Vanadium von 0,1% oder mehr und 0,2% oder weniger nach Gewicht in Betracht gezogen werden, wobei eine gewünschte Menge an Silizium in dem Stahl vorliegt.
  • Silizium ist ein Element, das die Kernhärte des Stahls verbessert. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung beträgt die Menge an Silizium zumindest 0,5% oder mehr nach Gewicht. Eine übermäßige Zugabe beeinflusst jedoch nicht nur die Zähigkeit und Härte des Stahls negativ, sondern auch andere mechanische Eigenschaften wie etwa Kaltumformungseigenschaften und die maschinelle Bearbeitbarkeit. Daher sind die Grenzen für Silizium 2,0% oder weniger nach Gewicht. Gemäß einigen Aspekten kann ein geringerer Umfang von 0,6% bis 2,0% nach Gewicht ebenfalls in Betracht gezogen werden. Gemäß verschiedenen Aspekten kann auch Bereich von 1,0% bis 2,0% nach Gewicht in Betracht gezogen werden. Es hat sich gezeigt, dass die eindeutige Kombination von Aluminium, Vanadium und Silizium innerhalb der Bereiche gemäß der Offenbarung stark zu einer hohen Kernhärte und einer guten Ansprache auf die Nitrierung beiträgt.
  • Nickel (Ni) und Molybdän (Mo) sind teure Elemente. Vom wirtschaftlichen Standpunkt wäre es wünschenswert, die Mengen an Nickel und Molybdän zu verringern. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung ist eine Menge an Nickel und/oder Molybdän 1% oder weniger nach Gewicht. Gemäß einigen Aspekten kann die Gesamtmenge an Nickel und Molybdän kann 1% oder weniger nach Gewicht betragen. Bei Vorliegen einer gewünschten Menge an Silizium gemäß der Offenbarung können Nickel und Molybdän jeweils weiter 0,1% oder weniger nach Gewicht verringert werden. Gemäß verschiedener Aspekte können jeweils Nickel und Molybdän 0,01% oder weniger nach Gewicht verringert werden.
  • Titan (Ti) und Niob (Nb) werden manchmal hinzugefügt, um eine Kornvergröberung vor und nach der Warmmassivumformung zu verhindern. Wenn sie mit Molybdän und/oder Vanadium hinzugefügt werden, bilden Titan und Niob Carbonitride mit Stickstoff und Kohlenstoff in dem Stahl, und verbessern effektiv die Kernhärte und die Oberflächenhärte ebenfalls. Jedoch erhöht ein übermäßig hoher Gehalt an Titan karbidbasierte Niederschläge, was die Zähigkeit des Stahls verschlechtert. Darüber hinaus ist Titan ein teures Element. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung liegt der obere Grenzwert für Titan bei 0,05% nach Gewicht. Gemäß einigen Aspekten kann die Menge an Titan 0,01% oder weniger nach Gewicht betragen. Gemäß verschiedenen Aspekten kann die Gesamtmenge an Titan und Niob 0,01% oder weniger nach Gewicht betragen.
  • Schwefel (S) in geringen Mengen kann nützlich sein, da es die maschinelle Bearbeitbarkeit fördert. Ist die Menge an Schwefel jedoch zu hoch, wird die Verschlechterung der Zähigkeit und Korrosionsfestigkeit schwerwiegend. Daher kann gemäß einem Aspekt der Offenbarung die Menge an Schwefel auf nicht mehr als 0,01% nach Gewicht eingestellt werden. Gemäß einigen Aspekten kann die Menge an Schwefel 0,005% oder weniger nach Gewicht betragen, um einen Duktilitätsverlust zu verhindern.
  • Phosphor (P) ist ein Element, das in dem Stahl als eine Verunreinigung vorliegt. Eine geringe Menge an Phosphor kann eine Verschlechterung der Zähigkeit oder Korrosionsfestigkeit des Stahls verursachen. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung beträgt die Menge an Phosphor 0,03% oder weniger nach Gewicht. Es wäre jedoch wünschenswert, dass die Menge an Phosphor 0,01% oder weniger beträgt.
  • Der Rest der Zusammensetzung des niedriglegierten Stahls besteht im Wesentlichen aus Eisen, mit einigen unwesentlichen oder Restmengen an Elementen wie etwa Verunreinigungen, die in geringen Mengen innerhalb handelsüblich akzeptierter Mengen vorliegen können.
  • 1 zeigt eine Tabelle, die beispielhafte Legierungszusammensetzungen gemäß der Offenbarung mit herkömmlichen Legierungen AISI 4140, AISI 4340, Nitralloy und der Legierung des ’049-Patents vergleicht. In herkömmlichen nitrierten Legierungen, die relativ große Mengen an Molybdän und/oder Nickel enthalten, verbessern niedrigere Gehalte an Legierungselementen die Anlassfestigkeit und verringern die Sensibilität, um die Brüchigkeit zu mildern. Im Gegensatz dazu kann, je höher die Legierungsanteile des Nitrierstahls sind, eine umso größere Oberflächenhärte erreicht werden. Die Restdruckspannung in der nitrierten Oberflächenschicht nimmt ebenfalls zu, was zu einer höheren Festigkeit führt. Die größere Oberflächenhärte, die durch die zusätzlichen Legierungselemente verursacht wird, führt jedoch zu einer geringeren Neigung der Oberflächenschicht, an einem Verschleißpartner zu haften, und die größere Oberflächenhärte führt auch zu einem größeren Risiko der Rissbildung bei mechanischer Belastung. Ein niedriglegierter Stahl gemäß der Offenbarung hat niedrigere Gehalte teurer Elemente im Vergleich zu den herkömmlichen Legierungen, bietet aber eine vergleichbar hohe Kernhärte mit guten Nitrierungseigenschaften.
  • Hergestellte Produkte, etwa Wellen, Kupplungen und Zahnräder, mit einer Zusammensetzung gemäß der Offenbarung können zuerst in vorteilhafter Weise durch Schmieden oder Walzen geformt werden. Gemäß einem Aspekt können die geformten Produkte durch Erwärmung auf eine Temperatur um 870°C (1600°f) für eine Dauer von etwa einer Stunde gehärtet und anschließend in Wasser oder Öl abgeschreckt werden, um die Phasentransformation abzuschließen. Optional können die geformten Produkte durch Hochdruckgas-Abschrecken abgeschreckt werden, das typischerweise mit einem Vakuumwärmebehandlungsverfahren gekoppelt ist. Nach dem Anlassen, um die festigkeitsverleihenden Partikel niederschlagen und agglomerieren zu lassen, und damit die gewünschten Eigenschaften bereitzustellen, werden die Produkte nitriert.
  • Steigt die Anlasstemperatur, nimmt auch die Menge an Chrom- und Molybdänkarbiden zu. Dies verringert den Niederschlag von Nitriden und führt zu einer geringeren Erhöhung der Härte. In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Offenbarung kann durch Verringern der teuren Legierungselemente wie etwa Molybdän, Nickel und/oder Titan der wirtschaftliche Vorteil von niedrigeren Mengen an teuren Legierungselementen erzielt, die Anzahl der Herstellungsverfahren verringert und gleichzeitig durch Erhöhen des Siliziumgehalts die gewünschte Kernhärte und/oder eine gute Ansprache auf das Nitrieren erreicht werden.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Stähle mit Zusammensetzungen gemäß der Offenbarung können als Rohre, warmgewalzte Platten, gewalztes Rundmaterial, Schmiedeteile, Rundmaterial, Vierkantmaterial, Flachmaterial, Platten und dergl. zur Verfügung gestellt werden. Ein niedriglegierter Stahl gemäß der Offenbarung kann durch Schmelzen, Formen und Wärmebehandeln erhalten werden. 2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Herstellungsverfahrens 100 gemäß der Offenbarung. Ein niedriglegierter Stahl gemäß der Offenbarung wird zunächst legiert 110. Gemäß einem Aspekt kann ein geschmolzener Stahl in Abhängigkeit von den Dimensionen des gewünschten Endprodukts gegossen werden.
  • Der Stahl wird durch Schmieden oder Warmwalzen warmverformt 120. Zum Beispiel kann der Stahl zum Warmschmieden zuerst auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 1100 bis 1250 °C erwärmt werden. Der Stahl kann dann heiß in eine gewünschte Gestalt geschmiedet werden, und kontrolliert von der Schmiedetemperatur abgekühlt werden, um eine gewünschte Mikrostruktur zu erzielen. Das geschmiedete Produkt kann luftgekühlt oder durch Gebläse oder andere Mittel zur Zirkulation der Kühlungsluft gekühlt werden.
  • Der warmverformte Stahl kann dann abgeschreckt und auf eine spezifische Kernhärte angelassen werden 130. Das Anlassen kann bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 200°C bis 650°C erfolgen. Das Stahlprodukt mit einer Stahlzusammensetzung gemäß der Offenbarung hat eine gute Anlassbeständigkeit.
  • Der angelassene Stahl wird maschinell bearbeitet, um ein Stahlteil zu erzeugen, und zwar durch Grobbearbeitung 140, Entspannung 150 und Endbearbeitung 160. Der angelassene Stahl kann für verschiedene Anwendungen mechanisch verarbeitet werden, etwa Zahnräder, Antriebswellen, Stangen, Zylinder, Spindeln, Rollen, Ventile, Ringe, Schienen und dergl. In der Folge wird das Stahlteil schnellnitriert 170. Optional kann das Stahlteil gelappt oder leicht geschliffen werden, falls dies erforderlich ist 180. Das beispielhafte Herstellungsverfahren 100 kann das Stahlteil mit nur minimaler Distorsion produzieren.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Herstellungsverfahrens 200 gemäß der Offenbarung. Gemäß einem Aspekt wird der Stahl nach dem Legieren eines niedriglegierten Stahls gemäß der Offenbarung 210 durch Schmieden oder Warmwalzen warmverformt 220 und maschinell grobbearbeitet 230. Der Stahl wird abgeschreckt und auf eine spezifische Kernhärte 240 angelassen und dann maschinell endbearbeitet, um ein Stahlteil zu bilden 250. In der Folge wird das Stahlteil schnellnitriert 260. Optional kann das Stahlteil gelappt oder leicht geschliffen werden, falls dies erforderlich ist 270. Das beispielhafte Herstellungsverfahren 200 kann den Stahl mit maximaler maschineller Bearbeitbarkeit produzieren.
  • Die Oberflächenbehandlung kann angewendet werden, um die Oberflächenhärte und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Nitrieren ist ein thermochemisches Verfahren, bei dem die Oberfläche eines Stahlteils mit Stickstoff angereichert wird, um Legierungsnitride zu bilden, die die Verschleißfestigkeit verbessern und eine Oberflächennitridschicht bilden, die die Korrosionsbeständigkeit des Stahlteils verbessern kann. Zum Beispiel erhöht das Nitrieren die Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit, den Widerstand gegen bestimmte Formen der Korrosion, und Oberflächendruckspannungen, was die Ermüdungsbeständigkeit des Stahlteils verbessert. Dementsprechend werden nitrierte Stahlprodukte oft für Zahnräder, Kupplungen, Wellen und andere Anwendungen verwendet, die Beständigkeit gegen Verschleiß durch hoch spannungsbelastete und abrasive Umgebungen erfordern.
  • Verschiedene Verfahren des Nitrierens können eingesetzt werden. Ein verbreitet verwendetes Verfahren des Nitrierens ist das Gasnitrieren. Alternative Verfahren können Salzbadnitrieren und Plasmanitrieren umfassen. Beim Gasnitrieren ist der Donor Stickstoffgas, üblicherweise wasserfreies Ammoniak (NH3); daher wird das Verfahren manchmal auch als Ammoniaknitrieren bezeichnet. Wenn Ammoniak mit dem erwärmten Werkstück in Kontakt gelangt, zerfällt es in Stickstoff und Wasserstoff. Der Stickstoff diffundiert auf die Oberfläche des Stahls und erzeugt eine Nitridschicht. Die Dicke und Phasenzusammensetzung der entstehenden Nitridschicht kann ausgewählt werden, und das Verfahren für die bestimmten erforderlichen Eigenschaften optimiert werden.
  • Das Nitrieren eines Stahls kann in einer Atmosphäre, die zum Teil dissoziiertes Ammoniakgas enthält, bei einer Temperatur in einem Bereich von 400 bis 600 °C erfolgen. Bei herkömmlichen Nitrierverfahren dauert das Verfahren von Anfang bis Abschluss des Nitrierens üblicherweise 20–40 + Stunden. Im Gegensatz dazu kann beim Schnell-Nitrieren die Nitrierzeit für Produkte mit einer Stahlzusammensetzung gemäß der Offenbarung beträchtlich verringert werden. Für eine Überzugstiefe von 0,3 mm kann die Nitrierzeit in der Größenordnung von 40 % verringert werden, was beträchtliche Kosteneinsparungen mit sich bringt. Gemäß einem Aspekt kann eine Zeitdauer vom Beginn des Nitrierens bis zum Abschluss 15 h oder weniger betragen. Durch die verringerten Mengen an Molybdän, Nickel und/oder Titan und erhöhten Mengen an Silizium ist eine Stahlzusammensetzung gemäß der Offenbarung geeignet für das Schnell-Nitrieren und stellt den Stahl mit der gewünschten Kernhärte bereit.
  • Teile, die aus den Stählen gemäß der Offenbarung hergestellt werden, können für die Herstellung von Verbrennungsmotoren, etwa Kurbelwellen, Kolbenbolzen, Nockensteuerungszahnräder, Pleuelstangen und dergl. verwendet werden. Zusätzlich kann ein Stahl gemäß der Offenbarung in einer Anordnung aus Kettenbolzen und Kettenbolzengelenken in einer Raupenkette verwendet werden, die als Teil eines Raupenfahrwerks eines Schleppfahrzeugs vom Raupentyp, eines Kettenladers, oder einer anderen kettenbetriebenen Maschine, die in der Technik bekannt ist, eingesetzt wird.
  • Es sollte klar sein, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele der offenbarten Legierung und Produkte bereitstellt. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und stellen keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen dar. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung für diese Merkmale angeben, jedoch diese nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts anderes angegeben ist.
  • Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in beliebiger geeigneter Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4853049 [0007]

Claims (10)

  1. Legierungsstahl, der für die Schnell-Nitrierung geeignet ist, mit einer Stahlzusammensetzung, die nach Gewicht (%) umfasst: Kohlenstoff: von 0,2 bis 0,4; Mangan: von 0,50 bis 1,60; Silizium: von 0,50 bis 2,0; Chrom: von 0,40 bis 1,5; Vanadium: von 0,03 bis 0,30; Aluminium: von 0,07 bis 0,30; und Eisen und übrige Elemente: Rest.
  2. Legierungsstahl, der zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, nach Anspruch 1, wobei der Siliziumgehalt in der Stahlzusammensetzung in einem Bereich von 1,0 bis 2,0% nach Gewicht liegt.
  3. Legierungsstahl, der zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, nach Anspruch 1, wobei der Siliziumgehalt in der Stahlzusammensetzung in einem Bereich von 1,5 bis 2,0% nach Gewicht liegt.
  4. Legierungsstahl, der zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, nach Anspruch 1, wobei die Stahlzusammensetzung des Weiteren nach Gewicht umfasst: Nickel: 1,0% oder weniger.
  5. Legierungsstahl, der zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, nach Anspruch 1, wobei die Stahlzusammensetzung des Weiteren nach Gewicht umfasst: Molybdän: 0,1% oder weniger.
  6. Legierungsstahl, der zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, nach Anspruch 1, wobei die Stahlzusammensetzung im Wesentlichen nach Gewicht (%) besteht aus: Kohlenstoff: von 0,2 bis 0,4; Mangan: von 0,50 bis 1,60; Silizium: von 0,50 bis 2,0; Chrom: von 0,40 bis 1,5; Vanadium: von 0,03 bis 0,30; Aluminium: von 0,07 bis 0,30; und Eisen und Verunreinigungen: Rest.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Stahlprodukts, das aus einem legierten Stahl hergestellt wird, der zur Schnell-Nitrierung geeignet ist, wobei das Verfahren umfasst: Warmverformen der Stahllegierung, um das Stahlprodukt zu erhalten; Wärmebehandeln des warmverformten Stahlprodukts; Anlassen des wärmebehandelten Stahlprodukts; und Schnell-Nitrieren des angelassenen Stahlprodukts, wobei der legierte Stahl eine Stahlzusammensetzung aufweist, die umfasst: nach Gewicht (%) Kohlenstoff: von 0,2 bis 0,4; Mangan: von 0,50 bis 1,60; Silizium: von 0,50 bis 2,0; Chrom: von 0,40 bis 1,5; Vanadium: von 0,03 bis 0,30; Aluminium: von 0,07 bis 0,30; und Eisen und übrige Elemente: Rest.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Siliziumgehalt in der Stahlzusammensetzung in einem Bereich von 1,0 bis 2,0% nach Gewicht liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Siliziumgehalt in der Stahlzusammensetzung in einem Bereich von 1,5 bis 2,0% nach Gewicht liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Stahlzusammensetzung des Weiteren nach Gewicht umfasst: eine Gesamtmenge von Nickel und Molybdän: 1,0% oder weniger.
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