DE10306063A1

DE10306063A1 - Verfahren zum Bearbeiten von Panzerstahl

Info

Publication number: DE10306063A1
Application number: DE2003106063
Authority: DE
Inventors: Hartmut Rex
Original assignee: PGAM ADVANCED TECHNOLOGIES AG
Current assignee: FARMINGTONS HOLDING GMBH, DE
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-08-26

Abstract

Bei einem Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken aus Panzerstahl, insbesondere mit einem C-Gehalt von zwischen 0,4 und 0,6%, mit im Wesentlichen martensitischer Gefügestruktur, wird erfindungsgemäß DOLLAR A - jedes Werkstück bei einer Temperatur oberhalb des Curie-Punkts für eine vorgegebene Durchwärmzeit weichgeglüht, um austenitisches Gefüge zu erhalten; DOLLAR A - das Werkstück mit kontrollierter Abkühlgeschwindigkeit oberhalb der die Bildung von martensitischem Gefüge begünstigenden kritischen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt; DOLLAR A - das Werkstück bearbeitet; DOLLAR A - das bearbeitete Werkstück auf eine Temperatur oberhalb des Curie-Punkts gebracht und anschließend zum Wiederherstellen seiner Härte abgeschreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten von Panzerstahl mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Im engeren Sinne bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Verarbeiten von Panzerstahl-Halbzeugen (insbesondere von Blechen) und/oder Bauteilen (Werkstücken), die z. B. als Panzerungselemente in oder an Sonderfahrzeugen Verwendung finden.
Homogene Panzerungselemente aus Panzerstahl, das sind gehärtete, niedrig legierte Sonderstähle (Vergütungsstähle), haben bestimmungsgemäß eine hohe Härte (57 – 64 HRC : Härteprüfung nach Rockwell C (C für „Cone"/Spitzenmessung)). Es handelt sich um legierte Baustähle mit 0,4 – 0,6 % C-(Kohlenstoff-)Gehalt. Bekannte Produkte werden z. B. als ARMOX 500 T, ARMOX 560 T und ARMOX 600 T vertrieben. Eine Referenz solcher Stähle findet man z. B. unter dem Internet-link http://www.oxelosund.ssab.se/svprodukter/armox/pdf/armxcivl.pdf.
Dort wird für das Biegen von Blechen des Typs ARMOX 500 T mit einer Dicke t auf einem Prisma der Weite W unter einem Abkantlineal mit dem Radius R ein Verhältnis von R/t = 6 und W/t = 20 gefordert.
In Abhängigkeit von der Vergütung des Stahls lässt sich entweder eine hohe Festigkeit des Stahls auf Kosten der Duktilität (elastisch-plastische Verformbarkeit) oder eine zum Energieverzehr hinreichende Duktilität bei allerdings verringerter Härte einstellen. Müssen Werkstücke aus Panzerstahlblechen verformt, insbesondere gebogen werden, so werden relativ aufwändige Biegeverfahren und -werkzeuge benötigt. Dennoch lassen sich herkömmliche Panzerstahlbleche aus den o. g. Werkstoffen nur bedingt und mit geringfügigen Formänderungen spanlos bearbeiten, insbesondere biegen (bis max. 4°), ohne zu brechen bzw. Oberflächenrisse zu zeigen. Hinzu kommt beim Schweißen dieser Werkstoffe ein starkes Absinken der Härte im Bereich der Wärmeeinflusszone. Dies könnte zu Schwachstellen in einer damit ausgeführten Panzerung führen.

Aus DE-C1-36 43 774 ist zwar ein Panzerungselement bekannt, das durch Kombination einer Schicht aus amorphem Metall (z. B. Eisen, Aluminium, Bor und Wolfram) mit einer Trägerschicht aus kristallinem Metall ein Material schafft, das hohe Festigkeit mit hoher Dehnbarkeit und Verformbarkeit verbindet. Solche und andere bekannte Panzerungswerkstoffe aus Verbundmaterial sind allerdings im Vergleich mit Panzerstahlblechen teuer.

Es ist grundsätzlich bekannt, gehärtete metallische Materialien durch Wärmezufuhr zu enthärten bzw. spannungsfrei zu glühen. Auch das schon erwähnte lokale Absinken der Härte von Panzerstahlblechen beim Schweißen ist dieselbe Stoffreaktion. Auf die schließlich erreichte Gefügestruktur hat allerdings auch die Abkühlgeschwindigkeit entscheidenden Einfluss.

Die Erfindung hat die Aufgabe, Verfahren zu schaffen, mit denen herkömmliches Panzerstahlblech mit hoher Härte einfacher bearbeitet, insbesondere kaltverformt und ggf. zu komplexen Formen verarbeitet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.

Es sei angemerkt, dass die Ansprüche vereinfachend stets Werkstücke erwähnen; hierunter sind sinngemäß jedoch auch Halbzeuge wie z. B. Bleche zu verstehen. So weit in den Ansprüchen ein „bearbeitetes Werkstück" erwähnt wird, so ist hierunter ein Werkstück oder Halbzeug nach dem Weichglühen und anschließender Bearbeitung zu verstehen.

Der Überlegung, dass zum (spanlosen) Bearbeiten eines Panzerstahls, insbesondere eines Blechs aus Panzerstahl, dessen Härte und Sprödheit durch Glühen herabgesetzt werden könnte, steht grundsätzlich die fachmännische Erwägung entgegen, dass zugleich die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Materials herabgesetzt werden. Wird gehärteter Stahl mit etwa 0,5 % C-Gehalt und martensitischem Gefüge für eine bestimmte Zeit über 768 °C (Curie-Punkt des Eisens) hinaus erhitzt, so wird das Kristallgefüge des Stahls in seine austenitische, vergleichsweise weiche Form überführt. Um eine mit noch höheren Temperaturen rasch zunehmende übermäßige Kornvergröberung zu vermeiden, sollte die Erhitzungstemperatur jedoch 911 °C (Metallgitter-Umwandlungspunkt) nicht überschreiten, wenn das Material später wieder als Panzerstahl verwendet werden soll. Zwar ist die Kornvergröberung (Grobnadeligkeit), welche die spanlose Verformung negativ (durch Bildung von inneren Rissen) beeinflussen kann, als solche nicht irreversibel, lässt sich aber nur durch wiederholtes Weichglühen rückgängig machen. Der hierzu notwendige Aufwand lässt sich durch Beachten der vorgenannten Temperatur-Obergrenze beim Weichglühen des martensitischen Gefüges vermeiden.

Angesichts der beabsichtigten Weiterverwendung des behandelten Materials muss vermieden werden, dass es während des Weichglühens verzundert, durch C-Entzug entkohlt wird und dass seine Oberfläche durch Stickstoffaufnahme aus der Umgebung aufnitriert wird. Folglich scheidet die bekannte Verwendung von Glühgasen für das hier beschriebene Verfahren aus.

Zum Weichglühen des Panzerstahls wird vielmehr nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Vakuum-Glühverfahren verwendet. Hierbei werden die zu behandelnden Werkstücke in einer Vakuumkammer auf die erforderlichen Temperaturen (also oberhalb von 769 °C) erhitzt.

Dieses Verfahren bietet die für den besonderen anspruchsvollen Verwendungszweck des behandelten Materials erforderliche Prozesssicherheit. Die Härte des Stahls lässt sich vom Herstellungswert 57 – 64 HRC auf 27 – 28 HRC verringern (Werte aus Härteprüfung nach Brinell mit Hartmetallkugel).

Nach Umwandlung in austenitisches Gefüge muss beim Abkühlen des Werkstücks vor dessen Weiterbearbeitung sichergestellt werden, dass sich nicht wieder martensitisches Gefüge, sondern vergleichsweise weiches und gut verformbares perlitisches Gefüge einstellt. Bekanntlich hängt die Bildung dieser unterschiedlichen Gefügeformen von der Abkühlgeschwindigkeit ab. Ist letztere hoch (Kühlen durch „Abschrecken"), so bildet sich, jedenfalls an den Oberflächen, unterhalb des Martensit-Punktes (bei 200 °C) wieder das harte Martensit-Gefüge. Nur bei relativ geringen Abkühlgeschwindigkeiten ist ein hoher Perlitanteil im Gefüge des Werkstücks erreichbar.

Wichtig ist beim Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in jedem Fall, dass sowohl beim Aufwärmen als auch beim Abkühlen möglichst gleichmäßige Temperaturverhältnisse im gesamten Werkstückvolumen eingehalten werden, damit es nicht zu inneren Spannungen bzw. bleibenden Gefügeunterschieden kommt. Das hier beschriebene Verfahren wird hauptsächlich bei Blechen angewendet, so dass von einer relativ gleichmäßigen Wärmeverteilung über deren Dicke (im Millimeterbereich) ausgegangen werden kann, jedoch sorgfältig die Temperatur-Homogenität über die Fläche beachtet werden sollte.

Nach Durchführen dieser kontrollierten Abkühlung können die so behandelten Werkstücke unter Einhaltung der Vorschriften des Herstellers sehr viel besser und einfacher bearbeitet werden als im Ursprungszustand. Insbesondere lassen sich Bleche gut und praktisch ohne Einschränkung des Abkantwinkels (der zuvor nur 4° betrug oder jedenfalls einen verhältnismäßig großen Biegeradius einhalten musste (bei einem 3-mm-Blech aus ARMOX 500 T mindestens 18 mm) biegen sowie schweißen.

Nach Beenden dieser Bearbeitungsschritte müssen die Werkstücke zum Wiederherstellen ihrer Panzerstahl-Eigenschaften weiterbehandelt werden. Wieder ist, wie beim vorangehenden Weichglühen auch, Erhitzen über den Curie-Punkt hinaus (769 °C) erforderlich bis unter 911 °C, um die Bildung von gröberem Austenit-Korn zu vermeiden. Natürlich sollte das gesamte Werkstück möglichst homogen aufgeheizt bzw. durchgewärmt werden.

Sodann wird das Material durch schroffes Abkühlen wieder gehärtet. Damit eine möglichst vollständige (Rück-)Umwandlung des Austenits in Martensit erreicht wird, muss das Abschreckmedium die Wärme aus den Werkstücken möglichst homogen und so schnell abführen, dass die kritische Abkühlgeschwindigkeit von 550 °C/s (bei Stahl mit 0,5 % C-Gehalt) erreicht oder überschritten wird. Hierdurch können Härtegrade von 42 – 47 HRC erreicht werden. Zwar sind diese Werte geringer als die ursprüngliche Härte, reichen aber für den vorgesehenen Einsatzweck vollständig aus. Sie können im Hinblick auf eine gleichzeitig erreichbare höhere Duktilität sogar von Vorteil hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit der Werkstücke gegen Angriffe sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weichzuglühende Bleche auf einer Keramikplatte übereinander geschichtet und in einem Vakuum-Ofen auf eine Kerntemperatur von 860 °C gebracht. Nach deren Erreichen werden die Bleche für 60 bis 120, vorzugsweise 90 Minuten bei dieser Temperatur gehalten.

Nach Erreichen der vorgesehenen Temperatur-Haltedauer werden die Bleche im Vakuum durch Abschalten der Heizung abgekühlt, wobei die Abkühlgeschwindigkeit wesentlich niedriger als die kritische Geschwindigkeit bleibt. Der Ofen wird nicht geöffnet, insbesondere wird jeglicher Kontakt der Bleche mit Stickstoff möglichst vermieden. Sind die Bleche auf 200 °C abgekühlt, so kann die restliche Abkühlung auf die Umgebungs- bzw. Bearbeitungstemperatur durch Öffnen des Ofens beschleunigt werden.

Mit Vorzug kann sodann stichprobenartig die Härte geprüft werden, um nachzuweisen, dass der Zweck des Weichglühens erreicht und die perlitische Phase in den Blechen eingestellt wurde.

Hieran schließen sich die notwendigen Bearbeitungen (Schneiden, Biegen, Abkanten, Schweißen etc.) zum Erzielen des gewünschten, ggf. als Karosseriebauteil eines Personenfahrzeugs komplex geformten Werkstücks an.

Abschließend müssen die fertig gestalteten Werkstücke wieder gehärtet werden. Hierzu werden sie, wie schon erwähnt, wieder erhitzt. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Werkstücke in einer Salzschmelze aufgeheizt, die auf der erforderlichen Temperatur oberhalb des Curie-Punktes gehalten wird. Es versteht sich, dass diese Salzschmelze neutral sein muss, also die Werkstücke in keiner Weise negativ beeinträchtigen darf; korrosive Angriffe sowie Diffusion von Inhaltsstoffen des Salzbades in den Stahl sind nach Möglichkeit auszuschließen.

Die bearbeiteten Werkstücke werden in der Salzschmelze vorzugsweise wiederum auf 860 °C erhitzt. Für das vollständige homogene Durchwärmen genügen etwa 30 Minuten Haltezeit.

Ist eine vollständige Umwandlung in austenitisches Gefüge sicher erreicht, so müssen die Werkstücke mit hoher Abkühlgeschwindigkeit (mindestens –550 °C/s) heruntergekühlt werden, um eine möglichst vollständige Martensit-Struktur herzustellen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch hierzu ein Bad, insbesondere ein Bad aus einer Salzschmelze, verwendet. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Wärmeentzug homogen über die Oberfläche der Werkstücke verteilt abläuft. Verzug der Werkstücke wird weitestgehend ausgeschlossen. Das Bad hat eine Temperatur unterhalb des Martensit-Punktes, der bei 200 °C liegt. Die vorzugsweise bei 160 °C gehaltene Abkühl-Salzschmelze (Warmbad) hat ferner den Vorteil, dass die Wärme langsamer, quasi schonender, entzogen wird, als es in einem Wasser- oder Öl-Bad der Fall wäre. Hierbei ist die vergleichsweise geringere Wärmeleit- oder -aufnahmefähigkeit der Salzschmelze von Vorteil.

Die Zeitspanne für die Überführung der Werkstücke aus der heißen in die „kalte" Salzschmelze muss naturgemäß begrenzt werden, damit keine unkontrollierte Abkühlung der Werkstücke an Luft bei Umgebungstemperatur stattfinden kann.

Es ist z. B. denkbar, die Werkstücke an Ort und Stelle zu belassen und lediglich die Salzschmelze in dem Bad-Behälter auszuwechseln, wenn dieser Vorgang mit hinreichender Schnelligkeit und vertretbarem Aufwand durchführbar ist.

Ist sichergestellt, dass die Werkstücke vollständig unter die Temperatur von 200 °C gekühlt sind (dies ist erfahrungsgemäß nach einer Haltezeit von etwa 15 Minuten der Fall), so können sie zur Beschleunigung der Abkühlung aus dem Bad entnommen und in der Umgebungsluft endgültig gekühlt werden. Schließlich werden die Werkstücke gründlich gewaschen, um alle Spuren der Salzlösung zu entfernen.

Das Diagramm der 1 zeigt qualitativ den Temperaturverlauf beim Härten der Bleche über der Zeit, wie schon vorstehend erörtert.

Bei T₀ beginnt das Aufheizen des bearbeiteten Werkstücks -von Umgebungs- bzw. Raumtemperatur- durch Einlegen in die heiße Salzschmelze. Bei T₁ ist die Austenitisierungstemperatur (hier etwa 860 °C) erreicht oder überschritten, die bis T₂ gehalten wird. Eine gestrichelte Linie repräsentiert den Curie-Punkt CP bei 768 °C. Die Zeitdifferenz zwischen T₁ und T₂ beträgt z. B. etwa 30 Minuten. Zwischen T₂ und T₃ fällt die Temperaturkurve in einem Zeitraum von etwa 10 Minuten steil auf weniger als 200 °C ab – dies ist der Abschreckvorgang bei mehr als –550 °C/s. Sie unterschreitet während dieses steilen Abfalls die Martensit-Temperatur, die durch eine gestrichelte Linie MS bezeichnet ist. Nach einer kurzen Haltezeit bis T₄, bei der das bearbeitete Werkstück die Temperatur des Abschreck-Bades annimmt, wird mit einem erneut zunächst relativ steilen Temperaturabfall die endgültige Abkühlung an der Umgebungsluft durchgeführt.

Versuche der Erfinder haben ergeben, dass so behandelte Werkstücke nach dem erneuten Härten Härtegrade von 42 – 47 HRC aufwiesen. Dies genügt, um ballistisch hinreichend sichere (Karosserie-) Bauteile zur Verfügung zu stellen.

Claims

Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken aus Panzerstahl, insbesondere mit einem C-Gehalt von zwischen 0,4 und 0,6 %, mit im Wesentlichen martensitischer Gefügestruktur, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – jedes Werkstück wird bei einer Temperatur oberhalb des Curie-Punkts für eine vorgegebene Durchwärmzeit weichgeglüht, um austenitisches Gefüge zu erhalten; – das Werkstück wird mit kontrollierter Abkühlgeschwindigkeit oberhalb der die Bildung von martensitischem Gefüge begünstigenden kritischen Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt; – das Werkstück wird bearbeitet; – das bearbeitete Werkstück wird auf eine Temperatur oberhalb des Curie-Punkts gebracht und anschließend abgeschreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück höchstens auf unterhalb des Metallgitter-Umwandlungspunktes liegende Temperaturen erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück während einer Zeitspanne von 60 bis 120 Minuten, vorzugsweise 80 bis 100 Minuten, auf einer Temperatur oberhalb des Curie-Punktes gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück bei 860 °C für 90 Minuten gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in einem Vakuumraum insbesondere in Abwesenheit von Stickstoff erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in dem Vakuumraum unter Aufrechterhaltung des Vakuums auch mindestens so weit abgekühlt wird, dass eine Martensit-Bildung auch bei rascher weiterer Abkühlung auszuschließen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abkühlen des Werkstücks nach dem Weichglühen eine die Bildung von Perlit begünstigende Abkühlgeschwindigkeit eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bearbeitete Werkstück in einem Bad homogen auf eine Temperatur oberhalb des Curie-Punktes erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Bad eine Salzschmelze mit einer zwischen dem Curie-Punkt und dem Metallgitter-Umwandlungspunkt gesteuerten Temperatur bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das bearbeitete Werkstück in dem Bad vor dem Abschrecken für eine Zeitspanne von 20 bis 50 Minuten, vorzugsweise für 30 Minuten, erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschrecken des Werkstücks ein Bad mit einer unterhalb des Martensit-Punktes liegenden Temperatur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschreck-Bad aus einer Salzschmelze besteht, die in einem Temperaturbereich von 140 bis 180 °C, vorzugsweise bei 160 °C gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Übergang des bearbeiteten Werkstücks vom Erhitzen über den Curie-Punkt hinaus zum Abschrecken eine vorgegebene Zeitspanne eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das bearbeitete Werkstück innerhalb von 100 Sekunden aus dem heißen Bad in das Abschreckbad überfuhrt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das bearbeitete Werkstück in dem Abschreck-Bad für eine vorbestimmte Zeitspanne, vorzugsweise mindestens für 15 Minuten gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das bearbeitete Werkstück nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne in der Umgebungsluft weiter gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Aufheizen des bearbeiteten Werkstücks zum Abschrecken durch beschleunigten Austausch des Heizbades gegen das Abschreckbad bei Verbleiben des Werkstücks in demselben Behälter durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Weichglühen und/oder nach dem Abschrecken eine Härteprüfung zumindest an Werkstück-Stichproben durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Weichglühen eine Härte des Werkstücks von 27 bis 28 HRC eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Abschrecken eine Härte des bearbeiteten Werkstücks zwischen 42 – 47 HRC eingestellt wird.