DE112009000750B4

DE112009000750B4 - Stahlgegenstand, Verfahren zur Herstellung des Stahlgegenstands und Vorrichtung zur Herstellung eines Stahlgegenstands

Info

Publication number: DE112009000750B4
Application number: DE112009000750T
Authority: DE
Inventors: Tsukasa Okamura; Kengo Iwanaga; Osamu Watanabe; Jun-ichi Kodama; Daisuke Hirakami; Mikiyuki Ichiba; Yoshiharu Ueki
Original assignee: Neturen Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Neturen Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: JPWO2009123227A1; WO2009123227A1; CN101983247A; KR101286948B1; CN101983247B; JP5337792B2; KR20100122931A; DE112009000750T5; US20110017368A1

Abstract

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstand mittels Durchführen einer Wärmebehandlung an einem Stahlgegenstand (W), der eine hohe Festigkeit aufweist, bereitgestellt, um die Härte an einem Teilbereich des Stahlgegenstands auf eine gegenüber anderen Teilbereichen des Stahlgegenstands (W) geringere Härte zu reduzieren, wobei die Wärmebehandlung einen Erwärmvorgang, bei dem ein Abschnitt, der eine gewisse Tiefe von der Oberfläche des Stahlgegenstands (W) aufweist, mittels Induktionserwärmung oder direkter Erwärmung schnell erwärmt wird und einen Abkühlvorgang, bei dem das Stahlbauteil (W), das dem Erwärmvorgang ausgesetzt wurde, nach einer vorgegebenen Zeit nach dem Erwärmvorgang schnell abgekühlt wird, bereitgestellt wird, wobei in dem Erwärmvorgang eine Erwärmungstemperatur an dem Umwandlungspunkt Ac1 oder darüber liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahlgegenstand, ein Verfahren zur Herstellung des Stahlgegenstands, und eine Vorrichtung zur Herstellung des Stahlgegenstands, und im speziellen einen Stahlgegenstand, der abhängig vom Bereich eine unterschiedliche Härte aufweist.
Hintergrund
Es wurde beispielsweise ein Verfahren zum Ändern der Zugfestigkeit (Härte), die abhängig von einem Teilbereich von beispielsweise einer Oberlächenschicht zu einer Bauteilmitte ist, um eine verzögerte Bruchfestigkeit zu verbessern, mittels eines zweiten Verfahrens (Wärmebehandlung) für einen Stahlgegenstand, wie ein drahtähnlich gewalzter Gegenstand (nachstehend bezeichnet als gewalzter Gegenstand), das als Rohmaterial eine Stange oder ein Draht ist, vorgeschlagen.
Zum Beispiel ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein übermäßig kohlenstoffarmer Stahl, wie reines Eisen, an einer Oberflächenschicht ausgebildet wird, und dieses danach gewalzt wird und dieses danach einer Entkohlung und Reduzierung des Kohlenstoffs unterzogen wird, wie ein plattierter Stahl (z. B. genannt in japanischer Patentanmeldung KOKAI, Veröffentlichungsnummer 6-57367 ).
Es wurde weiterhin ein Verfahren zur Verwendung der entkohlten Schicht, die während des Walzens durch eine Wärmeanwendung bei einer Temperatur bei Ac1 bis Ac3 an einer Oberflächenschicht erzeugt wird (z. B. genannt in japanischer Patentanmeldung KOKAI, Veröffentlichungsnummer 62-267420 ), und ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem nach der Wärmebehandlung lediglich eine Oberflächenschicht wiederholt wärmebehandelt wird (z. B. genannt in japanischer Patentanmeldung KOKAI, Veröffentlichungsnummer 7-54441 ).
Als ein Verfahren zur Verbesserung der verzögerten Bruchfestigkeit ist ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Oberflächenbehandlung mittels Beschichten oder Nitrieren, oder ein Verfahren zur Anwendung eines nicht-metallischen Beschichtungsmaterials bekannt, das für die verzögerte Bruchfestigkeit an der Oberfläche sehr gut ist.
Aus der DE 699 26 272 T2 ist ein Wärmebehandlungsverfahren beschrieben, um Oberfläche in Bereichen durch Abschrecken zu härten, danach die äußere Oberfläche erneut zu härten und anschließend die äußere Oberfläche bei 400 bis 700° zu tempern. Die Druckschrift beschreibt ein Verfahren, bei dem der gesamte Querschnitt des Werkstücks mittels Induktion erwärmt wird. Das hat den Nachteil, dass die erreichbaren Härtegradienten begrenzt sind.
Die JP 2001 040423 A ) beschreibt ein Tempern bei weniger als 720°C nach einem Abschreckhärten. Nachfolgend wird jeder Abschnitt schnell mit einer zeitlichen Differenz abgekühlt. Auch mit diesem Verfahren sind starke Härtegradienten kaum erzielbar.
Die Erfindung
Dennoch weisen die oben genannten Verfahren Probleme auf, die im Folgenden beschrieben werden. Es ist insbesondere die Durchführung einer Vorverarbeitung notwendig, weil ein plattierter Stahl aus einem gewalzten Gegenstand hergestellt wird, oder weil eine zweite Verarbeitung (Wärmebehandlung) durchgeführt wird, nachdem eine entkohlte Schicht während der Wärmeaufbringung bei einer Temperatur von Ac1 bis Ac3 entstanden ist. Weiterhin ist es notwendig, eine Wärmebehandlung oder eine chemische Oberflächenbehandlung lediglich an der Oberflächenschicht nach dem zweiten Verfahren (Wärmebehandlung) durchzuführen. Dadurch sind diese Verfahren kompliziert, so dass komplizierte Verfahrensbedingungen vor und nach dem zweiten Verfahren (Wärmebehandlung) kontrolliert werden müssen.
In Anbetracht dessen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stahlgegenstand bereitzustellen, der abhängig von einem Teilbereich unterschiedliche Härten aufweist, ein Verfahren zur Herstellung des Stahlgegenstands und eine Vorrichtung zur Herstellung des Stahlgegenstands in einfacher Weise bereitzustellen.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands mittels Durchführen einer Wärmebehandlung an einem Stahlgegenstand, der eine hohe Festigkeit aufweist, bereitgestellt, um die Härte an einem Teilbereich des Stahlgegenstands auf einen Wert geringer als die Harte an anderen Teile des Stahlgegenstands zu reduzieren, wobei die Wärmebehandlung einen Erwärmvorgang zum schnellen Erwärmen eines Abschnitts von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe des Stahlgegenstands mittels Induktionswärme oder direkte Erwärmung aufweist, und einen Kühlvorgang zum schnellen Abkühlen des Stahlgegenstands, der der Erwärmung unterzogenen wurde, nach einer vorgegebenen Zeit nach dem Erwärmvorgang aufweist, und eine Erwärmungstemperatur in dem Erwärmvorgang bei dem Umwandlungspunkt Ac1 oder darüber liegt.
Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung beträgt die Zeit zwischen dem Erwärmvorgang und dem Kühlvorgang nicht mehr als eine vorgegebene Zeit, die entsprechend einer Stahlklasse, einem Drahtdurchmesser, einer Erwärmungstemperatur und einer Erwärmungszeit festgelegt ist.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung festgelegt, die auf einer Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit des Stahlgegenstands nach dem schnellen Erwärmen der Oberfläche basiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung ein Zeitintegrationswert der Temperatur des Stahlgegenstands und ist auf der Grundlage eines Anlassstufenwertes festgelegt, der eine Anlassstufe des Stahlgegenstands anzeigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung eine Verknüpfung aus zumindest zwei Werten einer Frequenz, einer elektrischen Eingangsenergie, einer Erwärmungstemperatur, einer Erwärmungszeit und einer natürlichen Abkühlzeit.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Verfahren einen weiteren Vorgang zur Berechnung der Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit des Stahlgegenstands oder des Anlassstufenwertes auf, wobei die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung auf der Grundlage der berechneten Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit oder auf dem Anlassstufenwert festgelegt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung derart bestimmt, dass der Anlassstufenwert an der Oberflächenschicht zumindest 1,5 fach größer ist als der Anlassstufenwert in der Bauteilmitte.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Zeit zwischen Erwärmvorgang bis zum Kühlvorgang derart bestimmt, dass der Anlassstufenwert an der Oberflächenschicht zumindest 1,5 fach größer ist als der Anlassstufenwert in der Bauteilmitte.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Stahlgegenstand ein Stahldraht oder eine Stahlstange.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird, nach Durchführen eines Abschreck- bzw. Härtevorgangs an dem Stahlgegenstand, der einen Erwärmvorgang und einen Kühlvorgang umfasst, der Erwärmvorgang und der Kühlvorgang jeweils einmal als Anlassvorgang durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Stahlgegenstand bereitgestellt, der einem Erwärmvorgang und einem Kühlvorgang ausgesetzt wird, wobei zwischen der Härte in der Nähe der Oberflächenschicht und der Härte an einer Stelle in Richtung Bauteilmitte in einer Lage 10% von der Oberflächenschicht in radialer Richtung ein Unterschied von HV50 oder mehr, und bei Durchführen einer Zugprobe mit einem Nr. 2 Probenstück für JISZ2201 eine Zugfestigkeit von 1420 N/mm² oder mehr erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung haben alle Querschnitte eine angelassene Martensitstruktur, ist die Härte der Oberflächenschicht HV380 oder weniger, erreicht die Zugfestigkeit bei Durchführung einer Zugprobe mit einem Nr. 2 Probenstück für JISZ2201 einen Wert von 1420 N/mm² oder mehr, und ist die Härte an einer Stelle in der Nähe der Bauteilmitte von der Oberflächenschicht gleichmäßig.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung haben alle Querschnitte eine angelassene Martensitstruktur, ist die Härte der Oberflächenschicht HV420 oder weniger, erreicht die Zugfestigkeit bei Durchführung einer Zugprobe mit einem Nr. 2 Probenstück für JISZ2201 einen Wert von 1600 N/mm² oder mehr, und ist die Härte an einer Stelle in der Nähe der Bauteilmitte von der Oberflächenschicht gleichmäßig.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stahlgegenstands bereit gestellt, die eine Wärmebehandlung an einem Stahlgegenstand, das eine hohe Härte aufweist, durchführt, um die Härte in einem Bereich des Stahlgegenstands auf einen Wert zu reduzieren, der unterhalb der Härte anderer Bereiche des Stahlgegenstands liegt, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: eine Heizvorrichtung, die für eine schnelle Erwärmung eines Bereichs von der Oberfläche bis zu einer gewissen Tiefe des Stahlgegenstands mittels Induktionswärme oder direkte Erwärmung ausgelegt ist; und eine Kühlvorrichtung, die für ein schnelles Abkühlen des Stahlgegenstands, der einer Erwärmung unterzogen wurde, nach einer vorgegebenen Zeit nach der Erwärmung ausgelegt ist, wobei eine Erwärmungstemperatur des Stahlgegenstands mittels der Heizvorrichtung bei dem Umwandlungspunkt Ac1 oder darüber liegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zusätzlich eine Kontrollvorrichtung auf, die ausgelegt ist, um die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung zu kontrollieren, die auf dem Berechnungsergebnis der Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit des Stahlgegenstands oder dem Anlassstufenwert basiert.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung der Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung des Wärmebehandlungsverfahrens gemäß der ersten Ausgestaltung.
3 ist eine Seitenansicht, die eine Ausformung einer PC Stahlstange gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
4 ist eine Tabelle, die die Zusammensetzung der PC Stahlstange gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
5 ist eine Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Windungen eines Drahtes und einem Drahtdurchmesser in einer Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
6 ist eine Tabelle, die einen Wärmebehandlungszustand gemäß der ersten Ausgestaltung und eines gebräuchlichen Beispiels aufzeigt.
7 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen verstrichener Zeit und Temperaturverlauf gemäß einer Wärmeübergangsanalyse der PC Stahlstange gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
8 ist eine Diagramm, das den Zusammenhang zwischen natürlicher Abkühlzeit und dem Temperaturverlauf entsprechend der Wärmeübergangsanalyse der PC Stahlstange gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
9 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Härte und Radius der PC Stahlstange gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
10 ist ein Diagramm, das den Temperaturverlauf von einer Oberflächenschicht zu einem in der Mitte gelegenen Teil während des Anlassverfahrens gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
11 ist ein Diagramm, das den Nutzeffekt des Parameters N in der ersten Ausgestaltung zeigt.
12 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis des Parameters N an der Oberfläche und einer Bauteilmitte, sowie der Erwärmungszeit und der natürlichen Abkühlzeit gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
13 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Querschnittshärte der PC Stahlstange zeigt, die während der Wärmebehandlung gemäß der ersten Ausgestaltung und während einer gewöhnlichen Wärmebehandlung erreicht wird.
14 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Querschnittshärte in axialer Richtung der PC Stahlstange zeigt, die mittels der Wärmebehandlung gemäß der ersten Ausgestaltung hergestellt ist.
15 ist eine Tabelle, die die Zusammensetzung mehrerer Klassen der PC Stahlstangen zeigt, die für die Wärmebehandlung gemäß der ersten Ausgestaltung verwendet wurden.
16 ist eine Tabelle, die das Ergebnis eines verzögerten Bruchfestigkeitsversuchs der PC Stahlstange W gemäß der Wärmebehandlung gemäß der ersten Ausgestaltung sowie einer gewöhnlichen Wärmebehandlung zeigt.
17 ist ein Diagramm, das das Ergebnis des verzögerten Bruchfestigkeitsversuchs zeigt.
18 ist eine Seitenansicht, die eine Ausformung der PC Stahlstange W1 gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
19 ist eine Seitenansicht, die eine Ausformung einer Einkerbung an der PC Stahlstange W1 gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
20 ist eine Tabelle, die das Ergebnis des verzögerten Bruchfestigkeitsversuchs der PC Stahlstange zeigt, das durch die Wärmebehandlung gemäß der ersten Ausgestaltung und durch eine gewöhnliche Wärmebehandlung erreicht wurde.
21 ist ein Diagramm, das das Ergebnis des verzögerten Bruchfestigkeitsversuchs zeigt.
22 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Tiefe der Einkerbung, die an der PC Stahlstange W1 ausgeformt ist, und der Bruchzeit gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt.
23 ist eine schematische Darstellung, die eine Anordnung der Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
24 ist eine Seitenansicht, die eine Ausformung einer verformten PC Stahlstange gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung aufzeigt.
25 ist eine Tabelle, die eine Zusammensetzung der verformten PC Stahlstange gemäß der zweiten Ausgestaltung zeigt.
26 ist eine Tabelle, die eine Wärmebehandlungsbedingung bei der Wärmebehandlung gemäß der zweiten Ausgestaltung und einer gewöhnlichen Wärmebehandlung zeigt.
27 ist ein Diagramm, das ein simuliertes Ergebnis der Temperaturveränderung bei der Wärmebehandlung der verformten PC Stahlstange mittels einer Wärmeübergangsanalyse gemäß der zweiten Ausgestaltung über die verstrichene Zeit zeigt.
28 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Ausformung eines Federstahldrahts gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
29 ist eine Tabelle, die eine Zusammensetzung des Federstahldrahts gemäß der dritten Ausgestaltung zeigt.
30 ist eine Tabelle, die eine Wärmebehandlungsbedingung bei der Wärmebehandlung gemäß der dritten Ausgestaltung und einer vergleichbaren Wärmbehandlung zeigt.
31 ist ein Diagramm, das ein simuliertes Ergebnis der Temperaturänderung bei der Wärmebehandlung mittels einer Wärmeübergangsanalyse gemäß der dritten Ausgestaltung über die verstrichene Zeit zeigt.
32 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Querschnittshärte des Federstahldrahtes nach der Behandlung bei der Wärmebehandlung gemäß der dritten Ausgestaltung und einer vergleichbaren Wärmebehandlung zeigt.
33 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Härte und der Ermüdungsgrenze eines wärmebehandelten Bauteils zeigt.
34 ist eine Tabelle, die das Ergebnis eines Biegewechsel-Bruchversuchs eines vergleichbaren wärmebehandelten Gegenstands zeigt.
35 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Abstand von der Oberflächenschicht zu einem Einschluss und der Anzahl der Dauerschwingungen des vergleichbaren wärmebehandelten Gegenstands.
36 ist eine Tabelle, die das Ergebnis des Biegewechsel-Bruchversuchs des Federstahldrahtes nach der Wärmebehandlung gemäß der dritten Ausgestaltung zeigt.
37 ist ein Diagramm, das die Querschnittshärte, die Eigenspannung und die Spannungsamplitude des Federstahldrahtes bei der Wärmebehandlung gemäß der dritten Ausgestaltung und eines vergleichbar wärmebehandelten Gegenstands zeigt.
38 ist eine Tabelle, die ein Beispiel einer Zusammensetzung eines Federstahldrahtes gemäß einer anderen Ausgestaltung zeigt.
39 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Ausformung eines Bolzens gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
40 ist eine Tabelle, die die Zusammensetzung des Bolzens gemäß der vierten Ausgestaltung zeigt.
41 ist eine Tabelle, die die Wärmbehandlungsbedingungen für die Wärmebehandlung gemäß der vierten Ausgestaltung und einer vergleichbaren Wärmebehandlung zeigt.
42 ist ein Diagramm, das das simulierte Ergebnis der Temperaturänderung während der Wärmebehandlung eines Bolzens Wb mittels einer Wärmeübergangsanalyse gemäß der vierten Ausgestaltung über die verstrichene Zeit zeigt.
43 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Querschnittshärte des Bolzens, der durch die Wärmebehandlung gemäß der vierten Ausgestaltung erreicht wurde, und eines anderen Bolzens zeigt, der durch eine vergleichbare Wärmebehandlung erreicht wurde.
44 ist eine Tabelle, die das Ergebnis des verzögerten Bruchfestigkeitsversuchs des Bolzens, der durch die Wärmebehandlung gemäß der vierten Ausgestaltung erreicht wurde, und des Bolzens, der durch eine vergleichbare Wärmebehandlung erreicht wurde, zeigt.
45 ist eine Diagramm, das eine gehäufte Bruchwahrscheinlichkeit und eine Bruchzeit, die von dem Bolzen, der durch die Wärmebehandlung gemäß der vierten Ausgestaltung erreicht wurde, und von dem Bolzen, der durch eine vergleichbaren Wärmebehandlung erreicht wurde, zeigt.
Beste Methode zur Ausführung der Erfindung
Eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird in Bezug auf die 1 bis 22 beschrieben. 1 ist eine Skizze der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausgestaltung. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer PC Stahlstange gemäß der vorliegenden Ausgestaltung zeigt.
Wie in 1 gezeigt, weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 10, die ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung des Stahlgegenstands ist, eine Andruckrolle 11 (Fördermittel), die eine PC Stahlstange W fördert, die ein Beispiel des Stahlgegenstands ist, eine Härte-Heizspirale 12 und ein Härte-Kühlmantel 13, die Mittel zum Härten sind, eine Andruckrolle 14 (Fördermittel), eine Anlass-Heizspirale 15, die als Erwärmungsmittel zum Durchführen des hochfrequenten Induktionswärmen dient, ein Kühlmantel 16, der als Kühlmittel dient, und eine Andruckrolle 17 (Fördermittel) auf, die entlang einem gradlinigen Förderweg angeordnet sind. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 10 hat ebenfalls die Funktion zum Erwärmen und Abkühlen der PC Stahlstange (Stahl) W, während sie selbige entlang des Förderweges fördert.
Die PC Stahlstange W, die ein zu bearbeitender Gegenstand ist, ist als ein Vollrundstahl ausgebildet, wie in 3 gezeigt. Diese wird fortlaufend in axialer Richtung gefördert. Die PC Stahlstange W weist eine Zusammensetzung wie in 4 gezeigt auf, ist aber nicht hierauf beschränkt.
Die Anlass-Heizspirale 15 hat die Funktion zur Durchführung einer hochfrequenten Induktionserwärmung der dort hindurch geführten PC Stahlstange W. Die Anlass-Heizspirale 15 ist eingerichtet, um eine hinsichtlich eines Drahtdurchmessers oder einer Fördergeschwindigkeit geeignete Anzahl an Windungen aufzuweisen. In der vorliegenden Ausgestaltung weist die Anlass-Heizspirale 15 beispielsweise 6 Windungen auf. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Als ein Vergleich ist eine gewöhnliche Vorrichtung gezeigt, die eine Spirale mit 17 Windungen nutzt. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der üblichen Windungsanzahl der Spirale, dem Drahtdurchmesser und der Fördergeschwindigkeit.
Während des Anlassens mit der hochfrequenten Induktionsheizung wird von der PC Stahlstange W selbst Hitze erzeugt. Die Tiefe des Hitze erzeugenden Bereiches kann mittels der Kombination aus Windungsanzahl und Frequenz der Anlass Heizspirale 15, der elektrischen Eingangsenergie, der Erwärmungstemperatur, der Erwärmungszeit und der natürlichen Abkühlzeit eingestellt werden.
Der Kühlmantel 16 hat die Funktion, eine Kühlflüssigkeit auf die durchlaufende PC Stahlstange W einzuspritzen, um die Stange zu kühlen.
Der Abstand von der Anlass-Heizspirale 15 zum Kühlmantel 16 ist beispielsweise mit 500 mm oder weniger eingerichtet. In einer gewöhnlichen Vorrichtung beträgt dieser Abstand etwa 1900 mm. In der vorliegenden Ausgestaltung ist der Abstand kurz eingerichtet, um die Zeit vom Erwärmungsprozess bis zum Abkühlprozess zu verkürzen.
6 zeigt ein Exemplar der Verfahrensbedingung der Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung. Die Verfahrensbedingung in 6 wurde vom vorliegenden Anmelder mit der Anwendung einer zeitlichen Änderung in einem Wärmetemperaturmodell im Zeitpunkt, wenn die hochfrequente Induktionserwärmung durchgeführt wird, und der Anlasskenngrößen des Stahls herausgefunden, wie im Grundsatz später beschrieben wird. Sobald die Wärmebehandlung unter dieser Verfahrensbedingung fortlaufend durchgeführt wird, kann eine Stahlstange W mit einem Anlassvorgang hergestellt werden, die eine Schicht mit geringer Härte, wie die Oberflächenschicht, eine einheitliche Härteverteilung von einer gewissen Tiefe und ein Festigkeitsniveau von 1420 N/mm² oder mehr aufweist.
Die Verfahrensbedingung in der vorliegenden Ausgestaltung ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 50 kHz, die Härte-Erwärmungstemperatur 1000°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 805°C, die Anlass-Erwärmungszeit 0,17 s, und die Zeit, die von der Anlasserwärmung bis zur Abkühlung benötigt wird, 0,63 s beträgt. Die PC Stahlstange, wie sie hier verwendet wird, ist eine PC Stahlstange mit einem geringem Durchmesser d (Nennwert) von 7,1 mm. Die Anlass-Erwärmungstemperatur ist derart eingestellt, dass die Zugspannung etwa 1440 N/mm² erreicht.
Die Verfahrensbedingung für einen gewöhnlichen Stahlgegenstand, die ein vergleichbares Beispiel ist, ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 9,5 kHz, die Härte-Erwärmungstemperatur 1000°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 603°C, die Anlass-Erwärmungszeit 0,59 s und die Zeit, die von der Anlasserwärmung bis zur Abkühlung benötigt wird, 3,48 s beträgt. Der herkömmliche Stahlgegenstand ist ebenso eine PC Stahlstange mit einem geringen Durchmesser d (Nennwert) von 7,1 mm. Die Anlass-Erwärmungstemperatur ist derart eingestellt, dass die durchschnittliche Zugspannung an allen Querschnitten etwa 1440 N/mm² beträgt. Die Zusammensetzung der Stahlstange in der vorliegenden Ausgestaltung und die Zusammensetzung der gewöhnlichen Stahlstange sind die gleichen.
Im Speziellen ist die Anlass-Erwärmungstemperatur in der vorliegenden Ausgestaltung höher als jene für das gewöhnliche Produkt, sowie die Zeit von der Anlasserwärmung bis zur Abkühlung kürzer als die Zeit für das gewöhnliche Produkt eingerichtet.
In Bezug auf die Erwärmungstemperatur ist das Erwärmen mit einer Erwärmungstemperatur nicht unterhalb des Umwandlungspunkt Ac1 (727°C) in einer herkömmlichen bekannten Praxis unmöglich, da der wärmebehandelte Gegenstand gehärtet ist. In der vorliegenden Ausgestaltung wurde herausgefunden, dass das erwärmte Gegenstand durch das Ausführen sowohl einer schnellen Erwärmung als auch einer schnellen Abkühlung an der Oberfläche, das durch ein Kontrollieren der schnellen Abkühlung unmittelbar nach Abschluss der Erwärmung erreicht wird, unter Verwendung der hochfrequenten Induktionsheizung nicht gehärtet wird, sogar wenn die Temperatur nicht unterhalb des Umwandlungspunkt Ac1 liegt.
Bei der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausgestaltung sind die Fördergeschwindigkeit durch die Andruckrolle 11, die Erwärmungstemperatur durch die Anlass-Heizspirale 15, die Erwärmungszeit, und der Abstand zwischen der Anlass-Heizspirale 15 und dem Kühlmantel 16 geeignet ausgerichtet und eingestellt, wodurch die PC Stahlstange W einen gewünschten Härteverlauf erreichen kann.
Der Betrieb der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 ist somit festgelegt und wird mit Bezug auf das Fließdiagramm in 2 beschrieben. Eine fortlaufende Stahlstange W0, die ein gradliniger oder stangenähnlicher, fortlaufender Stahlgegenstand ist, der in einer Materialverarbeitung einem Ziehvorgang unterzogen wurde, wird fortlaufend über die Andruckrolle 11 (Fördermittel) in 1 von links nach rechts gefördert. Die geförderte fortlaufende Drahtstange W0 wird während des Härteverfahrens über die Induktionsheizung mittels der Härte-Heizspirale 12 schnell auf eine Härtetemperatur erwärmt, und dann mittels Aufbringen der Härte-Kühlflüssigkeit von dem Härte-Kühlmantel 13 schnell abgekühlt, um fortlaufend gehärtet zu werden.
Die fortlaufende Drahtstange W0, an der der Härtevorgang ausgeführt wurde, wird während des Durchlaufens durch die Anlass-Heizspirale 15 erwärmt. Die fortlaufende Drahtstange W0, die auf eine vorgegebene Anlasstemperatur erwärmt wurde, wird zu dem Kühlmantel 16 gefördert, der kontinuierlich eine Kühlflüssigkeit abgibt, so dass die fortlaufende Drahtstange W0 mittels des Kühlmantels 16 schnell abgekühlt wird. Die fortlaufende Drahtstange W0 wird durch den Kühlmantel 16 geführt, wobei die gesamte, Länge hiervon gekühlt wird, und sodann das Anlasserwärmungsverfahren abgeschlossen ist. Die W0 wird mittels der Andruckrolle 17 angetrieben. Nachdem die Wärmebehandlung abgeschlossen ist, wird die fortlaufende Drahtstange W0 (PC Stahlstange) einem Aufbereitungs- und Prüfverfahren unterzogen, wodurch ein Produkt (PC Stahlstange W) hergestellt ist.
Die Grundzüge zur Ermittlung der Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung wird als nächstes beschrieben werden.
Ein Parameterwert N (Anlassstufenwert), der ein neuer Parameter ist und als ein Bezug zur Bestimmung der Verfahrensbedingung dient, wird später beschrieben werden.
7 zeigt ein simuliertes Ergebnis gemäß einer Wärmeübergangsanalyse, bei der ein Finite Elemente Modell (FEM) über die verstrichene Zeit von dem Start der Erwärmung an einem gewissen Bereich der Stahlstange, die laufend und kontinuierlich erwärmt wird, bis zu 0,8 s und eine Temperaturänderung verwendet wurde. Für sechs Teilbereiche von der Oberfläche bis zur Mitte zeigt die x-Koordinate die verstrichene Zeit, während die y-Koordinate die Temperatur zeigt. Die Erwärmungszeit ist hier mit 0,17 s eingestellt. Daher sind die ersten (links im Diagramm) 0,17 s bis 0,8 s die Erwärmungszeit und die übrigen 0,63 s auf der rechten Seite des Diagramms ist die natürliche Abkühlzeit.
Ein üblicher Anlassparameter ist der Larson-Miller-Parameter P = T × (A + logt) [T: Temperatur (K), A: Konstante, t: Zeit (h)], der sich für den Fall einer Langzeiterwärmung bewährt hat. Indem der Parameter P ansteigt, schreitet das Anlassen weiter voran (Härte ist gering).
Andererseits kann ein gewisser Wert N als ein Parameter eingesetzt werden, wenn sich ein Schnell-Erwärmungsverfahren und ein Schnell-Kühlverfahren in der hochfrequenten Induktionsheizung bewährt haben, wie in 7 dargestellt, beispielsweise als eine Kurzzeiterwärmung in dem hochfrequenten Induktionsheizgerät. Der festgelegte Wert N (Parameterwert N) ist eine Integration der Zeit über die Temperatur der PC Stahlstange W und ist als folgende Gleichung (1) dargestellt: N = ∫ t0 / 0 T(t)dt (1)
In der Gleichung 1 ist T die Temperatur (°C), t die Zeit (s), und t0 die Wärmebehandlungszeit (s).
Der Parameterwert N stellt insbesondere den unterhalb jeder Kurve des Diagramms eingeschlossenen Bereich dar. Das Anlassen schreitet weiter voran (Härte ist gering), indem der Parameter N ansteigt.
Wie in 7 gezeigt, ist der Parameter N an der Oberflächenschicht bei t0 gleich 0,8, das heißt an dem Zeitpunkt 0,8 s vom Erwärmungsbeginn und bei natürlicher Abkühlzeit von 0,63 s ist der Parameter N an der Oberflächenschicht größer als der Parameterwert N in einer Bauteilmitte bei einem Ergebnis eines Vergleichs der Parameterwerte N, die von dem Bereich dargestellt werden, wobei sich der Unterschied zwischen den Parameterwerten N in einer Tiefe von etwa 2 mm oder mehr damit nicht mehr ändern. Sollte die Stahlstange an diesem Punkt abgekühlt sein, kann daher die Beschaffenheit, wie in 9 dargestellt, erreicht werden, bei der die Oberflächenschicht eine geringe Härte und der Bereich vom Ende der geringen Härteschicht bis zu einer Bauteilmitte eine im Wesentlichen gleichmäßige Härteverteilung aufweist. In der vorliegenden Ausgestaltung ist für t0 gleich 0,8 s einzusetzen. Allerdings ist die Erfindung nicht hierauf begrenzt. Ein geeigneter Wert kann in Abhängigkeit der variablen Bedingungen wie dem Drahtdurchmesser oder der Stahlklasse eingesetzt werden.
8 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der natürlichen Abkühlzeit und dem Temperaturverlauf gemäß der Wärmeübergangsanalyse der PC-Stahlstange mittels FEM zeigt. Die Kurven zeigen Werte nach jeweils 0,3 s, wobei die x-Koordinate r (Abstand vom Mittelpunkt)/R (Radius) und die y-Koordinate die Temperatur darstellt. Die Analysebedingung ist derart, dass das Profilteil ein Vollrundstahl ist, der Radius 3,65 mm beträgt, das Gegenstand S40C ist, die Tiefe der Wärmeerzeugenden Schicht 0,154 mm beträgt, die Erwärmungszeit 0,17 s beträgt, die natürliche Abkühlzeit 0,63 s beträgt und die Ursprungstemperatur 20°C ist. In dem Diagramm ist t die Zeit entsprechend zu 7 vom Beginn der Erwärmung und zeigt das Untersuchungsergebnis von 0,17 s, wenn die natürliche Kühlung beginnt, bis 0,8 s, wenn die natürliche Abkühlung abgeschlossen ist. Daher entspricht t = 0,8 s der natürlichen Abkühlzeit von 0,63 s.
Wie in 8 dargestellt, wird die Wärme, die durch die Wärmeentwicklung an der Oberflächenschicht hervorgerufen wird, mit der Zeit hin zur Mitte der PC Stahlstange oder Richtung Außenseite übertragen. Bei der Anfangserwärmung tritt eine Temperaturverteilung auf, bei der die Oberflächenschicht eine hohe Temperatur und die Bauteilmitte eine niedrige Temperatur aufweist. Mit dem Ablauf der Zeit gleichen sich die Temperaturen an der Oberflächenschicht und an der Bauteilmitte aneinander an. An dem Punkt t = 0,8 s beträgt die Temperatur Ts an der Oberflächenschicht 430°C und die Temperatur in Bauteilmitte 429,1°C.
9 zeigt ein Diagramm, bei dem eine Querschnittshärte der PC-Stahlstange W gemessen wurde. Die x-Koordinate zeigt die Position in Richtung des Durchmessers, während die y-Koordinate die Vickers-Härte darstellt. Die Härte bezieht sich auf die Zugfestigkeit. Es kann ein Zustand hergestellt werden, bei dem die Oberflächenschicht eine geringe Härte und der Bereich vom Ende der geringen Härteschicht bis zu einer Bauteilmitte eine im Wesentlichen gleichförmige Härte aufweist.
Gemäß 8 wird nach 0,63 s ein durchgehender Zustand festgestellt. Es wurde daher herausgefunden, dass die Unterschiede in den Parameterwerten N zwischen der Oberflächenschicht und einer Bauteilmitte begrenzt sind, weil die Zeit bis zur Abkühlung ansteigt.
10 zeigt den Parameterwert N und die Vickers-Härte nach 0,8 s ab Erwärmungsbeginn der PC Stahlstange W. Es existiert ein symmetrischer Zusammenhang zwischen dem Parameterwert N und der Vickers-Härte, wobei sie gut auf einander abgestimmt sind, so dass die Härte mit dem Parameter N festgelegt werden kann.
Da die Zugfestigkeit der PC Stahlstange W durch den Parameterwert N, der die Anlassstufe von der Oberfläche bis zur Mitte ist, festgelegt ist, wurde bei der Durchführung des oben beschriebenen Prinzips vorausgesetzt, dass es einen bestimmten Zugfestigkeitsbereich gibt, um der Anforderung zu genügen. Wenn die Temperaturverteilung und die Zeit bis zur Abkühlung innerhalb dieses Bereiches kontrolliert werden, um den Unterschied zwischen den Parameter N an der Oberflächenschicht und der Bauteilmitte größtmöglich ansteigen zu lassen, kann eine Stahlstange hergestellt werden, die die gewünschte Eigenschaft aufweist.
Insbesondere kann ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands, der eine Schicht mit geringer Härte, wie die Oberflächenschicht, einen gleichmäßigen Härteverlauf ab einer gewissen Tiefe und eine Zugfestigkeit, zum Beispiel in einer Festigungsbereich von 1420 N/mm² oder mehr, aufweist, mit einem Anlassen einer fortlaufenden Wärmebehandlung, mittels Anwendung einer zeitlichen Änderung in dem Wärmetemperaturmodell zum Zeitpunkt des hochfrequenten Induktionswärmen, und den Anlasseigenschaften des Stahlgegenstands erreicht werden.
Es ist allgemein bekannt, dass die verzögerte Bruchfestigkeit sehr gut ist, indem die Zugfestigkeit gering ist. Die PC Stahlstange W, die an der Oberfläche einen Bereich geringer Härte hat, weist eigens sowohl eine sehr gute verzögerte Bruchfestigkeit als auch eine vorgegebene Zugfestigkeit auf. Die oben beschriebene PC Stahlstange W kann gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Während des hochfrequenten Anlassens kann insbesondere die Tiefe des wärmeerzeugenden Bereichs durch Auswahl einer geeigneten Spule, Frequenz, elektrischen Eingangsenergie, Erwärmungstemperatur, Erwärmungszeit und natürlicher Abkühlzeit eingestellt werden, wodurch das Modell, das mittels der Simulation berechnet wurde, verwirklicht wird. Demzufolge wird die Zeit bis zu Kühlung während der hochfrequenten Erwärmung eingestellt, das zur Folge hat, dass die Zugfestigkeit der gesamten PC Stahlstange den Anforderungen genügt, wobei lediglich an der Oberflächenschicht eine geringe Härte ausgebildet wird. Bei dem äußeren Erwärmen eines Strahlungssystems, so wie eine Ofenheizung, steigt die Temperatur anders als bei dem Hochfrequenzerwärmen an und der durchgehende Wärmezustand wird in einem Kurzzeitverfahren nicht erreicht, jedoch setzt der Stahlgegenstand es fort, langsam erwärmt zu werden. Daher kann der Festigkeitsunterschied in radialer Richtung nicht vom Gesichtspunkt der Anlasseigenschaft des Stahlgegenstandes hergestellt werden. Andererseits ist das Erwärmen mittels der hochfrequenten Erwärmung in einem kurzen Zeitabschnitt wie 1 s oder weniger durchgeführt, so dass die Innenhärte anders als die Oberflächenschicht gleichmäßig gestaltet werden kann.
Basierend auf dem Parameter N und unter Anwendung der Temperaturverteilung (Unterschied zwischen den Parameter N), die speziell für die hochfrequente Wärmebehandlung gilt, kann eine fortlaufende hochfrequente Wärmebehandlungslinie verwirklicht werden, die den Härteverlauf an der Oberflächenschicht abstimmen und eine Zugfestigkeit ermöglichen kann, um dem Normwert für die Stahlstange mit einem Anlassen zu genügen.
Wenn zum Beispiel der Parameter N an der Oberflächenschicht zumindest 1,5 fach größer ist als der Parameter N in der Bauteilmitte, kann eine gewünschte ausreichende Enthärtung an der Oberflächenschicht erreicht werden.
Der Parameter N kann vorzugsweise für einen Stahlgegenstand der Klasse 100 kg/mm² oder mehr verwendet werden. Ein Stahl eines gewöhnlichen Stahls, der C von 0,1 Mass% bis 0,5 Mass% aufweist, ist unter den Bedingungen der Eingrenzung der Anlasstemperatur vorzuziehen. Der bevorzugte Durchmesserbereich, bei dem der Parameter N grundsätzlich einwirkt, ist beispielsweise von 5 bis 40 mm.
Der Parameter N wendet insbesondere das Anlassen eines hochfesten Stahls an und nutzt ein Überschreiten aufgrund der schnellen Erwärmung und des schnellen Übergangs zur gleichförmigen Erwärmung mittels der Wärmeleitfähigkeit des Stahls aus. Wenn der Durchmesser daher größer ist als der oben erwähnte Bereich, ist es schwierig, das Anlassen durchzuführen, um an dem gesamten Stahl eine gleichmäßige Härte innerhalb der Anforderungsfestigkeit in dem Bereich (der Parameter N an der Oberflächenschicht entspricht zumindest 1,5 fach dem Parameter N in Bauteilmitte) zu haben, mittels dessen die gewünschte Enthärtung an der Oberflächenschicht erreicht werden kann. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung hierauf nicht begrenzt ist. Die vorliegende Erfindung ist aus dem Blickwinkel des hochfrequenten Anlassens an einer Stahlstange anwendbar, die einen großen Durchmesser aufweist, der den oben erwähnten Bereich überschreitet.
Dieses zeigt ebenso die Zeitbedingung auf. Insbesondere wurde, wie in 11, die die Effizient des Parameters N zeigt, herausgefunden, dass die Kühlung in Anbetracht des Zustandes, in dem die gesamte Stahlstange in der fortlaufenden Wärmelinie angelassen wird, zum Beispiel in 0,8 s oder weniger, wie in 8, vorzugsweise in einem kurzen Zeitraum durchgeführt wird. Da die Überschreitungszeit sehr kurz ist, schreitet das Anlassen insbesondere mit dem Larson-Miller-Parameter, wie gut bekannt ist, weiter voran, sobald der Parameterwert N an der Oberflächenschicht nicht 1,5 mal oder größer als der Parameterwert N in Bauteilmitte ist. Daher kann in einer industriellen, fortlaufenden Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit nicht gewährleistet werden, wenn 10 s oder mehr für das Kühlen vorgesehen sind. Dementsprechend ist die Zeitbeschränkung für den Parameter N erzeugt.
11 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Parameter N und der Vickers-Härte. Der Parameterwert N und die Härte werden durch die Gleichung in 11 ermittelt. Daher kann eine Soll-Härte erreicht werden, wenn eine geeignete Spule, Frequenz, elektrische Eingangsenergie, Erwärmungstemperatur, Erwärmungszeit und natürliche Abkühlzeit gewählt sind, und der Parameterwert N durch die Simulation vorbestimmt ist.
12 zeigt das Verhältnis der Parameter N in der Bauteilmitte und an der Oberflächenschicht und der ab Erwärmungsbeginn verstrichenen Zeit. An dem Punkt von etwa einer Sekunde ab Erwärmungsstart kann der Zustand erreicht werden, in dem der Parameter N an der Oberflächenschicht zumindest 1,5 fach größer als der Parameter N in Bauteilmitte ist, wodurch lediglich die Oberflächenschicht eine niedrige Härte erhält. Die mittels der oben genannten Wärmebehandlung erreichte PC Stahlstange W weist eine angelassene Martensitstruktur für alle Querschnitte auf.
13 zeigt den Verlauf der Querschnittshärte der mittels der oben genannten Wärmebehandlung erreichten PC Stahlstange W. In der 13 zeigt die x-Achse den Abstand von der Oberflächenschicht, während die y-Achse die Vickers-Härte darstellt. Wie in 13 dargestellt, ist die Querschnittshärte in einer gewöhnlichen PC Stahlstange gleichförmig, dagegen kann bestätigt werden, dass die PC Stahlstange gemäß der vorliegenden Erfindung in der Nähe der Oberflächenschicht eine geringe Härte und in Bauteilmitte eine gleichförmige Härte aufweist.
14 zeigt die Verteilung der Querschnittshärte der PC Stahlstange, die mittels der Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung hergestellt ist, in axialer Richtung. Es ist die Querschnittshärte an sechs Bereichen gezeigt, von denen jeder einen unterschiedlichen Abstand von der Oberflächenschicht hat. In 14 zeigt die y-Koordinate die Vickers-Härte, während die x-Koordinate den Abstand vom Bezugspunkt in axialer Richtung darstellt. Aus 14 kann bestätigt werden, dass die Härtevereilung der PC Stahlstange W in axialer Richtung im Wesentlichen konstant ist.
16 zeigt das Ergebnis eines Versuchs zur verzögerten Bruchfestigkeit von zwei Typen der PC Stahlstangen, wie die PC Stahlstange W, die zwei Sorten von Stahlklassen verwendet, die unterschiedliche Zusammensetzungen haben, wie in 15A und B gezeigt, wenn die Wärmebehandlung mittels des Wärmebehandlungsverfahrens unter den Bedingungen wie in 6 gezeigt durchgeführt wird. Die Stahlklassen A, B und C sind runde stabartige PC Stahlstangen, während die Stahlklasse D in 15 eine verformte PC Stahlstange ist. 17 zeigt das Ergebnis des Versuches aus 16 in Form eines Diagramms. Die y-Achse zeigt die Bruchzeit, die x-Achse stellt die gehäufte Bruchwahrscheinlichkeit dar. 17 deutet an, dass je länger die Bruchzeit ist, desto besser die verzögerte Bruchfestigkeit ist.
Der Versuch zur verzögerten Bruchfestigkeit wurde in einer solchen Art und Weise durchgeführt, dass jede Stahlstange in einer 20% NH₄SCN-Lösung eingetaucht war, dessen Temperatur bei 50°C gehalten wurde, und in dieser Lage hieran eine Kraft von 1420 × 0,7 N/mm² angewandt wurden.
Aus 17 kann bestätigt werden, dass verschiedene Sorten der Stahlstangen, an denen die Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung durchgeführt wurde, verglichen mit der Stahlstange, an der eine gewöhnliche Wärmebehandlung durchgeführt wurde, hinsichtlich der zeitverzögerten Bruchfestigkeit sehr gut sind.
17 zeigt, dass die Stahlstange, die im oberen Bereich als unversehrt gezeichnet ist (das heißt die Bruchzeit ist lang), sehr gut in der verzögerten Bruchfestigkeit ist. Aus 17 kann speziell verstanden werden, dass die PC Stahlstange, die unter den Bedingungen gemäß der vorliegenden Ausgestaltung hergestellt wurde, verglichen mit einer gewöhnlichen Stahlstange sehr gut in der verzögerten Bruchfestigkeit ist.
Wie für die Stahlklasse, die sogar bei dem verzögerten Bruchversuch nicht gebrochen ist, wurde eine Materialprobe mit einer ausgeformten Einkerbung 20 bereitgestellt und der verzögerte Bruchversuch durchgeführt. 18 und 19 zeigen den Aufbau der PC Stahlstange W1, die mit der Einkerbung 20 ausgestattet ist.
20 zeigt das Ergebnis des verzögerten Bruchversuchs von zwei Sorten der PC Stahlstangen, wie die PC Stahlstange W, die zwei Sorten von Stahlklassen verwendet, die unterschiedliche Zusammensetzungen, wie in 15 in C und D gezeigt, aufweisen, wenn die Wärmebehandlung nach dem Wärmebehandlungsverfahren unter den Bedingungen wie in 6 gezeigt durchgeführt wird. 21 zeigt die angehäufte Bruchwahrscheinlichkeit.
Der verzögerte Bruchversuch wurde in einer Art und Weise durchgeführt, bei der jede Stahlstange in 20% NH₄SCN-Lösung eingetaucht war, deren Temperatur bei 50°C gehalten wurde und in dieser Lage hieran eine Kraft von 1420 × 0,8 N/mm² angewandt wurden. 21 zeigt das Ergebnis aus 20 in einem Diagramm, in dem die y-Koordinate die Bruchzeit ist und die x-Koordinate die angehäufte Bruchwahrscheinlichkeit darstellt. 21 zeigt, dass je länger die Bruchzeit ist, desto besser die zeitverzögerte Bruchfestigkeit ist.
22 zeigt den Zusammenhang zwischen der Tiefe der Einkerbung 20, die an der W1 ausgebildet ist, und der Bruchzeit. Es kann bestätigt werden, dass sogar die PC Stahlstange W1, die mit der Einkerbung 20 ausgestattet ist, in der verzögerten Bruchfestigkeit sehr gut ist, wenn die Stahlstange, die mittels der Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung ausgebildet ist, mit der Stahlstange verglichen wird, die mittels einer gewöhnlichen Wärmebehandlung ausgebildet ist. In 22 zeigt die y-Koordinate den Durchschnitt der Bruchzeit und die x-Koordinate die Tiefe der Einkerbung 20. Der Effekt zur Verbesserung der verzögerten Bruchfestigkeit gemäß der vorliegenden Ausgestaltung wird ab einer Tiefe von 0,4 mm scharf reduziert. Da der Durchmesser der PC Stahlstange W1, die dieses Mal verwendet wird, 7,2 mm beträgt, kann die Wirkung der vorliegenden Ausgestaltung innerhalb 10% des Musterradius von der Oberflächenschicht bestätigt werden, das heißt etwa 0,36 mm von der Oberflächenschicht.
Die nachstehend beschriebene Wirkung kann in Übereinstimmung mit der PC Stahlstange, des Wärmebehandlungsverfahrens der PC Stahlstange und der Wärmebehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung kann eine PC Stahlstange, die eine sehr gute verzögerte Bruchfestigkeit aufweist, mit einem einfachen Verfahren durch Verknüpfung der Oberflächenerwärmung, die durch die hochfrequente Induktionserwärmung verursacht ist, und der Anlasseigenschaft des Stahls bereitstellen. Die vorliegende Erfindung wendet speziell die zeitliche Änderung in dem Temperaturmodell zum Zeitpunkt des Erwärmens und die Anlasseigenschaft an, wodurch eine Stahlstange, die abhängig von einem Bereich eine unterschiedliche Härte aufweist, mit einem einfachen Verfahren bei einem Anlassen, das der vorgegebenen Verfahrensbedingung genügt, erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung hat die Bedingung aufgebracht, unter der eine Oberflächenschicht, die im Wesentlichen weich ist, ausgeformt werden kann und eine Temperatur von 720°C oder mehr, die nicht angewendet werden kann, weil der Stahlgegenstand üblicherweise bei dieser Temperatur gehärtet wird, dank der hochfrequenten Induktionserwärmung angewendet werden kann. Hinsichtlich der Härte- und Anlass-Wärmebehandlung, bei denen ein Stahlgegenstand in einem kurzen Zeitraum mittels der hohen Frequenz schnell aufgeheizt wird, können verglichen mit einer gewöhnlichen Wärmebehandlung mit einer Ofenheizung eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähfestigkeit erreicht werden.
Da die Wärmebehandlungsbedingung, die auf der Anlasseigenschaft und der Wärmeleitfähigkeitseigenschaft basiert, durch die Verwendung der oben beschriebenen Simulationsergebnisse ermittelt wurde, kann eine entsprechende Bedingung, die für verschiedene Stahlgegenstände angewendet werden kann, leicht ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben erwähnte Ausgestaltung begrenzt, und die Erfindung kann durch Modifizierung der Komponenten ohne Abweichung vom Kern der Erfindung ausgestaltet werden. Beispielsweise kann die spezifische Verfahrensbedingung in geeigneter Weise entsprechend der Stahlklasse des angewendeten Stahlgegenstands, der erreichten Festigkeitsanforderung oder des Härteverlaufs und der Spezifikation der Vorrichtung verändert werden. Die eingestellte Verfahrensbedingung der Wärmebehandlung ist nicht auf diese oben beschriebenen begrenzt.
Die Wärmebehandlungsvorrichtung mag konfiguriert sein wie die Wärmebehandlungsvorrichtung 101, wie in 23 gezeigt, um eine Erfassungseinheit, die verschiedene Informationen über die angewendete Stahlstange erfasst, eine Berechnungseinheit 22, die das Simulationsergebnismittels Anwendung der Finiten-Elemente-Methode berechnet, wie in 7 und 8 gezeigt, eine Kontrolleinheit 23, wie eine CPU zur Steuerung, um verschiedene Bedingungen der Vorrichtung 101 gemäß dem Simulationsergebnis anzupassen, und eine Schalteinheit 24, die verschiedene Einstellungen entsprechend der Kontrolle durch die Kontrolleinheit 23 schaltet, zusätzlich zu den Komponenten der Wärmebehandlungsvorrichtung 10 in der ersten Ausgestaltung aufzuweisen, wodurch die Wärmebehandlungsvorrichtung 101 derart konfiguriert ist, um geeignet zu sein, die auf der Information des entsprechenden Stahlgegenstands basierende Wärmebehandlungsbedingung zu kontrollieren und einzustellen. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit des Fördermechanismus der Andruckrollen 11, 14 und 17 oder die Position des Kühlmantels 16 eingestellt, wodurch die Zeit vom Anlassen bis zur Kühlung kontrolliert werden kann. Die Vorrichtung mag ebenso konfiguriert sein, dass die andere Wärmebehandlungsbedingung, wie die Erwärmungstemperatur oder die Frequenz mittels der Kontrolleinheit 23 kontrolliert werden kann. In diesem Fall kann die gleiche Wirkung wie in der ersten Ausgestaltung erreicht werden. Die Information über den Stahlgegenstand mag von einem Anwender eingegeben werden.
[Zweite Ausgestaltung]
Eine zweite Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend in Bezug auf die 24 bis 27 beschrieben. Die zweite Ausgestaltung ist die gleiche wie die erste Ausgestaltung außer, dass der Stahlgegenstand, der verwendet wird, eine verformte PC Stahlstange Wc ist. Die sich überschneidende Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
Eine Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung bezieht sich auf ein Oberflächen-Enthärtungsverfahren, ein Stahlgegenstand (hier die verformte PC Stahlstange Wc) als ein Gegenstand zum Oberflächenschicht-Enthärtungsverfahren bezieht sich auf einen Oberflächenschicht-Enthärtungsgegenstand, eine Wärmebehandlung als ein vergleichbares Beispiel, das ein zu vergleichendes Medium ist, bezieht sich auf eine vergleichbare Wärmebehandlung und eine verformte PC Stahlstange, die mittels der vergleichbaren Wärmebehandlung ausgeformt ist, bezieht sich auf ein vergleichbar wärmebehandeltes Material.
In der vorliegenden Ausgestaltung wird die verformte PC Stahlstange Wc, die an der Oberflächenschicht eine fortlaufend und gleichmäßig ausgebildete spiralförmige Nut aufweist, wie in 24 dargestellt, als ein Stahlgegenstand zum Verarbeiten verwendet. Es wird wie in der ersten Ausgestaltung die Wärmevorrichtung 10, wie in 1 gezeigt, verwendet, sowie das Verfahren gemäß dem Herstellungsverfahren, wie in 2 gezeigt, angewendet. Die vorliegende Ausgestaltung ist insbesondere lediglich in der Formgebung, der Zusammensetzung, dem Durchmesser, etc. des zu bearbeitenden Stahlgegenstands von der ersten Ausgestaltung unterschiedlich. Daher wird die Wärmebehandlungsbedingung mittels des gleichen Verfahrens und den gleichen Parameter wie in der ersten Ausgestaltung ermittelt.
Die vorliegende Ausgestaltung zeigt den Fall der Anwendung der verformten PC Stahlstange Wc, die die Zusammensetzung wie in 25 gezeigt enthält, jedoch ist die Erfindung hierauf nicht begrenzt.
26 zeigt die Wärmebehandlungsbedingung für die verformte PC Stahlstange Wc gemäß der vorliegenden Ausgestaltung und die Wärmebehandlungsbedingung der vergleichbaren Wärmebehandlung, die das zu vergleichende Medium darstellt. Die Wärmebehandlungsbedingung für die verformte PC Stahlstange Wc in der vorliegenden Ausgestaltung (enthärtetes Oberflächenschichtmaterial) ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 50 kHz, die Härteerwärmungstemperatur 1000°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 805°C, die Anlasswärmezeit 0,17 s und die Zeit von der Anlasserwärmung bis zur Abkühlung 0,63 s beträgt. Die verformte PC Stahlstange Wc, wie sie hier verwendet wird, hat einen Durchmesser db (Nennwert) von 7,1 mm, wobei die Zugfestigkeit für alle Querschnitte für etwa 1400 N/mm² eingestellt ist.
Die vergleichbare Wärmebedingung ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 9,5 kHz, die Härte-Erwärmungstemperatur 1000°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 603°C, die Anlass-Erwärmungszeit 0,59 s und die von Zeit von der Anlasserwärmung bis zur Abkühlung 3,48 s beträgt. Das vergleichbare wärmebehandelte Material ist ebenso eine verformte PC Stahlstange, die einen Durchmesser von 7,1 mm aufweist, wobei die durchschnittliche Zugfestigkeit für alle Querschnitte auf etwa 1400 N/mm² abgestimmt ist. Die Zusammensetzung des vergleichbaren wärmebehandelten Materials ist die gleiche wie die Zusammensetzung der verformten PC Stahlstange Wc, die das enthärtete Oberflächenschichtmaterial in der vorliegenden Ausgestaltung ist.
27 zeigt das Simulationsergebnis des Zusammenhangs zwischen der verstrichenen Zeit und der Temperaturveränderung der Wärmbehandlung für die verformte PC Stahlstange Wc gemäß der vorliegenden Ausgestaltung. 27 zeigt den Zusammenhang zwischen der verstrichenen Zeit und der Temperatur in Abhängigkeit zum Abstand von der Oberfläche.
Aus 27 wird verstanden, dass der Oberflächenschichtanteil in der Figur einen größeren Bereich einer schraffierten Zone hat als die Bauteilmitte. Der Oberflächenschichtanteil wird insbesondere für einen langen Zeitraum bei einer hohen Temperatur gehalten, so dass die Härte stark reduziert wird.
Die vorliegende Ausgestaltung stellt ebenso die gleiche Wirkung wie die erste Ausgestaltung bereit. Die vorliegende Ausgestaltung kann insbesondere eine verformte PC Stahlstange bereitstellen, die mit einem einfachen Verfahren durch Kombinieren der Oberflächenwärme, die durch die hochfrequente Induktionsheizung verursacht ist, und der Anlasseigenschaft des Stahls eine sehr gute verzögerte Bruchfestigkeit aufweist. Die vorliegende Erfindung wendet insbesondere die zeitliche Veränderung in dem Temperaturmodell zum Zeitpunkt der Erwärmung und die Anlasseigenschaft an, wodurch mit einem einfachen Verfahren bei einem Anlassen, das der vorgegebenen Verfahrensbedingung genügt, eine verformte PC Stahlstange erreicht werden kann, die abhängig von einem Bereich eine unterschiedliche Härte aufweist. Des Weiteren kann gemäß der Härte- und Anlasswärmebehandlung, bei der der Stahlgegenstand in einem kurzen Zeitraum mittels hoher Frequenz schnell erwärmt wird, verglichen mit einer gewöhnlichen Wärmebehandlung mit einer Ofenheizung eine hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit erreicht werden.
[Dritte Ausgestaltung]
Eine dritte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die 28 bis 37 beschrieben. Die dritte Ausgestaltung ist die gleiche wie die erste Ausgestaltung außer, dass der zu bearbeitende Stahlgegenstand ein Federstahldraht Ws ist. Die sich überschneidende Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
Eine Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung bezieht sich auf ein Oberflächenschicht-Enthärtungsverfahren, einen Stahlgegenstand (hier der Federstahldraht Ws) bezieht sich als Gegenstand zum Oberflächenschicht-Enthärtungsverfahren auf ein enthärtetes Oberflächenschichtmaterial, eine Wärmebehandlung als ein vergleichendes Beispiel, bezieht sich auf eine vergleichbare Wärmebehandlung und ein Federstahldraht, der mittels der vergleichbaren Wärmebehandlung ausgeformt ist, bezieht sich auf ein vergleichbar wärmebehandeltes Bauteil.
Der Stahlgegenstand, der den zu bearbeitenden Gegenstand darstellt, ist in der vorliegenden Ausgestaltung ein Federstahldraht Ws, wie in 28 gezeigt. Wie in der ersten Ausgestaltung wird die Wärmebehandlungsvorrichtung (10), wie in 1 gezeigt, verwendet und das Verfahren gemäß dem Herstellungsverfahren, wie in 2, angewendet. Die vorliegende Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung insbesondere lediglich in der Zusammensetzung, dem Durchmesser, etc. des zu verarbeitenden Stahlgegenstands. Daher wird die Wärmebehandlungsbedingung mittels des gleichen Prinzips und der gleichen Parameter wie in der ersten Ausgestaltung ermittelt.
Die vorliegende Ausgestaltung zeigt den Fall der Anwendung des Federstahldrahtes Ws, der als zu verarbeitender Gegenstand die Zusammensetzung aufweist, wie in 29 gezeigt, jedoch ist die Erfindung hierauf nicht begrenzt.
30 zeigt die Wärmebehandlungsbedingung für die Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung und die Wärmebehandlungsbedingung in der vergleichbaren Wärmebehandlung als ein vergleichbares Beispiel. Die Wärmebehandlungsbedingung des Oberflächenschicht-Enthärtungsverfahrens in der vorliegenden Ausgestaltung ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 50 kHz, die Härte-Erwärmungstemperatur 950°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 789°C, die Anlass-Erwärmungszeit 0,4 Sek. und die Zeit von der Anlasserwärmung bis zur Abkühlung 2,6 Sek. beträgt. Der Federstahldraht Ws, wie er hier verwendet wird, hat einen Durchmesser ds von 12 mm, wobei die Zugfestigkeit für alle Querschnitte auf etwa 1900 N/mm² abgestimmt ist.
Die vergleichbare Wärmebehandlungsbedingung in dem vergleichbaren Beispiel ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 9,5 kHz, die Härte-Erwärmungstemperatur 950°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 495°C, die Anlass-Erwärmungszeit 1,7 Sek. und die Zeit von der Anlasserwärmung bis zur Abkühlung 11,1 Sek. beträgt.
Das vergleichbare wärmebehandelte Bauteil ist ebenso ein Federstahldraht, der einen Durchmesser von 12 mm aufweist, wobei die durchschnittliche Zugfestigkeit für alle Querschnitte auf etwa 1900 N/mm² abgestimmt ist. Die Zusammensetzung des vergleichbaren wärmebehandelten Bauteils ist die gleiche Zusammensetzung wie der Federstahldraht Ws gemäß der vorliegenden Ausgestaltung.
31 zeigt das Simulationsergebnis des Zusammenhangs zwischen der verstrichenen Zeit und der Temperaturveränderung der Wärmebehandlung für den Federstahldraht Ws gemäß der vorliegenden Ausgestaltung. 31 zeigt den Zusammenhang zwischen der verstrichenen Zeit und der Temperatur in Abhängigkeit des Abstandes von der Oberfläche.
Aus 31 kann verstanden werden, dass der Oberflächenschichtanteil in der Figur einen größeren Bereich der schraffierten Zone aufweist als die Bauteilmitte. Der Oberflächenschichtanteil wird insbesondere für einen langen Zeitraum bei einer hohen Temperatur gehalten, so dass die Härte stark reduziert wird.
32 zeigt den Verlauf des Abstandes von der Oberflächenschicht und die Härte. In 32 ist die y-Koordinate die Härte [HV0,3], während die x-Koordinate den Abstand [mm] von der Oberflächenschicht darstellt. 32 zeigt den Verlauf der Härte des Federstahldrahtes Ws (vergleichbar wärmebehandeltes Material), an dem die Wärmebehandlung des vergleichbaren Beispiels durchgeführt wurde, und den Verlauf der Härte des Federstahldrahtes Ws (enthärtetes Oberflächenschichtmaterial), an dem das Verfahren unter der Wärmebehandlungsbedingung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung durchgeführt wurde.
In dem vergleichbar wärmebehandelten Bauteil verändert sich die Härte sehr stark, selbst wenn sich der Abstand von der Oberflächenschicht ändert. Auf der anderen Seite wurde an dem Federstahldraht Ws, an dem die Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung durchgeführt wurde, herausgefunden, dass die Härte derart verändert wurde, dass die Härte in der Nähe der Oberflächenschicht mit ansteigendem Abstand von der Oberflächenschicht ansteigt. Insbesondere ist innerhalb des Bereiches von 1 mm von der Oberflächenschicht eine Härte von Hv < 500 ermittelt worden.
Wie in 33 im Fall der Härte [Hv] > 500 gezeigt, ist das Auftreten eines frühen Bruchs von einem Einschluss generell sehr wahrscheinlich, wenn ein Bruchversuch durchgeführt wird. Daher kann bei einem Federstahldraht Ws (enthärtete Oberflächenschichtmaterial), bei dem die Oberflächenschicht durch das Verfahren gemäß der Wärmebehandlungsbedingung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung enthärtet ist, eine Brucheigenschaft verbessert werden.
34 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Abstand von der Oberflächenschicht zu dem Einschluss und der Zahl der Widerstandsfähigkeit als ein Ergebnis des Biegewechselbruchversuchs für das vergleichbar wärmebehandelte Bauteil als ein vergleichbares Beispiel. 25 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Abstand von der Oberflächenschicht bis zu dem Einschluss und die Zahl der Widerstandsfähigkeit des vergleichbaren wärmebehandelten Materials zeigt. Es kann aus 34 und 35 bestätigt werden, dass bei Ansteigen des Abstandes von der Oberflächenschicht zu dem Einschluss die Zahl der Widerstandsfähigkeit in dem vergleichbaren wärmebehandelten Bauteil zum Ansteigen tendiert.
36 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Abstand von der Oberflächenschicht zu dem Einschluss und die Zahl der Widerstandsfähigkeit als ein Ergebnis des Biegewechselbruchversuchs für den Federstahldraht Ws (Oberflächenschicht enthärtetes Material), das gemäß der vorliegenden Ausgestaltung verarbeitet ist.
Als Ergebnis des Biegewechselbruchversuchs ist der Fall gezeigt, bei dem der Biegewechselbruchversuch nach einem Kugelstrahlverfahren durchgeführt wurde. Die Versuchsbedingung ist derart eingerichtet, dass die Spannungsamplitude 700 MPa und die Rotationsgeschwindigkeit 2000 U/min beträgt. Der Versuch wurde bis zu zehn Millionen Mal durchgeführt. In dem Diagramm ist mit „> 1000” gemeint, dass der Draht nach zehn Millionen Mal nicht gebrochen ist.
Bei einem Vergleich der 34 und 36 steigt die Zahl der Widerstandsfähigkeit bei dem Federstahldraht Ws (enthärtetes Oberflächenschichtmaterial) gemäß der vorliegenden Ausgestaltung, verglichen mit dem Federstahldraht (vergleichbar wärmebehandeltes Material) des vergleichbaren Beispiels, in bemerkenswerter Weise an, womit gemeint ist, dass die Brucheigenschaft verbessert ist. Es wird bestätigt, dass der Bruch des Federstahldrahtes Ws (enthärtetes Oberflächenschichtmaterial) gemäß der vorliegenden Ausgestaltung immer von der Oberflächenschicht ausgeht.
37 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Querschnittshärte, der Eigenspannung und der Spannungsamplitude aufzeigt. Die x-Koordinate zeigt den Abstand [mm] von der Oberflächenschicht, während die y-Koordinate die Härte [HV0,3], die Stressamplitude [MPa] und die Eigenspannung [MPa] aufzeigt.
Der Verlauf der Eigenspannung des Federstahldrahtes Ws und der Verlauf der Eigenspannung des vergleichbar wärmebehandelten Bauteils sind einander ähnlich. Die höchste Druckspannung tritt in der Nähe von 0,1 mm von der Oberflächenschicht auf, und dann tritt bei 0,2 mm oder mehr von der Oberflächenschicht eine Zugspannung auf.
Wie aus dem Diagramm verstanden werden kann, ist der frühe Bruch von einem Einschluss in dem Bereich von 0,2 bis 1,0 mm von der Oberflächenschicht entstanden, wo die Eigenspannung die Zugspannung ist, da das vergleichbar wärmebehandelte Bauteil eine hohe Härte und eine geringe Zähigkeit im Falle der gleichen Spannungsamplitude aufweist.
Auf der anderen Seite hat die Oberflächenschicht des Federstahldrahtes Ws, der das enthärtete Oberflächenschichtmaterial gemäß der vorliegenden Ausgestaltung aufweist, eine geringe Härte aber eine hohe Zähigkeit. Daher kann die Bildung eines Ermüdungsriss von dem Einschluss sogar in dem Bereich nahe der Oberflächenschicht, d. h. in dem Bereich von 0,2 bis 1,0 mm von der Oberflächenschicht verhindert werden. Als ein Ergebnis wird die Zahl der Widerstandsfähigkeit deutlich verbessert.
Die vorliegende Ausgestaltung stellt ebenso die gleiche Wirkung wie die erste Ausgestaltung bereit. Insbesondere kann die vorliegende Ausgestaltung mit einem einfachen Verfahren mittels Kombinieren der Oberflächenerwärmung, die durch das hochfrequente Induktionserwärmen verursacht ist, und der Anlasseigenschaften des Stahls, einen Federstahldraht bereit stellen, der eine sehr gute verzögerte Bruchfestigkeit aufweist. Insbesondere wendet die vorliegende Erfindung die zeitliche Änderung in dem Temperaturmodell zum Zeitpunkt der Erwärmung und die Anlasseigenschaft an, wodurch ein Federstahldraht mit einem einfachen Verfahren bei einem Anlassen, das der vorgegebenen Verfahrensbedingung genügt, ein Federstahldraht erreicht wird, der abhängig von einem Bereich unterschiedliche Härten aufweist. Des Weiteren kann gemäß der Härte- und Anlasswärmebehandlung, in welcher ein Stahlgegenstand mittels einer hohen Frequenz in einem kurzen Zeitraum schnell erwärmt wird, verglichen mit einer gewöhnlichen Wärmebehandlung mit einer Ofenheizung eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit erreicht werden.
In dem Federstahldraht Ws, der gemäß der vorliegenden Ausgestaltung hergestellt ist, ist der Abschnitt innerhalb eines Bereiches von 0,2 bis 1,0 mm von der Oberflächenschicht, wo die Eigenspannung die Zugspannung ist, enthärtet. Daher stellt die vorliegende Ausgestaltung eine Wirkung bereit, die den frühen Bruch aus einem Einschluss sehr stark verzögert.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Ausgestaltung ist als Beispiel in 29 dargestellt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht begrenzt. Als ein anderes Beispiel sind eine Stahlklasse E bis zu einer Stahlklasse I betrachtet, die eine Zusammensetzung aufweisen, wie in 38 dargestellt. Bei diesen Stahlgegenständen kann die Umgebung der Oberflächenschicht gemäß dem oben genannten Verfahren enthärtet werden, wobei eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit erreicht werden können und der frühe Bruch aus einem Einschluss verhindert werden kann. Die unterste Spalte in der Tabelle der 38 zeigt die einzelnen Zusammensetzungen, die die Vielzahl der gezeigten Federstahldrähte in Form eines Auswahlbereiches aufweisen.
[Vierte Ausgestaltung]
Eine vierte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 39 bis 45 nachstehend beschrieben. Die vierte Ausgestaltung ist die gleiche wie die erste Ausgestaltung außer, dass der zu verarbeitende Stahlgegenstand ein Bolzen Wb ist. Die sich überschneidende Beschreibung wird daher nicht wiederholt.
Eine Wärmbehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung bezieht sich auf ein Oberflächenschicht-Enthärtungsverfahren, ein durch das Oberflächenschicht Enthärtungsverfahren ausgeformter Bolzen Wb bezieht sich auf ein Oberflächenschicht enthärtetes Bauteil, eine Wärmebehandlung als ein Vergleichsbeispiel bezieht sich auf eine vergleichbare Wärmebehandlung und ein durch die vergleichbare Wärmebehandlung ausgeformter Bolzen bezieht sich auf ein vergleichbar wärmebehandeltes Bauteil.
Der Bolzen Wb, wie in 39 gezeigt, wird in der vorliegenden Ausgestaltung als der zu verarbeitende Gegenstand verwendet. Wie in der ersten Ausgestaltung wird die Herstellungsvorrichtung, wie in 1 gezeigt, verwendet und das Verfahren gemäß dem Herstellungsverfahren, wie in 2 gezeigt, angewendet. Insbesondere unterscheidet sich die vorliegende Ausgestaltung von der ersten Ausgestaltung lediglich in der Formgebung, der Zusammensetzung, dem Durchmesser, etc. des zu verarbeitenden Stahlgegenstands. Daher wird die Wärmebehandlungsbedingung nach dem gleichen Prinzip und den gleichen Parameter wie in der ersten Ausgestaltung ermittelt.
Die vorliegende Ausgestaltung zeigt den Fall der Verwendung des Bolzens Wb, der die Zusammensetzung, wie in 40 gezeigt, als ein zu verarbeitender Gegenstand aufweist, jedoch ist die Erfindung hierauf nicht begrenzt.
41 zeigt die Wärmebehandlungsbedingung für den Bolzen Wb gemäß der vorliegenden Ausgestaltung und die Wärmebehandlungsbedingung für den Bolzen der vergleichbaren Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlungsbedingung in der vorliegenden Ausgestaltung (Oberflächenschicht enthärtetes Material) ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 50 kHz, die Härte-Erwärmungstemperatur 1000°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 780°C, die Anlass-Erwärmungszeit 0,15 s und die Zeit von der Anlasserwärmung bis zum Abkühlung 0,61 s beträgt.
Der Bolzen Wb, wie er hier verwendet wird, hat einen Durchmesser db von 7,1 mm, wobei die Zugfestigkeit für alle Querschnitte auf etwa 1600 N/mm² abgestimmt ist.
Die Bedingung der vergleichbaren Wärmebehandlung ist derart eingerichtet, dass die Frequenz 9,5 kHz, die Härte-Erwärmungstemperatur 1000°C, die Anlass-Erwärmungstemperatur 480°C, die Anlass-Erwärmungszeit 0,6 s und die Zeit von der Anlasserwärmung bis zu Abkühlung 3,50 s beträgt. Das vergleichbar wärmebehandelte Bauteil, wie es hier verwendet wird, ist ebenso ein Bolzen mit einem Durchmesser von 7,1 mm, wobei die durchschnittliche Zugfestigkeit für alle Querschnitte auf etwa 1600 N/mm² abgestimmt ist. Die Zusammensetzung des Bolzen Wb, der als Oberflächenschicht enthärtetes Bauteil in der vorliegenden Ausgestaltung dient, und die Zusammensetzung des vergleichbar wärmebehandelten Bauteils sind die gleichen. Die Wärmebehandlung in der vorliegenden Ausgestaltung und die Wärmebehandlung in dem vergleichbaren Beispiel sind durchgeführt worden, bevor eine Schraube auf ein Stabstück Wb1 des Bolzens gewalzt wurde.
42 zeigt das Simulationsergebnisses des Zusammenhangs zwischen der verstrichenen Zeit und der Temperaturveränderung der Wärmebehandlung für den Bolzen Wb gemäß der vorliegenden Ausgestaltung. 42 zeigt den Zusammenhang zwischen der verstrichenen Zeit und der Temperatur in Abhängig von dem Abstand von der Oberfläche.
Aus 42 kann verstanden werden, dass der Oberflächenschichtanteil in der Figur einen größeren Bereich der schraffierten Zone aufweist als die Bauteilmitte aufweist. Insbesondere wird der Oberflächenschichtanteil für einen langen Zeitraum bei hoher Temperatur gehalten, so dass die Härte stark reduziert wird.
43 zeigt den Verlauf der Härte des Bolzens (vergleichbare wärmebehandeltes Bauteil), der unter der vergleichbaren Wärmebehandlungsbedingung in dem Vergleichsbeispiel verarbeitet wurde, und den Verlauf der Härte des Bolzens Wb (Oberflächenschicht enthärtetes Material), der unter der Wärmebehandlungsbedingung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung verarbeitet wurde. In 43 ist die y-Koordinate die Härte [HV0,3], während die x-Koordinate der Abstand [mm] von der Oberflächenschicht ist.
In dem vergleichbar wärmebehandelten Bauteil verändert sich die Härte sehr stark, selbst wenn sich der Abstand von der Oberflächenschicht verändert, wie in 43 dargestellt. Auf der anderen Seite wurde bei dem Bolzen Wb (Oberflächenschicht enthärtetes Material), an dem die Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung durchgeführt wurde, herausgefunden, dass sich die Härte derart verändert, dass die Härte in der Umgebung der Oberflächenschicht mit ansteigendem Abstand von der Oberflächenschicht ansteigt. Insbesondere wurde innerhalb eines Bereichs von 1 mm von der Oberflächenschicht eine Hv < 500 festgestellt.
Die verzögerte Bruchfestigkeit des Bolzens Wb (Oberflächenschicht enthärtetes Material), der unter der Wärmebehandlungsbedingung gemäß der vorliegenden Ausgestaltung verarbeitet wurde, ist mehr angestiegen als die des vergleichbar wärmebehandelten Bauteils.
44 zeigt eine Tabelle, in der das Ergebnis des verzögerten Bruchfestigkeitsversuchs für den Bolzen Wb (Oberflächenschicht enthärtetes Material) gemäß der vorliegenden Ausgestaltung und für das vergleichbar wärmebehandelte Bauteil verglichen werden. Der verzögerte Bruchfestigkeitsversuch wurde durchgeführt, nachdem eine Schraube auf die vollständige Länge des Stabmaterials Wb1 des Bolzens Wb gewalzt wurde. Die Tiefe der Schraube war 0,7 mm. Die Bedingung für den verzögerten Bruchfestigkeitsversuch war derart eingerichtet, dass der Gegenstand in einer 20% NH₄SCN-Lösung bei einer Versuchstemperatur von 50°C eingetaucht war und in diesem Zustand eine Zugkraft von 1530 N/mm² mal 0,7 der Zugfestigkeit an dem Schraubenteil angelegt wurde. Der Versuch wurde mittels Anlegen einer Tragkraftmethode oder einer konstanten Dehnmethode bis zu einer Zeit von 200 Stunden durchgeführt. In der Zeichnung ist mit „> 200” gemeint, dass der Bolzen sogar nach dem Verstreichen von 200 Stunden nicht gebrochen ist.
45 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der angehäuften Bruchwahrscheinlichkeit und der Bruchzeit des Oberflächenschicht-enthärteten Bauteils gemäß der vorliegenden Ausgestaltung und des vergleichbaren wärmebehandelten Bauteils zeigt. Die x-Achse zeigt die angehäufte Bruchwahrscheinlichkeit [%], während die y-Koordinate die Bruchzeit [h] zeigt.
Aus den 44 und 45 kann verstanden werden, dass das vergleichbare wärmebehandelten Bauteil nach 30 bis 130 Stunden gebrochen ist, während keines der Beispiele des Oberflächenschicht-enthärteten Bauteils sogar auch nach Verstreichen von 200 Stunden oder mehr gebrochen ist. Dementsprechend kann die zeitverzögerte Bruchfestigkeitseigenschaft mittels Durchführen des Oberflächenschicht-Enthärtungsverfahrens verbessert werden.
Die vorliegende Ausgestaltung stellt ebenso die gleiche Wirkung wie die in der ersten Ausgestaltung bereit. Insbesondere kann die vorliegende Ausgestaltung mit einem einfachen Verfahren durch Kombinieren der aufgrund der hochfrequenten Induktionserwärmung verursachten Oberflächenerwärmung und der Anlasseigenschaft des Stahls einen Bolzen bereitstellen, der eine ausgezeichnete verzögerte Bruchfestigkeit aufweist. Die vorliegende Erfindung verwendet insbesondere die zeitliche Veränderung in dem Temperaturmodell zum Zeitpunkt der Erwärmung und die Anlasseigenschaft, wodurch mit einem einfachen Verfahren bei einem Anlassen, das der vorgegebenen Verfahrensbedingung genügt, ein Bolzen bereitgestellt werden kann, der abhängig von einem Bereich eine unterschiedliche Härte aufweist. Des Werteren kann gemäß der Härte- und Anlasswärmebehandlung, bei der der Stahl mittels hoher Frequenz in einem kurzen Zeitraum sehr schnell erhitzt wird, verglichen mit einer gewöhnlichen Wärmebehandlung mit einer Ofenheizung eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit erreicht werden.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Ausgestaltung ist als Beispiel in 40 dargestellt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht begrenzt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausgestaltungen begrenzt und kann ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen, Modifikationen der Komponenten enthalten. Beispielsweise kann die spezifische Verfahrensbedingung in geeigneter Weise gemäß der Formgebung, der Stahlklasse oder der Zusammensetzung des verwendeten Stahlmaterials, des erreichten Festigkeitsniveaus oder der Verteilung der Härte und der Spezifikationen der Vorrichtung verändert werden. Die eingerichtete Verfahrensbedingung der Wärmebehandlung ist nicht auf die oben genannten begrenzt.
Als ein Beispiel wurden die PC Stahlstange, die verformte PC Stahlstange, der Federstahldraht und der Bolzen in der ersten bis vierten Ausgestaltung gezeigt, wobei das gleiche Ergebnis mittels des Verfahrens, das das gleiche Prinzip verwendet, in diesen Ausgestaltungen erreicht werden kann. Die Idee der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die gezeigte Stahlklasse begrenzt, sondern kann an verschiedenen anderen Stahlgegenständen anwendet werden.
Es wurde in den jeweiligen Ausgestaltungen beschrieben, dass die Oberflächenschicht mittels Durchführen des Anlassverfahrens an dem Stahlgegenstand, das aufgrund des Härteverfahrens eine hohe Festigkeit aufweist, enthärtet wird. Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Fall mag auch ein Stahlgegenstand verwendet werden, der eine hohe Festigkeit aufgrund eines Drahtzuges, starker plastischer Deformation oder eines Aufkohlungsverfahrens aufweist.
Verschiedene Erfindungen können durch angewendete Kombinationen der Vielzahl an Zusammensetzungen, wie in den jeweiligen Ausgestaltungen beschrieben, ermöglicht werden. Beispielsweise können einige der Gesamtkomponenten, wie in den Ausgestaltungen beschrieben, beseitigt werden. Die Zusammensetzungen in den verschiedenen Ausgestaltungen mögen kombiniert angewendet sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann einen Stahlgegenstand, der abhängig von einem Abschnitt eine unterschiedliche Härte aufweist, ein Verfahren zur Herstellung des Stahlgegenstands und eine Vorrichtung zum Herstellen des Stahlgegenstands mit einem einfachen Verfahren bereitstellen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands mittels Durchführens einer Wärmebehandlung an einem Stahlgegenstand, der eine hohe Festigkeit aufweist, um die Härte an einem Teilbereich in Form einer Oberflächenschicht des Stahlgegenstands auf eine gegenüber einer Stelle in der Nähe der Bauteilmitte des Stahlgegenstands geringere Härte zu reduzieren, wobei die Wärmebehandlung einen Erwärmvorgang, bei dem ein Abschnitt von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe des Stahlgegenstands mittels Induktionserwärmung oder direkter Erwärmung schnell erwärmt wird, wobei eine Erwärmungstemperatur in dem Erwärmvorgang bei dem Umwandlungspunkt Ac1 oder darüber liegt und einen Kühlvorgang, in dem der Stahlgegenstand, an dem der Erwärmvorgang angewendet wurde, nach einer vorgegebenen Zeit nach dem Erwärmvorgang schnell abgekühlt wird, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit von dem Erwärmvorgang bis zu dem Kühlvorgang nicht mehr als eine vorgegebene Zeit ist, die entsprechend einer Stahlklasse, einem Drahtdurchmesser, einer Erwärmungstemperatur und einer Erwärmungszeit festgelegt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verfahrensbedingung in der Wärmebehandlung festgelegt wird, die auf einer Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit des Stahlgegenstands nach dem schnellen Erwärmen der Oberfläche basiert.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensbedingung in der Wärmebehandlung ein Zeitintegrationswert der Temperatur des Stahlgegenstands ist, und basierend auf einem Anlassstufenwert festgelegt wird, der eine Anlassstufe des Stahlgegenstands aufzeigt.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung eine Verknüpfung aus zumindest zwei Werten einer Frequenz, einer elektrischen Eingangsenergie, einer Erwärmungstemperatur, einer Erwärmungszeit und einer natürlichen Abkühlzeit ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen weiteren Schritt zur Berechnung der Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit des Stahlgegenstands oder des Anlassstufenwertes aufweist, wobei die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung auf der Grundlage der berechneten Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit oder auf dem Anlassstufenwert festgelegt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensbedingung bei der Wärmebehandlung derart bestimmt ist, dass der Anlassstufenwert an der Oberflächenschicht zumindest 1,5-fach größer wird als der Anlassstufenwert in einer Bauteilmitte.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit zwischen Erwärmvorgang bis zum Kühlvorgang derart bestimmt ist, dass der Anlassstufenwert an der Oberflächenschicht zumindest 1,5 fach größer wird als der Anlassstufenwert in einer Bauteilmitte.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlgegenstand ein Stahldraht oder eine Stahlstange ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführen eines Abschreck- bzw. Härtevorgangs an dem Stahlgegenstand, der einen Erwärmvorgang und einen Kühlvorgang aufweist, der Erwärmvorgang und der Kühlvorgang jeweils einmal als Anlassvorgang durchgeführt werden.
Ein Stahlgegenstand, der dem Erwärmvorgang und dem Kühlvorgang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 unterzogen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Härte in der Nähe einer Oberflächenschicht und der Härte an einer Stelle in Richtung einer Bauteilmitte in einer Position 10% in radialer Richtung von der Oberflächenschicht entfernt ein Unterschied von HV50 oder mehr besteht, und bei Durchführen eines Zugversuchs mit einem Nr. 2-Probenstück für JISZ2201 eine Zugfestigkeit von 1420 N/mm² oder mehr erreicht wird.
Stahlgegenstand, der dem Erwärmvorgang und dem Kühlvorgang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 unterzogen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass alle Querschnitte eine angelassene Martensitstruktur haben, die Härte der Oberflächenschicht HV380 oder weniger beträgt, bei Durchführen eines Zugversuchs mit einem Nr. 2-Probenstück für JISZ2201 eine Zugfestigkeit von 1420 N/mm² oder mehr erreicht wird und die Härte in einem Abschnitt in der Nähe einer Bauteilmitte von der Oberflächenschicht gleichmäßig ist.
Stahlgegenstand, der dem Erwärmvorgang und dem Kühlvorgang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 unterzogen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass alle Querschnitte eine angelassene Martensitstruktur haben, die Härte der Oberflächenschicht HV420 oder weniger beträgt, bei Durchführen eines Zugversuchs mit einem Nr. 2-Probenstück für JISZ2201 eine Zugfestigkeit von 1600 N/mm² oder mehr erreicht wird und die Härte in einem Abschnitt in der Nähe einer Bauteilmitte von der Oberflächenschicht gleichmäßig ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Stahlgegenstands, mittels der eine Wärmebehandlung an einem Stahlgegenstand, der eine hohe Härte aufweist, durchführbar ist, um die Härte an einem Teilbereich in Form einer Oberflächenschicht des Stahlgegenstands auf eine gegenüber einer Stelle in der Nähe der Bauteilmitte zu reduzieren, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Heizvorrichtung, die für eine schnelle Erwärmung eines Bereichs von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe des Stahlgegenstands mit einer Erwärmungstemperatur, die bei dem Umwandlungspunkt Ac1 oder darüber liegt, mittels Induktionserwärmung oder direkter Erwärmung ausgebildet ist, und eine Kühlvorrichtung, die für ein schnelles Abkühlen des Stahlgegenstands, der erwärmt wurde, nach einer vorgegebenen Zeit nach der Erwärmung ausgelegt ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Stahlgegenstands nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit von dem Ende des Vorgangs der Heizvorrichtung bis zum Beginn des Vorgangs der Kühlvorrichtung nicht mehr als eine vorgegebene Zeit ist, die entsprechend einer Stahlklasse, einem Drahtdurchmesser, einer Erwärmungstemperatur und einer Erwärmungszeit festgelegt ist, eine Verfahrensbedingung in der Wärmebehandlung auf der Grundlage einer Verknüpfung aus zumindest zwei Werten einer Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit des Stahlgegenstands nach dem schnellen Erwärmen der Oberfläche, einem Anlassstufenwert, der die Anlassstufe des Stahlgegenstands aufzeigt, einer Frequenz, einer elektrischen Eingangsenergie, einer Erwärmungstemperatur, einer Erwärmungszeit und einer natürlichen Abkühlzeit festgelegt ist, die Verfahrensbedingung in der Wärmebehandlung derart eingerichtet ist, dass der Anlassstufenwert an der Oberflächenschicht zumindest 1,5 fach größer wird als der Anlassstufenwert einer Bauteilmitte, die Zeit von dem Erwärmvorgang bis zum Kühlvorgang nicht mehr ist als die vorgegebene Zeit ist, die gemäß einer Stahlklasse, einem Drahtdurchmesser, einer Erwärmungstemperatur und einer Erwärmungszeit festgelegt ist, der Stahlgegenstand ein Stahldraht oder eine Stahlstange ist, die Vorrichtung zusätzlich aufweist: eine Fördervorrichtung, die ausgelegt ist, um den Stahlgegenstand fortlaufend entlang eines vorgegebenen Weges zu fördern, der die Heizvorrichtung und die Kühlvorrichtung durchläuft, wobei die Verfahrensbedingung einen Abstand und eine Fördergeschwindigkeit in dem Fördergang berücksichtigt; und eine Härtevorrichtung, die ausgelegt ist, um einen Erwärmvorgang und einen Kühlvorgang an dem Stahlgegenstand durchzuführen, eine Heizvorrichtung und eine Kühlvorrichtung in dem Förderweg der Härtevorrichtung nachgelagert angeordnet ist, und die Vorrichtung zusätzlich eine Kontrollvorrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um die Verfahrensbedingung in der Wärmebehandlung zu kontrollieren, die auf dem Berechnungsergebnis der Kennlinie der Wärmeleitfähigkeit des Stahlgegenstands oder dem Anlassstufenwert basiert.