DE112019006426T5

DE112019006426T5 - Schlag- und verschleißbeständiges Bauteil und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE112019006426T5
Application number: DE112019006426.6T
Authority: DE
Inventors: Eiji Amada; Kouji Kitamura; Kazuo Maeda; Naomi. Kobayashi; Takashi Noda; Mamoru Hatano; Takafumi Amata; Yutaka Neishi; Kei Miyanishi; Ryoji Nishijima; Daisuke Takiguchi
Original assignee: Komatsu Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Komatsu Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2021-09-09
Also published as: CN113166833B; CN113166833A; WO2020138295A1; JP2020105559A; JP7274287B2; US20220025475A1

Abstract

Ein Aufreißerschaft (10) als schlag- und verschleißbeständiges Bauteil ist aus einem Stahl mit einer spezifischen Bauteilzusammensetzung hergestellt, der eine Härte von HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger aufweist. Der Stahl enthält eine Matrix, die eine Martensit-Phase und eine Restaustenit-Phase enthält, und erste nichtmetallische Teilchen, die in der Matrix dispergiert sind und mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus MnS, TiCN und NbCN ausgewählt ist. Der Stahl schließt kein M23C6-Karbid ein.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente (schlag- und verschleißbeständiges Komponente), die wiederholten Stößen ausgesetzt ist und durch Kontakt mit Erde und Sand verschleißt, wie zum Beispiel ein Bauteil eines Bodeneingriffswerkzeugs (im Folgenden GET (ground engaging tool) genannt), das in Bau- oder Bergbaugeräten verwendet wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 27. Dezember 2018 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-243881 , deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Stand der Technik
Eine Aufreißvorrichtung ist ein Heckanbau eines Arbeitsfahrzeugs, wie z. B. einer Planierraupe, und wird zum Aufreißen von Erde, Sand und Felsgestein verwendet. Aufreißarbeiten können durchgeführt werden, während die Arbeitsmaschine vorwärtsbewegt wird, wobei eine Aufreißspitze, die am abgewandten Ende des Aufreißerschaftes angebracht ist, in den Boden eindringt. Obwohl derAufrei-ßerschaft ein Aufreißvorrichtungselement mit Widerstandskraft ist, ist er eine schlag- und verschleißbeständige Komponente, die Verschleiß und Verformung erleidet. Obwohl SCrB-Stahl, JIS SNCM431H-Stahl usw. üblicherweise als Stahlmaterial für den Aufreißerschaft verwendet wurden, ist es wünschenswert, ein Material mit noch besserer Haltbarkeit zu verwenden.
Um die Haltbarkeit einer schlag- und verschleißbeständigen Komponente zu verbessern, ist es notwendig, dem Material, aus dem die Komponente besteht, eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine hohe Dehngrenze (Festigkeit) zu verleihen. Eine einfache Erhöhung der Festigkeit einer Komponente führt jedoch zu einer Verringerung der Härte des Materials, aus dem die Komponente besteht. Die Oberfläche der Komponente kann reißen oder die Komponente kann brechen, so dass ein Austausch der Komponente erforderlich wird. Um die Haltbarkeit der schlag- und verschleißbeständigen Komponente zu verbessern, ist es daher notwendig, die Duktilität (Härte) auf einem hohen Niveau zu halten und gleichzeitig eine hohe Dehngrenze (Festigkeit) des Materials zu erreichen.
Als Stahlmaterial, das eine Komponente von Baumaschinen bildet, wurde ein sehr harter und verschleißbeständiger Stahl mit ausgezeichneter Haltbarkeit vorgeschlagen (siehe z. B. die japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. S61-166954 (Patentliteratur 1)). Des Weiteren wurde als Stahl für eine Unterwagenkomponente ein Stahl vorgeschlagen, der etwa 0,4 Massen-% Kohlenstoff und verschiedene darin enthaltene Legierungselemente enthält (siehe zum Beispiel die japanische Übersetzung der Internationalen PCT Anmeldung, Veröffentlichung Nr. 2014/185337 (Patentliteratur 2)).
Zitationsliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. S61-166954
Patentliteratur 2: Japanische Übersetzung der Internationalen PCT Anmeldung, Veröffentlichung Nr. 2014/185337

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn eine schlag- und verschleißbeständige Komponente, insbesondere ein GET-Bauteil, unter Verwendung des in Patentliteratur 1 oder 2 offenbarten Stahls hergestellt wird, wird die daraus resultierende Komponente eine hohe Festigkeit aufweisen. Ferner wird ein Stahl mit einer verbesserten Dehngrenze von 0,2% in der Lage sein, z. B. eine Verformung (plastisches Fließen) der Kontaktfläche mit der Aufreißerspitze im Aufreißerschaft zu unterdrücken. Wird jedoch der in der Patentliteratur 1 offenbarte Stahlwerkstoff zur Herstellung eines großen Aufreißerschaftes mit einer Wandstärke von z.B. 100 mm und einer Masse von etwa 1 Tonne verwendet, wird die Komponente in der Mitte seiner Wandstärke einen Festigkeitsabfall (unzureichende Härtbarkeit) erleiden. Ferner neigt eine Komponente, die unter Verwendung des in der Patentliteratur 2 offenbarten Stahls in einem üblichen Fertigungsverfahren hergestellt wird, dazu, im Zug-Test eine geringe Flächenverringerung aufzuweisen. Gemäß den Untersuchungen der vorliegenden Erfinder führt die geringere Flächenreduzierung im Zug-Test zu einer geringeren Bruchfestigkeit. Das heißt, für die schlag- und verschleißbeständige Komponente, die mit dem in der Patentliteratur 2 offenbarten Stahl durch einen üblichen Fertigungsprozess hergestellt wird, ist eine weitere Verbesserung der Haltbarkeit erwünscht.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist es, ein schlag- und verschleißbeständiges Bauteil mit hervorragender Haltbarkeit und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Lösung des Problems
Ein schlag- und verschleißbeständiges Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einem Stahl hergestellt, der nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-% C, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0.5 Massen-% Si, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Mn, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-% S, nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Ni, nicht weniger als 0,7 Massen-% und nicht mehr als 1.5 Massen-% Cr, nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mo, nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-% Nb, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-% Ti, nicht weniger als 0.0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0030 Massen-% B, und nicht weniger als 20 Massen-ppm und nicht mehr als 60 Massen-ppm N aufweist, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und eine Härte von HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger aufweist. Der Stahl enthält eine Matrix, die eine Martensit-Phase und eine Restaustenit-Phase enthält, und erste nichtmetallische Teilchen, die in der Matrix dispergiert sind und mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus MnS, TiCN und NbCN ausgewählt ist. Der Stahl schließt kein Karbid ein, das als M₂₃C₆ dargestellt wird (wobei M die den Stahl bildenden metallischen Elemente darstellt).
Ein Verfahren zur Herstellung eines schlag- und verschleißbeständigen Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte: Herstellen eines Stahlmaterials aus einem Stahl, der nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-% C, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,5 Massen-% Si, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Mn, nicht weniger als 0.0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-% S, nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Ni, nicht weniger als 0,7 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Cr, nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mo, nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-% Nb, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-% Ti, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0.0030 Massen-% B und nicht weniger als 20 Massen-ppm und nicht mehr als 60 Massen-ppm N aufweist, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht; Warmschmieden oder Warmwalzen des Stahlmaterials, um einen geformten Körper zu erhalten; Durchführen einer Normalisierungsbehandlung am gesamten geformten Körpers durch Abkühlen des geformten Körpers von einer Temperatur von nicht weniger als 945°C und nicht höher als 1000°C auf eine Temperatur, die nicht höher ist als eine Temperatur, die dem M_s-Punkt des Stahls entspricht; und Durchführen einer Abschreckhärtungsbehandlung an dem geformten Körper, der der Normalisierungsbehandlung unterzogen wurde, und danach Einstellen einer Härte des geformten Körpers auf HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger durch Erwärmen des geformten Körpers auf eine Temperatur von nicht weniger als 150°C und nicht höher als 250°C.
Auswirkungen der Erfindung
Gemäß dem oben beschriebenen schlag- und verschleißbeständigen Bauteil und seinem Herstellungsverfahren ist es möglich, ein schlag- und verschleißbeständiges Bauteil mit hervorragender Haltbarkeit und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer Aufreißvorrichtung mit einem Aufreißerschaft und einer Aufreißerspitze zeigt;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die den Zustand der Verbindung zwischen dem Aufreißerschaft und der Aufreißerspitze zeigt;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Aufbau des Aufreißerschaftes zeigt;
4 ist ein Flussdiagramm, das schematisch die Schritte zur Herstellung eines Aufreißerschaftes zeigt;
5 zeigt optische Mikrographen einer Mikrostruktur des Stahls;
6 zeigt REM-Aufnahmen von nichtmetallischen Partikeln;
7 zeigt Beobachtungsergebnisse unter Verwendung eines optischen Mikroskops und eines REM sowie Ergebnisse der Elementzuordnung;
8 zeigt ein Ergebnis der Identifizierung eines Produkts, das an einer Korngrenze vorhanden ist; und
9 zeigt den Zusammenhang zwischen Heiztemperatur und Flächenreduzierung.

Beschreibung der Ausführungsform
[Überblick der Ausführungsform]
Ein schlag- und verschleißbeständiges Bauteil der vorliegenden Anmeldung besteht aus einem Stahl, der nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-% C, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,5 Massen-% Si, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Mn, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-% S, nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Ni, nicht weniger als 0,7 Massen-% und nicht mehr als 1.5 Massen-% Cr, nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mo, nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-% Nb, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-% Ti, nicht weniger als 0.0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0030 Massen-% B, und nicht weniger als 20 Massen-ppm und nicht mehr als 60 Massen-ppm N aufweist, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und eine Härte von HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger aufweist. Der Stahl enthält eine Matrix, die eine Martensit-Phase und eine Restaustenit-Phase enthält, und erste nichtmetallische Teilchen, die in der Matrix dispergiert sind und mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus MnS, TiCN und NbCN ausgewählt ist. Der Stahl schließt kein Karbid ein, das als M₂₃C₆ dargestellt wird (wobei M die den Stahl bildenden metallischen Elemente darstellt).
Gemäß der oben beschriebenen schlag- und verschleißbeständigen Komponente kann der Stahl ferner mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus nicht weniger als 0,05 Massen-% und nicht mehr als 0,20 Massen-% V, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,15 Massen-% Zr und nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Co besteht.
Zunächst werden die Gründe für die Eingrenzung der Bauteilzusammensetzung des Stahls, der das schlag- und verschleißbeständige Bauteil der vorliegenden Erfindung bildet, auf die oben beschriebenen Bereiche beschrieben.
Kohlenstoff (C): nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-%
Kohlenstoff ist ein Element, das die Härte des Stahls stark beeinflusst. Wenn der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,41 Massen-% beträgt, wird es schwierig sein, eine Härte von HRC 53 oder mehr in einem Abschnitt mit einer Wanddicke von z.B. 100 mm durch Abschrecken und Anlassglühen zu erreichen. Auf der anderen Seite wird der Kohlenstoffgehalt, der 0,44 Massen-% überschreitet, die Flächenreduzierung verringern und die Bruchsicherheit reduzieren. Der Kohlenstoffgehalt muss also innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen. Unter dem Gesichtspunkt der einfachen Sicherstellung einer ausreichenden Härte beträgt der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise 0,42 Massen-% oder mehr.
Silizium (Si): nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,5 Massen-%
Silizium ist ein Element, das die Wirkung hat, die Härtbarkeit des Stahls zu verbessern, die Matrix des Stahls zu verstärken und die Beständigkeit gegen Anlassglüh-Erweichung zu verbessern, und es hat auch eine desoxidierende Wirkung im Stahlherstellungsprozess. Wenn der Siliziumgehalt 0,2 Massen-% oder weniger beträgt, können die oben genannten Effekte nicht ausreichend erzielt werden. Übersteigt der Siliziumgehalt jedoch 0,5 Massen-%, so nimmt die Flächenreduzierung tendenziell ab. Der Siliziumgehalt muss also innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen.
Mangan (Mn): nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-%
Mangan ist ein Element, das wirksam die Härtbarkeit des Stahls verbessert und auch eine desoxidierende Wirkung im Stahlherstellungsprozess hat. Wenn der Mangangehalt 0,2 Massen-% oder weniger beträgt, können die oben genannten Effekte nicht ausreichend erzielt werden. Wenn der Mangangehalt jedoch 1,5 Massen-% übersteigt, steigt die Härte vor dem Abschreckhärten, was zu einer Verschlechterung der Verarbeitbarkeit führt. Unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung einer ausreichenden Härtbarkeit des Stahls beträgt der Mangangehalt vorzugsweise 0,4 Massen-% oder mehr. Mit Blick auf die Verarbeitbarkeit, beträgt der Mangangehalt ferner vorzugsweise 0,9 Massen-% oder weniger, und mehr bevorzugt 0,8 Massen-% oder weniger.
Schwefel (S): nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-%
Schwefel ist ein Element, das die Bearbeitbarkeit des Stahls verbessert. Schwefel ist auch ein Element, das während des Stahlherstellungsprozesses gemischt wird, auch wenn es nicht absichtlich hinzugefügt wird. Wenn der Schwefelgehalt weniger als 0,0005 Massen-% beträgt, sinkt die Zerspanbarkeit, und die Produktionskosten des Stahls steigen. Andererseits hat der Schwefelgehalt gemäß den Untersuchungen der vorliegenden Erfinder in der Komponentenzusammensetzung des Stahls der vorliegenden Erfindung einen großen Einfluss auf die Reduzierung der Fläche. Wenn der Schwefelgehalt 0,0050 Massen-% übersteigt, nimmt die Flächenabnahme ab, wodurch es schwierig wird, eine ausreichende Bruchfestigkeit zu erreichen. Der Schwefelgehalt muss daher innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen. Ein Schwefelgehalt von 0,0040 Massen-% oder weniger kann die Bruchfestigkeit weiter verbessern.
Nickel (Ni): nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-%
Nickel ist ein wirksames Element zur Verbesserung der Zähigkeit der Matrix des Stahls. Liegt der Nickelgehalt unter 0,6 Massen-%, kann ein solcher Effekt nicht ausreichend erzielt werden. Wenn der Nickelgehalt jedoch 2,0 Massen-% übersteigt, neigt Nickel eher dazu, sich im Stahl zu segregieren. Dies kann zu einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Stahls führen. Der Nickelgehalt muss daher innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen. Wenn der Nickelgehalt 1,5 Massen-% übersteigt, wird die Verbesserung der Zähigkeit mäßig, und die Produktionskosten des Stahls steigen. Unter diesen Gesichtspunkten ist der Nickelgehalt vorzugsweise 1,5 Massen-% oder weniger. Andererseits ist im Falle eines Stahls mit einer Härte von HRC 53 oder mehr, um den Effekt der Verbesserung der Zähigkeit der Matrix des Stahls ausreichend auszuüben, der Nickelgehalt vorzugsweise 1,0 Massen-% oder mehr.
Chrom (Cr): nicht weniger als 0,7 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-%
Chrom verbessert die Härtbarkeit des Stahls und erhöht auch die Beständigkeit gegen Anlassglüh-Erweichung. Insbesondere Chrom, das in Kombination mit Molybdän, Niob, Vanadium und dergleichen zugesetzt wird, erhöht die Beständigkeit gegen Anlassglüh-Erweichung des Stahls erheblich. Liegt der Chromgehalt unter 0,7 Massen-%, können die oben genannten Effekte nicht ausreichend ausgeübt werden. Wenn der Chromgehalt jedoch 1,5 Massen-% überschreitet, wird die Verbesserung der Beständigkeit gegen Anlassglüh-Erweichung mäßig und die Produktionskosten des Stahls steigen. Der Chromgehalt muss daher innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen.
Molybdän (Mo): nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-%
Molybdän verbessert die Härtbarkeit des Stahls und erhöht die Beständigkeit gegen Anlassglüh-Erweichung. Molybdän hat auch die Funktion, die Sprödigkeit beim Anlassglühen bei hohen Temperaturen zu verbessern. Wenn der Molybdängehalt weniger als 0,1 Massen-% beträgt, können die oben genannten Effekte nicht ausreichend erzielt werden. Übersteigt der Molybdängehalt jedoch 0,6 Massen-%, werden die oben genannten Effekte gesättigt. Der Molybdängehalt muss also innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen.
Niob (Nb): nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-%
Niob ist wirksam bei der Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit des Stahls. Insbesondere ist Niob ein sehr effektives Element zur Verbesserung der Zähigkeit, da es die Kristallkörner des Stahls extrem verfeinern kann, wenn es in Kombination mit Chrom und Molybdän hinzugefügt wird. Um solche Effekte zu sicherzustellen, muss der Niobgehalt 0,02 Massen-% oder mehr betragen. Wenn der Niobgehalt jedoch 0,03 Massen-% übersteigt, verursachen die Kristallisation von grobem eutektischem NbC und die Bildung einer großen Menge an NbC eine Abnahme der Kohlenstoffmenge in der Matrix, wodurch es zu einer Verschlechterung der Festigkeit und Zähigkeit des Stahls kommt. Außerdem erhöht ein Niobgehalt von mehr als 0,03 Massen-% die Produktionskosten des Stahls. Der Niobgehalt muss daher innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen.
Titan (Ti): nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-%
Titan ist wirksam bei der Verbesserung der Zähigkeit des Stahls. Außerdem kann der Zusatz von Ti Ti(C,N) bilden und die Kristallkörner des Stahls verfeinern. Wenn der Titangehalt weniger als 0,01 Massen-% beträgt, sind solche Effekte gering. Übersteigt der Titangehalt jedoch 0,04 Massen-%, kann sich die Zähigkeit des Stahls eher verschlechtern. Der Titangehalt muss daher innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen.
Bor (B): nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0030 Massen-%
Bor ist ein Element, das die Härtbarkeit des Stahls erheblich verbessert. Die Zugabe von Bor kann die Zugabemengen der anderen Elemente, die zur Verbesserung der Härtbarkeit hinzugefügt werden, verringern und die Produktionskosten des Stahls reduzieren. Im Vergleich zu Phosphor (P) und Schwefel segregiert Bor eher in der vorherigen Austenit-Korngrenze, und es verdrängt insbesondere Schwefel aus der Korngrenze, wodurch die Korngrenzen-Festigkeit verbessert wird. Bei einem Borgehalt von 0,0005 Massen-% oder weniger können die oben genannten Effekte nicht ausreichend erzielt werden. Der Borgehalt über 0,0030 Massen-% kann jedoch die Zähigkeit des Stahls verringern. Der Borgehalt muss daher innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen.
Stickstoff (N): nicht weniger als 20 Masse-ppm und nicht mehr als 60 Masse-ppm
Stickstoff kann die Zähigkeit des Stahls verschlechtern, außer in dem Fall, in dem Stickstoff zusammen mit Kohlenstoff Carbonitride mit Ti oder Nb bildet, um die Kristallkörner zu verfeinern. Der Stickstoffgehalt muss daher 60 Masse-ppm oder weniger betragen. Ein Stickstoffgehalt von weniger als 20 Massen-ppm erhöht jedoch die Produktionskosten des Stahls. Der Stickstoffgehalt muss daher innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegen.
Vanadium (V): nicht weniger als 0,05 Massen-% und nicht mehr als 0,20 Massen-%
Vanadium ist kein unentbehrliches Element. Vanadium bildet jedoch feine Karbide und trägt so zur Verfeinerung der Kristallkörner bei. Liegt der Vanadiumgehalt unter 0,05 Massen-%, kann der oben genannte Effekt nicht ausreichend erzielt werden. Liegt der Vanadiumgehalt jedoch über 0,20 Massen-%, ist der oben genannte Effekt gesättigt. Vanadium ist ein relativ teures Element, daher wird es vorzugsweise in einer erforderlichen Mindestmenge zugesetzt. Daher ist im Falle der Zugabe von Vanadium die Zugabemenge innerhalb des oben beschriebenen Bereichs angemessen.
Zirkonium (Zr): nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,15 Massen-%
Zirkonium ist kein unentbehrliches Element, aber es hat den Effekt, die Zähigkeit des Stahls weiter zu verbessern, indem es Karbide in Form von feinen, kugelförmigen Partikeln bildet, die im Stahl verteilt sind. Wenn der Zirkoniumgehalt weniger als 0,01 Massen-% beträgt, kann seine Wirkung nicht ausreichend erzielt werden. Übersteigt der Zirkoniumgehalt jedoch 0,15 Massen-%, kann sich die Zähigkeit des Stahls eher verschlechtern. Daher ist im Falle der Zugabe von Zirkonium die Zugabemenge innerhalb des oben beschriebenen Bereichs angemessen.
Kobalt (Co): nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-%
Kobalt ist kein unentbehrliches Element, aber es erhöht die Feststofflöslichkeit von Chrom, Molybdän und anderen karbidbildenden Elementen in der Matrix und verbessert auch die Beständigkeit gegen Anlassglüh-Erweichung des Stahls. Durch den Zusatz von Kobalt werden also feinere Karbide und eine höhere Anlassglühtemperatur erreicht, wodurch die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls verbessert wird. Liegt der Kobaltgehalt unter 0,1 Massen-%, können die oben genannten Effekte nicht ausreichend erzielt werden. Auf der anderen Seite erhöht Kobalt, das in einer großen Menge zugesetzt wird, wegen seiner Kostspieligkeit die Produktionskosten des Stahls. Diese Probleme werden bei einem Kobaltgehalt von mehr als 2,0 Massen-% deutlich. Daher ist im Falle der Zugabe von Kobalt die Zugabemenge innerhalb des oben beschriebenen Bereichs angemessen.
Unvermeidbare Verunreinigungen
Neben den während des Herstellungsprozesses absichtlich hinzugefügten Komponenten können auch andere als die oben beschriebenen Elemente als unvermeidbare Verunreinigungen in den Stahl gemischt werden. Phosphor (P) als unvermeidbare Verunreinigung ist vorzugsweise in einer Menge von 0,010 Massen-% oder weniger enthalten. Kupfer (Cu) als unvermeidbare Verunreinigung ist vorzugsweise in einer Menge von 0,1 Massen-% oder weniger und besonders bevorzugt von 0,05 Massen-% oder weniger enthalten. Aluminium (AI) als eine unvermeidbare Verunreinigung ist in einer Menge von vorzugsweise 0,04 Massen-% oder weniger enthalten.
Die schlag- und verschleißbeständige Komponente der vorliegenden Erfindung wird aus einem Stahl mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung hergestellt. Ferner enthält der Stahl, der die schlag- und verschleißbeständige Komponente der vorliegenden Erfindung bildet, kein Karbid, das als M₂₃C₆ dargestellt ist (wobei M die metallischen Elemente darstellt, aus denen der Stahl besteht, hauptsächlich Cr und/oder Mo; im Folgenden als „M₂₃C₆-Karbid‟ bezeichnet).
Gemäß den von den vorliegenden Erfindern durchgeführten Untersuchungen werden im Falle der Annahme eines Stahls mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung als Stahl, der eine schlag- und verschleißbeständige Komponente bildet, wenn die Komponente mit einem üblichen Produktionsverfahren hergestellt wird, M₂₃C₆-Karbide an den Korngrenzen des Stahls erzeugt. Mit den erzeugten M₂₃C₆-Karbiden nehmen die Cr- und Mo-Gehalte in dem Bereich um die M₂₃C₆-Karbide ab. Dadurch nimmt die Härtbarkeit in diesem Bereich ab und es bildet sich ein Bainit-Gefüge. Dass der Stahl nicht nur ein Martensit-Gefüge, sondern auch spröde M₂₃C₆-Karbide an den Korngrenzen sowie eine darauf zurückzuführende spröde Bainit-Struktur in der Nähe der Korngrenzen enthält, führt zu einer geringeren Flächenreduktion im Zug-Test des Stahls. Eine geringere Flächenreduktion des Stahls führt zu einer geringeren Bruchfestigkeit der aus dem Stahl gefertigten schlag- und verschleißbeständigen Komponente.
Als Ergebnis der Untersuchung der Art und Weise, wie die Haltbarkeit der schlag- und verschleißbeständigen Komponenten verbessert werden kann, haben die Erfinder herausgefunden, dass durch die Annahme eines Stahls mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung und die Beseitigung der M₂₃C₆-Karbide aus der Stahlstruktur eine schlag- und verschleißbeständige Komponente erhalten werden kann, die eine verbesserte Bruchsicherheit und eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweist. In der schlag- und verschleißbeständigen Komponente der vorliegenden Erfindung wird der Stahl mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung als der Stahl angenommen, der die schlag- und verschleißbeständige Komponente bildet, und keine M₂₃C₆-Karbide sind in der Stahlstruktur enthalten. Die schlag- und verschleißbeständige Komponente der vorliegenden Erfindung ist somit ein schlag- und verschleißbeständiges Bauteil mit ausgezeichneter Haltbarkeit.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Zustand, in dem der Stahl keine M₂₃C₆-Karbide enthält, einen Zustand, in dem keine M₂₃C₆-Karbide gefunden werden, wenn der Querschnitt der schlag- und verschleißbeständigen Komponente unter Verwendung eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-SEM) betrachtet wird und ein Bereich von 80µm² einschließlich der Korngrenze des Stahls für 10 oder mehr Sichtfelder untersucht wird. Das M₂₃C₆-Karbid kann identifiziert werden, wenn ein mögliches Produkt von M₂₃C₆-Karbid z. B. in der oben beschriebenen Weise gefunden wird, indem das Produkt in einem Hellfeldbild eines Rastertransmissionselektronenmikroskops (STEM) detektiert und dann das ausgewählte Flächenbeugungsmuster (SAD) des Produkts bestätigt wird.
In dem oben beschriebenen schlag- und verschleißbeständigen Bauteil kann die Matrix eine Korngrößenzahl von 5 oder mehr und 8 oder weniger aufweisen. Mit dieser Konfiguration kann dem schlag- und verschleißbeständigen Bauteil ohne weiteres eine ausgezeichnete Härte verliehen werden.
In dem oben beschriebenen schlag- und verschleißbeständigen Bauteil kann die Martensit-Phase, aus der die Matrix besteht, eine bei niedriger Temperatur geglühten Martensit-Phase sein. Mit dieser Konfiguration kann dem schlag- und verschleißbeständigen Bauteil ohne weiteres eine hervorragende Härte verliehen werden.
Wie hier verwendet, bedeutet die niedrig geglühte Martensit-Phase eine Phase, die aus einem Gefüge (erhalten durch Niedrigtemperaturglühen) besteht, das erhalten wird, wenn ein Stahl, der abgeschreckt wurde, bei einer Temperatur von nicht weniger als 150°C und nicht höher als 250°C geglüht wird. Die Phase, die die bei niedriger Temperatur geglühter Martensit-Phase ist, kann durch Untersuchung der Härte, des Karbidausscheidungszustands usw. der Phase bestätigt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines schlag- und verschleißbeständigen Bauteils der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte: Herstellen eines Stahlmaterials aus einem Stahl, der nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-% C, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,5 Massen-% Si, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Mn, nicht weniger als 0.0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-% S, nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Ni, nicht weniger als 0,7 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Cr, nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mo, nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-% Nb, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-% Ti, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0.0030 Massen-% B und nicht weniger als 20 Massen-ppm und nicht mehr als 60 Massen-ppm N aufweist, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht; Warmschmieden oder Warmwalzen des Stahlmaterials, um einen geformten Körper zu erhalten; Durchführen einer Normalisierungsbehandlung an einer Gesamtheit des geformten Körpers durch Abkühlen des geformten Körpers von einer Temperatur von nicht weniger als 945°C und nicht mehr als 1000°C auf eine Temperatur, die nicht höher als eine Temperatur ist, die dem M_s-Punkt des Stahls entspricht; und Durchführen einer Abschreckhärtungsbehandlung an dem geformten Körper, der der Normalisierungsbehandlung unterzogen wurde, und danach Einstellen einer Härte des geformten Körpers auf HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger durch Erwärmen des geformten Körpers auf eine Temperatur von nicht weniger als 150°C und nicht höher als 250°C.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung von schlag- und verschleißbeständigen Komponenten kann der Stahl außerdem mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus nicht weniger als 0,05 Massen-% und nicht mehr als 0,20 Massen-% V, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,15 Massen-% Zr und nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Co besteht.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines schlag- und verschleißbeständigen Bauteils der vorliegenden Erfindung wird, nachdem ein Stahlmaterial aus dem Stahl mit der oben beschriebenen geeigneten Bauteilzusammensetzung hergestellt wurde, das Stahlmaterial warmgeschmiedet oder warmgewalzt, um einen Formkörper zu erhalten. Im Abkühlungsprozess nach dem Warmschmieden oder Warmwalzen werden M₂₃C₆-Karbide an den Korngrenzen des Stahls erzeugt. Danach wird bei dem Verfahren zur Herstellung eines schlag- und verschleißbeständigen Bauteils der vorliegenden Erfindung eine Normalisierungsbehandlung an der Gesamtheit des geformten Körpers durchgeführt, bei der der geformte Körper von einer Temperatur, die nicht niedriger als 945°C und nicht höher als 1000°C ist, auf eine Temperatur abgekühlt wird, die nicht höher als die Temperatur ist, die dem Ms-Punkt des Stahls entspricht. Durch die Normalisierungsbehandlung des Erwärmens auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als 945°C und des anschließenden Abkühlens lösen sich die zuvor erzeugten M₂₃C₆-Karbide in die Matrix des Stahls auf und verschwinden. Danach wird eine Abschreckhärtungsbehandlung durchgeführt und dann wird der geformte Körper auf eine Temperatur von nicht weniger als 150°C und nicht mehr als 250°C erhitzt, um die Härte des Stahls auf HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger einzustellen. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, das schlag- und verschleißbeständige Bauteil der vorliegenden Erfindung herzustellen, das aus dem Stahl hergestellt ist, der keine M₂₃C₆-Karbide enthält.
[Konkretes Beispiel einer Ausführungsform]
Eine Ausführungsform des schlag- und verschleißbeständigen Bauteils der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Zeichnungen sind gleiche oder entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und die Beschreibung derselben wird nicht wiederholt.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Aufreißerschaft als schlag- und verschleißbeständiges Bauteil in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 1 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer Aufreißvorrichtung mit einem Aufreißerschaft und einer Aufreißerspitze zeigt. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Aufreißerschaftes und der Aufreißerspitze. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Aufbau des Aufreißerschaftes zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1 ist die Aufreißvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise eine Aufreißvorrichtung, die an einer Planierraupe angebracht ist. Die Aufreißvorrichtung 1 ist an der Rückseite (gegenüber der Seite, an der ein Schild (Bodenabtragungsplatte) angeordnet ist) des Fahrzeugkörpers der Planierraupe angebracht. DieAufreißvorrichtung 1 umfasst einen Arm 31, einen Hubzylinder 32, einen Kippzylinder 33, ein Aufreißerträgerelement I 34, einen Aufreißerschaft 10 und eine Aufreißspitze 20.
Der Arm 31 hat die Form einer Stange. Ein Ende des Arms 31 ist mit einer Halterung (nicht dargestellt) verbunden, die am Fahrzeugkörper der Planierraupe angebracht ist, und das andere Ende ist mit dem Aufreißerträgerelement 34 verbunden. Das Aufreißerträgerelement 34 ist schwenkbar mit dem anderen Ende des Arms 31 verbunden.
Der Hubzylinder 32 und der Kippzylinder 33 sind mit ihren einen Enden mit der am Fahrzeugkörper der Planierraupe montierten Halterung (nicht dargestellt) verbunden. Die anderen Enden des Hubzylinders 32 und des Kippzylinders 33 sind mit dem Aufreißerträgerelement 34 verbunden. Der Hubzylinder 32 und der Kippzylinder 33 sind Hydraulikzylinder, die in Längsrichtung aus- und eingefahren werden können. Das Aufreißerträgerelement 34 ist schwenkbar mit den anderen Enden des Hubzylinders 32 und des Kippzylinders 33 verbunden. Von dem Aufreißerträgerelement 34 befindet sich der mit dem Hubzylinder 32 verbundene Bereich zwischen dem mit dem Arm 31 verbundenen Bereich und dem mit dem Kippzylinder 33 verbundenen Bereich.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist der Aufreißerschaft 10 aus Stahl gefertigt. Der Aufreißerschaft 10 umfasst ein abgewandtes Ende 15 als ein Ende und ein zugewandtes Ende 14 als das andere Ende in der Längsrichtung. Der Bereich einschließlich des abgewandten Endes des Aufreißerschaftes 10 ist zu der Seite gebogen, die sich dem Fahrzeugkörper der Planierraupe nähert. Der Bereich des Aufreißerschaftes 10 zwischen seinem abgewandten Ende 15 und dem zugewandten Ende 14 wird durch das Aufreißerträgerelement 34 abgestützt. Am abgewandten Ende 15 des Aufreißerschaftes 10 ist die Aufreißerspitze 20 befestigt. Von dem Aufreißerträgerelement 34 ist der mit dem Arm 31 verbundene Bereich näher an der Aufreißerspitze 20 positioniert als der mit dem Kippzylinder 33 verbundene Bereich und der mit dem Hubzylinder 32 verbundene Bereich.
In der Aufreißvorrichtung 1 bewirken das Ausfahren und Einfahren des Hubzylinders 32 eine Auf- und Abwärtsbewegung des Aufreißschaftes 10. Das Ausfahren und Einfahren des Kippzylinders 33 bewirkt ein Kippen des Aufreißerschaftes 10. Wenn der Aufreißerschaft 10 abgesenkt und gekippt ist, damit die Aufreißerspitze 20 in den Boden G eindringt, wird der Fahrzeugkörper der Planierraupe vorwärtsbewegt, wodurch Erde, Sand und Gestein aufgekratzt werden.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 weist der Aufreißerschaft 10 ein darin ausgebildetes Durchgangsloch, ein Aufreißerschaft-Durchgangsloch 11, auf. Die Aufreißerspitze 20 hat ein Durchgangsloch, ein Aufreißerspitzen-Durchgangsloch 25, das darin ausgebildet ist. In dem Zustand, in dem die Aufreißerspitze 20 an dem Aufreißerschaft 10 befestigt ist, bilden das Aufreißerspitzen-Durchgangsloch 25 und das Aufreißerschaft-Durchgangsloch 11 eine durchgehende Durchgangsbohrung. Ein in die durchgehende Durchgangsbohrung eingesetzter Stift 51 sichert die Aufreißerspitze 20 am Aufreißerschaft 10.
Bezugnehmend auf 3 hat die Aufreißerspitze 20 eine Ausnehmung 22, die so geformt ist, dass sie sich von ihrer Seite des zugewandten Endes 23 zu ihrer Seite des abgewandten Endes 21 hin zurückzieht. Der Aufreißerschaft 10 umfasst einen Körperabschnitt 12 mit seinem zugewandten Ende 14 und einen Einsatzabschnitt 13 mit seinem abgewandten Ende 15 auf der Seite, die in die Ausnehmung 22 eingesetzt werden soll. Ein Bodenbereich 22A der in der Aufreißerspitze 20 gebildeten Ausnehmung 22 ist mit dem abgewandten Ende 15 des Aufreißerschaftes 10 nicht in Kontakt. Zwischen dem Bodenbereich 22A der Ausnehmung 22 und dem abgewandten Ende 15 befindet sich ein Zwischenraum 29.
Bei der Aufreißvorrichtung 1 in der vorliegenden Ausführungsform ist der Aufreißerschaft 10 als schlag- und verschleißbeständiges Bauteil aus einem Stahl hergestellt, der nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-% C, nicht weniger als 0.2 Massen-% und nicht mehr als 0,5 Massen-% Si, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Mn, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-% S, nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Ni, nicht weniger als 0.7 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Cr, nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mo, nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-% Nb, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-% Ti, nicht weniger als 0.0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0030 Massen-% B, und nicht weniger als 20 Massen-ppm und nicht mehr als 60 Massen-ppm N, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und eine Härte von HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger aufweist. Der Stahl enthält eine Matrix, die eine Martensit-Phase und eine Restaustenit-Phase enthält, und erste nichtmetallische Teilchen, die in der Matrix dispergiert sind und mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus MnS, TiCN und NbCN ausgewählt ist. Der Stahl schließt kein Karbid ein, das als M₂₃C₆ dargestellt ist (wobei M die den Stahl bildenden metallischen Elemente darstellt). Die Menge des in der Matrix enthaltenen Restaustenits beträgt beispielsweise 10 Vol.-% oder weniger, und vorzugsweise 5 Vol.-% oder weniger.
Der Stahl, aus dem der Aufreißerschaft 10 besteht, kann ferner mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus nicht weniger als 0,05 Massen-% und nicht mehr als 0,20 Massen-% V, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,15 Massen-% Zr und nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Co ausgewählt ist.
Der Aufreißerschaft 10 als schlag- und verschleißbeständige Komponente der vorliegenden Ausführungsform nimmt den Stahl mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung als Material an, und die Stahlstruktur enthält keine M₂₃C₆-Karbide. Dementsprechend ist der Aufreißerschaft 10 als schlag- und verschleißbeständiges Bauteil der vorliegenden Ausführungsform ein schlag- und verschleißbeständiges Bauteil mit ausgezeichneter Haltbarkeit.
Im Aufreißerschaft 10 hat die Matrix des Stahls, aus dem der Aufreißerschaft 10 besteht, vorzugsweise die Korngrößenzahl (ASTM) von 5 oder mehr und 8 oder weniger. Dadurch kann dem Aufreißerschaft 10 eine ausgezeichnete Härte verliehen werden.
Im Aufreißerschaft 10 ist die Martensit-Phase, die die Matrix des Stahls bildet, vorzugsweise eine bei niedriger Temperatur geglühte Martensit-Phase. Dadurch kann dem Aufreißerschaft 10 eine ausgezeichnete Härte verliehen werden.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Aufreißerschaftes 10 als schlag- und verschleißbeständiges Bauteil der vorliegenden Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Aufreißerschaftes 10 in der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst ein Stahlmaterialvorbereitungsschritt als Schritt S10 durchgeführt. In dem Schritt S10 wird ein Stahlmaterial aus dem Stahl mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung hergestellt.
Als nächstes wird ein Warmverarbeitungsschritt als Schritt S20 durchgeführt. Im Schritt S20 wird das im Schritt S10 vorbereitete Stahlmaterial einer Warmschmiede- oder Warmwalz- und Umformbearbeitung unterzogen. Hierdurch wird ein Formkörper mit einer ungefähren Form des Aufreißerschaftes 10 erhalten. Das Warmschmieden oder Warmwalzen wird beispielsweise durch Erhitzen des im Schritt S10 vorbereiteten Stahlmaterials auf eine Temperatur von nicht weniger als 1200°C, wie z.B. 1250°C, durchgeführt. Beim Abkühlungsprozess nach dem Warmschmieden oder Warmwalzen werden M₂₃C₆-Karbide an den Korngrenzen des Stahls gebildet.
Als nächstes wird ein Normalisierungsschritt als Schritt S30 durchgeführt. In dem Schritt S30 wird der in Schritt S20 erhaltene Formkörper einer Normalisierungsbehandlung unterzogen. Insbesondere wird der geformte Körper zunächst auf einen Temperaturbereich von nicht weniger als 945°C und nicht mehr als 1000°C erwärmt und dann aus dem Temperaturbereich auf eine Temperatur abgekühlt, die nicht höher ist als die Temperatur, die dem M_s-Punkt des Stahls entspricht. Auf diese Weise wird die Gesamtheit des geformten Körpers normalisiert. Die Durchführung der Normalisierungsbehandlung des Erhitzens auf den Temperaturbereich von 945°C oder höher und 1000°C oder niedriger und des anschließenden Abkühlens bewirkt, dass sich die in Schritt S20 erzeugten M₂₃C₆-Karbide in der Matrix des Stahls auflösen und verschwinden.
Als nächstes wird ein Härtungsbehandlungsschritt als Schritt S40 durchgeführt. Im Schritt S40 wird der geformte Körper, der die Normalisierungsbehandlung im Schritt S30 durchlaufen hat, zunächst auf einen Temperaturbereich von beispielsweise 840°C oder höher und 920°C oder niedriger erwärmt und dann aus dem Temperaturbereich auf eine Temperatur abgekühlt, die nicht höher als der M_s-Punkt des Stahls ist. Auf diese Weise wird die Gesamtheit des Formkörpers durch Abschreckung gehärtet. Die Abkühlung auf die Temperatur nicht höher als der M_s-Punkt des Stahls kann z. B. durch Wasserkühlung oder Ölkühlung unter Verwendung von Wasser oder Öl als Kühlmedium erfolgen. Die Wasserkühlung oder Ölkühlung wird fortgesetzt, bis die Oberflächentemperatur des geformten Körpers beispielsweise eine Temperatur von nicht weniger als 50°C und nicht mehr als 100°C erreicht. Danach wird der Formkörper auf einen Temperaturbereich von nicht unter 150°C und nicht über 250°C erwärmt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt (Niedertemperaturglühen). Damit wird die Härte des Stahls, aus dem der geformte Körper besteht, auf einen Bereich von HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger eingestellt.
Als nächstes wird bei Bedarf ein Nachbearbeitungsschritt als Schritt S50 durchgeführt. In dem Schritt S50 wird der durch die Schritte S10 bis S40 erhaltene Formkörper einer eventuell notwendigen Nachbearbeitung oder sonstigen Behandlung unterzogen. Der Aufreißerschaft 10 in der vorliegenden Ausführungsform kann durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt werden. Der erhaltene Aufreißerschaft 10 wird mit einer separat hergestellten Aufreißerspitze 20 kombiniert, um eine Aufreißvorrichtung 1 zu erhalten.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Aufreißerschaftes 10 der vorliegenden Ausführungsform werden die M₂₃C₆-Karbide, die entlang der Korngrenzen des Stahls während des Warmschmiedens oder Warmwalzens und des Formens des Stahlmaterials aus dem Stahl mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung erzeugt werden, durch die Normalisierungsbehandlung in Schritt S30 vor der Härtebehandlung in Schritt S40 zum Verschwinden gebracht. Auf diese Weise kann der Aufreißerschaft 10 als das schlag- und verschleißbeständige Bauteil mit ausgezeichneter Haltbarkeit hergestellt werden.
Beispiele
Proben, die der schlag- und verschleißbeständigen Komponente der vorliegenden Erfindung entsprechen, wurden unter Verwendung von vier Arten von Stahlwerkstoffen hergestellt, darunter eine aus einem Stahl mit der oben beschriebenen geeigneten Komponentenzusammensetzung, und es wurden Versuche zur Bewertung ihrer Eigenschaften durchgeführt. Die experimentellen Verfahren waren wie folgt.

Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen der in den Versuchen verwendeten Stähle. Die Werte in Tabelle 1 sind in Massen-% angegeben. Der Stahlwerkstoff A hat eine Komponentenzusammensetzung, die dem Stahl entspricht, der die schlag- und verschleißbeständige Komponente der vorliegenden Erfindung bildet (Erfindungsbeispiel). Die Stahlwerkstoffe B, C und D haben eine Komponentenzusammensetzung, die nicht in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt (Vergleichsbeispiele). Die Stahlwerkstoffe B, C und D entsprechen dem SCrB430H, dem JIS-Standard SNCM431 H bzw. dem in der vorgenannten Patentliteratur 1 offenbarten Stahl. [Tabelle 1]

	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Nb	Ti	AI	B	N	Fe
A	0,43	0,30	0,40	0,008	0,004	1,29	0,99	0,48	0,03	0,02	0,033	0,0024	0,0035	Bal.
B	0,30	0,23	0,93	0,021	0,015	0,05	1,09	0,03	nicht gemessen	nicht gemessen	0,030	0,0017	nicht gemessen	Bal.
C	0,34	0,17	0,68	0,017	0,007	1,62	0,73	0,18	nicht gemessen	nicht gemessen	0,028	nicht gemessen	nicht gemessen	Bal.
D	0,41	0,30	0,47	0,010	0,007	0,03	0,96	0,50	0,03	0,02	0,044	0,0022	0,0051	Bal.

(Experimente zu den mechanischen Eigenschaften)

Die Stahlwerkstoffe in Tabelle 1 wurden zur Herstellung von Proben durch ein Verfahren verwendet, das den Schritten S10 bis S40 in der obigen Ausführungsform entspricht. Aus den erhaltenen Proben wurden Zugproben und Charpy-Kerbschlagproben (2 mm U-Kerbe) hergestellt und ein Zug-Test, ein Kerbschlag-Test und eine Rockwell-Härtemessung durchgeführt. Für den Stahlwerkstoff A (erfindungsgemäßes Beispiel) allein wurde die Menge an Restaustenit mit Hilfe eines Röntgenstrahls gemessen. Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. [Tabelle 2]

	0,2% Dehngrenze (MPa)	Zugfestigkeit (MPa)	Dehnung (%)	Flächenreduzierung (%)	Kerbschlagzähigkeitswert (J/cm²)	Härte (HRC)	Restbetrag γ (Vol.-%)
A	1592	2131	14	44	62	56	2,3
B	1417	1655	13	47	65	48	nicht gemessen
C	1414	1752	15	44	60	50	nicht gemessen
D	1599	1935	13	43	59	53	nicht gemessen

Tabelle 2 zeigt, dass beim Vergleich des erfindungsgemäßen Beispiels mit den Vergleichsbeispielen das erfindungsgemäße Beispiel hohe Werte für die 0,2%-Dehngrenze, die Zugfestigkeit und den Kerbschlagzähigkeitswert erreicht hat, während die Flächenreduzierung mit denen der Vergleichsbeispiele vergleichbar ist. Darüber hinaus hat sich für den Stahlwerkstoff A des erfindungsgemäßen Beispiels im Vergleich zum Stahlwerkstoff D die Zugfestigkeit trotz ihrer vergleichbaren 0,2%-Dehngrenze deutlich verbessert. Die obigen Ausführungen zeigen, dass das schlag- und verschleißbeständige Bauteil der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweist.
(Versuch zu der Stahlstruktur)
Der Stahlwerkstoff A in Tabelle 1 (der Stahlwerkstoff, der dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung entspricht) wurde zur Herstellung einer Probe eines Aufreißerschaftes in einem ähnlichen Verfahren wie in der obigen Ausführungsform verwendet. Aus der Probe wurde ein Probekörper entnommen. Die Oberfläche des erhaltenen Prüfkörpers wurde poliert und dann mit einer Salpetersäure-Alkohol-Lösung geätzt, und die Mikrostruktur wurde mit einem optischen Mikroskop beobachtet. 5 zeigt optische Mikroaufnahmen, die das Gefüge des Stahls zeigen.
Aus dem Mikrogefüge des Stahls in 5 ist ersichtlich, dass die Matrix eine bei niedriger Temperatur vergütete Martensit-Phase enthält. Bei der schlag- und verschleißbeständigen Komponente der vorliegenden Erfindung ist das Vorhandensein von etwas Restaustenit (von 10 Vol.-% oder weniger) akzeptabel. Bei der in ähnlicher Weise erhaltenen Probe wurde die Menge an Restaustenit mit einem Röntgengerät gemessen, und es wurde festgestellt, dass ein Restaustenit von 1 bis 3 Vol% vorhanden war. Dies zeigt, dass die Matrix des Stahls die Martensit-Phase und die Restaustenit-Phase enthält.
6 zeigt Fotografien, die die Ergebnisse der Analyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) von Produkten zeigen, die durch die Beobachtung der Stahlstruktur mit SEM gefunden wurden. Wie in 6 gezeigt, wird bestätigt, dass nichtmetallische Partikel mit einer Größe von etwa 1µm bis etwa 20µm (erste nichtmetallische Partikel, die mindestens eine Spezies, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus MnS, TiCN und NbCN, enthalten) in der Matrix des Stahls dispergiert sind.
(Experimente zu den an Korngrenzen gebildeten Karbiden)
Das Stahlmaterial A (das Stahlmaterial, das dem Beispiel der vorliegenden Erfindung entspricht) in Tabelle 1 wurde verwendet, um eine Testprobe (wie abgeschreckt; Probe A) herzustellen, indem das Verfahren der obigen Ausführungsform bis zum Schritt S20 (mit der Schmiedetemperatur von 1250°C) durchgeführt wurde, der Schritt S30 nicht durchgeführt wurde und eine Abschreckbehandlung im Schritt S40 nach dem Erwärmen des Materials auf 870°C durchgeführt wurde. Eine Testprobe (wie abgeschreckt; Probe B) wurde ebenfalls hergestellt, indem der Prozess in ähnlicher Weise bis zum Schritt S20 durchgeführt wurde, eine Normalisierungsbehandlung im Schritt S30 durch Erwärmen des Materials auf 970°C durchgeführt wurde und eine weitere Abschreckungsbehandlung im Schritt S40 nach dem Erwärmen des Materials auf 870°C durchgeführt wurde. Für die Proben A und B wurden die Mikrostrukturen mit einem Lichtmikroskop und REM beobachtet, und für Produkte, die entlang der Korngrenzen vorhanden waren, wurde eine Elementzuordnung mit EDX durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse sind in 7 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 7 ist zu erkennen, dass Karbide von Mo und Cr entlang der Korngrenzen in der Probe A vorhanden sind, für die der Schritt S30 geglüht wurde, und dass sich um die Karbide herum ein Bainit-Gefüge bildet. Die Bildung des Bainit-Gefüges ist vermutlich auf die lokale Verringerung der Menge an Legierungselementen aufgrund der Bildung der oben genannten Karbide und die daraus resultierende Verringerung der Härtbarkeit zurückzuführen. Im Gegensatz dazu wurden in der Probe B, die dem schlagzähen und verschleißbeständigen Bauteil der vorliegenden Erfindung entspricht und für die eine Normalisierungsbehandlung im Schritt S30 mit der Heiztemperatur von 970°C durchgeführt wurde, keine Karbide wie oben beschrieben gefunden. Die obigen Testergebnisse zeigen, dass die oben beschriebenen Karbide, die sich während der Warmumformung gebildet haben, zwar bei der Abschrecktemperatur von 870°C verbleiben, aber bei der Normalisierungstemperatur von 970°C lösen sich die Karbide auf und verschwinden.
Ein Beispiel für die Identifizierung der in der Probe A vorhandenen Karbide ist in 8 dargestellt, in der ein Karbid in einem Hellfeldbild von STEM detektiert wurde und dann das ausgewählte Flächenbeugungsmuster (SAD) des Karbids bestätigt wurde. Wie in 8 gezeigt, ist zu erkennen, dass es sich bei dem Karbid um ein M₂₃C₆-Karbid handelt. Das heißt, es wurde bestätigt, dass bei dem Verfahren zur Herstellung eines schlag- und verschleißbeständigen Bauteils der vorliegenden Erfindung die während der Warmumformung gebildeten M₂₃C₆-Karbide durch die Erwärmung während des in Schritt S30 durchgeführten Normalisierens verschwinden.
(Experiment zum Zusammenhang zwischen Heiztemperatur und Flächenreduzierung)
Aus dem Stahlwerkstoff A in Tabelle 1 wurden Probekörper hergestellt, die durch schnelles Abkühlen aus verschiedenen Temperaturen abgeschreckt und anschließend bei hoher Temperatur geglüht wurden. Die Probekörper wurden einem Zug-Test unterzogen. Dabei wurde die Erwärmungstemperatur beim Abschrecken variiert, um den Einfluss der Erwärmungstemperatur auf die Flächenreduzierung im Zug-Test zu untersuchen. Die Testergebnisse sind in 9 dargestellt.
In 9 ist zu erkennen, dass die Flächenreduzierung bei einer Heiztemperatur von 945°C oder höher deutlich zunimmt. Dieser Temperaturbereich von nicht weniger als 945°C stimmt mit dem Temperaturbereich überein, in dem M₂₃C₆-Karbide im Experiment an den an den Korngrenzen gebildeten Karbiden nicht mehr zu sehen sind. Dies deutet darauf hin, dass die an den Korngrenzen des Stahls gebildeten M₂₃C₆-Karbide durch die Erwärmung auf den Temperaturbereich von nicht weniger als 945°C eliminiert werden können, wodurch die Flächenreduktion verbessert wird.
Während der Aufreißerschaft in der obigen Ausführungsform als Beispiel für die schlag- und verschleißbeständige Komponente der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist die schlag- und verschleißbeständige Komponente der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von schlag- und verschleißbeständigen Komponenten anwendbar, die aus einem Stahl mit einer Härte von HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger hergestellt sind, wie z. B. Baggerzähne, Baggeradapter, Löffelabdeckungen, Aufreißerspitzen, Protektoren, Schneidkanten, Endmeißel, Brecherzähne, Kettenradzähne, Federn, Schuhplatten, Schuhbolzen und dergleichen.
Es sollte verstanden werden, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen und Beispiele in jeder Hinsicht der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend zu erachten sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Begriffe der Ansprüche definiert, und nicht durch die obige Beschreibung, und soll alle Modifikationen innerhalb des Umfangs und der Bedeutung umfassen, die den Begriffen der Ansprüche entsprechen.
Bezugszeichenliste

1: Aufreißvorrichtung;
10: Aufreißerschaft;
11: für den Auf reißerschaft;
12: Durchgangsloch Körperab-schnitt;
13: Einsatzabschnitt;
14: zugewandtes Ende;
15: abgewandtes Ende;
20: Aufreißerspitze;
21: abgewandtes Ende;
22: Ausnehmung;
22A: Bodenbereich;
23: zugewandtes Ende;
25: Durchgangs-loch für die Aufreißerspitze;
29: Zwischenraum;
31: Arm;
32: Hubzylinder;
33: Kippzylinder;
34: Auf-reißträgerelement; und
51: Stift.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018243881 [0002]
JP S61166954 [0005]
JP 2014/185337 [0005]

Claims

Schlag- und verschleißbeständiges Bauteil aus einem Stahl, der nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-% C, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,5 Massen-% Si, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1.5 Massen-% Mn, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-% S, nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Ni, nicht weniger als 0,7 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Cr, nicht weniger als 0.1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mo, nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-% Nb, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-% Ti, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0030 Massen-% B und nicht weniger als 20 Massen-ppm und nicht mehr als 60 Massen-ppm N, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, und eine Härte von HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger aufweist, wobei der Stahl umfasst: eine Matrix, die eine Martensit-Phase und eine Restaustenit-Phase enthält, und erste nichtmetallische Teilchen, die in der Matrix dispergiert sind und mindestens eine Spezies enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus MnS, TiCN und NbCN ausgewählt ist, wobei der Stahl, der kein Karbid enthält, als M₂₃C₆ angegeben ist (wobei M die den Stahl bildenden metallischen Elemente darstellt).
Schlag- und verschleißbeständiges Bauteil nach Anspruch 1, wobei der Stahl ferner mindestens eine Spezies enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus nicht weniger als 0,05 Massen-% und nicht mehr als 0,20 Massen-% V, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,15 Massen-% Zr und nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Co besteht.
Schlag- und verschleißbeständiges Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Matrix eine Korngrößenzahl von 5 oder mehr und 8 oder weniger aufweist.
Schlag- und verschleißbeständiges Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die die Matrix bildende Martensit-Phase eine bei niedriger Temperatur geglühte Martensit-Phase ist.
Verfahren zur Herstellung eines schlag- und verschleißbeständigen Bauteils, das die folgenden Schritte umfasst: Herstellen eines Stahlmaterials aus einem Stahl, der nicht weniger als 0,41 Massen-% und nicht mehr als 0,44 Massen-% C, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 0,5 Massen-% Si, nicht weniger als 0,2 Massen-% und nicht mehr als 1,5 Massen-% Mn, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0050 Massen-% S, nicht weniger als 0,6 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Ni, nicht weniger als 0,7 Massen-% und nicht mehr als 1.5 Massen-% Cr, nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 0,6 Massen-% Mo, nicht weniger als 0,02 Massen-% und nicht mehr als 0,03 Massen-% Nb, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,04 Massen-% Ti, nicht weniger als 0,0005 Massen-% und nicht mehr als 0,0030 Massen-% B, und nicht weniger als 20 Massen-ppm und nicht mehr als 60 Massen-ppm N aufweist, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht; Warmschmieden oder Warmwalzen des Stahlmaterials, um einen geformten Körper zu erhalten; Durchführen einer Normalisierungsbehandlung an dem gesamten geformten Körper durch Abkühlen des geformten Körpers von einer Temperatur, die nicht niedriger als 945°C und nicht höher als 1000°C ist, auf eine Temperatur, die nicht höher als eine Temperatur ist, die dem M_s-Punkt des Stahls entspricht; und Durchführen einer Abschreckhärtungsbehandlung an dem geformten Körper, der der Normalisierungsbehandlung unterzogen wurde, und danach Einstellen einer Härte des geformten Körpers auf HRC 53 oder mehr und HRC 57 oder weniger durch Erwärmen des geformten Körpers auf eine Temperatur von nicht weniger als 150°C und nicht höher als 250°C.
Verfahren zur Herstellung eines schlag- und verschleißbeständigen Bauteils nach Anspruch 5, wobei der Stahl ferner mindestens eine Spezies enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus nicht weniger als 0,05 Massen-% und nicht mehr als 0,20 Massen-% V, nicht weniger als 0,01 Massen-% und nicht mehr als 0,15 Massen-% Zr und nicht weniger als 0,1 Massen-% und nicht mehr als 2,0 Massen-% Co besteht.