DE1433801A1

DE1433801A1 - Verfahren zur Herstellung von gehaerteten Stahlerzeugnissen

Info

Publication number: DE1433801A1
Application number: DE19641433801
Authority: DE
Inventors: Grange Raymond Andrew; Mitchell James Beach
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1963-05-14
Filing date: 1964-05-14
Publication date: 1969-11-27
Also published as: US3250648A; ES299732A1; GB1063734A

Description

PATENTANWÄLTE Dipl.-Ing. M A R TI N LICHT

PATENTANWÄLTE LICHT. HANSMANN. HERRMANN Dr. REINHOLD SCHMIDT

. 8 München » · 8ENDLINGER STRASSE 55 DipL-Wirtsch.-Ing. AXEL HANSMANN

DipL-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

München, den 14. Kai 1964 Ihr Zeichen Unser Zeichen

Ha /HK

UNITED STATES STEEL CORPORATION Pittsburgh JO, Pennsylvanien William Penn Place 525
V. St. A.

Verfahren zur Herstellung von gehärteten Stahlerzeugnissen.

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Herstellung von durch Wärmebehandlung gehärteten Stahlerzeugnissen und insbesondere auf die Herstellung unverzerrter, besonders flacher Bleche, die durch Wärmebehandlung gehärtet sind.

Bei der Herstellung von Erzeugnissen aus durch Wärmebehandlung härtbarem Stahl, der bei Raumtemperatur normalerweise ferritisch und bei höheren Temperaturen austenitisch ist, bildet das Verziehen und Verzerren der einen dünnen Querschnitt aufweisenden Erzeugnisse, beispielsweise Bleche, eine große Schwierigkeit.

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BAD ORIGJNAL

Patentanwälte Dlpl.-Ing. Martin Lioht, Dipl.-Wlrtwb.-Ing. Axel Hanwnann, DipL-Phy·. Sebastian Hermann

• MONCHBN 3, 8BNDLINGBB. ITRASBB K · TUtIw MIS« < TriHraaa-AdrMta: Upatlt, Mflwkwi BankTtrbindung: Dwtioh· BuOc AG., FtHaI* HOadira ; D«p.-KuM YlktuallMiBukt, Komto-Nr. 1U7» · FMbKfewk-Koato MBaekea Nr. IWH

Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

Beim Härten durch Wärmebehandlung erfolgt eine Abschreckung · aus einer ein austenitisches Gefüge bedingenden Temperatur, um so das austenitische Gefüge in das gewünschte Mikrogefüge, beispielsweise Martensit, umzuwandeln. Wegen der ungleichmäßigen Restspannungen, die sich aus der schnellen Umwandlung des Austenits in Martensit ergeben, treten in den Blechen wellenförmige Verzerrungen auf. Um dieser Schwierigkeit beizukommen, sind die verschiedensten Verfahren vorgeschlagen worden, beispielsweise Abschrecken zwischen Platten, Warmrecken und "Austempern" und "Martempern" (gestuftes Härten). Wenn man damit die Verzerrung auch vermindert hat, so sind derartige Verfahren für die industrielle Anwendung doch zu unwirtschaftlich. Das ist der Grund, warum durch Wärmebehandlung gehärtete Stahlbleche trotz des bestehenden Bedarfs bisher nicht in großem Maßstab hergestellt worden sind.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, durch Wärmebehandlung gehärtete, unverzerrte Bleche auf wirtschaftliche und wirksame Weise herzustellen.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, beispieishaften Beschreibung der Erfindung anhand einer Zeichnung,,.

Die einzige iigur zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Mit der Erfindung ist festgestellt worden, daß man ein fla-

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ches, durch Wärmebehandlung gehärtetes Stahlband S fortlaufend und schnell herstellen kann, Indem man in die Wärmebehandlung einen kombinierten Walz- und Härteschritt einbezieht. Das Band wird vor der erfindungsgemäßen Härtebehandlung auf eine geringe Überetärke gewalzt und mit beliebiger Geschwindigkeit auf Raumtemperatur abgekühlt. Für die erfindungsgemäße Behandlung kann der Stahl auf beliebige Weise erhitzt werden. Bei untereutektoiden Stählen wird bis dicht an die obere kritische Temperatur (Ac,, in der Zeichnung nicht dargestellt) erhitzt, und bei eutektoiden und übereutektoiden Stählen (in der Zeichnung dargestellt) bis '■ an die untere kritische Temperatur (Ac₂). Damit soll eine vollständige Umwandlung in Austenit erreicht werden. Während der Erhitzung sollte die Zunderbiläung kleingehalten werden, damit anschlieSend ein guter Wärmeübergang zwischen dem Esnd und den Arbeitswalzen sichergestellt ist, wenn das Band durch die Arbeltswalzen bearbeitet wird.

Es ist wichtig, da3 die Temperatur des Bandes beim Eintritt in die Arbeltswalzen in engen Grenzen unter Kontrolle gehalten wird. Das Werkstück tritt in die Walzen bei einer Temperatur ein, die gerade hoch genug ist, u;r bis zum Ende des Walzvorganges die Möglichkeit einer Umwandlung des Austenits auszuschließen. Die gegensätzlichen Forderungen, da3 in dem Werkstück möglichst wenig Wärme sein soll, absr keine Umwandlung des Austenits auftreten soll, begrenzt die Temperatur auf den Bereich in der Nähe der unteren kritischen Temperatur (Ac₁) des Stahles.

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Der genaue Temperaturbereich für ein erfolgreiches Härten hängt u.a. von der Umwandlungskennlinie des Stahles und den Größenverhältnissen von Walzen und Werkstück ab. Allgemein führt ein Temperaturbereich von 1*J-°C (25° Fahrenheit) unterhalb des etwa 28°C (50⁰C .Fahrenheit) oberhalb Ac₁ zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Bei dünnen Blechen und Bändern arbeiten die üblicherweise zum Warmwalzen verwendeten Walzen zufriedenstellend, wenn sie außen durch Sprühflüssigkeit gekühlt werden. Insbesondere für größere Materialstärken, die eine größere Wärmeabfuhr erforderlich machen, werden wassergekühlte Walzen größeren Durchmessers bevorzugt sowie Walzen aus gut wärmeleitendem Metall, beispielsweise Kupferlegierung. Das Walzen hat zwei Zwecke. Einmal soll das Werkstück auf die gewünschte Stärke reduziert werden und zum anderen soll genügend Wärme abgeführt werden, um bei der folgenden Kühlung an der Luft eine Härtung zu gewährleisten. Die Verformung braucht nur gerade groß genug zu sein, um eine gute Berührung zwischen den Oberflächen des Werkstückes und den Walzen sicherzustellen; Eine starke Verformung wäre wegen der Wärmeentwicklung unerwünscht. ,Demgemäß wird eine Dickenreduzierung von 1 bis 20 % bevorzugt. Das wichtigste Erfordernis des Walzvorganges ist, daf3 die Temperatur des Stahles durch schnelle Wärmeabgabe an die Walzen um 55°C (100° Fahrenheit) oder mehr absinkt. Wie in der Zeichnung veranschaulicht 1st, wird dadurch die Temperatur des Werkstückes sehr schnell auf einen Wert unterhalb der "Nase" A seiner isothermischen ümwanaiungskurve gebracht. Bei der anschließenden Luftkühlung wird der Stahl in einem verhältnismäßig niedrigen Temperaturbereich in ein martensitisches oder bainitlsches Gefüge oder Mischungen

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daraus umgewandelt. Unter den günstigsten Umständen wird in der In der Zeichnung angedeuteten Weise Martensit erzeugt. Die ' Luftkühlung durch den Temperaturbereich der Martensitbildung (M -M„) läuft verhältnismäßig langsam ab. Das ist insofern von

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' Vorteil, als dadurch die Verzerrung wie beim Martempern kleingehalten wird. Das erfindungsgemäSe Verfahren führt zu einem unverzerrten, flachen Erzeugnis. Das liegt an der verhältnismäßig langsamen und gleichmäßigen Abkühlung durch den Bereich M -M .

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Um die flache Form zu wahren, sollte man das Band vom Beginn der Umwandlung bis wenigstens zum Abschluß der Umwandlung durch Zugwalzen h oder dergleichen unter Spannung halten.

Zur Veranschaulichung der Entwicklung der Härte in Abhängigkeit von dem Grad der Reduzierung werden im folgenden die Ergebnisse wiedergegeben, die für eiren in den Vereinigten Staaten von Amerika als modifizierter SAE 10120 Stahl^Xmit 1,26# Kohlenstoff, 0,36 % Mangan, 0,008 % Phosphor, 0,025 % Schwefel, 0,18 % Silicium und 0,25 % Chrom erhalten wurden: Das Ausgangsmaterial war ein geglühtes Band von 1,9 mm (0,075") Stärke, welches zunächst auf 1,27 mm (0,050'') Stärke herabgewalzt wurd'e. Das ist

eine Reduzierung um 33 1/3 %· Dabei änderte sich das Gefüge sehr stark, die Härte nahm aber nur von 317 auf 33¹ DPH zu. Die Abkürzung DPH steht für "Diamond Pyramid Hardness", eine in den Vereinigten Staaten gebräuchliche Bezeichnung für die Vickers-Härtezahl (auch als Vickers Pyramidenhärte bezeichnet). Daß keine Härtung auftrat, erklärt sich daraus, daß die. Bandstärke für Art und Abmessung der benutzten Walzen zu groß war, als daß

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bezeichneten btahl

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genügend viel Wärme für eine vollständige Härtung hätte abgeführt werden können. "

Als das 1,2? mm (0,050") starke Band dann erneut auf 0,89 mm (0,035") Stärke abgewälzt wurde, was einer 30#-igen Reduzierung entspricht, stieg die Härte auf 450 DPH. Obwohl das Band so noch nicht vollständig gehärtet ist, reicht die

Härte doch für verschiedene Arten von Federn und Schneidwerk- . zeugen aus. Die Behandlung wurde dann ein drittes Mal wiederholt, wobei von 0,89 mm (0,035") auf 0,71 mm (0,028") Stärke herabgewalzt wurde, was einer 20^-igen Reduzierung entspricht. Dabei ergab sich nur eine geringe Härtesteigerung auf 466 DPH. Das liegt daran, weil die Wärmeabfuhr durch die Walzen noch nicht ausreicht, um ein martensitisches Gefüge zu erzielen. Beim vierten Durchgang wurde das 0,71 mm (0,028") starke Band auf 0,63 mm (0,025") herabgewalzt, was einer 11^-igen Reduzierung

entspricht. Dabei wurde eine vollständige Härtung auf 9^6 DPH und ein Mikrogefüge erzielt, welches beim Vergleich mit dem durch übliche Härteverfahren erzielten Mikrogefügen günstig abschneidet. Das vollständig gehärtete Band ist ganz flach und unverzerrt und kann nach dem Anlassen auf die gewünschten Härtegrade für die meistens vom Handel geforderten Zwecke verwendet werden.

Wenn man auch eine mehrere Durchgänge umfassende Behandlung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, normalerweise nicht anwenden würde, so wurde dieses Beispiel doch gewählt, um die Möglichkeit zu veranschaulichen, wie man auch bei der Luftkühlung nach dem Walzen unmittelbar auf verschiedene Härtegrade kommen kann.

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Einige der erzielten Qefüge haben im gewalzten Zustand günstige Eigenschaften, so das eine anschließende Anlassbehandlung überflüssig ist. So wurde beispielsweise ein Spatelmesser einfach dadurch hergestellt, daß man ein Stück Band nach dem dritten der oben beschriebenen Behandlungsschritte, bei dem das Band nur auf H66 DPH gehärtet wurde, einfach in einen Handgriff einsetzte und schliff. In diesem Zustand konnte das Band ohne Schwierigkeiten gebogen, g.ebohrt, abgeschert und sogar kaltgewalzt Werden und war trotzdem hart genug für gewisse Arten von Federn und Sohneidwerkzeugen.

Des für das erfindungsgemäße Verfahren em besten geeignete Erzeugnis ist das erwähnte Band aus Stahl mit einem hohen Kohlenstoffgehalt von über 0,9 Ji, wobei die durch Walzen erzeugte Stärke unter 2,5 mm (0,1") liegt. Die Erfindung 1st aber nicht notwendigerweise auf ein solches Erzeugnis beschränkt. So können beispielsweise auch Schmiedegesenke unter gewissen Umständen genauso gut wie Walzen zur Wärmeabfuhr dienen. Die Erfindung gestattet somit auch die Herstellung einer großen Anzahl von Schmiedeerzeugnissen, die nach dem Schmieden hart sind und außer einem eventuellen Anlassen keine anschließende Wärmebehandlung erforderlich wachen.

! Hit d«r Erfindung ist also ein Verfahren offenbart worden, bei dem in die abschließende Wärmebehandlung eine Verformung elnbesogen wird, um den Stahl bei geringstmöglicher Verzerrung tu härten* Man kombiniert das Walzen oder Schmieden mit der Wärmebehandlung, wobei dafür gesorgt wird, daS das Walzen oder

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Schmieden bei der niedrigsten Temperatur erfolgt, die während der Verformung den austeniti sehen Zustand vermeidet, und wobei . die Reduzierung genügend Klein ist, um den Wärmeübergang von dem Werkstück auf die Walzen oder Verformungswerkzeuge möglichst klein zu halten, so daß der Stahl bei der Reduzierung schnell unter die Nase der isothermischen Umwandlungskurve abkühlt und somit bei der nachfolgenden Luftkühlung ohne wesentliche Verzerrung hart wird.

Wenn auch einige besondere Ausfuhrungsbei spiele der Erfindung beschrieben worden sind, so sei doch darauf hingewiesen, daß diese Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung und Erläuterung dienen sollten und daß in den Schutzbereich der Erfindung viele andere Ausführungsarten fallen.

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Claims

PATENTANWÄLTE DipL-Ing. M A R TI N LICHT ' CJ PATBNTANWILTE licht, hansmann, herrmann Dr. REINHOLD SCHMIDT MONCHBN 2. SENDLINGBR 8TRA88E 85 „, . „„ . T , „ Dipl.-Wirtsdi.-Ing. AXEL HANSMANN 1433801 DipL-Phys. SEBASTIAN HERRMANN UNITED STATES STEEL CORPORATION Mün&en.den 1^. Mai 1964- • Pittsburgh 30, Pennsylvanien ΛΓΖβ,Λβη unserzmm William Penn Place 525 . . _, <-\ Ha/HM V. St.' Ä. Pa tentanmeldung; Verfahren zur Herstellung von gehärteten Stahlerzeugnissen. Pa tentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen unverzerrten otahlblecherzeugnissen, insbesondere flachem Stahlblech, die durch Wärmebehandlung gehärtet sind, wobei der Stahl bei Raumtemperatur ferritisch ist, beim Erhitzen austenitisch wird und beim Kühlen erhärtet, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: man erhitzt ein Stahlband auf die niedrigste Temperatur, bei der der Stahl ein austenitisches Mikrogefüge hat; man schickt das Band durch zwei Verformungswerkzeuge, um die Temperatur auf einen Wert unterhalb der Nase der isother· mischen Umwandlungskurve des Stahles abzusenken und die Stärke des Bandes vor dem Auftreten irgendeiner Umwandlung um 1 bis 20 % zu reduzieren; anschlieQend kühlt man das Band an der Luft durch den Bereich der Martensitbildung ab und erzielt so die gewünschte MikroStruktur des Bandes ohne wesentliche Verzerrung.

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Patentanwälte DlpL-Ing. Martin UaA, Dlpl.-Wirt8cii.-Ini. Axel Hanamann, Dipl.-Phy·. Sebastian Herman»

S MÜNCHBN X 8BNDLINeBK 8TRA88B H - TaMea «12« . TUapusat-AdrMM: UpaUL Mttn*·» BuUtrerWndnng: DwtK*· Bank AS., EUaIe MOncfaeB . Dq.-IiiN VlkhHuiwMMikt; EoMs-Nr. n«ZM . Postscheck-Konte M«ackwi Nr.

Oppeeaaer Bfiro: PATENTANWALT DB. KBINHOLD SCHMIDT

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band auf eine Temperatur zwischen 1^°C (25° Fahrenheit) unterhalb und 28⁰C (5O°Fahrenheit) oberhalb seiner (Ac^)Temperatur erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das Band vor dem Erhitzen um 1 bis 20 % der gewünschten Endstärke warmgewalzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die TemperatürSenkung durch die Verformungswerkzeuge bis wenigstens 55°C (100° Fahrenheit) unter die Nase der isothermischen Umwandlungskurve geführt wird.

5· Verfahren nach irgendwelchen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Hindurchschickens des Bandes zwischen zwei Verformungswerkzeugen ein Warmwalzen des Bandes umfaßt, und daß das warmgewalzte Band während der Umwandlung unter Spannung gehalten wird.

6. Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen unverzerrtem Stahlblech, insbesondere flachem Stahlblech, wie unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnung beschrieben.

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