DE1458424B2

DE1458424B2 - Verwendung eines Stahles für die Herstellung von oberflächengehärteten Kaltwalzen

Info

Publication number: DE1458424B2
Application number: DE19631458424
Authority: DE
Inventors: Tadashi Yokosuka; Hirose Haruhiko Fujisawa; Ozawa Hiroshi Chigasaki Kanagawa; Shimegi (Japan)
Original assignee: Kanto Tokushu Seiko K.K., Pujisawa, Kanagawa (Japan)
Priority date: 1963-01-02
Filing date: 1963-01-02
Publication date: 1970-07-09
Also published as: DE1458424A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahles als Werkstoff für die Herstellung von oberflächengehärteten Kaltwalzen.

Stähle dieser Art sind an sich bekannt. Sie enthalten in der Regel zwischen 0,60 und 1,30 % Kohlenstoff, um durch Erwärmen über A3 und anschließendes Abschrecken hinreichend härtbar zu sein. Zur Verbesserung der Einhärtetiefe ist es bekannt, den Legierungen noch Nickel, Molybdän, Wolfram und Vanadium zuzusetzen. Dabei werden auch erschmelzungsbedingte Verunreinigungen an Silizium und Mangan zugelassen.

Für die Herstellung von formbeständigen Werkzeugen, wie Gewindeschneidern, Gewindebohrern, Kaliberwerkzeugen, Kaltmatrizen usw. ist es aus der deutschen Patentschrift 559 074 bekannt, Stähle mit 0,9 bis 1,0% Kohlenstoff zu verwenden, die Kobaltgehalte zwischen 0,2 und 5,0 % aufweisen. Außerdem können diese Stähle noch mit geringen Mengen von Mangan, Wolfram, Chrom, Vanadium u. a. legiert sein. Die erwähnten Co-Gehalte führen zu einer hohen Formbeständigkeit während des Härtens, was für die genannten Präzisionswerkzeuge von besonderer Wichtigkeit ist.

Für die Herstellung von Warmwalzen ist es aus der USA.-Patentschrift 2 053 346 bekannt, Stähle mit bis zu 4% Kohlenstoff, 0,40 bis 1,25% Kobalt, 0,25 bis 2,0% Chrom, 0,7 bis 1,0% Mangan, 0,15 bis 1,25% Silizium, Rest Eisen zu .verwenden. Die aus diesen Stählen hergestellten Walzen sollen besonders beständig gegen Temperaturwechselbeanspruchungen sein, wie sie beim Warmwalzen unvermeidlich auftreten.

Der Natur des Kaltwalzvorganges entsprechend sind die vorbekannten Stähle zur Herstellung von Kaltwalzen nicht ohne weiteres geeignet. Die Kaltwalzbehandlung von Metallen hat bekanntlich den Zweck, die Oberfläche des Walzgutes zu glätten und möglichst zu verdichten. Dementsprechend wird angestrebt, möglichst hohe Walzdrücke zu verwenden. Die Erfahrung hat gezeigt, daß es hierbei häufig unvermeidlich ist, daß Fehlwalzungen insofern vorkommen, als zwischen den Oberflächen des Walzgutes und des Walzenballens Relativbewegungen auftreten, wodurch die Oberflächen in verhältnismäßig kurzer Zeit auf hohe Temperaturen erwärmt werden. Die Folge hiervon ist, daß die gehärtete Oberflächenschicht der Walze einer kurzzeitigen Anlaßbehandlung bei hohen Temperaturen unterworfen wird, wodurch ihre Härte absinkt., Hierbei kommt es bei den bekannten Stählen leicht zur Rißbildung, wodurch die Oberfläche der Walze, mitunter aber auch der gesamte Walzenballen zerstört wird.

Bei diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe, einen Stahl für die Herstellung von Kaltwalzen vorzuschlagen, der^: ■'riebeil· guter Härtbarkeit und hoher Einhärtbarkeit eine möglichst hohe Rißbeständigkeit bei örtlich begrenzter Erwärmung auf hohe Temperaturen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Herstellung von Kaltwalzenballen ein Stahl mit

0,60 bis 1,30% Kohlenstoff
0,25 bis 3,50% Silizium
0,15 bis 1,60% Mangan
1,00 bis 3,50% Chrom
0,30 bis 8,00% Kobalt

sowie gegebenenfalls

bis 2,0%
bis 2,0%
bis 2,0%
bis 2,0%

Nickel
Molybdän
Vanadium
Wolfram
Rest Eisen

mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Werkstoff verwendet wird.
Die angegebenen Kohlenstoffgehalte sind erforderlieh, um den Stahl hinreichend härtbar zu machen. Für den angegebenen Verwendungszweck müssen ; Oberflächenhärten über 760 Vickerseinheiten (im folgenden HV abgekürzt) erzielbar sein. Falls der Kohlen stoffgehalt außerhalb dieses Bereiches liegt, können derartige Härten nicht erreicht werden.

Die beiden Elemente Mangan und Nickel sind zur Verbesserung der Härtbarkeit geeignet. Da aber mit steigendem Mangan- und Nickelgehalt auch der Restaustenitgehalt ansteigt, müssen diese Elemente auf 1,6 % Mangan bzw. 2,0% Nickel begrenzt sein. Der Zusatz von Molybdän verbessert die Härtbarkeit des i Stahles und unterdrückt außerdem den Restaustenit ' in gewissem Maße, wodurch die Verwendbarkeit für den vorgeschlagenen Zweck gefördert wird. Außerdem [

erhöht Mo die Feinheit und die gleichmäßige Verteilung der Karbidausscheidungen.

Molbydän, Vanadium und Wolfram bilden außerdem sehr harte Karbide. Der Zusatz dieser Elemente verbessert deshalb die Abriebfestigkeit der Stähle.

Der Zusatz dieser Metalle in anderen als der hier I beschriebenen Legierungszusammensetzung bewirkt jedoch, daß die Empfindlichkeit gegen Rißbildung ansteigt, insbesondere bei örtlich begrenzten plötzlichen Temperaturerhöhungen.

Als Ursache dieser unerwünschten Risse ist die Volumenkontraktion anzusehen, die durch die Karbidausscheidung im Martensitgefüge bei 250 bis 520⁰C ausgelöst wird. Diese Volumenkontraktion wird auch Sekundärkontraktion genannt.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die Sekundärkontraktion bei Legierungen der genannten Art wesentlich verringert werden kann, wenn den Legierungen Kobalt in Mengen von 0,30 bis 8,0% zugesetzt wird. Von besonderer technischer Bedeutung ist der Umstand, daß durch diesen Zusatz die Einhärtbarkeit des Stahles nicht verschlechtert wird.

Der Einhärtbarkeit kommt zusammen mit der Rißbeständigkeit und der erzielbaren Oberflächenhärte bei der Herstellung von Kaltwalzen besondere Bedeutung zu. Wie bereits erwähnt, werden Oberflächen härten von über 760 HV benötigt, wobei eine Einhärtetiefe von wenigstens 1,25 cm erforderlich ist. Wie die im folgenden wiedergegebenen Versuchsergebnisse erkennen lassen, ist es möglich, mit den erfindungsgemäß

55. zusammengesetzten Stählen diesen Anforderungen zu genügen.

Die Erhöhung der Rißbeständigkeit bei örtlich auftretenden Erwärmungen gehärteter Walzenoberflächen ist um so größer, je höher der Co-Gehalt innerhalb der angegebenen Grenzen ist. Andererseits ist es aber nicht erwünscht, zu große Co-Mengen zuzufügen, da diese Störungen der Härtewirkung verursachen können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird daher

vorgeschlagen, die Nachteile zu hoher Co-Gehalte dadurch auszuschalten, daß den Legierungen Silizium in Mengen von 0,5 bis 3,5 % zugesetzt wird. Der Betrag an Co oder Co + Si kann je nach der gewünschten Härte oder der Form des Walzenkörpers

Kurve	7oC	7.Cr	7oCo
1	0,75	1,80	2,5
2	0,75	1,80	1,5
3	0,75	1,80	1,0
4	0,75	1,85	0,5

verändert werden. Wie bereits erwähnt, kann die Zusammensetzung innerhalb folgender Grenzen liegen:

Kohlenstoff 0,60 bis 1,30 °/₀

Kobalt 0,3 bis8,0°/₀ -

Silizium 0,5 bis3,5°/₀

Die Gründe für die Beschränkung der Gehalte sind die folgenden: Bei weniger als 0,60°/₀ Kohlenstoff wird die geforderte Härte von 760 HV nicht erreicht. Bei mehr als 1,30 °/₀ Kohlenstoff wird die geforderte Einhärtetiefe nicht zuverlässig erhalten.

Die Beziehungen zwischen dem Betrag an Kobalt und der Rißbeständigkeit sowie der Dicke der gehärteten Schicht ist aus der Zeichnung, F i g. 1 und 2, ersichtlich.

Auf der Abszisse des in F i g. 1 dargestellten Diagramms ist der Co-Gehalt in Gewichtsprozent und auf der Ordinate ist die Vickershärte HV aufgetragen. Wenn bei Walzstörungen an der Oberfläche des Walzenballens abnormale Wärmeentwicklung eintritt, wird die Ballenoberfläche angelassen, wodurch die Härte absinkt. Je höher die erzeugte Temperatur ist, um so weitgehender wird die Härte abgesenkt, bis die Walze reißt. Die Ordinate der F i g. 1 zeigt die jeweilige Härte, bei der das Reißen eintritt, d. h., je geringer die Härte ist, um so widerstandsfähiger ist die Walze gegen plötzliche Erwärmungen.

Die Kurven 1 und 2 der F i g. 1 zeigen, daß die Risse auftreten, wenn die Härte im Bereich unter diesen Kurven liegt. Aus F i g. 1 ist auch zu entnehmen, daß mit ansteigendem Co-Gehalt die Rißbeständigkeit der untersuchten Stahllegierungen verbessert wird.

Kurve 1 der F i g. 1 entspricht einem Stahl mit 0,67 o/_o C, 2,2 °/₀ Cr, 0,26 °/₀ Mo und 0,15 °/₀ V.

Kurve 2 entspricht einem Stahl mit 1,5 % C, 3,5 °/₀ Cr, 0,35% Mo und 0,5 °/₀ V. F i g. 1 läßt erkennen, daß durch Erhöhung des Co-Gehaltes (jeweils auf der Abszisse aufgetragen) die Unterdrückung der Rißbildung begünstigt wird, also die Rißbeständigkeit ansteigt. Wenn jedoch mehr als 8 % Kobalt vorhanden ist, beginnt der Stahl an Härte zu verlieren und wird weniger widerstandsfähig gegen Wärmeschocks. Auch werden keine weiteren Verbesserungen der Rißbeständigkeit mehr erzielt. Das erfindungsgemäße Maximum des Co-Gehaltes liegt bei 8°/₀, das Minimum bei 0,3 °/₀. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird keine Wirkung erzielt, wenn der Co-Gehalt kleiner als 0,2 °/₀ ist.

F i g. 2 zeigt den Einfluß des Co-Gehaltes auf die 5< > Einhärtetiefe, die im vorliegenden Fall mit Hilfe des Stirnabschreckversuches bestimmt worden ist. Die auf die Abszisse aufgetragenen Zahlen 0,10, 20, 30, 40, 50, 60 bedeuten den Abstand in Millimeter von der gehärteten Oberfläche.

Die in F i g. 2 dargestellten Kurven entsprechen folgenden Stählen:

F i g. 3 entspricht im wesentlichen der F i g. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß auf der Abszisse der Si-Gehalt in Gewichtsprozent aufgetragen ist. Die Ordinate gibt die erreichte Vickershärte wieder. Kurve 1 entspricht einem Stahl mit 0,66 % C, 2,3 % Cr, 0,30 °/₀ Mo und 0,13% V. Kurve 2 entspricht einem Stahl mit 1,18 % C, 2,2% Cr, 0,31 % Mo und 0,10%V. Die jeweils geänderten Si-Gehalte sind auf der Abszisse aufgetragen. Das Diagramm läßt erkennen, daß, obgleich Si einen erheblichen Einfluß auf die Rißbeständigkeit hat, sofern der Betrag höher als 0,5 % ist, er doch höher sein muß, als Si allgemein in Stählen dieser Art gefunden wird. Wenn aber der Si-Gehalt über 3,5% beträgt, vermindert er nicht nur die Wärmeleitfähigkeit und die Thermoschockbeständigkeit, sondern er macht auch die Widerstandsfähigkeit gegen Rißbildung unkontrollierbar.

Bei einem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Maximalmenge an Si 3,5 %.

Aus F i g. 3 der Zeichnung ist weiter ersichtlich, daß selbst bei Zusatz des gleichen Betrages von Silizium zu einem allgemeinen Kaltwalzenstahl die Rißbeständigkeit verbessert wird. Der Grund scheint darin zu liegen, daß Silizium in dem vorhin angegebenen Mengenbereich zusammen mit einem geeigneten Zusatz, z. B. 0,3 bis 8,0% Co, nicht nur die Rißbeständigkeit verbessert, sondern auch den Nachteil der Erniedrigung der Härtbarkeit ausgleicht.

F i g. 4 zeigt das Ergebnis von Stirnabschreckversuchen. Es ist der Einfluß von Silizium auf Cohaltige Stähle ersichtlich. Jede Kurve entspricht jeweils einem Stahl der folgenden Zusammensetzung:

Kurve 35	7oC	7.Cr	7.Co	7.Si
1 2 3	0,83 0,83 0,83	1,85 1,85 1,85	2,0 2,0 2,0	0,5 1,5 3,0

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß der Betrag an Silizium in der Kohlenstoff, Kobalt und Chrom enthaltenden Stahllegierung die Einhärtbarkeit verbessert. Das Maximum des Si-Gehaltes beträgt dabei 3,5 %. Die vorliegend untersuchten Walzenstähle enthalten einen geeigneten Betrag an Kobalt und vorteilhaft noch Mittel zur Verbesserung ihrer Eigenschaften, insbesondere Silizium.

In den nochfolgenden Beispielen sind die beanspruchten Walzenstähle mit den gebräuchlichen Walzenstählen verglichen.

Beispiele

Die folgende Tabelle läßt die Zusammensetzung der untersuchten Stähle erkennen. Aus diesen Stählen wurden auf bekanntem Wege durch Gießen, Schmieden, Bearbeiten und Härten Kaltwalzen hergestellt.

Es besteht die Tendenz, daß mit steigendem Co-Gehalt die Härtefähigkeit des Stahles absinkt.

60	Beispiel 1	Beispiel 2	Kontroll- Beispiel 3
^J /0 Si, % Mn, % ⁶5 Cr, % Mo, % V, % Co, %	0,80 0,28 0,26 2,51 0,32 0,09 2,70	0,80 0,75 0,26 2,38 0,32 0,15 2,70	0,81 0,28 0,35 2,50 0,29 0,13 0

Die Härtebehandlung erfolgt durch Erwärmen der Walze auf Temperaturen oberhalb Ac 3 und anschließendes Abschrecken mit Wasser.

Die Walzen gemäß Beispiel 1 und 2 werden mehr als 5 Minuten auf Temperaturen von 940⁰C gehalten und dann mit Wasser abgeschreckt.

Diese Walzen sind für die Verwendung in an sich bekannten Vierwalzengerüsten geeignet. Sie haben einen Durchmesser von 100 mm und eine Länge von 330 mm im Endzustand.

Die Oberflächenhärte der Walzen beträgt nach dem Abkühlen 865 bis 925 HV. Die Dicke der gehärteten Schicht beträgt bei Beispiel 2 etwa 14 bis 16 mm.

Im Falle des Beispieles 1 war die Kühltemperatur etwa 30⁰C höher als bei Beispiel 3, um die Dicke der gehärteten Schicht zu vergrößern.

Mit Hilfe der drei beschriebenen ordnungsgemäß gehärteten Walzen wurden Metallplatten kalt gewalzt. Hierbei zeigte sich folgendes:

An den konventionell zusammengesetzten Walzen wurden zahlreiche Sprünge festgestellt, hauptsächlich an denjenigen Teilen, die bei 674 HV durch Wärmeentwicklung angelassen waren. Bei Beispiel 1 und 2 gemäß der vorliegenden Erfindung wurden Risse nur in den Teilen der Walzen gefunden, die auf Werte von weniger als 354 HV abgesunken waren. Hierdurch wurde bestätigt, daß die erfindungsgemäß zusammengesetzten Walzen eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen das Auftreten von Rissen besitzen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verwendung eines Stahles mit

0,60 bis 1,30% Kohlenstoff
0,25 bis 3,50% Silizium
0,15 bis 1,60% Mangan
1,00 bis 3,50% Chrom
0,30 bis 8,00% Kobalt
sowie gegebenenfalls

bis 2,0% Nickel

bis 2,0% Molybdän

bis 2,0% Vanadium

bis 2,0% Wolfram
Rest Eisen

mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Werkstoff für die Herstellung von oberflächengehärteten Kaltwalzen.
2. Verwendung eines Stahles nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß der Si-Gehalt 0,25 bis 0,50% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung eines Stahles nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß der Si-Gehalt 0,50 bis 3,50% beträgt als Werkstoff für die Herstellung von besonders spannungsrißbeständigen oberflächengehärteten Kaltwalzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen