DE1483040A1

DE1483040A1 - Verfahren zur Verguetung von Stahl

Info

Publication number: DE1483040A1
Application number: DE19651483040
Authority: DE
Inventors: Grange Raymond Andrew
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1964-06-24
Filing date: 1965-06-24
Publication date: 1969-02-20
Also published as: GB1061874A; DE1483040B2

Description

PATENT A NW AL T E DipUng. MARTl N LI GHT

PAT_ENTANW_SLT_E „cih. HANSMANN, HERRMANN " Df. R E I N H O L D S C H Ml. DT

8 MDNCHEN χ . THEREsiENSTRASSE 33 j* p_ip|.._Wirtsch.._lng. AXELHAN S M ANN

_ >I.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

H83040

München, den 24·. Juni 1965

Ihr Zeichen Unser Zeichen

-/Mi

UKITED■STATES STEEL CORPORATION Pittsburgh 30» Pennsylvania William Penn Place 525 ■■ . V. St. A.

Verfahren zur Vergütung von Stahl.

Die vorliegende Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Stahl zur Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften. Insbesondere "betrifft die Erfindung eine mehrstufige Wärmebehandlung für Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, durch die eine einzigartige Mikrοstruktur entwickelt wird. Die vorliegende Erfindung ist für die Vergütung von übereutektoidem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 fo oder mehr und mit einem geringen Sesamtlegierungsgehalt anwendbar. Unter derartige Stahlarten fallen die genormten Stahlsorten AISI G 1095» E 50100, E 51100 und E 52100 sowie verschiedene wasser- und ölgehärtete Werkzeugstahlsorten.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys, Sebastian Herrmann «MÖNCHEN 2, THERESiENSTRASSE 33 · telefon: 292102 · Telegramm-Adresse: Lipatli/München

Bankverbindungen: Deuljdie Bank AG, Filiale MOndien, Dep.-Kasse Viktualienmarkt, Konto-Nr. 716728 Bajwr. Vermndbeitc München, Zweiget. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 882495 ■ Poitichedc-Kontoi MOndien Nr. 1 «3397

OPPeHaUOrBOrOIPATENTANWALTDR₁REINHOLDSCHMlDT

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üblicherweise wird Stahl durch eine Vergütung gehärtet, bei der der Stahl auf eine Temperatur zwischen 763 and 856° C erhitzt und abgeschreckt wird. Das Ziel bei den üblichen Härtungsbehandlungen ist die Auflösung von nur einem Teil des in dem Stahl vorhandenen G-esamtkohlenstoffes in Austenit. Wenn · der gesamte oder nahezu der gesamte Kohlenstoff aufgelöst wird, bleibt nach dem Abschrecken so viel Austenit zurück, daß die Härte des Stahls beträchtlich verringert wird und die mechanischen Eigenschaften nachteilig beeinflußt werden.

Es ist auch üblich, Stahlsorten zu härten, die durch ein Anlassen vor der Härtungsbehandlung sphäroidisiert worden sind. In sphäroidisiertem Zustand kann Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt leicht bearbeitet werden und auch in zufriedenstellender Weise auf die üblichen Härtungsvergütungen ansprechen. Wegen der anfänglichen sphäroidisierten MikroStruktur ist der nach der Härtung verbleibende Kohlenstoff im allgemeinen in Form von verhältnismäßig großen-Karbidsphäroiden vorhanden. Diese großen unaufgelösten Karbide gelten als unerwünscht, sind jedoch gegenüber verhältnismäßig großen Mengen von zurückbleibendem Austenit vorzuziehen. Somit stellt das bisher übliche Härten von ubereutektoiden Stahlsorten einen Kompromiß zwischen einem unerwünscht großen Betrag zurückbleibenden Austenits und den etwas weniger unerwünschten großen Karbiden dar.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Vergütungsverfahren zu schaffen, das zu einem geringeren verbleibenden Austenitbetrag in dem Endprodukt führt, als es bei üblichen Härtungsbehandlungen der Fall ist, und bei dem gleichzeitig

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große ungelöste Karbide im wesentlichen vermieden werden; Außerdem entwickelt die Vergütung gemäß der Erfindung eine feitterkörnige Mikrostruktur, als sie durch übliche Härtangsverfahren erhalten werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird übereutektöider Stahl mit weniger als etwa 5 1° Gesamtlegierungsgehalt auf eine Temperatur zwischen etwa 880 und 1080° C erhitzt, um Ferrit in Austenit umzuwandeln und im wesentlichen alle Karbide in dem Austenit zu lösen. Der Temperaturbereich für diese Erhitzung ist nicht kritisch, und der Stahl kann in jeder zweckmäßigen Weise so lange erhitzt werden, bis eine nahezu vollständige Auflösung der Karbide in dem Austenit erreicht ist. Nach dem Austenitisieren wird der Stahl abgeschreckt, um Martensit zu bilden, und einiger Austenit bleibt dabei zurück.

Nach dem Abschrecken wird der Stahl auf eine Temperatur zwischen 300 und 410 C, bei der die Zwisehenstufenstruktur (Bainit) gebildet wird, für eine genügend lange Zeit erwärmt/ um im wesentlichen den gesamten Verbleibenden Austenit in die Zwisehenstufenstruktur (Bainit) umzuwandeln und den Martensit zu einer Mischung aus feinen Karbiden und Ferrit zu tempern. Die verwendete Srhitzungszeit kann je nach der Stahlsorte und der genauen gewählten Temperatur verändert werden. Vorzugsweise wird eine Zeit-Temperaturkombination gewählt, die zur Umwandlung im wesentlichen allen Austenits in zweckmäßig kurzer Zeit führt. Es ist notwendig, nahezu den gesamten Austenit in die Zwisehenstufenstruktur (Bainit) umzuwandeln, da jeglicher

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Austenit, der bei diesem Verfährensschritt nicht umgewandelt ist, die abschließende Wärmehandlung übersteht, ohne eine feine Dispersion von Karbiden aufzuweisen. Bei der Umwandlung in die Zwischenstufenstruktur (Bainit) werden die feinen Karbide in dem gesamten Ferrit verteilt, und zurückbleibender Austenit, der nicht umgewandelt ist, enthält nicht die gewünschte Dispersion von !Carbiden.

Fach der Umwandlung in die Zwisehenstufenstruktur (Bainit) wird der Stahl schnell auf eine Temperatur im Bereich zwischen 760 und 815° C erhitzt, um in wesentlichen alles Ferrit in Austenit umzuwandeln und die ungelösten Karbide gleichmäßig zu dispergieren. Vorzugsweise wird diese Temperatur nur lange genug beibehalten, um gerade das gesamte Ferrit in Austenit umzuwandeln und dabei einen erheblichen Teil des Kohlenstoffs in dem Stahl ungelöst zu lassen. Auf diese Weise bleiben die meisten Karbide in dem Austenit verteilt, in das der Ferritteil der Zwisehenstufenstruktur (Bainit) umgewandelt worden ist. Durch Beibehaltung der Austenitisiertemperatur (760 - 815° C) für nur eine kurze Zeitspanne, wird nur ein Teil der feinen Karbide in dem Austenit aufgelöst. Das schnelle Erhitzen kann durch jedes geeignete Mittel durchgeführt werden, einschließlieh des Eintauchens iß ein Bad aus geschmolzenem Salz oder Metall, Inäuktionöerwarm»ng oder Widerstandserwänaung. Die gesamte Erwärmungszeit hHngt von der Masse des Werkstückes und von der Art und Weise des Erwärmens ab, sollte jedoch lang genug sein, daß der gesamte Stahl nahezu auf die bestimmte Temperatur erwärmt wird* Wenn es Jedoch erwünscht ist, einen vergüteten Gegenstand zu erzeugen,' der eine harte Sehö-

le und einen weichen Kern hat, kann die Warmbehandlungszeit zur Erhaltung eines derartigen Ergebnisses reguliert werden.

Es wurde festgestellt, daß bei dem zuvor erwähnten Verfahrensschritt der Temperaturbereich von 760 - 815° C sehr wichtig ist, weil bei Temperaturen, die nur geringfügig unter etwa 760 C liegen, unberechenbare Ergebnisse erhalten werden und die Härte des Stahls erheblich nachläßt. Bei Temperaturen über etwa 815 C wird die Kornstruktur grob und es ergeben sich erhöhte Mengen von zurückbleibendem Austenit. Die folgenden Ergebnisse, die durch die Behandlung einer Probe der Stahlsorte AISI 1095 bei verschiedenen Temperaturen erhalten wurden, veranschaulichen die verschiedenen sich ergebenden Härtegrade.

Temperatur Härte

729° C 735 DPH

735° G 840 DPH

743° 0 895 DPH

760° 0 910 DPH

815° C 900 DPH

Nachdem der Stahl erwärmt worden ist, wie oben beschrieben, wird er anschließend durch Abkühlen gehärtet, um eine gehärtete feinkörnige Struktur zu erzeugen, die als Ergebnis der oben beschriebenen Vergütung einen Mindestbetrag von zurückbleibendem Q Austenit hat und in der Karbide gleichmäßig dispergiert sind. oo Das schnelle Abkühlen kann zweckmäßig durch ein Abschrecken in Öl durchgeführt werden. Wenn der Stahl zu Martensit abgeschreckt ist, kann er durch Erwärmung auf 162° C oder mehr angelassen wer_m den« Es können jedoch auch andere Härteverfahren wie z.B. Martempern und Auetempern verwendet werden* So kann der Stahl schnell

auf die Martemper-Temperatur abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden, bis er stabilisiert ist, wonach er auf Baumtemperatur abgekühlt werden kann. Im Falle des Austemperns wird der , Stahl auf der Aus temper-Tempera tür gehalten, bis die Umwandlung in das Zwischenstufengefüge (Bainit) im wesentlichen beendet ist. Das endgültige ffefüge besteht aus einem ungewöhnlich feinkörnigem Martensit oder Zwischenstufengefüge (Bainit) mit sehr feinen ungelösten Karbidteilchen, die gleichmäßig überall verteilt sind.

Als ein besonderes Beispiel für die vorliegende Erfindung wurde eine Probe der Stahlsorte AISI 52100 auf 968° G erhitzt und auf dieser Temperatur eine genügend lange Zeit gehalten, um Ferrit in Austenit umzuwandeln und im wesentlichen die gesamte Karbidphase in dem Austenit aufzulösen. Die Probe wurde gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in Öl abgeschreckt, das auf eine Temperatur von 37 - 51° C gehalten wurde. Ebenfalls gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die Probe gerade lang genug in dem Öl.gehalten, um die Temperatur des Bades zu erreichen, um Mikrorisse so gering wie möglich zu halten, bevor der nächste Verfahrensschritt unternommen wurde. Ss wurde festgestellt, daß die Bildung von llikrorissen zeitabhängig ist und daß sofortiges VTiedererhitzen nach dem Abschrecken die Mikrorisse so gering wie möglich halten kann. Der zurückbleibende Austenit in der Probe nach dem Abschrecken wurde durch Erwärmung der Probe bei 300° C während zwei Stunden in das Zwischenstufengefüge (Bainit) umgewandelt. Nachdem der zurückbleibende Austenit in das Zwisehenstufengefüge (Bainit) umgewandelt und Martensit in feine Karbide und Ferrit umgewandelt wurde (durch Erwärmung auf 300° C wSe »öfefeWerwähnt), wurde der Stahl durch Eintauehen

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in geschmolzenes Blei in 40 Sekund&d. auf 787° ° erhitzt. Stahl wurde sodann in Öl abgeschreckt, wä ihn zu härten, wurde' währet zwei Stunden "bei 190° C getempert.

Ein Vergleich der Makrostruktur der in der ohen -besekriebenen Weise vergüteten Probe mit der Makrostruktur einer Eröbe, die in üblicher Weise durch Erwärmung auf 800° C zur BüdiiBg von iaistenit, Abschreckung in 01 -und zweistündiges aiempera "bei 190° C gehärtet wurde, zeigt, daß sich die "beiden Mikrostrukturen deutlich von einander untersüitelden«

Vergleichsversuche mit erfindungsgeiaaJS vergüteten Proben und in -ublieher Weise geharteten Proben haften ergehen, daß die Prohen gemäß den verschiedenen Mikrostrukturen versöhiedene me- -ehanische Sigenschaiten ha"ben, wie sie in der nachfolgenden fahelle aufgeführt sinds

Probe ^ Härte Zerreißfestig-^ Kniekfestig- Ziaräck-

/„>'' ^r, - i\ ^l keit kg proem- keit kg pro ■¥Lei'^I*-~

Kl _tb ¹^ diekj ° * _om2 _äeap.

_Α+ .»:>.¹ ;;*r! ^ 755 DPH- 22 820 22 113

B ⁺* _: 735J3PH 21665 20 8i8 12-155&

+ Vergütet geiaäl^ der^

968° C"— öia&schreckung — feeperiac l>ei 300° 0 für seei Stunden —- 78f ° G während 40 Seia^edem — Tempern hei 1SÖ° Θ- währenÄ zwei Staüiiien·

In fbliE^ex Hfeise gel^rtiett

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senieöene Abwandlungen tincL Inderimgeii im Bannen der Erfindung vorgenommen werden Minnen,

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Claims

Patentanmeldung: "Verfahren zur Vergütung von Stahl"

PATENTANSPRÜCHE:

· Verfahren zum Härten von übereutekdoidem Stahl mit ■ weniger als etwa 5 $> Gesamtlegierungsgehalt, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) den Stahl auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 912 und 1080° C für eine genügend lange Zeit erhitzt, um Austenit zu bilden und im wesentlichen sämtliche Karbide in dem Austenit aufzulösenjund danach abschreckt, um Martensit mit zurückbleibendem Austenit zu erzeugen,

b) im wesentlichen den gesamten zurückbleibenden Austenit in das Zwischenstuf engefüge (Bainit) und den Martensit in eine Mischung aus feinen Karbiden und Ferrit umwandelt,

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Patentanwalt· Dipl.-Ing. Martin licht, Dipl.-Wirtich.-lno. Axel Hansmann, Dipl.-Phyi. Sebastian Herrmann • MÖNCHEN 2, THIRtSIENSTItAStE 33 · Tttafom »2102 · Talaflranun-Adrasm Upatli/MOndi.n

BonfcvMfatndiMeM· Dwtedwlank AO, Filial· Mlnch·«, D*p.-KaiM VikhAlltnmarkt, Konl^Nr. 71472» Beyer. VaraiMbaifc MtedtM, Zvn^tt. Ortar-vtm-MHIw-ltlnfl, Kta.-Nr. mm · PosltdMck-Xontoi MOnA.n Nr. 1*3397

PATENTANWALT DU. RElNHOlO SCHMIDT

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e) den Stahl schnell auf eine Tempera tar im Bereich zwischen 760 waä 815° C erhitzt, um im wesentlichen das gesamte Ferrit in Atistenit umzuwandeln und ungelöste Earbide gleichmäßig zu verteilen, und

d) den Stahl abkühlt„ um ihn zu. härten und ein feinkörniges (refüge mit einer geringstmöglichen Menge an zurückbleibendem iktstenit und mit gleichmäßig verteilten Karbiden zu. erzeugen.

2. Verfahren nach Ansprach 1» dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken nach dem ersten Erwärmen nur so lange vorgenommen wird, wie es gerade für die Bildung von Martensit und zurückbleibendem Austenit erforderlich ist, um die Bildung von Mikrprissen so gering wie möglich zu halten, bevor der zurückbleibende Austenit in das Zwischenstufengefüge (Bainit) umgewandelt wird.

3. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zurückgehaltene Austenit in das Zwi s chens tuf enge füge (Bainit) umgewandelt and der Martensit zu einer Mischung aus feinen Karbiden and Ferrit getempert wird, indem der Stahl für eine ausreichende Zeit auf eine Temperatur im Bereich von etwa 300 - 412° C erwärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch Ί , dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl anschließend getempert wird, um während des Härtens aufgetretene Spannungen aufzuheben.

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"5. 'terMjfeii nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ' "der Stahl zur Härtung scimell auf die abgekühlt, aui dieser iemperaiur bis zar Tung gehalten and dann aaf Bactmiyemperatar ai)geMi3alt wird.

6. Yerfani^n nach Änspraeli-1, dadareh gekennzei-clmet, daß der Si^il zur Härtung schnell auf die Austeiaper-'-Temperatttr ahgekühlt, ami dieser iEeaEperator bis zur "Vollendung der umwandlung in das Zwis^fchen.stufengei^!fi_>ge fBainit) gehalten mnd dann auf iEJaiiiiLtemeperatur albgeMihlt wird-

7. Yerfahren. warn, ilarten vou fibereutektiodem we&entlielien wie ©toeaa

BAD

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