DE1508400A1

DE1508400A1 - Verfahren zum Verbessern der mechanischen Festigkeit von Metall

Info

Publication number: DE1508400A1
Application number: DE19661508400
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1965-10-30
Filing date: 1966-10-21
Publication date: 1969-10-23
Also published as: GB1166477A; US3573999A

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.ING. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

Postsdiedc-Konto: MUnchen 22045

Bank-Konto:

Dresdner Bank AG. München 2, Marlenplatz, KIo-Nr. 92790

G. 48 ?54 Unser Zeichen: Lw/XIII/C

Telefon Tel.-Adr. München (0111) 2(191» Lelnpat München

8 MQndien 2, Rotental 7, 2.

(Kuttermann-Passage)

^den S. Oktober 1968

Isao Gokyu, Tokyo / Japan

Verfahren gun Verbessern der mechanischen Festigkeit

von Metall

Die Erfindung betrifft ein Verfahren ::un Verbessern der mechanischen /esti^keit von Metall.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren 2iur Xaltbehandlun^ von Stahl.

unter Maltbekandlun.. ist das plastische'Bearbeiten der Metalle und Legierungen bei einer beträchtlich über ^innerteuperutür, jedoch beträchtlich unter der fiekristalliFjierun^temperatur der Metalle und Legierungen liegenden Temperatur zu verstehen.

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Es ist bekannt, daß die mechanische Festigkeit von Stahl durch plastische Formänderung, wie z.B. Walzen oder Formstrecken bei etwa 300⁰C, verbessert werden kann, obwohl die genauen Gründe dieser Erscheinung bisher nicht vollständig bekannt sind. Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Verfahren beruht auf der hierbei auftretenden beträchtlichen Formänderung des Materials, wie Verminderung

der Stärke oder der Querschnittflache. Aus diesem Grund ' wurden diese Verfahren in der Technik nicht allgemein aus-" i

I geführt, da man hierbei unvermeidbare Schwierigkeiten" bei" j -der Herstellung oder vermehrte Schwierigkeit bei der Beibe- j haltung gleicher Abmessungen befürchten mußte. ^!

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Hauptzweck der Erfindung ist daher die Schaffung eines j Verfahrens zum Erhöhen der Festigkeit von Ketall, ohne daß : hierbei eine wesentliche Veränderung der Abmessungen, Umwand- ; lungen oder Formänderungen auftreten. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, daß man das Metall bei einer'wesentlich über Zimmertemperatur und wesentlich unter der Rekristallisationstemperatur des Metalls liegenden Temperatur einer praktisch unmeßbaren oder unter 1$ liegenden plastischen Formänderung unterwirft.

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Es wurde gefunden, daß zum Erzielen oder Übertreffen ί der Wirkung des Warmbearbeitens ein plastisches, von Ände- j rungen der Abmessungen oder sonstigen Veränderungen begleite.tes plastisches Bearbeiten nicht erforderlich ist. In ; diesem Zusammenhang ergab sich, daß verhältnismäßig einfache Verfahren, wie Geraderichten, Egalisieren oder Verdrillen, die keine wesentlichen Dimensionsänderungen bewirken, sondern die Ebenheit oder Geradlinigkeit wiederherstellen, vollkommen zufriedenstellend sind, vorausgesetzt, daß bestimmte Bedingungen eingehalten werden, ils wurde durch Härtemessungen und mit Hilfe eines Elektronenmikroskops als auch aufgrund anderer mechanischer oder metallurgischer Untersuchungen festgestellt, daß es bei dem Bichtverfahren vier Hauptfaktoren gibt, von denen zwei, regelbar, und zwei nicht regelbar sind.

Der erste Faktor besteht in dem anzuwendenden Temperaturbereich von etwa 20O⁰G bis etwa 40O⁰C, vorzugsweise bei etwa 300⁰C. Der zweite Faktor besteht in der Anwesenheit von gelösten Zwischengitteratomen, z.B. Kohlenstoff oder Stickstoff. Der dritte Faktor besteht in der Art der Bear- !

beitung, die eine große Anzahl Lagerungsstörungen in der aus i

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ot-Eisen bestehenden Grundmasse bewirkt. Der vierte Faktor besteht in der Art der Lagerungsstörungen oder der Konfiguration der Lagerungsstörung nach Beendigung der plastischen Bearbeitung; diese muß so erfolgen, daß sich eine wirksame Festlegung der Lagerungsstörung ergibt.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen näher erläutert.

Es bedeuten

Fig. 1 ein Diagramm, aus dem sich die Ergebnisse von Härtemessungen bei einem Stahlrohr vor und nach einer erfindungsgemäßen Behandlung ergeben;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Endansicht des Stahlrohrs, aus der sich die Stellen der Härtemessung ergeben;

Fig. 3 ein'Diagramm, aus dem sich die Veränderung der Härte einesJL-Eisens, je nach der Temperatur der vlarmbearbeitung nach einer Ausführungsform der Erfindung, ergibt.

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Beispiel 1

Ein nach herkömmlichem Verfahren geschweißtes Bohr mit einem Durchmesser von 27,3 mm, einer Dicke von 2 mm, einer Länge von 1 Meter und einem Gehalt von 0,09$ Kohlenstoff, Spuren Silicium, 0,30$ Mangan, 0,030$ Phosphor und 0,025$ Schwefel, wurde geradegerishtet, indem man es durch ein Paar schräglaufender Eichtwalzen bei einer Temperatur von 300 C hindurchleitete. Dabei trat keine meßbare Dimensionsänderung auf. Die an den Stellen 1, 2, 3 und 4 gemessene Vicker's Härte, wobei die Schweißnaht zwischen den Stellen 2 und 3, wie in Pig. 2 angedeutet, für die inneren, mittleren und äußeren Teile der Köhrenwand liegt, zeigt eindeutig eine beträchtliche Erhöhung der Festigkeit, zuweilen bis zu 25 Vicker's Härtegraden, wie in Fig. 1 dargestellt.

Beispiel 2

1 kg et -Eisen der in Tabelle 1 aufgeführten Zusammensetzung wurde im Vakuum geschmolzen und in eine Gießform von 60 mm Durchmesser und 100 mm Länge gegossen. Der Guß wurde auf herkömmliche Weise zu einem Stab von 6 mm Durchmesser heißgewalzt, auf Zimmertemperatur abgekühlt, dann zu einem Draht von 3 mm Durchmesser kaltgewalzt und dann

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24 Stunden bei 85O⁰C im Vakuum einer abschließenden Glühbehandlung unterworfen.

Tabelle 1

Element C Mn Si

0,02 Spuren 0,005 0,001 0,006

Die Probe wurde in zwei Teile geteilt. Proben des einen Teils wurden bei Zimmertemperatur, 100⁰C, 200⁰C, 300⁰C oder 400⁰C auf Oberflächenformändarungen yon oder 20$ durch Verdrillen bearbeitet. Die anderen Teile wurden dagegen bei Zimmertemperatur verdrillt und anschließend 30 Minuten lang bei 300⁰C geglüht. Dies ist eine Form des bekannten Niedrigtemperatur-Formänderungstemperverfahrens. Bei all diesen Verfahren wurde keine Deformierung der Abmessungen beobachtet.

Die Veränderung der Vicker's Härte für 4# Oberflächendeformierung in Abhängigkeit von der Temperatur des Warmbearbeitens ist in Fig. 3 dargestellt. Vergleicht man die beim Glühen erzielte Härte von 62 und die beim KaIt-

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bearbeiten erzielte Härte von 72, so ergibt sich, daß die Wirkung der Kaltbearbeitung bei 100⁰G recht niedrig ist, bei 30O⁰C das Maximum erreicht und über 40O⁰C fällt. Über 500⁰C fällt sie äußerst rasch, da hier die Kristallisation beginnt.

Dasselbe wurde bei anderen Oberflächendeformationen außer 4$ beobachtet, mit der Ausnahme, daß die Härtekurven etwas nach oben verschoben waren, entsprechend einer erhöhten i

Formänderung bei bestimmter Temperatur.' Die Wirkung wurde bei Formänderungen bis zu 1$ beobachtet, obwohl der Wert nicht so hoch wie bei 4fi war.

Beim Kaltbearbeiten und anschließendem Glühen bei 30O⁰C, also bei dem bekannten Kredrigteroperatur-Formänderungsglühen, wurde ebenfalls eine größere Härte, aber nur bis zu 80, erzielt.

Der zweckmäßige Temperaturbereich des erfindungsge— mäßen Kaltbearbeitens liegt also zwischen etwa 200 und etwa 400⁰C, vorzugsweise bei etwa 30O⁰C.

Der genaue Mechanismus für diese Erscheinung ist bis jetzt noch nicht völlig geklärt; es ist aber anzunehmen,

daß dies auf die gegenseitige Wirkung von Lagerungsstörungen . - 8 -

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von Zwischengitteratomen, z.B. von Kohlenstoffatomen, zurückzuführen ist. Tatsächlich findet man aufgrund der Transmissionselektronenmikroskopie, daß die Dichte der Lagerungsstörung für eine bestimmte Deformierung ungewöhnlich hoch war, verglichen mit kaltbearbeitetem oder formgeändert-getempertem Material und daß diese Lagerungsstörungen wirksam durch gegenseitige Verflechtung oder durch neu gebildete Niederschläge von submikroner Größe festgelegt waren. Außerdem ist anzunehmen, daß atomare und daher nicht beobachtbare Vorgänge, wie die Bildung einer Kontrollatmosphäre oder die gegenseitige Beeinflussung von freien Stellen und Fehlstellen stattgefunden haben. Das .Ansteigen und Fallen der Kurve und somit die optimalen Bedingungen beruhen vermutlich auf der Beeinflussung des gegenseitigen Gleichgewichts zwischen dem Diffusionsvermögen der Zwischengitteratome und deren Reaktionsfähigkeit mit Lagerungsstörungen.

Da sich das erfindungsgemäße Verfahren einfach mit derartigen, offensichtlich deformationslosen Verfahren, wie Verdrillen, Geraderichten oder Bearbeiten durch Verdrehen, ausführen läßt, wie dies häufig bei modernen

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Herstellungsverfahren angewandt wird, läßt sich dieses auch ohne weiteres bei der industriellen Massenfertigung anwenden,

Beispiel 3

Ein Stahlrohr von 2 mm Stärke und der in Tabelle aufgeführten Zusammensetzung wurde von der beim Heißwalzen angewandten Temperatur in stehender Luft abgekühlt und dann bei etwa 300 G in eine Walzenrichtmaschine eingeführt. Dabei trat eine geringe, jedoch unbedeutende Verminderung der Stärke von weniger als M> auf. Außer der gewünschten G-eradlinigkeit nahm die Zugfestigkeit im Vergleich zu Rohren, die auf herkömmliche Weise bei einer Temperatur über dem Hekristallisationspunkt endbehandelt worden war, um einige 10 kg/mm zu.

Tabelle 2

Element C	Si	Mn	0	P	ο,	N	ο,	S
* 0,15	0,35	1,06	,018	008	025

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Obwohl nicht bekannt ist, welcher Anteil des insgesamt O,15$ betragenden Kohlenstoffgehalts bei der Temperatur der Warmbearbeitung auf Zwischengitterplätzen zurückblieb, oder wieviel infolge Bildung von stabilem Carbid während des Äbkühlens auf diese Temperaturen unwirksam wurde, muß praktisch der. gesamte Stickstoff in Form einer Lösung in den Zwischengitterplätzen vorliegen, da kein stabiles nitritbildendes Element, wie Aluminium oder Vanadin vorhanden ist. Die sehr beträchtliche Erhöhung der Festigkeit ist daher vermutlich durch Kohlenstoff und Stickstoff auf Zwischengitterplätzen zurückzuführen. Daher bestehen die Kontrollbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Temperatur der Warmbearbeitung von etwa 200 bis etwa 400⁰C, vorzugsweise etwa 300⁰C, wobei es gleichgültig ist, ob diese Temperatur, ausgehend von niedrigeren Temperaturen, also durch Erhitzen, oder ausgehend von höheren Temperaturen, also durch Kühlen, erreicht wird; ferner ist die Anwesenheit von gelösten Zwischengitteratomen von Bedeutung, wobei ein Kohlenstoffgehalt von 0,02$ oder Stickstoffgehalt von 0,008$ ausreicht; ferner spielt die Art der Bearbeitung eine Rolle, wobei die

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Oberfläche mindestens um 1$ durch Verdrillen oder wiederholtes leichtes Biegen in einer 'Walzennivelliervorrichtung um mindestens 1$ deformiert wird.

Die Erfindung läßt sich auch auf andere Metalle und Legierungen außer Eisen oder Stahl anwenden, sofern das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verstärkungsverfahrens, das auf der Wechselwirkung von Lagerungsstörungen mit gelösten Zwischengitteratomen beruht, anwendbar ist,·

Es sei ferner betont, daß das erfindungsgemäße Verfahren sich grundlegend von den bekannten Verfaliren des Kaitbearbeitens unterscheidet, das zu einer wesentlichen Dimensionsänderung, wie Verminderung des Querschnitts führt. Derartige Schwierigkeiten treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf. Das erfindun^sgemäße Verfaliren ist auch nicht vergleichbar mit dem bekannten Verfahren des Formänderungstemperns, da das Formändern und Erhitzen nicht getrennt wie bei dem bekannten Verfahren erfolgt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbessern der mechanischen Festigkeit von Metall, dadurch gekennzeichnet, daß man das hetall bei einer wesentlich über Zimmertemperatur und wesentlich unter der Rekristallisationstemperatur des Letalls liegenden Temperatur einer praktisch unmeßbaren oder unter 1$» liegenden plastischen Formänderung unterwirft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Stahl bei 200 bis 400⁰C einer plastischen Fοrmänderung un t e rwi rf t.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß raan-cL-Eisen bei 300⁰C einer plastischen Formänderung unterwirft.

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