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Bauteile für den Fahrzeug- und Maschinenbau Die Erfindung betrifft
Bauteile für den Fahrzeug-und Maschinenbau aus Stählen, die hierfür aufgrund ihrer
legierungstechnischen Zusammensetzung besonders geeignet sind.
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Im Fahrzeug- und Maschinenbau besteht das Bedürfnis einer ständigen
Steigerung der Leistung bei Verringerung der Gewichte und Verminderung der Kosten.
Dies gilt beispielsweise .für Bauteile wie Kurbelwellen für neuartige Hochleistungsmotore,
bei 4Jerkzeugmaschinen, Getrieben für Turbinen usw. Das verbesserte Leistungsgewicht
äussert sich darin, dass neue Typen höhere Leistungen erzeugen bzw. übertragen,
wobei das Konstruktionsgewicht gegenüber früheren Ausführungen möglichst gesenkt
wird.
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Diesem Bedürfnis des Fahrzeug- und Maschinenbaus wird nach dem derzeitigen
Stand der Technik durch folgende Massnahmen Rechnung@getragens
Einmal
werden höherwertige Werkstoffe eingesetzt, d.h. Stähle erhöhten Legierungsgehaltes
und/oder verbesserten Reinheitsgrades. Die Gehalte an Legierungselementen erreichen
für hochbeanspruchte Nlaschinen-und Fahrzeugteile 5 bis 3o ;ö, z.B. bei den aushärtbaren
Legierungen. Ferner werden besondere metallurgische Massnahmen (Schmelzen im Vakuum,
Vakuumbehandlung und dergleichen) eingeführt. Alle diese Massnahmen bringen eine
erhebliche Verteuerung der Werkstoffe mit sich.
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Zum anderen haben sich sowohl im Fahrzeug- wie auch im Maschinenbau
Sonderbehandlungen an Bauteilen eingeführt, die die Festigkeits- und Gebrauchseigenschaften,
besonders die Dauerfestigkeit, erhöhen sollen. Derartige Massnahmen bestehen beispielsweise
in dem Vermeiden von Kerbspannungen durch Polieren von Bauteilen, in der Erhöhung-
der Oberflächenfestigkeit durch Kaltverformung, Einsatzhärten, Nitrieren und sonstige
Massnahmen zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit und damit verbundener
Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit. Auch diese Massnahmen, die beachtliche Steigerungen
in der spezifischen Belastbarkeit von Werkstoffen ermöglichen, haben die Einrichtung
kostspieliger Anlagen zur Voraussetzung und damit den Nachteil zusätzlicher Arbeitsgänge,
Einrichtungen und Kosten.
| Ferti ung s- |
| In modernen 3@s@scbetrieben sind beispielsweise |
besondere Betriebsabteilungen eingerichtet, in denen Bauteile, wie Zahnräder, Nockenwellen
und dergleichen einer Einsatzhärtung unterzoöen werden. Diese umfasst üblicherweise
folgende Arbeitsgänge 1) Grobkornglühung zur Verbesserung der Zerspanungseigenschaften;
2) spanabhebende Verarbeitung; 3) mehrstündige Aufkohlung im Durchlaufofen; Härten
unter Abschreckpressen zur Verringerung des Verzuges; 5) Anlassen; 6) Fertigbearbeitung,
z.8. Läppen.
-Trotz aller Fortschritte in der Werkstofferforschung
und Verfahrenstechnik sind mit einer derartigen Wärmebehandlung - abgesehen von
dem Kostenaufwand - immer noch gewisse Nachteile verbunden, da die Vermeidung von
Kron ver-röberung, Verzug und Rissen sowie die Einhaltung enger Toleranzen Schwierigkeiten
bereiten.
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DemBe,;enüber setzt sich die Erfindung das Ziel,' schcrinGunZ,sbeanspruclite
Bauteile des Fahrzeug- und Maschinen-
| baus aus Stählen zur Verfügun,__ zu stellen mit Festiökeits- |
| und GebrauchseiBenschaften, die im Vergleich zu deri/heute |
gebräuchlicher Stähle und deren Behandlungsverfah ren be-'crächtliche Vorteile mit
sich bringen.
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Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, dass in Baustählen mit
unter 1o % Legierungsgelalt eine Erhöhung der Sticksto:f f Behalte weit über die
bisher üblichen Gehalte hinaus zu sehr beachtlichen Verbesserungen der Gebrauchseigenschaften
bei einfachen führt. Stickstoffgehalte von o, o5 bis maximal 2 i beeinflussen nicht
nur die Festigkeitseigenschaften; sie bewirken auch eine beachtliche Erhöhung der
Lebensdauer der Bauteile, die z.B. auf Biegung, Torsion, Verschleiss, Reibkorrosion,
Grübchenbildung usw. beansprucht sind. Diese neuen Bauteile können deshalb solche
aus z.B. Einsatzstählen, deren Gebrauch einen erheblichen Verarbeitungsaufwand zur
Voraussetzung hat, ersetzen.
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Erfindungsgemäss bestehen Bauteile des Fahrzeug- und Maschinenbaus
mit verbesserten Festigkeitseigenschaften aus Stahllegierungen mit
| C o, o5 - 115 :- |
| Cr 0e05 - 6 vorzugsweise o,5 - 3 5ö |
| Ni o - 6 ä, vorzugsweise o,5 - 3 i |
| Co o - 6 |
| Si o, o2 - 4 ;ä |
| 'Mn , o, o2 - 4 jö |
| Mo o - 4 -- ö |
| W o - 2 |
| A1 o - 0,5 jb |
| V o - 0.95 Ti o - 0,5 a ' |
| Ta o - 0J5 25 |
| Nb o - 0,5 |
| ;ö |
| Zr o - 0,5 |
| ö |
| B o - 0$5 /115 |
mit einem Legierungsgehalt insgesamt unter 1o %, mit einem N2-Gehalt von
0,05 - 2 %, vorzugsweise von o,1 - 1,2 mit schmelzbedingten Verunreinigungen
und Rest Eisen. Diese Stahllegierung wird vorteilhaft für solche Bauteile des Fahrzeug-
und Maschinenbaus verwendet, bei deren Anwendung es auf erhöhte Dauerschvaingfestigkeit
ankommt. Weitere Verwendungsgebiete sind Bauteile, die auf Biegung, Torsion, Reibkorrosion,
abrasiven Verschleiss, Grübchenbildung usw. beansprucht werden, z.B. Kurbelwellen,
Pleuelstangen, Zahnräder für Hochleistungsgetriebe, Nockenwellen usw.
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Zttr Erzielung höherer mechanischer Gütewerte genügt in vielen Fällen
eine einfache Wärmebehandlung, bestehend aus einem Glühen für etwa 1o bis 18o Minuten
im Bereich von 5 bis 150 0 C unterhalb des Umwandlungspunktes Ac1 mit anschliessender
beschleunigter Abkühlung auf Temperaturen unterhalb ca. 250 0 C. Diese vereinfachte
Wärmebehandlung kann an die Stelle der nach dem Stand der Technik erforderlichen
vielfachen Glüh- und Anlassbehandlungen treten, .wie sie z.B. beim Einsatzhärten
bzw. Vergüten erforderlich werden.
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Es Ist zwar bei der Edelstahlerzeugung bereits vorgeschlagen worden,
geringe Stickstoffgehalte bis zu max. etwa o,0254
für die Erzeugung
von Feinkornstählen vorzusehen. Die Wirkung dieser weit unter den vorgeschlagenen
Gehalten liegenden Stickstoffmengen tritt über eine Keimbildung (Keimverfeinerung)
ein und ist'mit der vorgeschlagenen Legierung nicht zu vergleichen.
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Es ist auch vereinzelt, speziell in Zeiten der Legierungsknappheit
(Kriegszeit), vorgeschlagen worden, stickstoffhaltige, austenitische Stähle herzustellen.
Hierbei handelt es sich jedoch um Stähle, deren Gesamtlegierungsgehalt den für die
Verwendung im Fahrzeug- und Maschinenbau vorgeschlagenen Bereich (max. 1o %) beträchtlich
überschreitet. Ausserdem ist "jedem Fachmann verständlich,. dass die metallurgische
Wirkung des Stickstoffs in austenitischen, korrosionsbeständigen Stählen mit den
hier vorliegenden Baustählen nicht vergleichbar ist.
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Im Laboratorium sind auch schon kleine Stahlproben mit höherem Stickstoffgehalt
versuchsweise hergestellt worden ausschliesslich zu dem Zweck, das Umwandlungsverhalten
zu untersuchen. Die bei den üblichen Herstellungsverfahren unbeabsichtigt aufgenommenen
Stickstoffgehalte liegen mit o,oo2 bis o,o4 % unterhalb der Stickstoffgehalte des
Stahles, aus dem die erfindungsgemässen Bauteile bestehen.
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In deh nachstehenden Beispielen sind Wesen und Vorteile der vorgeschlagenen
Bauteile im einzelnen erläutert, wobei Verarbeitung und Anwendung der bekannten
und der vorgeschlagenen Stähle verglichen werden.
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Beispiel 1: .
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Auf Torsion beanspruchte Achsen wurden a) in üblicher Weise aus Ck
45 (o,42 - 0,50 % C; 0,15 -o,35 % Si; o,5o - o,8o % Mn)"hergestellt und auf eine
Festigkeit von 87 kp/mm2 vergütet. Die Torsionssehwingfestigkeit nach DIN 50.1oo
bei 2 x 10 G Lastspielen betrug 39 kp/mm2.
b) Eine bessere Dauerhaltbarkeit
wurde erzielt bei Achsen für denselben Fahrzeugtyp aus dem legierten Werkstoff 42
CrMo 4 (o,38 - o,45 ;55 C; 0,15 - 0,35 ;ö Si; 0,5 -
0,8 ;@ Mn; o, 9 - 'f, 2 % Cr; o, 15 - o, 25 o' Mo) auf eine hohe Festigkeit
von 1o8 kp/mm2 vergütet; die Dauerfestigkeit (bestimmt entsprechend dem vorherigen
Beispiel) betru-44 kp/mm2.
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c) Bestanden jedoch die gleichen Achsen erfindungsgemäss aus einem
stickstofflegierten Stahl folgender Zusammensetzung: 0346 ;% Kohlenstoff; o,12 ;ö
Chrom; o,25 ;i Silizium; o,68 ;4 Mangan; z o, o 1 ;o Aluminium;
o, cP1 ;@ Phosphor; o, o27 6 Schwefel; o,67 % Stickstoff, und waren sie einer
Wärmebehandlung nach Anspruch 9 unterzogen, so erreichte die Dauerfestigkeit (bestimmt
wie in Beispiel 1) den Wert von 67 kp/mm2.
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Somit konnte
teure Legierungselemente weitgehend verzichtet werden, und es wurde eine gegenüber
dem Werkstoff 42 CrMo 4 um mindestens 50 ö höhere Torsionsdauerfestigkeit erreicht.
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Beispiel 2:
a) Kurbelwellen werden z.B. aus legiertem Vergütungsstahlder
Qualität 41 Cr 4 (o,38 - o,44 % Kohlenstoff; 0,15 0$5 % Silizium; 0,50 -
o,8o % Mangan; o,9 - 1,2 % Chrom) nach DINf17200 hergestellt, vergütet und anschliessend
an hochbeärispruchten Übergängen der Lagerzapfen zu den Wangen induktiv oberflächengehärtet.
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b) Bei den gleichen Kurbelwellen aus einem stickstoffiegierten Stahl
folgender Zusammensetzung: o932 % Kohlenstoff; o,63 ;o' Chrom; o,44 % Nickel; o,11
Molybdän; a,38 ;$ Silizium; o,69 % Mangan; o,d % Aluminium; o, o22 y6 Phosphor;
o, o26 % Schwefel; o,47 % N2, der im fertig bearbeiteten Zustand von 63o 0 C abgeschreckt
wurde, konnten folgende Arbeitsgänge eingespart werdent
Y
-1.
Härten; 2. Oberflächenhärten; 3. Entspannen; Ri s sprüf en; Hierbei erniedrigten
sich bei gleichen Gebrauchseigenschaften die '.lärmehellandlungs- und Prüfkosten
um etwa 25
Beispiel: a) Rücklaufräder in Schaltgetrieben werden üblicherweise
aus Einsatzstahl des Typs 16 14nCr 5 (o,14 - o,1g C; 0,15 - o,35 % Si;-1,o - 1,3
% Mn; 0,80 - 1t10 % Cr;) hergestellt und folgendermassen behandelt: 1. der
GesenkgescIuniedete Rohling wird grobkorrgeglüht; 2. das Bauteil wird mechanisch
vorbearbeitet; 3. Aufkohlungsbehandlung mit anschliessender Abkühlung auf Raumtei@iperatur;
Wiedererwärmen zum Härten und Abschrecken; 5. Anlassen auf ca. 4oo 0 C zur Verringerung
der Bruchgefahr bei Einschaltstössen entsprechend einer Rockwellhärte von 46 - 50
HRc; 6. Fertigbearbeitung; 7. Rissprüfung.
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b) Bei den gleichen Rücklaufrädern aus einem stickstofflegierten Stahl
folgender Zusammensetzung: o,-21 jü C O, 26 v si; O, 83 j.i
Mn; O, 17 5 Cr; 0, 05 jö Ni; 0,008 ;i Al; o, o29 P; o, 634 ;n S; o,94
a N2, konnten die unter 2 a) genannten Arbeitsgänge 3. bis 7. fortfallen; die mechanische
Bearbeitung (Punkt 2) vrurde bis auf Fertigmasse in einem Arbeitsgang'durchgeführt
und das Bauteil im Fertigzustand bei 61o 0 C 3o Minuten geglüht und anschliessend
in Öl abgeschreckt. Die Gebrauchseigenschaften entsprachen denen konventionell hergestellter
Schalträder.bei um 35 % gesenkten Wärmebehandlungs- und Prüfkosten.
Darüberhinaus
ergeben sich zahlreiche weitere vprteilhafte Anwendungen im Maschinen-und Fahrzeugbau,
wobei die z. T. erheblich vereinfachten. Arbeitsgänge neben einer Kosten- , verminderung-
vor allem geringere AussQriusszahlen zur Folge hatten und damit die Sicherheit einer
gezielten Fertigung erheblich erhöht werden konnte.
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Die Herstellung der Stähle kann erfolgen, vorzugsweise unter einem
erhöhten Stickstoff-Partialdruck von z. B. 5 - Zoo Atmosphären beim Schmelzen und
Vergiessen.
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Sie werden dabei zu üblichen Block- oder Strangforma.ten bzw. zu Gussteilen
vergossen. Die Weiterverarbeitung durch Warmformgebung, wie Walzen, Schmieden, Pressen,
kann in "üblicher Weise erfolgen.