DE1608132B2 - Verwendung eines nichtaustemti sehen Stahles zur Herstellung von Bau teilen fur den Fahrzeug und Maschinen bau - Google Patents

Description

wobei der Gesamtgehalt an den genannten Legierungselementen unter 10°/₀ liegt, mit weiterhin 0,05 bis 2% Stickstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, zur Herstellung von Bauteilen für den Fahrzeug- und Maschinenbau, die auf hohe Dauerschwingfestigkeit beansprucht werden.

2. Verwendung des Stahles nach Anspruch 1, der jedoch 0,5 bis 3 °/₀ Chrom enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung des Stahles nach Anspruch 1 oder 2, der jedoch 0,5 bis 3% Nickel enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung des Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Bauteile des Fahrzeug- und Maschinenbaus, die auf Biegung und Torsion beansprucht werden.

5. Verwendung des Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Bauteile des Fahrzeug- und Maschinenbaus, die auf Biegung und Reibkorrosion beansprucht werden.

6. Verwendung des Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Bauteile des Fahrzeug- und Maschinenbaus, die auf Biegung und abrasiven Verschleiß beansprucht werden.

7. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Bauteile des Fahrzeug- und Maschinenbaus, die auf abrasiven Verschleiß und Grübchenbildung beansprucht werden.

8. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Bauteile des Fahrzeug- und Maschinenbaus, die auf Zug und Biegung beansprucht werden.

9. Verwendung des Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der zusätzlichen Maßgabe, daß der Werkstoff einer Glühbehandlung von 10 bis 180 Minuten Dauer im Bereich von 5 bis 15O⁰C unterhalb des Umwandlungspunktes Ac₁ sowie einer anschließenden beschleunigten Abkühlung auf Temperaturen unterhalb 250⁰C unterzogen worden ist, für die Zwecke nach den Ansprüchen 1 bis 8.

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines nichtaustenitischen Stahls zur Herstellung von Bauteilen für den Fahrzeug- und Maschinenbau.
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 Werkzeugmaschinen, Getrieben für Turbinen usw.

ίο Das verbesserte Leistungsgewicht äußert sich darin, daß neue Typen höhere Leistungen erzeugen bzw. übertragen, wobei das Konstruktionsgewicht gegenüber früheren Ausführungen möglichst gesenkt wird. Diesem Bedürfnis des Fahrzeug- und Maschinenbaus wird nach dem derzeitigen Stand der Technik durch folgende Maßnahmen Rechnungen getragen: Einmal werden höherwertige Werkstoffe eingesetzt, d. h. Stähle erhöhten Legierungsgehaltes und/oder verbesserten Reinheitsgrades. Die Gehalte an Legierungselementen erreichen für hochbeanspruchte Maschinen- und Fahrzeugteile 5 bis 30°/₀, z. B. bei den aushärtbaren Legierungen. Ferner werden besondere metallurgische Maßnahmen (Schmelzen im Vakuum, Vakuumbehandlung u. dgl.) eingeführt. Alle diese Maßnahmen bringen eine erhebliche Verteuerung der Werkstoffe mit sich. 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.

In modernen Fertigungsbetrieben sind beispielsweise besondere Betriebsabteilungen eingerichtet, in denen Bauteile, wie Zahnräder, Nockenwellen u. dgl., einer Einsatzhärtung unterzogen werden. Diese umfaßt üblicherweise folgende Arbeitsgänge

1. Grobkornglühung zur Verbesserung der Zerspanungseigenschaften;

2. spanabhebende Verarbeitung;

3. mehrstündige Aufkohlung im Durchlaufofen;

4. Härten unter Abschreckpressen zur Verringerung des Verzuges;

5. Anlassen;

6. Fertigbearbeitung, z. B. 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 Kornvergröberung, Verzug und Rissen sowie die Einhaltung enger Toleranzen Schwierigkeiten bereiten.

Aus der deutschen Patentschrift 865 604 ist es bekannt, Stahllegierungen als Baustoffe für Gegenstände, die eine große Dauerstandfestigkeit haben müssen, zu

3 4

verwenden, die 0,01 bis 1 °/₀, insbesondere 0,01 bis wobei der Gesamtgehalt an den genannten Legierungs-0,6 °/„ Kohlenstoff, 6 bis 35%, insbesondere 8 bis elementen unter 10% liegt, mit weiterhin 0,05 bis 2 °/₀ 25% Chrom, 0,2 bis 4%, insbesondere 0,4 bis 2% Stickstoff, Rest Eisen und herstellungsbedingte VerVanadin sowie 0,02 bis 1,0, insbesondere 0,05 bis unreinigungen.

0,5 % Stickstoff sowie gegebenenfalls noch bis zu 35 % 5 Diese Stahllegierung wird vorteilhaft für solche Bau-Nickel und/oder Kobalt, und bis zu 25 % Mangan so- teile des Fahrzeug- und Maschinenbaus verwendet, bei wie bis zu 2% Wolfram, bis zu 3% Silizium, Molyb- deren Anwendung es auf erhöhte Dauerschwingfestigdän oder andere, die Hitzebeständigkeit oder Dauer- keit ankommt. Weitere Verwendungsgebiete sind Baustandfestigkeit erhöhende Elemente, enthalten. teile, die auf Biegung, Torsion, Reibkorrosion, abrasi-Die guten Eigenschaften, vor allem das Verhalten in io ven Verschleiß, Grübchenbildung usw., beansprucht der Wärme, ausgedrückt durch die Dauerstandfestig- werden, z. B. Kurbelwellen, Pleuelstangen, Zahnräder keit, werden auf die gleichzeitige Anwesenheit von für Hochleistungsgetriebe, Nockenwellen usw. Vanadin und Stickstoff zurückgeführt. Die Stähle sol- Zur Erzielung höherer mechanischer Gütewerte gelen auch für solche Verwendungszwecke geeignet sein, nügt in vielen Fällen eine einfache Wärmebehandlung, für die neben günstigen mechanischen Eigenschaften, 15 bestehend aus einem Glühen für 10 bis 180 Minuten insbesondere Zähigkeitseigenschaften bei Raumtem- im Bereich von 5 bis 150° C unterhalb des Umwandperatur, eine große Dauerstandfestigkeit verlangt wird. lungspunktes Ac₁ mit anschließender beschleunigter Es ist ferner die Verwendung legierter oder unlegier- Abkühlung auf Temperaturen unterhalb etwa 250° C. ter nichtaustenitischer Stähle mit mehr als 0,015 %, Diese vereinfachte Wärmebehandlung kann an die vorzugsweise bis 0,2% Stickstoff als Werkstoff für 20 Stelle der nach dem Stand der Technik erforderlichen Beanspruchungen auf Dauerstandfestigkeit bekannt. vielfachen Glüh- und Anlaßbehandlungen treten, wie . Diese Stähle können auch 0,03 bis 1,5% Zirkon, 0,02 sie z. B. beim Einsatzhärten bzw. Vergüten erforderbis 1,5% Titan und/oder Vanadin und 0,1 bis unter lieh werden.

5 % Chrom, einzeln oder zu mehreren enthalten. Es ist zwar bei der Edelstahlerzeugung bereits vor-

Zum Stand der Technik gehört auch, die Dauerfestig- 25 geschlagen worden, geringe Stickstoffgehalte bis zu

keit austenitischer Stähle durch Zugabe von mehr als maximal etwa 0,025 % für die Erzeugung von Fein-

0,5 % Stickstoff zu erhöhen. kornstählen vorzusehen. Die Wirkung dieser weit unter

Demgegenüber setzt sich die Erfindung das Ziel, den vorgeschlagenen Gehalten liegenden Stickstoff-

schwingungsbeanspruchte Bauteile des Fahrzeug- und mengen tritt über eine Keimbildung (Kornverfeine-

Maschinenbaus aus Stählen zur Verfügung zu stellen 30 rung) ein und ist mit der Wirkung des Stickstoff-

mit Festigkeits- und Gebrauchseigenschaften, die im gehalts in der anmeldungsgemäß zu verwendenden

Vergleich zu denen heute gebräuchlichen Stähle und Legierung nicht zu vergleichen.

deren Behandlungsverfahren beträchtliche Vorteile Es ist auch vereinzelt, speziell in Zeiten der Lemit sich bringen. gierungsknappheit (Kriegszeit), vorgeschlagen worden, Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß 35 stickstoffhaltige, austenitische Stähle herzustellen, in Baustählen mit unter 10% Legierungsgehalt eine Hierbei handelt es sich jedoch um Stähle, deren GeErhöhung der Stickstoffgehalte weit über die bisher samtlegierungsgehalt den für die Verwendung im üblichen Gehalte hinaus zu sehr beachtlichen Ver- Fahrzeug- und Maschinenbau vorgeschlagenen Bereich besserungen der Gebrauchseigenschaften bei einfachen (maximal 10%) beträchtlich überschreitet. Außerdem Verarbeitungsmöglichkeiten führt. Stickstoffgehalte 40 ist jedem Fachmann verständlich, daß die metallurvon 0,05 bis 2% beeinflussen nicht nur die Festigkeits- gische Wirkung des Stickstoffs in austenitischen, koreigenschaften; sie bewirken auch eine beachtliche Er- rosionsbeständigen Stählen mit den hier vorliegenden höhung und Lebensdauer der Bauteile, die z. B. auf Baustählen nicht vergleichbar ist. Biegung, Torsion, Verschleiß, Reibkorrosion, Grub- Im Laboratorium sind auch schon kleine Stahlprochenbildung usw. beansprucht sind. Diese neuen Bau- 45 ben mit höherem Stickstoffgehalt versuchsweise herteile können deshalb solche aus z. B. Einsatzstählen, gestellt worden ausschließlich zu dem Zweck, das Umderen Gebrauch einen erheblichen Verarbeitungs- wandlungsverhalten zu untersuchen. Die bei den übliaufwand zur Voraussetzung hat, ersetzen. chen Herstellungsverfahren unbeabsichtigt aufgenom-Erfindungsgemäß wird zur Herstellung von Bau- menen Stickstoffgehalte liegen mit 0,002 bis 0,04 % teilen für den Fahrzeug- und Maschinenbau, die auf 50 unterhalb der Stickstoffgehalte des Stahles, aus dem hohe Dauerschwingfestigkeit beansprucht werden, ein die erfindungsgemäßen Bauteile bestehen, nichtaustenitischer Stahl verwendet mit In den nachstehenden Beispielen sind Wesen und

Vorteile der aus der anmeldungsgemäß zu verwenden-

0,05 bis 1,5 % Kohlenstoff, den Legierung hergestellten Bauteile im einzelnen er-

0,05 bis 6°/» Chrom, 55 läutert, wobei Verarbeitung und Anwendung der be-

0 bis 6% Nickel, kannten und der vorgeschlagenen Stähle verglichen

0 bis 6% Kobalt, werden.
0,02 bis 4% Silizium,

0,02 bis 4% Mangan, Beispiel 1

0 bis 4°/o Molybdän, 60

0 bis 2% Wolfram, Auf Torsion beanspruchte Achsen wurden

0 bis 0,5°/o Aluminium, a) in üblicher Weise aus Ck 45 (0,42 bis 0,50% C;

0 bis 0,5 °/o Vanadium, 0,15 bis 0,35 % Si; 0,50 bis 0,80 % Mn) hergestellt und

0 bis 0,5 °/o Titan, auf eine Festigkeit von 87 kp/mm² vergütet. Die Tor-

0 bis 0,5 % Tantal, 65 sionsschwingfestigkeit nach DIN 50100 bei 2 · 10" Last-

0 bis 0,5% Niob, spielen betrug 39 kp/mm².

0 bis 0,5 %> Zirkonium, b) Eine bessere Dauerhaltbarkeit wurde erzielt bei

0 bis 0,5 % Bor, Achsen für denselben Fahrzeugtyp aus dem legierten

Werkstoff 42 CrMo 4 (0,38 bis 0,45% C; 0,15 bis 0,35% Si; 0,5 bis 0,8% Mn; 0,9 bis 1,2% Cr; 0,15 bis 0,25 °/o Mo), der auf eine hohe Festigkeit von 108 kp/ mm² vergütet worden war; die Dauerfestigkeit (bestimmt entsprechend dem vorherigen Beispiel) betrug 44 kp/mm².

c) Bestanden jedoch die gleichen Achsen aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden stickstofflegierten Stahl folgender Zusammensetzung: 0,46°/₀ Kohlenstoff; 0,12°/₀ Chrom; 0,25% Silizium; 0,68% Mangan; 0,01% Aluminium; 0,021% Phosphor; 0,027% Schwefel; 0,67% Stickstoff, und waren sie einer Wärmebehandlung nach Anspruch 9 unterzogen, so erreichte die Dauerfestigkeit (bestimmt wie im Beispiel 1 a) den Wert von 67 kp/mm².

Somit konnte auf teure Legierungselemente weitgehend verzichtet werden, und es wurde eine gegenüber dem Werkstoff 42 CrMo 4 um mindestens 50 % höhere Torsionsdauerfestigkeit erreicht.

Beispiel 2

a) Kurbelwellen werden z. B. aus legiertem Vergütungsstahl der Qualität 41 Cr 4 (0,38 bis 0,44 % Kohlenstoff; 0,15 bis 0,35% Silizium; 0,50 bis 0,80% Mangan; 0,9 bis 1,2% Chrom) nach DIN 17200 hergestellt, vergütet und anschließend an hochbeanspruchten Übergängen der Lagerzapfen zu den Wangen induktiv oberflächengehärtet.

b) Bei den gleichen Kurbelwellen aus den erfindungsgemäß zu verwendenden stickstofflegierten Stahl folgender Zusammensetzung: 0,32% Kohlenstoff; 0,63% Chrom; 0,44% Nickel; 0,11% Molybdän; 0,38% Silizium; 0,69% Mangan; 0,01% Aluminium; 0,022% Phosphor; 0,026% Schwefel; 0,47% N₂, der im fertig bearbeiteten Zustand von 63O⁰C abgeschreckt wurde, konnten folgende Arbeitsgänge eingespart werden:

1. Härten;

2. Oberflächenhärten;

3. Entspannen;

4. Rißprüfen;

Hierbei erniedrigten sich bei gleichen Gebrauchseigenschaften die Wärmebehandlungs- und Prüfkosten um etwa 25 %.

Beispiel 3

a) Rücklaufräder in Schaltgetrieben werden üblicherweise aus Einsatzstahl des Typs 16 MnCr 5 (0,14 bis 0,19% C; 0,15 bis 0,35% Si; 1,0 bis 1,3% Mn; 0,80 bis 1,10% Cr) hergestellt und folgendermaßen behandelt:

1. Der gesenkgeschmiedete Rohling wird grobkorngeglüht;
2. das Bauteil wird mechanisch vorbearbeitet;

3. Aufkohlungsbehandlung mit anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur;

4. Wiedererwärmen zum Härten und Abschrecken;

5. Anlassen auf etwa 400⁰C zur Verringerung der ¹^ Bruchgefahr bei Einschaltstößen entsprechend einer Rockwellhärte von 46 bis 50 HRc;

6. Fertigbearbeitung;

7. Rißprüfung.

b) Bei den gleichen Rücklaufrädern aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden stickstofflegierten Stahl folgender Zusammensetzung: 0,21% C; 0,26% Si; 0,83 % Mn; 0,17 % Cr; 0,05 % Ni; 0,008 % Al; 0,029 % P; 0,034 % S; 0,94% N₂, konnten die unter 2 a) genannten Arbeitsgänge 3. bis 7. fortfallen; die mechanische Bearbeitung (Punkt 2) wurde bis auf Fertigmaße in einem Arbeitsgang durchgeführt und das Bauteil im Fertigzustand bei 610⁰C 30 Minuten geglüht und anschließend in öl abgeschreckt. Die Gebrauchseigenschaften entsprachen denen konventionell hergestellter Schalträder bei um 35% gesenkten Wärmebehandlungs- und Prüfkosten.

Darüber hinaus ergeben sich zahlreiche weiter oben beschriebene vorteilhafte Anwendungen im Maschinen- und Fahrzeugbau, wobei die zum Teil erheblich vereinfachten Arbeitsgänge neben einer Kostenverminderung vor allem geringere Ausschußzahlen zur Folge hatten und damit die Sicherheit einer gezielten Fertigung erheblich erhöht werden konnte.

Die Herstellung der Stähle kann vorzugsweise unter einem erhöhten Stickstoff-Partialdruck von z. B. 5 bis 100 Atmosphären beim Schmelzen und Vergießen erfolgen.
Sie werden dabei zu üblichen Block- oder Strangformaten bzw. zu Gußteilen vergossen. Die Weiterverarbeitung durch Warmformung, wie Walzen, Schmieden, Pressen, kann in üblicher Weise erfolgen.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verwendung eines nichtaustenitischen Stahles mit

0,05 bis
0,05 bis
0 bis
0 bis
0,02 bis
0,02 bis
0 bis
bis
bis
bis
bis
bis
bis
bis
bis

0 0 0 0 0 0 0 0

1,5%

6%

6%

6%

4%

4%

4%

2%

0,5¹Vo

0,5%

0,5%

0,5%

0,5%

0,5%

0,5%

Kohlenstoff,

Chrom,

Nickel,

Kobalt,

Silizium,

Mangan,

Molybdän,

Wolfram,

Aluminium,

Vanadium,

Titan,

Tantal,

Niob,

Zirkonium,

Bor,