DE1948514A1 - Verfahren zum Herstellen von auf Biegung beanspruchten Stahlerzeugnissen - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen von auf Biegung beanspruchten Stahlerzeugnissen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von auf Biegung beanspruchten Stahlerzeugnissen.
• Bei derartigen Stahlerzeugnissen kommt es vor allem in der auf Zug beanspruchten Zone bekanntlich leicht zur Ausbildung kleinster Risse, weil die zulässige Materialfestigkeit ilberschritten wird. Da diese Erzeugnisse nach ihrer Biegebelastung ihre ursprUn*liche Gestalt möglichst ohne bleibende Deformation wieder annehmen sollen, müssen die dafür vorgesehenen Werkstoffe die hierftr erforderliche Elastizität und Härte besitzen, womit andererseits an die Zähigkeit und Dehnbarkeit nur verminderte Anforderungen gestellt werden können, so dass gerade diejenigen Eigenschaften, dank welcher die genannten Erzeugnisse ohne die Gefahr eines Bruches auf Biegung beansprucht werden können, dann nicht mehr gegeben sind. Zwar kann man die Zugspannungen in der beil Biegen auf Zug beanspruchten Zone durch entsprechende Dllnnwandigkeit der Erzeugnisse verringern, wie es zum Beispiel bei Blattfedern geschieht. Der Aufwand hierfür ist jedoch beträchtlich.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der einleitend genannten Art zu schaffen, ohne dass dabei die genannten Schwierigkeiten auftreten. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass Eisenwerkstoffe, die bei gleicher Behandlung unterschiedliche Festigkeitswerte besitzen, in örtlich begrenztem Schmelzfluss wechselweise zur Erzeugung eines Vorblockes aufgetragen werden, der alsdann einer Warmverformung unterzogen wird. Einen auf diese Weise erzeugten Block kann man nach der Warmverformung in üblicher Weise zu den vorgesehenen Stahlerzeugnissen weiterverarbeiten.
• Auf diese Weise gelingt es, ohne auf den Vorteil eines einheitlichen Ausgangsblockes verzichten zu müssen, die auf Zug beanspruchten Zonen so dünn auszubilden, dass ein Rissbildung unterbunden wird. Sofern es bei Überbelastung dennoch zu einer Rissbildung in einer der vom Eisenwerkstoff höhere Festigkeit gebildeten Bereiche kommt, vermag sich dieser Riss nicht mehr weiter fortzupflanzen, weil er von dem sich anschliessenden Bereich des Eisenwerkstoffes geringerer Festigkeit und damit höherer Dehnbarkeit "aufgefangen" wird, wobei es einer nur unwesentlichen, bei Entlastung reversiblen plastischen Verformung im letztgenannten Bereich des Stahlerzeugnisses kommt. Die Auftragung der Eisenwerkstoffe im örtlich begrenzten Schmelzfluss gewährleistet dabei eine zuverlässige, einschlussfreie Verbindung der Eisenwerkstoffe untereinander, ohne dass man sich dafür der heute historischen Verfahren des Zusammenschmiedens verschiedener Eisenwerkstoffe in festem Zustand bedienen muss. Die Auftragung in örtlich begrenztem Schmelzfluss gewährleistet, dass eine unzulässig starke Durchmischnng der genannten Eisenwerkstoffe unterbleibt, so dass insgesamt das beabsichtigte, makroskopisch differenzierte Gefüge erhalten wird. Das genannte Auftragen der Eisenwerktoffe kann besonders einfach im Schweißverfahren erfolgen, wobei man sich der verschiedenen, bei der Herstellung von Auftragsschweißungen her bekannten Techniken bedienen kann.
• Die wechselweise Auftragung erfolgt in der Regel derart, dass aufeinanderfolgende Schichten gebildet werden. Dies führt zu Erzeugnissen, für welche die Durchbiegungsrichtung vorgegeben ist.
• Bei Stahlerzeugnissen, für welche die Beanspruchungsrichtung beim Biegen nicht vorgegeben ist und die etwa von rundem oder gleichmässig polygonalen Querschnitt sind, ist es zweckmässiger, bei der Erzeugung des Vorblockes die Auftragung nicht schichtweise, sondern stabweise vorzunehmen. In der Praxis würde man in diesem Falle zum Beispiel die Schweißelektrode nach jeder einzelnen Auftragung in Längsrichtung des Vorblockes ändern, so dass man schliesslich im Querschnitt des Blockes einen schachbrettartigen, makroskopischen Gefügeaufbau hätte.
• Vorteilhaft werden lediglich zwei Eisenwerkstoffe mit unterschiedlicher Festigkeit verwendet, weil dies die Ausbildung eines besonders gut makroskopisch heterogenen Gefüges ermöglicht.
• Um die Festigkeitswerte hinreichend stark voneinander zu unterscheiden, ist es zweckmässig, für den Eisenwerkstoff höherer Festigkeit einen durch Abschreckung hãrtbaren Stahl zu wählen.
• Da vor allem bei einer starken Verformung die im Querschnitt des Erzeugnisses differenziert ausgebildeten Bereiche sehr klein wären, besteht die Gefahr, dass bei der Verformungstemperatur eine HorlDgenisierung des Gefüges eintritt. Dies kann dadurch vermieden werden, dass die Verformungstemperatur im Beständigkeitss bereich des -Eisens unterhalb der G-0-S-Linie des Eisen-Kohlenstoff-Diagrammes erfolgt-. In diesem Falle ist das.x-Eisen des weicheren Werkstoffes auf Grund seines Atomgitters nicht in der Lage, insbesondere den Kohlenstoff des härteren Eisenwerkstoffes aufzunehmcn.
• Bei der genannten Verformungstemperatur erfolgt die Verformung zweckmässig besonders vorsichtigt, also zum Beispiel beim Schmieden oder Walzen mit stets nur geringen Stichabnahmen und gegebenenfalls Nacherwärmungen. Unkritischer ist die Verformung, wenn man für den Eisenwerkstoff geringerer Festigkeit einen maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,02% wählt und die Verformungstemperatur so wählt, dass sie für den Eisenwerkstoff höherer Festigkeit im Bestandigkeitsbereich des; Eisens liegt. In diesem Falle könnte man zum Beispiel bei einem C-Gehalt des Eisenwerkffes höherer Festigkeit von über 0,45% und einer Verformungstemperatur von zum Beispiel 8000C für den weicheren Eisenwerkstoff das 13~c-Eisen beständig erhalten, wohingegen der härtere Eisenwerkstoff oberhalb der Linie G.O-S verformt würde und damit nicht der Gefahr des Schwarzbruches unterleigen würde.
• Die erfindunsgemäss hergestellten Erzeugnisse haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, zumal sie sich durch eine besondere Härte auszeichnen. So gelingt es zum Beispiel, hiernach stark auf Verschleiss und Biegung hergestellte Schneidklingen herzustellen, die nach einer Oberflächenätzung mit Salpetersäure eine damastähnliche und auch ornamental gestaltungsfähige Struktur zeigen. Die Stahlerzeugnisse zeigen auch bei lang anhaltender Beanspruchung praktisch keine Ermüdungserscheinungen, so dass sie sich besonders für der Dauerbelastung unterlegende Gegenstände eignen. Die Möglichkeiten der ornamentalen Gestaltungsfähigkeit lassen sich noch erweitern, wenn man.ergänzend in Bahnen bzw. Schichten nichtrostende Stählen, gegebenenfalls auch andere Metalle, wie zum Beispiel Kupfer, aufträgt. Auch kann das geometrische Bild durch die Aufbringung der einzelnen Bahnen in Form von Schlangenlinien belebt werden.
• Neben der erfindungsgemäss gegebenen Möglichkeit des Auftragens der Eisenwerkstoffe in parallel zueinander verlaufenden Bahnen, wobei die einzelnen Bahnen wechselweise aus zwei Eisenwerkstoffen derart aufgebracht werden, dass in aufeinanderfolgenden Schichten jeweils die Bahnen aus dem Eisenwerkstoff höherer Festigkeit über denjenigen aus dem Eisenwerkstoff geringerer Festigkeit und umgekehrt schachbrettartig liegen, kann man auch jeweils eine Bahn durch mehrfache Auftragung erzeugen. Dies ermöglicht es, den Bereich des örtlich begrenzten Schmelzflusses erheblich kleiner zuhalten, als bei dem Auftragen einer einzelnen Bahn mit von vornherein grösserem Querschnitt in einem einzigen Arbeitsgang.
• Bei zahlreichen Stahlerzeugnissen können in der Praxis in mehreren Ebenen Spannungszustände auftreten, die eine bleibende Durchliegung zur Folge haben. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Ausgangsmaterial für derartige Stahlerzeugnisse dadurch hergestellt, dass die Auftragung der Eisenwerkstoffe in jeweils einer Schicht in parallel zueiander verlaufenden Bahnen eS6lgt, wobei die einzelnen Bahnen wechselweise aus zwei Eisenwerkstoffen aufgebracht werden, und wobei die Bahnen der jeweils folgenden Schicht die Bahnen der voraus gehenden Schicht kreuzen. Somit wird ein räumliches Gitter geschaffen, auf Grund dessen das fertige Stahlerzeugnis Beanspruchungen der genannten Art einen besonders grossen Widerstand entgegensetzen kann. Die Krauzungswinkel sollen dabei nicht zu klein gewählt werden, damit die räumlich differenzierte Struktur erhalten bleibt. Am besten gelingt dies, wenn man die Bahnen aufeinanderfolgender Schichten sich rechtwinklig krauzen lässt.
• Die Auftragung der Eisenwerkstoffe erfolgt zweckmässig durch Schweißen. Hier bietet sich insbesondere die an sich bekannte, elektrische Auftragung mittels Schweißelektroden an. Die spezi-2.
• fische Stromstärke in Ampere je mm wird dabei in Abhängigkeit vom Durchmesser der Elektroden derart gewählt, dass ihr Zahlenwert zwischen den Zahlenwerten (Elektroden in mm) 2,5 und (Elektroden in mm)2 liegt.
• 5 In der Praxis handelt es sich vor allem um Schweißelektroden im Durchmesserbereich zwischen 5 und 10 mm, mit denen gute Ergebniete erzielbar sind.
• Die sich an die Erzeugung des Blockes anschliessende Warmverformung wird mit einer wenigstens 80 % betragenden Querschnittsverminderung durchgeführt. Auf diese Weise läst sich einerseits noch ein genügend differenziertes Makrogefüge erzielen, während andererseits das Erstarrungsgefflge zu einem befriedigenden Verformungsgefüge umgewandelt wird.
• In einem Ausführungsbeispiel derErfindung wurden zwei Eisenwerkstoffe mit Festigkeiten von 37 Kg/mm2 und etwa 80 Kg/mm2 in Form von Schweißelektroden für die Erzeugung eines Blockes vorgesehen. Der Schweißelektrodenwerkstoff höherer Festigkeit hatte einen geringen Molybdänzusatz in blicher Höhe. Der Durchmesser der Elektroden betrug 5 mm. Jeweils eine Bahn wurde durch zweifache Auftragung mitdem gleichen Schweißwerkstoff bei einer Stromstärke von 120 Ampere erzeugt. In allen Auftragsschichten lagen die Bahnen zueinander parallel, doch wechselten sich innerhalb einer Schicht die Bahnen aus dem Eisenwerkstoff geringerer Festigkeit mit den Bahnen aus dem Eisenwerkstoff höherer Festigkeit derart ab, dass sich im Querschnitt eine versetzte, sogenannte 8chachbrettanordnung ergab..Der mit einer Kantenlänge von 30 mm erzeugte Block wurde durch Schmieden zunächst ohne und dann mit Breitung gereckt, so dass der Endquerschnitt nach der Warmverformung das Format 3 x 30 mm besaß. Aus diesem Vormaterial wurden alsdann durch Formschmieden und Schleifen Schneidklingen hervorragender Elastizität und Härte hergestellt.
• Einige Möglichkeiten des Aufbaus der Blöcke seien anhand der Zeichnung schematisch veranschaulicht. So zeigt: Fig. 1 den schichtweisen Aufbau eines Blockes aus unterschiedlichen Schichten eines härteren Eisenwerkstoffes 1 und eines weicheren. Eisenwerkstoffes 2. Jede einzelne Schicht ist in sich homogen.
• zeigt/ Fig. 2/ en Aufbau eines Blockes, bei welchem die einzelnen Schichten durcheinander abwechselnde Bahnen aus dem Eisenwerkstoff geringerer Festigkeit 2' und dem Eisenwerkstoff höherer Festigkeit 1' bestehen, so dass sich für den Querschnitt 3 ein Schachbrettmuster ergibt, wohingegen die Draufsicht und die Seitenansicht ein Streifenmuster zeigen.
• Fig. 3 zeigt schliesslich einen Block, bei dem die Bahnen zweier aufeinanderfolgender Schichten im rechten Winkel zueinander stehen. Der Querschnitt 3! lasse aufeinanderfolgend homogenen Bahnen 1 " und heterogene Bahnen 5 erkennen, wobei die homogenen Bahnen aus dem Eisenwerkstoff höherer Festigkeit und die heterogenen Bahnen abwechselnd aus den Eisenwerkstoffen geringerer und höherer Festigkeit bestehen.
• Die Sitenansicht 4 zeigt grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die Querschnittsansicht 3', jedoch sind die einzelnen Schichten gegenüber dem Querschnitt 3' um die Höhe einer Schicht versetzt. In der Draufsicht 6 erkennt man schliesslich wiederum die parallel zueinander verlaufenden Bahnen 1 " und 2 iii wechselnder Anordnung aus den beiden Eisenwerkstoffen.

Claims (14)

Paten ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von auf Biegung beanspruchten Stahlerzeugnissen, dadurch gekennzeichnet, dass Eisenwerkstoffe, die bei gleicher Behandlung unterschiedliche Festigkeitswerte besitzen, in örtlich begrenztem Schmelzfluss wechselweise zur Erzeugung eines Vorblockes ausgetragen werden, der alsdann einer Warmverformung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlerzeugnisse nach der Warmverformung in an sich bekannter Weise weiterverarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenwerkstoff höherer Festigkeit durch Abschreckung härter ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennsefohnet, dass die Verformung im Beständigkeitsbereich des Eisens beider Eisenwerksoffe unterhalb der G.O-S-Linie des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms erfolgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisnnwerkstoff geringerer Festigkeit einen maximalen Kohlenstoff-Gehalt von 0,02% besitzt und dass die Verformungstemperatur so gewählt wird, dass sie fflr den Eisenwerkstoff höherer Festigkeit im Beständigkeitsbereich des γ -Eisens oberhalb der G-O-S-Linie liegt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennaeiahnot, dass das Auftragen der Eisenwerkstoffe schichtweise erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenna4iohnt, dass das Auftragen der Eisenwerkstoffe in parallel zueinander verlaufenden Bahnen erfolgt, wobei die einzelnen Bahnen wechselweise aus zwei Eisenwerkstoffen derart aufgebracht werden, dass in aufeinanderfolgenden Schichten jeweils die Bahnen aus.dem Eisenwerkstoff höherer Festigkeit über denjenigen aus dem Eisenwerkstoff geringerer Festigkeit und umgekehrt liegen.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung der Eisenwerkstoffe in jeweils einer Schicht in parallel zueinander verlaufenden Bahnen erfolgt wobei die einzelnen Bahnen wechselweise aus zwei Eisenwerkstoffen aufgebracht werden, und wobei die Bahnen der jeweils folgenden Schicht die Bahnen der vorausgehenden Schicht kreuzen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bahnen aufeinanderfolgenderSchichten rechtwinkli kreuzen.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnest, dass jeweils eine Bahn durch mehrfache Auftragung erzeugt wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennseichnat, dass die Auftagung der Eisenwerkstoffe durch SchweiBung erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung elektrisch mittels Schweißelektroden erfolgt, 2 wobei die spezifische Stromstärke in Ampere je mm zwischen den Werten (Elektroden 2 in mm)2 und 2,5 (Elektroden in mm)2 5 liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißelektroden im Durchmesserbereich zwischen 5 und 10 mm liegen.

14. Verfahren nachvden Ansprüchen 1 bis 13, dqdurch gekennzeichnet, dass die Warmverformung mit einer wenigstens 80 ß betragenden Querschnittsverminderung durchgeführt wird.