DE19839383A1 - Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von Stahl für torsionsbeanspruchte Federelemente - Google Patents
Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von Stahl für torsionsbeanspruchte FederelementeInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von Stahl für torsionsbeanspruchte Federelemente, wobei das Ausgangsmaterial mit einer Aufheizgeschwindigkeit von wenigstens 50 K/s aufgeheizt und austenitisiert und anschließend in mindestens einem Umformschritt umgeformt wird und wobei das Umformerzeugnis nach der Umformung bis unterhalb der Martensittemperatur zu Martensit abgeschreckt und anschließend angelassen wird. DOLLAR A Um zu einer Verbesserung der Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigenschaften des Federstahls zu kommen, und zwar in Beanspruchungsrichtung der torsionsbeanspruchten Federelemente, so daß sich eine beträchtliche Erhöhung der Schwingfestigkeit ergibt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Ausgangsmaterial auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur aufgeheizt und anschließend bei einer solchen Temperatur umgeformt wird, daß sich eine dynamische und/oder statische Rekristallisation des Austenits ergibt, und daß der derart rekristallisierte Austenit des Umformerzeugnisses abgeschreckt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von Stahl
für torsionsbeanspruchte Federelemente, wobei das Ausgangsmaterial mit einer Auf
heizgeschwindigkeit von wenigstens 50 K/s aufgeheizt und austenitisiert und an
schließend in mindestens einem Umformschritt umgeformt wird und wobei das Umfor
merzeugnis nach der Umformung bis unterhalb der Martensittemperatur zu Martensit
abgeschreckt und anschließend angelassen wird.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist bereits aus der DE 43 40 568 C2 be
kannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird Draht als Ausgangsmaterial mit einer
Geschwindigkeit zwischen 85 K/s und 100 K/s auf eine Temperatur oberhalb Ac3,
nämlich bis auf eine Temperatur von 860°C aufgeheizt und anschließend 10 bis 30
Sekunden gehalten, um einerseits eine restlose Umwandlung der Ferritstruktur in Au
stenit und andererseits eine homogene Verteilung des Kohlenstoffs im Austenit zu er
reichen. Zur Erzielung einer höheren Feinkörnigkeit erfolgt anschließend ein Umfor
men bei 860°C, wobei der Draht in einem ersten Walzstich ovalisiert, in einem zwei
ten Walzstich rundgewalzt und anschließend durch eine Kalibrierdüse getrieben
wird. Danach wird der Draht abgeschreckt und wieder angelassen. Die Ab
schreckung des Austenits zu Martensit erfolgt bei diesem bekannten Verfahren mit einer
Gefügestruktur, die nicht rekristallisiert ist. Die Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigen
schaften des nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Drahtes sind im Hinblick
auf eine erhöhte, für torsionsbeanspruchte Federelemente erforderliche Schwingfe
stigkeit verbesserungsfähig.
Aus der DE 195 46 204 C1 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Federelemen
ten aus einem Vergütungsstahl bekannt, bei dem eine thermomechanische Behand
lung des Ausgangsmaterials mit nachfolgenden Schritten durchgeführt wird:
- a) Das Ausgangsmaterial des Stahls wird im Austenitgebiet bei Temperaturen von 1050°C bis 1200°C lösungsgeglüht,
- b) unmittelbar anschließend wird eine erste Umformung oberhalb der Rekristal lisationstemperatur durchgeführt,
- c) unmittelbar anschließend wird unterhalb der Rekristallisationstemperatur, aber oberhalb der Ar3-Temperatur eine zweite Umformung durchgeführt,
- d) es werden weitere Umform- und Bearbeitungsvorgänge unterhalb der Re kristallisationstemperatur, aber oberhalb der Ar3-Temperatur durchgeführt, wobei eine minutenlange Haltezeit vorgesehen ist, und
- e) anschließend wird das Walzerzeugnis bis unterhalb der Martensittemperatur abgeschreckt und schließlich angelassen.
Die Abschreckung des Austenits zu Martensit erfolgt bei diesem bekannten Verfah
ren ebenfalls mit einer Gefügestruktur, die durch die Umformungen gemäß den vor
genannten Schritten c) und d) Wacht rekristallisiert ist. Da bei diesem bekannten Ver
fahren nicht nur unterhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt wird, sondern
vor dem Abschrecken bei hohen Temperaturen noch längere Haltezeiten vorgesehen
sind, ergibt sich im übrigen ein erhebliches Kornwachstum.
Nach Untersuchungen der Anmelderin führt die Anwendung des bekannten Verfah
rens zu einem feinnadeligen, jedoch stark texturierten Martensitgefüge mit in Walz
richtung guten Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigenschaften. Das bekannte Verfahren
ist daher für Federelemente geeignet, die in Walzrichtung einer Zug-/Druckbelastung
ausgesetzt sind, wie dies insbesondere bei Blattfedern der Fall ist.
Bei torsionsbeanspruchten Federelementen, wie Schraubenfedern und Stabilisatoren,
entspricht die Richtung der maximalen Belastung allerdings nicht der durch das vor
genannte Verfahren erzeugten Vorzugsrichtung maximaler Festigkeit. Daher ist eine
thermomechanische Behandlung, die zu einem nicht rekristallisierten, wenig erholten
Austenitkorn führt, bei Stählen für torsionsbeanspruchte Federelemente nicht ge
eignet und führt auch nicht zu einer Verbesserung der Schwingfestigkeit.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur thermomechani
schen Behandlung von Stahl für torsionsbeanspruchte Federelemente zur Verfügung
zu stellen, das zu einer Verbesserung der Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigenschaften
des Federstahls führt, und zwar in Beanspruchungsrichtung der torsionsbeanspruch
ten Federelemente, so daß sich eine beträchtliche Erhöhung der Schwingfestigkeit
ergibt.
Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist bei einem Verfahren zur thermo
mechanischen Behandlung von Stahl für torsionsbeanspruchte Federelemente erfin
dungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß das Ausgangsmaterial auf eine
Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur aufgeheizt und anschließend
bei einer solchen Temperatur umgeformt wird, daß sich eine dynamische und/oder
statische Rekristallisation des Austenits ergibt, und daß der derart rekristallisierte Au
stenit des Umformerzeugnisses abgeschreckt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Aufheizen in den Austenitbereich
bis über die Rekristallisationstemperatur in sehr kurzer Zeit, was den Austenitkörnern
keine Zeit läßt, zu gröberen Körnern zu wachsen. Durch die anschließende Umfor
mung im entsprechenden Temperaturbereich ergibt sich eine dynamische Rekristalli
sation (bei der Umformung) und/oder eine statische Rekristallisation (nach der Um
formung), was auch als Umkristallisation bezeichnet wird und im Ergebnis zu extrem
feinkörnigen Austenitkristalliten führt. Diese ultrafeinen rekristallisierten Kristallite
wandeln sich dann bei der nachfolgenden Abschreckung in ein extrem feinnadeliges
martensitisches Gefüge um. Nach der Abschreckbehandlung erfolgt schließlich ein
Anlassen auf die gewünschte Festigkeits-Zähigkeits-Kombination.
Der Unterschied der Erfindung zum Stand der Technik besteht im Ergebnis also darin,
den Austenit rekristallisieren zu lassen, im rekristallisierten Zustand einer Umformbe
handlung zu unterziehen, dann eine statische und/oder dynamische Rekristallisation
ablaufen zu lassen und schließlich den rekristallisierten Austenit zu Martensit abzu
schrecken.
Der durch das erfindungsgemäße Verfahren entstandene Martensit weist gegenüber
den Gefügen, die nach den bekannten Verfahren hergestellt worden sind, stark ver
besserte Festigkeits- bzw. Zähigkeitseigenschaften auf, und zwar in der Bean
spruchsrichtung von torsionsbeanspruchten Federelementen, so daß sich eine be
trächtliche Erhöhung der Schwingfestigkeit ergibt.
Vorzugsweise wird das Ausgangsmaterial induktiv mit Aufheizgeschwindigkeiten
von 80 bis 150 K/s auf Temperaturen zwischen 900°C und 1200°C aufgeheizt und
anschließend in mehreren, vorzugsweise vier Umformschritten mit einem logarithmi
schen Gesamtumformungsgrad von mindestens 0,1 umgeformt. Durch diese mehrma
lige statische und dynamische Rekristallisation beim bzw. nach dem Umformen wer
den die anfänglich feinen Austenitkristallite weiter gefeint.
Um den Austenitkristalliten zwischen den einzelnen Umformschritten keine Zeit zum
Wachsen zu geben, ist weiterhin vorgesehen, daß die Haltezeit zwischen den Um
formschritten jeweils sehr kurz, jedenfalls geringer als eine Minute ist. Vorzugsweise
sind nur einige Sekunden an Haltezeit zwischen den Umformschritten vorgesehen.
Die Umformung selbst läuft bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem
Temperaturbereich zwischen etwa 1000°C und 800°C ab, wobei das Material zwi
schen aufeinanderfolgenden Umformschritten wieder aufgeheizt werden sollte, um
die Rekristallisation zu ermöglichen.
Um das nach dem Abschrecken entstandene Martensitgefüge sogar noch weiter zu
verfeinern, ist außerdem vorgesehen, daß das Material erneut rasch austentisiert wird
und der so erzeugte Austenit wiederum nach weiterer Umformung oder auch ohne
Umformung erneut abgeschreckt wird. Auch eine Kaltverformung vor oder nach dem
Anlassen ist ohne weiteres möglich.
Als Ausgangsmaterial wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere ein
Silizium-Chrom-Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,35% bis 0,75% verwendet,
der mit Vanadium oder mit einem anderen Legierungselement mikrolegiert ist.
Die einzige Figur zeigt ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Einteilung der Temperaturachse allerdings
nicht maßstabsgetreu ist.
Das Ausgangsmaterial wird zu Beginn des Verfahrens von der Ausgangstemperatur
innerhalb weniger Sekunden induktiv bis auf 1080°C mit einer Aufheizgeschwin
digkeit zwischen 80 und 150 K/s aufgeheizt. Anschließend wird die Temperatur von
1080°C eine kurze Zeit lang gehalten und fällt dann bis auf etwa 1000°C. Sodann
folgen vier Umformschritte, jeweils in Form von Walzstichen, im Temperaturbereich
zwischen etwa 1000°C und 800°C, wobei zwischen den Walzstichen nur sehr
kurze Haltezeiten vorgesehen sind, um den Austenitkristalliten keine Zeit zum Wach
sen zu geben.
Nach jedem Walzstich wird jeweils wieder kurzfristig aufgeheizt, um die Temperatur
von etwa 1000°C zu erreichen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei der
Umformung ein logarithmischer Gesamtverformungsgrad von mindestens 0,1 erreicht.
Nach dem letzten Walzstich wird die Temperatur noch kurzfristig auf den Bereich
oberhalb 800°C angehoben und bei einem geringen Temperaturabfall kurz gehalten.
Anschließend erfolgt das schnelle Abschrecken bis auf Raumtemperatur mit einer Ab
schreckgeschwindigkeit größer 50 K/s und das anschließende Anlassen auf eine
Temperatur von etwa 380°C.
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Aus
gangsmaterial um einen Silizium-Chrom-Stahl, der mit Vanadium mikrolegiert ist und
einen Kohlenstoffgehalt von 0,45% bis 0,65% aufweist (58SiCrV6). Durch die Au
stenitisierung und Rekristallisation bei 1080°C und die Umkristallisation bei den vier
Walzstichen zwischen 1000°C und 800°C konnte ein ehemaliger Austenitkorn
durchmesser von 3,6 µm erreicht werden. Für dieses Material wurden auch bei Zugfe
stigkeiten von 2400 MPa noch Brucheinschnürungen < 40% gemessen. Für eine
Zugfestigkeit von 2280 MPa konnte die Torsionsdauerfestigkeit ohne eine Kugel
strahlbehandlung auf 700 ± 345 MPa gesteigert werden.
Die erreichbare Austenitkorngröße läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ohne weiteres beeinflussen. Wesentliche Parameter sind hierbei
- - die Legierungszusammensetzung, insbesondere der Vanadiumzusatz oder der Zusatz eines anderen Mikrolegierungselements,
- - die Austenitisierungstemperatur, die Aufheizzeit und die Haltezeit,
- - der Umformtemperaturbereich und die Haltezeit zwischen den Umform schritten,
- - die Anzahl der Umformschritte,
- - der logarithmische Gesamtumformgrad und
- - die Verteilung des Gesamtumformgrades auf die einzelnen Umformschritte.
Bei einem unter Verwendung des gleichen Federstahles (58SiCrV6) durchgeführten
Vergleichsversuch ließen sich durch induktive Vergütung Zugfestigkeiten von 2150
MPa mit ausreichenden Zähigkeiten (Brucheinschnürungen von < 40%) erreichen.
Dabei erfolgte die Austenitisierung bei 1000°C und das Anlassen bei 480°C. Für
dieses Material konnte eine Torsionsdauerfestigkeit von 700 ± 320 MPa ermittelt
werden. Der ehemalige Austenitkorndurchmesser als Maß zur Beschreibung der
Feinheit des Gefüges lag für die-untersuchte Variante bei 8,8 µm.
Durch Wahl einer niedrigeren Anlaßtemperatur zur Einstellung noch höherer Werk
stoffestigkeiten wurde die Verformungsfähigkeit des Materials unter die geforderte
Mindestgrenze herabgesetzt und das Material zur Herstellung von Tragfedern somit
unbrauchbar.
Im Ergebnis ergibt sich durch die Erfindung im Vergleich zur induktiven Vergütung
ein Zuwachs der dauerhaft ertragenen Spannungsamplitude von 8%. Für höhere
Werkstoffestigkeiten sind entsprechend noch bessere Dauerfestigkeiten gegeben.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß für das erfindungsgemäße Verfahren
auch die Wahl des Ausgangsmaterials von Bedeutung ist. Besonders geeignet ist als
Ausgangsmaterial mit Vanadium und/oder einem anderen Legierungselement mikro
legierter Stahl. Im übrigen sollte das Ausgangsmaterial ein solches sein, das nur wenig
Einschlüsse und/oder nur Einschlüsse mit einer minimalen Größe aufweist.
Claims (15)
1. Verfahren zur thermomechanischen Behandlung von Stahl für torsionsbeanspruch
te Federelemente, wobei das Ausgangsmaterial mit einer Aufheizgeschwindigkeit von
wenigstens 50 K/s aufgeheizt und austenitisiert und anschließend in mindestens ei
nem Umformschritt umgeformt wird und wobei das Umformerzeugnis nach der Um
formung bis unterhalb der Martensittemperatur zu Martensit abgeschreckt und an
schließend angelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial auf
eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur aufgeheizt und anschlie
ßend bei einer solchen Temperatur umgeformt wird, daß sich eine dynamische
und/oder statische Rekristallisation des Austenits ergibt, und daß der derart rekristalli
sierte Austenit des Umformerzeugnisses abgeschreckt und angelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial
mit einer Aufheizgeschwindigkeit zwischen 80 bis 150 K/s auf eine Temperatur von
mindestens 900°C, vorzugsweise zwischen 900°C und 1200°C aufgeheizt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aufheizung induktiv erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Um
formung in mehr als zwei, vorzugsweise in vier Umformschritten durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Um
formung mit einem logarithmischen Gesamtumformungsgrad von mindestens 0,1
durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit zwischen
zwei Umformschritten geringer als eine Minute ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Um
formung in einem Temperaturbereich zwischen etwa 1000°C und 800°C durchge
führt wird.
8. Verfahren nach einem Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mate
rial zwischen aufeinanderfolgenden Umformschritten wieder aufgeheizt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Umformerzeugnis nach dem Abschrecken noch mindestens ein weiteres Mal austeni
tisiert und anschließend wieder abgeschreckt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im austenitisierten Zu
stand eine Umformung mit mindestens einem Umformschritt durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das
Umformerzeugnis vor oder nach dem Anlassen kalt verformt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
Umformerzeugnis in einem Temperaturbereich bis unter Ac3, vorzugsweise bis 500°C
angelassen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als
Ausgangsmaterial ein Silizium-Chrom-Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen
0,35% bis 0,75%, insbesondere zwischen 0,45% bis 0,65% verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial
mit Vanadium und/oder einem anderen Legierungselement mikrolegierter Stahl ver
wendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als
Ausgangsmaterial ein solches verwendet wird, das nur wenig Einschlüsse und/oder
nur Einschlüsse mit einer minimalen Größe aufweist.
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