DE19963973C1

DE19963973C1 - Verfahren zum Bainitisieren von Stahlteilen

Info

Publication number: DE19963973C1
Application number: DE19963973A
Authority: DE
Inventors: Lothar Foerster; Michael Michalski; Andreas Becht; Karl-Otto Englert; Michael Czeringer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-12-31
Filing date: 1999-12-31
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2020-01-01
Also published as: WO2001049888A1; JP5231700B2; JP2004510048A; DE50010362D1; EP1248862A1; WO2001049888A9; EP1248862B1; US6843867B1; ATE295901T1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bainitisieren von Stahlteilen vorgeschlagen. Dazu wird zunächst ein Austenitisieren der Stahlteile und anschließend eine Abschreckung der Stahlteile auf eine Start-Temperatur (T¶2¶) vorgenommen, die oberhalb der Martensit-Starttemperatur (T¶M¶) der Stahlteile liegt. Danach erfolgt zunächst ein erstes isothermes Lagern der Stahlteile bei der Start-Temperatur (T¶2¶) über einen ersten Zeitraum (DELTAt¶iso,¶ ¶1¶). Anschließend erfolgt ein zweites, isothermes Lagern der Stahlteile über einen zweiten Zeitraum (DELTAt¶iso,¶ ¶2¶) bei einer Finish-Temperatur (T¶3¶), die oberhalb der Start-Temperatur (T¶2¶) liegt. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich besonders zum schnellen Bainitisieren von Stahlteilen, wobei ein reines Bainit-Gefüge erreicht werden kann, und sich die Kernhärte der erhaltenen Stahlteile durch die Start-Temperatur (T¶2¶), die Finish-Temperatur (T¶3¶), die Dauer des ersten Zeitraumes (DELTAt¶iso,¶ ¶1¶) und die Dauer des zweiten Zeitraumes (DELTAt¶iso,¶ ¶2¶) einstellen läßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bainitisieren von Stahlteilen nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Unter "Bainitisieren" versteht man eine Wärmebehandlung von Stahl, die zunächst ein "Austenitisieren" des Stahles, eine nachfolgende Abschreckung auf eine Temperatur oberhalb der sogenannten "Martensit"-Starttemperatur und ein Halten des Stahles auf dieser Temperatur über eine vorgegebene Zeit umfaßt.

Mit dieser Vorgehensweise, die auch als "isothermische Umwandlung" von Austenit in Bainit bezeichnet wird, ist es möglich, einen Stahl zu erhalten, der, je nach Zielsetzung und über die Temperatur und Haltedauer steuerbar, vollständig oder teilweise von einem austenitischen Gefüge in ein bainitisches Gefüge umgewandelt worden ist.

Hinsichtlich weiterer Details zum Austenitisieren und die erläuterte Bainitisierung von Stahl, die an sich seit langem bekannt sind, sei beispielsweise auf E. Zimmermann, "Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung", Hermann Schrödel Verlag, 1962, Seiten 38, 39 und 74 bis 79, verwiesen.

Das Austenitisieren von Stahl, eine anschließende Abschreckung und die isothermische Umwandlung von Austenit in Bainit oberhalb der Martensit-Starttemperatur ist weiter beispielsweise auch aus US 5,628,045 bekannt.

Die Bainitisierung von zuvor austenitisierten Stählen erfolgt bisher weiter vielfach in Bädern, sogenannten Salzwarmbädern. Dazu wird der Stahl nach der Abschreckung vom Beginn der Bainit-Umwandlung (sogenannter Bainit-Start) bis zum Ende der Bainit-Umwandlung (sogenannter Bainit- Finish) bei einer konstanten Temperatur und einer ent sprechenden, geeignet gewählten Haltezeit in diesem Salzwarmbad ohne Unterbrechung gelagert.

Schließlich wurde auch bereits vorgeschlagen, den zu bainitisierenden Stahl nach Ablauf einer definierten Verweilzeit in dem Salzwarmbad in einen mit Umluft betriebenen Halteofen umzusetzen, um somit eine vollständige Umwandlung von Austenit in Bainit zu erreichen. Der Halteofen weist dazu die gleiche Temperatur auf wie das Salzwarmbad.

Darüber hinaus ist aus DE 29 39 380 A1 bekannt, einen Werkstoff in einer Zwischenstufenvergütungsanlage aus einem Härteofen kommend in einem Warmbad mit geeigneter Temperatur abzuschrecken, und danach die Werkstücke aus dem Warmbad zu entnehmen und in eine temperierte Halte zone zu überführen, wo sie die für die Gefügeumwandlung erforderliche Zeit verweilen. Die Temperatur der Halte zone, die im konkreten ein Heißgasbehälter ist, kann weiter höher, gleich oder niedriger als die Temperatur des zum Abschrecken benötigten Warmbades gewählt sein.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bainitisieren von Stahl teilen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit eine zumindest nahezu vollständige Umwandlung von Austenit in Bainit, d. h. ein rein bainitisches Gefüge, erreichbar ist, wobei gleichzeitig die Härte der danach erhaltenen Stahlteile in einfacher Weise durch die Verfahrensparameter steuerbar ist. Insbesondere weisen die erhaltenen Stahlteile verbesserte Festigkeitseigenschaften, beispielsweise hinsichtlich einer pulsierenden Druck- Schwell-Belastung, auf.

Weiter ist vorteilhaft, daß durch das erfindungsgemäße Ver fahren die bisher erforderliche Zeit zur Umwandlung von Austenit in Bainit deutlich verkürzt werden kann. Somit ergeben sich auch erhebliche Kostenvorteile bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Vorteilhaft ist weiter, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise in der Serienfertigung einsetzen läßt, ohne daß wesentliche Eingriffe in bestehende Fertigungsabläufe oder Investitionen in Fertigungsanlagen erforderlich wären.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist weiter vorteilhaft die Abschreckung von Serienchargen von Stahlteilen bei niedrigen Salzbadtemperaturen unter gleichzeitiger Erzeugung von möglichst reinem Bainit, d. h. ohne Anteil von kontinuierlichem Bainit, möglich, wobei zudem eine gleichmäßige Abschreckintensität innerhalb einer Charge erzielt wird. Insbesondere wird durch die Wahl der Start- Temperatur T₂, die bevorzugt wenig oberhalb der Martensit- Starttemperatur T_M liegt, vorteilhaft vermieden, daß in dem ZTU-Bild beim Abschrecken der Perlit-Gefügebereich durchlaufen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist vorteilhaft, daß die Kernhärte der nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Stahlteile durch die Dauer des ersten Zeitraumes, d. h. des Haltens in dem ersten Salzwarmbad oder Ölbad, und auch die Temperatur des ersten Salzwarmbades eingestellt werden kann. Dabei gilt generell, daß die Kernhärte des erhaltenen bainitischen Gefüges der Stahlteile desto geringer ist, je kürzer die Verweildauer im ersten Salzwarmbad gewählt wird.

Gleiches gilt vorteilhaft auch für das Umsetzen der Stahlteile in einen Halteofen nach dem Umluftprinzip bzw. in ein zweites Salzbad mit erhöhter Temperatur des zweiten Zeitraumes. Auch in diesem Fall ist die Kernhärte des erhaltenen, bevorzugt rein bainitischen Gefüges der Stahlteile eine Funktion der Finish-Temperatur und der Dauer dieses zweiten Zeitraumes.

Da es sich bei der Umwandlung eines Austenit-Gefüges in ein Bainit-Gefüge um eine exotherme Reaktion handelt, kann weiter vorteilhaft die entstehende Reaktionswärme dazu genutzt werden, die Stahlteile nach Abschluß des ersten Zeitraumes von einer Start-Temperatur T₂ auf eine Finish- Temperatur T₃ zu erwärmen, auf der die Stahlteile dann über die Dauer des zweiten Zeitraumes gehalten werden. Damit ergibt sich eine Energieersparnis und ein schnelles und gleichmäßiges Erwärmen der Stahlteile.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Die Figur zeigt eine Prinzipskizze eines sogenannten "ZTU- Bildes" (Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild) der Umwandlung von Austenit in Bainit mittels einer gestuften Bainitumwandlung.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird am Beispiel der Bainitisierung von Stahl des Typs 100Cr6, Werkstoff-Nr. 1.3505, erläutert.

Dazu werden zunächst Stahlteile dieses Typs in an sich bekannter Weise austenitisiert und danach ausgehend von einer Abschreck-Temperatur T₁ von 830°C bis 870°C, beispielsweise 850°C, in an sich bekannter Weise in einem ersten Salzwarmbad auf eine Start-Temperatur T₂ abgeschreckt, die oberhalb der Martensit-Starttemperatur T_M der Stahlteile liegt. Die Martensit-Starttemperatur T_M liegt im erläuterten Beispiel bei ca. 205°C bis 215°C.

Dies wird anhand der Figur erläutert, die in einem ZTU-Bild 5 zeigt, daß der Stahl zunächst als Austenit in einem Austenit-Gefügebereich 15 vorliegt, und zu einem Zeitpunkt t₀ von der Abschreck-Temperatur T₁ innerhalb eines Zeit raumes von typischerweise 5 s bis 15 s auf die Start- Temperatur T₂ abgeschreckt wird. Zu dem Zeitpunkt t₁ beginnt dann ein erster Zeitraum, der über eine Zeitdauer Δt_iso,1 an dauert, und währenddessen der Stahl bzw. die Stahlteile in einem ersten Salzwarmbad in an sich bekannter Weise bei der zumindest näherungsweise konstanten Start-Temperatur T₂ gehalten werden. Anstelle des Salzwarmbades kann im übrigen auch ein Ölbad treten.

In dem ZTU-Bild 5 ist weiter eingetragen, daß während des ersten Zeitraumes Δt_iso,1 der zuvor in dem Austenit-Gefüge bereich 15 vorliegende Austenit sich beginnt, in Bainit umzuwandeln. Dieser Beginn der Bainitumwandlung erfolgt, sobald die in dem ZTU-Bild eingetragene Umwandlungskurve 16, die den zeitlichen Verlauf der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Temperatur darstellt, in den Bainit umwandlungsbereich 13 eintritt.

Die Umwandlung von Austenit in Bainit ist abgeschlossen, sobald die Umwandlungskurve 16 in dem ZTU-Bild 5 den Bainit- Gefügebereich 12 erreicht, in dem die Stahlteile als reines Bainit-Gefüge vorliegen.

In dem ZTU-Bild 5 ist im übrigen weiter auch der Perlit- Gefügebereich 11 eingetragen, der bei der erfindungsgemäßen Bainitisierung durch gestufte thermische Umwandlung nicht durchlaufen wird.

Nachdem das isotherme Lagern der Stahlteile bei der Start- Temperatur T₂ über den ersten Zeitraum Δt_iso,1 zum Zeitpunkt t₂ in dem ersten Salzwarmbad abgeschlossen ist, werden die Stahlteile anschließend bei einer Finish-Temperatur T₃, die oberhalb der Start-Temperatur T₂ liegt, zumindest näherungsweise isotherm gelagert.

Dieses zweite, isotherme Lagern bei der Finish-Temperatur T₃ dauert über einen zweiten Zeitraum Δt_iso,2 an, der abgeschlossen ist, sobald zum Zeitpunkt t₃ der Bainit- Gefügebereich 12 erreicht ist, d. h. sobald eine zumindest nahezu vollständige Umwandlung von Austenit in reines Bainit erfolgt ist. Dabei sei betont, daß der Zeitraum Δt_iso,2 bzw. der Zeitpunkt t₃ auch, abweichend von der Darstellung in der Figur und beispielsweise aus Gründen der Prozeßstabilität, derart gewählt bzw. ausgedehnt sein kann, daß die Koordinate (t₃, T₃) innerhalb des Bainit-Gefügebereiches 12 liegt. Das Erreichen der Begrenzung des Bainit-Gefügebereiches 12 in der Figur während des zweiten Zeitraumes Δt_iso,2 ist somit lediglich als Minimalerfordernis für die Länge des zweiten Zeitraumes Δt_iso,2 zu verstehen.

Das zweite, isotherme Lagern der Stahlteile bei der Finish- Temperatur T₃ erfolgt beispielsweise in einem zweiten Salzwarmbad oder Ölbad oder alternativ auch in einem Halteofen, beispielsweise einem Halteofen nach dem Umluftprinzip.

Nach Abschuß der erläuterten gestuften Bainitumwandlung folgt dann in bekannter Weise die Ausfahrt, Kühlung und Reinigung der erhaltenen Stahlteile.

Im einzelnen wird in dem erläuterten Ausführungsbeispiel, nach dem Austenitisieren der Stahlteile, zunächst ein Abschrecken der zu behandelnden Charge in dem ersten Salzwarmbad bei einer Start-Temperatur T₂ von 215°C bis 230°C vorgenommen. Besonders bevorzugt ist eine Temperatur von 220°C.

Bei dieser Start-Temperatur T₂ werden die Stahlteile dann isotherm in dem ersten Salzwarmbad über den ersten Zeitraum Dt_iso,1 gelagert, der zwischen 5 min und 30 min, bevorzugt 20 min, andauert.

Danach erfolgt dann zum Zeitpunkt t₂ ein Umsetzen der Stahlteile in einen Halteofen nach dem Umluftprinzip, der eine Finish-Temperatur T₃ von 240°C bis 280°C, insbesondere 260°C, aufweist. Die Stahlteile werden dann bei dieser Finish-Temperatur T₃ über den zweiten Zeitraum Δt_iso,2 der zwischen 200 min und 400 min, bevorzugt 250 min bis 270 min, andauert, gelagert.

Alternativ kann anstelle eines Halteofens jedoch auch ein zweites Salzwarmbad mit der Finish-Temperatur T₃ eingesetzt werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver fahrens sieht weiter vor, daß die bei der Bildung des Bainit-Gefüges entstehende Reaktionswärme zumindest teilweise zum Erwärmen der Stahlteile von der Start- Temperatur T₂ auf die Finish-Temperatur T₃ bzw. zur Beheizung des Halteofens genutzt wird.

Insgesamt wird durch das erläuterte Verfahren eine deutliche Verkürzung der Gesamt-Bainitumwandlungszeit erreicht, die im erläuterten Ausführungsbeispiel nunmehr ca. 300 min beträgt.

Damit ergibt sich gegenüber bekannten Verfahren, d. h. dem isothermen Lagern der Stahlteile bei der Start-Temperatur T₂ bis zum Erreichen des reinen Bainit-Gefüges eine Zeit ersparnis von typischerweise ca. 60 min.

Die durch das erläuterte Verfahren hergestellten bzw. behandelten Stahlteile mit bainitischem Gefüge weisen abschließend eine gegenüber dem Ausgangsmaterial reduzierte Kernhärte von 650 HV10 bis 700 HV10 auf.

Gleichzeitig ergab sich eine deutliche Festigkeitssteigerung der Stahlteile bei pulsierender Druck-Schwell-Belastung.

Claims

1. Verfahren zum Bainitisieren von Stahlteilen, mit den Verfahrensschritten: a.) Austenitisieren der Stahl teile, b.) Abschreckung der Stahlteile auf eine Start- Temperatur (T₂), die oberhalb der Martensit-Start temperatur (T_M) der Stahlteile liegt, c.) zumindest nä herungsweise isothermes Lagern der Stahlteile bei der Start-Temperatur (T₂) über einen ersten Zeitraum (Δ_iso,1) und d.) zumindest näherungsweise isothermes Lagern der Stahlteile in einem Ofen, einem Salzwarmbad oder einem Ölbad bei einer Finish-Temperatur (T₃) ober halb der Starttemperatur (T₂) über einen zweiten Zeit raum (Δt_iso,2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das austenitische Gefüge der Stahlteile zumin dest weitgehend in ein insbesondere rein bainitisches Gefüge umgewandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als Start-Temperatur (T₂) eine Temperatur von 215°C bis 230°C eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß als Finish-Temperatur (T₃) eine Temperatur von 240°C bis 280°C eingesetzt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken gemäß Verfahrensschritt b.) und/oder das Lagern gemäß Verfahrensschritt c.) in einem ersten Salzwarmbad oder Ölbad erfolgt.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zeit raum (Δt_iso,1) über 5 Minuten bis 30 min andauert.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zeit raum (Δt_iso,2) über 200 min bis 400 min, insbesondere 250 min bis 300 min, andauert.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfah rensschritt d.) eine Kühlung der Stahlteile auf eine Temperatur (T₄) von 20°C bis 40°C erfolgt.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernhärte der Stahlteile über die Dauer des ersten und/oder zwei ten Zeitraumes (Δt_iso,1, Δt_iso,2) und/oder über die Start- Temperatur (T₂) und/oder die Finish-Temperatur (T₃) ein gestellt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bil dung des bainitischen Gefüges entstehende Reaktionswär me zumindest teilweise zur Erwärmung der Stahlteile, insbesondere während des in einem Ofen durchgeführten Verfahresschrittes d.), genutzt wird.