DE2109494C3

DE2109494C3 - Verwendung von Stählen als direkthärtbare Einsatzstähle

Info

Publication number: DE2109494C3
Application number: DE19712109494
Authority: DE
Inventors: Paul Gerhard Dipl.-Ing. Dressel; Klaus Dipl.-Ing. Vetter
Original assignee: STAHLWERKE SUEDWESTFALEN AG 5900 SIEGEN
Current assignee: STAHLWERKE SUEDWESTFALEN AG 5900 SIEGEN
Priority date: 1971-03-01
Filing date: 1971-03-01
Publication date: 1978-10-05
Also published as: FR2127889A5; CH569795A5; IT949741B; AT321339B; DE2109494A1; BE780058A; NL7202491A; GB1361563A; DE2109494B2

Description

für den Zweck nach Anspruch 1, wobei dessen Kernfestigkeit, gemessen an einer Probe von 30 mm Durchmesser nach Abschrecken in öl, mehr als 120 kp/mm² beträgt.

45

55

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Stählen als Einsatzstähle, die einer Direkthärtung zugänglich sind.

Unter Direkthärtung wird bekanntlich die Härtung von Stählen verstanden, die bei einer Temperatur oberhalb des oberen Uniwandlungspunktes A₃ aufgekohlt und aus diesem Temperaturbereich unmittelbar gehärtet werden (vgl. z. B. Werkstoffhandbuch Stahl und Eisen, 4. Auflage, S. N H, »Einsatzstähle«, insbesondere S. N 11-3).

Für die Direkthärtung ist derzeit hauptsächlich die Stahlmarke 20 MoCr 4 (Werkstoff-Nr. 1.7321) gängig. Nach DIN 17 210 hat dieser Stahl folgende Richtanalyse:

0.17 bis 0,22% Kohlenstoff,

0.15 bis 0,40% Silizium,

0,60 bis 0,90% Mangan,

0,30 bis 0,50% Chrom,

0,40 bis 0,50% Molybdän.

Direkthärter sind beruhigte Feinkornstähle (Werkstoffhandbuch, 4- AufInge, Blatt T 6-2).

Die Verbraucher dieser Stähle wünschten nun in zunehmendem Maße eine Erhöhung der Kernfestigkeit. Zur Erhöhung der spezifischen Belastbarkeit werden den Einsät/stählen Legierungselemente zugesetzt, die die Härtbarkeit steigern. Als Maß für diese Härtbarkeitssteigerung dient der Stirnabschreckversuch nach DlN 50 191 (Entwurf). Als bekannte Elemente zur Steigerung der Härtbarkeit werden beispielsweise Kühlenstoff, Mangan, Chrom, Nickel. Bor und Molybdän herangezogen. Die Entwicklung zu höherer Kernfestigkeit wird verdeutlicht durch einen Vergleich der beiden Einsatzstähle 20 MoCr 4 (Werkstoff-Nr. 1.7321) mit dem neueren Einsatzstahl 20NiMoCr 6 5 Werkstoff-Nr. 1.6757. Der Stahl 20 MoCr 4 erreicht bei 30 mm Rund im Kcrs- nach Abschreckung von 920 C in Öl eine Zugfestigkeil von etwa 80 bis 110 kp/mm"² und im Stirnabschreckversuch eine Härlbarkeilskennzahl von J 22 bis 35/10. d.h., im Stirnabstand 10mm liegen HRC-VVerte von 22 bis 35 vor (vgl. DIN 17 210). Der Stahl 20 NiMoCr 6 5 erreicht eine Kernfestigkeit \on 90 bis nOkp/mm² und eine Härtbarkeitskennzahl von J 30 bis 44/10.

Der Wunsch der Verbraucher geht nun nach noch weiter gesteigerter Härlb.irkeit. Es werden Härtbarkeitskennzahlen von mindestens J 40/10 und J 28/ 30 verlangt. Nach DIN 17 210 genügen /war die Stähle 18 CrNi 8, Werkstoff-Nr. 1.5920 und 17 CrNiMo 6, Werkstoff-Nr. 1.6587, auf Grund ihres erhöhten Gehaltes an Chrom und Nickel diesen Anforderungen, beide Stähle sind aber keine Direkthärter mehr, weil sich bei einer Direkthärtung der Austenit nur teilweise in Martensit umwandelt.

Bei Entwicklung von Stählen mit der gewünschten hohen Härtbarkeit stellte sich noch ein weiterer Nachteil heraus. Im Zuge der Serienfertigung von einsatzgehärtclen Teilen für den Fahrzeug- und Maschinenbau, wie Rohlinge für Zahnräder, Wellen u. dgl. ist eine spanabhebende Bearbeitung vor der Einsatzhärtung erforderlich. Um diese Bearbeitung vom technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus optimal zu gestalten, muß ein geeigneter Gefügezustand über eine Wärmebehandlung erzielt werden. Es handelt sich um ein Perlitisieren gemäß DIN 17 014. Bei den bekannten legierten Einsatzslählen ist diese Gcfügcumwandlung am wirtschaftlichsten durch eine isotherme Austenüiimwandlung in der Perlitstufe zu erreichen. Bei dem Einsatzstahl 20 MoCr 4 besteht eine derartige Glühbehandlung in einer bcschlcuiiigten Abkühlung von Temperaturen oberhalb Ac, bis auf 650 bis 660 C, mehrstündigem Halten auf dieser Temperatur und anschließend beliebiger Abkühlung; die so behandelten Stahlteilt; weisen dann ein Gefüge aus Ferrit und Lamellarperlit auf (Schwarz-Weiß-Gefüge).

Der Steigerung der Härtbarkeit von Einsatzstählen ist jedoch auch vom Gesichtspunkt des Perlitisierens eine Grenze gesetzt. Das dem Fachmann geläufige Standardwerk »Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle«, Düsseldorf, 1954/58, läßt erkennen, daß für die vollständige isothermische Umwandlung im Temperaturbereich der sogenannten »Pcrlilnase« die Umwandlungszeiten von 4 Minuten bei der Sorte 16 MnCr 5, Werkstoff-Nr. 1.713t über 6,5 Minuten bei der Sorte 15 CrMi 6, Werkstoff-Nr. 1.5919, auf 20 Minuten bei der Sorte 18CrNiS, Werkstoff-

Nr. 1.5920, ansteigen. Diese Slähle sind aber keine Direkthärter.

Es sei noch bemerkt, daß aus der deutschen Patentschrift 680 275 Stähle bekannt sind, die einen für untereutektoide Stähle gebräuchlichen Kohlenstoffgehalt, 0,35 bis 0,80% Silizium, 0,50 bis 0,70"/₀ Mangan und bis insgesamt 0,50% der Elemente Chrom, Wolfram, Molybdän oder Vanadium sowie bis zu 3"/„ Nickel enthalten können. Derartige Slähle sollen an ihrer Oberfläche bis auf einen Kohlenstoffgehalt aufgekohlt werden, welcher in der aufgekohlten Oberfläche unter Berücksichtigung der Legierungselemente eutekloide Zusammensetzung ergibt.

Darauf sollen die aufgekohlten Werkstücke auf eine Temperatur kurz oberhalb des oberen Umwandlungspunktes des nichtaufgekohlten Stahles erwärmt und in ruhender Luft abgekühlt werden, um damit den Kern zu regenerieren und in der aufgekohlten Oberfläche ein lamellar-perlitisches Gefüge zu erhallen.

Es findet demnach hier keine Härtung statt, welche eine der Bedingungen für Einsät/stähle ist und bei denen lamellarer Perlit in der aufgekohlten Fläche nicht auftritt.

Die GB-PS 763 398 betrifft einen Einsatzstahl, bestehend aus

0,05 bis 0,3 Vo C,
0,05 bis 1,0 Vo Si,
0,3 bis 1,5 ">/o Mn,
0,5 bis 2,5³A) Cr,
1,3 bis3°/oNi,
0,03 bis 0,25 Vo V,

Rest Eisen, einschließlich Verunreinigungen, mit dem das Problem der Neigung zur Rißbildung nach der Aufkohlung gelöst werden soll. Deshalb wird dem Stahl V zum Abbinden des C-Gehalts zulegiert.

Der obenerwähnte Direkthärtestahl mittlerer, aber für viele Fälle noch nicht ausreichender Härtbarkeit 20 NiMoCr 6 5 zeigt bei einem Beispiel mit 0.19 C, 0.28 Si, 0.75 Mn, 0.019 P, 0.010 S, 0.76 Cr, 0.49 Mo, 1.61Ni eine kürzeste Perlitisierungszeit von 4 Stunden (»Nickellegierte Einsatzstähle«, International Nickel, Druckschrift Nr. 21,1966).

Wenn man jedoch die Härtbarkeit an der oberen Grenze des Slrctibundes anstreben muß, treten Uniwandlungszciten bis zu 15 Stunden auf. Werden nun die zu pcrlitisiercnden Einzelteile — und das ist in jüngster Zeit in zunehmendem Maße der Fall — in sogenannten »Fertigungsstraßen« wärmehehandelt, so gehen diese Betriebe bevorzugt auf Durchlauföfen iiber. Werden bei der Umstellung auf Einsatzstähle mit erhöhter Härtbarkeit gleichzeitig die Perlitisierungszeiten erhöht, so müssen diese Fertigungsstraßen für geänderte Stahltypen auch mit erheblichen Kosten (z. B. Verlängerung der Öfen oder Absenken der Durchlaufgeschwindigkeit und somit Abfall der Leistung) auf die unerwünscht gestiegenen längeren Perlitisierungszeiten umgestellt werden.

Hier setzt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein. Sie besteht darin, einen Einsatzstahl zur Verfügung zu steilen, der aus der Einsatzbehandliing direkt-gehärtet wird, eine hohe Härtbarkeit, hohe Kernfestigkeit und ein den wirtschaftlichen Forderungen entsprechendes Perlitisierungsverhalten aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Stahles mit der Zusammensetzung

0,15 bis 0,25 "/„ Kohlenstoff. 0,50 bis l,00"/₀ Silizium, 0,50 bis 0,90% Mangan, 0,10 bis 0,80"/₀ Chrom, 0,30 bis 0.60"/₀ Molybdän. 1,20 bis 2,00"/Ό Nickel.

Rest Eisen mit den üblichen schmelzbedingten Verunreinigungen sowie mit üblichen komwachstumshemmenden Verbindungen,

wobei die Summe von "/„ Mn : "/,,Cr ■, 0,5¹V₁₁Ni : °/„ Md zwischen 2 und 3 liegt, als Einsat/siahl, der aus der Einsatzbehandliing direkt gehäricl wird und gleichzeitig hohe Härtbarkeit mit Härtharkcitskcnnzahlen nach DIN 50 191 von J ^ 40/10 und j ^28/30 eine Kernfestigkeit von mehr als UO kp/mm² — gemessen an einer Probe von 30 mm Durchmesser nach Abschrecken von 920° C in öl — und verbessertes Perlitisierungsverhalten nach Austenitisierung bei 920° C mit einer Umwandlungszeit in der Perlitstufe bei üblichen Temperaturen von höchstens 4 Stunden aufweist.

Dieser Stahl ist einmal ein ausgesprochener Direkthärter, d. h., er nimmt nach der Härtung von der Einsatztemperatur eine ausreichende Härte an und ist frei von unzulässigen, d. h. störenden Restaustenitgchalten.

Im Rahmen dieser Legierungsvorschriften wird ein Siliziumgehalt zwischen 0,65 und i.00"/_n bevorzugt.

Die bevorzugten Gehalte der übrigen Elemente sind folgende:

0,17 bis 0,22% Kohlenstoff,

0,55 bis 0,75% Mangan,

0,40 bis 0,65% Chrom,

0,30 bis 0,50»/₀ Molybdän,

1,50 bis 1.80% Nickel.

Hs ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß die maximale Schlagkraft im Schlagbiegeversuch nach lirugger (Prüfungsvorschrift nach Zahnradfabrik Friediichshafen [Archiv für das Eisenhüttenwesen 32 (1961), Nr. 8, S. 529IT.]) bei einsatzgehärteten Proben, die 9 Stunden bei 900 C in einem Kohlungsgranulal eingesetzt und in Hürteöl gehärtet und nachfolgend 2 Stunden bei 170 C mit nachfolgender Luftabkühlung angelassen sind, 5500 kp beträgt.

Die nachstehende Tabelle I zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Stahl erreichten Fortschritte gegenüber einigen herkömmlichen Stählen:

Tabelle

Stahlsorte	Wcrksti)IT-Nr.	Direkthärter	Härtbarkcilskcnn- zahlen	Kcmfestigkeil bei 30 mm .' (kp/mm'l	Pcrlitisicr/cit (h)
20 MoCr 4	1.7321	ja	J 20-35/10	80 bis 110	1 bis 4

Tabelle I (Fortsetzung)

Stahlsorte	WerksUilT-Nr.	P jrcki härter	Häriburkeiiskcnn- znhlcn	KcrnfcütiKkcit bei 30 mm	Perlit isiur/cii
				(kp.'mm^J)	Ch)
20 NiMoCr 6 5
zwischen maximalen
und minimalen Legie
rungswerten	1.6757	ja	J 30-44/10	90 bis 120	2 bis 15
			J 20-32/30
17 CrNiMo 6	1.6587	nein	J 37-47/10	110 bis 135	1 bis 4
			J 30-41/30
erlindungsgemäß zu ver
wendender Stahl	—	ja	J 40-47/10	110 bis 135	1 bis 4
			J 28-38/30

	C %	P "A,	Tabelle II	Chen Al 7„	isclie Zu: N "'„	.ammcnsc Mn 7»	(zung Cr 7„	Mo ¹Vn	Ni Ά,	Si 7.1
Schmelze	.21 .19 .19	.021 .009 .008	S "/»	.032 .036 048	.012 .009 .010	.78 .60 .63	.50 .49 .59	.45 .47 .46	1.67 1.80 1.79	.27 .25 .76
A "Ό NiMoCr 6 5		.027 .034 .026
B 20 NiMoCr 6 5
C erfindiingsgemäß

Tabelle I läßt erkennen, daß bei den herkömm- noch in Tabelle II an Hand der Schmelze A und B liehen Stählen mit steigender Kernfestigkeit entweder 30 erläutert.

die Eigenschaft als Direkthärter verlorengeht, oder daß die Perlitisieriingszeit — je nach Analysenschwankung innerhalb der festgelegten Grenzen und praktischen Betriebsbedingungen — unzulässige Werte erreicht. Diese Zusammenhänge werden im einzelnen

In der Tabellen sind zwei Schmelzen der Stahlsorte 20 NiMoCr 6 5 (A und B) einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Stahl »C« gegenübergestellt.

	Härlbarkcitskcnnzahlcn	Jx/30	Kürzeste	Kernfestigkeit (kn/mm^l ηπ Prohc	Max. Schlagkraft
	nach PIN 50 191	30	Umwandlungszeit in der Perlitstufc (h)	\ VX I'^IIIIIJ f Uli I 1 V-ZWW 30 mm α nach Ab schrecken von 920^J C in ftl	(Mp) Schlagbiege versuch nach Brugger
Schmelze		24	nach Austenitisicrung ' Τ bei 920 C und Umsetzen auf 650' C	III VJI
		35	bei A und B;
		auf 665⁰C bei C
		Bei diesen Tempe
		raturen werden
		jeweils die kürzesten
	J x/10	Umwandlungszeiten
	43	erreicht	118	6,0
A	35	6	102	5,3
B	45	2V₂	132	6,2
C	2V₂

Während bei Stahl »A« die Anforderungen an die Härtbarkeit und KLernfestigkeit erfüllt sind, ist die Umwandlungsdauer unerwünscht lang.

Bei Stahl »B« ist zwar das Umwandlungsverhalten günstiger, jedoch sind die Härlbarkeits- und Kernfestigkeitswerte unzureichend.

Demgegenüber erfüllt die Schmelze »C« alle speziell an die Erfindung gestellten und die für hochwertige (iinsalzstählc geltenden Anforderungen. Hs sei noch darauf hingewiesen, daß die Verbesserung der lügcnsch.iftcn von Schmelze "C" unter Anwendung \on Sili/iumgchiiltcn herbeigeführt wird, die für solche l.insiit/stiihlc ungewöhnlich hoch liegen. Die I rage des Sili/iiimgehallcs in Hinsalzstählcn ist erheblich !■x-cii-.fltiHl durch iriiherc Untersuchungen, wie sie z.H. bei Kanal/. »Die F.delsiühle«. I¹JfO. S. 264.

ί»:Ίgegeben sind.

Danach wird durch Silizium die F.inhärtungsticfe vergrößert, gleichzeitig wurde als feststehende Ansicht der Fachwelt ermittelt, daß »Silizium die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs in Eisen vermindert«.

Auf Grund dieser Feststellungen mußte der Fachmann finnehmcn, daß süiziumhaltigc Einsatzstähle eine beträchtlich verlängerte PcrlitisierungscVaiier haben wurden, da die Umwandlung bei dieser Politisierung auf Diffusionsvorgängen beruht. Im Rahmen der vorliegenden P.rfindung jedoch ist sowohl die Irhöluing der Hmhürliing durch Silizium ausnul/bar als auch eine technisch und wirtschaftlich tragbare und günstige l'crliiisierungsdaticr erreichbar.

Claims

Patentansprüche;

1. Verwendung eines Stahles mit der Zusammensetzung

0.15 bis 0,25¹V₀ Kohlenstoff.

0.50 bis 1,00»/„ Silizium,

0,50 bis 0,90% Mangan,

0,10 bis 0,80% Chrom,

0,30 bis 0,60"/„ Molybdän.

1.20 bis 2,00"/,, Nickel,

mit üblichen Feinkorn bildenden, kornwachstumshemmenden Verbindungen und Rest Eisen mit den üblichen schmelzbedingten Verunreinigungen, wobei die Summe von % Mn + % Cr + 0,5 · % Ni + % Mo zwischen 2 und 3 liegt, '⁵ als Einsatzstahl, der aus der Einsatzbehandlung direktgehärtet wird und gleichzeitig hohe Härtbarkeit mit Härtbarkeitskennzahlen nach DIN 50 191 von J ^ 40/10 und J ^ 28/30 eine Kernfestigkeit von mehr als 110 kp/mm² und verbessertes Perlitisierungsverhalten nach Austenitisierung bei 920° C mit einer Umwandlungszeit in der Perlitstufe von höchstens 4 Stunden aufweist.

2. Verwendung eines Stahles mit der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung und den Eigenschaften, jedoch mit einem Siliziumgehalt von 0,65 bis 1,00%. für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Stahles, bestehend aus

0,17 bis 0,22 % Kohlenstoff,
0,65 bis 1,00% Silizium,
0,55 bis 0,75 % Mangan,
0,40 bis 0,65% Chrom,
0,30 bis 0,50 % Molybdän,

1,50 bis 1,80% Nickel,
Rest Eisen, mit der Bemessungsregel für die Feinkornbildner und die Elemente Mn, Cr, Ni und Mo sowie die Einsatzbehandlung und Eigenschaften nach Anspruch 1,