DE2135885B2

DE2135885B2 - Verwendung eines Stahles zur Herstellung gutbearbeitbarer Teile, die aufgekohlt und dann abgeschreckt werden

Info

Publication number: DE2135885B2
Application number: DE19712135885
Authority: DE
Inventors: Harri Petteri Imatra Nevalainen (Finnland)
Original assignee: Ovako OY
Current assignee: Ovako Bar Oy
Priority date: 1970-07-21
Filing date: 1971-07-17
Publication date: 1980-09-18
Also published as: FI47909C; DE2135885A1; SE386460B; FI47909B; CA960065A; BE770305A; SU743585A3; DE2135885C3; GB1353762A; JPS515811B1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahles zur Herstellung von Teilen, die sich durch eine Kombination wertvoller Eigenschaften auszeichnen, nämlich gute Härtung des aufgekohlten Randes, sehr hohe Oberflächenhärte, ausreichende Kernfestigkeit, sehr gute Kernzähigkeit, besonders gute Bearbeitbarkeit und Zerspanbarkeit, gute Kaltverformbarkeit. Feinkörnigkeit, die sich zur direkten Abschreckung in Wasser eignet, und geringe Maßänderungen bei der Einsatzhärtung. Eine solche Kombination von Eigenschaften erfüllt die Voraussetzungen, die an einen idealen F.insatzstahl gestellt werden:

1) Gute Härtbarkeit des aufgekohlten Randes isl notwendig, um an der Oberfläche des Werkstücks beim Abschrecken nach der Einsatzhärtung eine ausreichend harte Schicht von kohlenstoffrcichem Martensit zu erhalten. Da die Verschleißfestigkeit der martensitischcn Mikrosti ktur direkt proportional der Härte des Martensits ist, ist eine größtmögliche Oberflächenhärte günstig. Im allgemeinen solite die Oberflächenhärte dem Mindesterfordernis von 700 HV (60 HRC) genügen.
2) Ausreichende Kernfestigkeit ist notwendig, um die spröde Oberflächenschicht zu tragen und dem Werkstück genügende statische Festigkeit zu verleihen. Angesichts der günstigen Druckfestigkeit in der aufgekohlten Schicht beträgt die ideale ίο innere Härte etwa 360 HV(U77 N/mm²).

3) Gute Kernzähigkeit ist in besonderen Fällen notwendig, um ausreichende Sicherheit gegen Sprödbruch zu erzielea Eine typische spezielle Anwendung ist die Einsatzhärtung von Schneeketten. Teure Nickeistähle werden bisher für die meisten Zwecke, bei denen hohe Beanspruchungen auftreten, auf Grund der Fähigkeit von Nickel verwendet, die Zähigkeit zu verbessern.

4) Gute Bearbeitbarkeit und Zerspanbarkeit ist sehr wichtig für die wirtschaftliche Verwendung des Einsatzsiähis, da der überwiegende Teil der im Einsatz zu härtenden Werkstücke heute spanabhebend bearbeitet wird.

5) In ständig steigendem Umfange werden einsatzge-2^ri härtete Werkstücke durch Kaltverformung hergestellt, die viel wirtschaftlicher ist a's die spanabhebende Bearbeitung. Ein idealer Einsatzstahl sollte sich somit auch für die Kaltverformung eignen.

6) Maßänderungen finden bei der Einsatzhärtung aus jo verschiedenen Gründen immer statt. Da ein

einsatzgehärtetes Werkstück nur durch Schleifen bearbeitet werden kann, sind minimale Maßänderungen von einem guten Stahl bei der Einsatzhärtung zu verlangen.

j) 7) Das wirtschaftlichste Einsatzhärtungsverfahren ist das sogenannte direkte Härten, wobei das Werkstück unmittelbar aus der Aufkohlungstemptratur abgeschreckt wird. Um den Stahl bei längerem Glühen während der AufkoUung feinkörnig zu

in halten, muß ein sogenannter feinkörniger Stahl verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines Stahles, der

⁴' nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff,
0,5 bis 2,0% Mangan,
nicht mehr als t ,0% Silicium,
2,0 bis 5,0% Chrom,
0,025 bis 0,1% Schwefel,
nicht mehr als 0,1% Niob,
nicht mehr als 0,05% gelöstes Aluminium,
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen

γ-, enthält, zur Herstellung von Teilen, die gut bearbeitbar sind, aufgekohlt und unmittelbar nach der Aufkohlung abgeschreckt werden.

Legierungen, die bis zu 1% Kohlenstoff, bis zu 1,5% Mangan, 1 bis 5% Chrom, 1 bis 4% Silicium und bis zu

ho 0,04% Schwefel neben Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen enthalten, sind an sich aus der DE-OS 40 033 bekannt, ohne daß dort jedoch ein Hinweis gegeben wird, diese Legierungen zur Herstellung von Teilen zu verwenden, die gut bearbeitbar sind,

h'i aufgekohlt und unmittelbar nach der Aufkohlung abgeschreckt werden.

Frfindungsgemäß wurde jetzt festgestellt, daß die Verwendung dieser Legierungen als Einsatzslähle

große Vorteile bringt gegenüber den bisher verwendeten, von denen die besten die Nickelstähle mit einem Nickelgehalt im Bereich von 1,5 bis 4,5% sind. Gute Zähigkeitseigenschaften werden zwar bei Nickelstählen erzielt, jedoch haben sie viele Nachteile. Beispielsweise ist ihr Preis hoch, ihre Bearbeitbarkeit und Zerspanbarkeit schlecht, ihre Oberflächenhärte gering (empfindlich gegenüber zu starker Aufkohlung), und sie sind für das direkte Abschrecken ungeeignet Für das direkte Abschrecken besonders gut geeignet ist ein Stahl mit ι ο 0,5% Mo und 0,5% Cr. Molybdänlegierte Stähle erwiesen sich als gut Ihre einzigen Nachteile sind der hohe Preis und die schlechte Härtung des Kerns.

In den erfindungsgemäß zu verwendenden Stählen sind die obengenannten vorteilhaften Eigenschaften erfolgreich vereinigt, wobei gleichzeitig die Nachteile der nickellegierten Stähle, die heute als die besten Einsatzstähle gelten, vermieden werden können. Die ausreichende Härtung der Oberfläche und des Kerns wird durch Elemente erzielt, die die Härtung stark steiger«, beispielsweise durch Mangan und Chrom, wobei sich Gehalte von 1,0 bis 2,0% für Man^n und 2,0 bis 5,0% für Chrom als vorteilhaft erwiesen haben, während Gehalte von 0,5 bis 1,0% für Mangan und 2,0 bis 3,0% für Chrom bevorzugt werden. 2 >

Zur Aufrechterhaltung einer guten Zähigkeit des Kerns, auch wenn dieser vollständig martensitisch ist, muß der Kohlenstoffgeha!* bei dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl sehr niedrig unter 0,08% gehalten werden, während er bei gewöhnlichen Einsatzstählen im in Bereich von 0,10 bis 0,25% liegt. Auf Grund seines niedrigen Kohlenstoffgehaltes und der weiteren Legierungszusätze ist der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl durch geringe Festigkeit gekennzeichnet, die durch langsame Kühlung erzielt wird, wie die Versuchs- i~> ergebnisse zeigen. Beispielsweise ist Stahl im warmgewalzten Zustand auf Grund seiner geringen Festigkeit und guten Zähigkeit besonders gut für die Kaltverformung geeignet. Auf Grund der Kaltverformbarkeit ist ein vorteilhaftes Merkmal außerdem die geringere w Neigung des Stahls zur Kaltverfestigung während der Kaltverformung. Auf Grund des geringen KOhlenstoffgehalts und des damit verbundenen niedrigen Carbidgehalts ist auch seine Bearbeitbarkeit ausgezeichnet. Seine bessere Bearbeitbarkeit besonders durch Walzen beruht ·»"> auf der Einstellung des Schweftlgehalts auf eine geeignete Konzentration von vorzugsweise 0,025 bis 0,05%.

Angesichts der Maßänderungen ist es wichtig, daß die Zersetzungsreaktionen (J js Austenits in der kohlenstoff- ~>" reichen Randschicht und im Kern des Werkstücks zu verschiedenen Zeiten stattfinden. Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl hat auf Grund des niedrigen Kohlenstoffgehalts und der weiteren Legierungszusätze eine besonders hohe Ms-Temperatur, die durchschnitt- v>

Tabelle 2 F-'cstigkcitswcrte, die bei Vcrsuchsgüsscn durch verschiedene Wiirmebehiindking erzielt wurden

Hch 500⁰C beträgt oder um etwa 30° bis 40⁰C höher ist als bei üblichen Einsat/stählen, Oie Ms-Tsrnperatur der kohlenstoffreichen Oberfläche ist dagegen bei allen Einsatzstählen fast die gleiche, wenn der Kohlenstoffgehalt des Randes gleich ist Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl hat somit ein größeres für die Austenitzersetzung im Kern auszunutzendes Intervall als die üblichen Einsatzstähle unter gleichen Kühlbedingungen, bevor die Bildung von Martensit im Rand beginnt Diese Tatsache hat geringere Maßveränderungen zur Folge. Der niedrige Kohlenstoffgehalt des Kerns als solcher ist ebenfalls bezüglich der Maßänderungen vorteilhaft Der Unterschied zwischen dem spezifischen Volumen des polygonalen Ferrits im Ausgangszustand und des beim Abschrecken gebildeten Martensits ist nämlich um so geringer, je niedriger der Kohlenstoffgehalt des Stahls ist

Die chemischen Verbindungen der beiden Legierungselemente Niob und Aluminium, nämlich Niobcarbid (NbC) und Aluminiumnitrid (AJN), sind bei den Temperaturen der Einsatzhärtung besonders beständig. Die Carbid- und Nitridabscheidungen in der Mikrostruktur verhindern wirksam das Kornwachstum während der Aufkohlung. Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl ist somit ein sogenannter feinkörniger Stahl und damit auch zum direkten Abschrecken geeignet

Nachstehend werden die Ergebnisse von Versuchen genannt, die mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl durchgeführt wurden. Diese Ergebnisse zeigen, daß mit diesem als Einsatzstahl eine Kombination von günstigen Eigenschaften erzielbar ist, wie sie mit allen heute allgemein verwendeten Einsatzstählen nicht erreichbar ist.

Die in der nachstehenden Tabelle 1 genannten Gehalte an Mo, Cu und Nb sind den Verunreinigungen zuzuordnen.

Tabelle 1	der bei den Versuchen ve:wen-	517984 (M)
Zusammensetzung		0,07
deten Stähle	GuIi Nr.	0,41
	510407 (K)	1.86
	0,05	0,032
C	0,29	0,070
Si	0,92	2,32
Mn	0,021	0,11
P	0,025	0,06
S	2,80	0,23
Cr	0,06	0,006
Ni	0,03	0.042
Mo	0,06
Cu	0,0Ot
Ai, Metall	0,090
Nb

(JuU Nr.

GröUc

(mm)

"S

(N/mm']

"B

(N/mnr) IlV 5

Wiirmebehiiiul-

30 x 30

CS 25

282,5 701.4

557.2 902.5

(■:..)
75.2

900 (7LuIt
900 ('/Wasser

warmpcwal/.t ¹H)O ( /Wasser

Um die Härtung zu prüfen, wurden Jominy-Proben oder Stirnabschreckversuche durchgeführt, deren Ergebnisse in Fig. 1 dargestellt sind. Das gleiche Diagramm zeigt zum Vergleich den Härteverlauf von genormtem nickellegiertem Stahl (aus dem Einsatz- -, stahl-Katalog der Imatra Steel Works).

Mit dem genormten Einsatzstahl 15CrNi6 (DiN 17 210) wurden beim sogenannten Abschreckversuch, der mit einem Prüfstab von 30 mm Durchmesser durchgeführt wurde, die folgenden Festigkeitswerte in >n der Mitte des Stabes erhalten: o/j min = 588.6 N/mm². as = 882,9 bis 1422,5 N/mm², d, = 11%, Härte = 270 bis 430 HB. Die Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen, daß der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl die gleichen Festigkeits- und Zähigkeitswerte ergibt, wenn er in ι ι Wasser abgeschreckt wird.

Die in den Figuren nicht dargestellten Jominy-Kurven (mit Ausnahme von einer Kurve) von verschiedenen Testgüssen, die in Tabelle 1 genannt sind, liegen auch im Bereich der Jominy-Bande (Härteverlauf) des Stahls :n 15CrNi6 10 mm vor der Jominy-Entfernung. Die Härtung des erfindungsgemäß zu verwendenden Ein satzstahls entspricht somit der Härtbarkeit eines hochwertigen nickellegierten Stahls.

Einsatzhärteversuche wurden durchgeführt, um die j~> Eignung des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls für die Einsatzhärtung zu ermitteln. Die Aufkohlung wurde als Pulverzementierung unter Verwendung von Durferrit 6 als Aufkohlungspulver bei einer Aufkohlungstemperatur von 900°C durchgeführt. An den in einsatzgehärteten Werkstücken wurden der Härteverlauf in der einsatzgehärteten Schicht und die Maßänderungen des Prüfkörpers gemessen. Die für die Ermittlung der Maßänderungen verwendete Probe hatte einen Durchmesser von 40 mm und eine Länge r> von 100 mm. Die Änderung der Dicke an drei Stellen und die Änderung der Länge wurden gemessen. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 3 genannt.

Tabelle 3 ,,,

Minderungen bei der Einsatzha'riung

	Guß Nr.
	5!"984
Änderung der Dicke*)
; der Länge
mm	-0.004 -0.10
- der Länge
mm V	-0.003 - 0,075
"Λ der Länge
mm	+ 0.000 + 0.000
Anderung der Länge
mm	+ 0.036 0.36
-iemerkungen:	warmgewalzt

In der Spalte «Bemerkungen« wird die Art der Wärmebehandlung der Probe bei der Bearbeitung angegeben.

*> Meßstelien in der Mitte und in einer Entfernung von \ von den Enden.

Die Maßänderungen sind sämtlich positiv. Insbeson dere ist die Änderung der Dicke sehr gering im Vergleich zu den Ergebnissen, die mit üblichen Einsatzstählen erhalten werden.

Der Härteverlauf der gehärteten Einsatzschicht ist in F i g. 2 graphisch dargestellt. Die Prüfergebnisse /eigen, daß mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl eine Härte des Randes von 62 bis 67 HRC bei der Einsatzhärtung erhalten wird. Die Änderung der Härte von der Oberfläche zum Kern verläuft mit einer geringen Neigung, und die Härte der Einsatzschicht (HRC 50 als Kriterium) an Proben von 40 mm Durchmesser reicht bis 0,85 mm vom Rand. Alle diese Eigenschaften sind ebenso gut oder besser als die Eigenschaften, die mit den besten bekannten Einsatzstählen erzielt werden.

Die Ergebnisse von Härtbarkeitsmessungen der einsatzgehärteten Oberflächenschicht sind in Fig. 3 graphisch dargestellt. Bei diesem Test wird ein aufgekohlter Jominy-Prüfstab verwendet, der direkt aus der Aufkohlungstemperatur abgeschreckt wird. An der Oberfläche der Proben für den Stirnabschreckversuch werden dann Ebenen bis zu Tiefen geschliffen, die den verschiedenen Kohlenstoffgehalten entsprechen. Aus diesen Ebenen wird die Härte ermittelt. Das Ergebnis der Prüfungen zeigt, daß mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl eine Oberflächenhärtbarkeit erreicht wird, die mit hochwertigen nickellegierten Stählen vergleichbar ist.

Mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl wurden ferner Versuche durchgeführt, um die Kaltverformbarkeit des Stahls zu ermitteln. Die Versuchsergebnisse zeigten, daß der Stahl aus den folgenden Gründen für die Kaltverformung besonders gut geeignet ist:

1) Niedriges Streckspannungsverhältnis von 0.5 bis 0,f (im warmgewalzten Zustand).

2) Niedriger Kalthärtungsexponent von 0,075 bis 0,1 C nach dem Warmwalzen.

3) Beim Kaltstauchtest widersteht der Stahl nach derr Warmwalzen einer Verminderung der Größe urr mehr als 70%. ohne zu brechen.

4) Auf Grund des niedrigen Carbidgehaltes ist dei Verschleiß von Werkzeugen gering. Ferner zeiger hohe Schrumpfungswerte beim Zugversuch und dit niedrigen Umwandlungstemperaturen beirr Schlagzähigkeitstest, daß der erfindungsgemäß zi verwendende Stahl besonders gute Zähigkeitsei genschaften hat, die vorteilhaft für die Kaltverfor mungsind.

Die besonders guten Zähigkeitseigenschaften des erfindungsgemäß zu verwendenden Stahls besonders im einsatzgehärteten Zustand sind deutlich aus der Ergebnissen der Versuche mit einsatzgehärteten Prüfstäben zu erkennen. Bei diesem Versuch wurde eine Probe von 10 mm Durchmesser verwendet, die durch direktes Abschrecken in Wasser einsatzgehärtet worden war. Der aufgekohlte Rand hatte eine Härte vor 63 RC. Die Tiefe der Einsatzschicht betrug 0,6 mm und die Härte im Innern 350 HV 5. Der Biegeversuch wurde als Dreipunktbelastung durchgeführt Der Abstand zwischen den Auflagepunkten betrug 90 mm und der Durchmesser des Doms 25 mm. Die folgenden Ergebnisse wurden beim Biegeversuch erhalten: Die bleibende Durchbiegung der gebrochenen Probe betrug etwa 24°, das Bruchmoment etwa 13,7 χ 10³NZCm und die entsprechende Randspannung im Bruchmoment etwa

1177 N mm fliese Wen«? der liiegefesiigkeii. die von üblichen Emsatzstählen nicht erreicht werden, «.mti <■ orieilhaft bei tier speziellen Verwendung vom einsat/-gehärtetem St.:hl beispielsweise fu'· Schneeketten von l'ahi zeugen.

/ui" Erumilung der Bearbc :bnrkeit oder Zerspanbar k-.'it. die fur die wirtschaftliche Verwendung ties l-.i'V. itzsi.ihis wichiig ist. wurden Zerspanbarkeitsversuche d.i der .Schnelldrehbank durchgeführt. Die Zerspanbarkeitsversuche wurden nach einer Methode durchgeführt, die vim der »Svemka-I Ivgmotrir« entwickelt winde, wol .ι tier Verschleiß ties Schneidwerkzeugs das Kriterium tlei Zerspanbarkeit darstellt. Als Versuehser gebnis wird das sogenannte Zerspanbarkeitsverhältnis t ■ nittelt. tl.is fur die besten Aiiiomatenstählc 100 betragt. Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl licit to luich ί -■ rii Warmwalzen ein /erspanbarkeitsverhiiltnis von ~>H. Härte und .Schwefelgehalt betrugen ',I)OHH iiihl S = 0070% Dir·.!·*. Frp.'hnis laßi dip Bedeutung ties richtigen Schwefclgeh.ilter, erkennen. Das Zerspanbarkeitsverhältnis ist für den erfindungsgemaß zu verwendenden Stahl im Vergleich beispielswei- ·._■ zu den Werten von 25 bis 35 bei üblichen gehärteten und angelassenen Stählen bei gleicher Härte als l.esonders gut anzusehen.

Die VersuchsergebnisEe lassen erkennen, daß mit dem erfindungsgemaß zu verwendenden Einsatzstahl Kombinationen vt)n Eigenschaften erzielt werden, die mit bekannten Einsat/.stählen nicht erreicht werden. Die erfindungsgemaß zu verwendenden Stähle können hoi 'wenige nickellegierte Stähle in der Praxis ersetzen. Dies ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Auf Grund der Versuchsergebnisse können die Vorteile der erfindiingsgoiiinii /u vjiwendondon Einsai/stähle wie folgt /usammengefal.lt werden:

1) Dir er/ielbarcn [ rsngkeitscigenschafteri und die Härtbarkeit ueniigen für tue allgemeinen Verwendungszwecke von einsatzgehärteten Stählen.

2) Der Stahl ist ein tlirekt abschreckbarer Stahl, der unmittelbar nach dem Aufkohlen auch in Wasser gehärtet oiler abgeschreckt werden kann.

3) Hie Här'c der aulgekohlten Randschicht ist besonders hoch und überschreitet die Werte, die mit ' ochv. -Ttigen im k-'llegierten Stählen erreicht wci\.en. l)'.r I larteveiiauf vom Rantl zum Innern ist ebenfalls \orteilh.ift. Die Korngröße der Oberfläche entspricht ferner den Anforderungen, die an feinkornig'.·"" Stahl trestellt werden.

4) Die Miißüridemngen bei der Einsatzhärtung sind sehr gering und liegen indeutig unter den Werten, die für übliche Einsatzstahle typisch sind.

5) Die Bearbeitbarkeit und Zerspanbarkeit im warmgewalzten Zustand ist besonders gut j'id besser als bei üblichen Stählen

b) Die Zähigkeit eines einsatzgehärtjten Werkstücks, gemessen als Winkel der Biegung beim Bruch, ist viel höher als bei üblichen Einsatzstählen.

Die Kombination von vorteilhaften Eigenschaften, die erfindungsgemaü möglich ist. ist bei allen üblichen, heute verwendeten Einsät/stählen nicht erreichbar. Die Möglichkeit des Ersatzes der teuren nickel- und molybdänlegierten Stähle verleiht der Erfindung eine große wirtschaftliche Bedeutung. Die Eignung des Stahls für den Strangguß betont diese Bedeutung noch mehr.

Hierzu 3 Blut! Zeichnuimen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Stahles, der

nicht mehr als 0,08% Kohlenstoff,
0,5 bis 2,0% Mangan,
nicht mehr als 1,0% Silicium,
2,0 bis 5,0% Chrom,
0,025 bis 0,1% Schwefel,
nicht mehr als 0,1 % Niob,
nicht mehr als 0,05% gelöstes Aluminium,
Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen

enthält, zur Herstellung von Teilen, die gut bearbeitbar sind, aufgekohlt und unmittelbar nach der Aufkohlung abgeschreckt werden.

2. Verwendung eines Stahles nach Anspruch 1, bei dem jedoch der Schwefelgehalt 0,025 bis 0,05% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Stahles nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jedoch der Mangangehalt 1,0 bis 2,0% und der Chromgehalt 2,0 bis 5,0% betragen, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Stahles nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jedoch der Mangangehalt 0,5 bis 1,0% und der Chromgehalt 2,0 bis 3,0% betragen, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der zusätzlich 0,003% Bor enthält, für den Zwec.'·· nach Anspruch 1.

6. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit der Maßgabe, daß dieser im Strangguß hergestellt wunie, ffr den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche I bis 5 für den Zweck nach Anspruch 1, wobei durch die Aufkohlung der Kohlenstoffgehalt der Randzone auf 0,7% erhöht wird.

8. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für den Zweck nach Anspruch 1, wobei die Teile in der Kernzone kaltzäh sein müssen.

9. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von Schneeketten mit aufgekohlter Randzone und zähem Kern.