DE2135885C3

DE2135885C3 - Verwendung eines Stahles zur Herstellung gutbearbeitbarer Teile, die aufgekohlt und dann abgeschreckt werden

Info

Publication number: DE2135885C3
Application number: DE19712135885
Authority: DE
Inventors: Harri Petteri Imatra Nevalainen
Original assignee: Ovako Oy AB
Current assignee: Ovako Bar Oy
Priority date: 1970-07-21
Filing date: 1971-07-17
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE2135885B2; DE2135885A1; FI47909B; SU743585A3; JPS515811B1; BE770305A; FI47909C; SE386460B; CA960065A; GB1353762A

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 Einsatzstahl gestellt werden:

1) Gute Härtbarkeit des aufgekohlten Randes ist notwendig, um an der Oberfläche des Werkstücks beim Abschrecken nach der Einsatzhärtung eine ausreichend harte Schicht von kohlenstoffreichem Martensit zu erhalten. Da die Verschleißfestigkeit der martensitischen MikroStruktur direkt proportional der Härte des Martensits ist, ist eine größtmögliche Oberflächenhärte günstig. Im allgemeinen sollte 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(1177 N/mm²).

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

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

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

6) Mißänderungen finden bei der Einsatzhärtung aus 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.

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

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

bo 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,

to aufgekohlt und unmittelbar nach der Aufkohlung ibgeschreckt werden.

Erfindungsgemäß wurde jetzt festgestellt, daß die Verwendung dieser Legierungen als Einsatzstähle

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 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 steigern, beispielsweise durch Mangan und Chrom, wobei sich Gehalte von 1,0 bis 2,0% für Mangan 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.

Zur Aufrechterhaltung einer guten Zähigkeit des Kerns, auch wenn dieser vollständig martensitisch ist, muß der Kohlenstoffgehalt bei dem erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl sehr niedrig unter 0,08% gehalten werden, während er bei gewöhnlichen Einsatzstählen im Bereich von 0,10 bis 0,25% liegt Auf Grund seiiies niedrigen Kohlenstoffgehaltes und der weiteren Legierungszusätze ist der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl durch geringe Festigkeit gekennzeichnet, die durch langsame Kühlung erzielt wird, wie die Versuchsergebnisse 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 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 Schwefelgehalts auf eine geeignete Konzentration von vorzugsweise 0,025 bis 0,05%.

Angesichts der Maßänderungen ist es wichtig, daß die Zersetzungsreaktionen des Austenits in der kohlenstoffreichen 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-

Tabelle 2

Festigkeitswerte, die bei Versuchsgüssen durch verschiedene Wärmebehandlung erzielt wurden

lieh 500⁰C beträgt oder um etwa 30° bis 4C^CC höher ist als bei üblichen Einsatzstählen. Die Ms-Temperatur 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 Mat tensits 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 (AlN), 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 verwen-	517984(M)
Zusammensetzung		0,07
₄₀ deten Stähle	Guß Nr.	0,41
	510407(K)	1,86
	0,05	0,032
45 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
50 Cr	0,06	0,006
Ni	0,03	0,042
Mo	0,06
Cu	0,004
Al, Metall	0,090
55 Nb

Uuß Nr.

Größe
(mm)

(N'/mnr)

ob (N/mm²) HV 5 -

Wärmebehand-

lungsbedin-

gungen

510407

517984

30X 30

0 40
(ZS 25

282,5
701,4

557,2
902,5

31,1
15,4

75,2
69,5

160
309

380
388

900C/Luft
900 C/Wasser

warmgewalzt 900 C/Wasser

Um die Härtung zu prüfen, wurden Jominy-Proben oder Stirnabschreckversuche durchgeführt, deren Ergebnisse in F i g. 1 dargestellt sind. Das gleiche Diagramm zeigt zum Vergleich den Härteverlauf von genormtem nickellegiertem Stahl (aus dem Einsatzstahl-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 der Mitte des Stabes erhalten: ob min = 588,6 N/mm², as = 8823 bis 1422,5 N/mm², O₅ = 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 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 15CrNi6 10 mm vor der Jominy-Entfernung. Die Härtung des erfindungsgemäß zu verwendenden Einsatzstahls entspricht somit der Härtbarkeit eines hochwertigen nickellegierten Stahls.

Einsatzhärteversuche wurden durchgeführt, um die 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 900⁰C durchgeführt. An den 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 von 100 nun. Die Änderung der Dicke an drei Stellen und die Änderung der Länge wurden gemessen. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 3 genannt.

Tabelle 3 Maßänderungen bei der Einsatzhärtung

	Guß Nr.
	517984
*Änderung der Dicke)**
V₄ der Länge
mm 0/ '00	+ 0,004 + 0,10
V₂ der Länge
ΠΪΪΏ 0/	+ 0,003 + 0,075
% der Länge
mm 0/ '00	+ 0,000 + 0,000
Änderung der Länge
mm 0/ '00	+ 0,036 0,36
Bemerkungen:	warmgewalzt

Die Maßänderungen sind sämtlich positiv. Insbesondere 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 zeigen, 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

ίο 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 einsatzgehärteteri 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:

In der Spalte »Bemerkungen« wird die Art der Wärme behandlung der Probe bei der Bearbeitung angegeben.
*) Meßstellen in der Mitte und in einer Entfernung von % von den Enden.

1) Niedriges Streckspannungsverhältnis von 0,5 bis 0,6 (im warmgewalzten Zustand).

2) Niedriger Kalthärtungsexponent von 0,075 bis 0,10 nach dem Warmwalzen.

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

4) Auf Grund des niedrigen Carbidgehaltes ist der Verschleiß von Werkzeugen gering. Ferner zeigen hohe Schrumpfungswerte beim Zugversuch und die niedrigen Umwandlungstemperaturen beim Schlagzähigkeitstest daß der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl besonders gute Zähigkeitseigenschaften hat, die vorteilhaft für die Kaltverformung sind.

Die besonders guten Zähigkeitseigenschaften des erfindungsgemäß zu verwendenden Status besonders im einsatzgehärteten Zustand sind deutlich aus den 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 von 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 Ergeb-■ nisse wurden beim Biegeversuch erhalten: Die bleibende Durchbiegung der gebrochenen Probe betrug etwa 24°, das Bruchmoment etwa 13,7 χ ltPN/cm und die entsprechende Randspannung im Bruchmoment etwa

1177 N/mm². Diese Werte der Biegefestigkeit, die von üblichen Einsatzstählen nicht erreicht werden, sind vorteilhaft bei der speziellen Verwendung von einsatzgehärtetem Stahl beispielsweise für Schneeketten von Fahrzeugen. i

Zur Ermittlung der Bearbeitbarkeit oder Zerspanbarkeit, die für die wirtschaftliche Verwendung des Einsatzstahls wichtig ist, wurden Zerspanbarkeitsversuche an der Schnelldrehbank durchgeführt Die Zerspanbarkeitsversuche wurden nach einer Methode durchge- ι ο führt, die von der »Svenska-Flygmotor« entwickelt wurde, wobei der Verschleiß des Schneidwerkzeugs das Kriterium der Zerspanbarkeit darstellt. Als Versuchsergebnis wird das sogenannte Zerspanbarkeitsverhältnis ermittelt, das für die besten Automatenstähle 100 beträgt Der erfindungsgemäß zu verwendende Stahl hatte nach dem Warmwalzen ein Zerspanbarkeitsverhältnis von 58. Härte und Schwefelgehalt betrugen 300 HB und S « 0,070%. Dieses Ergebnis läßt die Bedeutung des richtigen Schwefelgehaltes erkennen. .'<> Das Zerspanbarkeitsverhältnis ist für den erfindungsgemäß zu verwendenden Stahl im Vergleich beispielsweise zu den Werten von 25 bis 35 bei üblichen gehärteten und angelassenen Stählen bei gleicher Härte als besonders gut anzusehen.

Die Versuchsergebnisse lassen erkennen, daß mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden Einsatzstahl Kombinationen von Eigenschaften erzielt werden, die mit bekannten Einsatzstählen nicht erreicht werden. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Stähle können hochwertige nickellegierte Stähle in der Praxis ersetzen. Dies ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Auf Grund der Versuchsergebnisse können die Vorteile der erfindungsgemäß zu verwendenden Einsatzstähle wie folgt zusammengefaßt werden:

1) Die erzielbaren Festigkeitseigenschaften und die Härtbarkeit genügen für die allgemeinen Verwendungszwecke von einsatzgehärteten Stählen.

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

3) Die Härte der aufgekohlten Randschicht ist besonders hoch und überschreitet die Werte, die mit hochwertigen nickellegierten Stählen erreicht werden. Der Härteverlauf vom Rand zum Innern ist ebenfalls vorteilhaft. Die Korngröße der Oberfläche entspricht ferner den Anforderungen, die an feinkörnigen Stahl gestellt werden.

4) Die Maßänderungen bei der Einsatzhärtung sind sehr gering und liegen eindeutig unter den Werten, die für übliche Einsatzstähle typisch sind.

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

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

Die Kombination von vorteilhaften Eigenschaften, die erfindungsgemäß möglich ist, ist bei allen üblichen, heute verwendeten Einsatzstählen 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 Blatt Zeichnungen

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

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 Zweck nach Anspruch 1.

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

7. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 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.