DE2138195C3

DE2138195C3 - Verfahren zum Herstellen von hxxochzugfesten stabförmigen Erzeugnissen

Info

Publication number: DE2138195C3
Application number: DE2138195A
Authority: DE
Inventors: Albert D. Groton Martin; John Lexington Nunes
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1970-09-21
Filing date: 1971-07-30
Publication date: 1979-11-08
Also published as: DE2138195B2; GB1352403A; JPS5538409B1; US3698963A; BE772880A; DE2138195A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der DE-OS 15 58 669 ist ein Herstellungsverfahren für einen rostfreien Stahldraht bekannt, bei dem der Stahldraht aus der Walzhitze abgeschreckt und mit einem Verformungsgrad bis zu 75% kaltverformt wird. Nach einem anschließenden Zwischenglühen und 454° bis 649°C wird der Stahldraht noch einmal kaltgezogen und damit auf eine Gesaintquerschnittsverminderung von mindestens 85% gebracht Erzeugnisse aus Werkstoffen, die lediglich einen Kaltgesamtverfbrmungsgrad von max. 90% aufweisen, sind wesentlich geringer kaltverfestigt als aus dem gleichen Werkstoff bestehende Erzeugnisse, bei denen eine weitergehende Kaltverformung vorliegt. Insbesondere bei Federwerkstoffen besteht ein starkes Bedürfnis nach Erzeugnissen mit geringen Durchmessern, die sich durch hohe und höchste Festigkeiten auszeichnen. Gerade bei der Herstellung von kompliziert gestalteten Querschnittsformen zeigt sich jedoch das Ungenügen der bekannten Verfahren, da bei den Verformungsvorgängen Brüche oder Beschädigungen unvermeidbar sind.
Aus der GB-PS 7 66 971 ist ein Verfahren zum Herstellen von Federstählen mit hoher Zugfestigkeit bekannt, bei dem ein 6% bis 10% Nickel und 12 bis 20% Chrom enthaltender Stahl nach einem Lösungsglühen in einer Vielzahl von Schritten ohne Zwischenglühen ίο kaltverformt wird. Auf diese Weise lassen sich Kaltverformungsgrade von etwa 90% erreichen. Anschließend wird das kaltverformte Material in einem Temperaturbereich von 350 bis 550⁰C geglüht Durch den Verformungsgrad von nur 90% weisen die nach den bekannten Verfahren hergestellten Federstähle eine für besondere Anforderungen zu geringe Festigkeit auf.

Der Erfindung liegt in Kenntnis dieser Nachteile die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von hochzugfesten stabförmigen Erzeugnissen, vorzugsweise mit kleinen und kompliziert geformten Querschnitten aus korrosionsbeständigem 18-8-Cr- Ni-Stahl anzugeben, welches das Erreichen von weit höheren Gesamt-Kaltverformungsgraden als bisher ermöglicht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im -■> kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Der auf diese Weise 97% übersteigende KaIt-Gesamtverforrnungsgrad ist eine Folge der beim Verfahren eingesetzten Metallhülle, die den Stahlkern allseitig ^!l) stützt und obendrein eine Schmiermittelfunktion übernimmt. Die bei der Verformung wirksamen Kräfte wirken somit nicht nur auf das Kernmaterial, sondern auch auf den Hüllenwerkstoff ein. Damit wird die Gefahr gebannt, daß der zu verformende 18-8-Stahl z. B. ¹' während des Ziehvorganges infolge der hohen Kaltverfestigung reißt. Der verhältnismäßig enge Temperaturbereich von 370 bis 440° C stellt sicher, daß keine zu starken Diffusionsvorgänge, zwischen dem Hüllwerkstoff und dem Kernwerkstoff auftreten.
⁴⁽¹ Weitere, die zweckmäßige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus den sich anschließenden Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt ^r> F i g. 1 ein Verbundwerkstück mit kreisförmigem Querschnitt,

F i g. 2 ein Verbundwerkstück mit kreisförmigem Außenumfang mit einem quadratischen Kern,

F i g. 3 ein Verbundwerkstück mit kreisförmiger Hülle "■" und einem rechteckigen Kern,

F i g. 4 ein rundes Verbundwerkstück mit einem sechseckigen Kern,

Fig. 5 ein rundes Verbundwerkstück mit einem I-förmigen Kern,

" Fig. 6 ein rundes Verbundwerkstück mit einem bandförmigen Kern,

Fig. 7 das Verbundwerksiück gemäß Fig. 1 nach einem Ziehschritt,

Fig. 8 ein Verfahrens-Diagramm mit Angabe der ''" Temperatur über der Zeit.

Zur Vorbereitung des Herstellungsverfahrens wird ein Kern aus 18-8 rostfreiem Stahl mit kreisförmigem, quadratischem, rechteckigem, sechseckigem, I-förmigem, bandförmigem oder ähnlichem Querschnitt mit einer losen Hülle aus Metall z. B. einer Nickel-Kupferlej^ierung, einem korrosionsbeständigen Stahl, einer Nickel-Superlegierung der Type J10, Superlegierungen auf Kobaltbasis, Nickel-Kobaltlegierungen, Legierun-

gen auf Kupferbasis, Blei, Titan und seine Legierungen versehen, so daß ein Verbundwerkstück entsteht Dieses V'^;rd danach durch Kaltverformen im Querschnitt reduziert, so daß die Hülle fest am Kern haftet Die Kaltverformung kann durch Ziehen, Gesenkschmieden, Walzen, Pressen, Quetschen od. dgL oder durch jede gewünschte Kombination dieser Verfahren erfolgen.

Der rostfreie 18-8-Stahl der AISI-Type 302 hat etwa foigende Zusammensetzung: Gew.-%

C	0,01 -0,15
Cr	17,0-19,0
Cn	0,0-0,5
Mn	0,0-2,0
Mo	0,0-03
Ni	7,0-10,0
P	0,0-0,04
Si	0,0-13
S	0,0-0,03

Fe Rest

Alle Bestandteile mit Ausnahme von Kohlenstoff, der in einer Menge von unter 1% vorhanden sein muß, sind weniger wichtige Elemente.

Es hat sich gezeigt daß es am leichtesten ist ein im Außen-Querschnitt kreisförmiges Verbundwerkstück (Fig. 1-7) zu bearbeiten. Jedoch können auch andere Außen-Querschnitte verwendet werden. Ein Verbundwerkstück 7 mit kreisförmigem Außenquerschnitt ist in F i g. 1 dargestellt wobei ein Kern 10 von einer Hülle 12 umgeben ist Der Außenumfang U des Kerns 10 ist im wesentlichen kreisförmig und liegt der Innenfläche 13 der Hülle 12 zunächst mit geringem Abstand gegenüber.

Weitere Querschnitte für den Kern, z. B. als Quadrat 10a, als Rechteck 10b, als Sechseck 10c, mit I-Form 10t/ und Bandform lOezeigen die F i g. 2—6.

Die Hülle 12 wird zu Beginn des Verfahrens im Durchmesser reduziert so daß sie dicht am Kern anliegt und jede Relativbewegung zwischen dem Kern 10 und der Hülle 12 an der Berührungsfläche 15 (Fig.7) verhindert wird.

Die anfängliche Reduktion beträgt etwa 5-10% vom Querschnitt Ein Kern 10 aus 18-8-Stahl (Type 302^ und eine Hülle 12 aus einer Nickel-Kupfer-Legienr.g wird dann in Form des Verbundwerkstücks in einem Glühofen für etwa 2 Sekunden je 0,0254 mm Durchmesser geglüht Die Glüh- oder Rekristallisationstemperatur muß so hoch sein, daß ein völliges Lösungsglühen im Kern erfolgt Etwa 1050°C (1950°F) sind ausreichend, um eine Diffusionsverbindung zwischen dem Kern 12 und der Hülle 15 zu bewirken, wodurch zusätzlich sichergestellt wird, daß keine Relativbewegung zwischen Kern und Hülle mehr erfolgen kann. Das Verbundwerkstück wird danach schnell abgeschreckt wenn es den Glühofen verläßt so daß keine Karbidausscheidung, d. h. Versprödung, in der Mikrostruktur des Stahls eintreten kann. Das Verbundwerkstück wird dann einer Rehe von Kaltverformungsschritten mit Zwischenglühen unterzogen, wobei der Querschnitt um wenigstens 75% durch Kaltverformen, vorzugsweise 85% nach dem letzten Glühen reduziert ist. ledes Zwischenglühen wird über der Rekristallisationstemperatur des Kernmaterials durchgeführt Jedoch sollte diese Temperatur so gering als möglich gehalten werden, um eine zu hohe Diffusion zwischen Kern und Hülle zu verhindern. Der hohe Grad an GesanU-Kallverformung wird dadurch möglich, daß die Mülle den Kern stützt, >ür ihn eine Schutzabdeckung bildet und als Schmierstoff wirkt Dies ist außerordentlich bedeutungsvoll, um einen ultrahochfesten Werkstoff mit komplizierter geometrischer Querschnittsausbildung kalt zu verformen. Für einfache geometnsche

Querschnitisformen, z. B. ein langgerirecktes Rechteck, ein Quadrat einen Kreis od. dgl. ist die Hülle nicht unbedingt erforderlich, jedoch zweckmäßig.

Bei einer bevorzugten Verfahrensdurchführung wird das um 75—84% kaltverformte Verbundwerkstück für

ίο etwa vier Stunden erhitzt auf eine Temperatur, die unterhalb der niedrigsten Rekristallisations- oder Umwandlungstemperatur des Kerns liegt Für 18-8-Stahl der Type 302 liegt dieser Temperatur-Bereich etwa zwischen 37O⁰C und 440⁰C, vorzugsweise etwa

is 410⁰C Diese Temperatur wird nachfolgend Entspannungst^mperatur genannt

Nach diesem Schritt wird das um 84% kaltverformte Verbundwerkstück zusätzlich auf mehr als 97% kaltverformt wobei der Kern eine Zugfestigkeit von über 350 kg/mm² erhält Wenn gewünscht, kann die Hülle dann vom Kern z. B. durch chemische Auflösung oder andere bekannte Verfahren entfernt werden. Wenn die Hülle eine Nickel-Kupfer-Legierung ist kann die Ablösung mit Salpetersäure erfolgen. Wenn die Entspannungstemperatur-Behandlung weggelassen wird, erreicht der Kern bei einer 97%igen Kaltverformung nur eine Zugfestigkeit von über 280 kg/mm².

Bei einer anderen Verfahrensdurchführung wird das auf 84% kaltverformte Verbundwerkstück weiter auf etwa 93 bis 94% kaltverformt und dann wärmebehandelt, zunächst bei einer Entspannungstemperatur von 370⁰C bis 440⁰C für die Zeit von etwa vier Stunden. Das Verbundwerkstück wird dann auf 98% kalt verformt und erneut wärmebehandelt bei einer Entspannungs temperatur zwischen 370⁰C und 44O⁰C, erneut für einen Zeitraum von etwa vier Stunden. Die Abdeckung kann dann wie oben beschrieben entfernt werden, wobei der Kern eine endgültige Zugfestigkeit im Bereich von etwa 350 kg/mm² mis 410 kg/mm² aufweist.

Nach einer weiteren Verfahrensvariante wird das auf 84% kaltverformte Verbundwerkstück auf 97,6% kalt verformt und dann wärmebehandelt bei einer Entspannungstemperatur von etwa 370° -400⁰C für etwa vier Stunden. Das Verbundwerkstück wird dann zusätzlich

ti kalt auf 98,7% verform.. Der Kern erreicht dann eine Zugfestigkeit von etwa 404 kg/mm² - 420 kg/mm². Das Verbundwerkstück wird dann jedoch ein zweites Mal waim behandelt bei einer Entspannungstemperatur im oben beschriebenen Bereich für etwa viereinhalb Stunden. Der Kern hat dann eine Zugfestigkeit von über 420 kg/mm².

Bei einer weiteren Verfahrensvariante wird nach der 84%igen Verformung weiter auf etwa 97% oder mehr verformt. Das Verbundwerkstück wird dann warm behandelt bei einer Entspannungstemperatur zwischen 370°C und 440°C. Nach dem Entfernen der Hülle hat der Kern eine endgültige Zugfestigkeit, die zwischen 330 kg/mm²und 370 kg/mm² liegt.

Nach einer anderen Ausführungsvariante des Verfah-

w) rens wird eine Vielzahl von ultrahochfesten Metallfasern nach dem vorstehend erläuterten Prinzip in einer Drahtzusammensetzung verwendet und verarbeitet, wie es den US-PS 32 77 564, 33 94 213 und/oder der US-Patentanmeldung 6 709 zu entnehmen ist. Auf die

hi Lehren dieser beiden Patente und der Anmeldung wird hier ausdrücklich verwiesen. ]e nach dem endgültigen Verwendungszweck ist es nicht erforderlich, die Hülle zu entfernen, so daß ein Endprodukt erzeugt wird.

welches ein Verbundwerkstück aus ultrahochfesten Kernfasern in jeder gewünschten Ausbildung, umgeben von Hüllwerkstoff, ist. Im folgenden werden einige Beispiele erläutert:

Beispiel 1

Eine Stange aus rostfreiem 18-8-Stahl (Type 302) mit einem Durchmesser von 2,03 mm und der Zusammensetzung:

C 0,09%

Si 1,23%

Mn 1,14%

P 0,021%

S 0,010%

Cr 17,00%

Ni 8,00%

Mo 0,70%

N 0,045%

Fe Rest

wurde mit einer Hü'.le aus Monel K (66% Ni, 29% Cu, 3% Al), Außendurchmesser 2,92 mm Innendurchmesser umgeben und durch eine 2,311-mm-Ziehdüse gezogen. Das Verbundwerkstück wurde dann lösungsgeglüht bei 1070⁰C, und zwar pro 0,0254 mm des Durchmessers je 2 Sekunden und anschließend rasch abgeschreckt. Das Verbundwerkstück wurde dann kalt durch eine Reihe von Ziehdüsen bis auf 97,6% gezogen mit Zwischenglühungen. Das Verbundwerkstück wurde dann erneut wärmebehandelt bei einer Entspannungstemperatur von etwa 425° C über etwa vier Stunden. Die Hülle wurde dann entfernt Der Draht zeigte dann eine Zugfestigkeit von 387 kg/mm².

Beispiel 2

Verfahrensablauf und Werkstoffpaarung wie Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß nach der Entspannungswärmebehandlung weiter von 97,6% auf 98,7% in kaltem Zustand gezogen wurde. Die Hülle wurde dann abgezogen. Die sich ergebende Stange zeigte eine Zugfestigkeit von 416 kg/mm². Vor der Entfernung der Hülle war die Zugfestigkeit 350 kg/mm², wobei das Monel als Korrosionsschutzabdeckung diente.

Beispiel 3

Wie Beispiel 2 mit der Ausnahme, daß die Endwärmebehandlung bei einer Entspannungstemperatur von 424° C über etwa viereinhalb Stunden erfolgte. Die Hülle wurde dann entfernt Der Draht zeigte eine Zugfestigkeit von 427 kg/mm².

Eine Stange aus rostfreiem 18-8-Stahl (Type 302) mit einem Durchmesser von 2,03 mm und der chemischen Gewichtszusammensetzung:

C 0,09% Si 13% Mn 1,14% P 0,021% S 0,010% Cr 17,00% Ni 8,00% Mo 0,70% N 0,045% Fe Rest

wurde mit einer Monel K-(66% Ni, 29% Cu, 3% AI)-HuIIe versehen, die 2320 mm Außen- und

2^39 mm Innendurchmesser aufwies. Das Verbundwerkstück wurde durch eine 2,311-mm-Ziehdüse gezogen und dann bei 1070° C lösungsgeglüht über eine Zeit von 2 Sekunden je 0,0254 mm Durchmesser und dann schnell abgeschreckt Das Verbundwerkstück wurde dann kalt durch eine Reihe von Düsen mit Zwischenglühungen bis auf 99,4% in kaltbearbeitetem Zustand gezogen und von der Hülle befreit Der Kern zeigte eine Zugfestigkeit von 376 kg/mm².

Beispiel 5 Wie Beispiel 4, mit der Ausnahme, daß nach Liner Entspannungswärmebehandlung von 99,4 auf 99,6%

kalt verformt wurde. Die Hülle wurde entfernt Der verbleibende Stahldraht zeigte eine Zugfestigkeit von 435 kg/mm².

Beispiel 6

Einundneunzig (91) Stäbe aus rostfreiem 18-8-Stahl (Typ 302) mit einem Durchmesser von 2,031 mm wurden in Monel 400 Rohre eingesetzt, deren jedes einen Außendurchmesser von 2,92 mm und einen Innendurchmesser von 2^)3 mm aufwies. Die chemische Zusammensetzung des Stahls war folgende:

C	0,10%
Si	0,46%
Mn	0,50%
Cr	1830%
Ni	8^0%
P	0,018%
S	0,008%
Fe	Rest

Das Verbundwerkstück wurde in einen Weichstahlbe-

halter eingesetzt, erwärmt und auf etwa 10~⁵Tori evakuiert, abgedichtet, erwärmt und bei 950°C mit einer sechzehnfachen Reduktion stranggepreßt, bis ein Verbundwerkstück entstand Dieses wurde dann durch Kaltreduktion mit Zwischengluhungen weiter reduziert und lösungsgeglüht über eine Zeit von 2 Sekunden je 0,0254 mm Durchmesser. Das Verbundwerkstück wurde dann kalt auf einen Enddurchmesser von 0,42672 mm (16,8 mils) gezogen, wobei jeder der enthaltenen Fäden einen Durchmesser von nur 0,028702 mm (1,13 mils] aufwies. Die Fäden waren also auf 93,8% kaltverformt Die Festigkeit der Fäden betrug 276 kg/mm². Das Verbundwerkstück wurde dann bei einer Entspannungstemperatur von etwa 370° C über etwa sechzehr Stunden warm behandelt Die Endfestigkeit der Fäder

so wurde dann mit 300 kg/mm² festgestellt

Beispiel 7

Gleich wie Beispiel 6, mit der Ausnahme, daß das Verbundwerkstück auf einen Verformungsgrad vor 9SJS% gezogen wurde. Sein Enddurchmesser wai 0,42672 mm (16,8 mils), wobei jeder Faden einen Durchmesser von etwa 0,028702 mm (1,13 mils) aufwies Die Festigkeit der Faden wurde mit 319kg/mnv festgestellt Das Verbundwerkstück wurde dann jedoch bei einer Entspannungstemperatur von etwa 37O⁰C über etwa sechzehn Stunden noch wann behandelt Die

Endfestigkeit der Fäden wurde mit 360 kg/mm²

festgestellt

Es wurde festgestellt, daß während der unterschiedli-

eben Abwandlungen des Verfahrens das ursprünglich vorhandene Austenit im Kern in wenigstens 50% Martensit durch diffusionslose Phasentransformation umgewandelt wurde. Die HüOe wies eine Kaltverform-

barkeit auf, die mit der Kaltverformbarkeit des Kerns vergleichbar ist Die zusätzlichen Warmbehandlungen bei Entspannungstemperatur wirken einer dynamischen Erholung des Werkstoffes entgegen und führen zu einer guten Alterungsbeständigkeit, so daß die durch die Kaltverformungshärtung erhaltene Festigkeit auf Dauer bleibend ist. Nach dem Entfernen der Hülle kann der Kern selbstverständlich einer Endbearbeitung zur Erzielung einer gleichförmigen Querschnittsgeometrie unterzogen werden.

Die Verfahrensschritte sind graphisch in F i g. 8 dargestellt Die Ordinate bezeichnet den Wärmebehandlungsbereich in Temperaturen und die Abszisse den Kreislauf der Verfahrensschritte. Die ersten

Verfahrensschritte A und C zeigen die Kaltverformungsvorgänge, wobei B eine Zwischenglühung anzeigt. Die mit A, Sund Cbezeichneten Verfahrensstufen sind Stufen, bei denen der Querschnitt reduziert wird und können in beliebiger Anzahl wiederholt werden. D bezeichnet das Lösungsglühen des Kerns. E bezeichnet den Wert der Kaltreduktion, gemessen in Prozent. F zeigt das erste Entspannungsglühen, während G die darauf noch folgende Kaltreduktion anzeigt. Zuletzt zeigt //das abschließende Entspannungsglühen an.

Das auf verschiedene Weise hergestellte Endprodukt kann als Feder gewunden werden. Besonders geeignet ist es für Spiraluhrfedern, Haarnadelfedern od. dgl.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von hochzugfesten stabförmigen Erzeugnissen, vorzugsweise mit kleinen und kompliziert geformten Querschnitten, aus korrosionsbeständigem 18-8-Cr Ni-Stahl, bei welchem das Werkstück aus der Temperatur des Lösungsglühens rasch zur Vermeidung einer Karbidausscheidung in den Korngrenzen abgeschreckt und einer mehrstufigen Kaltverformung von mindestens 85% unterworfen wird, wobei das kaltverformte Werkstück zwischengeglüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein stabförmiges Verbundwerkstück, bestehend aus einem Kern aus dsm 18-8-Stahl mit geeignetem Querschnitt sowie einer fest am Kern haftenden Metallhüile mit einem an die Gestalt des Kerns angepaßten Inneren bei gleicher Reduktion von Kern und Hülle querschnittsmäßig verringert wird, wobei das bei einem Verformungsgrad von 75 bis 85% kaltverformte Verbundwerkstück vor der abschließenden Kaltverformung auf einen Verformungsgrad von mehr als 97% bei einer unter der Rekristallisationstemperatur liegenden Temperatur von 370 bis 440⁰C geglüht wird, und daß die Metallhülle des Verbundwerkstücks nach der thermomechanischen Behandlung vom Kern entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern des Verbundwerkstücks eine kreisförmige, quadratische, rechteckige, I-förmige, langgestreckt rechtwinklige, T-förmige, bandförmige und sechseckige Querschnittsgestalt verwendet wird und als Hülle des Verbundwerkstücks eine Nickel-Kupfer-Legierung, eine Kobalt-Superlegierung, eine Nickel-Kobalt-Legierung, eine Titanlegierung sowie ferner Blei oder Titan verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundwerkstück nach der abschließenden Kaltverformung erneut auf eine Temperatur von 370 bis 440⁰C geglüht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen in einem Temperaturbereich von 410 bis 430⁰C erfolgt.