DE2344027A1 - Verfahren zur herstellung von bolzen und schrauben mit hoher festigkeit - Google Patents
Verfahren zur herstellung von bolzen und schrauben mit hoher festigkeitInfo
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Description
W. Weink
Dr.!. Ruch
W. Weinkauff Telefon :08i1)5C0211
530212
PATENTANWÄLTE
München: Frankfurt/M.:
Dr. rar. nat. D. Thomson Dipl.-Ing. W. Weinkauff
Dr. rer. nat J. Ruch (FudwhoN 71)
8000 München 2 Kalser-Ludwlg-Platz 6 31. August 1973
Kobe Steel, Ltd. Kobe/ Japan
Verfahren zur Herstellung von Bolzen und Schrauben mit hoher Festigkeit
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bolzen und Schrauben mit hoher Festigkeit aus Kohlenstoffstahl
bzw. unlegiertem Stahl oder einem niedriglegierten Stahlmaterial; bei diesem Verfahren handelt es
sich darum,daß das betreffende Material im Wechsel einer Kaltbearbeitung bei einer prozentualen Eereichsverminderung
oder Durchschnittsverminderung von mehr als 1o % und
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einschließlich, schnellem Erhitzen auf eine Temperatur im
Bereich von 45o C bis zum A1-Umwandlungspunkt, Warmverformung
zu einer bolzenförmigen Gestalt und Luftkühlung oder Kühlung bei einer solchen Kühlungsgeschwindigkeit unterworfen
wird, die höher als diejenige der Luftkühlung ist. Das zur Anwendung gemäß der Erfindung geeignete Stahlmaterial
ist beispielsweise ein solcher Stahl, der eine Perlit- oder Austenit-Struktur oder eine getemperte Martensit-Struktur
hat, wobei insbesondere der Stahl mit der zuletzt genannten Struktur ausgezeichnete Resistenz gegenüber der verzögerten
Brucherscheinung bei gleichzeitiger hoher Zug-
festigkeit von über Too kg/mm , insbesondere im Bereich
von 13o bis 14o kg/mm und darüber, bietet.
So bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Bolzen mit hoher Festigkeit aus Kohlenstoffstahl
bzw. unlegiertem Stahl oder einem niedriglegierten Stahlmaterial, das dem Heißwalzen, Normalisieren
oder Anlassen bzw. Vergüten zur Bildung einer Ferrit-Aus tenit-Struk tür oder dem Härten und Tempern unterworfen
worden ist, wobei eine getemperte Martensit-Struktur erhalten wird; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf
ein Verfahren, wobei das betreffende Stahlmaterial im Wechsel der Kaltbearbeitung bei einer prozentualen Durchschnitts
verminderung bzw. Bereichsverminderung von über
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1o % und einschließlich, ferner schnellem Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 45o°C bis zum A..-Umwandlungspunkt,
Warmverformen zu einer bolzenartigen Gestalt und Luftkühlung oder Kühlung bei einer Kühlgeschwindigkeit,
die höher als diejenige der Luftkühlung ist, unterworfen wird, wobei man ein Bolzenmaterial von hoher Fe-
stigkeit und mit Zugfestigkeitswerten von über 7o kg/mm und einschließlich erhält. Die Bedeutung der Bezeichnung
"Festigkeitsbehandlung", wie sie in diesem Zusammenhang
benutzt wird, ist eine Kombination aus Bearbeitung und Wärmebehandlung, wobei ein Cyclus von Kaltbearbeitung,
schnellem Erhitzen und schnellem Kühlen eingeschlossen ist.
Bisher bestand die Arbeitsweise zur Herstellung von Bolzen mit hoher Festigkeit darin, daß eine bolzenförmige
Gestalt gebildet wurde, wobei Kalt- oder Warmbehandlung oder maschinelle Behandlung angewendet wird;
darauf folgt eine Behandlung zum Raffinieren bzw. Vergüten, d.h. einschließlich Härten und Tempern, so daß
man auf diese Weise die erwünschte Festigkeit und Zähig-' keit erhält.
Jedoch treten bei einem solchen Verfahren zur Herstellung von Bolzen mit hoher Festigkeit üblicher-
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weise Probleme hinsichtlich der Qualitätssicherstellung bei den Produkten auf. Das übliche Verfahren schreibt
notwendigerweise die Verwendung der Raffinier- und Vergütungsbehandlung bei erhöhter Temperatur vor, wie Härten
und Tempern,nachdem die Ausformung zu einer Bolzengestalt
stattgefunden hatte, so daß eine solche Raffinier- oder Vergütungsbehandlung dazu führt, daß die in
einem Ofen zur Anwendung kommende Atmosphäre eng eingestellt
und kontrolliert werden muß.Wenn ein solcher Luftofen nicht verwendet wird, ergeben sich Probleme hinsichtlich
Oxydation und Dicarbonisierung auf der Oberfläche der Schicht des Bolzens; dies wiederum führt dann zu größeren
Variationsbereichen hinsichtlich der Festigkeit, wobei man schließlich zu dem Nachteil kommt, daß bei den hergestellten
Bolzen gleichbleibende Qualität nicht eingehalten werden kann.
Generell ist die Herstellung von Bolzen mit hoher
Festigkeit, die eine Zugfestigkeit über den Bereich von
2 2
12o kg /ram bis 13o kg/mm hinausgehend haben, als schwierig
angesehen worden, da dann, wenn ein solcher Bolzen einer Spannung unter einer wesentlichen statischen Belastung
während einer gewissen Zeitdauer unterworfen wird, die Neigung besteht, daß eine verzögerte Brucherscheinung
auftritt, nämlich infolge plötzlichen Auftretens
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von Versprödung oäer von Brüchigwerden mit der weiteren
Erscheinung, daß sich keine plastische Verformung mehr zeigt.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zur Herstellung von Bolzen mit hoher Festigkeit, die eine
hohe Zugfestigkeit aufweisen, jedoch nicht die Erscheinung verzögerten Bruches infolge plötzlichen Auftretens von
Versprödung oder Brüchigwerden verursachen·
So besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung
eines Verfahrens zur Herstellung von Bolzen mit hoher Festigkeit, wobei die Anwendung einer Raffinier- oder Vergütungebehandlung
unter einem Luftofen bzw. Atmosphärenofen ebenso wie eine Hitzebehandlung bei erhöhter Temperatur nicht
erforderlich «ind, jedoch die Qualität gleich oder überlegen
gegenüber derjenigen der Bolzen mit hoher Festigkeit gehalten wird, die unter Anwendung der üblichen Raffinier- und
Vergütungsbehandlung hergestellt werden.
Beim erfindungsgemäflenVerfahren zur Herstellung von
Bolzen »lit hoher Festigkeit aus einem Kohlenetoff stahl bzw,
unlegierte» Stahl oder aus eine» niedriglegierten ßtahlwaterial wird zur Herstellung solcher Bolzen von hoher Festig
keit mit einer Zugfestigkeit i» Bereich von loo bis 12o kg/nun2
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ein Stahldraht (Rundstab) in gewalzter oder in normalisierter bzw. vergüteter Form im Wechsel einer Kaltbearbeitung bei einer prozentualen Durchschnittsverminderung
bzw. Bereichsverminderung von über 1o % und einschleißlich, weiterhin Erhitzen bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von über 5o°C/Min. auf eine Temperatur im Bereich
von 45o°C bis zum A^-Umwandlungspunkt, d.h. unter Anwendung von Erhitzungseinrichtungen, wie Widerstandsbeheizung unter der Luftatmosphäre, Hochfrequenzinduktionsbeheizung, Flammenbeheizung od.dgl., und dann einer Heiflverformung zu einer bolzenförmigen Gestalt unterworfen«
worauf Luftkühlung oder Kühlung bei einer Kühlungsgeschwindigkeit folgen, die höher als diejenige der Luftkühlung ist. Für die Herstellung von Bolzen mit hoher Festigkeit, die eine Zugfestigkeit von über Ho kg/mm haben, wird ein Kohlenstoffstahl bzw. unlegierter Stahl oder
ein niedriglegiertes Stahlwaterial in Drahtform oder in
Rundstabform im Wechsel einer Baffinier- bzw. Vergütungsbehandlung zum Härten und Tempern, einer Kaltbearbeitung
bei einer prozentualen Durchschnittsverminderung bzw. Bereicheverrainderung von über Io i und einschließlich und
dann dem Erhitzen bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von über 5o°C/Min. auf eine temperatur im Bereich vor 45o°C
bis su» A-j-üinwandlungspunkt, d.h. unter Anwendung der vorstehend genannten Beheizungseinrichtungen, weiterhin einer
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Warmverformung zur Ausbildung einer bolzenförmigen Gestalt und schließlich einer Luftkühlung oder einer Kühlung
bei einer Kühlungsgeschwindigkeit unterworfen, die höher als diejenige der Luftkühlung ist. Zu berücksichtigen
ist, daß der Wert der hier angegebenen Zugfestig-
2 keit nicht notwendigerweise auf Werte, die über 11o kg/mm
hinausgehen, begrenzt ist.
Bolzen von hoher Festigkeit, die aus Kohlenstoffstahl bzw. unlegiertem Stahl oder aus niedriglegiertem
Stahlmaterial hergestellt bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt worden sind und eine Zugfestigkeit von
über Ho kg/mm haben, bieten ausgezeichnete Resistenswerte
gegenüber der Erscheinung des verzögerten Bruches infolge plötzlichen Auftretens von Versprödung oder Brüchigwerden;
insbesondere erhält man auf diese Weise Bolzen, die
eine Zugfestigkeit im Bereich von 13o bis 14o kg/mm und darüber haben und ausgezeichnete Resistenzwerte bei der
Erscheinung des verzögerten Bruches gewährleisten, d.h. im Vergleich mit üblichen Bolzen, die der Raffinier- oder
Vergütungsbehandlung unterworfen worden sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher veranschaulicht. Es bedeuten: /
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Fig. 1 elektronenmikroskopische Aufnahmen bei 22 5oo χ der Struktur eines gewalzten
Stahls A und andererseits der Struktur eines Stahls A, der 43 %igem Drahtziehern
unterworfen wurde, worauf die Verfestigungsbehandlung bei 55o°C folgte;
Fig. 2 eine zeichnerische Darstellung zur Veranschaulichung der Relation der Temperatur,
die bei der Heißverformung eines gewalzten Stahls A zu Bolzengestalt angewendet wurde, gegenüber der Härte eines
Bolzens am Kopf und am Schaft des Bolzens;
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verteilung der Härte am Kopf und am Schaft
eines Bolzens im Zusammenhang mit einem solchen Bolzen, wie er erfindüngsgemäß
hergestellt wurde, und andererseits einem solchen Bolzen, wie er nach dem Stand der
Technik (Kaltverformung) hergestellt wurde;
Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verteilung der Härte am Kopf und am Schaft
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eines Bolzens bei solchen Bolzen, die aus dem raffinierten bzw. vergüteten
Stahl C gemäß der Erfindung hergestellt worden waren.
Die erfindungsgemäß einsetzbaren Stahlarten sind vorzugsweise Kohlenstoffstähle mit einem Kohlenstoffgehalt
von nicht mehr als or5o % oder niedriglegierte Stähle.
.
Der Grund dafür, daß der Kohlenstoffgehalt bei nicht mehr bei of5o % liegen soll, ist folgender: Obwohl
Bolzen mit hoher Festigkeit, die Zugfestigkeitswerte von 1oo bis 12o kg/ram haben, aus gewalzten oder getemperten
Stählen hergestellt werden können, ist doch die Verwendung von niedriggekohlten. Stählen oder Stählen mit mittlerem
Kohlenstoffgehalt eher als von solchen Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
am besten geeignet und vorteilhaft, wenn man die Festigkeitsbehandlung aus dem Gesichtspunkt der Zugfestigkeit
und der Zähigkeit anwendet. Der Kohlenstoff ist eine wesentliche Komponente für ein Material zur Verv/endung
bei der Herstellung von Bolzen mit hoher Festigkeit, die
Zugfestigkeitswerte von über 11o kg/mm haben, d.h. zum Zweck der Anwendung der Raffinier- oder Vergütungsbehand-
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lung des Härten und Temperas ebenso wie zur Erzielung der
gewünschten Härtbarkeit und Festigkeit. Jedoch soll vom Standpunkt der Erscheinung des verzögerten Bruches der
Kohlenstoffgehalt vorzugsweise nicht mehr als o,5o % betragen .
Obwohl der Gehalt an anderen Elementen, die man hinzugeben kann, nicht speziell begrenzt ist, wird bevorzugt,
daß eine kleine Menge solcher Elemente, wie Al, N, Ti, Nb etc. hinzugefügt werden kann, nämlich zur Erzielung feinerer
Korngrößen bei den Austenit-Kristallen.
Das Stahlmaterial, woraus die Bolzen mit hoher Festigkeit, die eine Zugfestigkeit von über Ho kg/mm haben,
hergestellt werden, hat eine getemperte Martensit-Struktur, die Härtungs- und Vergütungsbehandlungen unterworfen worden
ist. In dieser Beziehung ist zu berücksichtigen, daß das auszuführende Tempern von der erwünschten Festigkeit und
Zähigkeit des Stahls abhängt, ferner von der Ausführbarkeit der anschließenden Bearbeitungsstufen des Stahlmaterials;
zu berücksichtigen ist weiterhin, daß die Härtungsbehandlung zur Erzielung der erwünschten Resistenz gegenüber
der Erscheinung verzögerten Bruches von wirksamem Einfluß ist, wenn eine Korngröße des Austenit-Kristails
über ASTM-NO.1ο erhalten wird, nämlich unter Anwendung
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schnellen Erhitzens zur Erzielung einer feineren Korngröße zusätzlich zur üblichen Wärmebehandlung.
Der Grund, weshalb die prozentuale Bereichsverminderung
oder Durchschnittsverminderung der Kaltbearbeitung oberhalb von 1o % liegen soll, liegt darin, da0 die Steigerung
in der Festigkeit eines Bolzenschaftteils, der warmbearbeitet worden ist, aus der schnellen Erhitzung unter
Anwendung von Luft-Atmosphären-Widerstandsbeheizung und Hochfrequenzinduktionsbeheizung während der betreffenden
Warmbehandlung erwartet werden kann, während die Festigkeit im Bolzenkopfteil infolge der vorstehend genannten
Warmbearbeitung vermindert wird; infolgedessen ist zum Ausgleich solcher Gegensätzlichkeiten die prozentuale Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung von über 1o %
und einschließlich zur Erzielung von Gleichförmigkeit in der Bolzenfestigkeit erforderlich. Weiterhin ist, obwohl
die Wirksamkeit der Verfestigungsbehandlung gemäß der Erfindung von den zu bearbeitenden Materialtypen abhängig
ist, die Zunahme der Festigkeit eines Bolzens geringer im Fall einer prozentualen Bereichsverminderung oder Durch-
Schnittsverminderung unterhalb 1o %, während die Bearbei-' tung bei der prozentualen Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung
von über 4o % schwierig auf einen Martensit-Stahl angewendet werden kann. Aus diesen Gründen
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ist eine prozentuale Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung bei der Kaltbearbeitung von über 1o % für gewalztes
Stahlmaterial oder normalisiertes Stahlmaterial geeignet, während eine prozentuale Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung
bei der Kaltbearbeitung von 1o % bis , 4o % für gehärteten und getemperten Stahl geeignet ist. Bei
der praktischen Ausführung soll das hier angewendete Kaltbearbeiten
vorzugsweise kaltes Ziehen (Drahtziehen) sein; die Arbeitsweise ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise
kann das Kaltbearbeiten, wie es hier ausgeführt wird, Walzenstempelbearbeitung sein.
Die Temperatur, wie sie zum Erhitzen gemäß der Erfindung angewendet wird,fällt in den Bereich von 45o°C bis
zum A1-Umwandlungspunkt. Dies erfolgt deswegen, weil die
Erhitzungstemperatür eines Bereiches von 449°C bis 25o°C
zu der Neigung, führt, daß Risse im Kopfteil des Bolzens auftreten, da eine solche Erhitzungstemperatur im Bereich
der Blaubruchtemperaturen liegt, während die Erhitzungstemperatur oberhalb des A,.-Umwandlungspunktes zu einem geringen
Verfestigungseffekt führt. Man versteht unter der Erhitzungstemperatur eine solche Temperatur, die unter
Anwendung von elektrischen Widerstandsbeheizungseinrichtungen erhalten wird, ferner durch HochfrequenzinduktionsbeheiZungseinrichtungen
etc.
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Andererseits kann in einem solchen Fall, daß die Festigkeit eines so erzeugten Bolzens nicht ausreichend
den gewünschten Werten entspricht, der Bolzen in einem Salzbad, Bleibad, Luftatmosphärenofen od.dgl. schnell erhitzt
werden, wobei eine Temperatur im Bereich von 45o°C bis 7oo°C eingehalten wird; dabei wird darin für nicht
mehr als 5 Minuten eingetaucht, worauf Kühlung an der Luft oder Kühlung unter einer Kühlungsgeschwindigkeit
folgen, die höher als diejenige der betreffenden Luftkühlung ist, wodurch der erwünschte Verfestigungseffekt
erzielt wird.-
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren die Anwendung von Wärmebehandlung
bei erhöhter Temperatur überwinden kann, beispielsweise Härtung und Tempern, nachdem eine Bolzenform
in der üblichen Weise ausgebildet worden ist. Außerdem können, da die Temperatur für Warmverformung und Wiedererhitzungsbehandlung
auf 7oo°C begrenzt ist, d.h. eine viel niedrigere Temperatur als die Härtungstemperatur, Verbesserungen
in der Oberfläche ebenso wie in der Dimensionsgenauigkeit bei den betreffenden Bolzen erzielt werden,
nämlich ohne Gefahr einer möglichen Oxydation oder Decarbonisierung, so daß insgesamt die Herstellung von Bolzen
mit übereinstimmend hoher Qualität ermöglicht ist.
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Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen anhand einiger Beispiele näher beschrieben.
Tabelle I zeigt die chemische Zusammensetzung der getesteten Stahldrähte.
Tabelle I Chemische Zusammensetzung der Proben
| A 1o24-Stahl |
C | 22 | O | Si | Mn | 55 | P | ο | S | Cr | MO | B | |
| AISI | B 1o4o-Stahl |
o, | 38 | O | ,28 | 1, | 75 | ο,ο21 | ο | ,ο2ο | - | - | - |
| AISI | C 1o27-Stahl |
o, | 25 | O | ,23 | ο, | 51 | ο,ο22 | ο | ,ο16 | - | - | |
| AISI | D 1o35-Stahl |
o, | 35 | O | ,23 | 1, | 84 | ο,ο17 | ο | ,ο15 | _ | _ | - |
| AISI | E 414o-Stahl |
o, | 37 | O | ,24 | ο, | 76 | ο,ο16 | ο | ,ο24 | ο,13 | ο,23 | ο,οο16 |
| AISI | ,26 | ο, | ο,ο14 | ,ο2ο | 1,ο7 | ο, 2ο | - | ||||||
In der vorstehenden Tabelle I bedeuten die Stähle A und B diejenigen Proben, die im Wechsel dem kalten Drahtziehen bei
einer prozentualen Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung
von 5 bis 43 %, Erhitzen bei Geschwindigkeiten von
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4o°C/Sek. unter Anwendung von elektrischen Beheizungsmitteln,
Wannverformung zu M 1o-Bolzen (Schaft: 48 L) und unmittelbar
danach Abschrecken in Wasser unterworfen wurden. Außerdem wurden die so hergestellten Bolzen wiederum in ein
Salzbad eingebracht, das auf eine Temperatur von 55o°C erhitzt
worden war; die Bolzen wurden darin 2o Sekunden lang gehalten, worauf Abschrecken bzw. Abkühlen mit Wasser folgte.
Die Schaftteile der M 1o-Bolzen wurden bis zu einem Durchmesser, von 8,0 j/ bearbeitet und dann einem No. 4-Zugtest,
wie er bei Bolzen angewendet wird, unterworfen. Die Ergebnisse dieses Tests sind in der nachstehenden Tabelle
II veranschaulicht.
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- 16 Tabelle II
Prozentuale Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung beim Kaltdrahtziehen gegenüber mechanischen
Eigenschaften
| Stahl art |
Bedingun gen bei der Her stellung |
3ereichsver Hinderung (%) beim Saltdraht ziehen (%) |
Fließ grenze, (kg/mm ) |
Zug festig keit (kg/mm ) |
Deh nung (%) |
endgülti ge Bereichs verminderung (%) |
| Warmver- - formung (55O0C) |
5 | 64,7 64,3 |
72.6 72,8 |
28.0 29,0 |
64,2 64; 9 |
|
| 10 | 69,6 69,6 |
77,2 79,0 |
27,0 26,0 |
62.3 ' 63,8 |
||
| A | Warmver formung (55O°C) und Wicaer- erhitzungs- oehandlung (55O°C) |
20 | 74,6 75,6 |
84,6 86,5 |
25,5 25,0 |
60,9 62,0 |
| AISI |
Warmver
formung (55O0C) |
30 | 76,0 76,5 |
86;5 87,0 |
24,5 24,0 |
60,7 61,5 |
| 1024 | Warmver- formunq (55O°C) und Yiieder- erhitzungs- behandlung (55O°C |
43 ' | 77,6 77,2 |
90,3 92,5 |
22,6 21,9 |
59,2 58,8 |
| 5 | 65,7 66,7 |
74,0 75,6 |
29,5 28,0 |
64,3 64,2 |
||
| 10 | 74,6 74,8 |
81,6 81,0 |
26,5 25,5 |
60,3 62,0 |
||
| 20 | 77,8 77,8 |
87,5 86,5 |
25,0 23,8 |
59,5 58,7 |
||
| 30 | 77,5 78,0 |
86,0 87; 6 |
24,0 23,5 |
59,3 59,0 |
||
|
B
AISI |
5 | 67,3 65,8 |
75,8 76; 8 |
23,5 24,5 |
45,9 46,3 |
|
| 1040 | . 10 | 69,6 67,6 |
81,8 80,0 |
18,0 21.0 |
42,7 44,7 |
|
| 20 | 77,8 76,1 |
90,9 88,8 |
16,0 18,0 |
40,9 40,4 |
||
| 30 | 77,5 79,9 |
89,1 91,2 |
17,5 17; 1 |
40,2 39,6 |
||
| 5 | 67,1 68,0 |
77,8 77,8 |
20,0 19,0 |
45,0 45,5 |
||
| 10 |
70,6
7k,4 |
82,0 83j6 |
18,0 18,5 |
43,7 41,5 |
||
| 20 | 77,2 76,8 |
90,9 91,5 |
15,0 17,0 |
38,6 33,8 |
||
| 30 |
78,8 >
79,9 |
93,6
92,1 |
16,3
17,0 |
38,3 38,8 |
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Wie aus der Tabelle II ersichtlich, übt das Kaltdrahtziehen vor der Warmverformung einen großen Effekt auf
die mechanischen Eigenschaften der Bolzen aus, die auf diese Weise warmverformt worden sind. Die Zugfestigkeit und
die Streckgrenze zeigen die entsprechende Zunahme mit der Steigerung der prozentualen Bereichsverminderung bzw. Durchschnitts
verminderung beim Kaltbearbeiten, d.h. trotz des
Erhitzens, das zum Zweck der Warmverformung ausgeführt wurde. Andererseits zeigen die Dehnung und die Zähigkeit, die für
die endgültige prozentuale Bereichsverminderung bzw. Durchschnittsverminderung erforderlich sind, eine Neigung zum
leichten Abfallen mit der Zunahme der Festigkeit. Eine andere Tatsache ist, daß Bolzen, die wiedererhitzt worden
sind, verbesserte Festigkeit bieten, nämlich im Vergleich mit denjenigen, die einer solchen Wiedererhitzungsbehandlung
nicht unterworfen worden sind.
Fig. 1 veranschaulicht die Relation der mechanischen Eigenschaften und der elektronenmikroskopischen Bilder von
Materialien, die bei gewalztem Stahl von der Probe "A" gemacht worden sind und die 43 %igem Kaltdrahtziehen unterworfen
v/urden. Die Kaltbearbeitung bricht den Cementit, der im Austenit bzw. Perlit eingeschlossen ist, in Stückchen? solches
gebrochenes Cementit kann infolge der Anwendung eines
thermischen Cyclus schnellen Erhitzens und schnellen Kühlens
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v/eich geglüht bzw. gekörnt werden. Hierdurch erklärt sich,
daß der Stahldraht, der der Verfestigungsbehandlung unterworfen worden ist, größere Dehnungswerte zusammen mit verbesserter
Festigkeit ergibt, nämlich im Vergleich mit kalt" bearbeitetem Stahl. So kommt man auch zu der vorstehend erwähnten
Tatsache, daß sich ein Einfluß auf die Zunahme der Festigkeit der Bolzen ergibt, da der Schaftteil eines Bolzens
nicht dem Einfluß durch Warmverformung unterliegt und daher die verbesserten Eigenschaften beibehält, die durch
die Verfestigungsbehandlung gemäß der Erfindung erteilt werden.
Andererseits wurden die Stahldrähte "B" gemäß Tabelle I mit Durchmessern von 1o,8 ^ bzw. 9,68 ^" bei einer prozentualen
Bereichsverminderung bzw. Durchschnittsverminderung
von 2o % dann einer schnellen Erhitzung auf eine Temperatur von 55o°C bei Erhitzungsgeschwindigkeiten von 5 C/Min,
bis 12o°C/Sek. unterworfen, zu M 1o-Bolzen warmverformt und dann in Wasser abgekühlt bzw. abgeschreckt, so daß auf diese
Weise der Einfluß der Erhitzungsgeschwindigkeit geprüft wurde. Die nachstehende Tabelle III veranschaulicht die Ergebnisse
eines Zugtests bei Bolzen No.4, ausgeführt an M 1o-Bolzen, deren Schaftteile auf einen Durchmesser von 8 tf bearbeitet
worden waren, nachdem Warmverformung bei verschiedenen Erhitzungsgeschwindigkeiten ausgeführt worden war.
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Erhitzungsgeschwindigkeit gegen die mechanischen Eigenschaften
| Stahlart | Erhitzungs- geschwin digkeit |
Fließ grenze (kg/mm2) |
Zug festig keit (kg/mm ) |
Dehnung 4\A" (%) |
end gültige Bereichs- verminde rung (%) |
| 12o°C/Sek. | 83,7 83,3 |
97,3 96,5 |
21,0 21,3 |
42,0 42,3 |
|
| 4o°C/Sek. | 83.0 82*8 |
97,0 96,3 |
21,0 21,5 |
41,8 42,5 |
|
| Stahl B | 24o°C/Min. | 82,0 83,5 |
95,5 96,0 |
21,3 21,8 |
42,0 41,6 |
| (AISI- 1o4o- Stahl) |
18o°C/Min. | 78,0 80,8 |
92,3 94,0 |
22,0 21,0 |
42,3 41,8 |
| 1oo°C/Min. | 77,5 76,8 |
90,1 87,8 |
21,8 22,2 |
43,1 43,8 |
|
| 5o°C/Min. | 69,6 68,5 |
79,3 80,0 |
22,3 ' 22,5 |
44,7 43,5 |
|
| 5°C/Min. | 65,3 65,8 j |
72,6 · 73,8 j |
23,8 22,0 |
45,7 46.0 |
Fig. 2 veranschaulicht die Relation einer Warmverforinungstemperatur
gegen die Härte der Kopfteile und der Schaftteile
von Bolzen, die dadurch hergestellt wurden, daß Stahl A im Wechsel dem Kaltdrahtziehen bei einer Bereichsverminde
rung von 2o %, schnellem Erhitzen bei einer Erhitzungsgeschwin·
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digkeit von 4o°C/Sek. und Verformung zu M 1o-Bolzen mit
anschließendem Abkühlen bzw. Abschrecken in Wasser unterworfen war.
Fig. 2 zeigt dabei, daß die Relation der Differenz in der prozentualen Bereichsverminderung bzw. Durchschnittsverminderung
tatsächlich für die Differenz in der Härte bei den Bolzen, die kaltverformt worden sind, aufrechterhalten
wird, da der Kopfteil eines kaltverformten Bolzens der Kaltbearbeitung bei etwa 75 %iger Bereichsverminderung
bzw. Durchschnittsverminderung unterworfen worden war, während der Schaftteil eines Bolzens dem Kaltdrahtziehen
von nur 2o %iger Eereichsverminderung unterworfen wurde. Bei diesem Kaltbearbeiten ergibt sich im
Kopfteil eines Bolzens eine außerordentlich große Härte und eine große Festigkeit im Vergleich mit den entsprechenden
Vierten des Schaftteils, während sich dabei eine Verminderung in der Zähigkeit einstellt. Dementsprechend
ist nicht zu bevorzugen, daß der Bruch am Halsteil eines
Bolzens auftritt, nämlich in demjenigen Fall, daß der Bolzen einer großen Belastung unterworfen wird und dabei bricht
im Gegensatz zu einem normalen Bruch (der Bruch tritt am Schraubengewindeteil auf). Sobald die Verformungstemperatur
erhöht wird, resultiert eine geringere Differenz in der Härte zwischen dem Kopfteil und dem Schaftteil von
Bolzen oder Schrauben. Obwohl die Zunahme in der Härte
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des Schaftteils von Bolzen oder Schrauben von der prozentualen Bereichsverrainderung bzw. Durchschnittsverminderung
bei der Kaltbearbeitung, Eintauchzeit bei einer entsprechenden Erhitzungstemperatur und Kühlungsgeschwindigkeit abhängt,
zeigt eine solche Zunahme eine Spitze bei 4oo C und geht danach graduell zurück, so wie die Temperatur höher als diese
betreffende Temperatur wird. Andererseits variiert die Härte des Kopfteils von Bolzen oder Schrauben in gewissem Ausmaß
mit der variierenden prozentualen Eereichsverminderung beim Kaltdrahtziehen und dem Kompressionsprozentsatζ des
Kopfteils von Bolzen oder Schrauben, während die Härte im
Temperaturbereich von 2oo C bis 3oo°C mit der Steigerung der Warmverformungstemperatüren zunimmt, danach jedoch abnimmt,
wobei sich eine scharfe Abnahme bei 4oo°C zeigt; so wird eine Mindestdifferenz in der Härte zwischen den Schaftteilen
und Kopfteilen von solchen Bolzen oder Schrauben erhalten. Bei solchen Bolzen oder Schrauben tritt normaler
Bruch (Bruch am Schraubengewindeteil) auf, wenn die Bolzen oder Schrauben infolge einer starken Belastung bis zu einem
solchen Bruch gelangen. Demgemäß werden natürlich solche Bolzen oder Schrauben bevorzugt. Die Kühlung nach der Warmverformung
soll so schnell wie möglich zu Ende geführt werden. Wenn solche Bolzen oder Schrauben langsam gekühlt wer-/
den, werden sie angelassen bzw. vergütet, wodurch man nicht die Zugfestigkeit von über 80 kg/mm erhält, die für die BoI-
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zen oder Schrauben mit hoher Festigkeit wesentlich ist.
Die nachstehende Tabelle IV veranschaulicht die Zugfestigkeitsresultate bei Bolzen oder Schrauben, die
durch Erhitzen des Stahls B auf 55o C bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 4o°C/Sek. und Warmverformung zu M Ιο-bolzen
bzw. -Schrauben hergestellt v/urden, wobei die betreffenden Bolzen bzw. Schrauben weiterhin drei Arten
von Kühlung unterworfen wurden, d.h. Abschrecken bzw. Kühlen in Wasser, Luftkühlung und langsames Kühlen. Diese Prüfung
veranschaulicht, daß die langsame Kühlung nicht zur herstellung von Bolzen oder Schrauben mit hoher Festigkeit
führt.
Kühlbedingungen nach Warmverformung gegen mechanische Eigenschaften
| Stahl art |
Kühlbe dingung |
Fließ grenze (kg/mm ) |
Zug festig keit (kg/rara2) |
Dehnung | endgültige Bereichs verminderung (9S) |
| Stahl B | Luft kühlung |
74;4 74,7 |
84,8 85,0 |
17,0. 18,0 |
41,5 41,7 |
| (AISI 1040) | Abschrecken od. Abkühlen in Wasser |
77,8 76,1 |
90,9 88,8 |
16,0 18,0 |
40,9 40,4 |
| langsames Kühlen |
58,9 57,0 |
73,1 72,6 |
-24,5 23,0 |
48,6 49,5 |
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Bei einer solchen Kühlung kann Kühlen mit Luft zweckmäßig für Bolzen oder Schrauben mit kleinem Durchmesser
angewendet werden, während Bolzen oder Schrauben größeren Durchmessers dem Kühlen mit öl oder Wasser
unterworfen werden sollen.
Weiterhin können die Bolzen oder Schrauben, nachdem sie erfindungsgeiaäß in der Qualität mit hoher Festigkeit
hergestellt worden sind, wenn sie noch nicht ganz der geforderten Festigkeit genügen, nochmals wiedererhitzt
werden, um auf diese Weise die geforderte Festigkeit zu erhalten.
Zum Wiedererhitzen werden die Bolzen oder Schrauben in ein Salzbad oder in ein Bleibad eingebracht, das auf eine
Temperatur von 45o° bis 7oo°C erhitzt worden ist; darin verbleiben
sie 5 Minuten lang und werden dann abgekühlt bzw. abgeschreckt.
In dieser Hinsicht soll das Wiedererhitzen unter hoher
Erhitzungsgeschwindigkeit ausgeführt werden; die Bolzen oder Schrauben sollen direkt in das Erhitzungsbad eingebracht
werden. Die Eintauchtehiperatur für die Bolzen oder Schrauben soll auf einen Bereich zwischen 45o° und 7oo°C- beschränkt
sein, da bei einer Temperatur oberhalb von 45o C der Blau-
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bruch vermieden werden kann, während Temperaturen unterhalb
7oo°C eine Abnahme in der Festigkeit vermeiden können. Während die Eintauchzeit von der Art des Erhitzungsofens, der
Gestalt der Bolzen oder Schrauben, von der Erhitzungstemperatur od.dgl. abhängt, ist eine kürzere Eintauchzeit bevorzugt,
da diese eine größere Effektivität gibt; so ist sie auf bis zu 5 Minuten beschränkt.
Tabelle V veranschaulicht die Relation der, mechanischen
Eigenschaften und der Eintauchzeit, wenn M 1o-Bolzen oder -Schrauben auf 45o°C in einem Ofen mit Luftatmosphäre
wiedererhitzt werden, wobei die M 1o-Bolzen oder -Schrauben aus einem Stahldraht "B" nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
hergestellt wurden.
Tabelle V
Wiedererhitzungszeit und mechanische Eigenschaften
Wiedererhitzungszeit und mechanische Eigenschaften
| Stahlart | Eintauchzeit | Zugfestig keit 2 (kr/irjn ) |
Lage des Bruches |
| 2o Sekunden | 94,8 94.3 |
Gewindeteil Il |
|
| 1 Minute | 93.5 94.0 |
Il · It |
|
| Stahl B (AISI 1o4o) |
3 Minuten | 93,7 92,8 |
Il Il |
| 5 Minuten | 93,0 92.3 |
Il M |
|
| 1o Minuten | 91.5 91.0 |
Il Il |
|
| 15 Minuten | 74,6 75,0 |
•I Il |
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In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß das Kühlen nach der Wiedererhitzungsbehandlung auf eine
solche Kühlungsgeschwindigkeit beschleunigt werden soll, die höher als diejenige der Luftkühlung ist, da langsames
Kühlen zu angelassenen bzw. vergüteten Bolzen oder Schrauben führt, die eine geringe Festigkeit haben, d.h. ähnlich
wie im Fall mit der Warmverformung.
Die Stahldrähte, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden, sollen beispielsweise gewalzte oder normalisierte
Drähte sein; die verwendeten Stahlarten sollen beispielsweise Kohlenstoffstahl bzw. unlegierter Stahl oder niedriglegierte"
Stähle sein, die üblicherweise als Materialien zur Herstellung von Bolzen oder Schrauben verwendet werden.
Die gewalzten Stähle gemäß zwei Typen, d.h. Stahl "A" und Stahl "B", wie in Tabelle I veranschaulicht, waren
kaltgezogen bei einer prozentualen Bereichsvermindeurng bzw. Durchschnittsverminderung von 5 bis 2o %, dann bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit
von 4o C/Sek. in einem elektrischen Widerstandsofen erhitzt, warmverformt zu M 1o-Bolzen oder
-Schrauben und sofort danach in Wasser abgekühlt bzw. abgeschreckt worden. Andererseits wurde ein Teil der so behandelten
Bolzen oder Schrauben direkt in ein Salzbad, das auf 55o°C erhitzt worden war, zur Wiedererhitzung eingebracht;
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das Material v/urde darin 2o Sekunden lang belassen und danach
mit Wasser abgekühlt bzw. abgeschreckt. Die so hergestellten M 1o-Bolzen oder -Schrauben wurden einem Zugtest
unter Anwendung einer Klemme bzw. eines Keiles unterworfen. Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen VI und
VII veranschaulicht.
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Ergebnisse des Zugtests unter Anwendung einer Klemme
bzw.eines Keils für Bolzen und Schrauben aus Stahl "A"
| Herstellungsbe dingungen |
Ver- ■ for mung |
Klemmwinkel 0 | Lage des Bruches |
Klemmwinkel 1o | Lage des Bruches |
Bemer kungen |
| prozentua le Bereichs verminde rung beim Drahtziehen (%) |
Jarm- rer— |
Zug festig keit kg/mm ) |
Sewinde- teil It |
Zug festig keit (kg/mm ) |
Gewinde teil Il |
|
| 5 | formung C55o°C) |
74,1 74,5 - |
Il Il |
72,6 72f0 |
'.Il It |
Vergleichs beispiel |
| 10 | 8O1O 80,8 |
Il Il |
79,2 78,6 |
It ti |
gemäß Erfindung |
|
| 20 | ffarm- irer- Eormung (55o°C) and iiieder- prhit- |
86,7 86,1 |
Il ti |
83,0 83.9 v |
It It |
Il |
| 5 | zung (55o°C) |
77,2 76.8 |
Il Il |
76,0 75,5 |
Il Il |
Vergleichs beispiel |
| 10 | Kalt ver formung |
83,9 83,0 |
It Il |
81,0 80,6 |
ti It |
gemäß Erfindung |
| 20 | 89,9 89,4 |
ti ti |
87,5 88,0 |
ti ti |
Il | |
| 10 | 75,0 74,5 |
71,5 70,5 |
Stand der Technik |
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Ergebnisse des Zugtests unter Anwendung einer Klemme
bzw. eines Keils für Bolzen und Schrauben aus Stahl
| IIerstellungsbe- dingungen |
Ver for mung |
Klemmwinkel 0° | Lage des Bruches |
Klemmwinkel 1o° | Lage des Bruches |
Bemerkungen |
| prozentual Bereichs- verminde" rung beim Drahtziehe |
Warm- | Zug festig keit ο kg/mm ] |
Gewinde teil |
Zug festig keit !kg/mm |
Gewinde teil |
|
| VJl | formunq ,(55O0C) |
75,3 85,8 |
Il Il |
74,2 73,3 |
It It |
Vergleichs beispiel |
| 10 | 83,3 83,0 |
It Il |
81,6 82,2 |
If Il |
gemäß Erfindung |
|
| 20 | Warm ver formung |
90,5 91,3 |
Il Il |
88,9 89,9 |
Il Il |
Il |
| 5 | (55o C) und Wieder erhit |
79,4 78,8 |
Il Il |
77,8 76,8 |
It Il |
Vergleichs beispiel |
| 10 | zung (55o°C) |
84,6 85,3 |
It Il |
83,0 82,7 |
Il Il |
gemäß Erfindung |
| 20 | Kalt ver formung |
93,0 92,3 |
Il M |
90,9 91,5 |
•1 H |
Il |
| 10 | 76,5 76r0 |
72,5 73,0 |
Stand
der Technik |
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Fig. 3 veranschaulicht die Härteverteilung bei den Köpfen und Schäften von M 1o-Bolzen oder -Schrauben aus zwei
Gruppen; eine Gruppe ist im Wechsel dem Kaltdrahtziehen bei einer prozentualen Bereichsverminderung bzw. Durchschnittsverminderung von 2o % und einer Warmverformung bei 55o°C gemäß
der Erfindung unterworfen worden;die andere Gruppe ist einer Kaltbearbeitung nach der üblichen Arbeitsweise unterworfen
worden. Die Testresultate veranschaulichen, daß die erfindungsgemäß hergestellten Bolzen oder Schrauben mit hoher
Festigkeit, wie in den Tabellen VI und VII und in Fig. veranschaulicht,einen geringeren Härteunterschied am Kopf und
an den Schaftteilen der Bolzen oder Schrauben haben, nämlich im Vergleich mit solchen Bolzen oder Schrauben, die gemäß der
üblichen Arbeitsweise hergestellt worden sind, ebenso wie mit solchen Bolzen oder Schrauben, die zu Vergleichszwecken hergestellt
wurden, wobei die ersteren normalen Bruch zeigen.
Die Stahlproben "C", "D" und "E", wie in Tabelle I veranschaulicht, wurden der Raffinierungs- oder Vergütungsbehandlung zum Härten und Tempern unterworfen, wobei eine
Zugfestigkeit oberhalb von 1oo kg/mm erhalten wurde; auf diese Weise wurden Bolzen oder Schrauben mit hoher Festigkeit
hergestellt.
Die Stahlprobe "C11 wurde bei 87ο^ ölgehärtet und
einer Raffinierungs- oder Vergütungsbehandlung zum Tempern
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bei 57o°C unterworfen; dadurch wurden mechanische Eigenschaften
wie bei einem raffinierten oder vergüteten Stahl erhalten, wie in Tabelle IV veranschaulicht. Danach wurde der
Stahl"C" dem einleitenden Kaltdrahtziehen bei einer prozentualen Bereichsverminderng von 2o % unterworfen, bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 5°C/Min. bis 4o C/Sek. auf eine Temperatur
von 55o°C erhitzt, dabei 5 Sekunden lang stehen gelassen
und dann mit Wasser gekühlt bzw. abgeschreckt. Die angewendete Erhitzungsgeschwindigkeit und die erhaltenen mechanischen
Eigenschaften sind in der nachstehenden Tabelle VIII veranschaulicht.
Tabelle II zeigt die mechanischen Eigenschaften einschließlich
der Zugfestigkeit von 1o / -Stahldraht, der im Wechsel dem einleitenden Kaltdrahtziehen, schnellem Erhitzen
und dann Abkühlen bzw. Abschrecken in Wasser unterworfen worden war, während die Festigkeit von dort gezeigten Bolzen
oder Schrauben diejenige des Schaftteils davon wiedergibt. Demgemäß soll der 1o ^-Draht dieselben Eigenschaften wie
in Tabelle VIII veranschaulicht ergeben, da die Stahlprobe "C",ähnlich wie der 1o ^-Stahldraht,dem einleitenden
Kaltdrahtziehen, schnellem Erhitzen zur Warmverformung und schnellem Kühlen unterworfen worden war.
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Erhitzungsgeschwindigkeit gegen die mechanischen Eigenschaften (Stahlprobe "C")
| Erhitzungs- geschwin digkeit |
Fließ grenze (kg/ima2) |
Zugfestig keit (kg/min ) |
Dehnung (%) -MK |
Endgültige prozentuale Bereichsver minderung (%) |
| 4o°C/Sek. | 9o,o | 1o5,7 | 19,7 | 68,ο |
| 24o°C/Min. | 89,8 | 1o5,3 | 19,8 | 68,ο |
| 18o°C/Min. | 88,3 | 1o2,o | 2o,o | 68,5 |
| 12o°C/Min. | 85,2 | 1oo,5 | 21,1 | 68,8 |
| 5o°C/Min. | 83,5 | 98,3 | 21,5 | 69,7 |
| 5°C/Min. | 78,2 | 92,5 | 22,ο | 7o,3 |
Wie aus der vorstehenden Tabelle VIII ersichtlich ist, ist die Festigkeit umso höher, je größer die Erhitzungsgeschwindigkeit bei der Warmverformung ist. Demgemäß soll
eine Erhitzungsgeschwindigkeit von wenigstens über 5o C/Hin.
zur Erzielung der erwünschten Erhöhung der Festigkeit angewendet werden.
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Stahlprobe C wurde im Wechsel einer Raffinierungs-
oder Vergütungsbehandlung durch ölhärtung bei 87o C, dann Tempern bei 57o C, danach der einleitenden Kaltbearbeitung
bei einer prozentualen Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung
von 2o %, Erhitzung auf 55o°C bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 75°C/Min. in einer
Gleichstroiriwirbelerhitzungseinrichtung, die unmittelbar
vor einer Preßverfornmngsmaschine angeordnet war, und 5 Minuten danach einer Warmverformung zu Il Ιο-Bolzen oder
-Schrauben unterworfen. In diesem Zusammenhang soll das Kühlen nach der Warmverformung so schnell wie möglich
ausgeführt werden, da langsames Kühlen infolge der von den Bolzen oder Schrauben selbstzurückgehaltenen Wärme,
die ihnen während der Warmverformung zugeführt wurde, zu solchen angelassenen bzw. vergüteten Bolzen oder Schrauben
führt/ in denen der beabsichtigte Verfestungseffekt nicht
erreicht wird.
Die nachstehende Tabelle IX veranschaulicht die Zugfestigkeitsresultate bei Bolzen oder Schrauben, die
nach der Warmverformung drei Kühlungsarten unterworfen worden sind, nämlich Abkühlen oder Abschrecken in Wasser,
Kühlen mit Luft und langsames Kühlen; es zeigt sich, daß das langsame Kühlen keine hohe Festigkeit ergibt.
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Kühlbedingungen nach der Warmverformung und mechanische
Eigenschaften
| Stahlart | Kühlbedin gungen |
Fließ grenze (kg/mm2) |
Zugfe stig keit (kg/mrrr) |
Dehnung (%) |
Endgültige prozentuale Bereichsver- minderung (%) |
| Abschrecken oder Abkühlen in Wasser |
94,3 | 11o,o | 19,8 | 67,5 | |
| Stahl C (AISI 1o27- Stahl) |
Luft kühlung |
84,ο | 1oo,o | 21,5 | 68,9 |
| langsames Kühlen |
71,4 | 85,4 | 23,5 | 77,5 |
Die beabsichtigten Eigenschaften können bei Bolzen oder Schrauben mit kleinem Durchmesser durch Luftkühlung
erzielt werden. Jedoch erfordern die Bolzen oder Schrauben mit großem Durchmesser ölkühlung oder Abschrecken
in Wasser.
Die Stahlprobe C wurde einer Raffinierungs- oder Vergütungsbehandlung durch Olhärtung bei 87o C und dann
einer Temperung bei 57o°C unterworfen, danach einer einleitenden
Kaltbearbeitung bei einer prozentualen Bereichsverminderung von 5 bis 4o %, dann Erhitzung auf 55o C bei
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einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 75 C/Sek., 5 Minuten danach einer Warmverformung zu M "lo-Bolzen oder -Schrauben
und schließlich dem Abkühlen oder Abschrecken mit Wasser.
Die nachstehende Tabelle X veranschaulicht den Einfluß der
einleitenden Kaltbearbeitung auf die erhaltenen mechanischen Eigenschaften.
Einleitende Kaltbearbeitung und mechanische Eigenschaften
| Stahlart | Einleitende Kaltbear beitung (%) |
Fließ grenze (kg/mrn^) |
Zug festig keit 2 (kg/mm ) |
Dehnung (%) 4rfr |
endgültige prozentuale Bereichsver minderung {%) - |
| Stahl C (AISI 1o27- Stahl) |
78,0 | 92,0 | 22,1 | 70,3 | |
| 5 | 80,5 | 94,3 | 22,0 | 69,5 | |
| 10 | 89,3 | 105,5 · | 21,0 | 68,5 | |
| 20 | 94,3 | 110,0 | 19,8 | 67,5 | |
| 30 | 97,0 | 116,5 | 18,8 | 67,8 | |
| 40 | 100,5 | 119,3 | 16,5 | 67,0 |
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Wie aus der vorstehenden Tabelle X ersichtlich ist, führt die Anwendung der einleitenden Kaltbearbeitung bzw.
Kaltvorbearbeitung zu einer Verbesserung der Festigkeit, während die Zähigkeit abnimmt. Die Kaltvorbearbeitung bzw.
einleitende Kältbearbeitung bei einer prozentualen Bereichsverminderung
von über 4o % verursacht Querrisse in dem raffinierten oder vergüteten Stahlmaterial, wodurch weitere
Bearbeitung unterbrochen wird.
Die Stahlprobe "C" wurde im Wechsel einer Raffinierungs-
oder Vergütungsbehandlung durch ölhärtung bei 87o°C und dann einer Temperung bei 57o C unterworfen, danach einer
Kaltvorbehandlung bzw. einer einleitenden Kaltbehandlung bei
einer prozentualen Bereichsverminderung von 2o %, Erhitzung auf 55o°C bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 75°C/Sek.
in einer Gleichstromwirbelerhitzungseinrichtung, die unmittelbar
an einer Preßverformungsmaschine angeordnet war, 5 Sekunden danach einer Warmverformung zu M 1o-Bolzen oder
-Schrauben und anschließend Abkühlen oder Abschrecken in Wasser. Fig. 4 veranschaulicht die Kärteverteilung bei den
Kopfteilen und Schaftteilen solcher Bolzen oder Schrauben.
Im allgemeinen sind die Kopfteile von solchen Bolzen oder Schrauben der 75 %igen Bearbeitung -unterworfen
worden, während die Schaftteile nur einer 2o %igen Vorbe-
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handlung unterworfen wurden, so daß die Differenz bei einer solchen prozentualen Bearbeitung sich im Takt in der Härtedifferenz
widerspiegelt. Es ergab sich, daß die Schraubenköpfe bzw. Bolzenköpfe abnormal hohe Härte (Festigkeit) zeigen,
nämlich im Vergleich mit den Werten bei den Schafttei- ,
len, während die Zähigkeit entsprechend abnimmt. Der Bruch findet an Halsteil der Bolzen oder Schrauben statt, wenn
diese Bolzen oder Schrauben einer großen Belastung unterworfen werden und brechen.
Im Gegensatz dazu zeigen die warmverformten Bolzen oder Schrauben gemäß der Erfindung verringerte Härte am
Kopfteil, da dann, wenn eine Warmverformung wie gemäß Fig. stattfindet, die Deformationsresistenz der Stahlprobe mit
der gleichzeitigen geringeren Arbeitshärtung abnimmt, während der Schaftteil von solchen Bolzen oder Schrauben infolge
der Verfestigungsbehandlung gemäß der Erfindung eine erhöhte Härte zeigt, d.h. gemäß dem Cyclus der vorläufigen
Kaltbearbeitung bzw. Kaltvorbearbeitung bei einer prozentualen Bereichsverminderung oder Durchschnittsverminderung von 2o %,
schnellem Erhitzen, wie es für die Warmverformung angewendet wird, und danach schnellem Abkühlen, wodurch die Differenz
in der Härte zwischen Kopfteilen und Echaftteilen bei diesen
Bolzen oder Schrauben verringert wird.
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Die Stahlprobe "D" (Borstahl") und "Ξ" (Cr-Mo-Stahl)
wurden zweifach einem Cyclus einer Härtungsbehandlung gemäß einer Ilochfrequenzerhitzungseinrichtung, dann einer Temperungsbehandlung
in einem Bleibad, der vorläufigen Kaltbearbeitung bzw, Kaltvorbearbeitung bei einer prozentualen Bereichsverminderung
von 2o %, Erhitzung auf 55o°C bei einer
Erhitzungsgeschwindigkeit von 75 C/Sek. und Warmverformung
zu M 1o-Bolzen oder -Schrauben unterworfen.
M 1o-Bolzen oder -Schrauben wurden mit einer Kerbe von o,o5 R (Formfaktor 6 = stress concentration factor 6)
ausgeformt und dem sogenannten Schleifenverzögerungsbruchtest in einer Atmosphäre hoher Feuchtigkeit unterworfen,
wobei die Bolzen oder Schrauben in ein Wasserbad eingetaucht wurden und Spannung bzw. Zug entsprechend ausgeübt wurde. Die
nachstehende Tabelle XI veranschaulicht die Ergebnisse dieses Tests.
Wie aus Tabelle XI ersichtlich, zeigen die so hergestellten Bolzen oder Schrauben in einem Fall, daß die Bolzen
oder Schrauben durch Warmverformung gemäß der Verfestigungsbehandlung nach der Erfindung erzeugt wurden, nachdem die
Austenitkristallkorngröße mithilfe der Raffinierungsbehandlung
oder Vergütungsbehandlung in Kombination mit der Hochfrequenzinduktionserhitzungsbehandlung
feiner gemacht worden
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ist, ausgezeichnete Resistenz beim verzögerten Bruch im Vergleich mit den üblichen Bolzen oder Schrauben, die dieselbe
Festigkeit haben.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich,
daß die erfindungsgeraäßen Bolzen oder Schrauben mit hoher
Festigkeit hohe Zugfestigkeitswerte von über 1oo kg/nun ohne Beeinträchtigung von deren Zähigkeit zeigen, nämlich
im Gegensatz zu den üblichen wärmebehandelten Bolzen und
Schrauben.
Da andererseits das schnelle Erhitzen mit den Hochfrequenz
induktionserhitzungsniitteln, wie für die Raffinierungs-
bzw. Vergütungsbehandlung bei der Kaltvorbearbeitung oder einleitenden
Kaltbearbeitung angewendet, die Austenitkristallkorngröße
feiner machen kann, können die erfindungsgemäß hergestellten Bolzen oder Schrauben ausgezeichnete Resistenz
gegenüber dem verzögerten Bruch geben, nämlich im Vergleich mit den üblichen Bolzen oder Schrauben von hoher Festigkeit.
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| Ergebnisse des | verzögerter; Bruchtests | Zug festig keit 2 kg/mm ) |
Deh nung |
endgül tige Be reichsver minderung |
Auste- nit- korn- größe |
Kerb festig keit 2 (kg/mm ) |
Bruch zeit +2 (HV) |
|
| Stahl probe |
Wärmebehandlung | 141,3 | 17,6 | 55,2 | 7,ο | 2o8,5 | 5o | |
| O D-O (Ver- CO gleichs- o> material) |
Schraubenausformung und dann Wärmebehandlung, 85o C O.C— 42o°C A.C. |
Mechanische Eigenschaften | 137,6 138,3 |
18,3 15,6 |
59,1 53,4 |
11 ,8 8,ο |
22o,3 2o7,o |
3256 43 |
| «s. (gemäß O Erfin- *-* dung) ω E-O (Ver gleichs- material) |
Wärmebehandlung (Hoch frequenzinduktionser hitzung) 2o% Vorbe arbeitung w»ha 85o C O.Q. 38o C A.C. 5oo C W.H. Schraubenausformung und dann Wärmebehandlung, 85o°C O.Q.-- 49o°C A.C. |
Fließ grenze (kg/mm ) |
138,1 | 18,3 | 58,o | 12,ο | 225,ο | 8634 |
| E-1 (gemäß Erfin dung) |
Wärmebehandlung (Hoch frequenzinduktionser hitzung) 2o% Vorbe arbeitung W«HA 85o C O.Q.—- 49o C A.C. 5oo°C W.U. |
13o,8 | ||||||
| 135,6 128,2 |
||||||||
| 137,8 |
: Korngröße nach der Wärmebehandlung,
: Die Bruchzeit im verzögerten Bruchtest wird unter der Nominalbelastung von
und unter Ausführung von Eintauchen in Wasser bei Raumtemperatur ausgeführt.
: Dehnung wurde bei einer Maßlänge von 4VJTgemessen.
- 4ο -
Die Stahlprobe "C" wurde im Wechsel der Raffinierungs- oder Vergütungsbehandlung mit ölhärtung bei 87o°C
und einer Temperung bei 65o°C, dem Kaltdrahtziehen bei einer prozentualen Bereichsverminderung von 2o %, dem Erhitzen
auf 5oo C bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 24p°C/Sek. und Halten für 5 Sekunden bei dieser Temperatur
und dann dem Abkühlen bzw. dem Abschrecken in Wasser unterworfen.
Das so behandelte Material wurde dann zweifach der Verfestigungsbehandlung unterworfen, bestehend aus
Kaltbearbeitung bei einer prozentualen Bereichsverminderung von 2o %/ Erhitzen auf 5oo°C bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 24o°C/Sek., Halten für 5 Sekunden bei
dieser Temperatur und dann Abkühlen bzw. Abschrecken in Wasser·
Die Materialien, die einem und zwei Cyclen der beschriebenen erfindungsgemäßen Verfestigungsbehandlung
unterworfen worden waren, wurden weiterhin im Wechsel dem Drahtziehen bei einer prozentualen Bereichsverminderung
von 2o %, Erhitzen auf 55o°C bei einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 75°C/Sek., Warmverformung 5 Sekunden
danach zu M 1o-Bolzen oder -Schrauben und dann Abkühlen
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bzw. Abschrecken in Wasser unterworfen. Die mechanischen Eigenschaften, die so erhalten wurden, sind in der nachstehenden
Tabelle XII veranschaulicht.
Tabelle XII
Mechanische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften
| Materialbearbeitung | Fließ grenze (kg/mm2) |
Zug festig keit (kg/mnq |
Deh nung (%) 4VA |
Endgültige prozentuale Eereichsver- minderung (%) |
| Raffiniertes bzw. vergütetes Material |
76,ο | 9o,o | 23,ο | 7o,5 |
| Ein Cyclus Ver festigungsbehand lung |
87,6 | 97,5 | 22,6 | 68,ο |
| Zwei Cyclen Ver festigungsbehand lung |
96,3 | 1o5,6 | 22,ο | 64,5 |
| Mio-Bolzen oder -Schrauben aus raffiniertem bzw. vergütetem Material |
9o,o | 98,6 | 22,3 | 67,3 |
| Mio-Bolzen oder -Schrauben, die einem Cyclus Ver festigungsbehand lung unterworfen wurden |
97,5 | 1o5,8 | 22,ο | 66,5 |
| M1o-Bolzen oder -Schrauben, die zwei Cyclen Ver festigungsbehand lung unterworfen wurden |
1o4,2 | 112,3 | 21,5 | 63,2 |
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Wie aus der vorstehenden Tabelle XII ersichtlich, ergibt sich in dem Fall, daß der raffinierte bzw. vergütete
Stahl im Wechsel einem Cyclus oder zwei Cyclen von Verfestigungsbehandlungen , dem Drahtziehen bei einer prozentualen
Bereichsverminderung von 2o % und dann Warmverformung zur Bildung von M 1o-Bolzen oder -Schrauben unterworfen
worden war, eine Abnahme sowohl in der Dehnung als auch in der Zähigkeit, wie für die endgültige prozentuale Bereichs
verminderung erforderlich, während verbesserte Zugfestigkeitswerte und Werte bezüglich des Fließpunktes erreicht
werden. Außerdem zeigen die Prüfergebnisse, daß die wiederholten Verfestigungsbehandlungen weiterhin verbesserte
Zugfestigkeiten für Bolzen oder Schrauben ergeben können, die warmverformt worden sind.
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Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von Bolzen oder Schrauben
hoher Festigkeit aus einem Kohlenstoffstahl bzw. unlegiertem Stahl oder einem niedriglegierten Stahlmaterial, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Material einer Kaltbehandlung bei einer prozentualen Bereichsverminderung bzw. Durchschnittsverminderung von über 1o % und einschließlich unterwirft, das
so behandelte Material auf eine Temperatur im Bereich von 45o°C bis zum A--Umwandlungspunkt schnell erhitzt, dann eine Warmverformung
zur Ausbildung von Bolzen oder Schrauben ausführt und das Material dann einer Luftkühlung oder einer Kühlung bei
einer Ktihlungsgeschwindigkeit unterwirft, die höher als diejenige der Luftkühlung ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kohlenstoffstahl bzw. unlegierter Stahl oder ein niedriglegiertes Stahlmaterial einmal oder zweimal der Verfestigungsbehandlung
unterworfen wird, bestehend aus Kaltbearbeitung bei einer prozentualen Eereichsverminderung von über
1o % und einschließlich, schnellem Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 25o°C bis zum A1-umwandlungspunkt und
schnellem Kühlen, wonach dieses so behandelte .Material im Wechsel einer Kaltbearbeitung bei einer prozentualen Bereichsvenainderung
von über 1o % und einschließlich, schnel-
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lern Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 45o°C bis
zuin A1-Umwandlungspunkt, Warmverformung zur Ausbildung von Bolzen oder Schrauben und Luftkühlung oder einer Kühlung
bei einer Kühlungsgeschwindigkeit unterworfen wird, die höher als diejenige der Luftkühlung ist.
zuin A1-Umwandlungspunkt, Warmverformung zur Ausbildung von Bolzen oder Schrauben und Luftkühlung oder einer Kühlung
bei einer Kühlungsgeschwindigkeit unterworfen wird, die höher als diejenige der Luftkühlung ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß den Ansprüchen
1 und 2 erhaltenen Bolzen oder Schrauben von hoher Festigkeit
im Wechsel einer Wiedererhitzung auf eine Temperatur
im Bereich von 45o°C bis zum A..-Umwandlungspunkt, Luftkühlung oder Kühlung bei einer Kühlgeschwindigkeit, die höher als diejenige der Luftkühlung ist, unterworfen werden.
im Bereich von 45o°C bis zum A..-Umwandlungspunkt, Luftkühlung oder Kühlung bei einer Kühlgeschwindigkeit, die höher als diejenige der Luftkühlung ist, unterworfen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß man als Stahlmaterial heißgewalztes Material oder ein solches Material verwendet, das
einer Normalisierungsbehandlung oder einer Anlaß- bzw. Vergütungsbehandlung nach dem Heißwalzen zur Ausbildung einer
Austenit- bzw. Perlit-Struktur unterworfen wurde.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß man als Stahlmaterial ein solches verwendet, das Härtungs- und Temperungsbehandlungen
nach dem Heißwalzen zur Erzielung einer getemperten Martensit-
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Struktur, worin die prozentuale Bereichsverminderung für
die angewendete Kaltbearbeitung im Bereich von 1o bis 4o %
liegt, unterworfen wurde.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlmaterial einmal oder zweimal einem Cyclus von Heißwalzen, schnellem
Erhitzen und Härten zur Erzielung einer feineren Austenitkristallkorngröße
bis über No. 1o und einschließlich gemäß ASTM-Korngröße unterworfen wird, wonach das betreffende Material
einer Temperungsbehandlung zur Erzielung ^einer getemperten Martensit-Struktur, worin die prozentuale Bereichsverminderung
der Kaltbearbeitung im Bereich von 1o bis 4o % liegt, unterworfen wurde.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Stahlmaterial verwendet,
worin der Kohlenstoffgehalt unterhalb o,5o % und einschließlich liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß die Erhitzungsgeschwindigkeit der
Schnellerhitzungsbehandlung 5o°C/Min. und einschließlich beträgt.
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9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlungsgeschwindigkeit nach dem schnellen Erhitzen 5o C/Min. und einschließlich
beträgt.
1ο. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eintauchzeit der Bolzen oder Schrauben bei der Aufnahmetemperatur
während Verfestigung&behandlung.im Bereich von drei Minuten liegt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eintauchzeit der Bolzen oder Schrauben bei der Aufnahmetemperatur während
der Wiedererhitzüngsbehandlung im Bereich von fünf Minuten liegt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kaltbearbeitung
Drahtziehen angewendet wird.
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Leerseite
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10777472A JPS5317968B2 (de) | 1972-10-27 | 1972-10-27 | |
| JP6850373A JPS5424370B2 (de) | 1973-06-18 | 1973-06-18 |
Publications (3)
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|---|---|
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| DE2344027C3 DE2344027C3 (de) | 1979-08-09 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19732344027 Expired DE2344027C3 (de) | 1972-10-27 | 1973-08-31 | Verfahren zur Herstellung von Bolzen oder Schrauben |
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| Country | Link |
|---|---|
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| DE10014078C5 (de) † | 2000-03-22 | 2007-04-05 | Nelson Bolzenschweiß-Technik GmbH & Co. KG | Verfahren zur Herstellung eines Schweißbolzens |
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- 1973-08-31 DE DE19732344027 patent/DE2344027C3/de not_active Expired
- 1973-09-03 GB GB4137473A patent/GB1446892A/en not_active Expired
- 1973-10-26 FR FR7338319A patent/FR2204694B1/fr not_active Expired
- 1973-10-26 NL NL7314729A patent/NL7314729A/xx active Search and Examination
Also Published As
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|---|---|
| NL7314729A (de) | 1974-05-01 |
| GB1446892A (en) | 1976-08-18 |
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| FR2204694A1 (de) | 1974-05-24 |
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