DE2610388A1

DE2610388A1 - Stahl, insbesondere zur herstellung hochbeanspruchter schmiedestuecke

Info

Publication number: DE2610388A1
Application number: DE19762610388
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Kneller
Original assignee: Gerlach Werke GmbH
Current assignee: Gerlach Werke GmbH
Priority date: 1976-02-07
Filing date: 1976-02-07
Publication date: 1977-08-11
Also published as: DE2610388B2; DE2610388C3

Description

"Stahl, insbesondere zur Herstellung hochbeanspruchter
Schmiedestücke" Die Erfindung betrifft einen Stahl, insbesondere zur Herstellung hochbeanspruchter Schmiedestücke, mit 0,25 bis 0,60% Kohlenstoff und 0,30 bis 0,70% Silizium, vorzugsweise ferner mit 0,10 bis 0,354 Chrom und 0,50 bis 1,20% Mangan.
Hochbeanspruchte Gesenkschmiedestücke, wie Kurbelwellen, lässt man nach herkömmlicher Technik nach dem Schmieden erkalten und vergütet sie, indem man sie auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 780 bis 880 grd erhitzt, dann in Öl oder nasser atschreckt und bei 550 bis 650 grd auf die gewünschte Festigkeit anlässt.
Um den erhöhten Fertigungs- und Energieaufwand ffir diese Wärmebehandlung einzusparen, ist in der DT-OS 2 350 370 vorgeschlager einen mit 0,05 bis 0,15% Vanadium oder Niob legierten Kohlerstoff-Mangan-Stahl zu verwenden und das Teil an Luft aus der Schmiedehitze abzukühlen. Das Legierungselement Vanadium oder Niob bewirkt dabei durch eine Ausscheidungshärtung (Bildung von Vanadin- bzw. Niobcarbonitriden) eine Steigerung der Festigkeit, die ein Vergüten entbehrlich macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ebenfalls iei Abkühlung aus der Schmiedehitze genügende Festigkeit erreichenden Stahl zu schaffen, jedoch unter Ersatz des Vanadiums hz-.
Niobs -durch ein weniger wertvolles und billigeres Legierungselement.
emäss der Erfindung erfüllt diese Forderungen ein Stahl der eingangs genannten Zusammensetzung, der einen Sticl -stoffgehait von 0,120 bis 0,03508 aufweist. Die günstigste Wirkung wird in der Regel bei einem Stickstoffgehalt von 0,014<' bis 0,0230% zu erwarten sein. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Stahl möglichst niedrige Gehalte an Elementen mit hoher Stickstoffaffinität, vorzugsweise nur Spurengehalte, aufweist.
Das Gefüge des aus der Schmiedehitze abgekühlten erfindungsgemässen Stahles ist ferritisch-perlitisch.
Zur Erklärung der nach der Erfindung eintretenden Verfestigung kann man sich etwa folgenden Mechanismus vorstellen: Der in vergleichsweise hoher Menge vorgesehene Stickstoff hat sowohl im freien Ferrit als auch im Ferrit des Perlits durch die ei Temperaturerniedrigung sinkende Stickstofflöslichkei t ir Ferritgitter die Neigung, sich auszuscheiden. Dabei führen sich einphasig ausscheidende Stickstoffatome zu einer hohen Konzentration von Versetzungen, die die Festigkeit erhöhen.
Weiter kommt es zur Bildung von Eisennitrid. Da sich dieses unmittelbar aus dem alpha-Eisen-Gitter ausscheidet, liegen die Abstände nahe beieinander entstehender Nitridausscheidungen voneinander in der Grössenordnung der Atomgitterabstände des alpha-Eisens. Hierdurch können Frank-Read-Quellen entstehen, die die Higenschaft haben, beim Anlegen einer Spannung weitere Versetzungen zu bilden und damit die Festigkeit noch einmal zu erhöhen. Die Ausbildung solcher als Frank-Read-Quellen wirkender Verteilungsordnungen wird durch die hohe Stickstoffkonzentration hegiinstigt, da diese die Wahrscheinlichkeit vor Nitridausscheidungen in den betreffenden engen Abständen erhöht.
Schliesslich bilden sich Eisennitridpartikel feinster Grösse in Verteilung, die die entstandenen Versetzungen blockieren.
Eine Ausscheidungshärtung durch eine eigens herbeigeführte Nitridbildung mit Legierungselementen, wie nach der DT-OS 2 320 37 mit Vanadin oder Niob,soll jedoch nicht vorgenommen werden. Im Sinne der obigen Vorstellungen liegt vielmehr der weitere Erfindungsvorschlag, zu vermeiden, dass in dem Stahl Elemente mit hoher Stickstoffaffinität, wie Vanadin, Niob, Titan, Bor, Aluminium usw. vorhanden sind, die eine vorzeitige Ausscheidung des Stickstoffs, hauptsächlich im Austenit, bewirken; der Stickstoff soll noch in dem Ferrit, und zwar sowohl im freien ferrit als auch in dem des Perlits, gelöst sein und sich erst bei nicdrigeren Temperaturen aus diesem ausscheiden.
I)as Schwergewicht liegt dementsprechend mehr in der Schaffung einer besonders grossen Zahl von Versetzungen als in der Schaffung von die Versetzungen blockierenden Ausscheidungen, aber gleichfalls mit dem Ergebnis einer hohen Versetzungskonzentrati on.
Daneben trägt das Silizium in bekannter Weise durch Einlagerung auf den Zwischengitterplätzen des Ferrits zu dessen Verspannung und damit Verfestigung bei.
1)ie vorzugsweise ferner vorgesehenen Elemente Chrom und Mangan haben die übliche Bedeutung, das Umwandlungsverhalten des Stahls bzw. die Ausbildungsform des Perlits zu beeinflussen.
Im folgenden sei die Erfindung anhand von Versuchen zahlenmässig verdeutlicht.
Es wurden sechs verschiedene Chargen von der Grundzusammensetzung der unter der Bezeichnung Ck 45 bekannten und zur Herstellung von Kurbelwellen häufig verwendeten Stahlqualität erschmolzen.
Von jeder Charge wurde eine Anzahl gleicher, für verschiedene Chargen jedoch unterschiedlicher Stücke (Kurbelwellen, Rundstäbe, Schwenklager) geschmiedet und auf einem Abkiihlhand einzeln an Luft aus der Schmiedehitze abkühlen gelassen. Die so erhaltener Werkstücke wurden an der Oberfläche der Brinellprfifung mit lIB 10/3000 und bis auf die Schwenklager ausserdem der Zerreißprüfung unterzogen. Die Analysen und die Prüfungsergebnisse sind in der anliegenden Tabelle zusammengestellt.
Versuch Nr. 1 wurde mit dem normalen Werkstoff Ck 45 durchgeführt. Die Festiçkeitswerte, die ohne die für diesen Werkstoff an sich vorgeseltene Vergütung bei blosser Abkühlung aus der Schmiedehitze erhalten wurden, genügen nicht.
Für Versuch Nr. 2 wurde die Schmelze gemäss folgender Richtanalyse ;rodifiziert: 0,45 bis 0,49% C, 0,35 bis 0,50% Si, 0,75 bis 0,90% Mn, unter 0,0358 P, 0,050 bis 0,0658 S, 0,15 bis Q,255 rr, unter 0,05% Mo, unter 0,128 Ni, 0,010 bis 0,020% Al und 0,0150 bis 0,0200% N2. Hier sind neben dem Stickstoff-Gehalt der Silizium-Gehalt und der Chrom-Gehalt bewusst erhöht. Fs zeigt sich, dass durch die Modifizierung an dem gleichen Schmiedestück (Kurbelwelle Typ A) die Streckgrenze um etwa 8 kp/mm² und die Zugfestigkeit um etwa 12 kp/mm2 gesteigert werden konnte (Mittelwerte).
Die Versuche Nr. 3 und Nr. 4 bestätigen dies mit weiteren Schmelzen nach derselhen Richtanalyse an den weiteren Kurbelwellentypen B und C.
Versuch Nr. 5 zeigt den Einfluss einer weiteren Modifikation, nämlich der Verringerung des Aluminium-Gehalts gegenüber den Versuche.1 r bis 4: Dic Streckgrenze und das Streckgrenzenverhältnis konrten noch einmal beträchtlich und die Zugfestigkeit konnte ebenfalls gesteigert werden. Der Versuch wurde mit geschmiedeten Bundstäben von 50 mm Durchmesser durchgeführt, deren Abkühlbedingungen denen der Kurbelwellen annährend gleichkamen.
Versuch Nr. 6 belegt die Wirkung des erhöhten Stickstoffgehalts an einem Schwenklager.
Die nach den Versuchen 2 bis 6 erhaltenen Gütenwert sind hereits ausreichend, im Fall des Versuchs 5 sogar gut.
Tabelle Versuch Nr. 1 2 3 4 5 (, Chargenbezeichnung G L S3 AL A Analyse: C (%) 0,45 0,47 0,45 0,47 0,48 0,47 Si (%) 0,20 0,49 0,49 0,44 0,54 Mn(%) 0,92 0,84 0,85 0,84 0,83 0,84 P (%) 0,034 0,009 0,009 0,010 0,009 0,01 S (%) 0,088 0,059 0,059 0,059 0,065 0,05 Cr(%) 0,20 0,24 0,24 0,23 0,25 0,23 Mo(%) 0,04 0,02 0,02 <0,02 <0,02 0,02 Ni(%) 0,09 0,03 0,02 0,03 <0,02 0,03 Cu(%) 0,15 0,05 0,05 0,05 0,04 0,06 V (%) <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 Nb (%) <0,03 <0,03 <0,03 <0,03 Al(%) 0,028 0,019 0,015 0,024 0,003 0,025 N2(%) 0,0080 0,0152 0,0152 0,0170 0,0210 0,0160 Geprüfte Kurbel- Kurbel- Kurbel- Kurbel- Rund- Schwenk-Schmiede- wellen wellen wellen wellen stäbe lager stücke Typ A Typ A Typ B Typ C Prüfwerte: Brinne11 (kp/mm²) 65-72 76-81 78-81 78-79 79-84 sigma0,2 (kp/mm²) 37,1 44,9 33,8 44,5 49,6 sigmaB (kp/mm²) 70,0 82,1 79,9 80,5 83,6 delta5 (%) 19,4 14,5 16,3 13,2 17,5 psi (%) 44,0 30,2 31,9 24,2 37,9 sigma,2 sigmag 0,53 0,55 0,56 0,55 0,60 ak (kpm/cm2) 4,67

Claims

Patentansprüche Stahl, insbesondere zur Herstellung bochbeanspruchter Schmiedestücke,mit 0,25 bis 0,605 Kohlenstoff und 0,30 bis 0,705 Silizium, vorzugsweise ferner mit 0,10 bis 0,35° Chrom und 0,50 bis 1,20% Mangan, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Stickstoffgehalt von 0,0120 bis 0,0350t aufweist.
2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Stickstoffgehalt von 0,0140 bis 0,0230% aufwcist.
3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er niedrige Gehalte an Elementen mit hoher Stickstoffaffinität, vorzugsweise nur Spurengehalte, aufweist.
4. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur erstellung von unvergüteten Schmiedestücken, inshesondere unvergüteten Kurbelwellen, Schwenklagern und Pleuelstangen.