DE2654676B2

DE2654676B2 - Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Material

Info

Publication number: DE2654676B2
Application number: DE2654676A
Authority: DE
Inventors: William Alphonse Town Of Cortlandt Kilinskas; Richard Benedict Indianapolis Ind. Mazzarella; Jaak Stefaan Van Den Mt. Kisco Sype
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1976-12-02
Publication date: 1979-10-25
Also published as: NO764114L; IL51036A; DK542176A; FR2333864A1; NO145664C; AU2020376A; BE849008A; SE7612757L; ES453888A1; FI763455A; PT65916B; DE2654676A1; JPS5268814A; FR2333864B1; CA1060321A; DD129035A5; GB1508279A; MX145190A; US4042423A; DE2654676C3

Description

Rostfreier Stahl	Md-Temperatur
AISI Nr.	(X)
301	43
302	13
304	15
304 L	18

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Material, das aus einer austenitischen Stahllegierung besteht, wobei die austenitische Stahllegierung aus der Gruppe der rostfreien Stahllegierungen der Reihen AISI 200 und 300 oder aus den nicht rostfreien Stahllegierungen besteht, die Eisen, Mangan, Chrom oder Kohlenstoff enthalten, und die Stahllegierung eine Md-Temperatur von höchstens 100⁰C und eine Ms-Temperatur von höchstens minus 100⁰C hat.

Stahllegierungen der genannten Art sind bekannt (»Steel Products Manual: Stainless and Heat Resisting Steels«, American iron and Steel Institute (AISI), Washington, D. G, 1974). Zu ihnen gehören beispielsweise auch die Legierungen mit den DIN-Bezeichnungen χ 40Mn Cr 18 und χ 40Mn Cr 22 (»Metallic Materials Specification Handbook«, E & FN Spon Ltd., London 1972, Seite 655 und 656).

Als »austenitisch« werden vorliegend Werkstoffe bezeichnet, bei denen mindestens 95 Vol.-% des Mikrogefüges eine kubisch-flächenzentrierte Struktur haben. Bei solchen Legierungen kann man sagen, daß sie sich im wesentlichen in der austenitischen Phase befinden. Die vorliegend interessierenden Stahllegierungen befinden sich in der austenitischen Phase bei der Temperatur, bei welcher die Verformung durchgeführt wird, und zwar ungeachtet der zuvor durchgeführten Arbeitsvorgänge oder vorhandenen Temperaturen. Beispielsweise kann ein dem Verformungsvorgang Die Stähle 301,302,304 und 304 L haben Ms-Temperaturen von unterhalb -196° C.

Bei der nachstehend diskutierten Verformung handelt es sich um eine mechanische Verformung in dem auf den Bereich der elastischen Verformung folgenden Bereich der plastischen Verformung. Die Verformung wird dadurch verursacht, daß der Werkstoff über seine Elastizitätsgrenze hinausgehend ausreichend beansprucht wird, um die Form des gesamten Werkstückes oder eines Teiles desselben zu ändern.

Die vorliegend erörterten draht- oder bandförmigen Werkstoffe werden auf konventionelle Weise hergestellt und gehandhabt, soweit keine abweichenden Angaben gemacht sind.

Zu den physikalischen Eigenschaften, auf die es im vorliegenden Zusammenhang ankommt, gehören die Zugfestigkeit, die Torsionsdehngrenze und die Formänderungsfähigkeit.

Die Zugfestigkeitseigenschaften können leicht durch einen einfachen einachsigen Zugversuch entsprechend ASTM-Norm, Verfahren E-8 bestimmt werden (Teil 10 des 1975 Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing Materials, Philadelphia, Pa.). Die Zugfestigkeit stellt die maximale Zugbeanspruchung dar, welcher der Werkstoff ausgesetzt werden kann. Sie ist das Verhältnis zwischen der Höchstlast eines bis zum Bruch durchgeführten Zugversuchs und der ursprünglichen Querschnittsfläche der Probe.

Die Torsionsdehngrenze, beispielsweise von Draht,

kann dadurch bestimmt werden, daß ein Drahtstück von endlicher Länge Ober zunehmende Winkel verdreht und beobachtet wird, wann eine erste Torsionsdauerverformung auftritt Als 2%-Torsionsdehngrenze wird die Schubspannung definiert, die an der Drahtoberfläche auftritt, wenn der Draht um einen Winkel verdreht wird, der ausreicht, um eine dauerhafte Winkelversetzung von 2% zu verursachen. Eine entsprechende Definition gilt für eine 5%-Torsionsdehngrenze,

Ein herkömmlicher Formänderungsfähigkeitsversuch für bei der Federherstellung verwendeten Draht besteht darin, daß der Draht um einen Dorn gewickelt wird, dessen Durchmesser gleich dem Drahtdurchmesser ist Der Draht hat den Versuch bestanden, wenn er während dieses Versuchs nicht bricht Es versteht sich, daß bei einem solchen Wickelversuch die Außenhaut des Drahtes die größte plastische Verformung erfährt und infolgedessen die größte Duktilität erfordert Ein typisches Erfordernis für die Formänderungsfähigkeit von Bandmaterial besteht darin, daß das Material einen 90°-Biegeversuch um einen Radius gleich der dreifachen Banddicke aushält ohne daß es zum Bruch kommt

Praktisch der gesamte im Handel verfügbare Draht von hoher Festigkeit wird derzeit im Drahtziehverfahren hergestellt Die Ausgangsstoffe, aus denen der Draht gezogen wird, sind schlanke Stäbe oder Stangen, die im allgemeinen als Drahtknüppel bezeichnet und aus Stahlblöcken auf den gewünschten Durchmesser warmgewalzt werden. Die Querschnittsfläche des stabförmigen Ausgangsmaterials wird in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Ziehvorgängen auf die gewünschte Endgröße des Drahtes reduziert wobei jeder der Arbeitsvorgänge darin besteht daß der Draht durch ein Ziehwerkzeug (Ziehstein oder Ziehring) hindurchgezogen wird, das eine fortschreitend kleinere Querschnittsöffnung hat Bei jedem Ziehvorgang wird die Querschnittsfläche des Drahtes um ungefähr 20% herabgesetzt. Da bei der Fertigung von Draht hoher Festigkeit ein erhebliches Maß an Verfestigung erforderlich ist, ist eine große Anzahl von Ziehvorgängen nicht für die Querschnittsverminderung, jedoch für die Metallverfestigung notwendig. Im allgemeinen wird daher ein geglühter Rohdraht gewählt, der gegenüber der Querschnittsfläche des Fertigdrahtes ein erhebliches Übermaß hat so daß eine Flächenreduktion vorgenommen werden kann, die der gewünschten Verfestigung des Metalls während des Ziehens entspricht Bei Draht hoher Festigkeit, wie er von Federherstellern benutzt wird, liegt die Gesamtreduktion der Querschnittsfläche des geglühten Ausgangsmaterials im allgemeinen zwischen 75 und 90%.

Die unerwünschten Wirkungen, die das Ziehen auf die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Drahtes hat, sind bekannt Der mit dem Ziehen verbundene Hauptnachteil ist die große Reibungskraft, die zwischen der Wand des Ziehwerkzeuges und dem bearbeiteten Metall erzeugt wird, während der Draht zwangsweise durch die enge öffnung des Ziehwerkzeuges hindurchgezogen wird. Dies führt zu einer bevorzugten Verfestigung des äußeren Teiles (oder der Haut) des Drahtes gegenüber dem Innenkern, so daß das Fertigprodukt nicht gleichförmig verfestigt ist Der gezogene Draht hat daher eine hochverfestigte Haut und einen Kern, der eine wesentlich geringere Verfestigung erfahren hat. Das Maß, in dem Draht durch Ziehen verfestigt werden kann, ist durch die Zugfestigkeit begrenzt, bei welcher der Haut- oder Oberflächenteil des Drahtes reißt oder bricht.

Die brauchbare Zugfestigkeit von Draht hoher Festigkeit wie er von Federherstellern verwendet wird, ist ferner dadurch begrenzt, daß eine adäquate Verformungsfähigkeit vorhanden sein muß. Beispielsweise wird von Draht mit. einem Durchmesser von weniger als 6,35 mm erwartet daß er ohne zu brechen um einen Dorn gewickelt werden kann, dessen Durchmesser gleich dem Drahtdurchmesser ist Bei einem derartigen Wickelversuch erfahren die außenliegenden Fasern des Drahtes die größte plastische Verformung; sie erfordern daher die größte Duktilität Die Vorzugsverfestigung der Außenschicht des Drahtes während des Ziehens vermindert aber das Formänderungsvermögen des Drahtes beträchtlich, weil der Werkstoff in den Außenschichten auf Grund des Kaltziehens spröder und weniger duktil als der weiter innen liegende Werkstoff wird.

Bekanntlich hängen diese unerwünschten Einflüsse des Ziehvorganges auf die Eigenschaften des Drahts von dem Dvahtdurchmesser ab; dünnere Querschnitte können stärker als dickere Querschnitte kaltgezogen werden, bevor die Haut reißt

Die vorstehend erläuterten Verhältnisse spiegeln sich beispielsweise in der Tatsache, daß handelsüblicher rostfreier Stahldraht hoher Festigkeit vom Typ 302, der für Federn am häufigsten benutzte rostfreie Draht mit einer Zugfestigkeit von 2200 N/ram^! für einen Draht mit 0,25 mm Durchmesser erhältlich ist während bei einem Drahtdurchmesser von 635 mm die Zugfestigkeit ungefähr 1200 N/mm² beträgt Das Ausmaß, in dem ein Draht durch Ziehen verfestigt werden kann, ist also durch die Zugfestigkeit begrenzt bei welcher die außenliegende Werkstoffschicht bricht Infolgedessen sind die konventionellen Ziehverfahren sehr wenig wirkungsvoll, was die Verfestigung von Draht mit verhältnismäßig großem Durchmesser anbelangt

Ähnliche Probleme ergeben sich bei der Herstellung von Stahlband mit hoher Festigkeit. Derartiges Bandmaterial wird im allgemeinen durch Walzen gefertigt Die durch das Walzen bewirkten Werkstoffverfestigungseffekte breiten sich von der Grenzfläche zwischen dem Werkstoff und den Walzen derart in den Werkstoff hinein aus, daß der überwiegende Teil des Festigkeitszuwachses, der auf Kaltwalzen zurückzufüh-

■»5 ren ist, in dem außenliegenden Werkstoffbereich des Bandes konzentriert wird und nur in geringerem Umfang in den inneniiegenden Bandbereichen auftritt. Die unerwünschten Einflüsse, die das Ziehen auf die mechanischen Eigenschaften von Draht hat, treten infolgedessen auch beim Walzen von Bandmaterial auf. Insbesondere ist das Ausmaß, in dem Bandmaterial durch Walzen verfestigt werden kann und noch eine ausreichende Verformungsfähigkeit hat, um beispielsweise Fidern herzustellen, durch die Zugfestigkeit begrenzt, bei welcher der Hautabschnitt des Bandmaterials während des Formens der Federn bricht. Die bevorzugte Verfestigung der Oberfläche des Bandmaterials während des Walzens begrenzt daher die nutzbare Zugfestigkeit des gewalzten Bandmaterials; für ein vorgegebenes Formänderungsvermögen, das beispielsweise in einem Biegeversuch ermittelt wird, nimmt die nutzbare Zugfestigkeit mit steigender Dicke des Bandmaterials ab.
Es wurde gefunden, daß das Ziehen von Draht oder

b) das Walzen von Bandmaterial aus den obengenannten Legierungen bei Tieftemperaturen, bei denen der austenitische Werkstoff teilweise in die Martensitphase umgewandelt wird, die Zugfestigkeit des Draht- oder

Bandmaterials verbessert, ohne daß große Durchmesser- oder Dickenminderungen notwendig sind. Das Ziehen bei Tieftemperaturen ist zwar grundsätzlich attraktiv, was die Verfestigung der Legierungen anbelangt; es ist jedoch mit wesentlichen praktischen Einschränkungen behaftet, die verhindert haben, daß ein derartiges Verfahren wirtschaftliche Bedeutung erlangt hat. Eine Beschränkung liegt darin, daß keine Schmiermittel zur Verfügung stehen, welche die Reibung zwischen dem Draht und der Wand des Ziehwerkzeuges bei Tieftemperaturen wirkungsvoll vermindern können, so daß ein Draht mit der glatten und fehlerfreien Überflächenbeschaffenheit hergestellt werden kann, wie sie für Federn von wesentlicher Bedeutung ist. Oberflächenunregelmäßigkeiten, wie Kerben und Risse, die auf eine unzureichende Schmierung zurückzuführen sind, suchen beispielsweise die Dauerfestigkeit von Federn herabzusetzen.

Außerdem ist das mit allen Drahtzieh- und Bandwalzvorgängen verbundene Problem, nämlich die bevorzugte Verfestigung des außenliegenden Bereiches des Drahtes oder Bandes gegenüber dem Kern, bei Tieftemperaturen noch ausgeprägter. Infolgedessen wird die weit überwiegende Menge des kommerziell hergestellten Draht- und Bandmaterials hoher Festigkeit bei Raumtemperatur gezogen bzw. gewalzt.

Außerdem ist es erwünscht, daß bei einem für Federanwendungen benutzten Draht die Torsionsdehngrenze möglichst hoch mit Bezug auf die Zugfestigkeit des Drahtes ist. Es zeigte sich jedoch, daß bei konventionell gezogenem Draht aus rostfreiem Stahl AISI 302 das Verhältnis zwischen der 2%-Torsionsdehngrenze und der Zugfestigkeit im Bereich von 0,3 bis 0.4 liegt, was als niedrig anzusprechen ist. Ein ähnliches Problem tritt beim Biegen von Bandmaterial auf; es wird als obere proportionale Biegegrenze bezeichnet.

Um die starke Steigerung der Zugfestigkeit nutzen zu können, die sichbei tiefen Temperaturen erzielen läßt, müssen also drei Probleme gelöst werden: (1) Schmierung bei Tieftemperaturen; (2) Erzielung von hohen Zugfestigkeiten unabhängig vom Drahtdurchmesser oder von der Banddicke, so daß Drähte von verhältnismäßig großem Durchmesser oder dickes Bandmaterial bei diesen Tieftemperaturen verarbeitet werden können, insbesondere Drähte mit einem Durchmesser und Bandmaterial mit einer Dicke von mehr als ungefähr 0,5 mm, sowie (3) Verbesserung der Torsionsdehngrenze gegenüber den derzeit bei Drähten verfügbaren Werten, wenn beispielsweise das Material für Schraubenzug- oder -druckfedern benutzt werden soll, weil in diesem Fall die Beanspruchungen Torsionsbeanspruchungen sind und die höchsten Spannungen in Form von Schubbeanspruchungen an der Werkstückoberfläche auftreten, oder Verbesserung der oberen proportionalen Biegegrenze des Bandmaterials.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Drahtoder Bandmaterial zu schaffen, bei dem das Schmierproblem ausgeräumt ist, die Zugfestigkeiten unabhängig vom Drahtdurchmesser und der Banddicke sind sowie die Torsionsdehngrenze oder Biegegrenze gegenüber den bisher erreichbaren Werten verbessert sind

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das draht- oder bandförmige Material bei einer Dehnung von mindestens 10% und einer Temperatur von höchstens minus 75° C gereckt wird, so daß das Material eine Martensitphase von mindestens 50 Vol.-% und eine Austenitphase von mindestens 10 Vol.-% hat

Bei dem Verfahren nach der Erfindung bleiben die Vorteile einer Nerformung bei Tieftemperaturen hinsichtlich der Zugfestigkeit erhalten, während gleichzeitig Schmiermittel überflüssig werden, die Zugfestigkeitseigenschaften von ihrer Abhängigkeit von Drahtdurchmesser und Bandstärke befreit werden sowie günstigere Werte für die Torsionsdehngrenze und die Biegegrenze erreicht werden.

Als besonders vorteilhaft erwies es sich, wenn das Recken mit einer Dehnung von 10 bis 60% bei einer Temperatur von niedriger als minus 100⁰C durchgeführt wird, so daß das draht- oder bandförmige Material eine Martensitphase von mindestens 60 Vol.-% und eine Austenitphase von mindestens 10 Vol.-% aufweist.

Besonders günstige Festigkeitseigenschaften werden erzielt, indem in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Material anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 350⁰C bis 450⁰C, und vorzugsweise im Bereich von 375° C bis 425° C, gealtert wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 und 2 eine Seitenansicht und einen Teilquerschnitt einer Vorrichtung, mittels deren der vorstehend genannte Reckvorgang ausgeführt werden kann.

Die. Legierungen, bei denen das vorstehend erläuterte Verfahren anwendbar ist, sind herkömmliche Legierungen. Die einzigen Voraussetzungen bestehen darin, daß sie bei Durchführung der Verformung der Definition von austenitisch entsprechen müssen und daß ihre Md-Temperaturen nicht höher als 100⁰C sowie ihre Ms-Temperaturen nicht höher als -100° liegen.

Das Recken stellt eine mechanische Verformung dar, die in dem Bereich der plastischen Verformung stattfindet. Es kann mit herkömmlichen Reckverfahren und Reckvorrichtungen gearbeitet werden, die sich für ein einachsiges Recken eignen.

Die Verformung muß ausreichend groß sein, um für die angegebenen Prozentsätze von Martensit und Austenit zu sorgen, die zunächst an Hand von herkömmlichen Analyseverfahren beispielsweise Röntgenbeugung oder magnetischen Messungen, und dann auf der Grundlage von Erfahrungswerten bestimmt werden, die bei den verschiedenen Legierungen im Falle der Verformung in den angegebenen Temperaturbereichen erzielt werden. Um die Verformung genauer zu definieren, ist diese als Dehnnung angegeben. Es zeigte sich, daß bei den vorliegend verwendeten Werkstoffen die Verfestigungseffekte aus der beobachteten Verfestigung während eines einfachen Zugversuchs err^-ttelt werden können, wobei das Prinzip der »äquivalenten einachsigen« Dehnung oder »effektiven« Dehnung benutzt wird, wie dies beispielsweise in »Mechanical Metallurgy« von G. E. Dieter, Jr, veröffentlicht von der McGraw-Hill Book Company (1961), auf Seite 66 angegeben ist

Die bei der Verformung vorgesehene Mindestdehnung beträgt 10%. Hinsichtlich der prozentualen Dehnung besteht kein oberer Grenzwert mit der Ausnahme, daß in der Praxis bei einem bestimmten Punkt die Änderungen hinsichtlich des Mikrogefüges und der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften minimal werden. Außerdem ergibt sich eine Grenze selbstverständlich auf einen Bruch des Werkstoffes. Es wird zweckmäßig mit einer Dehnung zwischen 10 und 60% sowie vorzugsweise mit einer Dehnung zwischen 20 und 40% gearbeitet

Wie ausgeführt umfaßt die bei dem Verfahren

verwendete Ausgangslegierung mindestens 95 Vol.-°/o Austenit, während es sich bei dem Rest um Martensit handelt. Vorzugsweise liegen zwischen 0 und 2 Vol.-% Martensit und 98 bis 100 Vol.-% Austenit in der Legierung vor. Die vorliegend genannten Legierungen sind bei normalen Temperaturen als stabil, d. h. als austenitisch stabil, zu betrachten.

Die Temperatur, bei welcher das Recken durchgeführt wird, liegt unter -75⁰C und vorzugsweise unter — 100⁰C. Diese Temperaturen lassen sich erreichen, indem das Recken in

flüssigem Stickstoff (Siedepunkt - 196° C),
flüssigem Sauerstoff (Siedepunkt - 183° C),
flüssigem Argon (Siedepunkt - 186° C),
flüssigem Neon (Siedepunkt -246"C)₁
flüssigem Wasserstoff (Siedepunkt -252° C) oder
flüssigem Helium (Siedepunkt -269°C)

erfolgt. Vorzugsweise wird mit flüssigem Stickstoff gearbeitet. Ein Gemisch von Trockeneis und Methanol, Äthanol oder Aceton hat einen Siedepunkt von ungefähr -79°C und kann gleichfalls benutzt werden. Je niedriger die Temperatur liegt, desto weniger Dehnung ist für jedes Prozent Verbesserung der Zugfestigkeit erforderlich. Durch die Verformung wird dem Werkstoff Energie zugeführt; dies hat einen Temperaturanstieg zur Folge, so daß man in einen Bereich oberhalb ungefähr -75° C gelangen kann. Dadurch wird das Verfahren nicht beeinträchtigt, vorausgesetzt, daß die Verformung vor dem Temperaturanstieg erfolgt. Das Herunterkühlen auf die angegebenen niedrigen Temperaturen kann vor dem Zeitpunkt der Verformung oder gleichzeitig mit dieser erfolgen. Je enger die Koordinierung zwischen diesen beiden Arbeitsvorgängen ist, desto rascher und damit auch wirtschaftlicher läßt sich das Verfahren durchführen.

Bei der Verformung, d. h. während des Reckens, wird das Mikrogefüge der Legierung merklich geändert, so daß mindestens 50 Vol.-°/o in der Martensitphase und mindestens 10 Vol.-% in der Austenitphase vorliegen. Die bevorzugten Bereiche gehen von 60 bis 90 Vol.-°/o Martensit sowie 10 bis 40 Vol.-% Austenit.

Vorliegend wird das Mikrogefüge der Ausgangslegierung und der nach Tieftemperaturverformung und Alterung erhaltenen Produkte stets als im wesentlichen aus Austenit und/oder Martensit in den genannten Prozentsätzen bestehend betrachtet. Möglicherweise andere vorhandene Phasen sind vorliegend nicht von Interesse, da sie, falls sie überhaupt existieren, weniger als 1 Vol.-% ausmachen und auf die Eigenschaften der Legierung nur geringen oder überhaupt keinen Einfluß haben.

Nach dem Recken wird die Legierung vorzugsweise künstlich gealtert, um die Festigkeitseigenschaften zu optimieren. Das Altern erfolgt auf herkömmliche Weise bei einer Temperatur im Bereich von 350⁰C bis 450⁰C und vorzugsweise im Bereich von 375° C bis 425° C Die Alterungsdauer kann zwischen 30 Minuten und 10 Stunden liegen; vorzugsweise wird innerhalb eines Bereiches von 30 Minuten bis 2^ Stunden gearbeitet Herkömmliche Prüfverfahren werden benutzt, um die Temperatur und Zeitdauer zu bestimmen, die zu der höchsten Zugfestigkeit und Dehngrenze führen.

Durch das Altern wird die Dehngrenze in der Regel stärker verbessert als die Zugfestigkeit Damit die Legierung die höchsten Festigkeitswerte erreicht kann die Alterung bis zu einem Punkt durchgeführt werden, wo sich die Dehngrenze der Zugfestigkeit nähert

Recken wird als Verformen von Werkstücken bezeichnet, bei denen eine Abmessung, die Längsabmessung, wesentlich größer als die beiden anderen Abmessungen ist, wie dies bei draht- oder bandförmigern Material der Fall ist. Bei der Verformung werden Kräfte in der Längsrichtung derart aufgebracht, daß im wesentlichen der gesamte Querschnitt des Werkstückes während des Verformens eine gleichförmige, einachsige Zugbeanspruchung erfährt. Die Zugbeanspruchungen

ίο sind von ausreichender Größe, um in dem Werkstück eine dauerhafte plastische Verformung herbeizuführen; das Aufbringen der Beanspruchung wird dabei als prozentuale Dehnung angegeben. Da sich der vorliegend verwendete Begriff »Recken« von anderen

!■■> Verformungsverfahren, wie Ziehen und Walzen, unterscheidet, bei denen mehrachsige Beanspruchungen auftreten, wird der Begriff »einachsiges Recken« verwendet, um diesen Unterschied noch deutlicher hervorzuheben. Das in Längsrichtung erfolgende Strecken eines Drahtes, während dieser durch ein Ziehwerkzeug hindurchgezogen wird, erfolgt nämlich nicht nur unter dem Einfluß von Zugbeanspruchungen in der Zieh- oder Längsrichtung, sondern zusätzlich auf Grund von Druckbeanspruchungen in Richtungen, die quer zur Ziehrichtung verlaufen.

Zwei Werkstofformen sind bei dem vorliegenden Reckverfahren w~gen ihrer Abmessungseigenschaften, d. h. der Längsabmessung, die wesentlich größer als die beiden anderen Abmessungen ist, von besonderem

jo Interesse. Es handelt sich dabei um draht- und bandförmiges Material, denen diese Abmessungseigenschaft gemeinsam ist. Bei dem vorliegenden Verformungsvorgang handelt es sich, wie ausgeführt, weder um einen Zieh- noch um einen Walzvorgang. Damit soll

j5 die Wichtigkeit des einachsigen Reckens hervorgehoben werden und sollen Verfahren ausgeschlossen werden, bei denen das Werkstück nicht gleichförmig verfestigt wird, d. h. bei denen eine hohe Verfestigung des außenliegenden Bereiches erfolgt, während der Kernbereich wesentlich weniger stark verfestigt wird, wodurch die Zugfestigkeit des gezogenen Drahtes oder gewalzten Bandmaterials auf den Wert beschränkt wird, bei dem der außenliegende Bereich bricht. Dieser Mangel von gezogenem Draht führt bei bestimmten Anwendungen, beispielsweise Schraubenfedern, wo die Verformungsfähigkeit von besonderem Interesse ist, zu weiteren Problemen. In diesem Falle muß der außenliegende Bereich ausreichend duktil sein, um, ohne zu brechen, um einen Dorn herumgewickelt werden zu können. Wegen der bevorzugten Verfestigung der Haut während des Ziehens wird diese jedoch brüchiger und weniger duktil, wodurch die Verformungsfähigkeit herabgesetzt wird.

Das vorliegend beschriebene Tieftemperatur-Reckverfahren verbessert sowohl die Zugfestigkeit und die Verformungsfähigkeit als auch die Torsions- und Dauerbelastungseigensch iften.

Der Reckvorgang muß in dem angegebenen Temperaturbereich, d. h. bei einer Temperatur von weniger als —75° C, durchgeführt werden und die angegebene Dehnung muß durch Recken erzielt werden, um die genannten günstigen Wirkungen zu erzielen. Im übrigen können für diesen Vorgang konventionelle Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden.

Eine Ausführungsform einer Vorrichtung, die sich im Falle von Draht zur Durchführung der zweiten Stufe des Reckvorganges eignet und das dabei verwendete Vorgehen seien an Hand der F i g. 1 und 2 erläutert Das

Verfahren wird in einem isolierten Behälter 10 durchgeführt, der bis zu einer gewissen Höhe H mit einer kryogenen Flüssigkeit, beispielsweise flüssigem Stickstoff, gefüllt ist. Die Flüssigkeitsmenge ist dabei so gewählt, daß das Recken in vollständig eingetauchtem Zustand erfolgt. Der vorgedehnte Draht 12 wird von einer Vorratsspule 13 aus in den Behälter 10 geleitet und läuft um zwei Kecktrommeln 14 und 15, die unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche in dem Behälter 10 drehbar gelagert sind. Die beiden Recktrommeln sind gleich aufgebaut; jede besteht aus zwei zylindrischen Rollen von unterschiedlichem Durchmesser. Ein Querschnitt der Recktrommel 14 entlang der Linie 2-2 der F i g. 1 ist in F i g. 2 dargestellt. Wie gezeigt, sind Nuten vorgesehen, die den Draht führen, um ein Wandern des Drahtes zu verhindern. Die Außennut der Rolle 16 ist die von der Rolle 17 am weitesten entfernt liegende Nut. Die Innennut der Rolle 16 ist die der Rolle 17 benachbarte Nut. Die !nncnnui der Roüe 17 ist die der Rolle 16 benachbarte Nut. Die Außennut der Rolle 17 ist die von der Rolle 16 am weitesten entfernt liegende Nut. Der Durchmesser der kleinen Rolle ist mit DO bezeichnet, während der Durchmesser der großen Rolle mit D\ bezeichnet ist. Nach dem Eintreten in die kryogene Flüssigkeit wird der Draht 12 in Richtung der Pfeile entlang der Außennut der Rolle 16 der Recktrommel 14 um die Rolle 16 geführt und geht dann zur Außennut der Rolle 18 der Recktrommel 15. Der Draht verläuft dann zwischen den Rollen 16 und 18 in den dafür vorgesehenen Nuten hin und her zu den inneren Nuten, während er allmählich auf die Temperatur der kryogenen Flüssigkeit heruntergekühlt wird. Die auf den Draht 12 einwirkende Zugkraft baut sich durch Reibung allmählich auf, bis der Draht einen Punkt Ader Innenut der Rolle 18 erreicht, von wo aus er zu dem Produkt Cder Innennut der Rolle 17 der Recktrommel 14 übergeht. Da beide Recktrommeln mit der gleichen Winkelgeschwindgkeit rotieren, findet ein gleichförmiges Recken statt. Der Betrag der Reckung ist gleich . Nach dem Punkt C läuft der Draht weiter von

der Rolle 17 zur Roi'o 19 von der Innennut zur Außennut ähnlich dem Fortschreiten entlang den Rollen 16 und 18. Dabei bewegt er sich allmählich zu den Außennuten, während die Zugkräfte abnehmen. Nach Durchlaufen der Außennut der Rolle 19 verläßt der Draht 12 den Behälter 10; er wird auf der Aufwickelspule 21 aufgenommen.

Beispiele i-3

Es wurde geglühter Draht aus rostfreiem Stahl AISI 302 verwendet, der die folgende chemische Zusammensetzung hat:

Element

Gew.-%

0,07
0,021
0,02
0,52
0,37
8,5
18,9
0,22
0,19

Element

Oew.-%

V	weniger als	0,05
⁵ Zr	weniger als	0,02
Ti	weniger als	0,01
Al		0,05
Fe		Rest
ίο Insgesamt	100,00

Das Glühen erfolgt auf herkömmliche Weise, indem das Material auf eine Temperatur zwischen 980⁰C und 115O⁰C erhitzt und dann rasch abgekühlt wird.

In dem für das vorliegend beschriebene Verfahre" geltenden Beispiel 1 wird der geglühte Draht bei einer Dehnung von 20% unter flüssigem Stickstoff von !96⁰C "ereckt, wobei die an Hand der Fig.! und 2 erläuterte Vorrichtung in der angegebenen Weise benutzt wird. Der Draht wird dann auf herkömmliche Weise 1,5 Stunden lang bei 400⁰C gealtert. Der Martensitgehalt des fertig verarbeiteten Drahtes des Beispiels 1 beträgt mindestens 60 Vol.-%.

2-, Die Verarbeitung bei —196°C erfolgt in einem isolierten metallischen Dewar-Gefäß, das derart mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, daß die gesamte Probe in ein Bad aus flüssigem Stickstoff eingetaucht ist. Die Alterungsbehandlung geschieht in Luft mittels eines

jo herkömmlichen industriellen Elektroofens. Es wird angenommen, daß die während des Alterns eintretende Oberflächenoxydation des Drahtes die resultierenden mechanischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt. Die Temperatur schwankt entlang dem Draht um nicht mehr als ± 10° C von der voreingestellten Temperatur.

Die angegebenen Volumenprozente an Martensit wurden durch ein quantitatives Röntgenstrahlbeugungsverfahren ermittelt. Der Rest (bis zum Gesamtwert von 100%) ist als austenitisch zu betrachten. Andere Phasen oder Verunreinigungen machen nicht mehr als 1 Vol.-% aus und bleiben vorliegend unberücksichtigt. Alle Proben enthalten bei allen Beispielen vor dem Verformen mindestens 95 Vol.-% Austenit.

Der Draht gemäß Beispiel 1 hat eine ausreichende Verformungsfähigkeit, da er um einen Dorn, dessen Durchmesser gleich dem Drahtenddurchmesser ist, ohne zu brechen herumgewickelt werden kann.

Zugversuche werden für alle Beispiele entsprechend dem ASTM-Verfahren E 8 durchgeführt, während die Durchführung der Torsionsversuche in der vorstehend erläuterten Weise erfolgt

Die Beispiele 2 und 3 stellen Vergleichsbeispiele dar, bei denen der geglühte Draht in bekannter Weise verarbeitet wird. Bei beiden Beispielen wird der Draht in herkömmlicher Weise auf seine volle Härte gezogen, was einer Dehnung von mindestens 75% bei 21⁰C entspricht Der Draht wird dann in konventioneller Weise 1,5 Stunden lang bei 400° C gealtert, wie dies auch im Beispiel 1 der Fall ist Es wird wieder davon ausgegangen, daß die während der Alterung eingetretene Oberflächenoxydation die erzielten mechanischen Eigenschaften nicht beeinrächtigt und daß, ebenso wie im Beispiel 1, die Temperatur um nicht mehr als ± 10⁰C schwankt

6-; Der Drahtenddurchmesser, die Zugfestigkeit nach dem Altern, die Torsionsstreckgrenze nach dem Altern sowie das Verhältnis von Torsionsdehngrenze zu Zugfestigkeit sind in der Tabelle zusammengestellt

Tabelle

11

12

Beispiel

Drahtenddurchmesser in mm

Zugfestigkeit in N/mm² Torsionsdehngrenze bzw. bleibende Dehnung

2% 5%

N/mm²

Verhältnis zwischen 2%-Torsionsdehngrenze zu Zugfestigkeit

0,685 0,685

3,00

1764 2150 1853

1061 978 992

0,52 0,34 0,40

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Verbessern der Festigkeitseigenschaften von draht- oder bandförmigem Mate- s rial, das aus einer austenitischen Stahllegierung besteht, wobei die austenitische Stahllegierung aus der Gruppe der rostfreien StahJlegierungen der Reihen AISI 200 und 300 oder aus den nicht rostfreien Stahllegierungen besteht, die Eisen, ι ο Mangan, Chrom oder Kohlenstoff enthalten, und die Stahllegierung eine Md-Temperatur von höchstens 100⁰C und eine Ms-Temperatur von höchstens minus 100⁰Chat, dadurch gekennzeichnet, daß das draht- oder bandförmige Material bei einer is Dehnung von mindestens 10% und einer Temperatur von höchstens —75° C gereckt wird, so daß das Material eine Martensitphase von mindestens 50 VoL-% und eine Austenitphase von mindestens 10 VoL-% hat

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material anschließend bei einer Temperatur im Bereich von 350⁰C bis 450⁰C gealtert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Recken mit einer Dehnung von 10 bis 60% bei emer Temperatur von niedriger als minus 100⁰C durchgeführt wird, so daß das draht- oder bandförmige Material eine Martensitphase von mindestens 60 Vol.-% und eine Austenitphase von mindestens 10 Vol.-% aufweist

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Altet:jig bei einer Temperatur zwischen 375° C und 425⁰C durchgeführt wird.

35 unterzogener Werkstoff zuvor geglüht oder angelassen worden sein und gleichwohl im wesentlichen austenitisch sein, wenn die Verformung durchgeführt wird.

Das andere im vorliegenden Zusammenhang auftretende Mlkrogefüge ist die als Martensit bezeichnete kubisch-raumzentrierte Struktur. Sind mindestens 95 VoL-% des Gefüges martensitisch, ist die Legierung im wesentlichen in der Martensitphase.

Das Mikrogefüge kann sowohl eine Austenitphase als auch eine Martensitphase umfassen. Die vorliegend im Rahmen des Standes der Technik und hinsichtlich der Erfindung diskutierte Verarbeitung beinhaltet eine Umwandlung mindestens eines Teiles des Austeräts in Martensit, wodurch das Mikrogefüge der behandelten Legierung geändert wird.

Die Md-Temperatur wird als die Temperatur definiert, oberhalb derer unabhängig von der Größe der mechanischen Verformung des Werkstoffes keine martensitische Umwandlung stattfindet Diese Temperatur kann durch einen einfachen herkömmlichen Zugversuch bestimmt werden, der bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt wird.

Die Ms-Temperatur wird als die Temperatur definiert, bei der eine martensitische Umwandlung spontan, d. h. ohne mechanische Verformung, einzutreten beginnt Die Ms-Temperatur kann gleichfalls durch konventionelle Versuthe bestimmt werden.

Einige Beispiele für die Md-Temperatur sind: