DE2829436A1

DE2829436A1 - Verfahren zur herstellung von metallerzeugnissen

Info

Publication number: DE2829436A1
Application number: DE19782829436
Authority: DE
Inventors: Rolf Prof Dr Ing Seybold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1980-01-24

Description

Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen durch Zug- und Druckkräfte beanspruchbaren Erzeugnissen aus legiertem Metall, insbesondere aus Stahl.
Für die Herstellung von auf Biegung zu beanspruchenden Stahlerzeugnissen ist es nach der DE-OS 19 48 514 bereits bekannt, Eisenwerkstoffe in mehreren Schichten wechselnder Zusammensetzung zu erzeugen und dann einer Warmverformung zu unterziehen.
Hierbei kommt es darauf an, daß die einzelnen Schichten unterschiedliche Festigkeitswerte besitzen, so daß bei Uberlastung eine Rißbildung in den einzelnen Schichten abgefangen werden kann, indem sich der Riß dann nicht mehr von einer Schicht bis in die nächste Schicht fortzupflanzen vermag.
Demgegegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Belastbarkeit bei Metallerzeugnissen der einleitenden beschriebenen Gattung wesentlich zu erhöhen. Es kommt dabei also nicht darauf an, entstehende Belastungsrisse abzufangen, sondern im wesentlichen auf eine Steigerung der in Zugrichtung bzw.
in Druckrichtung bestehenden Festigkeit des Erzeugnisses.
Diese Aufgabenstellung wird erfindunysgemäß dadurch gelöst, daß zuerst die Belastungslinien für die spätere Verwendung des Erzeugnisses ermittelt werden« und daß dann eine differenzierte Ausbildung des Erzeugnisses mit der Maßgabe vorgenommen wird, daß In stoffschlüssiger Verbindung niteinander parallel zu den Belastungslinien verlaufende Zonen aus unterschiedlichen Metallegierungen gebildet werden, wobei die unterschiedlichen Metallegierungen nach einer Wärmebehandlung voneinander abweichende Volumina einzunehmen suchen.
Ein derartiges Metallerzeugnis besitzt somit in seinem für die Verwendung vorgesehenen Zustand eine Vorspannung, die dadurch bedingt ist, daß die einzelnen Zonen an sich unterschiedliche Vlumina einzunehmen suchen. Da sie jedoch miteinander in stoffschlüssiger Verbindung stehen, können sich diese unterschiedlichen Volumina nicht einstellen. Als Folge hiervon kommt es zu einer Vorspannung derart, daß in einzelnen Zonen eine Druckspannung und in anderen Zonen eine-Zugspannung vorliegt.
Wenn ein auf diese Weise hergestelltes Erzeugnis im Verlaufe seiner späteren Verwendung belastet wird, muß beispielsweise für den Fall einer Belastung auf Zugkräfte zunächst einmal die bestehende Druckvorspannung abgebaut werden. Dadurch kommt man in den Zonen, die zunächst einer Druckspannung ausgesetzt waren, bei Erreichen einer bestimmten Belastung zum Spannungszustand Null. Bei dann zunehmender Belastung bildet sich eine Zugspannung in der ursprünglich unter Druckspannung erhaltenen Zone aus. Nach erfolgter Entlastung treten die vorherigen Spannungszustände weder ein. Voraussetzung ist selbstverständlich, daß die ursprünglich unter Zugspannung stehenden Zonen, die durch die Belastung gedehnt werden, diesen Belastungen standzuhalten vermögen und ein entsprecheti des elastisches Dehnungsverhalten besitzen. Es ist jedoch nicht schwierig, angesichts der für nahezu alle Metalle und deren Legierungen bestehenden Kenntnisse ihrer mechanischen Eigensciiaftswerte die zueinander passenden Legierungen auszuwählen.
Mit besonderem Vorteil wird erfindungsgemäß das Erzeugnis aus Stahl hergestellt, dessen Zonen voneinander abweichende Kohlenstoff-Gehalte aufweisen; diese Kohlenstoff-Gehalte sind so gewählt, daß die Zonen mit höheren Kohlenstoff-Gehalten bei Abschreckung ein kubisch raumzentriertes Martensit-Gitter bilden, während die anderen Zonen mit geringeren Kohlenstoff-Gehalten ein kubisch fl ächenzentri ertes Ferrit-Gitter bezw. Perlit bilden. Da das kubisch raumzentrierte Gitter eine weniger dichte Kugel packung als das kubisch flächenzentrierte Gitter aufweist, führt das kubisch raumzentrierte Gitter zu einem größeren spezifischen Volumen als das kubisch flächenzentrierte Gitter. Bei Martensit einerseits und Ferrit andererseits beträgt der Unterschied etwa lt, d.h. das Volumen des Martensits ist um etwa 1% größer als dasjenige des Ferrits.
In einem derart hergestellten Erzeugnis stehen also im belastungsfreien Zustand die aus Martensit bestehenden Zonen unter Druckspannung, wohingegen die aus Ferrit bestehenden Zonen unter Zugspannung stehen. Die Spannungsbeziehungen lassen sich durch mehr oder weniger große Perlitanteile zum Ferrit steuern. Maßgeblich ist jedoch, daß der Zustand der Vorspannung genügend groß gewählt werden kann.
Da im Anschluß an eine Wärmebehandlung iind waiterhin im Verlauf der späteren Verwendung die aus flächenzeintriertem Ferrit bestehenden Zonen hohe Zugspannungen aufnehmen müssen, ist es in weiterer Ausbildung der Erfindung z*ec.kn)ábig,dle ietztlgenannten Zonen aus sogenanntem perl itarnen und vorzugsweise aus perlltfreiem Stahl herzustellen. Stähle dieser Art sind nach "Werkstoffkunde der gebräuchlichen Stähle", Teile 1, Verlag Stahleisenj Düsseldorf, 1977, Seiten 278 bis 291, bekannt.
Insbesondere lassen sich derartige Stähle bei einer Temperatur wärmebehandeln, bei welcher die martensitischen Zonen austenitisch werden, wobei dann später eine gemeinschaftliche Abschreckung zu einer Steigerung der Zugfestiukeits- und Streckgrenzenwerte der perlitarmen bzw. perlitfreien Zonen führt.
Die Herstellung der Erzeugnisse in unterschiedlichen Zonen kann durch eine auftragende Schweissung unter Bildung von jeweils den Querschnitt einer Zone nicht überschreitenden Schmelzflüssen vorgenommen werden. Dabei lassen sich diejenigen Elektrodendurchmesser und Stromstärken verwenden, wie sie nach der DE-OS 19 48 514 bekannt gewesen sind.
Eine weitere interessante Möglichkeit der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die einzelnen Zonen bei erhöhter Temperatur in Gasatmosphären eingesetzt werden, wobei die Gasatmosphären Legierungsbestandteile in das Metall abzugeben vermögen, während das Erzeugnis oberflächlich entsprechend seiner Zonen wechselweise gegen die Aufnahme des Legierungselementes abgedeckt ist. Man kann also mit einem temperaturbeständigen Belag zonenweise versehene Erzeugnisse einer Kohlenstoff abgebenden Gasbehandlung bei erhöhter Temperatur aussetzen und erzielt dann entsprechend der Diffusion des Kohlenstoffs in den Stahl eine Einwanderungß so daß schließlich im Spannungsbereich des Erzeugnisses die maßgeblichen Zonen entstehen. Da oft gerade an der Außenseite eines Erzeugnisses die im Betriebszustand höchsten Spannungen auftreten, ist die durch den Diffusionsprozess letztlich begrenzte Einwanderungstiefe von beispielsweise Kohlenstoff in Stahl nicht störend, sondern für viele Anwendungszwecke sogar von Vorteil.
Ein sehr wirkungsvolles Einbringen des Kohlenstoffes 1uet sich auch durch ein zonenweises, aufschmelzendes Aufkohlen mittels Kohlelektroden erzielen;im Gleichstrombetrieb ermöglichen diese bei Anschluß an den positiven Pol eine höhere Kohlenstoffeintraqung als beim Anschluß an den negativen Pol, was zur zonenweise differenzierten Gestaltung weiterhin genutzt werden kann.
Das zonenweise gestaltete Erzeugnis läßt sich schließlich vor seiner Wärmebehandlung auch noch einer Warmverformung unterziehen. Diese Warmverformung kann einerseits zur besseren Anpassung des Erzeugnisses an seinen Verwendungszweck angebracht sein, während sie andererseits zu einer Verringerung der Zonenguerschnitte beitragen kann, so daß örtlich differenzierten Spannungen besser durch Verspannungen begegnet werden kann.
Die erfindungsgemäß vorzuschaltene Maßnahme besteht in der Ermittlung der Belastungslinien, Es ist deshalb zweckmäßig, wenn diese Belastungslinien zunächst an einem Modell ermittelt werden3 welches in den Belastungsrichtungen belastet wird, die denjenigen des späteren Erzeugnisses aus Metall entsprechen.
Ein Modellerzeugnis dieser Art kann zweckmäßig aus durchsichtigem Kunststoff hergestellt werden, bei dem sich dann die Belastungslinien spannungsoptisch sichtbar maschen lassen.
Die spannungsoptische Darstellung erfolgt in an sich bekannter Weise durch polarisiertes Licht.
Weiterhin kann man ein Modell des Erzeugnisses mittels Dehnungsmeßstreifen auf seine Belastungslinien prüfen. Diese Dehnungsmeßstreifen sind da man die Belastungslinien häufig zu Beginn noch nicht kennt zweckmäßig in Roset tetianordnung aufzzltlritlgen.
Daraus ergeben sich oft schon erste Anhaltspunkte für die Belastungslinien, so daß man dann spät r in einer zweiten Stufe mittels einfachen Dehnungsmeßstreifen die Belastungen erfassen kann.
Eine sehr einfache Methode der Ermittlung von Spannungslinien besteht schließlich darin, daß das Erzeugnis mittels Reißlack beschichtet und dann auf seine Belastungslinien im Zustand der Belastung untersucht wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Metallerzetignissen PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von im wesentlichen durch Zug- und Druckkräfte beanspruchbaren Erzeugnissen aus legiertem Metall, insbesondere aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst Belastungslinien fiir die spätere Verwendung des Erzeugnisses ermittelt werden, und daß dann eine differenzierte Ausbildung des Erzeugnisses mit der Maßgabe vorgenommen wird, daß in stoffschlüssiger Verbindung miteinander parallel zu den Belastungslinien verlaufende Zonen aus unterschiedlichen Metallegierungen gebildet werden, wobei die unterschiedlichen Metallegierungen nach einer Wärmebehandlung voneinander abweichende Volumina einzunehmen stichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Herstellung der Erzeiignisse aus Stahl die Zonen mit voneinander abweichenden Kohlenstoff-Gehalten gebildet werden von denen ein Teil bei einer Absctireckung ein kubisch raumzentriertes Martensit-Gitter und der andere Teil ein kubisch flächenzentriertes Ferrit-Gitter bezeihungsweise Perlit ausbildet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenr,zeichnet, daß die Zonen, welche zur Ausbildung von kubisch flächenzentriertem Ferrit-Gitter vorgesehen sind, aus perlitarmem und vorzugsweise aus perlitfreiem Stahl bestetien.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen durch eine auftragende Schweissung unter Bildung von jeweils den Querschnitt einer Zone nicht überschreitenden Schmelzflüssen gebildet werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen durch Einsetzen das Erzeugnis bei erhöhter Temperatur in eine Gasatmosphäre gebildet werden, welche einen Legierungsbestandteil in das Metall abzugeben vermag, wobei das Erzeugnis oberflächlich entsprechend den Zonen wechselweise gegen Aufnahme des Legierungselementes abgedeckt ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugnis nach der Ausbildung seiner Zonen und vor einer Wärmebehandlung einer Warmverformung unterzogen wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungslinien zunächst an einem Modell ermittelt werden, welches in den Belastungsrichtungen belastet wird, die denjenigen des späteren Erzeugnisses aus Metall entsprechen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch 33 kennzeíchnet, daß das Modellerzeugnis aus durchsichtigem Kunststoff heryestellt wird, und daß die Belastungslinien in an sich bekannter Weise spannungsoptisch sichtbar gemacht werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall erzeugnis mittels Dehnurrgsmeßstrei fen, insbesondere in Rosettenanordnung, auf seine Belastungslinien in an sich bekannter Weise untersucht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell in an sich bekannter Weise mittels Reisslack beschichtet und auf seine Belastungslinien untersucht wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen aus unterschiedlichen Metallepierun gen durch aufschmelzendes Aufkohlen mittels Kohlelektroden erzeugt werden.
12. Verfahren nach Anspruch ii, dadurch gekennzeichnet, daß. die Kohlelektroden im Gleichstrombetrieb eingesetzt werden und je nach vorgesehener Aufkohlen wahlweise an den positiven sowie an den negativen Spannungspol einer Schweißstromquelle anschließbar sind.