DE2830850B2

DE2830850B2 - Verwendung eines Einsatzstahls

Info

Publication number: DE2830850B2
Application number: DE2830850A
Authority: DE
Inventors: Robert Wayne Reading Pa. Krieble; Thoni Varkkey Philip
Original assignee: Carpenter Technology Corp
Current assignee: CRS Holdings LLC
Priority date: 1977-07-13
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1981-04-16
Also published as: IT7868659A0; GB2001672A; GB2001672B; CA1085190A; FR2397466B1; IT1108471B; US4157258A; DE2830850A1; DE2830850C3; FR2397466A1

Description

Aus der US-PS 3131 058 ist es weiterhin bekannt, daß Zusätze wie Calcium, Aluminium, Titan, Vanadium, Zirkon, Niob und Stickstoff bei unter-eutektoidischen Stellen mit weniger als 0,85% Kohlenstoff ein feinkörniges Gefüge bewirken, die Anzahl nichtmetall!- scher Einschlüsse verringern und die Zähigkeit, Dauerfestigkeit und Bearbeitbarkeit erhöhen.

In den genannten Druckschriften Finden sich jedoch keine Hinweise auf die Verwendung solcher Einsatz-Stähle mit spezieller Zusammensetzung und einer ι ο speziellen Kombination aus Anlaßbeständigkeit, Wärmehärte, Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit als Werkstoff zur Herstellung von Getrieben.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung eines Einsatzstahls, bestehend aus 0,06 bis 0,16% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,7% Mangan, 0,5 bis 13% Silizium, O^ bis 13% Chrom, 1,5 bis 3% Nickel, 1 bis 4% Kupfer, 23 bis 4% Molybdän, bis zu 0,4% Vanadium, bis zu 0,05% Phosphor, bis zu 0,05% Schwefel, bis zu 0,03% Stickstoff, bis zu 0,25% Aluminium, bis zu 0,25% Niob, bis zu 0,25% Titan, bis zu 0,25% Zirkon, bis zu 0,25% Calcium, Rest Eisen, und herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei [%Ni] + 03 [%Cu] < 4% ist und der Stahl im einsatzgehärteten und wärmebehandelten Zustand bei Raumtemperatur im Kern eine Härte von 2ϊ mindestens Rc 32, eine Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit von mindestens 81,4 J, eine Bruchzähigkeit von mindestens 87,91 MN/m² j/m und in der Einsatzschicht eine Härte bei Raumtemperatur von mindestens Rc 60 sowie eine Warmhärte bei 204⁰C von mindestens Rc 56 aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Getrieben, deren Bauteile bei erhöhten Temperaturen eine Kombination aus Anlaßbeständigkeit, Wärmehärte, Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit haben müssen. Die analytische Toleranz bei einem Kohlenstoffgehalt von Ji 0,16% beträgt ±0,01%.

Der erfindungsgemäße Legierungsstahl hat, wenn er einsatzgehärtet und wärmebehandelt worden ist, bei Raumtemperatur einen Kern, der eine Härte von mindestens Rc 32, vorzugsweise eine Kernhärte von mindestens Rc 32 bis 38, eine Charpy-V-Kerb&chlagzähigkeit von mindestens etwa 81,4 J, eine Bruchzähigkeit von mindestens etwa 87,91 MN/m² j/m, M = (χ ΙΟ⁶), kombiniert mit einer Umhüllung bzw. Einsatzschicht, die bei Raumtemperatur eine Härte von mindestens Rc 60 und eine Heißhärte bei 204⁰C von mindestens Rc 56 oder eine wärmebehandelte Härte so, daß der Härteverlust von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 204⁰C nicht mehr als 4 auf der Rockwell-C-Skala beträgt, besitzt

Für irgendeinen günstigen Effekt sollte die Menge von Aluminium, Niob und Titan, wenn vorhanden, jeweils bis zu 0,01% betragen. Die Menge von Zirkon und Calcium, wenn vorhanden, sollte jeweils bis zu mindestens 0,001% betragen. Jedoch sollte die verwen- 5^Γ> dete Menge dieser Elemente nicht so groß sein, daß in unerwünschter Weise die erforderlichen Eigenschaften, und zwar insbesondere die Härte der Umhüllung bzw. der Einsatzschicht und die Zähigkeit des Kerns, beeinträchtigt würden.

Der Kohlenstoff trägt in erster Linie zu der erreichbaren Härte und Tiefe der Härtbarkeit bei. Bei Mengen von weniger als etwa 0,06% Kohlenstoff wird die Härtungsfähigkeit, d. h. die erreichbare Härte im wärmebehandelten Zustand, für das Kernmaterial eines *>^r> einsatzgehärteten Gegenstands zu niedrig. In der Praxis ist die minimale Kernhärte dieser Gegenstände, wie z. B. Getriebe, für die die erfindungsgemäße Legierung vorgesehen ist, etwa Rc 32. Wenn die vorhandene Kohlenstoffmenge erhöht wird, dann wird die erhältliche Härte im gehärteten Zustand für einen beliebigen gegebenen Gesamtlegierungsgehalt erhöht, wie es der Fall bei solchen hypoeutektoiden Zusammensetzungen ist Zur gleichen Zeit wird die Schlagfestigkeit vermindert Aufgrund des nachteiligen Effekts von Kohlenstoff auf die Schlagfestigkeit ist die Kohlenstcifmenge auf nicht mehr als 0,16% beschränkt Für eine beste Kombination von Härtungsfähigkeit und Schlagfestigkeit in dem Kern werden 0,07 bis 0,13% Kohlenstoff verwendet Es werden auch Zwischenbereiche in Betracht gezogen, d. h. 0,06 bis 0,13% und 0,07 bis 0,16% Kohlenstoff.

Mangan trägt zu der Tiefenhärtbarkeit der Legierung bei. Zum Erhalt dieses Effekts ist eine Minimalmenge von 0,2% erforderlich. Wegen der flüchtigen Natur dieses Elements und der Schwierigkeit, bei Mengen von mehr als 0,7% stetige Ergebnisse zu erhalten, wird keine größere Menge als diese Menge verwendet, wenn, wie es bevorzugt wird, die Legierung unter Anwendung von Umschmelztechniken mit verbrauchbarer Elektrode hergestellt wird. Die Legierung wird ohne weiteres mit einem hohen Homogenitätsgrad und hoher Reinheit mittels Umschmelztechniken mit einer verbrauchbaren Elektrode hergestellt. Die Herstellung erfolgt zum Erhalt bester Ergebnisse vorzugsweise unter vermindertem Druck und bei einem Mangangehalt, der auf nicht mehr als 0,5% beschränkt ist Wenn die Herstellung auf diese Weise erfolgt, dann werden, vorausgesetzt, daß die restlichen Elemente innerhalb der angegebenen Bereiche gehalten werden, die hervorragenden Eigenschaften ohne weiteres und stetig erhalten. Weiterhin werden mindestens 0,25% Mangan vorzugsweise verwendet, jedoch werden auch 0,2 bis 0,5% und 0,25 bis 0,7% Mangan in Betracht gezogen.

Überschüssige Mengen von Mangan führen — was bis zu einem gewissen Ausmaß auch bei anderen austenitbildenden Elementen, wie z. B. Nickel und Kupfer, der Fall ist — zu einer Stabilisierung unerwünschter Mengen von Austenit in der wärmebehandelten gehärteten Umhüllung bzw. Einsatzschicht eines Gegenstandes, der aus dieser Zusammensetzung hergestellt worden ist. Ein solcher Restaustenit. neigt dazu, sich beim Betrieb in Martensit umzuwandeln, der nicht nur relativ spröde ist, sondern dessen Bildung auch von einer Zunahme des Volumens des Teils begleitet ist. Dazu kommt noch, daß der Restaustenit dazu neigt, die Härte und die Verschleißbeständigkeit der gehärteten Umhüllung bzw. Einsatzschicht zu vermindern. Solche Umwandlungen werden in Teilen, wie z. B. Getrieben oder Lagern, für die die erfindungsgemäße Legierung in erster Linie vorgesehen ist, nicht gewünscht. Die nicht vollständige Umwandlung von Austenit wird in der Weise vermieden, daß man den Mangangehalt unterhalb 0,7%, noch besser unterhalb 0,50%, hält.

Silicium trägt auch zu der Härtbarkeit der Legierung bei und verzögert das Anlassen. Zu diesem Zweck sind mindestens 0,5% Silicium erforderlich, wobei vorzugsweise eine Minimalmenge von 0,75% verwendet wird. Die Erhöhung des Siliciumgehalts auf mehr als etwa 13% muß wegen des nachteiligen Effekts auf die Schlagfestigkeit der Legierung und wegen der Bildung eines brüchigen Bestandteils, der als delta-Ferrit bekannt ist, vermieden werden. Vorzugsweise ist der Gehalt von Silicium auf nicht mehr als 1,25% begrenzt, wobei jedoch Mengen von 0,5 bis 1,25% und 0,75 bis 1,5% ebenfalls in Betracht gezogen werden.

In der erfindungsgemäß verwendeten Legierung ergibt sich das Chrom eine Beständigkeit gegenüber einer Oxidation und es minimalisiert die Bildung von Zunder, wenn die Legierung warm bearbeitet wird. Chrom trägt ebenfalls zu der Tiefewhärtbarkeit der Legierung bei Für diese Effekte ist eine Minimalmenge von 0,5% Chrom erforderlich. Vorzugsweise liegt eine Minimalmenge von 0,75% vor. Wegen des nachteiligen Effekts auf die Schlageigenschaften beim Vorhandensein von größeren Mengen ist die Menge des Chroms auf etwa 1,5% und vorzugsweise nicht mehr als 1,25% begrenzt, doch werden auch Mengen von 0,5 bis 1,25% und 0,75 bis 1,5% in Betracht gezogen.

Im Gegensatz zu Silicium, das ein Ferritbildner ist, neigen Nickel und Kupfer, die auch als Verstärkungsmittel für die feste Lösung in der Legierung wirken, dazu, Austenit zu stabilisieren. Wenn sie miteinander in einer zu hohen Menge vorhanden sind, dann neigen Nickel und Kupfer dazu, die unerwünschte Zurückhaltung von Austenit in der gehärteten ' Imhüllung bzw. Einsatzschicht der Legierung in ähnlicher Weise, jedoch in einem geringeren Ausmaß als Mangan, zu fördern. Bei der Ausbalancierung der Zusammensetzung werden daher die größeren zugelassenen Mengen von Nickel und Kupfer nicht miteinander angewendet. Zur Erzielung bester Ergebnisse ist die Summe des in Prozent ausgedrückten Nickelgehalts plus der Hälfte des in Prozent ausgedrückten Kupfergehalts gleich oder weniger als 4%.

Es werden mindestens 1,5% Nickel aufgrund seines günstigen Einflusses auf die Schlagfestigkeit bei Temperaturen unter O⁰C verwendet. Wege« der Neigung, daß steigende Nickelmengen nachteilig die Schlagfestigkeit bei Raumtemperatur beeinflussen, werden nicht mehr als 3% Nickel eingesetzt. Vorzugsweise werden 1,7 bis 2,3% Nickel zur Erzielung bester Ergebnisse verwendet, jedoch werden auch Mengen von 1,5 bis 2,3% und 1,7 bis 3% in Betracht gezogen.

Kupfer hat einen günstigen Effekt auf die Raumtemperatur-Schlagfestigkeit dieser Legierung und es kann für diesen Zweck in Mengen bis zu etwa 4% verwendet werden. Bei Mengen von mehr als etwa 4% bewirkt das Kupfer Schwierigkeiten beim Schmieden. Eine Kupferausfällung kann erfolgen, wenn eine Legierung mit derart überschüssigen Kupfermengen bei Temperaturen von etwa 400°C oder höher gehalten wird. Vorzugsweise werden 1,5 bis 2,5% Kupfer verwendet, jedoch werden auch Mengen von 1 bis 2,5% und 1,5 bis 4% in Betracht gezogen.

Vanadium ist kein wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Legierung, jedoch werden bis zu etwa 0,4%, vorzugsweise 0,05 bis 0,15%, zur Kornverfeinerung verwendet. Mengen von mehr als etwa 0,4% Vanadium sollten wegen seines nachteiligen Effekts auf die Schlagfestigkeit nicht verwendet werden. Wenn eine Kornvergröberung, die während der Einsatzhärtung und Wärmebehandlung resultieren kann, in nachteiliger Weise die Schlagfestigkeit und die Bruchzähigkeit beeinträchtigt, dann wird mindestens eine Minimalmenge eines Kornverfeinefungsmittels, beispielsweise mindestens etwji 0,03% V oder 0,01 % Nb, zugesetzt. Es wird in IJetracht gezogen, c!;iß etwa 0,03 bis 0,4% Vanadium odAr die bevorzugte Menge von 0,05 bis 0,15% zusammen nut den bn'ten oder bevorzugten Bereichen der restlichen Elerru'hte der Legierung verwendet werden.

Es ist festgestellt wurden, daß, wenn die vorstehende Kombination der E'emente Kohlenstoff, Mangan, Silicium, Chrom, Nickel und Kupfer und gegebenenfalls von Vanadium, wie oben beschrieben, mit einer kritischen Menge von Molybdän ins Gleichgewicht gesetzt wird, dann die einzigartige Kombination der einsatzgehärteten und wärmebehandelten Eigenschaften einer hohen Kernschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit zusammen mit einer hohen Anlaßbeständigkeit und Heißhärte der erfmdungsgemäßen Legierung erhalten wird. In dieser Zusammensetzung trägt das Molybdän

ίο zu einer Tiefenhärtbarkeit bei und es fördert die Anlaßbeständigkeit zusammen mit einem einzigartigen Grad der Härtebeibehaltung. Für diese Effekte ist eine Minimalmenge von 2,5% Molybdän erforderlich. Die Anlaßbeständigkeit und die Heißhärte werden erhöht,

η wenn der Molybdängehalt auf etwa 4% erhöht wird Mengen von mehr als etwa 4,O'^J/o Molybdän beeinflussen jedoch in nachteiliger Weise die Kernschlagfestigkeit in einem signifikanten Ausmaß, so daß daher keine größeren Mengen verwendet werden sollten. Vorzugsweise werden 3,0 bis 3,5% Molybdän zum Erhalt einer besten Kombination von Aniaßbeständigkeit und Umhüllungsheißhärte mit Kernschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit angewendet, jedoch werden auch Mengen von 2.5 bis 3,5% und 3 bis 4% in Betracht

:·-> gezogen.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung wird leicht durch herkömmliche bekannte Techniken hergestellt. Zur Erzielung bester Ergebnisse wird ein Umschmelzen mit einer selbsi verzehrenden Elektrode.

μ das unter vermindertem Druck durchgeführt wird, bevorzugt Ein Normalglühen ist keine wesentliche Praxis, kann aber angewendet werden, wenn es gewünscht wird, um die Eigenschaften zu optimieren. Beim Normalglühen sollten die angewendeten Tempe-

i) raturen oberhalb der Härtungstemperatur für die spezielle Zusammensetzung liegen. Sie variieren mit dem Molybdängehalt von etwa 900 bis 980⁰C. Daran schließt sich ein Abkühlen in Luft an. Ein Anlassen bzw. Glühen kann unterhalb oder oberhalb der kritischen

J» Temperatur (A_n) von etwa 650 bis 815°C durchgeführt werden, wonach langsam in dem Ofen abgekühlt wird. Die Teile werden einer spannungsmindernden Behandlung, wie erforderlich, um geringfügigere Bearbeitungsoder andere Oberflächenspannungen zu eliminieren, bei

■n etwa 593°C 1 h lang unterworfen, wonach in Luft abgekühlt wird. Erforderlichenfalls können höhere Temperaturen bis zu der Anlaß- bzw. Glühtemperatur angewendet werden. Zum Einsatzhärten wird die Legierung vorzugsweise genügend lang aufgekohlt, daß

>n die gewünschte Tiefe der Einsatzschicht bzw. Umhüllung und Härte gewährleistet werden. Die Teile können gehärtet werden, indem sie in dem Ofen von der Aufkohlungstemperatur zu der Erhärtungstemperatur abkühlen gelassen werden und sodann abgeschreckt

^r>5 werden. Zur Erzielung bester Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Zähigkeit, sollten jedoch die Teile von den Einsatzschicht-Härtungstemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt werden und sodann gehärtet werden, indem sie auf oberhalb die Temperatur erhitzt

bii werden, welche mit steigendem Mclybdängehalt ansteigt. Weiterhin werden Erhärtungstemperaturen von nicht weniger als etwa 912°C bevorzugt, um eine höchste Kernhärte zu erhalten.
Zur Erzielung einer maximalen Härte und Schlagfe-

t>"> stigkeit sollte das Anlassen bzw. Tempern bei der niedrigsten Temperatur durchgeführt werden, welche mit der höchsten Temperatur im Einklang steht, von der angenommen wird, das dieser die Teile beim Gebrauch

ausgesetzt werden. Im Falle von Getrieben, die Betriebstemperaturen von so hoch wie 204° C ausgesetzt sein können, wird ein Anlassen bzw. Tempern bei 260° C über zwei aufeinanderfolgende Zeitperioden von 2 h bevorzugt.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Getriebe, welches aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt ist.

Beispiel 1

Als Beispiel für den Gegenstand der Erfindung wurde eine Vakuuminduktionsschmelze mit 136 kg als eine runde Elektrode mit 12,7 cm hergestellt, die sodann unter Verwendung eines Vakuumbogens zu einem runden Block mit 19,7 cm umgeschmolzen wurde, dieser hatte die folgende Zusammensetzung, welche der Mittelwert von zwei Analysen, nämlich von der Spitze und vom Boden des Blockes, ist.

Tabelle II	Gew.-%
	0,100
C	0,27
Mn	1,07
Si	1,04
Cr	2,02
Ni	2,09
Cu	3,25
Mo	0,11
V

Zum Rest bestand die Legierung aus Eisen mit Ausnahme von erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, die 0,005% Phosphor und 0,003% Schwefel eingeschlossen. Der Block wurde bei einer Ofentemperatur von 1121°C zu einem quadratischen Barren mit abgerundeten Ecken mit 10,16 cm geschmiedet. Teile davon wurden zu quadratischen Barren mit 2,86 cm und rechteckigen Barren mit den Abmessungen 3,18 cm χ 5,08 cm zum weiteren Testen geschmiedet. Die Stangen wurden angelassen, indem sie 4 h auf 721⁰C erhitzt wurden, mit 16,67°C/h auf 680⁰C abgekühlt und bei dieser Temperatur 4 h lang gehalten wurden, sodann mit 16,67°C/h auf 593⁰C abgekühlt und hierauf in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Auf diese Weise hergestellt und angelassen, hatte die Legierung eine Härte von Rc 23.

Wenn ein Einsatzhärten vorgenommen wurde, dann erfolgte dies durch Aufkohlen, wobei 7 h lang auf 927° C in einer endothermischen Atmosphäre mit einem Taupunkt von +3,89° C/+ 4,44° C erhitzt wurde. Wenn nur die Kerneigenschaften getestet werden sollten, dann wurde ein Stickstoff-(N2)-Deckgas anstelle des Aufkohlungsgases verwendet (was nachstehend als Pseudoaufkohlen bezeichnet wird).

Probekörper für die Bestimmung der Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit (CVK) wurden pseudoaufgekohlt, 25 min lang mit Intervallen von 27,78°C zwischen 899°C und 1010⁰C austenitisiert, mit öl abgeschreckt oder mit Luft abgekühlt, sodann eine halbe Stunde lang bei — 73,33° C gekühlt und zwei aufeinanderfolgende 2-h-Perioden lang bei 260°C angelassen. In Tabelle III sind die Schlagfestigkeiten (Juole) und die Härten angegeben.

Tabelle III	Im mit öl abgeschreckten Zustand	Härte	Im mit Luft abgekühlten	Härte
Austenitisierungs		Rc	Zustand	Rc
temperatur	CVK-Schlagfest.	34,0	CVK-Schlagfest.	34,5
	J		J
°C	143,7		123,4
899	131,5	37,5	123.4	36,5
	126,1		113,9
	130,2		99,0
927	132,9	36,5	101,7	36,0
	113,9		90,8
	73,2		54,2
954	73,2	38,5	70,5	38,0
	86,8		59,7
	96,3		75,9
982	90,8	39,0	59,7	39,0
	84,1		69,2
	92,2		73,2
1010			82,7
			88,1

Aus Tabelle III wird ersichtlich, daß zur Erzielung einer besten Kernschlagfestigkeit die Austenitisierungstemperatur unterhalb 954° C sein sollte und daß ein Abschrecken mit öl stetig bessere Ergebnisse liefert als ein Abkühlen in Luft. Die höchste durchschnittliche Schlagfestigkeit betrug 133,8 J, die bei einer Austenitisierungstemperatur von 899° C und anschließendem Abrecken in öl erhalten wurde.

Um die Effekte von unterschiedlichen Anlaßtemperabo türen auf den Kern zu vergleichen, wurden pseudoaufgekohlte Probekörper verwendet. Zur Bestimmung des Effekts auf das anlaßgehärtete Material wurden aufgekohlte Probekörper verwendet Die Härte im mit öl abgeschreckten Zustand und im gekühlten Zustand

b5 (von einer Austenitisierungstemperatur von 913"C über einen Zeitraum von 25 min) ist in Tabelle IV zusammen mit der Anlaßtemperatur und der jeweiligen Behandlung angegeben. Vor dem Anlassen, dh. dem abge-

schreckten und abgekühlten Zustand, betrug die Kernhärte Rc 34,0 und die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärte Rc 66,5. Die Umhüllungs- bzw. Einsatz-

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schichthärte und die in Tabelle IV angegebenen Härten wurden nach der Rockwell-Skala A gemessen und in den entsprechenden Rc-Wert umgewandelt.

Tabelle IV	Kern	2 + 2 h	Umhüllung bzw. schicht	Einsatz-
Temperatur	angelassen	34,5	angelassen
	1 h	35,0	1 h	2 + 2 h
⁰C	35,0	35,0	63,0	62,5
149	35,0	OC Λ JJ₁U	62,0	62,0
177	34,5		61,5	62,0
204	35,0		51,5	61,5
232	35,0		61,0
260	35,0		61,0
288	35,0		61,0
315	35,5		58,5
371	38,0		56,5
427	41,0		56,0
482	38,5		55,0
538	35,5		52,0
593	26,0	45,5
650

Probekörper für die Bestimmung der Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit und der Raumtemperatur-Zugfestigkeit wurden hergestellt, pseudoaufgekohlt, gehärtet, indem sie 25 min lang auf 913⁰C erhitzt wurden, mit öl abgeschreckt und sodann eine halbe Stunde lang auf — 73° C gekühlt wurden, und bei 204° C zwei aufeinanderfolgende Zeitspannen von 2 h angelassen. Probekörper für die Bestimmung der Bruchzähigkeit wurden auf die gleiche Weise hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 min auf 913° C erhitzt wurde. Bei -54⁰C gaben drei CVK-Schlagtests 55,6 J, 52,9 J und 55,6 J, während bei Raumtemperatur drei CVK-Schlagfestigkeits-Probekörper 128,8 J, 123,4 J und 117,9 J ergaben. Bei 100° C ergaben drei CVK-Schlagfestigkeitsprobekörper 139,6 J, 162,7] und 151,8]. Die Ergebnisse der Bestimmung der Bruchzähigkeit bei den drei Tests waren jeweils größer als 98,9 MN/m² j/in. Die Tests zur Bestimmung der Raumtemperatur-Zugfestigkeit, jeweils ein Durchschnittswert von 3 Tests, wurden durchgeführt, wobei eine 0,2%-Streckengrenze von 972,75 MN/m², eine Zerreißfestigkeit von 1172 MN/m² eine durchschnittliche Dehnung von 16,4% und eine durchschnitlliche Flächenverminderung von 66,5% erhalten wurden.

Probekörper zur Bestimmung der Kern- und UmhüHungs- bzw. Einsatzschichthärte werden hergestellt und, wie oben im Zusammenhang mit der Bestimmung der Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit und wie die Probekörper zur Bestimmung der Raumtemperatur-Zugfestigkeit, behandelt, mit der Ausnahme, daß die UmhüDungs- bzw. Einsatzschichtprobekörper in der Weise aufgekohlt wurden, daß sie 7 h lang auf 927° C in einer enrdothermen Atmosphäre mit einem Taupunkt von 339°C erhitzt wurden. In Tabelle V sind die resultierenden Härten, gemessen bei der angegebenen Temperatur, zusammengestellt Die Werte für die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärten sind die Mittelwerte von zwei Tests, welche von der Ra-Skala umgewandelt wurden.

Tabelle V

Testternperatur Kernhärte

Rc

Umhüllungs- bzw.
Einsatzschichthärte

Rc

Raum	35,0	62,0
temperatur
93	35,5	60,0
149	34,5.	59,5
⁴⁵ 204	34,0	58,0
260	35,0	56,5
315	35^	54,5
371	35,0	49,5
427	35,0	47,0
⁵⁰ 482	34,5	43,0
538	28,0	39,0

Die in der Tabelle V zusammengestellten Werte zeigen, daß die Kernhärte dieser Zusammensetzung im wesentlichen konstant bleibt, bis eine Temperatur von etwa 482° C überschritten wird. Die Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärte nimmt mit steigender Temperatur ab, doch hält bei Temperaturen so hoch wie 315°C, die Zusammensetzung immer noch einen hohen Grad der Warmhärte bei

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung hat eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, so daß bei der Einsatzhärtung eine hervorragende Kombination aus einer Kernaufschlagfestigkeit und Bruchzähigkeit, kombiniert mit einem hohen Grad einer Anlaßbeständigkeit und Kernwarmhärte bei Verwendung von Temperaturen so hoch wie 204° C erhalten wird. Wenn

11 12

die Legierung C und Mn mit Einschluß der bevorzugten Gew.-%

Minimalmengen von Si, Cr, Ni, Cu und Mo, d.h. etwa _c _0]0

0,06 bis 0,16% C, 0,2 bis 0,7% Mn, 0,75 bis 1,5% Si, 0,75 Γ. ₀'₃₅

bis 1,5% Cr, 1,7 bis 3% Ni, 1,5 bis 4% Cu, 3 bis 3,5% Mo, £? "q

enthält, wobei die Summe aus der in Prozent *> q_t j'q

ausgedrückten Nickelmenge plus der Hälfte der in ^j 20

Prozent ausgedrückten Kupfermenge gleich oder q_u 20

kleiner als 4% ist, und die Legierung zum Rest mit oder ^ ^

ohne Zugabe von fakultativen Elementen aus Eisen y

besteht, ist eine Umhüllungs- bzw. Einsatzschichthärte 10

von Rc 62 bei Raumtemperatur erhältlich. Ein weiteres und zum Rest Eisen und erschmelzungsbedingte

Beispiel der erfindungsgemäß verwendeten Legierung Verunreinigungen mit oder ohne geringe Mengen von

mit hervorragenden Eigenschaften enthält Al, Nb, Ti, Zr und Ca.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Einsatzstahls, bestehend aus 0,06 bis 0,16% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,7% Mangan, 0,5 bis 1,5% Silizium, 0,5 bis 1,5% Chrom, 1,5 bis 3% Nickel, 1 bis 4% Kupfer, 2£ bis 4% Molybdän, bis zu 0,4% Vanadium, bis zu 0,05% Phosphor, bis zu 0,05% Schwefel, bis zu 0,03% Stickstoff, bis zu 0,25% Aluminium, bis zu 0,25% Niob, bis zu 0,25% Titan, bis zu 0,25% Zirkon, bis zu 0,25% Calcium, Rest Eisen, und herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei [%Ni] + 0,5 [%Cu] < 4% ist und der Stahl im einsatzgehärteten und wärmebehandelten Zustand bei Raumtemperatur im Kern eine Härte von mindestens Rc 32, eine Charpy-V-Kerbschlagzähigkeit von mindestens 81,4 J, eine Bruchzähigkeit von mindestens 87,511 MN/m² · j/m und in der Einsatzschicht eine Härte bei Raumtemperatur von mindestens Rc 60 sowie eine Warmhärte bei 204" C von mindesten«. Rc 56 aufweist, als Werkstoff zur Herstellung von Getrieben, deren Bauteile bei erhöhten Temperaturen eine Kombination aus Anlaßbeständigkeit, Wärmehärte, Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit haben müssen.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, der mindestens 0,03% V und nicht mehr als 0,1% von jeweils Al, Nb, Ti, Zr und Ca enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 oder 2, der 0,07 bis 0,13% Kohlenstoff, 0,25 bis 0,5% Mangan, 0,75 bis 1,25% Silizium, 0,75 bis 1,25% Chrom, 1,7 bis 2,3% Nickel, 1,5 bis 2,5% Kupfer, 3 bis 3,5% Molybdän und 0,05 bis 0,15% Vanadium enthält für den 21weck nach Anspruch 1.

4. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 2, der nicht mehr als 0,13% Kohlenstoff, nicht mehr als 0,5% Mangan, nicht mehr als 1,25% Silizium, nicht mehr als 1,25% Chrom, nicht mehr als 2,3% Nickel, nicht mehr als 2,5% Kupfer, nicht mehr als 3,5% Molybdän und nicht mehr als 0,15% Vanadium enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 4, der mindestens 3% Molybdän enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 2, der 0,1% Kohlenstoff, 0,35% Mangan, 1% Silizium, 1% Chrom, 2% Nickel, 2% Kupfer, 3,25% Molybdän und 0,1% Vanadium enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 2, der bei einer Raumtemperaturhärte von Rc 62 einsetzhärtbar und wärmebehandelbar ist und mindestens 0,75% Si, 0,75% Cr, 1,7% Ni, 1,5% Cu und 3% Mo enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

8. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1, der mindestens 0,01 % Aluminium enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

9. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 oder 8, der mindestens 0,01% Niob enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

10. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 9, der mindestens 0,01% Titan enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

11. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 8 bis 10, der mindestens jeweils 0,001% Zirkon und Calcium und mindestens 0,03% Vanadium enthält für den Zweck nach Anspruch 1.

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Einsatzstahls mit spezieller Zusammensetzung als Werkstoff zur Herstellung von Getrieben, deren Bauteile bei erhöhten Temperaturen eine Kombination aus AnIaB-beständigkeit, Wärmehärte, Bruchzähigkeit und Schlag festigkeit haben müssen.

Gegenstände, wie z. B. Getriebe oder Räderwerke, insbesondere Getriebesysteme von Hubschraubern, bei denen zum Betrieb bei erhöhten Temperaturen eine

ίο Anlaßbeständigkeit, Heißhärte, Bruchzähigkeit und Schlagfestigkeit erforderlich ist, müssen den genaueren Betriebsbedingungen genügen, die in Einrichtungen, z. B. von Hubschraubern, welche sich nunmehr in Entwicklung befinden, angetroffen werden. Bislang wurden solche einsatzhärtende legierte Stähle der A.I.S.I.-Typen 9310, 3310, 8620 und andere verwendet, um Gegenstände, wie z. B. Getriebe, für solche Zwecke herzustellen. Die schärferen Betriebsbedingungen, die in den Kraftübertragungen von Hubschraubern, die derzeit entwickelt werden, vorliegen, sind jedoch für solche einsatzhärtende legierte Stähle zu scharf. So hat z.B. eine Legierung vom A.l.S.I.-Typ 9310 folgende Zusammensetzung: 0,08 bis 0,13% Kohlenstoff, 0,45 bis 0,65% Mangan, 0,20 bis 035% Silizium, 1,00 bis 1,40% Chrom, 3,00 bis 3,50% Nickel, 0,08 bis 0,15% Molybdän, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen mit nicht mehr als 0,025% Phosphor und 0,025% Schwefel. Legierungen vom Typ 9310 haben zwar eine ausgezeichnete Zähigkeit, weisen aber nicht die Anlaßbeständigkeit und Heißhärte auf, welche zum Betrieb bei den erhöhten Temperaturen erforderlich sind, welche nunmehr in Betracht gezogen werden und die sich so hoch wie bis zu 204° C erstrecken können. In der US-PS 37 13 905 wird ein legierter Stahl mit hervorragenden Eigenschaften beschrieben, der folgende Zusammensetzung hat: 0,07 bis 0,8% Kohlenstoff, bis zu 1% Mangan, 0,5 bis 2% Silizium, 0,5 bis 1,5% Chrom,

2 bis 5% Nickel, 0,65 bis 4% Kupfer, 0,25 bis 1,5% Molybdän, bis zu 0,5% Vanadium und zum Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Mengen von anderen Elementen.

Die Legierung mit 0,07 bis 0,2% Kohlenstoff wird leicht einsät/gehärtet, beispielsweise durch Aufkohlen. In diesem Zustand liefert sie Gegenstände mit guter Zähigkeit und Anlaßbeständigkeit und einer besseren Warmhärte, als sie bei Stählen des Typs 9310 erhältlich ist. Die Schlagzähigkeit der Legierung dieser Patentschrift ist zwar genügend hoch, doch werden die Anlaßbeständigkeit und die Warmhärte dieser Legie rung nicht als angemessen angesehen, um den Anforderungen zu genügen, wie sie in Getrieben von Hubschraubern, die derzeit entwickelt werden, auftreten. Ein weiterer legierter Stahl, der zur Herstellung von solchen Gegenständen, wie Getrieben, welche in

5> Hubschraubern bei Temperaturen von bis zu 204⁰C verwendet werden sollen, in Betracht gezogen worden ist, wird in der US-PS 30 36 912 beschrieben. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Legierungen eine nicht angemessene Schlagfestigkeit und Druckzähigkeit be sitzt.

Aus der CH-PS 1 75 724 ist eine Stahllegierung aus mehr als 0,1% Kohlenstoff, bis 3% Mangan, 0,3 bis 3,5% Silizium, 1 bis 9% Chrom, bis 3% Nickel, bis 4% Kupfer,

3 bis 8% Molybdän, bis 3% Vanadium, bis 3% Aluminium, bis 3% Titan, bis 3% Zirkon, Rest Fe, bekannt. Nach den Angaben dieser Patentschrift kann die dort beschriebene Legierung auch Zusätze wie Wolfram. Uran und Kobalt enthalten.