DE3525071C1

DE3525071C1 - Verfahren zur Herstellung hochbelastbarer Maschinenteile aus mikro-legiertem Stahl mit zähem, hochfestem Kern und einer verschleißfesten Fe↓2↓B-Randschicht

Info

Publication number: DE3525071C1
Application number: DE19853525071
Authority: DE
Inventors: Richard 8900 Augsburg Sommer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-07-13
Filing date: 1985-07-13
Publication date: 1986-11-13

Description

Die Maschinenteile werden zunächst aus einem mikro-legierten Stahl hergestellt, der zur Ausscheidungshärtung und Feinkornbildung insgesamt bis zu 0,3 Ge-
wichtsprozent der Elemente Vanadium und ggf. Niob, letzteres aber mit einem gegenüber Vanadium wesentlich geringeren Gewichtsprozentanteil enthält. Ferner enthält der Stahl Kohlenstoff von bis zu 0,8%, weniger als 0,6% Silicium, Rest Eisen. Außerdem können ggf. als weitere Legierungszusätze im Stahl die Elemente Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Mo-Molybdän mit einem jeweils bis zu 0,5 Gewichtsprozent betragenden Anteil enthalten sein. Der Mangan-Gehalt ist generell nicht größer als 1,5%. Der Gesamt-Anteil der Elemente Chrom, Nickel, Kupfer, Molybdän ist nicht größer als 0,7%. Falls Chrom verwendet wird, ist der Mangan- und Chrom-Anteil jedoch insgesamt nicht größer als ins%.
Nach Herstellung der endgültigen Form des Maschinenteils aus einem solchen wie vorstehend zusammengesetzten Stahl, wird das Maschinenteil einem Glüh-Borier-Prozeß unterzogen. Dabei werden die vollständig oder partiell vom borabgebenden Medium umgebenen Maschinenteile bei Temperaturen zwischen 800 bis 1000"C in entsprechenden Öfen geglüht. Das Bor scheidet dabei aus einer vorher in Form einer borabgebenden, an den zu borierenden Stellen des Maschinenteils aufgetragenen Paste bzw. aus dem in der Glühkammer des Ofens gegebenen borabgebenden Gas bzw. Granulat aus und diffundiert in die Oberfläche des Maschinenteils ein. Abhängig von der Glühdauer und damit der Zeit, in der das Maschinenteil dem borabgebenden Medium ausgesetzt ist, bildet sich dabei eine mehr oder weniger starke, bis zu mehreren Zehntel Millimeter dikke Fe2B-Randschicht am Maschinenteil aus. Diese Fe2B-Randschicht ist sehr hart und verschleißfest und verliert auch bei späterer Erwärmung bis auf Diffusionstemperatur nicht ihre Härte.
Der demgegenüber zähe, hochfeste Kern des Maschinenteils ergibt sich infolge Ausscheidungshärtung und Feinkornbildung im Stahl während der sich an das Glühen anschließenden besonderen, gesteuerten Abkühlung. Dabei erfolgt die Abkühlung mit einer vom Mangan-Gehalt des Stahles abhängigen Geschwindigkeit, die über 50"C pro Minuten liegt. Wenn der Stahl einen Mangan-Gehalt von 0,3 bis 0,8% aufweist, dann ist eine Abkühlgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1,5 bis 100C pro Sekunde erforderlich. Liegt der Mangan-Gehalt des Stahles über 0,8% (bis zu 1,5%), dann ist mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 50 C pro Sekunde abzukühlen. Diese verhältnismäßig rasche Abkühlung der Maschinenteile aus Glühtemperatur wird unter Verwendung eines gasförmigen bzw. flüssigen bzw. als Sprühnebel zerstäubten Mediums bzw. in einem Wirbelbett realisiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind hochbeanspruchbare Maschinenteile herstellbar, zum Beispiel Schraubenräder, die aufgrund ihrer Konstruktion einer hohen, sich stets verlagernden, auf einen Punkt konzentrierten Druckeinwirkung ausgesetzt sind und zugleich hoch schwingbeansprucht werden. Andere Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bei Zapfen oder Achsen für die Lagerung von Bauteilen möglich, die Schwingbewegungen ausführen, wie Kipphebel, Kolbenbolzen, Rollenlagerzapfen od. dgl. Dabei treten an deren Abstützstellen unter hohem Druck Relativ-Bewegungen auf, ohne daß sich ein den Verschleiß vermeidender günstiger Schmierfilm ausbilden kann.
Die Maschinenteile weisen in ihrer borierten Fe2B-Randschicht eine Mikrohärte von weit über 1000 HV auf. Diese Fe2B-Randschicht ist auch bei relativ hohen Betriebstemperaturen noch hinreichend hart und verschleißfest.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin begründet, daß die Maschinenteile nunmehr gerade durch Verwendung des relativ niedrig legierten Stahles im gesamten Kern eine weitestgehend gleichbleibend hohe Kerbschlagzähigkeit in der Größenordnung von etwa 30 J (gemessen an ISO-U-Proben) sowie eine Streckgrenze R0.2 von mindestens 650 N/mm2 aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist, was die Glühung und Abkühlung anbelangt, einfach in üblichen Gerätschaften und mit verhältnismäßig geringen Kosten in einem Behandlungsablauf durchführbar. Nachbehandlungen sind nicht erforderlich.
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Claims

Patentanspruch: Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Maschinenteilen mit einem zähen, hochfesten Kern sowie einer auch bei hohen Betriebstemperaturen noch harten, verschleißfesten Fe2B-Randschicht, wobei die Maschinenteile aus einem mikro-legiertem Stahl hergestellt werden, der zur Ausscheidungshärtung und Feinkornbildung bis zu 0,3% der Elemente Vanadium und ggf. Niob mit einem gegenüber Vanadium wesentlich geringeren Gewichtsprozent-Anteil enthält, der sich ferner aus einem Kohlenstoff-Gehalt von bis zu 0,8%, weniger als 0,6% Silizium, weniger als 3% Mangan, Rest Eisen, zusammensetzt und gegebenenfalls als weitere Legierungszusätze Chrom und/oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän mit einem jeweils bis zu 0,5 Gewichtsprozent liegenden Anteil enthalten kann, wobei durch Glühen der Maschinenteile in borabgebendem Medium bei Temperaturen von 860 bis 1000"C eine harte, verschleißfeste, bis zu mehreren Zehntel Millimeter dicke Fe2B-Randschicht und beim anschließenden Abkühlen mit einer bestimmten Geschwindigkeit der zähe, hochfeste Kern in einem Behandlungsablauf erzeugt werden, d a -d u r c h gek e an z ei c h ne t, daß bei einem Stahl, dessen Mangan-Gehalt nicht größer als 1,5% und der Anteil der Elemente Chrom, Nickel, Kupfer und/ oder Molybdän gesamt nicht größer als 0,7% sowie der Mangan- und Chrom-Anteil gesamt nicht größer als 1,8% ist, die Abkühlgeschwindigkeit von einer Temperatur zwischen 800 bis 1000"C bei einem Mangan-Gehalt von 0,3 bis 0,8% 1,5 bis 10°C pro Sekunde und bei einem Mangan-Gehalt von mehr als 0,8% bis 1,5% 1 bis 5"C pro Sekunde beträgt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Maschinenteilen mit einem zähen, hochfesten Kern sowie einer auch bei hohen Betriebstemperaturen noch harten, verschleißfesten Fe2B-Randschicht, wobei die Maschinenteile aus einem mikrolegiertem Stahl hergestellt werden, der zur Ausscheidungshärtung und Feinkornbildung bis zu 0,3% der Elemente Vanadium und ggf. Niob mit einem gegenüber Vanadium wesentlich geringeren Gewichtsprozent-Anteil enthält, der sich ferner aus einem Kohlenstoff-Gehalt von bis zu 0,8%, weniger als 0,6% Silizium, weniger als 3% Mangan, Rest Eisen, zusammensetzt und gegebenenfalls als weitere Legierungszusätze Chrom und/ oder Nickel und/oder Kupfer und/oder Molybdän mit einem jeweils bis zu 0,5 Gewichtsprozent liegenden Anteil enthalten kann, wobei durch Glühen der Maschinenteile in borabgebendem Medium bei Temperaturen von 860 bis 1000"C eine harte, verschleißfeste, bis zu mehreren Zehntel Millimeter dicke Fe2B-Randschicht und beim anschließenden Abkühlen mit einer bestimmten Geschwindigkeit der zähe, hochfeste Kern in einem Behandlungsablauf erzeugt werden.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 32 12 338, die auf den gleichen Erfinder zurückgeht, bekannt. Dabei werden unter Verwendung des dort angegebenen mikrolegierten Stahles durch Ausscheidungshärten und Feinkornbildung bei gesteuerter Abkühlung nach einem Lösungsglühen mit gleichzeitigem Bor-Diffusionsvorgang in den Maschinenteilen gleichzeitig mit der Fe2-B-Randschicht bestimmte Kernfestigkeitseigenschaften erzielt. Dort ist mit 2 bis 50"C pro Minute eine relativ langsame Abkühlgeschwindigkeit festgelegt, um mit den für Diffusionsbehandlungen von sehr variierenden Mengen unterschiedlicher Maschinenteile häufig gebräuchlichen Retortenöfen arbeiten zu können.

Die für die Nutzungsmöglichkeiten der genannten Ofenart bedingte langsame Kühlung kann so schon für sehr kleine Maschinenteilquerschnitte einen Stahl mit einem Mangangehalt von ca. 1,5 bis 2% erfordern, um einen relativ hohen Perlitanteil im Kerngefüge und somit dort große Festigkeit zu erzielen. Abgesehen von den Kosten für solche Mangan-Beigaben im Stahl kann die davon abhängige Höchstkühlgeschwindigkeit für Perlitbildung innerhalb des schon genannten Geschwindigkeitsbereiches langsamer sein, als es bei derzeit für Großserien-Diffusionsbehandlung gegebenen Möglichkeiten und den hierzu verfügbaren Anlagen zweckmäßig ist. Dadurch würden bei solchen Behandlungen zur Steuerung entsprechend langsamer Abkühlung spezielle Einrichtungen notwendig sein.

Wie Praxis-Tests gezeigt haben, können zwar mit dem bekannten Verfahren Maschinenteile mit guten Festigkeits- und Zähigkeitswerten im von der Fe2B-Randschicht umgebenen Kern erzielt werden. Bei gegebenem hohen Mangan-Anteil und großen Maschinenteil-Querschnitten wurde dabei aber eine gewisse Abnahme der Zähigkeit vom Rand zum Kern festgestellt, was in manchen Fällen nicht erwünscht ist. Andererseits wurde bei Maschinenteilen mit geringer Dicke nur Festigkeitswerte ermittelt, die geringer sind, als man aufgrund des hohen Mangan-Anteiles erwarten würde.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Maschinenteile danach neben ihrer sehr hohen Oberflächenhärte auch über eine vom Rand zum Kern weitestgehend gleichbleibend hohe Kerbschlagzähigkeit in der Größenordnung von etwa 30 J (gemessen an ISO-U-Proben) und eine Streckgrenze Roa von mindestens 650 N/mm2 aufweisen, zugleich soll der die Abkühlung betreffende Verfahrensschritt in den Spezialeinrichtungen für Serienfertigung leicht und kostengünstig durchführbar sein. Außerdem soll ein Stahl mit möglichst geringen Legierungszugaben verwendet werden.

Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert insbesondere bezüglich des Mangan-Ansteiles kaum bzw. überhaupt nicht mehr Grundzusätze als unlegierter Stahl, was die Materialkosten senkt. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist günstig in für Großserien-Produktion geeigneten Öfen und Abkühlvorrichtungen möglich. Außerdem sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Sicht des niedrigen Legierungsgesamtanteils sehr hohe Festigkeits- und Zähigkeitswerte über den gesamten Kern-Querschnitt von Maschinenteilen erzielbar. Diese erreichbaren Festigkeits- und Zähigkeitswerte sind so groß und normalerweise nur durch ein nach dem Borieren durchführbares Vergüten unter Verwendung von Stählen mit bis zu 5% Legierungszusätzen einstellbar.

Nachstehend ist die Herstellung der Maschinenteile unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.