DE3628264A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen aus stahl mit hoher festigkeit bei gleichzeitig hoher zaehigkeit, welche diese eigenschaften auch nach einer warmverformung aufweisen - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Stahl mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit, welche diese Eigenschaften auch nach einer Warmver­ formung aufweisen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bauteile aus Stahl mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit, welche diese Eigenschaften auch nach einer Warmverformung aufweisen.

Stähle haben die Eigenschaft, daß sie nach einer Warmbehand­ lung zwar hohe Festigkeit, aber eine unzureichende Zähigkeit aufweisen, wenn sie nicht mit entsprechend hoher Temperatur angelassen werden. Für viele Bauteile wie z. B. die Achs­ schenkel von Lastkraftwagen ist es wünschenswert, daß sich hohe Festigkeit mit ausreichender Zähigkeit des Werkstoffes paart.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Bauteile auf Stahlbasis zu fertigen, bei denen nach einer Warmverformung oberhalb der Umwandlungstemperatur ohne besondere Anlaß- Nachbehandlung der Werkstoff neben hoher Festigkeit eine gute Zähigkeit aufweist. Diese Eigenschaften sollen gemäß der ge­ stellten Aufgabe auch nach einer vorherigen Abkühlung und Wiederaufheizung oder nur nach einer Aufheizung oberhalb der Umwandlungstemperatur eines Bauteiles erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,3 Gewichtsprozenten aufweist und
• b) daß die Abkühlungsgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß überwiegend unteres bainitisches Gefüge entsteht.

Ein Verfahren dieser Art beeinhaltet den Vorteil, daß Bauteile, wie z. B. die Achsschenkel von Lastkraftwagen trotz Schmiede­ arbeiten bei Temperaturen bis zu ca. 1300°C (Warmverformung) auch ohne nachgeschaltete spezielle Wärmebehandlung wie z. B. Anlaßglühen ein überwiegend unteres bainitisches Gefüge auf­ weisen, bei dem sich zu hoher Festigkeit eine gute Zähigkeit gesellt.

Bei der Herstellung von Bauteilen mit den eingangs gewünschten Eigenschaften geht man erfindungsgemäß von einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von weniger als 0,3 Gewichtsprozenten aus.

Dabei muß die Abkühlungsgeschwindigkeit so gesteuert werden, daß überwiegend unteres bainitisches Gefüge erzielt wird. Das gewünschte Abkühlungsverfahren hängt dann im wesentlichen von den geometrischen Abmessungen des Bauteiles ab. Bekannte Ver­ fahren wie Abkühlung bei ruhiger Luft, bewegter Luft, Sprüh­ nebel eines Kühlmittels, Ölbad, Salzbad, Wirbelschichtkühlung, Wasser mit Zusätzen von Salz oder Lauge, um nur einige Bei­ spiele zu nennen, können dafür Anwendung finden.

Im Gegensatz zur konventionellen Zwischenstufenvergütung (Er­ zielung des bainitischen Gefüges), bei der bis zu einer be­ stimmten Temperatur, welche oberhalb der Martensitbildungs­ temperatur liegt, abgeschreckt (abgekühlt) wird und dann isotherm solange gehalten wird, bis der Austenit in Bainit umgewandelt ist, wird bei diesem Verfahren kontinuierlich in die Zwischenstufe abgekühlt.

Um die feinstrukturierte Gefügeausbildung des Bainits weiter zu verbessern, können Mikrolegierungselemente wie z. B. Nb und/oder auch Ti, Zr oder V aber auch Al (letzteres jedoch nur in Verbindung mit einem der vorgenannten Elemente) zulegiert werden. Diese Legierungselemente haben zur Folge, daß durch Karbid, Nitrid oder Karbonitridbildung bei Warm­ verformung eines derartigen Bauteiles trotz Arbeitstempera­ turen bis zu ca. 1300°C ein Kornwachstum mit all seinen be­ kannten negativen Auswirkungen in Grenzen gehalten wird, bzw. Direktkristallisation sowie die Kornvergröberung nach der Warmverformung unterdrückt bzw. vergrößert wird.

Ein besonders feinkörniges Gefüge ergibt sich, wenn das Gefüge bei entsprechend niedrigen Temperaturen einer thermomechani­ schen Behandlung unterworfen wird, wie beispielsweise Schmieden oder Walzen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können bainit­ bildende Elemente wie beispielsweise Mn, B und Mo zugegeben werden. Dadurch wird bei entsprechender Steuerung der Abküh­ lungsgeschwindigkeit Martensit-, obere Bainit- und Ferrit/ Perlitbildung, die sich negativ auf die Zähigkeitseigenschaften bzw. Festigkeitseigenschaften auswirken, zurückgedrängt.

Da ein Bauteil mit unterschiedlichen Querschnitten bei der Abkühlung in den dünneren Querschnittsbereichen schneller und in den direkten Querschnittsbereichen langsamer abkühlt, muß die Abkühlungsgeschwindigkeit in den einzelnen Bereichen ganz gezielt gesteuert werden. Dies geschieht durch spezielle Abschreckvorrichtungen, die die Abschreckgeschwindigkeit an den dünneren Querschnitten entweder verlangsamt oder an den dickeren Querschnitten beschleunigt. Auch können die dünneren Querschnitte in einem getrennten Abkühlvorgang vor den dickeren Querschnitten entweder in das bainitische Gefüge abgeschreckt oder in ein Ferrit/Perlitgefüge (wenn keine hohe Beanspruchung gefordert wird) abgekühlt werden, bevor der dickere Bauteilquerschnitt so weit abgekühlt wird, daß dieser nicht mehr austenitisch ist.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht somit darin, daß sich beispielsweise nur in den Rand­ zonen der Werkstücke, die hochbelastet sind, ein bainitisches Gefüge einstellen läßt. Dadurch lassen sich unterschiedliche Festigkeitswerte (je nach den Anforderungen) an den einzelnen Bauteilabschnitten einstellen.

Vorsprünge oder dünnwandige Bereiche an der Außenseite oder auch im Inneren eines Werkstückes können auf verschiedene Weise entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 8 be­ handelt werden. Einmal können diese Partien vor dem Abschrecken mit einer wärmeisolierenden Schutzhülle verkleidet werden, oder es werden diese Partien vor dem Abschrecken einer ge­ steuerten Abkühlung unterworfen (beispielsweise mittels eines gezielt auf diese Partien gerichteten Sprühnebels eines Ab­ kühlungsmediums). Dabei werden diese Partien unterschiedlich gesteuert bis unter die Umwandlungstemperatur abgekühlt, so daß nach dem Einwerfen ins Bad an diesen Stellen keine Härtung stattfindet. Auch können die genannten Vorsprünge oder Be­ reiche zunächst durch Formstücke abgedeckt und danach nur die relevanten Bereiche des Werkstückes durch den Strahl eines Abkühlungsmediums zur gesteuerten Abkühlung beaufschlagt werden. In weiterer Ausbildung dieses Erfindungsgedankens wird schließlich vorgeschlagen, daß die Formstücke bei Er­ reichen eines Temperaturausgleiches zwischen den dünnwandigen und dickwandigen Bereichen des Werkstückes, spätestens jedoch vor Unterschreiten der Umwandlungstemperatur des Stahles ab­ genommen und ebenfalls direkt vom Stahl des Abkühlungsmediums beaufschlagt werden.

Mit einem Stahl gemäß dem Patentanspruch, 15 CrMo 5, konnten beispielsweise an einem Rundmaterial von 70 mm Durchmesser in einem Abstand von ¹/₃ des Radius von außen gemessen, Werte nachgewiesen werden, die die Mindestwerte eines Stahles 42 CrMo 4 nach DIN 17 200 mit Rm = 1139 N mm^-2, Rp 0,2 = 964 N mm^-2 und Av = 54 J übersteigen. Rm bedeutet dabei die Zugfestigkeit, Rp die 0,2%-Dehngrenze und Av die Kerbschlagarbeit.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Stahl mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit, welche diese Eigenschaften auch nach einer Warmverformung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,3 Gewichtsprozenten aufweist und
• b) daß die Abkühlungsgeschwindigkeit so gesteuert wird, daß überwiegend unteres bainitisches Gefüge entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mikrolegierungselemente karbid- und/oder nitrid- und/oder karbonitridbildender Art, wie beispielsweise Nb, zulegiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge einer thermomechanischen Behandlung unterworfen wird, beispielsweise Schmieden oder Walzen bei entsprechend niedrigen Temperaturen.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bainitbildende Elemente, wie beispielsweise Mn, B und Mo, zugegeben werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Vorsprünge oder dünnwandige Bereiche an der Außenseite oder im Inneren eines Werkstückes vor dem Ab­ schrecken mit einer wärmeisolierenden Schutzhülle verkleidet werden.

6. Verfahren nach den Merkmalen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Vorsprünge oder dünnwandige Bereiche an der Außenseite oder im Inneren eines Werkstückes vor dem Ab­ schrecken mittels eines gezielt auf diese Partien gerich­ teten Sprühnebels eines Abkühlungsmediums einer gesteuerten Abkühlung unterworden werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Vorsprünge oder dünnwandige Bereiche an der Außenseite oder im Inneren eines Werkstückes durch Form­ stücke abgedeckt und danach weitgehend nur die relevanten Bereiche des Werkstückes durch den Strahl eines Abkühlungs­ mediums für eine gesteuerte Abkühlung beaufschlagt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formstücke bei Erreichen eines Temperaturausgleiches zwischen den dünnwandigen und dickwandigen Bereichen des Werkstückes, spätestens jedoch vor Unterschreiten der Um­ wandlungstemperatur (Ar ₃) des Stahles abgenommen und eben­ falls direkt vom Strahl des Abkühlungsmediums beaufschlagt werden.