DE4143270A1

DE4143270A1 - Borstahl

Info

Publication number: DE4143270A1
Application number: DE4143270A
Authority: DE
Inventors: In-Seok Yu; Yong-Gueon Ji; Gang-Hyeong Kim
Original assignee: Samsung Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Volvo Construction Equipment AB
Priority date: 1991-11-30
Filing date: 1991-12-28
Publication date: 1993-06-03
Also published as: GB2261879A; KR930010205A; GB9127271D0; ITMI913487A1; ITMI913487A0; US5178688A; FR2684392A1; FR2684392B1; JPH0693375A; GB2261879B; KR940002139B1; IT1252862B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Borstahl insbeson dere für einsatzgehärtete Zahnräder und insbesondere auf Bor stahl für einsatzgehärtete Zahnräder mit geringerem Verzug durch Wärmebehandlung, geringerer Oberflächenoxidation bei der Einsatzhärtung und geringeren Materialkosten sowie besserer Härtbarkeit, Zugfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit als niedrig legierte Stähle und andere Borstähle, die üblicherweise für einsatzgehärtete Zahnräder verwendet werden.

Als niedrig legierte Stähle für einsatzgehärtete Zahnräder ist unter Berücksichtigung von Verzug durch Wärmebehandlung, Ober flächenhärte, innere Härte und Ermüdungsfestigkeit herkömmli cherweise die Verwendung von Cr-Mo-Stählen und Ni-Cr-Mo- Stählen, die Kohlenstoff in einer Größenordnung von in etwa 0,20 Gew.% enthalten, vorgeschlagen worden. Da Chrom, Nickel und Molybdän seltenere Elemente sind, deren geschätzte Vorkom men gering sind, sind sie teuer. Dementsprechend führt die Verwendung solcher teuren Elemente zu einem Anstieg der Mate rialkosten von legierten Stählen für einsatzgehärtete Zahnrä der.

Um die obengenannten Probleme zu lösen, ist von der Anmelderin versucht worden Borstähle, die gewöhnlich für Maschinenteile geringerer Qualität verwendet wurden, für einsatzgehärtete Zahnräder zu verwenden. Die koreanische Patentanmeldung Nr. 90-19 454 offenbart z. B. Borstähle mit verbesserten Eigen schaften für einsatzgehärtete Zahnräder. Die in der genannten Patentanmeldung offenbarten borierten Stähle für einsatzgehär tete Zahnräder reduzieren die Materialkosten durch den Ersatz von teurem Nickel, Chrom und Molybdän durch Bor und haben ver besserte mechanische Eigenschaften wie geringeren Verzug bei der Wärmebehandlung, verbesserte Härtbarkeit, Festigkeit und Dauerhaltbarkeit. Bei diesen Stählen ist das Problem der Ober flächenoxidation beim Einsatzhärten, wie es von herkömmlichen Stählen bekannt ist, immer noch vorhanden.

Das Phänomen der Oberflächenoxidation ist dadurch bedingt, daß CO₂ und H₂O in dem gasförmigen Aufkohlungsmittel das in dem Stahl enthaltene Silicium, Mangan und Chrom oxidiert. Wegen der Oxidation dieser Legierungsbestandteile zeigt die Oberflä chenschicht des Stahls eine verringerte Härtbarkeit. Folge des Härtens ist dann die Ausbildung einer Bainit-Struktur an der Oberfläche des Stahls, die eine Stärke von ungefähr 20 µm hat. Diese Bainit-Struktur bedingt eine geringe Härte und Zähig keit an der Stahloberfläche. Der Mechanismus und die Auswir kungen der Oberflächenoxidation sind auf diesem technischen Gebiet gut bekannt. Um die durch die Bainit-Struktur bedingten Nachteile zu beseitigen wird die Korngrenzenoxidation durch Schleifen der Zahnradoberfläche entfernt. Alternativ können die Zahnräder einem Einlaufprozeß unterworfen werden, bei dem ein Schmieröl verwendet wird, das den Oberflächenabrieb unter stützt. Da bei diesen Methoden nur die Kontaktflächen der Zahnräder bearbeitet werden, kann die oxidierte Korngrenzen schicht an den Zahnfüßen nicht entfernt werden. Insbesondere die an den Zahnfüßen verbleibende oxidierte Oberflächenschicht konnte als Ursache des Zahnfußbruches identifiziert werden. Deshalb bestand ein großer Bedarf an einer grundlegenden Lö sung des Problems der Bildung von oxidierten Oberflächen schichten.

Ziel der Erfindung ist es, einen neuartigen Borstahl, insbe sondere für einsatzgehärtete Zahnräder bereit zu stellen, der die obengenannten Probleme, denen man im Stand der Technik be gegnet, überwindet.

In der vorliegenden Erfindung soll der in dem Stahl enthaltene Gehalt an leicht oxidierbaren Elementen wie Silicium, Mangan und Chrom reduziert und Bor anstelle von Nickel, Chrom und Mo lybdän verwendet werden, um die Bildung oxidierter Ober flächenschichten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu verringern und auch den Effekt des Bors auf das mög lichste ausnutzen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Borstahl gelöst bestehend aus 0.18 bis 0.35 Gew.% C, 0.06 bis 0.15 Gew.% Si, 0.50 bis 1.00 Gew.% Mn, 0.40 bis 0.90 Gew.% Cr, 0.01 bis 0.05 Gew.% Al, 0.01 bis 0.04 Gew.% Ti, nicht mehr als 0.012 Gew.% N, nicht mehr als 0.003 Gew.% 0, 0.0005 bis 0.0030 Gew.% B und Rest Fe und bei der Stahlherstellung unvermeidliche Verunrei nigungen, mit einem Verhältnis von Ti zu N von 3.4 bis 6.0.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele unter Bezug nahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Härtekurve eines konventionellen BS708M20 Stahls nach einem Stirnabschreckversuch (Jominy- Test);

Fig. 2 eine Härtekurve eines konventionellen AISI 4320 Stahls nach einem Stirnabschreckversuch;

Fig. 3 eine Härtekurve eines in der koreanischen Patent anmeldung Nr. 90-19 454 offenbarten Stahls nach einem Stirnabschreckversuch;

Fig. 4 eine Härtekurve eines Stahls gemäß Beispiel A der vorliegenden Erfindung nach einem Stirnabschreck versuch;

Fig. 5 eine Härtekurve eines Stahls gemäß Beispiel B der vorliegenden Erfindung nach einem Stirnab schreckversuch;

Fig. 6 eine Mikroskopaufnahme (x 400) eines konventio nellen BS708M20 Stahls, die die Ausdehnung der Oberflächenoxidation zeigt;

Fig. 7 eine Mikroskopaufnahme (x 400) eines konventio nellen AISI 4320 Stahls, die die Ausdehnung der Oberflächenoxidation zeigt;

Fig. 8 eine Mikroskopaufnahme (x 400) eines in der ko reanischen Patentanmeldung Nr. 90-19 454 offenbar ten Stahls, die die Ausdehnung der Oberflächen oxidation zeigt;

Fig. 9 eine Mikroskopaufnahme (x 400) eines Stahls gemäß Beispiel A der vorliegenden Erfindung, die die Ausdehnung der Oberflächenoxidation zeigt;

Fig. 10 eine Mikroskopaufnahme (x 400) eines Stahls gemäß Beispiels B der vorliegenden Erfindung, die die Ausdehnung der Oberflächenoxidation zeigt;

Fig. 11 ein kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwandlungs schaubild (ZTU-Schaubild) für den Stahl gemäß Beispiel B der vorliegenden Erfindung.

Wie bereits erwähnt, beschreibt die vorliegende Erfindung ei nen Stahl mit einem verringerten Gehalt an leicht oxidierbaren Elementen wie Silicium, Mangan und Chrom; weiterhin wird Nickel, Chrom und Molybdän ganz oder teilweise durch Bor er setzt, um die Bildung einer oxidierten Oberflächenschicht, wie sie unerwünschterweise bei dem Stand der Technik entstanden ist, zu verringern und den Effekt des Bors auf das größtmög liche auszunutzen.

Die Bestandteile des Stahls gemäß der vorliegenden Erfindung sind zahlenmäßig wie folgt begrenzt:

Kohlenstoff ist ein essentielles Element, um Zähigkeit und Härte, die bei Stählen benötigt werden, zu erzielen. Um eine innere Härte von mindestens 20 HRC beizubehalten, enthält die Zusammensetzung mindestens 0.18 Gew.% Kohlenstoff. Mehr als 0.35 Gew.% Kohlenstoff erhöht abrupt die Härte des Stahls und wirkt sich somit nachteilig auf die Zähigkeit aus, was die Verwendung des Stahls für Zahnräder unmöglich macht.

Silicium fungiert im Stahlherstellungsprozeß als Desoxigenie rungsmittel und sollte in der Zusammensetzung in einer Menge von mindestens 0.06 Gew.% enthalten sein. Da Silicium sehr schnell oxidiert wird, ist sein Gehalt auf höchstens 0.15 Gew.% begrenzt, um die Oberflächenoxidation zu verringern.

Mangan ist ein billiges Legierungselement, das zur Verschleiß fähigkeit und Härtbarkeit beiträgt und auch ein essentielles Element, das als Entschwefelungsmittel im Stahlherstellungs prozeß eingesetzt wird. Mangan ist auch ein desoxigenierendes Element, obwohl sein Reduktionspotential kleiner als das des Siliciums ist. Demzufolge ist der Gehalt an Mangan auf höch stens 1.0 Gew.% begrenzt. Um die Härtbarkeit zu verbessern sollte, Mangan in der Zusammensetzung mindestens in einer Men ge von 0.5 Gew.% enthalten sein.

Chrom ist als Feststoff in Ferrit gelöst beigefügt, um die Ma trix zu stärken. Wenn die Zusammensetzung eine geringe Menge Kohlenstoff enthält, verbessert das Zufügen von Chrom den ma trixstärkenden Effekt. Deshalb sollte Chrom in der Zusammen setzung in einer Menge von mindestens 0.4 Gew.% enthalten sein. Der Gehalt an Chrom ist aber auch auf einen Höchstwert von 1.0 Gew.% begrenzt, da das Element, ebenso wie Silicium und Mangan, der Oberflächenoxidation unterliegt.

Aluminium wird hauptsächlich bei der Herstellung beruhigter Stähle verwendet, weil es stark desoxigenierend wirkt. In dem Stahl verbleibendes Aluminium trägt auch zur verbesserten Zä higkeit und verfeinerten Korngröße bei. Enthält die Zusammen setzung weniger als 0.01 Gew.% Aluminium, so ist die Deoxigi nierung unzureichend. Bei Überschreiten von 0.05 Gew.% ist Aluminium zu einem kleinen Teil in SiO₂ enthalten, woraus eine schlechte Reinheit resultiert; die Silicate verbleiben als längliche Einschlüsse vom Typ A. Dementsprechend ist der Ge halt an Aluminium auf ein Minimum von 0.01 Gew.% und einem Ma ximum von 0.05 Gew.% begrenzt und vorzugsweise 0.02 bis 0.03 Gew.%.

Titan hat eine starke Bindungskraft (Affinität) zu Stickstoff und ist somit ein essentielles Element, um den erfindungsgemäß gewünschten Effekt durch die Zugabe von Bor zu erzielen. Wenn Titan zu mindestens 0.01 Gew.% in der Zusammensetzung enthalten ist, kann ein stabiler Boreffekt erzielt werden. Beim Überschreiten von 0.04 Gew.% wird dieser Effekt nicht weiter vergrößert. Dementsprechend ist der Gehalt an Titan auf ein Minimum von 0.01 Gew.% und auf ein Maximum von 0.04 Gew.% begrenzt und beträgt vorzugsweise 0.02 bis 0.03 Gew.%.

Stickstoff ist in der Zusammensetzung enthalten, da der in der Luft enthaltene Stickstoff bei der Stahlherstellung in dem Stahl gelöst wird. Beim Überschreiten von 0.012 Gew.% verbin det sich Stickstoff mit Bor und bildet BN (Bornitrid), was das Erzielen des gewünschten erfindungsgemäßen Effekts verhindert. Dementsprechend ist der Gehalt an Stickstoff auf ein Maximum von 0.012 Gew.% begrenzt und ist vorzugsweise geringer als 0.009 Gew.%.

Sauerstoff ist der wesentliche Grund für das Problem der Ober flächenoxidation, das durch die vorliegende Erfindung gelöst werden soll. Wie Stickstoff ist Sauerstoff in der Zusammenset zung enthalten, da Luftsauerstoff sich bei der Stahlherstel lung in dem Stahl löst. Der gelöste Sauerstoff wird zum größ ten Teil durch einen Desoxigenierungsprozeß aus der Zusammen setzung entfernt. Der Gehalt an Sauerstoff ist auf ein Maximum von 0.003 Gew.% begrenzt. Beim Überschreiten von 0.003 Gew.% ist eine Verringerung der Oberflächenoxidation kaum zu erwar ten. Der Gehalt an Sauerstoff ist vorzugsweise geringer als 0.0025 Gew.%.

Bor ist ein billiges Element, das die Funktion hat, anstelle von teueren Legierungselementen die Härtbarkeit des Stahls zu verbessern. Das Zufügen von Bor, auch in sehr kleinen Mengen, resultiert in vorteilhaften Effekten. Mindestens 0.0005 Gew.% Bor sollten der Zusammensetzung beigefügt werden. Beim Über schreiten von 0.003 Gew.% ist Bor unter Umständen nicht mehr effektiv und verringert eher die Zähigkeit. Dementsprechend ist der Gehalt an Bor auf ein Minimum von 0.0005 Gew.% und auf ein Maximum von 0.003 Gew.% begrenzt und beträgt vorzugsweise 0.0015 bis 0.0025 Gew.%.

Erfindungsgemäß ist das Verhältnis von Titan zu Stickstoff auf ein Minimum von 3.4 und auf ein Maximum von 8 begrenzt. Die Bildung von BN durch freien Stickstoff kann vermieden werden, wenn das Verhältnis mindestens 3.4 ist. Beim Überschreiten von einem Verhältnis von 6 vergrößert sich dieser Effekt nicht weiter.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme der folgenden Beispiele von Borstählen und den zum Vergleich beigefügten Beispielen von herkömmlichen Stählen leichter verständlich. Diese Beispiele dienen nur dazu, die vorliegende Erfindung zu erläutern, ohne sie einzuschränken.

In den Beispielen der vorliegenden Erfindung wurde der jewei lige Stahl nach einem herkömmlichen Verfahen hergestellt, das auf dem technischen Gebiet zu dem die vorliegende Erfindung gehört, gut bekannt ist. Die jeweiligen Zusammensetzungen der Borstähle A und B der vorliegenden Erfindung und der herkömmlichen Stähle sind in Tabelle 1 beschrieben.

Die jeweiligen Härtekurven nach einem Stirnabschreckversuch (Jominy-Test) sind in den Fig. 1 bis 5 dargestellt. Bei dem Vergleich dieser Härtekurven, unter Bezugnahme auf die Härte bei einer Jominy-Entfernung von 13 mm von dem abgeschreckten Ende, wird ersichtlich, daß die Stähle A und B der vorliegen den Erfindung eine Härte und eine Zähigkeit entsprechend denen herkömmlicher Stähle besitzen.

Die Fig. 6 bis 10 sind die jeweiligen Mikroskopaufnahmen der oben erwähnten Stähle, die das Ausmaß der Oberflächenoxi dation zeigen. Die Tiefe der oxidierten Oberflächenschicht ist 17.5 µm im Fall von Fig. 6, 20 µm im Fall von Fig. 7, 15 µm im Fall von Fig. 8, 8.7 µm im Fall von Fig. 9 und 7.5 µm im Fall von Fig. 10. Von diesen Ergebnissen kann der Schluß ge zogen werden, daß die Tiefe der oxidierten Oberflächenschicht in den Stählen A und B der vorliegenden Erfindung ungefähr nicht mehr als 50% von der in herkömmlichen Stählen ist.

Jede der in dem obigen Test verwendeten Proben wurde durch ei ne Wärmebehandlung hergestellt, die ein Aufkohlen bei 925°C für vier Stunden, ein Abschrecken bei 850°C in Öl mit einer Temperatur von 60°C und anschließend Anlassen bei 180°C für zwei Stunden umfaßt.

In Fig. 11 ist ein kontinuierliches Zeit-Temperatur-Umwand lungsschaubild (ZTU-Schaubild) des Stahls B entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der Benutzung solcher Diagramme in der Wärmebehandlung, ist es möglich erfindungsge mäße Stähle mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

Wie aus der Beschreibung hervorgeht, enthalten die erfindungs gemäßen Borstähle für einsatzgehärtete Zahnräder eine kleine Menge Bor, das teure Legierungselemente substituiert, wodurch die Materialkosten gegenüber herkömmlichen Cr-Mo-Stählen und Ni-Cr-Mo-Stählen verringert werden. Die Borstähle der vorlie genden Erfindung zeigen außerdem eine Verringerung der thermischen Verformung, der Oberflächenoxidation beim Einsatz härten, bessere Härtbarkeit, mechanischer Festigkeit und Ermü dungsfestigkeit gegenüber niedrig legierten Stählen und Bor stählen, die herkömmlicherweise für einsatzgehärtete Zahnräder verwendet werden.

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zur Erläute rung benutzt worden sind, ist dem Durchschnittsfachmann ge läufig, daß verschiedene Änderungen, Zufügungen und Substitu tionen möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung und den Erfindungsgedanken, wie er in den Ansprüchen offenbart ist, zu verlassen.

Tabelle 1

Claims

1. Borstahl bestehend aus 0.18 bis 0.35 Gew.% C, 0.06 bis 0.15 Gew.% Si, 0.50 bis 1.00 Gew.% Mn, 0.40 bis 0.90 Gew.% Cr, 0.01 bis 0.05 Gew.% Al, 0.01 bis 0.04 Gew.% Ti, nicht mehr als 0.012 Gew.% N, nicht mehr als 0.003 Gew.% O, 0.0005 bis 0.0030 Gew.% B und Rest Fe und bei der Stahlherstellung unvermeidliche Verunreinigungen, mit einem Verhältnis von Ti zu N von 3.4 bis 6.0.

2. Stahl nach Anspruch 1, in dem die oxidierte Oberflächen schicht durch 0.09 bis 0.15 Gew.% Si auf weniger als 10 µm reduziert ist.

3. Stahl nach Anspruch 1, in dem die oxidierte Oberflächen schicht durch 0.50 bis 1.00 Gew.% Mn auf weniger als 10 µm reduziert ist.

4. Stahl nach Anspruch 1, in dem die oxidierte Oberflächen schicht durch 0.40 bis 0.90 Gew.% Cr auf weniger als 10 µm reduziert ist.

5. Stahl nach Anspruch 1, in dem 0.02 bis 0.03 Gew.% Al, 0.02 bis 0.03 Gew.% Ti, weniger als 0.010 Gew.% N, weni ger als 0.0025 Gew.% 0, 0.0015 bis 0.0025 Gew.% B und Rest Eisen mit bei der Stahlherstellung unvermeidlichen Verunreinigungen enthalten ist, wobei das Verhältnis von Ti zu N zwischen 3.4 und 6.0 liegt.