DE60129350T2 - Verfahren zur herstellung eines bands oder eines aus einem kaltgewalzten band aus martensitaushärtendem stahl ausgeschnittenen werkstücks - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen zur Herstellung von Teilen, die eine sehr hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen müssen, besonders geeigneten Maraging-Stahl.
  • Viele Teile werden aus Bändern aus Maraging-Stahl hergestellt, der in Gewichtsprozent ausgedrückt ungefähr 18% Nickel, 9% Kobalt, 5% Molybdän, 0,5% Titan und 0,1% Aluminium enthält und der so behandelt wurde, dass er eine Streckgrenze von mehr als 1800 MPa aufweist. Die Bänder selbst werden durch Warm- und Kaltwalzen hergestellt. Die Bänder bzw. die aus den Bändern gestanzten Teile werden anschließend durch Vergütung bei einer Temperatur um 500°C gehärtet. Zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit werden die Teile gegebenenfalls durch Nitrieren oberflächlich gehärtet. Jedoch ist die Widerstandsfähigkeit dieser Teile gegen Ermüdung unzureichend.
  • Zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit der Teile wurde der Einsatz von Maraging-Stahl mit anderen chemischen Zusammensetzungen und mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Maraging-Stähle mit 18% Nickel, 12% Kobalt, 4% Molybdän, 1,6% Titan und 0,2% Aluminium bzw. Maraging-Stähle mit 18% Nickel, 3% Molybdän, 1,4% Titan und 0,1% Aluminium bzw. Maraging-Stähle mit 13% Chrom, 8% Nickel, 2% Molybdän und 1% Aluminium, in Betracht gezogen. Jedoch brachte keiner dieser Stähle zufrieden stellende Ergebnisse, denn die Ermüdungsfestigkeit war weiterhin geringer als diejenige der aus herkömmlichem Stahl hergestellten Teile.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, diesen Nachteil zu beseitigen und ein Band oder ein Teil aus Maraging-Stahl mit verbesserter Ermüdungsfestigkeit anzugeben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes oder eines Teils, das aus einem kalt gewalzten Maraging-Stahlband gestanzt ist, zum Gegenstand. Bei diesem Verfahren wird das Band oder das Teil vor der Vergütung einer plastischen Kaltverformung mit einem Härtungsgrad von mehr als 30% unterzogen wird und das Band bzw. das Teil einer Rekristallisationsglühung unterzogen, um eine Feinkorngröße von mehr als 8 nach ASTM-Standard zu erzielen, mit folgender chemischen Zusammensetzung des Stahls in Gewichtsprozent:
    12% ≤ Ni ≤ 24,5%
    2,5% ≤ Mo ≤ 12%
    4,17% ≤ Co ≤ 20%
    Al ≤ 0,15%
    Ti ≤ 0,1%
    N ≤ 0,003%
    Si ≤ 0,1%
    Mn ≤ 0,1%
    C ≤ 0,005%
    S ≤ 0,001%
    P ≤ 0,005%
    H ≤ 0,0003%
    O ≤ 0,001%,
    mit einem Restgehalt an Eisen und Verunreinigungen aus dem Verarbeitungsprozess, wobei die chemische Zusammensetzung zudem folgenden Gleichungen genügt:
    20% ≤ Ni + Mo ≤ 27%
    50 ≤ Co × Mo ≤ 200
    Ti × N ≤ 2 ≤ 10–4
  • Nach dem Rekristallisationsglühen kann das Band oder das Teil mit einer Stichabnahme zwischen 1% und 10% kalt gewalzt werden.
  • Vorzugsweise wird der Maraging-Stahl im VAR-Verfahren im Vakuum umgeschmolzen oder ein erstes Mal im VAR-Verfahren im Vakuum oder im ESU-Verfahren in Elektro-Schlacke und ein zweites Mal im VAR-Verfahren im Vakuum umgeschmolzen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Band oder ein Teil mit weniger als 1 mm Dicke aus Maraging-Stahl, der eine Feinkorngröße von mehr als 8 nach ASTM-Standard und nach dem Härten eine Streckgrenze von mehr als 1850 MPa aufweist.
  • Aus dem auf diese Weise erhaltenen Band oder Teil können Teile wie hergestellt werden. Diese Teile werden durch 1- bis 10-ständiges Halten bei einer Temperatur zwischen 450 und 550°C gehärtet und anschließend gegebenenfalls oberflächlich nitriert.
  • Die Erfindung wird im Folgenden näher jedoch nicht einschränkend beschrieben.
  • Zur erfindungsgemäßen Herstellung eines kalt gewalzten Bandes aus Maraging-Stahl wird Stahl mit weniger als 0,005% Kohlenstoffgehalt erschmolzen und anschließend mit Aluminium desoxydiert.
  • Der auf diese Weise erschmolzene Stahl wird zu Umschmelz-Elektroden vergossen. Diese Elektroden werden entweder unter Vakuum (mit dem an sich bekannten VAR-Verfahren „Vakuum Arc Remelting") zu Rohblöcken oder Grammen umgeschmolzen oder ein erstes Mal unter Vakuum (VAR) oder in Elektroschlacke (mit dem an sich bekannten ESU- oder ESR-Verfahren „Electro Slag Remelting) zu zweiten Elektroden umgeschmolzen, die wiederum unter Vakuum (VAR) zu Rohblöcken oder Grammen umgeschmolzen werden. Es erfolgt demnach entweder ein einfaches VAR-Umschmelzen oder ein zweifaches VAR- + VAR- oder ESR- + VAR-Umschmelzen. Durch diese Umschmelzvorgänge wird das Metall gereinigt und die Qualität der Verfestigung durch verringerte Seigerungen verbessert. Insbesondere kann durch das ESR-Umschmelzen der Schwefelgehalt gesenkt und durch das VAR-Umschmelzen der Stickstoff- und Wasserstoffgehalt verringert werden.
  • Die Rohblöcke oder Grammen werden dann nach Erhitzung auf ungefähr 1200°C, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 1150°C und 1250°C, warm gewalzt, um warm gewalzte, wenige Millimeter dicke, beispielsweise ungefähr 4,5 mm dicke Bänder zu erhalten.
  • Die warm gewalzten Bänder werden gebeizt und anschließend kalt gewalzt und einmal oder mehrmals im Rekristallisationsbereich geglüht, um kalt gewalzte Bänder von weniger als 1 mm Dicke, beispielsweise von 0,4 mm oder 0,2 mm Dicke zu erzielen.
  • Das letzte Zwischenglühen im Rekristallisationsbereich erfolgt bei einer Dicke, bei der das kalt gewalzte Band einen Härtungsgrad von mehr als 30%, vorzugsweise von mehr als 40% aufweist.
  • Das auf diese Weise gehärtete Band wird geglüht, zum Beispiel im Durchlaufofen, um eine Feinkorngröße von mehr als 8 nach ASTM-Standard (entspricht einem durchschnittlichen Korndurchmesser von weniger als 20 Mikron), vorzugsweise von mehr als 10 (entspricht einem durchschnittlichen Korndurchmesser von weniger als 10 Mikron) zu erzielen, wobei die Korngröße nach ASTM-Standard E112 bestimmt wird.
  • Das Glühen zur Erzielung einer Feinkorngröße erfolgt unter Schutzatmosphäre durch entsprechendes Anpassen der Parameter Temperatur und Dauer. Diese Parameter sind von den besonderen, bei der Vergütung herrschenden Bedingungen abhängig, und der Fachmann weiß wie er diese Parameter je nach Fall bestimmen kann. Bei einer Durchlaufglühanlage beträgt die Dauer (d.h. die Verweilzeit einer beliebigen Stelle des Bandes im Ofen) zwischen 10 s und 1 Minute, und die Solltemperatur des Ofens liegt zwischen 900°C und 1100°C; die Ofenatmosphäre kann Argon sein mit einer Taupunkttemperatur von vorzugsweise weniger als – 50°C.
  • Zur Verbesserung der Planheft des Bandes und gegebenenfalls zur vollständigen Martensitumwandlung kann das Band zudem mit einer Stichabnahme zwischen 1% und 10% leicht kalt gewalzt werden, wodurch sich ein Härtungsgrad gleichen Grades ergibt.
  • Aus dem Band kann dann ein Teil ausgestanzt und beispielsweise durch Biegen geformt werden. Anschließend kann es durch Halten 1 bis 10 Stunden lang bei einer Temperatur von 450°C bis 550°C vergütet werden. Hierbei ist zu bemerken, dass bei einer Vergütungstemperatur im oberen Teil des Temperaturbereiches (500 bis 550°C) die Zähigkeit verbessert und die Streckgrenze leicht herabgesetzt wird.
  • Die Vergütung kann auch im Durchlaufofen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 700°C während einer Dauer zwischen 30 Sekunden und 3 Minuten erfolgen.
  • Dabei enthält man ein Teil, das aus einem Metall mit einer hohen Streckgrenze und einer ausgezeichneten Ermüdungsfestigkeit besteht.
  • Während der Vergütung oder danach kann das Teil durch Nitrieren, d.h. durch Halten einige Stunden lang im Bereich von 500°C in einem stickstoffreichen reaktionsfähigen Gasgemisch, oberflächlich gehärtet werden.
  • Alternativ können die Rohlinge aus kalt gewalzten Bändern, deren Dicke größer ist als die für die Teile angestrebte Enddicke, ausgestanzt werden. Die Rohlinge werden geformt, gegebenenfalls geschweißt und dann auf die Enddicke kalt gewalzt, sodass der Härtungsgrad mehr als 30 vorteilhafterweise mehr als 40% beträgt. Die Teile werden anschließend unter den vorgenannten Bedingungen geglüht, um eine Feinkorngroße nach ASTM von mehr als 8, vorteilhafterweise von mehr als 10 zu erzielen, und dann wie oben beschrieben vergütet. Die dabei erzielte Streckgrenze ist hoch und die Ermüdungsfestigkeit ausgezeichnet.
  • Es können auch Teile durch Schneiden, beispielsweise durch chemisches Schneiden, aus gehärteten Bändern hergestellt werden. Das gesamte Verfahren, einschließlich Vergütung, kommt dann bei dem Band zur Anwendung. Diese Teile sind beispielsweise Trägergitter für gedruckte Schaltungen.
  • Der vorzugsweise zur Erzielung sehr guter Dauerfestigkeitseigenschaften und einer Streckgrenze von mehr als 1850 Pa eingesetzte Maraging-Stahl enthält insbesondere, in Gewichtsprozent ausgedrückt:
    • – zwischen 12% und 24,5 Nickel,
    • – zwischen 2,5% und 12 % Molybdän,
    • – zwischen 4,17 und 20% Kobalt,
    mit einem Restgehalt an Eisen und Verunreinigen aus dem Verarbeitungsprozess.
  • Um nach der Vergütung eine Ms-Temperatur (Beginn der Martensitumwandlung) um 200°C zu erzielen, müssen die Nickel- und Molybdän-Gehalte so sein, dass 20% ≤ Ni + Mo ≤ 27%, vorzugsweise 22% ≤ Ni + Mo ≤ 25%.
  • Um nach der Vergütung eine Streckgrenze von mehr als 1850 MPa zu erzielen, müssen die Kobalt – und Molybdän-Gehalte so sein, dass Co × Mo ≥ 50, vorzugsweise Co × Mo ≥ 70. Je höher das Produkt, desto höher ist auch die Streckgrenze. Um jedoch eine ausreichende Zähigkeit zu erzielen müssen die Kobalt- und Molybdän-Gehalte so sein, dass Co × Mo ≤ 200, vorzugsweise Co × Mo ≤ 120. Diese Werte entsprechen jeweils Streckgrenzen von weniger als ungefähr 3000 MPa und 2500 MPa.
  • Das Molybdän wirkt sich günstig auf die Oberflächenhärtung durch Nitrieren aus. Um eine gute Härtung zu erzielen, muss der Molybdängehalt höher sein als 4%, vorzugsweise höher als 6%. Er sollte jedoch vorzugsweise unter 8% liegen, um die Seigerungsprobleme zu reduzieren und die Warmumwandlungsprozesse zu erleichtern sowie um die Zähigkeit des Endproduktes zu verbessern. Es können zwei bevorzugte Bereiche von Molybdängehalten definiert werden:
    • – 4,17 bis 6 % Mo, was Produkten entspricht, die eine sehr gute Warm- und Kaltumwandlungsfähigkeit sowie einen sehr guten Kompromiss zwischen hoher Streckgrenze und guter Duktilität und Zähigkeit aufweisen.
    • – 6,8 bis 8 % Mo, was Stählen mit sehr hoher Streckgrenze oder aufgrund des niedrigen Kobaltgehaltes wirtschaftlicheren Stählen entspricht.
  • Durch Kombinieren dieser Voraussetzungen können die folgenden bevorzugten Zusammensetzungsbereiche für die Hauptelemente definiert werden:
    • 1) Zum Erzielen einer Streckgrenze von mehr als 1850 MPa und einer durchschnittlichen Nitrierhärtbarkeit: 17% ≤ Ni ≤ 20% 4,17% ≤ Mo ≤ 6% 13% ≤ Co ≤ 17% 20% ≤ Ni + Mo ≤ 27% Co × Mo ≥ 50%
    • 2) Zum Erzielen einer Streckgrenze von mehr als 1850 MPa und einer hohen Nitrierhärtbarkeit: 15% ≤ Ni ≤ 17% 6% ≤ Mo ≤ 8% 8,75% ≤ Co ≤ 13% 20% ≤ Ni + Mo ≤ 27% Co × Mo ≥ 50
    • 3) Zum Erzielen einer Streckgrenze von mehr als 2000 MPa und einer günstigeren Ms-Temperatur: 15% ≤ Ni ≤ 21% 4,17% ≤ Mo ≤ 8% 8,75% ≤ Co ≤ 17,5% 22% ≤ Ni + Mo ≤ 25% Co × Mo ≥ 70
    • 4) Zum Erzielen einer Streckgrenze von mehr als 2000 MPa und einer günstigeren Ms-Temperatur und einer durchschnittlichen Nitrierhärtbarkeit: 17% ≤ Ni ≤ 20% 4% ≤ Mo ≤ 6% 13% ≤ Co ≤ 17,5% 22% ≤ Ni + Mo ≤ 25% Co × Mo ≥ 70
    • 5) Zum Erzielen einer Streckgrenze von mehr als 2000 MPa und einer günstigeren Ms-Temperatur und einer hohen Nitrierhärtbarkeit: 15% ≤ Ni ≤ 17% 6% ≤ Mo ≤ 8% 8,75% ≤ Co ≤ 13% 22% ≤ Ni + Mo ≤ 25% Co × Mo ≥ 70
  • Neben den Hauptelementen mit den vorbeschriebenen Zusammensetzungsbereichen müssen die Restbestandteile streng überwacht werden, um gute Zähigkeits- und Dauerfestigkeitseigenschaften zu erzielen. Die Grenzwerte dabei sind folgende:
    Al ≤ 0,15%
    Ti ≤ 0,1%
    N ≤ 0,003%
    Si ≤ 0,1%
    Mn ≤ 0,1%
    C ≤ 0,005%
    S ≤ 0,001%
    P ≤ 0,005%
    H ≤ 0,0003%
    O ≤ 0,001%,
  • Bei jedem dieser Elemente kann der Mindestgehalt 0% oder Spuren betragen. Zudem müssen die Stickstoff- und Titangehalte zum Erzielen einer verbesserten Ermüdungsfestigkeit von Riemen so sein, dass Ti × N ≤ 2 × 10–4, vorzugsweise ≤ 1 × 10–4
  • Beispiels- und vergleichsweise wurden Maraging-Stahlbänder mit folgender Zusammensetzung hergestellt: Ni = 18,1% Co = 16,2% Mo = 5,3% Al = 0,020% Ti = 0,013% Si = 0,03% Mn = 0,03% C = 0,003% Ca < 0,0005% S = 0,0007% P = 0,002 N = 0,0023% O < 0,001% H < 0,0001% mit einem Restgehalt an Eisen und Verunreinigen. Bei den Verunreinigungen handelt es sich insbesondere um Kupfer und Chrom mit folgenden Gehalten: Cu = 0,07% und Cr = 0,06%. Bei diesem Schmelzvorgang beträgt die Martensitumwandlungstemperatur Ms +195°C.
  • Die Bänder wurden auf 0,4mm Dicke bei einem Endhärtungsgrad von 70% kalt gewalzt.
  • Ein erstes Band A beispielsweise wurde im Durchlaufofen unter Wasserstoffatmosphäre bei 1020°C eine Minute lang geglüht, um eine Feinkorngröße von 11 nach ASTM zu erzielen, und durch Halten auf 490°C während 3 Stunden gehärtet.
  • Ein zweites Band B beispielsweise wurde im Durchlaufofen bei 1150°C eine Minute lang geglüht, um eine Grobkorngröße von 7 nach ASTM zu erzielen, und durch Halten auf 490°C während 3 Stunden gehärtet.
  • Vergleichende Dauerfestigkeitsversuche wurden bei den Bändern A und B durch schwingende Zugbeanspruchung bei 25 Hertz und einer Höchstbelastung von 750MPa und einer Mindestbelastung 75 MPa.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Band A war die Ermüdungsgrenze höher als 8 × 108 Schwingspiele, während bei Band B die Ermüdungsgrenze bei 5 × 108 Schwingspielen lag. Diese Ergebnisse veranschaulichen die Bedeutung einer feinen Korngröße bei der Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit dieser Bänder.
  • Bei beiden Bänder A und B war die Streckgrenze höher als 1850 MPa.
  • Zur Veranschaulichung der besonderen Bedeutung, die der bevorzugten chemischen Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Maraging-Stahls zukommt wurde weiterhin ein Maraging-Stahlband mit 18% Nickel, 9% Kobalt, 5% Molybdän, 0,5% Titan und 0,1% Aluminium hergestellt. Das Band wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, die Korngröße betrug 10 nach ASTM und die Streckgrenze lag bei 1910 MPa. Die unter den gleichen Versuchsbedingungen wie im vorbeschriebenen Fall gemessene Ermüdungsgrenze betrug 2 × 108 Schwingspiele.
  • Diese Bänder werden vorzugsweise zur Herstellung von Riemen oder jedes anderen Produktes wie Trägergitter für integrierte Schaltungen eingesetzt.
  • Beispielsweise wurden mit erfindungsgemäßen Bändern Antriebsriemen für Verbrennungsmotoren hergestellt, deren Stege von Ringen gehalten werden, die aus schmalen erfindungsgemäßen Bändern hergestellt und deren Enden verschweißt sind. Die Lebensdauer derartiger Riemen ist zehnmal höher als diejenige gleichartiger, aus Maraging-Stahlbändern nach dem Stand der Technik hergestellter Riemen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bandes oder eines Teils, das aus einem kalt gewalzten und durch Vergütung gehärteten Maraging-Stahlband gestanzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Band bzw. das Teil vor der Vergütung einer plastischen Kaltverformung mit einem Härtungsgrad von mehr als 30% unterzogen wird und das Band bzw. das Teil einer Rekristallisationsglühung unterzogen wird, um eine Feinkorngröße von mehr als 8 nach ASTM-Standard zu erzielen, mit folgender chemischen Zusammensetzung des Stahls in Gewichtsprozent: 12% ≤ Ni≤ 24,5% 2,5% ≤ Mo≤ 12% 4,17% ≤ Co 20% Al ≤ 0,15% Ti ≤ 0,1% N ≤ 0,003% Si ≤ 0,1% Mn ≤ 0,1% C ≤ 0,005% S ≤ 0,001% P ≤ 0,005% H ≤ 0,0003% O ≤ 0,001%, mit einem Restgehalt an Eisen und Verunreinigungen aus dem Verarbeitungsprozess, wobei die chemische Zusammensetzung zudem folgenden Gleichungen genügt: 20% ≤ Ni + Mo≤ 27% 50 ≤ Co × Mo≤ 200 Ti × N≤ 2 × 10–4
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Band bzw. das Teil nach dem Rekristalli sationsglühen mit einer Stichabnahme zwischen 1% und 10% kalt gewalzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maraging-Stahl im VAR-Verfahren im Vakuum umgeschmolzen oder ein erstes Mal im VAR-Verfahren im Vakuum oder im ESU-Verfahren in Elektro-Schlacke und ein zweites Mal im VAR-Verfahren im Vakuum umgeschmolzen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütung in einem Halten 1 bis 10 Stunden lang bei einer Temperatur von 450°C bis 550°C besteht.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Teils während der Vergütung oder danach durch Nitrieren gehärtet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergütung im Durchlaufofen bei einer Temperatur zwischen 600°C und 700°C während einer Zeitspanne von 30 Sekunden bis 3 Minuten erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vergütung die Oberfläche des Teils durch Nitrieren gehärtet wird.
  8. Band bzw. Teil von weniger als 1 mm Dicke aus Maraging-Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl, aus dem das Band bzw. das Teil gebildet ist, eine Feinkorngröße von mehr als 8 nach ASTM-Standard aufweist, und dass sich der Stahl in Gewichtsprozent wie folgt zusammensetzt: 12% ≤ Ni ≤ 24,5% 2,5% ≤ Mo ≤ 12% 4,17% ≤ Co ≤ 20% Al ≤ 0,15% Ti ≤ 0,1% N ≤ 0,003% Si ≤ 0,1% Mn ≤ 0,1% C ≤ 0,005% S ≤ 0,001% P ≤ 0,005% H ≤ 0,0003% O ≤ 0,001%, mit einem Restgehalt an Eisen und Verunreinigungen aus dem Verarbeitungsprozess, wobei die chemische Zusammensetzung zudem folgenden Gleichungen genügt: 20% ≤ Ni + Mo ≤ 27% 50 ≤ Co × Mo ≤ 200 Ti × N ≤ 2 × 10–4 wobei der Stahl nach dem Härten eine Streckgrenze von mehr als 1850 MPa aufweist.
  9. Antriebsriemen mit mindestens einem Band bzw. einem Teil nach Anspruch 8.
  10. Trägergitter für integrierte Schaltungen bestehend aus einem Teil nach Anspruch 1.
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