DE60318495T2

DE60318495T2 - Federstahl mit verbesserten abschreckeigenschaften und verbesserter lochfrasskorrosionsbeständigkeit

Info

Publication number: DE60318495T2
Application number: DE60318495T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Utsunomiya-shi FUKUZUMI; Hidenori Utsunomiya-shi HIROMATSU; Motoyuki Sato; Ryo Ichihara-shi HARA
Original assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: US20110041962A1; RU2293785C2; CN1318628C; CA2486731A1; US20120205013A1; DE60318495D1; US20050217766A1; EP1577411A4; US7850794B2; JP3763573B2; EP1577411B1; KR100607333B1; ATE382718T1; EP1577411A1; RU2005116987A; JP2004169142A; KR20050008820A; WO2004046405A1; US8197614B2; CN1692173A

Description

BEREICH DER TECHNIK
Diese Erfindung betrifft einen Federstahl mit verbesserter Härtbarkeit und Lochfraßbeständigkeit, gekoppelt mit einer hohen Zähigkeit von mindestens 40 J/cm², ausgedrückt als Schlagzähigkeitswert, und einer hohen Festigkeit von mindestens 1700 MPa, ausgedrückt als Zugfestigkeit, sogar in einer korrosiven Umgebung, wenn er für Tragfedern und Blattfedern oder dergleichen in Automobilen oder für Federn, welche in verschiedenen Typen von industriellen Maschinen verwendet werden, und so weiter verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
Der in der Vergangenheit für Tragfedern, Blattfedern und so weiter in Automobilen oder in verschiedenen Typen von industriellen Maschinen und so weiter verwendete Federstahl war hauptsächlich JIS SUP11, SUP10, SUP9, SUP6 und ein Stahläquivalent zu diesen, aber der Trend zu Gewichtsverringerung bei Automobilen in den letzten Jahren machte es immer wichtiger, das Gewicht der Federn selbst, welche Tragvorrichtungen sind, zu verringern.
Es gab einen Bedarf für eine höhere Konstruktionsbeanspruchung für diesen Zweck und für die Entwicklung eines Federstahls für hohe Beanspruchung, welcher diese hohen Beanspruchungen befriedigen kann. Darüber hinaus ist der Bedarf für eine höhere Härte besonders bei Tragfedern mit großem Durchmesser mit einem Durchmesser von 30 mm oder mehr und dicken Blattfedern mit einer Dicke von 30 mm oder mehr hoch, und man nimmt an, dass dies zu einer Abnahme des Schlagzähigkeitswerts und zu Federbruch führt. Es ist bekannt, dass eine höhere Federbeanspruchung die Empfindlichkeit für Wasserstoff-Versprödungsrissbildung und die Ermüdungsbeständigkeit, bei welcher Lochfraß auftritt, in einer korrosiven Umgebung erhöht.
Es gibt verschiedene Stahltypen, in welchen die Wasserstoff-Versprödungsbeständigkeit durch eine Erhöhung der Grenzlastspielzahl des Federstahls erhöht wird (siehe zum Beispiel die Japanische Patentveröffentlichung 2001-234277 ), aber bisher wurde noch kein Stahl entwickelt, der hohe Beanspruchung mit hoher Zähigkeit kombiniert, wie in der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des vorstehenden Standes der Technik ersonnen und stellt einen Federstahl bereit, welcher eine ausgezeichnete Hartbarkeit aufweist, in einer korrosiven Umgebung wenig Lochfraß unterliegt und eine höhere Festigkeit und Zähigkeit aufweist, sogar bei Tragfedern mit großem Durchmesser mit einem Durchmesser von 30 mm oder mehr und dicken Blattfedern mit einer Dicke von 30 mm oder mehr.
EP 0 461 652 offenbart eine Blattfederschlauchschelle mit kleiner Dicke und verbesserter Beständigkeit gegen Sprödbruch. Dieses Problem wird durch Formen eines einheitlichen Zwischenstufengefüges in dem Stahl durch Austempern gelöst.
EP 0 943 697 offenbart einen Federstahl mit hoher Zähigkeit und mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1500 MPa. Dieser Stahl enthält beträchtliche Mengen an Si zur Sicherstellung der Festigkeit, Härte und Beständigkeit zum Setzen von Federn.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Federstahl mit verbesserter Härtbarkeit und Lochfraßbeständigkeit, umfassend in Massenprozent 0,40 bis 0,70% Kohlenstoff, 0,05 bis 0,50% Silizium, 0,60 bis 1,00% Mangan, 1,00 bis 2,00% Chrom, 0,010 bis 0,050% Niobium, 0,005 bis 0,050% Aluminium, 0,0045 bis 0,0100% Stickstoff, 0,005 bis 0,050% Titan, 0,0005 bis 0,0060% Bor, nicht mehr als 0,015% Phosphor und nicht mehr als 0,010% Schwefel, und gegebenenfalls ferner,

a) 0,05 bis 0,40% Vanadium,
b) 0,05 bis 0,40% Vanadium und 0,05 bis 0,06% Molybdän,
c) eines oder mehr von 0,05 bis 0,30% Nickel, 0,10 bis 0,50% Kupfer und 0,005 bis 0,05% Antimon oder
d) eines oder mehr von 0,05 bis 0,60% Molybdän und 0,05 bis 0,40% Vanadium und eines oder mehr von 0,05 bis 0,30% Nickel, 0,10 bis 0,50% Kupfer und 0,005 bis 0,05% Antimon,

²

Die Gründe für die Spezifizierung der Komponenten wie in der vorliegenden Erfindung sind nachstehend erörtert. Alle Prozentangaben sind auf die Masse bezogen.
C: Kohlenstoff ist ein Element, welches bei der Erhöhung der Festigkeit von Stahl wirksam ist, aber die Festigkeit, welche für Federstahl erforderlich ist, wird nicht erhalten, wenn der Gehalt nieder als 0,40% ist, wogegen die Feder zu spröde ist, wenn der Gehalt über 0,70% liegt, so dass der Bereich auf 0,40 bis 0,70% festgelegt ist.
Si: Dies ist als ein Desoxidationselement wichtig, und der Siliziumgehalt muss mindestens 0,05% sein, um eine angemessene Desoxidationswirkung zu erhalten, aber es gibt eine ausgeprägte Zunahme der Zähigkeit, wenn der Gehalt über 0,50% liegt, so dass der Bereich auf 0,05 bis 0,50% festgelegt ist.
Mn: Mangan ist ein Element, welches beim Erhöhen der Härtbarkeit von Stahl wirksam ist, und der Gehalt muss mindestens 0,60%, bezogen sowohl auf die Härtbarkeit als auch auf die Festigkeit des Federstahls, betragen, aber die Zähigkeit ist beeinträchtigt, wenn der Gehalt über 1,00% liegt, so dass der Bereich auf 0,60 bis 1,00% festgelegt ist.
Cr: Chrom ist ein Element, welches beim Erhöhen der Lochfraßbeständigkeit und Erhöhen der Festigkeit des Stahls wirksam ist, aber die erforderliche Festigkeit wird nicht erhalten, wenn der Gehalt niedriger als 1,00% ist, wogegen die Zähigkeit leidet, wenn der Gehalt über 2,00% liegt, so dass der Bereich auf 1,00 bis 2,00% festgelegt ist.
Nb: Niobium ist ein Element, welches die Festigkeit und Zähigkeit von Stahl durch eine Verringerung der Größe der Kristallkörner und Fällung von feinen Carbiden erhöht, aber diese Wirkung wird nicht angemessen realisiert, wenn der Gehalt weniger als 0,010% beträgt, wogegen, wenn der Gehalt über 0,050% liegt, Carbid, welches sich nicht in Austenit Rist, übermäßig zunimmt und die Federcharakteristika verschlechtert, so dass der Bereich auf 0,010 bis 0,050% festgelegt ist.
Al: Aluminium ist ein Element, welches notwendig ist, um die Austenit-Korngröße einzustellen und als ein Desoxidationsmittel, und die Kristallkörner werden nicht feiner sein, wenn der Gehalt unter 0,005% liegt, aber das Gießen neigt dazu, schwieriger zu sein, wenn der Gehalt über 0,050% liegt, so dass der Bereich auf 0,005 bis 0,050% festgelegt ist.
N: Stickstoff ist ein Element, welches mit Aluminium und Niobium bindet, wobei AlN und NbN gebildet werden, wobei dies in einer feineren Austenit-Korngröße resultiert, und zu einer besseren Zähigkeit durch diese Zunahme der Feinheit beiträgt. Um diese Wirkung zu erreichen, muss der Gehalt mindestens 0,0045% sein. Jedoch ist es besser, Bor zuzugeben und die verwendete Menge an Stickstoff zu minimieren, um einen Anstieg der Härtbarkeit zu erreichen, und das Zugeben einer übermäßigen Menge führt zur Erzeugung von Blasen auf der Barrenoberfläche während der Verfestigung und zu Stahl, welcher sich auch nicht zum Gießen eignet. Um diese Probleme zu vermeiden, muss die obere Grenze bei 0,0100% festgelegt werden, so dass der Bereich auf 0,0045 bis 0,0100% festgelegt ist.
Ti: Dieses Element wird zugegeben, um zu verhindern, dass der Stickstoff in dem Stahl mit Bor bindet (nachstehend erörtert) und BN bildet, wobei dies eine Abnahme der Wirkung, welche Bor bei der Verbesserung der Lochfraßbeständigkeit, Verstärkung der Korngrenze und Erhöhung der Härtbarkeit aufweist, verhindert. Dies wird nicht geschehen, wenn der Titangehalt niedriger als 0,005% ist, aber wenn die zugegebene Menge zu groß ist, kann dies in der Herstellung von großem TiN resultieren, welches eine Stelle von Ermüdungsbruch werden kann, so dass die obere Grenze 0,050% ist und der Bereich auf 0,005 bis 0,050% festgelegt ist.
B: Bor verbessert die Lochfraßbeständigkeit und verstärkt auch die Korngrenze durch Fällen als eine feste Lösung nahe der Korngrenze. Diese Wirkung wird nicht angemessen realisiert, wenn der Gehalt niedriger als 0,0005% ist, aber es wird keine weitere Verbesse rung geben, wenn 0,0060% überstiegen wird, so dass der Bereich auf 0,0005 bis 0,0060% festgelegt ist.
P: Dieses Element erniedrigt den Schlagzähigkeitswert durch Fällen an der Austenit-Korngrenze und macht diese Grenze spröder, und dieses Problem wird ausgeprägt, wenn der Phosphorgehalt über 0,015% liegt, so dass der Bereich auf nicht mehr als 0,015% festgelegt ist.
S: Schwefel ist in Stahl als ein MnS-Einschluss vorhanden und ist eine Ursache für eine erniedrigte Grenzlastspielzahl. Um solche Einschlüsse zu verringern, muss die obere Grenze deshalb auf 0,010% festgelegt werden, so dass der Bereich auf nicht mehr als 0,010% festgelegt ist.
Vorstehendes (2) gilt für einen Fall, in welchen eine dicke Tragfeder oder Blattfeder einbezogen ist, und die Gründe für die Spezifierung der Molybdän- und Vanadiumgehalte sind wie folgt.
Mo: Molybdän ist ein Element, welches die Härtbarkeit sicherstellt und die Festigkeit und Zähigkeit des Stahls erhöht, aber diese Wirkungen sind nicht angemessen, wenn der Gehalt weniger als 0,05% beträgt, wogegen keine weitere Verbesserung durch Überschreiten von 0,60% erreicht wird, so dass der Bereich auf 0,05 bis 0,60% festgelegt ist.
V: Vanadium ist ein Element, welches die Festigkeit und Härtbarkeit von Stahl erhöht, aber die Wirkung ist nicht angemessen, wenn der Gehalt niedriger als 0,05% ist, wogegen, wenn der Gehalt über 0,40% liegt, Carbid, welches sich nicht in Austenit löst, übermäßig zunimmt und die Federcharakteristika verschlechtert, so dass der Bereich auf 0,05 bis 0,40% festgelegt ist.
Vorstehendes (3) gilt für einen Fall, in welchem die Korrosionsbeständigkeit noch weiter erhöht werden muss, und die Gründe für die Spezifierung der Nickel-, Kupfer- und Antimongehalte sind wie folgt.
Ni: Nickel ist ein Element, welches zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit von Stahl erforderlich ist, aber die Wirkung ist nicht angemessen, wenn der Gehalt niedriger als 0,05% ist, wogegen die obere Grenze wegen der hohen Kosten dieses Materials auf 0,30% festgelegt wird, so dass der Bereich auf 0,05 bis 0,30% festgelegt ist.
Cu: Kupfer erhöht die Korrosionsbeständigkeit, aber seine Wirkung wird nicht auftreten, wenn der Gehalt niedriger als 0,10% ist, wogegen Probleme, wie Rissbildung, während Heißwalzen auftreten, wenn der Gehalt über 0,50% liegt, so dass der Bereich auf 0,10 bis 0,50% festgelegt ist.
Sb: Antimon erhöht die Korrosionsbeständigkeit, aber seine wird nicht auftreten, wenn der Gehalt niedriger als 0,005% ist, wogegen die Zähigkeit abnimmt, wenn der Gehalt über 0,05% liegt, so dass der Bereich auf 0,005 bis 0,050% festgelegt ist.
In der vorliegenden Erfindung werden Kohlenstoff Nickel, Chrom, Molybdän, Bor, Kupfer, Vanadium und Antimon als die Komponenten zum Erhöhen der Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit verwendet, und der Parameter Fce = C% + 0,15 Mn% + 0,41 Ni% + 0,83 Cr% + 0,22 Mo% + 0,63 Cu% + 0,40 V% + 1,36 Sb% + 121 B% wird eingeführt, um die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit wirksam zu erhöhen. Die Verwendung des Antilochfraßfaktors der vorliegenden Erfindung ermöglicht ein Komponentendesign.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Federstahl bereit, in welchem die vorstehend erwähnten Elemente innerhalb der spezifizierten Zusammensetzungsbereiche vorhanden sind, was in hervorragender Härtbarkeit und wenig Lochfraß sogar in korrosiven Umgebungen resultiert, und es resultiert auch in niedrigerem Gewicht und höherer Beanspruchung und Zähigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph der Testergebnisse für (a) die Zugfestigkeit und (b) den Schlagzähigkeitswert des erfindungsgemäßen Stahls und von Vergleichsstahl.
2 ist ein Diagramm des Geräts, welches zum Messen des Lochfraßpotentials an einer Polarisationskurve verwendet wurde.
3 ist ein Graph eines Beispiels einer Messung mit dem Gerät zur Messung des Lochfraßpotentials.
BESTE WEISE ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter durch spezielle Beispiele beschrieben. Tabelle 1 zeigt die chemischen Komponenten in den Schmelzen eines aktuellen Ofens für die Stähle der vorliegenden Erfindung und für Vergleichsstähle, welche für einen Vergleich verwendet werden. Diese Stähle in dem aktuellen Ofen (Elektroofen) werden zu Rundmaterial mit einem Durchmesser von 20 mm gewalzt und werden mit den herkömmlichen Stählen verglichen.
Diese Stäbe wurden wie folgt wärmebehandelt, worauf Zug- und Schlagzähigkeitsprüfkörper hergestellt wurden.
Prüfkörpergestalt und -größe

Zugprüfkörper: d = 5 mm Ø
Schlagzähigkeitsprüfkörper: JIS Nr. 3

Wärmebehandlungsbedingungen

Abschrecken: 20 Minuten bei 950°C, gefolgt von Abschrecken mit Öl
Tempern: 60 Minuten bei 400°C, gefolgt von Abschrecken mit Luft

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieser Tests. Die Austenit-Korngrößen in der Tabelle sind A. G. S.-Zahlen.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigte der erfindungsgemäße Stahl einen hohen Schlagzähigkeitswert von mindestens 40 J/cm² sogar bei einer Zugfestigkeit von 1700 MPa oder höher. Dies kann der Korngrenzenverstärkung und der Kristallkorngrößenverfeinerung zugeschrieben werden. Die 1(a) (Zugfestigkeit) und 1(b) (Schlagzähigkeitswert) zeigen die Ergebnisse eines Vergleichs der Temper-Leistungskurve von SUP10 als ein Vergleichsstahl mit der von Nr. 5 des erfindungsgemäßen Stahls 1, um die selbe Wirkung zu bestätigen. In diesen Graphen kann auch gesehen werden, dass der erfindungsgemäße Stahl einen höheren Zähigkeitswert als der Vergleichsstahl aufweist.
Um die Korrosionsbeständigkeit der vorliegenden Erfindung zu bestätigen wurde eine gesättigte Kalomelelektrode verwendet, um die Korrosionsbeständigkeit bei einer Stromdichte von 50 μA/cm² durch Messen der Polarisationscharakteristika bezogen auf das Lochfraßpotential zu bewerten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gegeben. Als Referenz ist das Gerät, welches zur Messung des Lochfraßpotentials an einer Polarisationskurve verwendet wurde, in 2 gezeigt. In dieser Figur ist 1 eine Probe, 2 ist eine Platinelektrode und 3 ist eine gesättigte Kalomelelektrode. 4 ist eine wässrige 5%ige NaCl-Lösung, ein Rohr 5 ist mit einer Stickstoff-Druckgasflasche verbunden, und der Sauerstoff (O) in der Lösung wird durch Entlüften für 30 Minuten und Stehenlassen der Lösung für 40 Minuten entfernt. 6 enthält gesättigte KCl. 7, 8 und 9 sind Leitungen, welche mit einem automatischen Polarisationsmessgerät verbunden sind. 3 ist ein Graph eines Messbeispiels. In 3 zeigt Stahl B ein höheres Potential als Stahl A, was zeigt, dass Stahl B eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Ein Vergleich der Lochfraßpotentiale in Tabelle 2 zeigt, dass der erfindungsgemäße Stahl näher am Aufweisen eines positiven Werts ist, das heißt, edler ist, wodurch der erfindungsgemäße Stahl eine bessere Korrosionsbeständigkeit als der Vergleichsstahl aufweist.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse eines Härtbarkeitstests, welcher gemäß JIS G 0561 durchgeführt wurde und als Jominy-Endabschreckverfahren bekannt ist. In einem Vergleich bei einem Abschreckabstand J von 30 mm zeigte der erfindungsgemäße Stahl einen höheren Wert als der Vergleichsstahl, und insbesondere der erfindungsgemäße Stahl 2, zu welchem Molybdän und Vanadium gegeben wurden, wies eine sehr hohe Härtbarkeit von HRC 60 bis 62 auf.
Um die bessere Korrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Stahls 3 zu bestätigen, enthüllt ein Vergleich der Lochfraßpotentiale in Tabelle 2, dass der erfindungsgemäße Stahl 3, zu welchem Nickel, Kupfer und Antimon gegeben wurden, näher am Aufweisen eines positiven Werts ist, das heißt, edler ist als die erfindungsgemäßen Stähle 1 und 2. Speziell zeigt dies, dass der erfindungsgemäße Stahl, zu welchem Nickel, Kupfer und Antimon gegeben wurden, eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweist als die erfindungsgemäßen Stähle 1 und 2.
INDUSTRIELLE VERWENDBARKEIT
Wie vorstehend beschrieben, weisen Federstähle gemäß der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Härtbarkeit auf, unterliegen weniger Lochfraß in einer korrosiven Umgebung und weisen eine höhere Zugfestigkeit und Zähigkeit auf, was zum Verringern des Gewichts einer Feder beiträgt.

Claims

Federstahl mit verbesserter Härtbarkeit und Lochfraßbeständigkeit, bestehend in Massenprozent aus 0,40 bis 0,70% Kohlenstoff, 0,05 bis 0,50% Silizium, 0,60 bis 1,00% Mangan, 1,00 bis 2,00% Chrom, 0,010 bis 0,050% Niobium, 0,005 bis 0,050% Aluminium, 0,0045 bis 0,0100% Stickstoff, 0,005 bis 0,050% Titan, 0,0005 bis 0,0060% Bor, nicht mehr als 0,015% Phosphor und nicht mehr als 0,010% Schwefel, und gegebenenfalls ferner, a) 0,05 bis 0,40% Vanadium oder b) 0,05 bis 0,40% Vanadium und 0,05 bis 0,60% Molybdän oder c) eines oder mehr von 0,05 bis 0,30% Nickel, 0,10 bis 0,50% Kupfer und 0,005 bis 0,05% Antimon oder d) eines oder mehr von 0,05 bis 0,60% Molybdän und 0,05 bis 0,40% Vanadium und eines oder mehr von 0,05 bis 0,30% Nickel, 0,10 bis 0,50% Kupfer und 0,005 bis 0,05% Antimon, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen zusammengesetzt ist, wobei der Stahl eine Zugfestigkeit von mindestens 1700 MPa (mindestens 49 HRC) bei 400°C-Tempern nach Abschrecken und einen Schlagzähigkeitswert nach Charpy von mindestens 40 J/cm² für einen 2 mm U-Kerbprüfkörper JIS Nr. 3, wobei der Parameter Fce = C% + 0,15 Mn% + 0,41 Ni% + 0,83 Cr% + 0,22 Mo% + 0,63 Cu% + 0,40 V% + 1,36 Sb% + 121 B% mindestens 1,70 beträgt, aufweist.