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Die Erfindung betrifft eine Verbesserung eines vorgehärteten
Stahls, der für die Herstellung von formen für Kunststoffgegenstände
verwendet wird.
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Bislang wurden Konstruktionsstähle im allgemeinen (beispielsweise
S55C) und Stähle mit mittlerem und niedrigem Kohlenstoffgehalt
(typischerweise SCM445) als Material für die Herstellung von formen für
Kunststoffgegenstände, insbesondere Spritzgußformen, verwendet, um relativ
großdimensionierte Formkörper herzustellen.
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Bei der Formproduktion, bei der diese Materialien eingesetzt
werden, sind die Umstände so, daß eine Form auf dem Weg zur Produktion oft
durch Auftragsschweißen repariert werden muß und zwar aufgrund von
Arbeits- bzw. Bearbeitungsfehlern oder Designveränderungen. Für die
Reparatur durch Schweißen ist es notwendig vorzuheizen (250 bis 350ºC), und
weiterhin nachzuheizen, falls erforderlich, um einen Schweißnahtriß zu
verhindern.
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Das Problem besteht jedoch darin, daß bevorzugt ein ausschließlich
zu Heizzwecken verwendeter Ofen bereitgestellt wird, um ein gleichmäßiges
Erhitzen sicherzustellen, daß um so mehr Zeit erforderlich ist, je größer
die Form ist und daß die Schweißarbeit an Teilen mit hoher Temperatur
selbstverständlich eine geringere Effizienz der Arbeit mit sich bringt.
Schweißnahtrisse sind quasi unvermeidbar, wenn man nicht ausreichend
vorgeheizte Formen schweißt, die nicht mehr ihren Zweck erfüllen, und es
kann sogar der noch schlimmere Fall auftreten, daß ein übermäßiger Riß
darauf verursacht wird, der in der Folge eine Neuherstellung erforderlich
macht.
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Davon abgesehen, muß ein Stahl für Formen für Kunststoffgegenstände
härtbar sein, in allen Teilbereichen bzw. Querschnitten eine gleichmäßige
Härte aufweisen, eine geringere Aussonderung bzw. Seigerung und
überlegene Eigenschaften hinsichtlich sowohl der Hochglanzendbehandlung als
auch der Kräusel- bzw. Bördelbearbeitbarkeit (crimping workability)
zeigen sowie auch eine zufriedenstellende spanende Bearbeitkeit bzw.
Zerspanbarkeit.
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In der DE-C-651 845 wird eine Stahlzusammensetzung, bestehend aus
C: 0,15 bis 0,60 %, Si: bis zu 0,60 %, Mn: 1,50 bis 3,00 %, Cr: 1,00 bis
4,00 %, Mo und/oder W und/oder V: 0,00 bis 1,00 % und Fe als Rest
beschrieben.
Wie aus dieser Elementaufzählung zu entnehmen ist, ist
Schwefel keine kritische Komponente bei der Stahlzusammensetzung gemäß
DE-C-651 845. Weiterhin gibt es in der DE-C-651 845 nicht die geringsten
Hinweise zum P-, S- und B-Gehalt der Stahlzusammensetzungen: bei der
Stahlzusammensetzung gemäß DE-C-651 845 wird der Einfluß dieser Elemente
auf die Eigenschaften des Stahls nicht beschrieben. DE-C-651 845 lehrt
nicht, daß P und B einen ungünstigen Einfluß auf die Schweißbarkeit des
Stahls haben und daß eine bestimmte Menge an S einen guten Einfluß auf
die Schweißbarkeit hat.
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In der US-A-3 912 553 wird eine Stahlzusammensetzung, bestehend aus
C: 0,15 bis 0,35, Mn: 0,50 bis 0,90, Si: 0,15 bis 0,40, Ni: 1,0 bis 3,5,
Cr: 0,5 bis 4,5, Mo: 0,5 bis 3,0, V: 0,2 bis 1,0 und Al: 0,01 bis 0,07,
wobei der Rest abgesehen von Verunreinigungen Eisen ist, beschrieben. Die
oben dargelegte Situation trifft auch auf die in der US-A-3 912 553
beschriebenen Stahlzusammensetzungen zu. In der US-A-3 912 553 gibt es
keinerlei Hinweise bezüglich der kritischen Bereiche der Elemente P, B und
S.
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Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, besteht das Ziel
dieser Erfindung darin, einen Stahl für Formen für Kunststoffgegenstände
bereitzustellen, der eine überlegene Effizienz bei der Reparatur durch
Schweißen aufweist, bei dem durch das Auftragsschweißen ohne Vorerhitzen
und Nacherhitzen keine Schweißnahtrisse verursacht werden, und der
weiterhin die Eigenschaften des derzeit verwendeten Materials beibehält oder
diese übertrifft.
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Ein hervorragend schweißbarer Stahl für Formen für
Kunststoffgegenstände gemäß dieser Erfindung, der kein Vorerhitzen und Nacherhitzen
erfordert, besteht grundsätzlich aus C: 0,1 bis 0,3 %, Mn: 0,5 bis 3,5 %,
Cr: 1,0 bis 3,0 %, Mo: 0,03 bis 2,0 %, V: 0,01 bis 1,0 % und S: 0,025 bis
0,10 %; Si: nicht mehr als 0,25 %, P: nicht mehr als 0,02 % und B: nicht
mehr als 0,002 %, wobei der Rest im wesentlichen Eisen ist; und wobei die
Legierungszusammensetzung weiterhin die folgende Gleichung erfüllt:
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BH = 326,0 + 847,3 (C%) + 18,3 (Si%) - 8,6 (Mn%)
- 12,5 (Cr%) ≤ 460
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Zusätzlich zu der vorstehend genannten Legierungszusammensetzung
wird auf Kosten des Elements Fe als Rest Nickel mit 2,0 % oder weniger
zugesetzt, hierdurch wird die Effizienz der Härtung erhöht. Weiterhin
werden eines oder mehrere von Zr: 0,003 bis 0,2 %, Pb: 0,03 bis 0,20 %,
Te: 0,01 bis 0,15 %, Ca: 0,005 bis 0,010 % und Bi: 0,01 bis 0,20 % zu der
vorstehend erwähnten Grundzusammensetzung zugesetzt, hierdurch wird die
spanende Bearbeitbarkeit verbessert. Selbstverständlich können Ni und das
Element oder die Elemente für die Zerspanbarkeit zusammen verwendet
werden.
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Alle Zeichnungen zeigen die Kurven der Testdaten für diese
Erfindung:
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Fig. 1 zeigt den Einfluß des P- und S-Gehalts auf die
Empfindlichkeit von Stählen gegenüber Schweißnahtrissen;
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Fig. 2 zeigt den Einfluß des Si-Gehalts auf die Empfindlichkeit von
Stählen gegenüber Schweißnahtrissen;
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in Fig. 3 ist die Beziehung zwischen dem Pc-Wert des Stahls und der
Schweißnahtrißrate aufgetragen;
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in Fig. 4 ist die Beziehung zwischen der Härte einer
Schweißgrenzfläche auf einer Basismetallseite und der maximalen Anzahl
Schweißnahtrisse aufgetragen;
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Fig. 5 betrifft die Daten der Effizienz der Härtung, wenn der
Mn- und der Cr-Gehalt in den erfindungsgemäßen Stählen verändert werden;
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Fig. 6 zeigt die Grenze der Schweißnahtrisse in Kombination mit der
Grenze der Effizienz der Härtung, die aus den Daten von Fig. 5 erhalten
worden ist;
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Fig. 7 und 8 geben die Zerspanbarkeit der erfindungsgemäßen Stähle
im Vergleich mit einem herkömmlichen Stahl wieder, Fig. 7 zeigt den Fall
des Schneidens mit einer Dirnfräse, und Fig. 8 zeigt den Fall des
Schneidens mit einem Bohrer;
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Fig. 9 zeigt die Verteilung der Härte in Materialien mit großem
Querschnitt im Vergleich mit einem herkömmlichen Stahl.
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Es ist nicht leicht, eine Härtungseffizienz zu gewährleisten, die
ausreicht, um HRC 30 bis 33 auf einem Material für so groß dimensionierte
Formen zu gewährleisten, wie solche mit einem Querschnitt von 500 x 1.000
mm, und weiterhin die Empfindlichkeit gegenüber Schweißnahtrissen zu
verringern.
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Bislang wurde der "Index der Empfindlichkeit gegenüber
Schweißnahtrissen" Pc eines Stahl für Formen mit Bezug auf eine
Legierungszusammensetzung durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
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Pc = c + Si/30 + Mn/20 + Cr/20 + Ni/60 + Cr/20
+ Mo/15 + V/10 + 50 + H/60 + t/600 (%)
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Dabei steigt die minimale Vorheiztemperatur zur Verhinderung eines
Schweißnahtrisses stark mit der Erhöhung des Pc-Wertes an. Um die
Vorheiztemperatur
auf eine normale Temperatur oder auf diesen Bereich zu
senken, d.h. um ein Vorheizen durchzuführen, muß die Bedingung Pc 0,30
erfüllt sein. Dies wurde in dieser Weise beschrieben (Ito et al. "Journal
of Welding Engineers Association" 37 (1968) 9) und allgemein anerkannt.
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In einem vorgehärteten Stahl mit einer Härte, die HRC 30
übersteigt, wird im Hinblick auf die Beseitung der Eigenspannung ein Tempern
bei hoher Temperatur vorausgesetzt, und um eine ausreichende Effizienz
der Härtung unter Berücksichtigung des Masseneffekts zu gewährleisten,
müssen Elemente zur Erhöhung der Härtbarkeit, wie Mn, Cr, Mo, V und dgl.,
zugegeben werden. Daher durchbricht der Pc-Wert normalerweise die
vorstehend angegebene Grenze 0,3. Entsprechend war ein Vorheizen auf 300ºC oder
auf diesen Bereich in der Vergangenheit notwendig, wie vorstehend
angegeben.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurden die Legierungskomponenten
in den Erfindungen noch einmal untersucht, und es wurde gefunden, daß
durch Verringerung des Si-Gehalts und durch Kontrolle der
Verunreinigungen P und B und indem man weiterhin eine geeignete Menge an S zuläßt, die
Zugabegrenze für die Elemente zur Verbesserung der Härtbarkeit erhöht
wird, und daß selbst in einem Bereich, in dem der Pc-Wert 0,3 übersteigt,
ein Vorerhitzen vor dem Schweißen unterlassen werden kann.
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Bei den Untersuchungen wurde weiterhin gefunden, daß die
Entscheidung über die Grenze, bei der Schweißnahtrisse auftreten, eher anhand des
BH-Werts, der durch die vorstehend genannte Gleichung ausgedrückt wird,
als durch den Pc-Wert getroffen werden kann; wenn insbesondere die Härte
auf einer Basismetallseite in der Nähe einer Schweißgrenzfläche diese
Bedingung erfüllt, dann erfüllt die Schweißgrenzfläche diese Bedingung und
das Reißen der Schweißnaht kann dann mit Sicherheit verhindert werden. In
der Beschreibung wird hierin später im Detail auf diesen Aspekt Bezug
genommen.
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Für den Stahl für Formen für Kunststoffgegenstände gemäß dieser
Erfindung, die, wie oben beschrieben, vollendet wurde, sind die Wirkungen
jedes Legierungselements und die Gründe, warum die Bereiche der
Zusammensetzungen in dieser Weise begrenzt sind, nachfolgend angegeben:
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C: 0,1 bis 0,3 %
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C sorgt für Härte. Wenn bei 600ºC oder darüber getempert wird, um
die Eigen- bzw. Restspannung nach der Wärmebehandlung zu beseitigen, muß
C mit 0,1 % oder mehr vorhanden sein, um die notwendige Härte von HRC 28
oder mehr zu erreichen. Andererseits darf der C-Gehalt 0,3 % nicht
überschreiten,
um die Empfindlichkeit gegenüber Schweißnahtrissen zu
verringern.
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Mn: 0,5 bis 3,5 %
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Mn wird zugesetzt, um die Härtbarkeit zu gewährleisten, abgesehen
davon, daß es bei der Veredelung als Desoxidationsmittel wirkt. Weiterhin
bewirkt es das Unterdrücken von Schweißnahtrissen, indem es die Härte des
Basismetalls während des Schweißens senkt. Mit einem Gehalt von weniger
als 0,5 % können diese Wirkungen nicht gewährleistet werden. Falls 3,5 %
überschritten werden, wird die Zerspanbarkeit schlecht, und der Stahl
wird für die Herstellung von Formen ungeeignet.
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Cr: 1,0 bis 3,0 %
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Ein Cr-Gehalt nicht unter 1,0 % ist notwendig, um die Härtbarkeit
groß dimensionierter Formen zu gewährleisten. Wenn er jedoch 3 %
überschreitet, verschiebt sich die Bainit-Umwandlungskurve auf die
Langzeitseite und die angestrebte Bainit-Struktur ist nicht erhältlich; somit
verschlechtert sich die Zerspanbarkeit. Weiterhin ergeben sich auch
wirtschaftliche Nachteile.
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Mo: 0,03 bis 2,0 %
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Mo bewirkt ebenfalls die Verbesserung der Härtbarkeit groß
dimensionierter Formen und die Gewährleistung einer Härte von HRC 28 oder
mehr, indem es für eine Erweichungsbeständigkeit beim Tempern bei 600ºC
oder mehr sorgt. Bei einer so geringen Menge wie 0,03 % ist Mo immer noch
wirksam. Wenn viel davon enthalten ist, dann verschlechtert sich die
Zerspanbarkeit, und es können hohe Kosten entstehen; darum wird es mit
höchstens 1,0 % zugesetzt.
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V: 0,01 bis 1,0 %
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V ist bei der Verbesserung der Erweichungsbeständigkeit beim
Tempern hochwirksam. Die Zugabe von 0,01 % oder mehr ist möglich, um eine
Härte von HRC 28 oder mehr zu gewährleisten. Es bewirkt ebenfalls, daß
eine feinere Kristallkörnung entsteht. Die Zugabe von 0,01 % oder mehr
ist wirksam, wenn es jedoch andererseits im Übermaß zugesetzt wird,
können die Zerspanbarkeit und Steifigkeit verschlechtert werden. Darum wird
es selektiv mit bis zu 1,0 % zugesetzt.
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S: 0,025 bis 0,10 %
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Das Vorliegen von S mit 0,025 % oder mehr ist für die Verhinderung
von Schweißnahtrissen wirksam. Das Vorliegen einer gewissen Menge S ist
auch im Hinblick auf die Zerspanbarkeit bevorzugt. Die Zugabe von mehr
als 0,1 % bewirkt jedoch Schweißnahtrisse (sog. "lamellare Lagen",
englisch "lamellar tier") aufgrund des Vorliegens von Sulfiden, und die
Steifheit wird verschlechtert. Im Hinblick auf das Bördeln bzw. Falzen
und die Hochglanzendbehandlung ist die Zugabe einer kleineren Menge
bevorzugt.
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Die Gehalte an Si, P und B werden aus den folgenden Gründen
kontrolliert bzw. geregelt:
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Si: nicht mehr als 0,25 %
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Während Si hinsichtlich der Desoxidationswirkung und der Effizienz
des Härtens bei der Herstellung des Stahls nützlich ist, muß es auf einen
Wert so niedrig wie möglich geregelt werden, um die Empfindlichkeit
gegenüber Schweißnahtrissen zu senken. Es ist weiterhin bevorzugt, daß
der Gehalt verringert wird, um die Aussonderung bzw. Seigerung zu
erleichtern und um die Bearbeitbarkeit beim Bördeln bzw. Falzen zu
erleichtern. Der Gehalt von 0,25 % ist die Toleranzgrenze.
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P: nicht mehr als 0,02 %; B: nicht mehr als 0,002 %
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Beide Elemente sind für die Empfindlichkeit gegenüber
Schweißnahtrissen von Nachteil und müssen daher so weit als möglich entfernt werden.
Die vorstehend genannten Zahlenwerte sind als die beiden Toleranzgrenzen
definiert.
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Die Funktionen der Elemente, die ggf. zugesetzt werden können, und
die Gründe, warum deren Gehalte eingeschränkt sind, werden im folgenden
angegeben:
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Ni: nicht mehr als 2,0 %
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Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, kann die Zugabe von Ni
zur Verbesserung der Härtbarkeit beitragen. Falls der Gehalt die
Obergrenze überschreitet, wird die Zerspanbarkeit schlechter.
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Zr: 0,003 bis 0,2 %, Pb: 0,03 bis 0,2 %, Te: 0,01 bis 0,15 %, Ca:
0,0005 bis 0,010 %, Bi: 0,01 bis 0,2 %
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Diese sind alles Elemente für Automatenstahl. Vor allem wirkt Zr
so, daß es die Elongation der Sulfide kontrolliert und somit die
Steifheit erhöht, wenn jedoch der Gehalt 0,2 % übersteigt, dann nimmt die
Zerspanbarkeit eher ab. Die anderen Elemente sind aufgrund des Auftretens
von Ground-Flaw und von schwarzen Flecken eingeschränkt, und die
Obergrenzen sind jeweils entsprechend festgelegt.
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Der erfindungsgemäße Stahl für Formen für Kunststoffgegenstände ist
für die Reparatur durch Schweißen bei gewöhnlicher Temperatur geeignet,
ohne daß ein Vorheizen und Nachheizen erforderlich ist, und es gibt kein
wesentliches Risiko von Rissen im Schweißbereich. Bei einer
zufriedenstellenden
Effizienz der Härtung hat selbst ein groß dimensioniertes
Material eine gleichförmige Verteilung der Härte in den Querschnitten, und
somit ist eine Form mit geringerer Spannung erhältlich, selbst beim
geraden Gesenkfräsen eines Blocks, der als ein vorgehärteter Stahl der HRC30-
Klasse (nicht weniger als 28) bereitgestellt wird. Aufgrund der
geringeren Ausscheidung bzw. Seigerung ist die Bördel- bzw. Falzbearbeitbarkeit
zufriedenstellend, und es resultieren auch fast keine Unebenheiten beim
Schleifen. Die Zerspanbarkeit ist gegenüber dem an sich bekannten SCM445-
Stahl (etwa HRC27) überlegen.
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Entsprechend wird der Stahl für Formen als Material bevorzugt, das
für die Herstellung von groß dimensionierten Plastikgegenständen, wie
Tafeln bzw. Armaturenbretter für Automobile, Stoßstangen, Gehäuse für
Fernseher, Badewannen und dgl. vorgesehen ist.
Beispiele
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Die Geschichte der Entwicklung dieser Erfindung wird nun unter
Bezugnahme auf experimentelle Daten beschrieben, und die Gründe für die
Wahl der vorstehend genannten Zusammensetzung werden angegeben.
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Zunächst wurden drei Arten von Stahl mit den in Tabelle 1
angegebenen Zusammensetzungen hergestellt, und die Blöcke daraus wurden nach
dem Schmieden einer Wärmebehandlung unterworfen. Auf diese Weise wurden
Probekörper hergestellt. Auf diesen wurde nach dem "Testverfahren für
Schweißnahtrisse vom Diagonal-Y-Typ" ("Diagonal Y-type Weld Crack Test
Method"), das in der JIS Z-3158 genau angegeben ist, geschweißt und die
Schweißzonen wurden geschnitten, um zu sehen, wie die Risse vorlagen.
Tabelle 1
(Gew.-%, Rest: Fe)
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Die Kurven in Fig. 1 wurden erhalten, indem man den Einfluß des P-
Gehalts und des S-Gehalts auf die Schweißnahtrißrate auftrug. Daraus
ergibt sich, daß so wenig P wie möglich oder in der Praxis nicht mehr als
0,02 % beibehalten werden darf und daß andererseits S mit nicht weniger
als 0,025 % vorhanden sein muß.
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Bei "PDS3"-Stahl (SCM445-Stahl, der von Daido Tokushuko K.K.
verbessert wurde), der zu Vergleichszwecken denselben Tests unterworfen
wurde, ergab sich ein 100 %-Riß in der Schweißzone.
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Dann wurden die Stähle in der in Tabelle 2 angegebenen
Zusammensetzung hergestellt und demselben Schweißtest wie oben unterworfen, um
festzustellen, wie der C- und Si-Gehalt die Empfindlichkeit gegenüber
Schweißnahtrissen beeinflußt, wenn der P- und S-Gehalt fast konstant
gehalten werden.
Tabelle 2
(Gew.-%, Rest: Fe)
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Die Kurve, die die Schweißnahtrißrate angibt, ist in Fig. 2
dargestellt. Es folgt daraus, daß bei den in Tabelle 2 angegebenen Komponenten
der Si-Gehalt 0,2 % oder weniger sein muß und daß sich die Grenze des Si-
Gehalts im Fall von Stählen mit niedrigem C-Gehalt erhöht. Unter
Berücksichtigung der Tatsache, daß die Aussonderung bzw. Seigerung die
Bördel- bzw. Faltbearbeitbarkeit beeinträchtigen kann, wurde jedoch die
Obergrenze auf 0,25 % festgelegt.
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Um die C-, Cr- und Mn-Gehalte, die einen Einfluß auf die
Empfindlichkeit gegenüber Schweißnahtrissen und auf die Effizienz der Härtung
ausüben, zu bestimmen, wurden anschließend die Stähle mit der
Zusammensetzung gemäß Tabelle 3 hergestellt und demselben Schweißtest
unterworfen.
Tabelle 3
(Gew.-%, Rest: Fe)
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In Fig. 3 sind die Ergebnisse dargestellt, die durch Berechnung der
Pc-Werte für jede Probe und durch Auftragen der Beziehung mit der
Schweißnahtrißrate erhalten wurden. Aus der Kurve wird deutlich, daß
Schweißnahtrisse selbst dann im wesentlichen vermieden werden können,
wenn man den Pc-Wert auf etwa 0,4 setzt, wobei 0,3, die bislang
angegebene Grenze, überschritten wird. Dies wird so realisiert, daß man den Si-
Gehalt senkt und den P-Gehalt reguliert und einen geeigneten S-Gehalt
einsetzt. Da jedoch der Pc-Wert in seinen Grenzen eine gewisse Bandbreite
hat, wird er als für das Einstellungsverfahren nicht so geeignet
angesehen.
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Es wurde daher jedes denkbare Mittel für die Untersuchung
eingesetzt, um die maximale Rißzahl als Empfindlichkeit gegenüber
Schweißnahtrissen anzusehen anstelle der Schweißnahtrißrate, und sie wurde gegen die
Härte einer Basismetallseite der Schweißgrenzfläche, wo die maximale
Belastung ansetzt, aufgetragen. Hierdurch wird die Kurve von Fig. 4
erhalten. In der Kurve steigt die Schweißnahtrißrate scharf an der Grenze 460
Hv der Härte BH der Basismetallseite der Schweißgrenzfläche an. Daher
kann eine Legierungszusammensetzung verwendet werden, die eine
Schweißzone bereitstellt, wo der BH-Wert 460 nicht erreicht
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Als Ergebnis der Durchführung einer Regressionsanalyse bei den
vorstehend genannten Daten mit Bezug auf die Beziehung zwischen dem BH-Wert
und der Legierungszusammensetzung wurde die oben erwähnte Gleichung,
d.h.:
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BH = 326,0 + 847,3 (C%) + 18,3 (Si%) - 8,6 (Mn%) - 12,5 (Cr%)
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(Korrelationskoeffizient: 0,9870; Beitragsfaktor: 0,9741)
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erhalten. Beachtenswert ist hier, daß die Koeffizienten für Mn und Cr
negativ sind.
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Um weiterhin den C-, Cr- und Mn-Gehalt im Hinblick auf die
Effizienz der Härtung zu untersuchen, wurde beim Absetzen und Abkühlen eines
Materials mit einem Querschnitt von 500 mm Höhe und 1.000 mm Breite eine
Härtung und ein Tempern durchgeführt, um im zentralen Bereich eine
Abkühlungskurve zu simulieren:
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(Härtungsbedingungen)
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Aufheizen auf 970ºC während 30 min,
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Abkühlen auf 600ºC mit einer Geschwindigkeit von 2,5 C/min,
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Anschließendes Abkühlen auf Normaltemperatur mit einer auf die
Hälfte reduzierten Abkühlgeschwindigkeit.
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(Temperbedingungen)
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Aufheizen auf 600ºC während 60 min, Luftkühlen.
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Dabei wurde ein Stahl der Zusammensetzung (0,15/0,20)C -
0,06Si - (0,5/1,0/1,5)Mn - (1,5/2,0/2,5)Cr - 0,4Mo - 0,1V - Fe eingesetzt. Die
Daten, die den Fall mit 0,20 % C wiedergeben, sind in Fig. 5 aufgeführt,
und der Bereich, in dem HRC 28 oder höher ist, liegt auf der rechten
Seite einer von links nach rechts unten verlaufenden Geraden.
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Andererseits ist es im Hinblick auf die Schweißnahtrisse notwendig,
daß der Cr- und Mn-Gehalt nicht kleiner als eine bestimmte Grenze ist,
was sich aus der vorstehend genannten Gleichung für den BH-Wert ergibt.
Wenn man dies mit der vorstehend genannten Grenze für die effiziente
Härtung kombiniert, ergibt sich der durch die schrägen Linien in Fig. 6 für
den Fall mit 0,20 % C angegebene Bereich. Weiterhin wird im Fall von
0,15 % C, wenn HRC 28 oder größer wird, kein Schweißnahtriß innerhalb der
Grenze für die Bereitstellung einer Effizienz des Härtens gebildet.
(Ausführungsbeispiel 1)
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Die Legierungszusammensetzung mit einer festgelegten Effizienz der
Härtung und einer geringen Empfindlichkeit gegenüber Schweißnahtrissen
wurde, wie oben beschrieben, bestimmt. Es wurden daher Stähle, die im
Bereich der Zusammensetzung lagen, getestet, und die Zerspanbarkeit wurde
sichergestellt. D.h., Stähle mit den in Tabelle 4 angegebenen
Zusammensetzungen wurden hergestellt, und es wurden Blöcke mit 360 mm Höhe x
810 mm Breite x 2.000 mm Länge geschmiedet. Diese wurden dann gehärtet
und getempert.
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In Tabelle 4 sind die Proben Nr. 1 und Nr. 2 erfindungsgemäße
Stähle, und Nr. 3 ist ein herkömmlicher SCM445-Stahl. Für die Härtung
wurden Nr. 1 und Nr. 2 auf 970ºC erhitzt, und Nr. 3 wurde auf 870ºC
erhitzt, alle wurden mit einem Luftgebläse gekühlt, und alle wurden bei
600ºC getempert.
Tabelle 4
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Die HRC-Härte nach der Wärmebehandlung betrug sowohl bei Nr. 1 als
auch bei Nr. 2 32 und bei Nr. 3 27,5. Beide erfindungsgemäßen Stähle
wiesen eine Bainit-Struktur auf, wobei Nr. 1 etwas eingemischtes Ferrit
besaß. Nr. 3 hatte eine Ferrit/Perlit-Struktur.
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Die Zerspanbarkeit wurde unter den folgenden Bedingungen
untersucht:
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(Schneidtest mit einer Stirnfräse)
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Stirnfräse: 10 mm Durchmesser;
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Schnittbreite: 10 mm
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Schnittiefe: 5 mm
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Schneidöl: Yucilone Nr. 3
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(Schneidtest mit einem Bohrer)
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Bohrer: 5 mm Durchmesser, SKH51
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Geschnittenes Loch: Blindloch 15 mm
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Schneidöl:
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Kriterien der Lebensdauer: Schmelzen
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Die Ergebnisse sind in Fig. 7 (Schneiden mit Stirnfräse) und Fig. 8
(Schneiden mit Bohrer) dargestellt. Die unterschiedliche Struktur kann
der Grund dafür sein, daß die erfindungsgemäßen Stähle trotz der hohen
Härte eine überlegene Zerspanbarkeit aufweisen, wenn man sie mit einem
herkömmlichen Stahl vergleicht.
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Um die Gleichförmigkeit der Verteilung der Härte bei Querschnitten
der vorstehend genannten Stähle Nr. 2 und Nr. 3 zu untersuchen, wurden
Materialien mit jeweils einer Höhe von 360 mm, einer Breite von 810 mm
und einer Länge von 2.000 mm in der Mitte geschnitten, und die Härte von
Punkten, die die Oberflächen oberhalb und unterhalb der Mitten bedeckten,
wurden gemessen. Die durch Aufzeichnen der Daten erhaltenen Ergebnisse
sind in Fig. 9 dargestellt. Während die Breite der HRC-Härte im Fall des
Stahls des Standes der Technik 5 bis 6 erreicht, liegt sie bei den
erfindungsgemäßen Stählen innerhalb von 2. Der Unterschied zeigt, daß der
Masseneffekt bei den erfindungsgemäßen Stählen gering ist.
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Was den wichtigsten Punkt, die Beständigkeit gegenüber
Schweißnahtrissen, betrifft, wurden Blöcke mit einer Höhe von 240 mm, einer Breite
von 400 mm und einer Länge von 600 mm jeweils aus den oben genannten
Materialien Nr. 1 bis Nr. 3 ausgeschnitten, und es wurde ein
Auftragsschweißen auf der oberen Oberfläche (Schweißraupe A) und ein
Auftragsschweißen auf der Endoberfläche (Schweißraupe B) mittels TIG-Schweißen
unter Verwendung von DS250 (0,14C - 0,72Si - 2,2Mn - 1,1Cr - 0,5Mo) als
Schweißmaterial in beiden Fällen durchgeführt. Die Bedingungen, bei denen
sich ein Schweißnahtriß bildete, wurden untersucht, wobei die
Schweißraupe A wie geschweißt belassen wurde und auf einer Schleifmaschine bis
zur Oberfläche bis zu einer Tiefe von 0,5 mm und bis zu einer Tiefe von
1,0 mm abgeschliffen wurde. Auch die Schweißraupe B wurde untersucht,
wobei diese wie geschweißt belassen wurde und mit einer Schleifvorrichtung
bis zur Oberfläche abgeschliffen wurde. Bei der auf dem Stahl des
Vergleichsbeispiels durchgeführten Schweißung traten Risse unterhalb der
Schweißraupen und an deren Ende in beiden oben angegebenen Fällen auf,
während in keinem Fall ein Riß bei den erfindungsgemäßen Stählen
beobachtet wurde.
(Ausführungsbeispiel 2)
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Stähle der in Tabelle 5 aufgeführten Zusammensetzung wurden
hergestellt. Nr. 21 im Vergleichsbeispiel ist ein herkömmlicher SCM445-Stahl.
Nach dem Schmieden wurde auf die folgende Weise wärmebehandelt:
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(Härten) 870 bis 1.030ºC Luftkühlung
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(Tempern) 600 bis 650ºC
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Bei jeder Probe wurde die Härte an der Mittellinie des Querschnitts
mit einer Dicke von 400 mm und einer Breite von 900 mm gemessen. Die
Werte der Oberflächenschicht und der Mitte sind in Tabelle 6 aufgeführt.
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Was die Schweißnahtrisse betrifft, wurde die Rißrate (%) anhand des
in JIS Z-3158 beschriebenen Schweißnahtrißtests vom Diagonal-Y-Typ, wie
oben angegeben, aufgezeichnet. Bezüglich der Bearbeitbarkeit wurden das
Schneiden mit einem Bohrer (vorstehend genannte Bedingungen), eine
Hochglanzendbehandlung (Oberflächenbeschaffenheitsgrad #3000) und ein Bördeln
bzw. Falzen daran durchgeführt. Die Bewertung erfolgte anhand des
Verhältnisses der für die Bearbeitung erforderlichen Zeit im Vergleich mit
dem herkömmlichen SCM445-Stahl. (Entsprechend ist daher das Ergebnis um
so besser, je kleiner der numerische Wert ist.) Diese Ergebnisse sind
ebenfalls in Tabelle 6 zu finden. Eine zufriedenstellende Bördel- bzw.
Falzbearbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Stähle kann somit durch eine
Abnahme der Aussonderung bzw. Seigerung entsprechend dem gesenkten Si-
Gehalt und P-Gehalt, der erfindungsgemäß verwendet wird, sichergestellt
werden.
Tabelle 5
Legierungszusammensetzung (Gew.-%, Rest Fe)
Bezeichnung
Ausführungsbeispiel
Vergleichsbeispiel
Tabelle 6
Bezeichnung
Härte (HRC)
Schweißnahtrißrate (%)
Bearbeitbarkeit
Oberflächenschicht
Mitte
Schneiden
Hochglanzendbearbeitung
Bördeln bzw. Falzen
Ausführungsbeispiel
Vergleichsbeispiel