DE69322028T2 - Forgings and process for their manufacture - Google Patents
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Description
Die Erfindung richtet sich auf ein verbessertes Schmiedestück mit günstigen Festigkeitseigenschaften und Zähigkeit und auf ein Verfahren zum Herstellen des Schmiedestücks.The invention is directed to an improved forging with favorable strength properties and toughness and to a method for producing the forging.
Nach EP-B-19 18 73 ist ein Verfahren zum Herstellen eines direkt heiß abgeschreckten Schmiedestücks mit günstigen Festigkeitseigenschaften bekannt. Die vorliegende Erfindung verbessert diese bekannte Technik, so dass die Festigkeit der Bauteile, insbesondere die Gleichmässigkeit der Festigkeit über den Querschnitt der Bauteile und die Zähigkeit der Bauteile im Direktabschrecken verbessert werden.According to EP-B-19 18 73, a method for producing a directly hot-quenched forging with favorable strength properties is known. The present invention improves this known technique so that the strength of the components, in particular the uniformity of the strength across the cross-section of the components and the toughness of the components in direct quenching are improved.
Die Festigkeitseigenschaft eines Schmiedestücks kann grundsätzlich durch die folgenden Maßnahmen verbessert werden:The strength properties of a forging can basically be improved by the following measures:
- Erhöhen des Kohlenstoffgehalts- Increasing the carbon content
- Erhöhen des Mangangehalts- Increasing the manganese content
- Erhöhen des Chromgehalts- Increasing the chromium content
- Legieren mit Nickel- Alloying with nickel
- Legieren mit Molybdän- Alloying with molybdenum
Erhöhen des Kohlenstoffgehalts verbessert die Festigkeit wesentlich, jedoch wird besonders bei einem Gehalt, der wesentlich über 0,1% liegt die Zähigkeit und Verarbeitbarkeit beeinträchtigt.Increasing the carbon content improves the strength significantly, but toughness and workability are impaired, especially at a content significantly above 0.1%.
Erhöhen des Mangangehalts über mehr als 1% ist in einigen Fällen nützlich, jedoch weist Mangan eine hohe Anfälligkeit auf, sich abzusondern. Dies verursacht relativ große Schwankungen der Festigkeit über den Querschnitt eines Bauteils und zwischen Bauteilen in einem fortlaufenden Herstellungsprozess. Ferner beeinträchtigt das Absondern von Mangan die Verarbeitbarkeit des Stahls.Increasing the manganese content above 1% is useful in some cases, but manganese has a high susceptibility to segregation. This causes relatively large variations in strength across the cross-section of a component and between components in a continuous manufacturing process. Furthermore The release of manganese impairs the workability of the steel.
Die Erhöhung des Chromgehalts auf mehr als 2% beeinträchtigt die Zähigkeit, insbesondere wenn der Kohlenstoffanteil mehr als 0,06% beträgt. Andererseits neigt Chrom wenig zur Absonderung, so dass selbst Anteile von mehr als 1% die Verarbeitbarkeit nicht beeinträchtigen.Increasing the chromium content to more than 2% impairs toughness, especially if the carbon content is more than 0.06%. On the other hand, chromium has little tendency to segregate, so even contents of more than 1% do not impair workability.
Legieren mit Nickel ist relativ teuer und sein Einfluß auf die Festigkeit relativ gering, insbesondere bei geringen Anteilen.Alloying with nickel is relatively expensive and its influence on strength is relatively small, especially at low levels.
Legieren mit Molybdän ist eine nicht sehr verbreitete Maßnahme, weil Molybdän ein teures Legierungselement ist und seine Wirkung die Festigkeit zu verbessern abnimmt, je höher sein Anteil ist. Ferner beeinträchtigt die Bainitbildung, verursacht durch Molybdän, gewöhnlich die Zähigkeit, insbesondere wenn der Kohlenstoffgehalt 0,15% oder mehr beträgt.Alloying with molybdenum is not a very common practice, because molybdenum is an expensive alloying element and its effect of improving strength decreases the higher its content is. In addition, bainite formation caused by molybdenum usually affects toughness, especially when the carbon content is 0.15% or more.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung der bekannten Technik erzielt, indem kleine Mengen von Molybdän hinzugegeben werden, so dass der Molybdängehalt 0,04 bis 0,25 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,04 bis 0,15 Gewichtsprozent beträgt.According to the present invention, an improvement of the known technique is achieved by adding small amounts of molybdenum so that the molybdenum content is 0.04 to 0.25 weight percent, preferably 0.04 to 0.15 weight percent.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Schmiedestück bereit, mit günstigen Festigkeitseigenschaften und Zähigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Werkstoff hergestellt wird, der neben Eisen und zufälligen Verunreinigungen die folgenden Werkstoffbestandteile in Gewichtsprozent aufweist:The present invention provides a forging with favorable strength properties and toughness, characterized in that it is made from a material which, in addition to iron and incidental impurities, has the following material components in weight percent:
C von 0,04 bis 0,14, vorzugsweise von 0,07 bis 0,14C from 0.04 to 0.14, preferably from 0.07 to 0.14
Si von 0,05 bis 0,50Si from 0.05 to 0.50
Mn von 0,6 bis 1,0Mn from 0.6 to 1.0
Cr von 1,0 bis 2,0Cr from 1.0 to 2.0
Mo von 0,04 bis 0,25, vorzugsweise von 0,04 bis 0,15Mo from 0.04 to 0.25, preferably from 0.04 to 0.15
S von 0 bis 0,15, vorzugsweise von 0,02 bis 0,15S from 0 to 0.15, preferably from 0.02 to 0.15
Al von 0 bis 0,1Al from 0 to 0.1
B von 0 bis 0,015B from 0 to 0.015
Ti von 0 bis 0,05Ti from 0 to 0.05
und das dass Bauteil in einem Temperaturbereich von 800ºC bis 1300ºC heiß geschmiedet und anschließend abgeschreckt, jedoch nicht angelassen wurde.and that the component was hot forged in a temperature range of 800ºC to 1300ºC and then quenched, but not tempered.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Herstellen von verbesserten Schmiedestücke mit günstigen Festigkeitseigenschaften und Zähigkeit bereit, dadurch gekennzeichnet, dass der Barren für das gewünschte bessere Schmiedestück aus einem Werkstoff hergestellt ist, der neben Eisen und zufälligen Verunreinigungen aus den folgenden Elementen besteht:The invention further provides a method for producing improved forgings with favorable strength properties and toughness, characterized in that the ingot for the desired improved forging is made of a material which, in addition to iron and incidental impurities, consists of the following elements:
C von 0,04 bis 0,14 GewichtsprozentC from 0.04 to 0.14 weight percent
Si von 0,05 bis 0,50 GewichtsprozentSi from 0.05 to 0.50 weight percent
Mn von 0,6 bis 1,0 GewichtsprozentMn from 0.6 to 1.0 weight percent
Cr von 1,0 bis 2,0 GewichtsprozentCr from 1.0 to 2.0 weight percent
Mo von 0,04 bis 0,25 GewichtsprozentMo from 0.04 to 0.25 weight percent
S von 0 bis 0,15 GewichtsprozentS from 0 to 0.15 weight percent
Al von 0 bis 0,1 GewichtsprozentAl from 0 to 0.1 weight percent
B von 0 bis 0,015 GewichtsprozentB from 0 to 0.015 percent by weight
Ti von 0 bis 0,05 Gewichtsprozent,Ti from 0 to 0.05 weight percent,
der Barren in einem Temperaturbereich von 800ºC bis 1300ºC geschmiedet wird, und der Barren, der dann zu einem Schmiedestück geworden ist unmittelbar nach dem Schmiedevorgang in Wasser oder in einer auf Wasser basierenden Emulsion oder Lösung abgeschreckt, aber nicht angelassen wird.the ingot is forged in a temperature range of 800ºC to 1300ºC, and the ingot, which has then become a forging, is quenched but not tempered in water or in a water-based emulsion or solution immediately after the forging process.
Bei einer erfindungsgemäßen Stahllegierung mit Molybdän kann die Festigkeit bei geringem Gewichtsanteil wesentlich erhöht werden. Dies wird durch den hohen Härtbarkeitsfaktor von Molybdän erreicht, besonders wenn der Kohlenstoffgehalt gering ist, wie in der Erfindung beschrieben. Ferner hat das Einführen eines neuen Legierungselements eine synergistische Wirkung auf die Härtbarkeit, in anderen Worten, ein neues Legierungselement verbessert die Härtbarkeit wirkungsvoller, wenn es zusammen mit anderen Legierungselementen eingesetzt wird (in diesem Fall Mangan und Chrom) als wenn es alleine eingesetzt würde.In a steel alloy with molybdenum according to the invention, the strength can be significantly increased with a low weight fraction This is achieved by the high hardenability factor of molybdenum, especially when the carbon content is low, as described in the invention. Furthermore, the introduction of a new alloying element has a synergistic effect on hardenability, in other words, a new alloying element improves hardenability more effectively when used together with other alloying elements (in this case manganese and chromium) than when used alone.
Molybdän begünstigt die Bildung von Bainit, wie beispielsweise aus einem sogenannten CCT-Schaubild entnommen werden kann, das ein breites Gebiet von Bainit zeigt. Das breite Bainitgebiet reduziert die Festigkeitsunterschiede zwischen der Oberfläche und dem Kern, weil die Bildung von Martensit an der Oberfläche verhindert werden kann, was dazu führt, dass das Bauteil praktisch vollständig bainitisch wird. Darüber hinaus bedeutet ein breites bainitisches Gebiet in der Praxis, dass die verwendete Abschreckrate nicht sehr kritisch ist, so dass ein relativ breiter Bereich von Abschreckraten Verwendung finden kann. Beim Abschrecken von großen Querschnittsbauteilen ist die Abschreckrate notwendigerweise relativ klein, dies führt jedoch nicht zu einem wesentlichen Nachteil bei der Anwendung dieser Erfindung.Molybdenum promotes the formation of bainite, as can be seen, for example, from a so-called CCT diagram, which shows a wide area of bainite. The wide bainite area reduces the strength differences between the surface and the core because the formation of martensite on the surface can be prevented, resulting in the component becoming practically completely bainitic. In addition, a wide bainite area means in practice that the quenching rate used is not very critical, so that a relatively wide range of quenching rates can be used. When quenching large cross-sectional components, the quenching rate is necessarily relatively small, but this does not lead to a significant disadvantage in the application of this invention.
Experimente haben gezeigt, dass in einem erfindungsgemäßem Stahl Molybdän die Zähigkeit nicht beeinträchtigt, sondern verbessert. Der relativ hohe Preis für Molybdän beschränkt seinen wirtschaftlichen Nutzen auf geringe Gewichtsanteile. Jedoch bezüglich seiner Wirkung, die Härtbarkeit zu verbessern, ist Molybdän ein wesentlich billigeres Legierungselement als z. B. Nickel. In einem erfindungsgemäßem Stahl ist der Molybdänanteil allerhöchstens 0,25 Gewichtsprozent und ein bevorzugter Gewichtsanteil ist höchstens 0,15 Gewichtsprozent, wobei dann die synergistische Wirkung von Molybdän bezüglich Härtbarkeit ihren Höhepunkt erreicht. Bei höheren Anteilen von Molybdän nimmt die Wirkung auf die Härtbarkeit pro Anteilseinheit ab.Experiments have shown that in a steel according to the invention, molybdenum does not impair toughness but rather improves it. The relatively high price of molybdenum limits its economic benefit to small weight fractions. However, in terms of its effect on improving hardenability, molybdenum is a much cheaper alloying element than, for example, nickel. In a steel according to the invention, the molybdenum content is at most 0.25 weight percent and a preferred weight fraction is at most 0.15 weight percent, at which point the synergistic effect of molybdenum on hardenability reaches its peak. At higher molybdenum contents, the effect on hardenability per unit content decreases.
Abschrecktechniken kann man dazu verwenden, Inhomogenitäten in der Festigkeit zu minimieren. Beim Abschrecken eines Schmiedestücks in Wasser oder in einer auf Wasser basierenden (Polymer) Emulsion oder Lösung, werden normalerweise bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls im wesentlichen einheitliche Festigkeitseigenschaften über den Querschnitt des Bauteils erreicht. Wasser ist normalerweise das günstigste Abschreckfluid. Andere Substanzen können Wasser hinzugegeben werden, so dass eine auf Wasser basierende Emulsion oder Lösung entsteht. Dies hat Einfluß auf die Abschreckwirkung des Wasser.Quenching techniques can be used to minimize inhomogeneities in strength. When quenching a forging in water or in a water-based (polymer) emulsion or solution, using a steel according to the invention, essentially uniform strength properties are normally achieved across the cross-section of the component. Water is normally the most suitable quenching fluid. Other substances can be added to water to form a water-based emulsion or solution. This will affect the quenching effect of the water.
Die Abschreckwirkung von Wasser kann ebenfalls durch eine Temperatursteuerung/-regelung beeinflußt werden. Bei Erhöhen der Wassertemperatur über die Zimmertemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur von über 30ºC oder 40ºC werden normalerweise die besten Ergebnisse erzielt. Eine andere empfehlenswerte Abschrecktechnik bei Anwendung der Erfindung ist das Abschrecksprühen, weil die Einstellbarkeit außerordentlich ist. Die Wirkung von Abschrecksprühen ist leicht einzustellen und das Abschrecken kann nur auf einen Teil des Bauteils gerichtet sein. Hierbei wird nur der ausgewählte Bereich des Bauteils gehärtet während die anderen Bereiche "weich" und zäh bleiben.The quenching effect of water can also be influenced by temperature control. Increasing the water temperature above room temperature, preferably to a temperature above 30ºC or 40ºC, normally gives the best results. Another recommended quenching technique when using the invention is quench spray because the adjustability is extraordinary. The effect of quench spray is easy to adjust and the quenching can be directed at only part of the component. Only the selected area of the component is hardened while the other areas remain "soft" and tough.
Ein besonders bevorzugter erfindungsgemäßer Stahl besteht neben Eisen (und zufälliger Verunreinigungen) aus folgenden Bestandteilen anderer Elemente in Gewichtsprozent:A particularly preferred steel according to the invention consists, in addition to iron (and incidental impurities), of the following components of other elements in weight percent:
C 0,06%, Si 0,28%, Mn 0,91%, S 0,080%, Cr 1,11%, Al 0,038 %, Mo 0,10%, Ti 0,019%, B 0,005%.C 0.06%, Si 0.28%, Mn 0.91%, S 0.080%, Cr 1.11%, Al 0.038%, Mo 0.10%, Ti 0.019%, B 0.005%.
Ein erfindungsgemäßer Stahl ist ferner gut zum Nitrieren oder Nitrocarbonieren geeignet. Molybdän verbessert den Widerstand gegen Erweichung während des Nitrierens. Ferner verbessert Molybdän die Zähigkeit wenn das Bauteil nitriert worden ist.A steel according to the invention is also well suited for nitriding or nitrocarbonizing. Molybdenum improves the resistance to softening during nitriding. Furthermore, molybdenum improves the toughness when the component has been nitrided.
Erfindungsgemäße Schmiedebarren können vom Strangguss oder Warmbandstahlbarren kalt abgeschert werden und das fertige Schmiedestück kann direkt von der Schmiedetemperatur abgeschreckt werden. Erfingungsgemäße Schmiedestücke können ohne Anlassen verarbeitet und verwendet werden.Forging ingots according to the invention can be cold sheared from continuous casting or hot strip steel ingots and the finished forging can be quenched directly from the forging temperature. Forgings according to the invention can be processed and used without tempering.
Die Schmiedestücke können auch durch Verbindungsschweißen von verschiedenen Bauteilstücken hergestellt werden.The forgings can also be produced by welding together different components.
Ein erfindungsgemäßer Stahl ist ebenfalls sehr gut für Einsatzhärtung geeignet. Der Vorteil liegt dann darin, dass die Kernausdehnung und Zähigkeit über Normalwerten liegen, was auf den Kohlenstoffgehalt des Stahls, der geringer als gewöhnlich ist, zurückzuführen ist. Dies erlaubt die Verwendung von Stahl insbesondere in solch einsatzgehärteten Elementen, in denen große Verformung auftritt und die daher gereckt werden, wie z. B. durch Kaltrecken.A steel according to the invention is also very suitable for case hardening. The advantage is that the core expansion and toughness are above normal values, which is due to the carbon content of the steel, which is lower than usual. This allows the use of steel in particular in case hardened elements in which large deformation occurs and which are therefore stretched, such as by cold stretching.
In Versuchsreihen hat sich gezeigt, dass die Verarbeitbarkeit von erfindungsgemäßem Stahl deutlich besser ist als von normalem Stahl (bestehend aus mehr Kohlenstoff und oftmals mehr Mangan). Die bessere Verarbeitbarkeit wurde durch den geringeren Verschleiß von Schnellarbeitsstahlschneidblättern beobachtet.In a series of tests it has been shown that the workability of the steel according to the invention is significantly better than that of normal steel (consisting of more carbon and often more manganese). The better workability was observed due to the lower wear of high-speed steel cutting blades.
Die Festigkeit und Zähigkeit eines erfindungsgemäßen Bauteils kann verbessert werden durch ein relativ feines Regulieren der Endtemperatur des Heißschmiedens. Die bevorzugteste Endtemperatur des Schmiedens liegt bei 950ºC bis 1050ºC. Eine andere Möglichkeit, die Festigkeit zu verbessern, ist das Vermeiden von sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt. Es wird empfohlen, dass der Kohlenstoffgehalt zumindest 0,07 Gewichtsprozent betragen soll. Im allgemeinen soll der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise im Rahmen der Erfindung so hoch sein, dass die Zugfestigkeit des fertigen Schmiedestücks ohne Anlassen zumindest 900 N/mm² beträgt.The strength and toughness of a component according to the invention can be improved by relatively finely regulating the final hot forging temperature. The most preferred final forging temperature is 950ºC to 1050ºC. Another way to improve strength is to avoid very low carbon content. It is recommended that the carbon content should be at least 0.07% by weight. In general, the carbon content should preferably be high enough within the scope of the invention that the tensile strength of the finished forging without tempering is at least 900 N/mm².
Durch Hinzufügen einer kleinen Menge von Schwefel von mindestens 0,02 Gewichtsprozent zum erfindungsgemäßen Stahl kann die Verarbeitbarkeit des Stahls wesentlich verbessert werden. Der Schwefelgehalt soll nicht mehr als 0,15 Gewichtsprozent betragen. Ein höher Betrag würde die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen.By adding a small amount of sulfur of at least 0.02 percent by weight to the steel according to the invention, the workability of the steel can be significantly improved. The sulfur content should not be more than 0.15 percent by weight. A higher amount would impair the mechanical properties.
Die Erfindung wird ferner in der beiliegenden Zeichnung, einem CCT-Schaubild, dargestellt, das die Struktur eines erfindungsgemäßen Schmiedestücks (bevorzugte Zusammensetzung) bei unterschiedlichen Abschreckraten zeigt. Die horizontale Achse des Diagramms zeigt die Zeit in Sekunden und die vertikale Achse die Temperatur in Temperaturabstufungen. Das Martensitgebiet ist durch den Buchstaben M bezeichnet, das Bainitgebiet durch den Buchstaben B, das Ferritgebiet durch den Buchstaben F und das Perlitgebiet durch den Buchstaben P. Die Gebiete wurden durch unterschiedliche Heiztemperaturen der Versuchsstücke bestimmt. Die Kurven in durchgezogener Linie geben eine Wärmebehandlung bis zu 1200ºC wieder, die gestrichelten Kurven zeigen eine Wärmebehandlung bis zu 900ºC und die gepunkteten Kurven zeigen eine Wärmebehandlung bis zu 1200ºC als auch ein Formen des Versuchstückes durch Stauchen auf 50%. Wie aus dem Schaubild ersichtlich ist, ist ein großer Bereich von Abschreckraten von ungefähr 0,2 bis ungefähr 30ºC/s vorhanden, um die gewünschte vollständig bainitische Struktur zu erzielen. Abschreckraten oberhalb von 30ºC/s können ebenfalls verwendet werden, weil eine geringes Martensitgefüge normalerweise keine Probleme mit sich bringt. Ferner sind die CCT-Kurven nahezu unabhängig von der Heiztemperatur und von dem Ausmaß der Verformung. Dies bedeutet, dass die Struktur und daher die mechanischen Eigenschaften eines Schmiedestücks, das aus einer bevorzugten Zusammensetzung gemäß der Erfindung hergestellt ist, nahezu unabhängig davon ist, wie das Heißschmieden begonnen wurde.The invention is further illustrated in the accompanying drawing, a CCT diagram showing the structure of a forging according to the invention (preferred composition) at different quenching rates. The horizontal axis of the diagram shows the time in seconds and the vertical axis shows the temperature in temperature increments. The martensite region is designated by the letter M, the bainite region by the letter B, the ferrite region by the letter F and the pearlite region by the letter P. The regions were determined by different heating temperatures of the test pieces. The solid line curves show a heat treatment up to 1200ºC, the dashed curves show a heat treatment up to 900ºC and the dotted curves show a heat treatment up to 1200ºC as well as forming the test piece by upsetting to 50%. As can be seen from the graph, a wide range of quenching rates from about 0.2 to about 30°C/s is available to achieve the desired fully bainitic structure. Quenching rates above 30°C/s can also be used because a low martensite structure does not normally cause problems. Furthermore, the CCT curves are almost independent of the heating temperature and of the extent of deformation. This means that the structure and therefore the mechanical properties of a forging made from a preferred composition according to the invention are almost independent of how the hot forging was started.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die offenbarten Beispiele, da verschiedene Modifikationen möglich sind, die im Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche liegen.The invention is not limited to the examples disclosed, since various modifications are possible which are within the scope of the following claims.
Claims (13)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (2)
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