DE69521276T2

DE69521276T2 - Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes aus Maschinenbaustahl und nach diesem Verfahren hergestelltes Werkstück

Info

Publication number: DE69521276T2
Application number: DE69521276T
Authority: DE
Inventors: Jacques Bellus; Daniel Forest; Pierre Jolly; Claude Pichard; Daniel Robat
Original assignee: Ascometal SA
Current assignee: Ascometal SA
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: DE69521276D1; EP0717116B1; ES2159614T3; ATE202151T1; DK0717116T3; FR2727981A1; EP0717116A1; GR3036386T3; MX9505194A; BR9505758A; US5667605A; FR2727981B1; PT717116E

Description

Die Erfindung betrifft thermomechanische Behandlungen von hochwertigen Werkstücken aus Mikrolegierstahl, wie Schmieden, Schweißen und thermische Oberflächenbehandlungen.
Mikrolegierstähle mit der Zusammensetzung (die Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozent) 0,05% ≤ C ≤ 0,5%; 1% ≤ Mn ≤ 2%; 0,05% ≤ Si ≤ 1,5%; 0,1% ≤ Cr ≤ 1%; 0% ≤ Mo ≤ 0,5%; 0 ≤ 0,30%; 0 ≤ B ≤ 0,010%; 0 ≤ Ti ≤ 0,030%; 0 ≤ Nb ≤ 0,1, wobei der Rest Eisen sowie aus der Bearbeitung stammende, unvermeidbare Verunreinigungen umfasst, werden insbesondere zur Herstellung von hochwertigen Schmiedestücken eingesetzt. Diese Werkstücke müssen beispielsweise eine Bruchfestigkeit von 900 bis 1200 MPa und ein gutes Stoßverhalten aufweisen. Man verwendet diese Stähle herkömmlicherweise mit einer Ferrito-Perlit-Struktur, die sich natürlicherweise durch eine Sekundärhärtung im Verlauf des Abkühlens während ihrer endgültigen Formgebung ergibt. Mit derselben Ferrito-Perlit-Struktur können sie auch für andere Anwendungen verwendet werden, bei denen verschiedene thermische oder thermomechanische Behandlungen notwendig sind.
Diese Art der Metallurgie ist gut an das Schmieden sowie andere Behandlungen angepasst, die sich bei erhöhten Temperaturen (beispielsweise über 1000ºC) durchführen lassen, wobei eine vollständige Austenitisierung des Werkstückes erfolgt. Dagegen bereitet diese Metallurgie Probleme, wenn das Werkstück lokal oder in seiner Gesamtheit niedrigeren Erhitzungstemperaturen von 500 bis 900ºC ausgesetzt wird.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Schmiedebehandlung nur ein Ende eines Stahlstabs formen soll und die Einwirkung der Hitze daher auf dieses Ende beschränkt ist. Der Bereich der Stange, der nicht direkt erhitzt wird, sich aber neben der Schmiedezone befindet, hat infolgedessen eine niedrigere Temperatur, die aber für metallurgische Umwandlungen in diesem Bereich ausreicht. Ein ähnliches Phänomen tritt auf, wenn das Stück geschweißt, einer Nitrierhärtung oder einer thermischen Oberflächenbehandlung, wie Laserhärtung oder Induktionshärtung, ausgesetzt wird: Die Schichten unter der Oberfläche des Stückes werden durch die Behandlung auf eine Weise beeinflusst, die unerwünscht sein kann. Das Problem ist, dass die Abschnitte von Werkstücken, die einem solchen Erhitzen bei 500 bis 900ºC ausgesetzt worden sind, einer Entfestigung unterliegen, welche das gute mechanische Verhalten des Werkstückes, insbesondere sein Ermüdungsverhalten, beeinträchtigt. Eine Erklärung für dieses Entfestigungsphänomen ist, dass bei relativ schwachen Erhitzungstemperaturen die Härtungswirkung von Niederschlägen an den Phasengrenzen zunichte gemacht und die Härtbarkeit aufgrund der sehr geringen Größe der Körner stark verringert wird. Dadurch hat das Werkstück nicht mehr in seinem gesamten Volumen gleichzeitig bessere und homogene Eigenschaften.
Bisher wurde dieses Problem beseitigt, indem man auf Sorten von vergütetem Chrommolybdän oder auf wenig legierte Stähle zurückgriff, die einer Normalisierungsbehandlung unterworfen worden waren. Diese Lösungen schränkten jedoch das Spektrum der verwendbaren Sorten ein. Wenn außerdem eine thermische Behandlung zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften nötig ist, führt diese gewöhnlich zu inakzeptablen Verformungen des Werkstückes, das dann gerichtet werden muss. Dies steigert die Dauer und die Kosten der Werkstückherstellung erheblich.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Stücken aus Mikrolegierstahl mit hohen mechanischen Eigenschaften, mit denen sich das Problem der Enthärtung lösen lässt, auch wenn das betreffende Werkstück lokalen Erhitzungsbedingungen ausgesetzt wird. DE- A-12 25 217 oder US-A-5041167 beschreiben Herstellungsverfahren für Werkstücke aus Mikrolegierstahl mit Bainitstruktur, die Nitrierhärtungs- oder Schmiedebehandlungen unterworfen werden.
Daher ist der Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Stückes aus Maschinenbaustahl, wobei man einen Rohling aus Mikrolegierstahl, der in Gew.-% 0,05% ≤ C ≤ 0,5%; 1% ≤ Mn ≤ 2%; 0,05% ≤ Si ≤ 1,5%; 0,1% ,≤ Cr ≤ 1%; 0% ≤ Mo ≤ 0,5%; 0 ≤ V ≤ 0,30%, 0 ≤ B ≤ 0,010%; 0 ≤ Ti ≤ 0,030%; 0 ≤ Nb ≤ 0,1% enthält, einer thermischen oder thermomechanischen Behandlung, wie im Anspruch 1 definiert, unterwirft.
Der Gegenstand der Erfindung ist auch ein durch dieses Verfahren hergestelltes Werkstück aus Maschinenbaustahl.
Die Erfindung ist so zu verstehen, dass ausgehend von einem Rohling aus mikrolegiertem Maschinenbaustahl mit Bainitstruktur ein Werkstück hergestellt wird, das so erhitzt werden muss, dass dessen Temperatur auf zufällige oder gewollte Weise zumindest lokal auf 500 bis 900ºC steigt. Ausgehend von einem solchen Rohling, der sowohl die angegebene Zusammensetzung als auch eine Bainitstruktur besitzt, erhält man in den so erhitzen Abschnitten des Rohlings nicht die unerwünschte Enthärtung, die man bei einem Rohling mit Ferrito-Perlit-Struktur beobachtet.
Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung besser verstanden, die sich auf die einzige Figur bezieht, welche ein Beispiel für die Durchführung der Erfindung veranschaulicht.
In der einzigen Figur ist eine Stange 1 dargestellt, deren Abschnitt 2 erhitzt wird. Die Stange 1 hat einen Durchmesser von 40 mm und eine Länge von etwa 800 mm. Sie besteht aus Baustahl mit der Zusammensetzung, ausgedrückt in Gew.-%, C = 0,35%; Mn = 1,8%; Si = 0,25%; V = 0,12%; Mo = 0,050%; B ≤ 0,0005%; Ti = 0,012%, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht, die sich aus Verarbeitungsverfahren ergeben, die für diese Art der Stahlsorten üblich sind. In einem der Fälle, welche die einzige Figur umfasst, sind die Abkühlungsbedingungen für die Stange in der Walzhitze, wie bekannt ist, derart, dass eine Ferrito-Perlit-Struktur entsteht. In dem anderen betrachteten Fall wird gemäß einem Merkmal der Erfindung und, wie sie der Fachmann mithilfe der Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramme durchführen kann, eine Bainitstruktur erhalten.
Zur Behandlung der Stange 1 erfolgt das Erhitzen ihres Mittelabschnitts 2 durch Induktion, beispielsweise durch nachträgliches Schmieden. So erhält man in der Dicke des Stückes 1 und über die gesamte Länge des Mittelabschnitts 2 eine homogene Temperatur von etwa 1200ºC. Außerhalb des Mittelabschnitts 2, der dem direkten Einfluss der Erhitzungsvorrichtung unterworfen ist, erfolgt eine Abnahme der Temperatur des Stückes 1 in dem Maße, wie man sich vom Mittelabschnitt 2 entfernt, bis zu einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur von 20ºC. Dadurch stellt sich in den Abschnitten 3, 3' des Stückes 1 eine Temperatur zwischen dem Temperaturen ein, die man gewöhnlich als Ac3 und Ac1 der Sorte bezeichnet, aus der die Stange 1 besteht. Beim vorliegenden Beispiel sind diese Temperaturen 790 bzw. 740ºC, und die betreffenden Abschnitte 3, 3' erstrecken sich jeweils über eine Länge von etwa 30 mm. Diese Temperaturentwicklung längs der Stange 1 ist durch die Kurve 4 der einzigen Figur dargestellt.
Im Bezugsfall, in dem die Stange 1 zu Beginn eine Ferrito-Perlit-Struktur erhält, beobachtet man eine Enthärtung der Struktur insbesondere in denjenigen Abschnitten der Stange 1, deren Temperatur zwischen Ac3 und Acl liegt. Sie zeigt sich durch eine erhebliche Abnahme der Vickers-Härte, die etwa 300 bis 250 Hv unterschreitet. Diese Abnahme der Härte aus den oben genannten Gründen wird durch die Kurve 5 der einzigen Figur veranschaulicht. Im erfindungsgemäßen Fall, in dem der Stange 1 zu Beginn in der Walzhitze eine Bainitstruktur erhielt, wird jedoch diese lokale Enthärtung nicht beobachtet, wie die Kurve 6 zeigt. So bleiben die mechanischen Eigenschaften, die durch eine solche Enthärtung beeinflusst würden, über die gesamte Länge des Schmiedestückes homogen. Dies gilt insbesondere für sein Ermüdungsverhalten und seine Stoßfestigkeit.
Die Einwirkung des Erhitzens, das erfindungsgemäß keine lokale oder allgemeine Enthärtung der Struktur des Stückes herbeiführen soll, kann von unterschiedlicher Art sein und zu verschiedenen Zwecken durchgeführt werden. Außer Schmieden kann die Erfindung auch noch thermische Oberflächenbehandlungen, wie Laserhärtung, Induktionshärtung, Elektronenstrahlbombardement und Nitrierhärtungsbehandlungen betreffen. Das Erhitzen kann auch aufgrund eines Schweißarbeitsgangs entstehen. Nach erfolgter Behandlung sollte das Abkühlen des Stückes mit einer nicht zu kleinen Geschwindigkeit durchgeführt werden, nämlich mindestens 500ºC/Stunde, um die zuvor erhaltene Bainit-Struktur zu erhalten und eine eventuelle Enthärtung zu vermeiden.
Die Liste der in die Zusammensetzung des Stahls eingeschlossenen Elemente, wie oben spezifisch angegeben, ist selbstverständlich nicht beschränkend.
Durch die Erfindung lässt sich das Spektrum der Sorten vergrößern, die sich zur Herstellung von Werkstücken aus Maschinenbaustahl mit besseren und homogenen Eigenschaften einsetzen lassen. Sie vermeidet das Zurückgreifen auf nachträgliche thermische Behandlungen zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften, die möglicherweise durch eine Enthärtung der Struktur, wie beschrieben, beeinflusst werden, für eine Ersparnis bei der Zeit zur Herstellung des Werkstückes und bei seinem Herstellungskosten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Stückes aus Maschinenbaustahl, wobei man einen Rohling aus Mikrolegierstahl, der in Gew.-%:

0,05% ≤ C ≤ 0,5%; 1% ≤ Mn ≤ 2%; 0,05% ≤ Si ≤ 1,5%; 0,1% ≤ Cr ≤ 1%; 0% ≤ Mo ≤ 0,5%; 0 ≤ V ≤ 0,30%; 0 ≤ B ≤ 0,010%; 0 ≤ Ti ≤ 0,030%; 0 ≤ Nb ≤ 0,1% enthält; wobei der Rest Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst und der Rohling eine Bainitstruktur aufweist, einer thermischen oder thermomechanischen Behandlung unterwirft, umfassend einen Erhitzungsschritt, bei dem nur ein Teil des Rohlings einer Temperatur von 500 bis 900ºC ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen von einem Schritt zur Abkühlung des Teils mit einer Geschwindigkeit von 500ºC/Stunde gefolgt wird, um die Bainitstruktur zu erhalten und eine eventuelle Erweichung in mindestens einem Abschnitt außerhalb des Teils des Stückes zu vermeiden, das direkt dem Heizgerät ausgesetzt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen im Hinblick auf eine Warmumformung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen bei einer Nitrierhärtung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen eine Oberflächenvergütung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung eine Laserhärtung ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung eine Induktionshärtung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung ein Elektronenstrahlbeschuss ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen ein Schweißverfahren ist.

9. Stück aus Maschinenbaustahl, dadurch gekennzeichnet, dass es durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.