DE69608773T2 - Stahl für die Herstellung von teilbaren Maschinenteilen und Maschinenteile, hergestellt aus diesen Stahl - Google Patents

Stahl für die Herstellung von teilbaren Maschinenteilen und Maschinenteile, hergestellt aus diesen Stahl

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl für die Herstellung eines teilbaren Maschinenteils und insbesondere für die Herstellung einer Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor.
  • Bestimmte Maschinenteile, wie z. B. Pleuelstangen für einen Verbrennungsmotor bestehen aus wenigstens zwei trennbaren Bauteilen, die durch eine Befestigungsanordnung, beispielsweise Schrauben, miteinander verbunden sind. Diese Teile können aus Gußeisen, aus gesintertem und geschmiedetem Metallpulver oder aus geschmiedetem Stahl bestehen. Die Erfindung betrifft Teile und insbesondere Pleuelstangen aus geschmiedetem Stahl.
  • Der Stahl, aus dem die Pleuelstangen aus geschmiedetem Stahl bestehen, muß demzufolge zum Schmieden geeignet sein, leicht bearbeitbar sein und mechanische Eigenschaften aufweisen, welche eine lange Haltbarkeit während des Einsatzes der Pleuelstangen gewährleisten. Die im allgemeinen geforderten Eigenschaften bestehen in einer Härte, die zwischen 210 HB und 360 HB liegt und in einer Bruchfestigkeit, die zwischen 650 MPa und 1200 MPa liegt, um eine ausreichende Haltbarkeit zu erhalten, sowie eine Dehnungsgrenze, die zwischen 300 MPa und 800 MPa liegt, um Verformungen durch Überschreiten der Dehnungsgrenze zu vermeiden.
  • Die genaue Wahl der erforderlichen Eigenschaften für eine bestimmte Pleuelstange, die für einen bestimmten Motor geeignet ist, hängt von der Auslegung der Pleuelstange und der Art des Motors ab, in dem sie eingesetzt wird. Der hierfür erforderliche Stahl wird aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und des dazugehörigen Herstellungsverfahrens ausgewählt, welches nach dem Schmiedevorgang eine vorgegebene Abkühlung erfordert, um eine ferrito-perlitische Struktur zu erhalten, welche die erforderlichen mechanischen Eigenschaften hinsichtlich einer leichten Bearbeitbarkeit aufweist. Die dafür verwendeten Stähle sind im allgemeinen kohlenstoffhaltige Stähle vom Typ XC42 oder niedrig legierte Stähle vom Typ 45M5, 30MSV6, 38MVS5 (gemäß der französischen Norm). Der Gehalt an Kohlenstoff wird hauptsächlich als Funktion des erforderlichen Härtegrades gewählt, während die Legierungselemente hinzugegeben werden, entweder zur Erhöhung der Härtbarkeit des Stahls im Hinblick auf eine Erhöhung des Perlit-Anteils, wodurch die Bearbeitbarkeit begünstigt wird oder zur Härtung des Ferrits und zur Verbesserung des Verhältnisses von Dehnungsgrenze zu Bruchfestigkeit. Mit derartigen Stählen kann eine Unterteilung in verschiedene Abschnitte der Pleuelstange nur durch Bearbeitung erfolgen, die eine Vielzahl komplizierter und teurer Bearbeitungsvorgänge aufweist.
  • Bestimmte Pleuelstangen aus Gußeisen oder die durch Pulvermetallurgie hergestellt wurden, können in zwei Abschnitte unterteilt werden durch einen Trennbruch entlang einer vorgegebenen Ebene. Diese Technik zum Erhalt trennbarer Maschinenteile weist mehrere Vorteile auf, darunter insbesondere denjenigen der erheblichen Vereinfachung des Herstellungsverfahrens durch Vermeidung von Bearbeitungsschritten, ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, der aus der Art der verwendeten Materialien resultiert.
  • Um sich die Vorteile der Technik der trennbaren Pleuelstangen im Hinblick auf Pleuelstangen aus Stahl nutzbar zu machen, wurde bereits im US-Patent 5,135,587 vorgeschlagen, einen Stahl zu verwenden, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweist: 0,6% bis 0,75% Kohlenstoff, 0,2% bis 0,5% Mangan, 0,04% bis 0,12 % Schwefel mit Mn/S > 3, wobei der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht; der Gehalt an Verunreinigungen ist geringer als 1, 2%; die Struktur ist praktisch zu 100% perlitisch und die Korngröße liegt zwischen 3 ASTM und 8 ASTM. Die Verunreinigungen, wie z. B. P, Si, Ni, V, Cu, Cr und Mo weisen vorzugsweise die folgenden Anteile auf: Ni ≤ 0,2%, Mo ≤ 0,02%, Cr ≤ 0,1%, Cu ≤ 0,15%, V ≤ 0,035%, 0,15% ≤ Si ≤ 0,35% und P ≤ 0,03%. Dieser (gemäß der französischen Norm) als XC70 bezeichnete Stahl weist den Nachteil auf, dass er während des Schrittes des Trennbruchs ein ungleichmäßiges Verhalten zeigt, insbesondere deswegen, weil es praktisch unmöglich·ist, in industriellem Maßstab den Anteil der proeutektoidischen Phase zu beherrschen, die zwischen 0% und 15% variieren kann als Funktion der genauen chemischen Analyse des Stahls und der verwendeten Herstellungsanlagen, wodurch seine industrielle Verwendung erschwert wird; da ausserdem nur die für den Stahl XC70 erforderlichen Eigenschaften erhalten werden, ist dessen Verwendung auf Maschinenteile eingeschränkt, für die diese Eigenschaften ausreichend sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Stahl vorzuschlagen, der die erforderlichen mechanischen Eigenschaften für einen großen Anwendungsbereich aufweist und der insbesondere für Pleuelstangen geeignet ist, bei guter Bearbeitbarkeit und auf den sich der Trennbruchschritt im ausreichenden industriellen Maßstab anwenden läßt.
  • Lösungsgemäß betrifft daher die Erfindung einen Stahl zur Herstellung eines trennbaren Maschinenteiles, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweist: 0,25% &le; C &le; 0,75%, 0,2% &le; Si &le; 1,5%, 0,1% &le; Mn &le; 2%, 0% &le; Ni &le; 1%, 0% &le; Cr &le; 1%, 0% &le; Mo &le; 1%, 0% < Cu &le; 1%, 0% &le; V &le; 0, 2%, 0,02% &le; S &le; 0,35%, 0,04% &le; P &le; 0, 2 %, 0% &le; Al &le; 0,005%, 0,005% &le; N &le; 0,02%, gegebenenfalls wenigstens ein Element, das ausgewählt ist aus Blei, Tellur und Selen mit Gehalten von weniger als 0,1%, wobei der Rest Eisen und aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen sind und wobei der Stahl gegebenenfalls mit Kalzium behandelt wird.
  • Vorteilhafterweise erfüllt die chemische Zusammensetzung des Stahls wenigstens eine der folgenden Beziehungen: 0,06% &le; P &le; 0,12%, 0,8% cSi &le; 1,2%, 0,05% &le; V &le; 0,15 %.
  • Die chemische Zusammensetzung des Stahls kann derart sein, dass gilt: 0, 65% &le; C &le; 0, 75%, 0,25% &le; Mn &le; 1%, Ni &le; 0,15%, Cr &le; 0,15%, Mo &le; 0,05%, Cu &le; 0,35%.
  • Die chemische Zusammensetzung des Stahls kann auch derart sein, dass gilt: 0,25% &le; C &le; 0,5%, Ni &le; 0,15%, Cr &le; 0,15 %, Mo &le; 0,05%, Cu &le; 0,35% und vorzugsweise 0,25% &le; Mn &le; 1,3%.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahls für die Herstellung eines Maschinenteils, welches wenigstens zwei Bauteile aufweist, die durch einen Trennbruch eines Rohlings dieses Maschinenteils erhalten worden sind, sowie dieses Maschinenteil. Dieses Maschinenteil kann insbesondere eine Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor sein, welche z. B. aus einem Stahl besteht, dessen Härte zwischen 210 HB und 360 HB liegt, dessen Bruchfestigkeit zwischen 650 MPa und 1200 MPa liegt, mit einer Mehrzahl relativ großer Körner, wobei der Größenindex ASTM der austenitischen Körner kleiner als 5 ist und der vorteilhafterweise eine Struktur aufweist, die wenigstens 70% Perlit enthält.
  • Im folgenden wird die Erfindung genauer, jedoch nicht begrenzend beschrieben.
  • Der erfindungsgemäße Stahl ist ein kohlenstoffhaltiger oder niedrig legierter Stahl für den Maschinenbau, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweist:
  • - mehr als 0,25% Kohlenstoff, um eine ferritoperlitische oder perlitische Struktur zu erhalten, deren Härte mehr als 210 HB beträgt, jedoch weniger als 0,75%, um die Ausbildung von für die Bearbeitung nachteiligen Eisenkarbiden zu verhindern;
  • - 0,04% bis 0,2% Phosphor, vorzugsweise 0,06% bis 0,12% zur Sprödigkeitserhöhung (1) der Struktur und insbesondere des Ferrits, die nach dem Schmieden und der thermischen Behandlung erhalten wird; insbesondere dann, wenn die Struktur im wesentlichen perlitisch ist, ermöglicht es dieser Gehalt an Phosphor, eine gute Reproduzierbarkeit der Trennbruchbearbeitung der Rohlinge der Maschinenteile zu erhalten; vorzugsweise wird ein derartiger Phosphorgehalt gewählt, das gilt: P &ge; 0,18 - 0,2 · C. Hiermit erhält man eine Schlagzähigkeit Kcv von weniger als ungefähr 7 Joules bei der Umgebungstemperatur, die erforderlich ist, um ein gutes 100%iges Trennbruchverhalten zu gewährleisten mit einer seitlichen Verformung mit weniger oder gleich als 120 um;
  • - weniger als 0,005% und vorzugsweise weniger als 0,003 % Aluminium, um Aluminiumoxideinschlüsse zu vermeiden, die schädlich für die Bearbeitbarkeit sind und auch um die Ausbildung von Aluminiumnitriden zu verhindern, die ein Wachsen des Korns während der Wiedererwärmung vor dem Schmiedevorgang verhindern, wodurch die Trennbrucheigenschaft herabgesetzt wird;
  • - 0,2% bis 1,5% Silizium; Silizium ist ein reduzierendes Element, welches in Gehalten hinzugefügt werden muß, die größer als 0,2% sind, um eine gute Reduktion zu erzielen, wobei jedoch bei größeren Gehalten dieses Element das Ferrit durchhärtet und versprödet, wodurch die Bearbeitbarkeit verbessert wird; um diesen vorteilhaften Effekt zu erzielen, sollte der Gehalt zwischen 0,8% und 1,2% liegen;
  • - 0% bis 0,2% und vorzugsweise 0,05% bis 0,15% Vanadium, um das Ferrit zu härten und das Verhältnis zwischen Dehnungsgrenze und Bruchfestigkeit zu verbessern;
  • - 0,02% bis 0,35%, vorzugsweise 0,05% bis 0,12% Schwefel, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern;
  • - gegebenenfalls wenigstens ein Element, das ausgewählt ist aus Blei, Tellur und Selen mit Gehalten von weniger als 0,1%, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern;
  • 0,1% bis 2% Mangan und vorzugsweise mehr als 0,25%, um den Schwefel in Form von Mangansulfiden zu binden, wobei in diesem Fall der Gehalt an Schwefel auf 1% begrenzt sein kann; Mangan kann ebenfalls hinzugefügt werden, um die Härtbarkeit zu erhöhen und dadurch die Anfangstemperatur des ferrito-perlitischen Übergangs abzusenken, sodass der Ferrit-Gehalt begrenzt wird und die Bearbeitbarkeit verbessert wird;
  • - gegebenenfalls ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus Nickel, Chrom, Molybdän und Kupfer mit Gehalten, die zwischen 0% und 1% liegen zur Einstellung der Härtbarkeit; wenn diese Elemente nicht vorsätzlich zugegeben werden, können sie trotzdem als Restelemente vorhanden sein, welche während der Verarbeitung durch andere Stoffe eingebracht werden, wobei in diesem Fall die Gehalte an Nickel und Chrom kleiner als 0,15% sind, der Gehalt an Molybdän kleiner als 0,05% ist und der Gehalt an Kupfer kleiner als 0,35% ist
  • Aus dieser Vielzahl von Stählen kann je nach der beabsichtigten Verwendung beispielsweise ein fast eutektoidischer Stahl mit 0,65% bis 0,75% Kohlenstoff weniger als 1% Silizium, 0,25% bis 1% Mangan, weniger als 0,15% Nickel, weniger als 0,15% Chrom, weniger als 0,05% Molybdän, weniger als 0,35% Kupfer und weniger als 0,005% Aluminium, gewählt werden.
  • Es läßt sich auch ein Stahl verwenden, dessen Kohlenstoffgehalt geringer ist und dessen chemische. Zusammensetzung insbesondere 0,25% &le; C &le; 0,5%, Ni &le; 0,15%, Cr &le; 0,15%, Mo &le; 0,05%, Cu &le; 0,35% enthält. Dieser Stahl kann ein Kohlenstoffstahl sein, wobei er in diesem Fall weniger als 0,5% Mangan enthält. Es kann sich jedoch auch um einen niedrig mit Mangan, Silizium oder eventuell Vanadium legierten Stahl handeln. In diesem Fall kann er zwischen 1% und 2% Mangan und/oder zwischen 0,5% und 1,5% Silizium und/oder zwischen 0,5% und 0,2% Vanadium enthalten.
  • Zur Herstellung eines trennbaren Teils wird ein erfindungsgemäßer Schmiederohling verwendet, der auf eine Temperatur, die zwischen 1100ºC und 1300ºC liegt, derart erwärmt wird, dass er einerseits austenisiert und dass andererseits das Korn wächst, um ihm schließlich die zum Schmieden erforderliche Duktilität zu geben, wonach er geschmiedet wird, um ihm die gewünschte Form zu erteilen; der Schmiedevorgang wird bei einer Temperatur von mehr als 850ºC beendet. Direkt nach dem Schmieden wird er gesteuert auf die Umgebungstemperatur abgekühlt, beispielsweise in einem Kühltunnel mit einer mittleren Abkühlgeschwindigkeit zwischen der Temperatur am Ende des Schmiedevorgangs und 200ºC, die zwischen 0,5ºC/s und 15ºC/s liegt. Dadurch erhält man eine ferrito-perlitische Struktur mit einer Mehrheit von relativ großen Körnern, deren Größenindex ASTM für das austenitische Korn kleiner als 5 ist, mit einem Gehalt von weniger als 30% Ferrit und mit den erforderlichen Eigenschaften für die Härte und die Zugfestigkeit, wobei die Schlagzähigkeit kleiner als 7 Joules bei der Umgebungstemperatur ist. Der dadurch erhaltene Teilerohling wird anschließend bearbeitet und danach in zwei Bauteile durch einen Trennbruch unterteilt mittels eines Schlages.
  • Als erstes Beispiel wurden Pleuelstangen hergestellt unter Verwendung eines Stahls der Bezeichnung XC70, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufwies:
  • C = 0,71%
  • Si = 0,250%
  • Mn = 0,8
  • Ni = 0,08%
  • Cr = 0,05
  • Mo = 0,01%
  • Cu = 0,3
  • S = 0, 07%
  • P = 0,045
  • Al = 0,002
  • N = 0,012%
  • Rest Eisen und aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen.
  • Nach dem Schmieden wurden die Stahlrohlinge auf 1250ºC erwärmt; die Temperatur am Ende des Schmiedens betrug 1000ºC. Nach dem Schmieden wurde der Rohling abgekühlt, indem er einen Kühltunnel durchlief, wobei die mittlere Abkühlgeschwindigkeit gesteuert auf Werte zwischen 1ºC/s und 3ºC/s eingestellt wurde, um den Dispersionseffekt einer industriellen Herstellung zu simulieren. Die erhaltenen Eigenschaften sind die folgenden:
  • Struktur: perlitisch mit 0% bis 15% Ferrit,
  • HB zwischen 270 und 310,
  • Rm zwischen 900 MPa und 1050 MPa,
  • Re zwischen 500 MPa und 600 MPa,
  • Kcv kleiner als 7 Joules bei der Umgebungstemperatur.
  • Diese Rohlinge wurden anschließend bearbeitet und. danach durch einen Trennbruch in zwei Bauteile unterteilt. Diese Trennung durch einen Trennbruch erfolgt ohne Schwierigkeiten unabhängig vom Ferrit-Gehalt.
  • Als zweites Beispiel wurden Pleuelstangen hergestellt unter Verwendung eines Stahls der Bezeichnung 50M5, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufwies
  • C = 0,505%
  • Si = 0,240%
  • Mn = 1,3%
  • Ni = 0,11%
  • Cr = 0,08%
  • Mo = 0,01%
  • Cu = 0,32%
  • S = 0,003%
  • P = 0,075%
  • Al = 0,003%
  • N = 0,011%
  • Rest Eisen und aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen.
  • Nach dem Schmieden wurde der Stahlrohling auf 1250ºC erwärmt; die Temperatur am Ende des Schmiedens betrug 1000ºC. Nach dem Schmieden wurde der Rohling abgekühlt, indem er einen Abkühltunnel durchlief mit einer gesteuerten mittleren Abkühlgeschwindigkeit, die zwischen 1ºC/s und 6ºC/s lag, um den Dispersionseffekt für die industrielle Herstellung zu simulieren. Die erhaltenen Eigenschaften waren die folgenden:
  • Struktur: perlitisch mit 0 bis 20% Ferrit,
  • HB zwischen 260 und 300,
  • Rm zwischen 860 MPa und 1000 MPa,
  • Re zwischen 400 MPa und 650 MPa,
  • Kcv weniger als 6 Joules bei der Umgebungstemperatur.
  • Die Rohlinge wurden anschließend bearbeitet und in zwei Bauelemente durch einen Trennbruch unterteilt. Diese Trennung durch einen Trennbruch erfolgte ohne Schwierigkeiten, unabhängig vom Ferrit-Gehalt.
  • Als drittes Beispiel wurden Pleuelstangen hergestellt unter Verwendung eines Stahl der Bezeichnung 38MSV5, dessen chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufwies
  • C = 0,39%
  • Si = 0,75%
  • Mn = 1,24%
  • Ni = 0,13%
  • Cr = 0,15%
  • Mo = 0,005%
  • Cu = 0,2%
  • V = 0,105%
  • S = 0,11%
  • P = 0,103%
  • Al = 0,004%
  • N = 0,009%
  • Rest Eisen und aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen.
  • Nach dem Schmieden wurde der Stahlrohling auf 1260ºC erwärmt; die Temperatur am Ende des Schmiedens betrug 1030ºC. Nach dem Schmieden wurde der Rohling abgekühlt, indem er einen Abkühltunnel durchlief, mit gesteuerten mittleren Abkühlgeschwindigkeiten zwischen 1ºC/s und 6ºC/s, um den Dispersionseffekt für die industrielle Herstellung zu simulieren. Die erhaltenen Eigenschaften waren die folgenden:
  • Struktur: perlitisch mit 0 bis 25% Ferrit,
  • HB zwischen 260 und 310,
  • Rm zwischen 880 MPa und 1050 MPa,
  • Re zwischen 500 MPa und 700 MPa,
  • Kcv weniger als 6,5 Joules.
  • Die Rohlinge wurden anschließend bearbeitet und in zwei Bauteile durch einen Trennbruch unterteilt. Diese Trennung durch den Trennbruch erfolgte ohne Schwierigkeiten, unabhängig von dem Ferrit-Gehalt.
  • Diese Beispiele zeigen, dass es mit den erfindungsgemäßen Stählen möglich ist, in zuverlässiger Weise teilbare Pleuelstangen herzustellen, sowie ganz allgemein teilbare Maschinenteile mit ferrito-perlitischen Strukturen, die leicht zu bearbeiten sind bei niedrigen und hohen Schneidegeschwindigkeiten.

Claims (12)

1. Stahl zur Herstellung eines teilbaren Maschinenteils, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozenten aufweist:
0,25% &le; C &le; 0,75% 0,2% &le; Si &le; 1,5% 0,1% &le; Mn &le; 2% 0% &le; Ni &le; 1 % 0% &le; Cr &le; 2 % 0% &le; Mo &le; 1% 0% &le; Cu &le; 1% 0% &le; V &le; 0,2% 0,02% &le; S &le; 0,35% 0,04% &le; P &le; 0,2% 0% &le; Al &le; 0,005% 0,005% &le; N &le; 0,02%
- gegebenenfalls wenigstens ein Element, das ausgewählt ist aus Blei, Tellur und Selen mit Gehalten von weniger als 0,1 %, Rest Eisen und aus der Verarbeitung stammende Verunreinigungen, wobei der Stahl gegebenenfalls mit Kalzium behandelt ist.
2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,06% &le; P &le; 0,12%.
3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,8% &le; Si &le; 1,2%.
4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,05% &le; V &le; 0,15%
5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,65% &le; C &le; 0,75% 0,25% &le; Mn &le; 1% Ni &le; 0,15% Cr &le; 0,15% Mo &le; 0,05 Cu &le; 0,35% Al &le; 0,005
6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,25% &le; C &le; 0,5% Ni &le; 0,15% Cr &le; 0,15% Mo &le; 0,05% Cu &le; 0,35%
7. Stahl nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt:
0,25% &le; Mn &le; 1,3%.
8. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung eines Maschinenteils, das wenigstens zwei Bauteile enthält, die durch einen Trennbruch eines Rohlings erhalten worden sind.
9. Verwendung eines Stahls nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil eine ferrito-perlitische Struktur aufweist.
10. Maschinenteil, das wenigstens zwei Bauteile enthält, die durch einen Trennbruch eines Rohlings erhalten worden sind, insbesondere Pleuelstange, beispielsweise für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem Stahl gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.
11. Teil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl, aus dem es besteht, eine Härte aufweist, die zwischen 210 HB und 360 HB liegt, eine Bruchfestigkeit aufweist, die zwischen 650 MPa und 1200 MPa liegt und eine Mehrheit an Körnern aufweist, deren Größenindex ASTM für das austenitische Korn kleiner als 5 ist.
12. Teil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der es bildende Stahl eine Struktur aufweist, die wenigstens 70% Perlit enthält.
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