DE69728076T2

DE69728076T2 - Herstellungsverfahren eines Stahlschmiedestücks

Info

Publication number: DE69728076T2
Application number: DE69728076T
Authority: DE
Inventors: Jacques Bellus; Pierre Jolly; Claude Pichard; Vincent Jacot; Christian Tomme; Daniel Robat
Original assignee: Ascometal SA
Current assignee: Ascometal SA
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-01-08
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-01-09
Also published as: HU9700269D0; JPH09209086A; NO970548D0; PT787812E; ATE262047T1; BR9700917A; PL318366A1; EP0787812A1; PL182920B1; FR2744733B1; FR2744733A1; HUP9700269A3; DE69728076D1; DK0787812T3; SI9700025A; CZ293691B6; ES2217374T3; MX9700924A; HUP9700269A2; KR970062058A

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von hochwertigen Schmiedestücken aus Stahl.
Hochwertige Schmiedestücke aus Stahl und insbesondere hochwertige Schmiedestücke für Kraftfahrzeuge werden mit Hilfe von verschiedenen Techniken hergestellt, die jeweils Nachteile besitzen.
Gemäß einer ersten Technik bestehen die Werkstücke aus einem Stahl vom Typ Chrom-Molybdän, dessen chemische Zusammensetzung in Gewicht 0,25% bis 0,45% Kohlenstoff, etwa 1% Chrom und etwa 0,25% Molybdän umfasst. Die Werkstücke werden geschmiedet und dann einer thermischen Härtungs- und Anlassbehandlung unterzogen, die dazu bestimmt ist, ihnen eine Martensitanlassstruktur zu verleihen, um insbesondere eine Zugfestigkeit Rm in einer Größenordnung von 1000 MPa zu erhalten. Diese Technik besitzt den Nachteil, dass sie kostspielig ist und manchmal Verformungen der Geometrie der Werkstücke verursacht.
Gemäß einer anderen Technik bestehen die Werkstücke aus einem Stahl, der 0,3% bis 0,4% Kohlenstoff, 1% bis 1,7% Mangan, 0,25% bis 1% Silizium und bis zu 0,1% Vanadium enthält. Nach dem Schmieden werden die Werkstücke langsam abgekühlt, um ihnen eine ferritischperlitisch Struktur zu verleihen. Diese Technik, die weniger kostspielig als die vorhergehende ist, hat jedoch mehrere Nachteile:

– es ist nicht möglich, eine Zugfestigkeit Rm über 1000 MPa zu erhalten,
– das Verhältnis von Elastizitätsgrenze zu Zugfestigkeit RP0,2/Rm liegt unter 0,75, was die Möglichkeiten der Gewichtsverringerung der Werkstücke begrenzt, wenn diese insbesondere entsprechend der Elastizitäts grenze bemessen sind,
– die Übergangstemperatur der Schlagzähigkeit liegt über 50°C, was zu einer geringen Stoßfestigkeit führt,
– manchmal ist es erforderlich, die Herstellungsanlagen anzupassen, indem Kühltunnel hinzugefügt werden, um eine angepasste Abkühlung nach dem Schmieden zu erhalten.

Die Schmiedestücke können auch aus einem Stahl bestehen, der weniger Kohlenstoff als im vorhergehenden Fall enthält, und in der Schmiedewärme mit Wasser gehärtet werden, um ihnen eine bainitische oder bainitisch-martensitische Struktur zu verleihen. Mit dieser Technik kann man eine Zugfestigkeit Rm über 1000 MPa und eine Elastizitätsgrenze Rp0,2 über 800 MPa erhalten, sie besitzt jedoch den Nachteil, eine Härtung mit Wasser zu erfordern, die manchmal geometrische Verformungen verursacht, die die Notwendigkeit eines Nachrichtganges mit sich bringen oder die sogar unzulässig sein können.
Manche Werkstücke bestehen aus einem Stahl, der zwischen 0,3% und 0,4% Kohlenstoff und zwischen 1,9% und 2,5% Mangan enthält. Sie werden nach dem Schmieden mit Luft so gekühlt, dass sie ein bainitisches Gefüge mit hohen mechanischen Werten aufweisen. Diese Werkstücke besitzen jedoch häufig Bänder mit Seigerungen mit martensitischem Gefüge, die die Bearbeitung schwierig machen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von hochwertigen Schmiedestücken zu schaffen, durch das diese Nachteile beseitigt werden.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen Stahl für die Herstellung von Schmiedestücken, deren chemische Zusammensetzung in Gewicht umfasst: 0,1% ≤ C ≤ 0,4% 1% ≤ Mn ≤ 1,8% 0,15% ≤ Si ≤ 1, 7% 0% ≤ Ni ≤ 1% 0% ≤ Cr ≤ 1,2% 0% ≤ Mo ≤ 0,3% 0% ≤ V ≥ 0,3% Cu ≤ 0,35%

– gegebenenfalls 0,005% bis 0,06% Aluminium,
– gegebenenfalls Bor in Gehalten zwischen 0,0005% und 0,01%,
– gegebenenfalls zwischen 0,005% und 0,03% Titan,
– gegebenenfalls zwischen 0,005% und 0,06% Niob,
– gegebenenfalls 0,005% bis 0,1% Schwefel, gegebenenfalls bis zu 0,006% Calcium, gegebenenfalls bis zu 0,03% Tellur, gegebenenfalls bis zu 0,05% Selen, gegebenenfalls bis zu 0,05% Wismut, gegebenenfalls bis zu 0,1% Blei, wobei der Rest Eisen und sich aus der Herstellung ergebende Verunreinigungen sind,

Ähnliche Sorten wurden bereits in EP-A-717116, JP-A-6017188 und JP-A-60096718 veröffentlicht.
Der Kohlenstoffgehalt ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 0,3%, der Mangangehalt ist vorzugsweise kleiner als 1,6%. Je nach der Art der ins Auge gefassten Anwendungen kann der Siliziumgehalt vorzugsweise größer als 1,2% oder kleiner als 0,8% sein.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestücks, gemäß welchem man eine Luppe aus einem Stahl mit der genannten Zusammensetzung bereitstellt und sie warmschmiedet, um ein Werkstück zu erhalten,
– man das Werkstück einer Wärmebehandlung unterzieht, die eine Abkühlung von einer Temperatur an, bei der der Stahl austenitisch ist, bis auf eine Temperatur Tm zwischen Ms + 100°C und Ms – 20°C mit einer Kühlgeschwindigkeit Vr über 0,5°C/s umfasst, worauf ein Halten des Werkstücks % zwischen Tm und Tf mit Tf ≥ Tm – 100°C und vorzugsweise Tf ≥ Tm – 60°C während mindestens 2 Minuten folgt, so dass man ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge erhält, das mindestens 15% unteres Bainit und vorzugsweise mindestens 30% zwischen Tm und Tf gebildeten Bainit umfasst.
Die Kühlgeschwindigkeit Vr ist vorzugsweise größer als 2°C/s.
Nach dem Halten zwischen Tm und Tf kann das Werkstück auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden und gegebenenfalls einem Anlassen zwischen 150°C und 650°C unterzogen werden.
Nach dem Halten zwischen Tm und Tf kann das Werkstück ferner auf eine Temperatur unter 650°C erhitzt und dann auf Umgebungstemperatur gekühlt werden.
Die Wärmebehandlung kann entweder nach einer Erhitzung des Schmiedestücks auf eine Temperatur über AC₃ oder direkt nach dem Schmieden durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nun ausführlicher, jedoch nicht begrenzend beschrieben und durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.
Die chemische Zusammensetzung des für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Stahls umfasst in Gewicht:

– mehr als 0,1% Kohlenstoff und vorzugsweise mehr als 0,15%, um eine ausreichende Härte zu erhalten, jedoch weniger als 0,4% und vorzugsweise weniger als 0,3%, um die Zugfestigkeit Rm auf 1200 MPa zu begrenzen;
– mehr als 1% Mangan, um eine ausreichende Härtbarkeit zu erhalten, jedoch weniger als 1,8% und vorzugsweise weniger als 1,6%, um die Bildung von Bändern mit Seigerungen zu vermeiden;
– mehr als 0,15% Silizium, um den Ferrit zu härten und um gegebenenfalls die Bildung von Restaustenit zu begünstigen, was die Dauerfestigkeit verbessert, jedoch weniger als 1,7%, da das Silizium den Stahl darüber hinaus spröde macht; zwischen 0,15% und 0,8% Silizium härtet den Ferrit, ohne die Bildung von Restaustenit zu begünstigen; zwischen 1,5% und 1,7% Silizium begünstigt die Bildung von Restaustenit ausreichend, um die Dauerfestigkeit zu verbessern; je nach den Anwendungen kann der Siliziumgehalt in dem einen oder dem anderen dieser Bereiche gewählt werden;
– 0% bis 1% Nickel, 0% bis 1,2% Chrom und 0% bis 0,3% Molybdän, um die Härtbarkeit einzustellen;
– gegebenenfalls Titan in Gehalten zwischen 0,005% und 0,03%,
– gegebenenfalls Niob in Gehalten zwischen 0,005% und 0,06%;
– gegebenenfalls Bor in Gehalten zwischen 0,0005% und 0,01%, um die Wirkung der vorhergehenden Elemente auf die Härtbarkeit zu ergänzen; in diesem Fall zieht man vor, dass der Stahl Titan enthält, um die Wirkung von Bor zu verstärken;
– 0% bis 0,3% Vanadium, um eine ergänzende Härtung zu erreichen und die Härtbarkeit zu verbessern;
– weniger als 0,35% Kupfer, ein Restelement, das häufig in aus Schrott hergestelltem Stahl vorliegt, das jedoch in zu großer Menge den Nachteil hat, die Schmiedbarkeit zu beeinträchtigen;
– gegebenenfalls 0,005% bis 0,06% Aluminium, um die Desoxidation des Stahls zu gewährleisten und um die Vergrößerung des Austenitkorns zu steuern, insbesondere wenn die Siliziumgehalt unter 0,5% liegt,
– gegebenenfalls 0,005% bis 0,1% Schwefel, gegebenenfalls bis zu 0,006% Calcium, gegebenenfalls bis zu 0,03% Tellur, gegebenenfalls bis zu 0,05% Selen, gegebenenfalls bis zu 0,05% Bismuth, gegebenenfalls bis zu 0,1% Blei, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern; wobei der Rest Eisen und sich aus der Bearbeitung ergebende Verunreinigungen sind.

Zur Herstellung eines Schmiedestücks stellt man eine Luppe aus einem Stahl mit dieser Zusammensetzung bereit und schmiedet sie warm, nachdem sie auf eine Temperatur über AC₃, vorzugsweise über 1150°C und noch besser zwischen 1200°C und 1280°C erhitzt wurde, so dass ihr ein vollständig austenitisches Gefüge und eine ausreichend niedrige Fließspannung verliehen wird. Nach dem Schmieden unterzieht man das Werkstück einer Wärmebehandlung, die entweder direkt in der Schmiedehitze oder nach Abkühlen des Werkstücks und Wiedererwärmung über die Temperatur AC₃ des Stahls durchgeführt werden kann.
Die Wärmebehandlung umfasst eine Abkühlung mit einer bei Passieren von 700°C gemessenen Kühlgeschwindigkeit Vr über 0,5°C/s und vorzugsweise über 2°C/s auf eine Temperatur Tm zwischen Ms + 100°C und Ms – 20°C, wobei Ms die Temperatur des Beginns der martensitischen Umwandlung des Stahls ist. Auf diese Kühlung folgt ein Halten während einer Zeit von mehr als 2 min zwischen der Temperatur Tm und einer Temperatur Tf ≥ Tm – 100°C und vorzugsweise Tf ≥ Tm – 60°C. Auf dieses Halten folgt entweder eine Abkühlung auf Umgebungstemperatur, die gegebenenfalls durch ein Anlassen zwischen 150°C und 650°C ergänzt wird, oder eine Erhitzung auf eine Temperatur unter oder gleich 650°C vor dem Abkühlen auf Raumtemperatur.
Diese Wärmebehandlung hat zum Ziel, dem Werkstück ein im Wesentlichen bainitisches Gefüge zu verleihen, das weniger als 20% Ferrit und mindestens 15% und vorzugsweise mindestens 30% zwischen Tm und Tf gebildeten unteren Bainit umfasst. Sie kann auf dem ganzen Werkstück oder einfach an einem Teil, das eine besondere Funktionalität besitzt, durchgeführt werden.
Die Bedingungen des Haltens (Tm, Tf, Dauer) sowie die Anteile jedes der Gefüge und insbesondere der Anteil an unterem Bainit können auf dem Fachmann bekannte Weise mit Hilfe von dilatometrischen Messungen an Prüfstäben bestimmt werden.
Die auf diese Weise erhaltenen Werkstücke haben den Vorteil, dass sie eine Zugfestigkeit Rm zwischen 950 MPa und 1150 MPa, eine Elastizitätsgrenze Rp0,2 über 750 MPa, eine Kerbzähigkeit Mesnager K über 25 Joules/cm² bei 20°C, eine Bearbeitbarkeit, die mindestens gleich der von Werkstücken mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge ist, und eine gute Ermüdungsfestigkeit σ_D/Rm > 0,5 bei rotierender Biegung mit 2 × 10⁶ Zyklen besitzt.
Als erstes Beispiel hat man eine Achse mit einem Stahl hergestellt, dessen chemische Zusammensetzung in Gew.-% war:
Dieser Stahl enthielt ferner 0,065% S zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit. Seine Temperatur Ms betrug 380°C.
Das Werkstück wurde zwischen 1280°C und 1050°C warmgeschmiedet. Direkt nach dem Schmieden wurde das Werkstück mit Blasluft mit einer Geschwindigkeit von 2,6°C/s auf eine Temperatur von 425°C gekühlt und dann während 10 min zwischen 425°C und 400°C gehalten; schließlich wurde das Werkstück durch natürliche Abkühlung mit Luft auf Umgebungstemperatur gekühlt.
Das auf diese Weise erhaltene Werkstück hatte ein Gefüge, das mindestens 80% Bainit umfasste. Seine Merkmale waren:
Rm = 1100 MPa
Rp0,2 = 870 MPa
A% = 10%
Z = 60%
Als zweites Beispiel hat man einen Achsschenkel mit einem Stahl hergestellt, der die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% hatte:
Dieser Stahl enthielt außerdem 0,05% S, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Seine Temperatur Ms betrug 385°C.
Das Werkstück wurde zwischen 1270°C und 1040°C warmgeschmiedet. Direkt nach dem Schmieden wurde das Werkstück mit Blasluft mit einer Geschwindigkeit von 2,6°C/s auf die Temperatur von 400°C gekühlt und dann während 10 min zwischen 400°C und 380°C gehalten; das Werkstück wurde dann während 1 Stunde auf die Temperatur von 550°C gebracht, und dann wurde es durch natürliche Abkühlung an der Luft auf Umgebungstemperatur gekühlt.
Das auf diese Weise erhaltene Werkstück hatte ein Gefüge mit mindestens 80% Bainit. Seine Merkmale waren:
Rm = 967 MPa
Rp0,2 0 822 MPa
A% = 12%
Z = 60%
Als drittes Beispiel hat man ein Kugelgelenk mit einem Stahl hergestellt, der die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-% hatte:
Dieser Stahl enthielt außerdem 0,06% S, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Seine Temperatur Ms betrug 350°C.
Das Werkstück wurde zwischen 1270°C und 1060°C warmgeschmiedet. Direkt nach dem Schmieden wurde das Werkstück mit ruhiger Luft mit einer Geschwindigkeit von 1,19°C/s auf die Temperatur von 380°C ge kühlt und dann während 10 min zwischen 380°C und 360°C gehalten; schließlich wurde das Werkstück durch natürliche Kühlung an der Luft auf Umgebungstemperatur gekühlt.
Das auf diese Weise erhaltene Werkstück hatte ein Gefüge mit mindestens 80% Bainit. Seine Merkmale waren:
Rm = 1170 MPa
Rp0,2 = 947 MPa
A% = 8%
Z = 50%
Die auf diese Weise erhaltenen Werkstücke können insbesondere Werkstücke für Kraftfahrzeuge sein, wie Aufhängungsdreiecke, Übertragungswellen, Pleuelstangen, können jedoch auch Wellen, Nocken oder jedes andere Schmiedestück für verschiedene Maschinen sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestücks, dadurch gekennzeichnet, daß – man eine Luppe aus einem Stahl bereitstellt, dessen chemische Zusammensetzung in Gewicht umfaßt: 0,1% ≤ C ≤ 0,4% 1% ≤ Mn ≤ 1,8 0,15% ≤ Si ≤ 1,7 0% ≤ Ni ≤ 1 0% ≤ Cr ≤ 1,2 0% ≤ Mo ≤ 0,3 0% ≤ V ≥ 0,3 Cu ≤ 0, 35 – gegebenenfalls 0,005% bis 0,06% Aluminium, – gegebenenfalls Bor in Gehalten zwischen 0,0005% und 0,01%, – gegebenenfalls zwischen 0,005% und 0,03% Titan, – gegebenenfalls zwischen 0,005% und 0,06% Niob, – gegebenenfalls 0,005% bis 0,1% Schwefel, gegebenenfalls bis zu 0,006% Calcium, gegebenenfalls bis zu 0,03% Tellur, gegebenenfalls bis zu 0,05% Selen, gegebenenfalls bis zu 0,05% Wismut, gegebenenfalls bis zu 0,1% Blei, wobei der Rest Eisen und sich aus der Herstellung ergebende Verunreinigungen sind, – man die Luppe warm schmiedet, um ein Werkstück zu erhalten, – man das Werkstück einer Wärmebehandlung unterzieht, die eine Abkühlung von einer Temperatur an, bei der der Stahl ganz austenitisch ist, bis zu einer Temperatur Tm zwischen Ms + 100°C und Ms – 20°C mit einer Kühlgeschwindigkeit Vr über 0,5°C/s umfaßt, worauf ein Halten des Werkstücks zwischen der Temperatur Tm und einer Temperatur Tf, die höher als oder gleich Tm – 100°C ist, während mindestens 2 Minuten folgt, so daß man ein im wesentlichen bainitisches Gefüge erhält, das mindestens 15% zwischen Tm und Tf gebildeten unteren Bainit und weniger als 20% Ferrit-Perlit umfaßt, wobei Ms die Temperatur des Beginns der martensitischen Umwandlung des Stahls ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl weniger als 0,3% Kohlenstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl weniger als 1,6% Mangan enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl weniger als 0,8% Silicium enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mehr als 1,2% Silicium enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halten so gewählt wird, daß das Gefüge mindestens 30% zwischen Tm und Tf gebildeten unteren Bainit aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Tf größer als oder gleich Tm – 60°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgeschwindigkeit Vr größer als 2°C/s ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem Halten zwischen Tm und Tf auf Umgebungstemperatur gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung außerdem ein Anlassen zwischen 150°C und 650°C umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem Halten zwischen Tm und Tf auf eine Temperatur unter 650°C erhitzt und dann auf Umgebungstemperatur gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung nach einer Erhitzung des Werkstücks auf eine Temperatur über AC₃ durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung direkt nach dem Schmieden durchgeführt wird.