EP0035681B1 - Verwendung eines Stahls hoher Festigkeit und Zähigkeit - Google Patents

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EP0035681B1
EP0035681B1 EP81101268A EP81101268A EP0035681B1 EP 0035681 B1 EP0035681 B1 EP 0035681B1 EP 81101268 A EP81101268 A EP 81101268A EP 81101268 A EP81101268 A EP 81101268A EP 0035681 B1 EP0035681 B1 EP 0035681B1
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less
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steel
cooling
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EP81101268A
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Helmut Dr. Ing. Brandis
Dr. Ing. Serosh
Albert Dr. Ing. Von Den Steinen
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Thyssen Stahl AG
Original Assignee
Thyssen Edelstahlwerke AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/24—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium

Definitions

  • the invention relates to the use of steel as a material for components which, after cooling in still or moving air, optionally after controlled cooling of forging temperatures or annealing temperatures above 1,150 ° C., have a structure made of ferrite and pearlite and thereby have stretch or 2 limit values of at least 490 N / nm 2 and an impact energy (measured on the DVM sample) of at least 30 J or at least 25 J.
  • a micro-alloyed carbon-manganese steel with vanadium or niobium has been used for forged components such as B. crankshafts used (DE-A-23 50 370).
  • Such steel is e.g. B. the 49 Mn VS3 (short name according to DIN).
  • the following analysis range is specified for him in the steel-iron list (material no. 1.119 9):
  • the characteristic of this steel is that after forging it at temperatures between 1,000 and 1,250 ° C, preferably in the die between 1,180 and 1,250 ° C, with subsequent storage in still or moving air, a minimum 0.2 limit of 450 N / mm 2 - without subsequent heat treatment. This value is caused by the precipitation hardening of vanadium carbides or carbonitrides.
  • the impact strength of this material is low, however, so that it can be used on certain components, such as, for example. limited the crankshaft and the connecting rod, where mechanical properties other than toughness are paramount.
  • Typical characteristic values, which at 49 MnVS 3 after annealing at approx. 1 225 ° C and after forging in the die to form crankshafts are listed in Example 1. After annealing at 1225 ° C, somewhat higher strength values are achieved with lower impact energy values than after forging in the die.
  • the strength values can be obtained by adjusting the carbon and manganese contents in the upper or lower region of the G are Renz analysis varied while the impact energy values-especially after the annealing or forging at temperatures around 1200 ° C thereby are not significantly changed.
  • the structure of the 49 MnVS 3 after treatment 1 225 ° C 0.5 h / air (example 1) can be seen in Figure 1.
  • the pre-eutectoid ferrite mainly lies on the former austenite grain boundaries, which enables the determination of the grain size at 1 225 ° C. According to the ASTM E 112 image alignment series, this structure can be assigned to image numbers 1 to 3.
  • the object of this invention is therefore to provide a steel with improved toughness with similar strength values, this being achieved by simple air cooling of annealing or hot-forming temperatures without further heat treatment.
  • the steel is particularly suitable for objects with larger cross sections, the smallest cross section of which is at least 100 cm 2 .
  • FIG. 4 Another example is the structure shown in Figure 4 of a steel containing silicon, manganese and vanadium, but with a silicon content of 0.3%, which is below that in this patent claimed range.
  • grain sizes of 2 to 3 are also estimated according to ASTM and impact energy values between 10 and 14 J at a 0.2 limit of approx. 500 N / mm 2 have been determined.
  • characteristic values were determined on the steel according to the invention after rolling or forging in the usual temperature ranges with subsequent storage in air.
  • This steel has silicon and manganese contents at the upper limit of the stressed range.
  • the values listed show that even on larger cross-sections there is a high 0.2 limit, here e.g. B. approx. 580 N / mm 2 , with at the same time low impact energy values.
  • These values are of the order of magnitude that can be achieved with low-alloy structural steels, which, however, have to be subjected to an expensive treatment.

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  • Metallurgy (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahls als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung von Schmiedetemperaturen oder von Glühtemperaturen über 1 150 °C ein Gefüge aus Ferrit und Perlit aufweisen und dabei Streck- bzw- 0,2-Grenzwerte von mindestens 490 N/nm2 und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von mindestens 30 J bzw. mindestens 25 J haben.
  • Seit etwa 10 Jahren wird ein mikrolegierter Kohlenstoff-Mangan-Stahl mit Vanadium oder Niob für geschmiedete Bauteile wie z. B. Kurbelwellen verwendet (DE-A-23 50 370). Ein solcher Stahl ist z. B. der 49 Mn VS3 (Kurzname nach DIN). Für ihn wird in der Stahl-Eisen-Liste (Werkstoff Nr. 1.119 9) nachstehender Analysenbereich angegeben :
    Figure imgb0001
  • Das Merkmal dieses Stahles ist, daß er nach dem Schmieden bei Temperaturen zwischen 1 000 und 1 250°C, vorzugsweise im Gesenk zwischen 1 180 und 1 250°C, mit anschließendem Ablegen an ruhender oder bewegter Luft eine Mindest-0,2-Grenze von 450 N/mm2 - ohne eine nachträgliche Wärmebehandlung - erreicht. Dieser Wert wird durch die Ausscheidungshärtung von Vanadiumkarbiden oder -karbonitriden hervorgerufen.
  • Die Kerbschlagzähigkeit dieses Werkstoffes ist jedoch gering, so daß seine Verwendung sich auf bestimmte Bauteile, wie z.,B. die Kurbelwelle und den Pleuel beschränkt, bei denen andere mechanische Eigenschaften als die Zähigkeit im Vordergrund stehen. Typische Kennwerte, die an 49 MnVS 3 nach dem Glühen bei rd. 1 225 °C und nach dem Schmieden im Gesenk zu Kurbelwellen erreicht werden, sind in Beispiel 1 aufgeführt. Nach dem Glühen bei 1225°C werden etwas höhere Festigkeitswerte bei geringeren Kerbschlagarbeitswerten erzielt als nach dem Schmieden im Gesenk. Die Festigkeitswerte können durch Einstellen der Kohlenstoff- und Mangangehalte im oberen oder unteren Bereich der Grenzanalyse variiert werden, während die Kerbschlagarbeitswerte -insbesondere nach dem Glühen oder Schmieden bei Temperaturen um 1 200 °C dadurch nicht wesentlich verändert werden.
  • Das Gefüge des 49 MnVS 3 nach der Behandlung 1 225 °C 0,5 h/Luft (Beispiel 1) ist aus Bild 1 ersichtlich. Der voreutektoidische Ferrit liegt überwiegend auf den ehemaligen Austenitkorngrenzen, wodurch die Bestimmung der bei 1 225 °C vorhandenen Korngröße ermöglicht wird. Nach der Bildrichtreihe von ASTM E 112 ist dieses Gefüge den Bildnummern 1 bis 3 zuzuordnen.
  • Die Kerbschlagarbeit dieses Stahls ist jedoch für viele Verwendungszwecke zu niedrig.
  • Dieser Erfindung liegt daher nun die Aufgabe zugrunde, einen Stahl mit verbesserter Zähigkeit bei ähnlichen Festigkeitswerten bereitzustellen, wobei dies durch einfache Luftabkühlung von Glüh- bzw. Warmformgebungstemperaturen ohne weitere Wärmebehandlung erreicht werden soll.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines Stahls der in den Ansprüchen angegebenen Analyse für den eingangs genannten Zweck vorgeschlagen. Besonders eignet sich der Stahl für Gegenstände mit größeren Querschnitten, deren kleinster Querschnitt mindestens 100 cm2 beträgt.
  • Die Ergebnisse von Untersuchungen haben überraschenderweise gezeigt, daß durch eine bestimmte Kombination von Silizium, Mangan und Vanadium ein feinkörniges Gefüge nach dem Glühen von Temperaturen über 1 200 °C mit anschließendem Ablegen an Luft erreicht werden kann. Dafür sind ein Siliziumgehalt von mindestens 0,65 %, ein Vanadiumgehalt von wenigstens 0,05 % und ein Mangangehalt von wenigstens 0,55% notwendig. Das durch diese Kombination der Legierungselemente erreichbare typische Gefüge nach dem Glühen bei 1225°C ist in Bild 2 abgebildet, und die augenscheinlich wahrnehmbare Korngröße liegt nach ASTM zwischen den Bildnummern 7 bis 8.
  • Überraschend war auch die Feststellung, daß die allgemein angenommene Gleichwertigkeit von Niob und Vanadium im vorliegenden Fall nicht gilt. Vanadium wäre also durch Niob nicht ersetzbar. Die vorteilhaften Eigenschaften, die mit Vanadium erzielt werden, erreichen Stähle mit Niob statt Vanadium nicht.
  • Fehlt eines der Elemente Silizium, Mangan oder Vanadium, so wird die voreutektoidische Ferritbildung innerhalb der ehemaligen Austenitkörner unterdrückt, und es ergibt sich somit ein grobes Sekundärkorn.
  • Dies veranschaulicht die Gefügeaufnahme in Bild 3, die von einem Stahl stammt mit den in diesem Patent beanspruchten Gehalten an Silizium und Mangan, jedoch ohne Vanadiumzusatz. Die Korngröße beträgt 2 bis 3 nach ASTM. In diesem Zustand ist eine 0,2-Grenze von rd. 500 N/mm2 bei einer Kerbschlagarbeit von 10 bis 15 J, gemessen an der DVM-Probe, ermittelt worden.
  • Ein weiteres Beispiel ist das in Bild 4 dargestellte Gefüge eines Silizium, Mangan und Vanadium enthaltenden Stahls, jedoch mit einem Siliziumgehalt von 0,3 %, welcher unterhalb des in diesem Patent beanspruchten Bereichs liegt. In diesem Falle sind ebenfalls Korngrößen von 2 bis 3 nach ASTM geschätzt und Kerbschlagarbeitswerte zwischen 10 bis 14 J bei einer 0,2-Grenze von rd. 500 N/mm2 bestimmt worden.
  • Die Beispiele der Vergleichsstähle, deren Gefüge in den Bildern 1, 3 und 4 abgebildet, sind, heben deutlich hervor, welche niedrigen Kerbschlagarbeitswerte (10-15 J) bei 0,2-Grenzen zwischen 500 und 570 N/mm2 erzielt werden.
  • Die günstige Wirkung des Gefüges des erfindungsgemäßen Stahls (Bild 2) auf die mechanischen Eigenschaften nach dem Glühen von 1 225 °C mit anschließendem Ablegen an Luft wird anhand von zwei Beispielen verdeutlicht.
    • Beispiel 2
  • Enthält die Kennwerte eines Stahls mit rd. 0,35 % C und mit Silizium- und Mangangehalten im unteren beanspruchten Bereich. Bei 0,2-Grenzen von rd. 500 N/mm2 -also ähnlich denjenigen der Vergleichsstähle mit den in Bildern 3 und 4 gezeigten Gefügen-, ergeben sich bedeutend höhere Kerbschlagarbeitswerte von rd. 38 J.
    • Beispiel 3
  • Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes des erfindungsgemäßen Stahls von 0,33 auf 0,43 % führt zu einer höheren 0,2-Grenze von rd. 570 N/mm2 bei Kerbschlagarbeitswerten von rd. 28 J. Verglichen mit 49 MnVS 3 (Beispiel 1) hat dieser Stahl eine fast dreifach höhere Kerbschlagarbeit bei praktisch gleicher 0,2-Grenze.
    • Beispiel 4
  • Hier wurden Kennwerte, die an dem erfindungsgemäßen Stahl nach dem Walzen oder Schmieden in den üblichen Temperaturbereichen mit anschließendem Ablegen an Luft ermittelt. Dieser Stahl weist Silizium- und Mangangehalte an der oberen Grenze des beanspruchten Bereichs auf. Den aufgeführten Werten ist zu entnehmen, daß auch an größeren Querschnitten eine hohe 0,2-Grenze, hier z. B. rd. 580 N/mm2, bei zugleich günstigen Kerbschlagarbeitswerten zu erzielen ist. Diese Werte liegen in der Größenordnung, die an niedriglegierten Baustählen erreicht werden, die aber einer aufwendigen Vergütungsbehandlung unterworfen werden müssen.
    • Beispiel 1
  • Figure imgb0002
    • Behandlungszustand
  • Figure imgb0003
    • Beispiel 2
  • Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    • Beispiel 3
  • Figure imgb0006
    Figure imgb0007
    • Beispiel 4
  • Figure imgb0008
    Figure imgb0009

Claims (4)

1. Verwendung eines Stahls mit
Figure imgb0010
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung von Schmiedetemperaturen oder von Glühtemperaturen über 1 150 °C ein Gefüge aus Ferrit und Perlit aufweisen und dabei Streck- bzw. 0,2-Grenzwerte von mindestens 490 N/mm2 und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von mindestens 30 J haben.
2. Verwendung eines Stahls mit
Figure imgb0011
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
als Werkstoff für Bauteile, die nach dem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft oder nach gesteuerter Abkühlung von Schmiede- oder von Glühtemperaturen über 1 150 °C ein Gefüge aus Ferrit und Perlit besitzen und dabei Streck- bzw. 0,2-Grenzwerte von mindestens 530 N/mm2 und eine Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von wenigstens 25 J aufweisen.
3. Verwendung eines Stahls mit
Figure imgb0012
Figure imgb0013
für Bauteile, die nach dem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen unter 1 150°C und anschließendem Abkühlen an ruhender oder bewegter Luft ein ferritischperlitisches Gefüge mit einer Streck- oder 0,2-Grenze von mindestens 550 N/mm2 und einer Kerbschlagarbeit (gemessen an der DVM-Probe) von wenigstens 30 J aufweisen.
4. Verwendung eines Stahls der Zusammensetzung, Behandlung und Eigenschaften nach Anspruch 3, als Werkstoff für Bauteile, deren kleinster Querschnitt mindestens 100 cm2 beträgt.
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