EP0085828A1 - Use of a carbon-manganese steel for structural members of high strength and toughness by simple heat treatment - Google Patents

Use of a carbon-manganese steel for structural members of high strength and toughness by simple heat treatment Download PDF

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EP0085828A1 EP83100080A EP83100080A EP0085828A1 EP 0085828 A1 EP0085828 A1 EP 0085828A1 EP 83100080 A EP83100080 A EP 83100080A EP 83100080 A EP83100080 A EP 83100080A EP 0085828 A1 EP0085828 A1 EP 0085828A1
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Abstract

1. Use of a steel having 0.3 to 0.6 % carbon 0.2 to 0.6 % silicon 0.55 to 2.5 % manganese 0.05 to 0.2 % vanadium 0 to 0.3 % zirconium 0 to 0.2 % niobium 0 to 0.5 % chromium 0 to 0.5 % nickel 0 to 0.5 % copper 0 to 0.3 % molybdenum 0.01 to 0.05 % sulphur 0 to 0.1 % aluminium 0.0005 to 0.005 % boron 0 to 0.4 % nitrogen less than 0.0003 % hydrogen the rest iron and melting-induced impurities, as a material for components with a cross section from about 40 cm**2 which, after heat deformation by rolling, forging or pressing, or an annealing process at final moulding temperatures up to about 1 000 degrees C or annealing temperatures up to about 1 000 degrees C, and subsequent cooling in still or moving air, if necessary after controlled cooling, have a ferritic-pearlitic structure with approximately 5 to 20% ferrite, the rest pearlite and an interval- or 0.2 border of at least 580 N/nm**2 and an impact energy measured by ISO-U tests of at least 25 J.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahles als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa. 40 cm2, die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 1000°C oder Glühtemperaturen bis zu etwa 1000°C und anschließendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- oder 0,2-Grenze von mindestens 580 N/mm2 sowie eine Kerbschlagarbeit gemessen an ISO-U-Proben von mindestens 25 J aufweisen.The invention relates to the use of a steel as a material for components with a cross section from about. 4 0 cm 2 , which after hot forming by rolling, forging or pressing at final deformation temperatures up to about 1000 ° C or annealing temperatures up to about 1000 ° C and then cooling in still or moving air, optionally after controlled cooling, a ferritic-pearlitic structure with about 5 to 20% ferrite, remainder pearlite and a yield or 0.2 limit of at least 580 N / mm 2 and a notched bar impact work measured on ISO-U samples of at least 25 J.

Aus der DE-PS 3 009 443 ist die Verwendung eines bestimmten Stahles für Bauteile bekannt, die neben einer hohen Festigkeit auch eine beachtliche Zähigkeit haben sollen, nämlich bei einer Streck- oder O,2-Grenze von 580 N/mm2 eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J, ohne daß sie einer aufwendigen Wärmebehandlung unterzogen werden müßten. Als Zusammensetzung wird für einen derartige Bedingungen erfüllenden Stahl angegeben:From DE - PS 3 009 443 the use of a certain steel for components is known which, in addition to having a high strength, are also said to have considerable toughness, namely a notch impact energy measured at a yield or O, 2 limit of 58 0 N / mm 2 on DVM samples of 35 J without having to be subjected to extensive heat treatment. The following is specified as the composition for steel which fulfills such conditions:

Figure imgb0001
Figure imgb0001

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.Remainder iron and melting-related impurities.

Ein solcher in der besagten Patentschrift angegebener Stahl mit innerhalb den Analysegrenzen relativ hohen Anteilen von Vanadium, Aluminium und Stickstoff soll bei Ablegen an Luft einer auf 155 mm 0 gewalzten Stange eine 0,2-Grenze von 578 N/mm2, eine Zugfestigkeit von 865 N/mm2 und eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J aufweisen.Such a steel specified in said patent specification with relatively high proportions of vanadium, aluminum and nitrogen within the analysis limits is said to have a 0.2 limit of 578 N / mm 2 and a tensile strength of 865 N when placed in air on a rod rolled to 155 mm 0 / mm2 and have a notched bar impact energy measured on DVM samples of 35 J.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Stahl für Bauteile mit noch höherer Festigkeit bei gleichzeitig mindestens so hoher Zähigkeit bereitzustellen, wobei dies durch einfache Abkühlung der Bauteile an Luft nach einer Warmumformung bzw. einem Glühvorgang ohne weitere Wärmebehandlung erzielbar sein soll.In contrast, the object of the invention is to provide steel for components with even higher strength and at least as high toughness, which should be achievable by simple cooling of the components in air after hot forming or an annealing process without further heat treatment.

Als Lösung dieser Aufgabe wird für den angegebenen Zweck die Verwendung von Stahl entsprechend der im Anspruch 1 angegebenen Analyse vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Angaben hierzu sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.As a solution to this problem, the use of steel according to the analysis specified in claim 1 is proposed for the stated purpose. Further advantageous information on this is characterized in the subclaims.

Der Erfindung liegen dabei folgende nachstehend aufgezeigte Überlegungen zugrunde:The invention is based on the following considerations shown below:

Mit größer werdendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich der Perlitanteil im Stahl und damit auch seine Festigkeit, Härte und Sprödigkeit; bis zu etwa 0,6 % Kohlenstoffgehalt nimmt zugleich auch seine Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur ab. Mit bis zu 3 % Anteil ist Mangan ebenso wie Chrom im d,-Eisen sehr gut löslich und erhöht die Festigkeit ohne Versprödung durch Härtesteigerung des Ferritanteiles, der zur Erzielung guter Zähigkeit nötig ist. Mangan bildet jedoch im Gegensatz zu Chrom weit weniger die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles verschlechternde Karbide und erniedrigt weit weniger als Chrom den Eutektoidpunkt; selbst bei relativ großen Mangananteilen wird die Bildung von Zementit vermieden, was die spätere Bearbeitung des Bauteiles besonders beeinträchtigen würde. Mangan verzögert ebenfalls wie vorstehend genannt ein Kohlenstoffgehalt bis 0,6 % die Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung des Bauteiles aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1000°C, erniedrigt jedoch zugleich auch alle Umwandlungstemperaturen; innerhalb eines großen Abkühlgeschwindigkeitsbereiches stellt sich außerdem eine fast konstante Perlitisierung mit davon abhängig gleich hoher Festigkeit ein, auch bei Bauteilen mit durch un- terschiedliche Wandstärken verursachter unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen. Die durch die große Affinität von Mangan zu Verunreinigungen wie z. B. Schwefel mögliche unterschiedliche Längs- und Querfestigkeit bedingt durch langgezogene Gefügeunterbrechungen, verursacht durch Mangansulfide und Gaseinschlüsse, kann bei Einstellung des Schwefelgehaltes durch Einblase- und Evakuierungsverfahren bei der Pfannenbehandlung mit entsprechenden Zugaben durch Bildung kugeliger Verunreinigungen umgangen werden. Diese beeinträchtigen die Festigkeitsisotropie weit weniger und gewähren trotzdem eine vom Schwefelgehalt abhängig gute Bearbeitbarkeit des Bauteiles.As the carbon content increases, the percentage of pearlite in steel increases, and with it its strength, hardness and brittleness; up to about 0.6% carbon content, at the same time its conversion rate decreases when it cools down from the final deformation temperature or annealing temperature. With up to 3%, manganese and chromium are very soluble in d, iron and increase strength without embrittlement by increasing the hardness of the ferrite component, which is necessary to achieve good toughness. In contrast to chromium, however, manganese forms carbide which deteriorates the later machinability of the component and lowers the eutectoid point far less than chromium; Even with relatively large amounts of manganese, the formation of cementite is avoided, which would have a particularly adverse effect on the subsequent processing of the component. Manganese also delayed as mentioned above, a carbon content to 0.6%, the conversion speed during cooling of the component from Endverformungstemperatur or annealing temperature of about 1000 ° C, but at the same time lowered mwandlungstemperaturen all U; within a large Abkühlgeschwindigkeitsbereiches also provides an almost constant with pearlitisation dependent on the same high strength, a, also for components with through un- t erschiedliche wall thickness caused by different cooling at various points. Due to the high affinity of manganese for impurities such. B. Sulfur possible different longitudinal and transverse strength due to elongated structure interruptions, caused by manganese sulfides and gas inclusions, can be avoided by adjusting the sulfur content by blowing and evacuating the pan treatment with appropriate additions by forming spherical impurities. These greatly impair the strength isotropy less and still guarantee good machinability of the component depending on the sulfur content.

Mit kleinsten Zugaben von Bor und/oder kleinen Zugaben von Molybdän kann die Umwandlungsgeschwindigkeit noch um eine oder mehrere Zehnerpotenzen weiter verlangsamt werden.With the smallest additions of boron and / or small additions of molybdenum, the conversion rate can be further slowed down by one or more powers of ten.

Mikrobeigaben von Vanadium und Aluminium und gegebenenfalls auch von Zirkon und Niob in entsprechender Abstimmung zum Stickstoffgehalt bewirken durch Nitrid-und Karbonitridbildung als Kristallisationskerne für Feinkornbildung, eine gute Verteilung des Ferrits, sowie durch Ausscheidungshärtung im Ferrit eine Erhöhung des Verhältnisses Streckgrenze/Bruchfestigkeit und außerdem eine Erhöhung der Festigkeit. Besagter Vorgang erfolgt bei einem Bauteil, das unbeeinflußt in Raumluft aus einer Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1000°C abgekühlt wird, in Abhängigkeit von der Wandstärke bzw. -dicke des Bauteiles mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die durch leichtes Anblasen, beispielsweise mittels einer Luftbrause, vorteilhaft verkürzt werden kann.Micro additions of vanadium and aluminum and possibly also of zirconium and niobium in appropriate coordination to the nitrogen content cause nitride and carbonitride formation as crystallization nuclei for fine grain formation, a good distribution of the ferrite, as well as precipitation hardening in the ferrite, an increase in the yield strength / breaking strength ratio and also an increase of firmness. Said process takes place in the case of a component which is unaffectedly cooled in room air from a final deformation temperature or annealing temperature of approximately 1000 ° C., depending on the wall thickness or thickness of the component at a certain speed, which can be achieved by lightly blowing on, for example by means of an air shower, can advantageously be shortened.

Unter Berücksichtigung dieser vorstehenden Überlegungen ist für ein Bauteil ein solcher Stahl zu verwenden, dessen Kohlenstoff- und Mangangehalt vornehmlich danach festgesetzt wird, daß die angestrebte Festigkeit erzielbar ist, wobei Mangan in einem gewissen Umfang auch durch Chrom ersetzt werden kann. Die feinkornbildenden und ausscheidungshärtenden Legierungsbestandteile müssen ebenfalls sowohl untereinander als auch in Bezug auf den Kohlenstoff- und Mangangehalt abgestimmt sein. Ferner muß so viel Bor und/oder Molybdän zugegeben sein, daß sich bei den den Abmessungen und Produktionsbedingungen des Bauteiles angepaßten Abkühlungsbedingungen mit langsamer oder schnellerer Abkühlung in ruhender oder bewegter Luft eine solche Perlitisierung einstellt, wie die gewünschten Zähigkeitswerte es verlangen.Taking these above considerations into account, such a steel is to be used for a component, the carbon and manganese content of which is primarily determined so that the desired strength can be achieved, whereby manganese can also be replaced to a certain extent by chromium. The fine-grain-forming and precipitation-hardening alloy components must also be coordinated with each other as well as with regard to the carbon and manganese content. Furthermore, so much boron and / or molybdenum must be added that the dimensions and Production conditions of the component adapted cooling conditions with slow or faster cooling in still or moving air sets such pearlization as the desired toughness values require.

Auf diese Weise können durch geringfügiges Legieren mit gut bereitstellbaren, billigen Beigaben bei einfachster Behandlungsmethode - da keine kostspieligen Einrichungen nötig sind - und mit äußerst geringem Energieverbrauch kostengünstige, gut weiterbearbeitbare Bauteile erstellt werden, die den aufgabengemäßen Festigkeits-und Zähigkeitsanforderungen genügen. Diese Anforderungen können erfindungsgemäß durch die Verwendung von Stahl mit folgenden Analysegrenzen erfüllt werden:

Figure imgb0002
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.In this way, by means of slight alloying with easily available, inexpensive additives with the simplest treatment method - since no expensive equipment is required - and with extremely low energy consumption, inexpensive, easily workable components can be created that meet the requirements of strength and toughness. According to the invention, these requirements can be met by using steel with the following analysis limits:
Figure imgb0002
 Remainder iron and melting impurities.

Mit einem den obigen Bedingungen und innerhalb der entsprechenden Analysegrenzen liegenden Stahl mit

Figure imgb0003
With a steel within the above conditions and within the corresponding analysis limits
Figure imgb0003

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen wurden Wellen mit einem Durchmesser von 250 mm aus einer Schmiedeendtemperatur von 950°C auf 500°C in Luft abgekühlt und folgende, der nachstehenden Tabelle entnehmbare Festigkeitswerte erzielt:

Figure imgb0004
The rest of the iron and melting-related impurities were used to cool shafts with a diameter of 250 mm from a forging temperature of 950 ° C to 500 ° C in air and the following strength values, which can be found in the table below, were achieved:
Figure imgb0004

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß bei einem Bauteil mit einem nach der Erfindung vorgeschlagenen Material schon bei Abkühlung an ruhender Luft sehr hohe Festigkeits- und Zähigkeitswerte erzielbar sind, die durch gezielte Beeinflussung der Abkühlung an Luft noch ganz wesentlich hinsichtlich noch besserer Werte beeinflußbar sind. Diese Werte können durch noch günstigere Legierungsabstimmung speziell der Mikrobeigaben noch weiter verbessert werden. Die angegebenen Werte lassen jedenfalls erkennen, daß mit einem solchen, einfach behandelten Mangan-Stahl praktisch Festigkeits- und Zähigkeitswerte wie mit einem vergüteten Stahl erreichbar sind, welch letzterer bei gleichen Abmessungen (Durchmesser 250 mm) zur Erzielung der gleichen Festigkeits- und Zähigkeitswerte wenigstens dreimal so hoch legiert sein müßte mit Legierungselementen wie Chrom, Nickel, Molybdän und anderen, die in ihren dann notwendigen Anteilen ganz im Gegensatz zu jenen des erfindungsgemäß verwendeten Manganstahles die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles erheblich verschlechtern würden.From the above table it can be seen that in a component with a material proposed according to the invention, very high strength and toughness values can be achieved even when cooling in still air, which can be influenced quite significantly with regard to even better values by specifically influencing the cooling in air . These values can be further improved by even more favorable alloy coordination, especially of the micro additions. In any case, the stated values indicate that with such a simply treated manganese steel, practically strength and toughness values can be achieved as with a tempered steel, the latter with the same dimensions (diameter 250 mm) to achieve the same strength and toughness values at least three times would have to be so highly alloyed with alloying elements such as chromium, nickel, molybdenum and others, which in their then necessary proportions, in contrast to those of the manganese steel used according to the invention, would considerably impair the later machinability of the component.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Stahl erbringt diese Vorteile besonders bei der Herstellung von Bauteilen mit größeren Querschnitten von etwa 40 cm2 an aufwärts wie Kurbelwellen oder Nockenwellen von Brennkraftmaschinen und dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenteile.The steel proposed according to the invention provides these advantages particularly in the production of components with larger cross sections of approximately 40 cm 2 onwards, such as crankshafts or camshafts of internal combustion engines and the like, alternatively stressed machine parts.

Claims (3)

1. Verwendung eines Stahles mit
Figure imgb0005
weniger als 0,0003 % Wasserstoff Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm2, die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen oder einem Glühvorgang bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 1000°C oder Glühtemperaturen bis zu etwa 1000°C und anschließendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritisch- perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- bzw. O,2-Grenze von mindestens 580 N/mm2 sowie eine Kerbschlagarbeit gemessen an ISO-U-Proben von mindestens 25 J aufweisen.1. Using a steel with
Figure imgb0005
 less than 0.0003% hydrogen remainder iron and melting-related impurities as material for components with a cross section from about 40 cm 2 , which after hot forming by rolling, forging or pressing or an annealing process at final deformation temperatures up to about 1000 ° C or annealing temperatures up to about 1000 ° C and then cooling in still or moving air, if necessary after controlled cooling, a ferritic-pearlitic structure with about 5 to 20% ferrite, remainder pearlite and a yield or O, 2 limit of at least 580 N / mm 2 and have an impact value measured at least 25 J on ISO-U samples. 2. Verwendung eines innerhalb der in Anspruch 1 angegebenen Analysegrenzen liegenden Stahles mit
Figure imgb0006
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm2 bis etwa 500 cm2, die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen oder Glühtemperaturen von 900 bis 950°C und einem anschließenden Abkühlen in ruhender Luft länger als 60 Minuten oder in bewegter Luft kürzer als 30 Minuten ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 % Ferrit, Rest Perlit sowie folgende Festigkeits-, Zähigkeits- und Härtewerte aufweisen:
Figure imgb0007
Figure imgb0008
Figure imgb0009
Figure imgb0010
Figure imgb0011
Figure imgb0012
Härteabfall vom Rand zum Kern des größten Querschnittes von 500 cm2 nur 3 % bis 15 %.2. Use of a steel lying within the analysis limits specified in claim 1
Figure imgb0006
 Remainder iron and melting-related impurities as a material for components with a cross section from about 40 cm 2 to about 500 cm 2 , which after hot forming by rolling, forging or pressing at final forming temperatures or annealing temperatures of 900 to 950 ° C and then cooling in still air have a ferritic-pearlitic structure with about 5 to 20% ferrite, remainder pearlite and the following strength, toughness and hardness values for more than 60 minutes or in moving air for less than 30 minutes:
Figure imgb0007
Figure imgb0008
Figure imgb0009
Figure imgb0010
Figure imgb0011
Figure imgb0012
 Hardness drop from the edge to the core of the largest cross section of 500 cm 2 only 3% to 15%. 3. Verwendung eines Stahles der Zusammensetzung, Behandlung und Eigenschaften nach den Ansprüchen 1 und 2 als Werkstoff für Bauteile wie Kurbelwellen, Nockenwellen von Brennkraftmaschinen oder dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenelemente.3. Use of a steel of the composition, treatment and properties according to claims 1 and 2 as a material for components such as crankshafts, camshafts of internal combustion engines or the like alternately stressed machine elements.
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