EP0085828B1 - 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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EP0085828B1 EP83100080A EP83100080A EP0085828B1 EP 0085828 B1 EP0085828 B1 EP 0085828B1 EP 83100080 A EP83100080 A EP 83100080A EP 83100080 A EP83100080 A EP 83100080A EP 0085828 B1 EP0085828 B1 EP 0085828B1
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    • C22C38/12Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahles als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm 2 , die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 1 000 °C oder Glühtemperaturen bis zu etwa 1 000 °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/mm 2 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 40 cm 2, for a hot working by rolling, forging or pressing at Endverformungstemperaturen 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 approximately 5 to 20% ferrite, balance pearlite and a stretching or 0.2 border of at least 580 N / mm 2 and an impact energy measured by ISO-U samples of at least 25 J have.
  • In VDI-Z., Bd. 122, 1980, Nr. 17, S. 705-711 wird der Stand der Technik für die Herstellung von Gesenkschmiedestücken, wie z. In VDI-Z., Vol. 122, 1980, no. 17, pp 705-711, the prior art for the production of drop is such. B. Pkw-Kurbelwellen, zusammenfassend dargestellt. B. car crankshafts, summarized. Danach sind Pkw-Kurbelwellen aus dem mikrolegierten Edelbaustahl 49MnVS3 hergestellt worden (vgl. (1) Kapitel 2 « Die mikrolegierten perlitischen Stähle »). After that car crankshafts are produced from the micro-alloyed engineering steel 49MnVS3 (see. (1) Chapter 2, "The microalloyed pearlitic steels"). Diese Stähle, die nicht mit Borlegiert sind, haben nach gesteuerter Abkühlung aus der Schmiedewärme (Fig. 3b) ein ferritisch perlitisches Gefüge (Bild 7). These steels, which are not Borlegiert have after controlled cooling from the forging heat (Fig. 3b) a ferritic pearlitic structure (Figure 7). Diese Stähle haben jedoch den deutlichen Nachteil der geringen Zähigkeit. However, these steels have the distinct disadvantage of low toughness.
  • Desweiteren wird in der VDI-Z. Furthermore, in the VDI-Z. (vgl. Kapitel 3 « Borlegierte Stähle ») ausgeführt, daß Bor die Härtbarkeit von Stählen verbessert. (See. Chapter 3, "Boron steels") stated that boron improves hardenability of steels. Borgehalte von 0,001 bis 0,004 % ergeben eine günstige Kombination von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei Vergütungsstählen (ohne Vanadium). Boron content from 0.001 to 0.004% give a favorable combination of strength and toughness properties in quenched and tempered steels (without vanadium).
  • Aus der DE-PS3009443 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 0,2-Grenze von 580 N/mm 2 eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J, ohne daß sie einer aufwendigen Wärmebehandlung unterzogen werden müßten. From DE-PS3009443 the use of a certain steel components for an impact energy is known to have not only a high strength and a remarkable resistance, namely, at a stretching or 0,2-limit of 580 N / mm 2 measured at DVM samples of 35 J, without that they should be subjected to a costly heat treatment. Als Zusammensetzung wird für einen derartige Bedingungen erfüllenden Stahl angegeben : As the composition is used for a steel satisfying such conditions indicated:
    Figure imgb0001
  • Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Balance iron and incidental 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 ϕ gewalzten Stange eine 0,2-Grenze von 578 N/mm 2 , eine Zugfestigkeit von 865 N/mm 2 und eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J aufweisen. Such indicated in said patent specification steel having relatively high within the analysis limits proportions of vanadium, aluminum and nitrogen will at depositing in air a 155 mm φ rolled bar a 0.2-limit of 578 N / mm 2, a tensile strength of 865 N / mm 2 and measured on DVM-samples of 35 J have a notch impact energy.
  • 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 to provide steel for components with even higher strength at the same time at least as high toughness, although this is to be achieved by simple cooling of the components in air after hot forming and an annealing process without any further heat treatment.
  • Als Lösung dieser Aufgabe wird für den angegebenen Zweck die Verwendung von Stahl entsprechend der im Anspruch 1 angegebenen Analyse vorgeschlagen. As a solution to this object, the use of steel is proposed in accordance with the features specified in claim 1 Analysis for the stated purpose. Weitere vorteilhafte Angaben hierzu sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Further advantageous details on this are presented in the dependent claims.
  • Der Erfindung liegen dabei folgende nachstehend aufgezeigte Überlegungen zugrunde : The invention lie below-indicated below considerations:
    • Mit größer werdendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich der Perlitanteil im Stahl und damit auch seine Festigkeit, Härte und Sprödigkeit ; With increasing carbon content, the pearlite content is increased in steel and thereby its strength, hardness, and brittleness; bis zu etwa 0,6 % Kohlenstoffgehalt nimmt zugleich auch seine Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur ab. up to about 0.6% carbon content also increases at the same time its conversion speed from when cooled from Endverformungstemperatur or annealing temperature. Mit bis zu 3 % Anteil ist Mangan ebenso wie Chrom im a-Eisen sehr gut löslich und erhöht die Festigkeit ohne Versprödung durch Härtesteigerung des Ferritanteiles, der zur Erzielung guter Zähigkeit nötig ist. Up to 3% manganese content is the same as in a chromium-iron highly soluble and increases the strength without embrittlement increase in hardness of the Ferritanteiles which is necessary to obtain good toughness. Mangan bildet jedoch im Gegensatz zu Chrom weit weniger die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles verschlechternde Karbide und erniedrigt weit weniger als Chrom den Eutektoidpunkt ; However, manganese is in contrast to the later chromium far less workability of the component deteriorating carbides and decreases far less than the chromium Eutektoidpunkt; selbst bei relativ großen Mangananteilen wird die Bildung von Zementit vermieden, was die spätere Bearbeitung des Bauteiles besonders beeinträchtigen würde. even at relatively high manganese contents, the formation of cementite is avoided, which would interfere with the subsequent processing of the part especially. Mangan verzögert ebenfalls wie vorstehend genannt ein Kohlenstoffgehalt bis 0,6 % die Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung des Bauteiles aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1 000 °C, erniedrigt jedoch zugleich auch alle Umwandlungstemperaturen ; 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 also lowers all transformation temperatures; innerhalb eines großen Abkühlgeschwindigkeitsbereiches stellt sich außerdem eine fast konstante Perlitisierung mit davon abhängig gleich hoher Festigkeit ein, auch bei Bauteilen mit durch unterschiedliche Wandstärken verursachter unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen. within a large Abkühlgeschwindigkeitsbereiches also provides an almost constant with pearlitisation dependent on the same high strength, a, also for components with different wall thicknesses caused by different cooling at various points. Die durch die große Affinität von Mangan zu Verunreinigungen wie z. The large by the affinity of manganese to impurities such. B. Schwefel mögliche unterschiedliche Längs- und Querfestigkeit bedingt durch langgezogene Gefügeunterbrechungen, verursach durch Mangansulfide und Gaseinschlüsse, kann bei Einstellung des Schwefelgehaltes durch Einblase- und Evakuierungsverfahren bei der Pfannenbehandlung mit entsprechenden B. sulfur possible different longitudinal and transverse strength due elongated structure interruptions verursach by manganese sulfides and gas pockets, can on setting of the sulfur content by Einblase- and evacuation process in the ladle treatment with appropriate
    Zugaben durch Bildung kugeliger Verunreinigungen umgangen werden. Additions are circumvented by forming spherical contaminants. Diese beeinträchtigen die Festigkeitsisotropie weit weniger und gewähren trotzdem eine vom Schwefelgehalt abhängig gute Bearbeitbarkeit des Bauteiles. These affect the Festigkeitsisotropie far less and still provide a good depends on the sulfur content workability of the component.
  • 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 speed can be further slowed down even by one or more orders of magnitude.
  • 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. Micro-additions of vanadium and aluminum and possibly also of zirconium and niobium in a corresponding vote on the nitrogen content cause by nitride and Karbonitridbildung as nuclei for fine grain formation, a good distribution of the ferrite, and by precipitation hardening in the ferrite to increase the ratio of yield strength / tensile strength and also an increase in the strength. Besagter Vorgang erfolgt bei einem Bauteil, das unbeeinflußt in Raumluft aus einer Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1 000 °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. Said process occurs in a component, which is unaffected cooled in air from a Endverformungstemperatur or annealing temperature of about 1000 ° C, depending on the wall thickness or thickness of the component at a certain speed, which by gently blowing, for example by means of an air shower , can be advantageously 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. In consideration of these above considerations, such a steel is to be used, the carbon and manganese content is primarily determined by the consideration that the desired strength is achievable, manganese can be to some extent replaced by chromium for a component. Die feinkornbildenden und ausscheidungshärtenden Legierungsbestandteile müssen ebenfalls sowohl untereinander als auch in Bezug auf den Kohlenstoff- und Mangangehalt abgestimmt sein. The fine grain forming and precipitation-hardening alloy components must also be matched with each other as well as with respect to the carbon and manganese content. 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. Further, as much boron and / or molybdenum, must be added that with the dimensions and production conditions of the component adapted to adjust cooling conditions such pearlitisation with slower or faster cooling in still or moving air, such as the desired toughness values ​​so require.
  • Auf diese Weise können durch geringfügiges Legieren mit gut bereitstellbaren, billigen Beigaben bei einfachster Behandlungsmethode - da keine kostpieligen Einrichungen nötig sind - und mit äußerst geringem Energieverbrauch kostengünstige, gut weiterbearbeitbare Bauteile erstellt werden, die den aufgabengemäßen Festigkeits- und Zähigkeitsanforderungen genügen. In this way, by slightly alloying with well provisioned, cheap offerings at einfachster treatment - because no kostpieligen Einrichungen are needed - and cost-effective, well weiterbearbeitbare components are created with low power consumption that satisfy the task proper strength and toughness requirements. Diese Anforderungen können erfindungsgemäß durch die Verwendung von Stahl mit folgenden Analysegrenzen erfüllt werden : These requirements can be met according to the invention by the use of steel having the following analytical limits:
    Figure imgb0002
  • weniger als 0,000 3 % Wasserstoff less than 0.000% hydrogen 3
  • Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Balance iron and incidental impurities.
  • Mit einem den obigen Bedingungen und innerhalb der entsprechenden Analysegrenzen liegenden Stahl mit With a the above conditions and within the corresponding analysis limits steel lying with
    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 : Balance iron and incidental impurities were cooled waves having a diameter of 250 mm from a forging temperature of 950 ° C to 500 ° C in air and the following, obtained the following table removable strength values:
  • (Siehe Tabelle Seite 4 f.) (See Table page 4 f.)
  • Figure imgb0004
    Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß bei einem Bauteil mit einem nach der Erfindung vorgeschalgenen 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. From the above table it is seen that very high strength and toughness values ​​are in a component with a pre scarf genes according to the invention, material already at cooling in still air achievable, which can be influenced by targeted influencing of the air cooling quite considerably with respect to even higher values , Diese Werte können durch noch günstigere Legierungsabstimmung speziell der Mikrobeigaben noch weiter verbessert werden. These values ​​can be further improved by more favorable alloy vote specifically the micro offerings. 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. The specified values ​​can in any event recognize that virtually strength and toughness values ​​can be achieved with such a simple treated manganese steel as with a quenched and tempered steel, the latter at the same dimensions (diameter 250 mm) to achieve the same strength and toughness values ​​of at least three times should be as high alloyed with alloying elements such as chromium, nickel, molybdenum and others who in contrast to those of manganese steel used in the invention would significantly deteriorate in their then necessary shares later workability of the component.
  • Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Stahl erbringt diese Vorteile besonders bei der Herstellung von Bauteilen mit größeren Querschnitten von etwa 40 cm 2 an aufwärts wie Kurbelwellen oder Nockenwellen von Brennkraftmaschinen und dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenteile. The proposed inventions steel provides these advantages particularly in the manufacture of components with larger cross-sections of about 40 cm 2 and upwards, such as crankshafts or camshafts of internal combustion engines and the like alternately stressed machine parts.

Claims (3)

1. Use of a steel having
Figure imgb0008
the rest iron and melting-induced impurities, as a material for components with a cross section from about 40 cm2 which, after heat deformation by rolling, forging or pressing, or an annealing process at final moulding temperatures up to about 1 000 °C or annealing temperatures up to about 1 000 °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/nm2 and an impact energy measured by ISO-U tests of at least 25 J.
2. Use of a steel within the analysis limits stated in claim 1 having
Figure imgb0009
the rest iron and melting-induced impurities, as a material for components with a cross section from about 40 cm2 to about 500 cm2 which, after heat deformation by rolling, forging or pressing at final deformation temperatures or annealing temperatures of 900 to 950 °C and subsequent cooling in still air for longer than 60 minutes or in moving air for less than 30 minutes, have a ferritic-pearlitic structure with approximately 5 to 20 % ferrite, the rest pearlite and the following strength-, toughness- and hardness values :
Rm [N/mm2] = 850 to 970
Ro.2 [N/mm2] = 600 to 720
A [%] = 17 to 20
Z [%] = 56 to 57
Av [J] (ISO-U) = 26 to 28
α ZDW [N/mm2] = 400 to 420

hardness decrease from the edge to the core of the largest cross section of 500 cm2 only 3 % to 15 %.
3. Use of a steel of the composition, processing and properties according to claims 1 and 2, as a material for components like crankshafts, camshafts of internal combustion engines or of similar alternately-stressed machine elements.
EP83100080A 1982-01-16 1983-01-07 Use of a carbon-manganese steel for structural members of high strength and toughness by simple heat treatment Expired EP0085828B1 (en)

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