EP1248862B1 - Verfahren zum bainitisieren von stahlteilen - Google Patents

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EP1248862B1
EP1248862B1 EP00984836A EP00984836A EP1248862B1 EP 1248862 B1 EP1248862 B1 EP 1248862B1 EP 00984836 A EP00984836 A EP 00984836A EP 00984836 A EP00984836 A EP 00984836A EP 1248862 B1 EP1248862 B1 EP 1248862B1
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steel parts
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iso
period
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20—Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite

Definitions

  • the invention relates to a method for bainitizing Steel parts according to the preamble of the main claim.
  • bainitizing is meant a heat treatment of Steel, which is first an “austenitizing” of steel, a subsequent quenching to a temperature above the so-called “martensite” start temperature and holding the Steel at this temperature for a given time includes.
  • the austenitizing of steel, a subsequent Deterrence and the isothermal conversion of austenite in bainite above the martensite start temperature is further for example, also from US 5,628,045; EP-A-0 707 088 and EP-A-0 896 068.
  • the inventive method for bainitizing steel parts as claimed in claim 1 over the prior art has the advantage that thus an at least almost complete conversion of Austenite in bainite, i. a purely bainitic structure, achievable, while the hardness of the afterwards obtained steel parts in a simple manner by the Process parameters is controllable.
  • the obtained steel parts improved strength properties, for example with regard to a pulsating pressure-threshold load, on.
  • a further advantage is that the inventive Process in a simple manner in mass production can be used without significant interference with existing Production processes or investments in production facilities would be required.
  • the inventive method is further advantageous quenching of series batches of steel parts at low salt bath temperatures while producing as pure as possible bainite, ie without proportion of continuous bainite, possible, in addition, a uniform quenching intensity is achieved within a batch.
  • the start temperature T 2 which is preferably slightly above the martensite start temperature T M , that in the ZTU image during quenching the pearlite microstructure is passed through.
  • the core hardness of the implementation by the process according to the invention obtained steel parts the duration of the first period, i. of holding in the first salt bath or oil bath, and also the temperature of the first salt bath can be adjusted. It applies in general, that the core hardness of the obtained bainitic The shorter the structure of the steel parts Residence time in the first salt bath is selected.
  • the resulting heat of reaction can be used to advantage, the steel parts after completion of the first period of a start temperature T 2 to a finish temperature T 3 on which the steel parts are then held for the duration of the second period. This results in an energy saving and a quick and uniform heating of the steel parts.
  • the figure shows a schematic diagram of a so-called “ZTU image” (Time-Temperature Conversion Chart) the Conversion of austenite into bainite by means of a graded Bainite.
  • ZTU image Time-Temperature Conversion Chart
  • the invention is exemplified by the bainitization of steel Type 100Cr6, material no. 1.3505, explained.
  • steel parts of this type are first austenitized in a conventional manner and then starting from a quenching temperature T 1 of 830 ° C to 870 ° C, for example 850 ° C, in a conventional manner in a first salt bath to a starting temperature T 2 quenched, which is above the martensite start temperature T M of the steel parts.
  • the martensite start temperature T M is in the illustrated example at about 205 ° C to 215 ° C.
  • the perlite structure area is also further 11 registered, in the inventive Bainitization by graded thermal conversion is not is going through.
  • This second, isothermal storage at the finish temperature T 3 lasts for a second period ⁇ t iso, 2 , which is completed as soon as the bainite microstructure 12 is reached at the time t 3 , ie as soon as at least almost complete conversion of austenite into pure bainite is done.
  • the period .DELTA.t iso, 2 or the time and t 3 may be different, selected from the illustration in the figure, for example for reasons of process stability such or extended, that the coordinate (T 3, T 3 ) lies within the bainite structure region 12.
  • the achievement of the limitation of the bainite structure region 12 in the figure during the second period .DELTA.t iso, 2 is thus only to be understood as a minimum requirement for the length of the second time period .DELTA.t iso, 2 .
  • the second, isothermal storage of the steel parts at the finish temperature T 3 takes place in a second salt bath or oil bath or alternatively also in a holding furnace according to the recirculation principle.
  • the steel parts are then stored isothermally in the first salt bath over the first period .DELTA.t iso, 1 , which lasts for 5 minutes to 30 minutes, preferably 20 minutes.
  • the steel parts are converted into a holding furnace according to the circulating air principle, which has a finish temperature T 3 of 240 ° C. to 280 ° C., in particular 260 ° C.
  • the steel parts are then stored at this finish temperature T 3 over the second period ⁇ t iso, 2 , which lasts between 200 min and 400 min, preferably 250 min to 270 min.
  • a second salt bath with the finishing temperature T 3 can also be used.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention further provides that the heat of reaction formed in the formation of the bainite microstructure is at least partially used for heating the steel parts from the start temperature T 2 to the finish temperature T 3 or for heating the holding furnace.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bainitisieren von Stahlteilen nach der Gattung des Hauptanspruches.
Stand der Technik
Unter "Bainitisieren" versteht man eine Wärmebehandlung von Stahl, die zunächst ein "Austenitisieren" des Stahles, eine nachfolgende Abschreckung auf eine Temperatur oberhalb der sogenannten "Martensit"-Starttemperatur und ein Halten des Stahles auf dieser Temperatur über eine vorgegebene Zeit umfaßt.
Mit dieser Vorgehensweise, die auch als "isothermische Umwandlung" von Austenit in Bainit bezeichnet wird, ist es möglich, einen Stahl zu erhalten, der, je nach Zielsetzung und über die Temperatur und Haltedauer steuerbar, vollständig oder teilweise von einem austenitischen Gefüge in ein bainitisches Gefüge umgewandelt worden ist.
Hinsichtlich weiterer Details zum Austenitisieren und die erläuterte Bainitisierung von Stahl, die an sich seit langem bekannt sind, sei beispielsweise auf E. Zimmermann, "Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung", Hermann Schrödel Verlag, 1962, Seiten 38, 39 und 74 bis 79, verwiesen.
Das Austenitisieren von Stahl, eine anschließende Abschreckung und die isothermische Umwandlung von Austenit in Bainit oberhalb der Martensit-Starttemperatur ist weiter beispielsweise auch aus US 5,628, 045; EP-A-0 707 088 und EP-A-0 896 068 bekannt.
Die Bainitisierung von zuvor austenitisierten Stählen erfolgt bisher weiter vielfach in Bädern, sogenannten Salzwarmbädern. Dazu wird der Stahl nach der Abschreckung vom Beginn der Bainit-Umwandlung (sogenannter Bainit-Start) bis zum Ende der Bainit-Umwandlung (sogenannter Bainit-Finish) bei einer konstanten Temperatur und einer entsprechenden, geeignet gewählten Haltezeit in diesem Salzwarmbad ohne Unterbrechung gelagert.
Schließlich wurde auch bereits vorgeschlagen, den zu bainitisierenden Stahl nach Ablauf einer definierten Verweilzeit in dem Salzwarmbad in einen mit Umluft betriebenen Halteofen umzusetzen, um somit eine vollständige Umwandlung von Austenit in Bainit zu erreichen. Der Halteofen weist dazu die gleiche Temperatur auf wie das Salzwarmbad.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bainitisieren von Stahlteilen wie in Anspruch 1 beansprucht hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit eine zumindest nahezu vollständige Umwandlung von Austenit in Bainit, d.h. ein rein bainitisches Gefüge, erreichbar ist, wobei gleichzeitig die Härte der danach erhaltenen Stahlteile in einfacher Weise durch die Verfahrensparameter steuerbar ist. Insbesondere weisen die erhaltenen Stahlteile verbesserte Festigkeitseigenschaften, beispielsweise hinsichtlich einer pulsierenden Druck-Schwell-Belastung, auf.
Weiter ist vorteilhaft, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die bisher erforderliche Zeit zur Umwandlung von Austenit in Bainit deutlich verkürzt werden kann. Somit ergeben sich auch erhebliche Kostenvorteile bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorteilhaft ist weiter, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise in der Serienfertigung einsetzen läßt, ohne daß wesentliche Eingriffe in bestehende Fertigungsabläufe oder Investitionen in Fertigungsanlagen erforderlich wären.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist weiter vorteilhaft die Abschreckung von Serienchargen von Stahlteilen bei niedrigen Salzbadtemperaturen unter gleichzeitiger Erzeugung von möglichst reinem Bainit, d.h. ohne Anteil von kontinuierlichem Bainit, möglich, wobei zudem eine gleichmäßige Abschreckintensität innerhalb einer Charge erzielt wird. Insbesondere wird durch die Wahl der Start-Temperatur T2, die bevorzugt wenig oberhalb der Martensit-Starttemperatur TM liegt, vorteilhaft vermieden, daß in dem ZTU-Bild beim Abschrecken der Perlit-Gefügebereich durchlaufen wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ist vorteilhaft, daß die Kernhärte der nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Stahlteile durch die Dauer des ersten Zeitraumes, d.h. des Haltens in dem ersten Salzwarmbad oder Ölbad, und auch die Temperatur des ersten Salzwarmbades eingestellt werden kann. Dabei gilt generell, daß die Kernhärte des erhaltenen bainitischen Gefüges der Stahlteile desto geringer ist, je kürzer die Verweildauer im ersten Salzwarmbad gewählt wird.
Gleiches gilt vorteilhaft auch für das Umsetzen der Stahlteile in einen Halteofen nach dem Umluftprinzip bzw. in ein zweites Salzbad mit erhöhter Temperatur des zweiten Zeitraumes. Auch in diesem Fall ist die Kernhärte des erhaltenen, bevorzugt rein bainitischen Gefüges der Stahlteile eine Funktion der Finish-Temperatur und der Dauer dieses zweiten Zeitraumes.
Da es sich bei der Umwandlung eines Austenit-Gefüges in ein Bainit-Gefüge um eine exotherme Reaktion handelt, kann weiter vorteilhaft die entstehende Reaktionswärme dazu genutzt werden, die Stahlteile nach Abschluß des ersten Zeitraumes von einer Start-Temperatur T2 auf eine Finish-Temperatur T3 zu erwärmen, auf der die Stahlteile dann über die Dauer des zweiten Zeitraumes gehalten werden. Damit ergibt sich eine Energieersparnis und ein schnelles und gleichmäßiges Erwärmen der Stahlteile.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Prinzipskizze eines sogenannten "ZTU-Bildes" (Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild) der Umwandlung von Austenit in Bainit mittels einer gestuften Bainitumwandlung.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird am Beispiel der Bainitisierung von Stahl des Typs 100Cr6, Werkstoff-Nr. 1.3505, erläutert.
Dazu werden zunächst Stahlteile dieses Typs in an sich bekannter Weise austenitisiert und danach ausgehend von einer Abschreck-Temperatur T1 von 830°C bis 870°C, beispielsweise 850°C, in an sich bekannter Weise in einem ersten Salzwarmbad auf eine Start-Temperatur T2 abgeschreckt, die oberhalb der Martensit-Starttemperatur TM der Stahlteile liegt. Die Martensit-Starttemperatur TM liegt im erläuterten Beispiel bei ca. 205°C bis 215°C.
Dies wird anhand der Figur erläutert, die in einem ZTU-Bild 5 zeigt, daß der Stahl zunächst als Austenit in einem Austenit-Gefügebereich 15 vorliegt, und zu einem Zeitpunkt t0 von der Abschreck-Temperatur T1 innerhalb eines Zeitraumes von typischerweise 5 s bis 15 s auf die Start-Temperatur T2 abgeschreckt wird. Zu dem Zeitpunkt t1 beginnt dann ein erster Zeitraum, der über eine Zeitdauer Δtiso, 1 andauert, und währenddessen der Stahl bzw. die Stahlteile in einem ersten Salzwarmbad in an sich bekannter Weise bei der zumindest näherungsweise konstanten Start-Temperatur T2 gehalten werden. Anstelle des Salzwarmbades kann im übrigen auch ein Ölbad treten.
In dem ZTU-Bild 5 ist weiter eingetragen, daß während des ersten Zeitraumes Δtiso, 1 der zuvor in dem Austenit-Gefügebereich 15 vorliegende Austenit sich beginnt, in Bainit umzuwandeln. Dieser Beginn der Bainitumwandlung erfolgt, sobald die in dem ZTU-Bild eingetragene Umwandlungskurve 16, die den zeitlichen Verlauf der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Temperatur darstellt, in den Bainitumwandlungsbereich 13 eintritt.
Die Umwandlung von Austenit in Bainit ist abgeschlossen, sobald die Umwandlungskurve 16 in dem ZTU-Bild 5 den Bainit-Gefügebereich 12 erreicht, in dem die Stahlteile als reines Bainit-Gefüge vorliegen.
In dem ZTU-Bild 5 ist im übrigen weiter auch der Perlit-Gefügebereich 11 eingetragen, der bei der erfindungsgemäßen Bainitisierung durch gestufte thermische Umwandlung nicht durchlaufen wird.
Nachdem das isotherme Lagern der Stahlteile bei der Start-Temperatur T2 über den ersten Zeitraum Δtiso, 1 zum Zeitpunkt t2 in dem ersten Salzwarmbad abgeschlossen ist, werden die Stahlteile anschließend bei einer Finish-Temperatur T3, die oberhalb der Start-Temperatur T2 liegt, zumindest näherungsweise isotherm gelagert.
Dieses zweite, isotherme Lagern bei der Finish-Temperatur T3 dauert über einen zweiten Zeitraum Δtiso, 2 an, der abgeschlossen ist, sobald zum Zeitpunkt t3 der Bainit-Gefügebereich 12 erreicht ist, d.h. sobald eine zumindest nahezu vollständige Umwandlung von Austenit in reines Bainit erfolgt ist. Dabei sei betont, daß der Zeitraum Δtiso, 2 bzw. der Zeitpunkt t3 auch, abweichend von der Darstellung in der Figur und beispielsweise aus Gründen der Prozeßstabilität, derart gewählt bzw. ausgedehnt sein kann, daß die Koordinate (t3, T3) innerhalb des Bainit-Gefügebereiches 12 liegt. Das Erreichen der Begrenzung des Bainit-Gefügebereiches 12 in der Figur während des zweiten Zeitraumes Δtiso, 2 ist somit lediglich als Minimalerfordernis für die Länge des zweiten Zeitraumes Δtiso, 2 zu verstehen.
Das zweite, isotherme Lagern der Stahlteile bei der Finish-Temperatur T3 erfolgt in einem zweiten Salzwarmbad oder Ölbad oder alternativ auch in einem Halteofen nach dem Umluftprinzip.
Nach Abschuß der erläuterten gestuften Bainitumwandlung folgt dann in bekannter Weise die Ausfahrt, Kühlung und Reinigung der erhaltenen Stahlteile.
Im einzelnen wird in dem erläuterten Ausführungsbeispiel, nach dem Austenitisieren der Stahlteile, zunächst ein Abschrecken der zu behandelnden Charge in dem ersten Salzwarmbad bei einer Start-Temperatur T2 von 215°C bis 230°C vorgenommen. Besonders bevorzugt ist eine Temperatur von 220°C.
Bei dieser Start-Temperatur T2 werden die Stahlteile dann isotherm in dem ersten Salzwarmbad über den ersten Zeitraum Δtiso, 1 gelagert, der über 5 min bis 30 min, bevorzugt 20 min, andauert.
Danach erfolgt dann zum Zeitpunkt t2 ein Umsetzen der Stahlteile in einen Halte-ofen nach dem Umluftprinzip, der eine Finish-Temperatur T3 von 240°C bis 280°C, insbesondere 260°C, aufweist. Die Stahlteile werden dann bei dieser Finish-Temperatur T3 über den zweiten Zeitraum Δtiso, 2, der zwischen 200 min und 400 min, bevorzugt 250 min bis 270 min, andauert, gelagert.
Alternativ kann anstelle eines Halteofens jedoch auch ein zweites Salzwarmbad mit der Finish-Temperatur T3 eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht weiter vor, daß die bei der Bildung des Bainit-Gefüges entstehende Reaktionswärme zumindest teilweise zum Erwärmen der Stahlteile von der Start-Temperatur T2 auf die Finish-Temperatur T3 bzw. zur Beheizung des Halteofens genutzt wird.
Insgesamt wird durch das erläuterte Verfahren eine deutliche Verkürzung der Gesamt-Bainitumwandlungszeit erreicht, die im erläuterten Ausführungsbeispiel nunmehr ca. 300 min beträgt.
Damit ergibt sich gegenüber bekannten Verfahren, d.h. dem isothermen Lagern der Stahlteile bei der Start-Temperatur T2 bis zum Erreichen des reinen Bainit-Gefüges eine Zeitersparnis von typischerweise ca. 60 min.
Die durch das erläuterte Verfahren hergestellten bzw. behandelten Stahlteile mit bainitischem Gefüge weisen abschließend eine gegenüber dem Ausgangsmaterial reduzierte Kernhärte von 650 HV10 bis 700 HV10 auf.
Gleichzeitig ergab sich eine deutliche Festigkeitssteigerung der Stahlteile bei pulsierender Druck-Schwell-Belastung.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Bainitisieren von Stahlteilen, mit den Verfahrensschritten: a.) Austenitisieren der Stahlteile, b.) Abschreckung der Stahlteile auf eine Start-Temperatur (T2), die oberhalb der Martensit-Starttemperatur (TM) der Stahlteile liegt, c.) zumindest näherungsweise isothermes Lagern der Stahlteile bei der Start-Temperatur (T2) über einen ersten Zeitraum (Δtiso, 1), der über 5 Minuten bis 30 min andauert, und d.) zumindest näherungsweise isothermes Lagern der Stahlteile in einem Halteofen nach dem Umluftprinzip, einem Salzwarmbad oder einem Ölbad bei einer Finish-Temperatur (T3) oberhalb der Starttemperatur (T2) über einen zweiten Zeitraum (Δtiso, 2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das austenitische Gefüge der Stahlteile zumindest weitgehend in ein insbesondere rein bainitisches Gefüge umgewandelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Start-Temperatur (T2) eine Temperatur von 215°C bis 230°C eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Finish-Temperatur (T3) eine Temperatur von 240°C bis 280°C eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken gemäß Verfahrensschritt b.) und/oder das Lagern gemäß Verfahrensschritt c.) in einem ersten Salzwarmbad oder Ölbad erfolgt.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zeitraum (Δtiso, 2) über 200 min bis 400 min, insbesondere 250 min bis 300 min, andauert.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verfahrensschritt d.) eine Kühlung der Stahlteile auf eine Temperatur (T4) von 20°C bis 40°C erfolgt.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernhärte der Stahlteile über die Dauer des ersten und/oder zweiten Zeitraumes (Δtiso, 1, Δtiso, 2) und/oder über die Start-Temperatur (T2) und/oder die Finish-Temperatur (T3) eingestellt wird.
  9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bildung des bainitischen Gefüges entstehende Reaktionswärme zumindest teilweise zur Erwärmung der Stahlteile, insbesondere während des in einem Ofen durchgeführten Verfahresschrittes d.), genutzt wird.
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