EP1263540B1

EP1263540B1 - Verfahren zur herstellung von dünnwandigen bauteilen aus stahl und danach hergestellte bauteile

Info

Publication number: EP1263540B1
Application number: EP01900129A
Authority: EP
Inventors: Hans-Toni Junius
Original assignee: Cd Walzholz Produktions-Gesellschaft Mbh
Current assignee: CD Waelzholz Brockhaus GmbH
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2004-06-30
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: HU225711B1; CZ303019B6; DE50102738D1; CA2404361A1; ATE270163T1; ES2223770T3; CA2404361C; BR0109190B1; AU2372701A; EP1263540A1; US20030029530A1; SK13272002A3; MXPA02008871A; SK286356B6; DE10011758A1; BR0109190A; WO2001068293A1; HUP0300086A2; US6953627B2; CZ20023038A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl, deren Schichten aus unterschiedlichen Stahllegierungen bestehen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner umfaßt die Erfindung dünnwandige Bauteile aus Stahl mit einer Kernschicht und Randschichten.

Dünnwandige Stahlbauteile mit einer Wanddicke von weniger als 4 mm, für die eine besonders hohe Beanspruchbarkeit gefordert wird, beispielsweise im Maschinenund Fahrzeugbau, werden zunächst warm- und/oder kaltgeformt, spanend oder nichtspanend bearbeitet und anschließend durch thermische Behandlung vergütet, nämlich martensitisch oder bainitisch vergütet. Aus durchhärtendem Stahl entsteht dabei ein Bauteil mit über den gesamten Querschnitt durchgehender, gleichmäßiger, hoher Härte, welches allerdings eine geringe Zähigkeit hat. Eine günstigere Kombination verschleißfester Oberflächen mit hoher Zähigkeit in der Kemzone wird durch die Verwendung von Einsatzstählen erreicht. Durch eine aufkohlende Behandlung in einem thermochemischen Härteprozeß werden vergütete, harte Randschichten erzeugt, während die Kernschicht weiterhin eine hohe Zähigkeit beibehält. Den vorteilhaften Gebrauchseigenschaften steht jedoch ein relativ aufwendiges Herstellungsverfahren gegenüber. Durch die relativ lange Einsatzhärtezeit von beispielsweise 180 Minuten bei 850-950°C und die anschließende Abschreckung im Ölbad oder im Gasstrom ist nämlich ein Härteverzug unvermeidlich. Diese verursacht Maß- und Formabweichungen, welche eine aufwendige Nacharbeitung erforderlich machen, welche den Herstellungs- und Kostenaufwand ganz erheblich erhöht. Außerdem liegt ein relativ grobes Härtegefüge vor, welches eine Austenit-Korngröße nach DIN 50601 von beispielsweise 5 oder 6 hat. Dadurch entsteht eine Neigung zu Korngrenzenrissen an den interkristallinen Korngrenzen.

Als Ersatz für die Einsatzhärtung ist weiterhin die Verwendung von walzplattiertem Stahl bekannt, wobei zwei oder mehrere, unterschiedlich legierte Bänder oder Tafeln, vorzugsweise aus Kaltband, zusammengewalzt werden. Durch den Druck und die Temperatur werden die Kern- und Randschichten aus unterschiedlichen legierten Stählen im Walzspalt an den Oberflächen innig miteinander verbunden. Durch die anschließende Glühung entsteht durch Diffusionsvorgänge der metallische Verbund. Ein derartiges Walzplattierverfahren wird beispielsweise in der DE 41 37 118 A1 angegeben. Dadurch entsteht jedoch ein abrupter, sprunghafter Übergang zwischen den unterschiedlichen Materialschichten. Der Härteübergang zwischen vergüteten und nicht vergüteten Schichten ist daher ebenfalls entsprechend steil, so daß aufgrund der lastinduzierten Spannungsgradienten relativ dicke Randschichten erzeugt werden müssen. Durch die relativen Spannungen besteht an der Grenzfläche zudem unvermeidlich die latente Gefahr, daß die Randzonen bei Beanspruchung durch Streckgrenzenüberschreitung im Fügebereich abplatzen. Diesem Nachteil kann wie oben erwähnt, lediglich durch dicker dimensionierte Randschichten begegnet werden, was jedoch wiederum zu einer unerwünschten höheren Wanddicke der Bauteile führt und zudem die Herstellung erschwert.

Ausweislich der DE 196 31 999 A1 ist zur Herstellung von Verbundblechen bereits vorgeschlagen worden, in einer Stranggießanlage Kern- und Randschichten zusammenzugießen. Dadurch soll ein Stahl-Schichtwerkstoff erzeugt werden. Die Problematik bei der Erzeugung unterschiedlich vergüteter bzw. gehärteter Schichten wird jedoch nicht aufgegriffen. Ein ähnliches Stranggießverfahren wird in der DE 33 46 391 A1 angesprochen, bei dem ebenfalls Schichtbleche in eine Schmelze eingebettet werden. Die Problematik bei der Realisierung von unterschiedlich vergüteten bzw. gehärteten Schichten wird darin jedoch ebenfalls nicht angesprochen. Die vorgenannten Stranggußverfahren bzw. -anlagen sind zudem offensichtlich allein zur Herstellung relativ dicker Platinen bzw. Bleche geeignet, und nicht zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen. Ähnlich verhält es sich mit dem aus der US-PS 3 457 984 hervorgehenden Stand der Technik. Dieser bezieht sich lediglich darauf, den Gußstrang einer Stranggießanlage mit Blech zu ummanteln.

Aus der DE-A-198 15 007 und der DE-A-198 50 213 sind Verfahren und verfahrensgemäß hergestellte dünne Metallbänder bekannt, bei denen ein Kernmaterial aus einem kostengünstigen Werkstoff durch ein Gießverfahren mit dünnen Metallbändern schichtweise zu einem Verbundmaterial vergossen werden, wobei die dünnen Metallbänder zur Herstellung korrosionsresitenter und/oder besonders gletter Außenschichten genutzt werden. Auch hier ist eine nachfolgende Behandlung in Bzug auf die Beeinflussung anderer Eigenschaften des Verbundmaterials nicht genannt.

Angesichts dessen ergibt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabenstellung, ein rationelles Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Bauteile aus Stahl mit unterschiedlichen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften anzugeben. Ferner soll ein Bauteil mit Schichten aus unterschiedlichen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften angegeben werden, das durch den verringerten Aufwand insbesondere kostengünstiger als bisher hergestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl, die eine innere Kernschicht und äußere Randschichten aufweisen, sieht hierbei vor, daß die Kern- und Randschichten aus unterschiedlichen Stahllegierungen bestehen und in einem Gießverfahren zu einem Verbundwerkstoff mit flach verlaufendem Legierungsgradienten an den Grenzflächen verbunden werden und der Verbundwerkstoff auf das Maß der dünnwandigen Bauteile verformt und wärmebehandelt wird und wobei die Wärmebehandlung zu einem martensitischen oder bainitischen Härten nicht aller, jedoch mindestens einer der Schichten führt.

Man erhält dadurch Bauteile nach Anspruch 23 oder 25.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, Kern- und Randschichten aus Stahlwerkstoffen mit unterschiedlichen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften, nämlich insbesondere unterschiedlichen martensitischen Härtbarkeitseigenschaften, so miteinander zu kombinieren, daß dünnwandige Bauteile zur Verfügung gestellt werden, welche die jeweiligen Vorteile der Einsatzhärtung und der Walzplattierung in sich vereinen.

Im einzelnen wird durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung in Bezug auf die Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften des Verbundwerkstoffs eine Festigkeitsverteilung erzeugt, die mit dem allgemein als besonders vorteilhaft angesehenen Einsatzhärteverlauf vergleichbar ist. Im Gegensatz zum Einsatzhärten tritt beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch praktisch kein Verzug auf, so daß ein präzises, maß- und formgenaues Bauteil zur Verfügung gestellt wird, ohne daß Maßkorrekturen erforderlich sind. Weiterhin wird durch den erfindungsgemäß vorgegebenen, flachen Legierungsgradienten an den Grenzflächen zwischen den Schichten die Bildung von inneren Werkstoffkerben, wie sie beim Walzplattieren, wie eingangs erwähnt, unvermeidlich sind, vermieden. Dank des dadurch optimierten Härte- und Festigkeitsgradienten besteht keine Gefahr mehr, daß die Randschichten durch Streckgrenzenüberschreitung im Fügebereich, also an der Grenzfläche, bei hoher Lastspannung abplatzen.

Vorzugsweise werden die einzelnen Schichten aus Stahllegierungen mit unterschiedlichen martensitischen Härtbarkeitseigenschaften, d.h. unterschiedlichen Gehalten an Kohlenstoff, Chrom und Mangan gebildet, wobei die nachfolgende Beeinflussung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften durch martensitische oder bainitische Wärmebehandlungen erfolgt, d.h. einer Wärmebehandlung mit den Schritten Aufheizen-Abschrecken-Anlassen. Im Einzelnen bestehen die in ihren Festigkeitsund/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Schichten aus höher legiertem, d.h. kohlenstoffreicherem Stahl als die nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Schichten. Im Bereich des flach verlaufenden Legierungsgradienten wird in diesem Fall ein entsprechend flach verlaufender Kohlenstoffgradient realisiert. Diese Übergangszone zwischen kohlenstoffreicheren und kohlenstoffärmeren Schichten erstreckt sich bei einer Wanddicke der Bauteile von weniger als 4 mm über weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 15% der Wanddicke. Auf jeden Fall ist der Bereich des flachen Legierungs- bzw. Kohlenstoffgradienten breiter als 0,1 mm, also um mehr als eine Größenordnung breiter als beim bekannten Walzplattierverfahren.

Vorzugsweise bilden die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Schichten die Randschichten der Bauteile, welche dadurch oberflächenhart sind und einen Härteverlauf bekommen, welcher in etwa der Einsatzhärtung gleichkommt. Der Nachteil der Einsatzhärtung, daß aufgrund der langen Verweildauer in den Randzonen eine relativ grobe Kornstruktur auftritt, die zu einer erhöhten Mikrorißempfindlichkeit führt, wird durch die erfindungsgemäße Schichtanordnung jedoch vermieden. Durch relativ geringe Verweildauern ergibt sich nämlich in den Randschichten ebenfalls ein verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit in der Randzone, die zu einer besonders geringen Mikrorißempfindlichkeit führt. Bevorzugt lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteile mit einer Wanddicke von weniger als 4 mm herstellen. Von der Wanddicke haben die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Schichten, d.h. die martensitisch gehärteten Schichten, einen Querschnittsanteil von etwa 10% bis 50%. Alternativ kann auch die Kernschicht der Bauteile in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbar sein, beispielsweise gehärtet, während die Randschichten aus nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Stahllegierungen oder rostfreien Stählen bestehen.

Die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Schichten aus Werkstoffen wie beispielsweise C 55, C 67 oder andere Stähle der EN, 100 Cr 6 oder X 20 Cr13, X 35 CrMo 17 bilden vorteilhafterweise die Randschichten, während die Kernschichten aus nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Werkstoffen wie beispielsweise DC 01 oder C 10 bestehen. Für bestimmte Anwendungen können die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Schichten jedoch ebenfalls die Kernschichten bilden, beispielsweise einen Federstahlkern aus C 60, C 67 oder C 75, während die Randschichten aus gut verformbaren Stählen wie z.B. C 10 oder DC 01 bestehen, oder auch aus rostbeständigen Stählen wie X 5 CrNi 1810.

Der erfindungsgemäße Legierungsgradient zwischen den Rand- und Kernschichten kann dadurch erzeugt werden, daß zur Herstellung des Verbundwerkstoffs für die Randschichten Platinen aus martensitisch härtbarem Stahl parallel mit Abstand zueinander angeordnet werden und die dazwischen befindliche Kernschicht mit schmelzflüssigem, kohlenstoffärmerem Stahl vergossen wird. Zur Ausbildung der Randschichten wird beispielsweise Kalt- oder oberflächenbehandeltes Warmband mit vorgegebener chemischer Analyse, insbesondere hohem Kohlenstoffgehalt verwendet. Durch den schmelzflüssig dazwischen eingegossenen Kernwerkstoff, der einen geringeren Kohlenstoffgehalt hat, kommt es zu einem lokalen Aufschmelzen der Platinen an den Werkstoffgrenzflächen, wodurch sich aufgrund von Diffusionsprozessen ein flacher Legierungs- bzw. Kohlenstoffgradient, mit einer Tiefe von etwa 0,1 - 0,3 mm ausbildet. Diese Eigenschaften werden durch die erfindungsgemäße Verbindung mittels eines endabmessungsnahen Gießverfahrens ermöglicht.

Vorzugsweise werden die Platinen durch die Gießräder bzw. die Gießkokille beim Eingießen des schmelzflüssigen Kernwerkstoffs von außen gekühlt. Dadurch kann selbst bei dünnen Platinen die Breite des Legierungsgradienten so gesteuert werden, daß sie im Bereich von 0,1 mm liegt und dabei bis zu 10 % vom Gesamtquerschnitt beträgt.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Platinen als Bandstahl am Rand des Gießspaltes einer kontinuierlich arbeitenden Gießanlage zugeführt werden. Alternativ kann die Gießanlage eine Stranggießanlage mit einer festen Durchlaufkokille sein oder zur Durchführung eines kontinuierlichen Gießwalzprozesses mit den Gießspalt begrenzenden, rotierenden Rollen (Gießrädem) ausgestattet sein. Erfindungsgemäß wird das Band, welches die Randschichten bildet, beidseitig längs der Rollen oder Kupferbacken am Rand des Schmelzensumpfes in den Gießspalt eingeführt. Zumindest auf ihren Innenseiten, wo der flüssige Kernwerkstoff eingegossen wird, müssen die Bänder durch entsprechende Oberflächenbehandlung blank, zunder- und oxydfrei sowie ggf. aufgerauht sein.

Um eine unerwünschte Oxydation der Wandoberfläche durch die Erwärmung bei der Zuführung in den Gießspalt zu unterbinden, ist es vorteilhaft, den einlaufenden Bandstahl bzw. die Platinen unter einer oxydationsverhindernden Abdeckung zuzuführen. Bevorzugt kann dies eine Schutzgasatmosphäre sein. Eine derartige Schutzglasglocke wird durch Zuführung von Inertgasen bzw. Inertgasgemischen erzeugt.

Sobald die Schmelze des Kernwerkstoffs in Kontakt mit der Bandoberfläche kommt, wird diese auf über 950°C aufgeheizt, so daß durch Diffusionsverschweißung der Schmelze mit der Bandoberfläche eine metallische Fügung mit dem erfindungsgemäßen flachen Legierungsgradienten entsteht. Durch das die Randschichten bildende Band (Warmband) wird die Wärme weiter an die Kupferrollen oder die Kokillenwände abgegeben, so daß die Bänder nicht vollständig aufschmelzen, was nicht erwünscht wäre. Die Folge dieses Gießverbundes im endabmessungsnahen Wanddikkenbereich ist eine Steigerung der Gießleistung, da die Wärmeabfuhr durch die Aufheizung der zugeführten Randschichten erfolgt, das heißt der Gießspalt wird durch das zugeführte, kalte Material gekühlt.

Dem vorgenannten Vergießen schließt sich vorzugsweise ein Warmwalzvorgang an. Durch die dabei herrschenden Temperaturen von oberhalb 950°C wird aufgrund der hohen Flächenpressung und Verformung sichergestellt, daß eine vollständige Verschweißung der Schichten in der erfindungsgemäß angestrebten Weise sicher erreicht wird, und zwar selbst dann, wenn die metallische Fügung beim Kontakt der Schmelze mit der Bandoberfläche nicht ausreichend gewesen sein sollte. Es bildet sich spätestens dann ein flacher Werkstoffübergangsgradient zwischen den Schichten aus, der im 0,1 mm - Bereich liegt. Die Oberfläche des Walzgutes erhält einen walznarben- und zunderarmen Zustand ohne Flämm- oder Schlichtarbeitsgänge.

Anschließend wird der Verbundwerkstoff durch Warm- und/oder Kaltwalzen mit einem Abwalzgrad von regelmäßig mehr als 30% auf eine Dicke von 1 bis 5 mm ausgewalzt. Vorzugsweise durch anschließendes Kaltwalzen erfolgt die endgültige, maßhaltige Formgebung auf die Wanddicke der Bauteile, welche im Bereich bis zu 4,0 mm liegt, wobei die Oberfläche geringste Fehlertiefen und hohe Porenfreiheit aufweist, was die Voraussetzung für die spätere Verwendung für hochbeanspruchte Bauteile, beispielsweise Maschinenbauteile ist. Gegebenenfalls kann zur endgültigen Formgebung mehrfaches Kaltwalzen und Zwischenglühen erforderlich sein.

Vor der Weiterverarbeitung durch Biegen, Stanzen oder dergleichen wird der auf Maß gewalzte Verbundwerkstoff vorzugsweise einer Rekristallisations- bzw. Weichglühung auf etwa 730°C unterzogen. In diesem weichgeglühten Zustand eignet sich der Verbundwerkstoff gut zur Kaltformung, beispielsweise von Maschinenbauteilen.

Abschließend wird der auf Maß geformte Verbundwerkstoff zur Beeinflussung seiner Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der eine martensitische Härtung der vergütbaren Schichten erfolgt. Durch die an sich bekannte Abfolge der Verfahrensschritte Erwärmen-Abschrecken-Anlassen werden die unterschiedlich härtbaren Schichten, beispielsweise die Randschichten, martensitisch gehärtet, während die niedriger legierten Bereiche geringere Härte aufweisen und weiterhin ihre Zähigkeit behalten.

Durch eine partielle Wärmebehandlung, beispielsweise mittels Laser- oder Elektronenbestrahlung, kann eine lokal begrenzte Beeinflussung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften, das heißt Härtung erfolgen. Alternativ kann eine Beeinflussung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften im Kurzzeit-Durchlaufverfahren erfolgen, bevorzugt in einem Schutzgasofen. Diese ermöglicht eine besonders rationelle Fertigung von funktionsoptimiertem Bandmaterial und Bauteilen.

Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten hat ein nach den vorgenannten Verfahren hergestelltes, dünnwandiges Bauteil aus Stahl, mit einer weichen Kernschicht und martensitisch gehärteten Randschichten, welches aus einem kaltgeformten, gehärteten Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der kohlenstoffreiche, martensitisch gehärtete Randschichten und eine relativ dazu kohlenstoffärmere Kernschicht hat, wobei der Kohlenstoffgradient zwischen den Schichten flach verläuft. Dieses erfindungsgemäße Bauteil zeichnet sich dadurch aus, daß es hinsichtlich Härteverlauf und Festigkeitsverteilung einem einsatzgehärteten Stahlbauteil nahekommt. Durch die Verwendung eines Mehrschicht-Verbundwerkstoffs aus unterschiedlich martensitisch härtbaren Schichten können dabei jedoch Materialeigenschaften vorgegeben werden, welche mit anderen Härteverfahren nicht erreichbar sind. Dank der flachen Übergangszone ist eine Angleichung der Vergleichsspannungsbedingungen an den Lastspannungsverlauf im Querschnitt gegeben. Entsprechend ergibt sich eine rationellere Fertigung bei optimierten Funktionseigenschaften, wie poren- und entkohlungsfreie Oberfläche ohne Randoxidation der Komgrenzen mit einer Austenitkorngröße feiner als 8 nach DIN 50601. Alternativ kann das Bauteil auch nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbare Randschichten, beispielsweise aus rostfreien Stahllegierungen, und eine vergütete Kernschicht haben, beispielsweise aus Federstahl.

Die Wandungsdicke des erfindungsgemäßen Bauteils beträgt vorzugsweise bis zu 4,0 mm. Der Kohlenstoffgradient im Übergangsbereich erstreckt sich über etwa 10 bis 30 % der Wandungsdicke, also auf jeden Fall über mehr als 0,1 mm.

Die Werkstoffe für die Rand- und Kernschichten werden vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, daß die Härte der Kernschicht mindestens 30% bis 50% der Härte der Randschichten entspricht.

Das Bauteil kann sowohl aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, beispielsweise aus einer niedrig legierten Kernschicht und hoch legierten Randschichten. Die chemische Zusammensetzung der Randschichten kann jedoch bei Bedarf ebenfalls unterschiedlich sein, so daß insgesamt mindestens drei Schichten mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften vorhanden sind. Dadurch läßt sich eine weiter verbesserte Funktionsoptimierung der Bauteile erreichen, wie Korrosionsschutz oder Schmelzschweißbarkeit.

Weiterhin lassen sich bei erfindungsgemäß hergestellten Bauteilen asymmetrische Federwege oder selbst einstellende Federwege bzw. -kräfte realisieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 -: einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil;
Fig. 2 -: eine schematische Darstellung einer Gießanlage zur Herstellung von erfindungsgemäßem Bandmaterial.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein kaltgeformtes, martensitisch randschichtgehärtetes Bauteil 1. Dieses wird vorzugsweise aus Bandmaterial mit einer Gesamtdicke 5 gebildet, die im Bereich von 0,3 bis 4,0 mm liegt.

Das dargestellte Bauteil besteht aus Stahl-Schichtwerkstoff mit mehreren Schichten. Diese umfassen im einzelnen einen Kernbereich B aus kohtenstoffarmer Legierung und Randschichten A aus kohlenstoffreicherem, martensitisch gehärtetem Stahl. Die Kemschicht B besteht beispielsweise aus Ck10, DC01, C 10, C 35 oder C 53. Die äußeren Randschichten bestehen beispielsweise aus Ck67, C 55, C 67, oder auch 102 Cr6,x5 Cr Ni 1810 oder dergleichen. Die Randschichten A können ihrerseits auch aus Stahllegierungen mit jeweils unterschiedlichen Analysen bestehen.

Die Besonderheit des dargestellten Bauteils 1 liegt darin, daß die Schichten A, B, A bereits vor der Kaltverformung auf das Endmaß 5 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbunden worden sind, so daß an den Schichtgrenzen breite Übergangszonen G ausgebildet worden sind, welche schraffiert angedeutet sind und in denen sich durch Kohlenstoffdiffusion zwischen den Schichtwerkstoffen ein flacher Kohlenstoffgradient ausgebildet hat, der sich im Bereich von mehreren 1/10 mm bewegt.

Das gesamte Bauteil 1 (Fig. 1) ist, nach dem es beispielsweise zu einem Maschinenbauteil kaltgeformt worden ist, einem martensitischen Härteprozeß unterzogen worden. Dadurch sind die Randschichten A gehärtet, während der Kern B eine relativ große Zähigkeit beibehält. Dank des erfindungsgemäß flachen Kohlenstoffgradienten G liegt an den Schichtgrenzen ein flacher Spannungsverlauf vor, so daß keine Gefahr des Abplatzens der Randschichten A von der Kernschicht B besteht, wie dies beispielsweise bei dem walzplattierten Band gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Beim martensitischen Härten tritt praktisch kein Härteverzug, das heißt keine unerwünschte Form- und Maßänderung auf, so daß das Bauteil 1 bereits vor dem Härtevorgang auf das Endmaß 5 gebracht werden kann und keine Nacharbeit erforderlich ist, wie dies beim Einsatzhärten der Fall ist. Durch die Auswahl der Schichtwerkstoffe wird dabei jedoch ein vorteilhafter Festigkeits- und Härteverlauf erreicht, der mit der Einsatzhärtung vergleichbar oder besser ist. Die Durchhärtung der Randschichten A bei dem erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff kann nämlich mit einer Kurzzeitwärmebehandlung erfolgen, also mit einer deutlich kürzeren Austenitisierungszeit als beim Einsatzhärten. Dadurch erhalten die Randschichten A ein feinkörnigeres Härtegefüge, als es durch Einsatzhärtung erreichbar wäre. Ein etwaiger Rißfortschritt ist folglich nicht interkristallin, sondern transkristallin geprägt, was eine deutliche Verbesserung der Zähigkeit und entsprechend eine Erhöhung der Lebensdauer mit sich bringt.

Alternativ kann das erfindungsgemäße Bauteil 1 gemäß Fig. 1 auch eine vergütete Kernschicht B, die insbesondere martensitisch oder bainitisch gehärtet ist, und relativ dazu nicht oder weniger vergütete Randschichten haben, wobei es aus einem kaltgeformten, in seinen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbaren Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der eine kohlenstoffreiche, in ihren Festigkeitsund/oder Härteeigenschaften beeinflußbare Kernschicht B und relativ dazu kohlenstoffärmere Randschichten A hat, wobei die Zone des Kohlenstoffgradienten G, wie vorangehend erläutert, zwischen den Schichten A, B flach verläuft. Dabei sind zur Herstellung von Federelementen besonders interessante Werkstoffpaarungen mit einem in seinen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften beeinflußbarem Federstahl im Kern und korrosionsarmen, beispielsweise rostfreien Legierungen in den Randschichten A denkbar. Dadurch läßt sich beispielsweise ein asymmetrischer Federweg oder eine selbst einstellende Federkraft vorgeben.

Fig. 2 zeigt schematisch eine kontinuierlich arbeitende Zweirollen-Gießwalzanlage. Diese weist zwei rotierende, wassergekühlte Kupferrollen 2 auf, die einen Gießspalt von 1 - 5 mm Breite begrenzen. Von oben wird der Schmelzensumpf 3 über ein Tauchrohr 4 mit schmelzflüssigem Material B beaufschlagt. Entlang der Ränder des Gießspalts wird von Vorratscoils Bandmaterial A zugeführt. Mit dem im Gießspalt vergossenen Kernmaterial B findet dort die Verbindung zwischen dem als Stahlwarmband zugeführten Werkstoff A und dem schmelzflüssig zugeführten Werkstoff B statt. Durch die hohe Flächenpressung bei Temperaturen von oberhalb 950°C beim Warmwalzen erfolgt auf jeden Fall eine optimale metallische Fügung.

In der dargestellten Anlage sorgt die Wärmeabfuhr über die Kupferrollen 2 durch das Stahlwarmband A hindurch dafür, daß der Kohlenstoffgradient G das Stahlwarmband A nicht zu weit durchsetzt. Auf jeden Fall bleibt damit eine hinreichend dicke Randschicht des kohlenstoffreichen, martensitisch härtbaren Randmaterials A vorhanden, um in den nachfolgenden Wärmenbehandlungs- und Härteverfahren Bauteile mit dem dargestellten Härteverlauf bzw. der Festigkeitsverteilung zu erhalten.

Mit der dargestellten erfindungsgemäßen Anlage lassen sich Stahl-Schichtwerkstoffe mit extrem unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften der einzelnen Schichten herstellen. Der kaltverformbare Verbundwerkstoff läßt sich besonders gut und rationell bereits auf Endmaß verarbeiten. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren kommt es beim nachfolgenden Härten weder zu einem nachteiligen Härteverzug, noch besteht die Gefahr des Abplatzens von Randschichten. Diese weisen nämlich ein feines, zähes Härtegefüge auf, welches selbst bei hoher Beanspruchung oder Kurzzeitüberlastung nicht zum Bruch des Bauteiles führt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl, die eine innere Kernschicht und äußere Randschichten aufweisen, wobei die Kern- und Randschichten aus unterschiedlichen Stahllegierungen bestehen und in einem Gießverfahren zu einem Verbundwerkstoff mit flach verlaufendem Legierungsgradienten an den Grenzflächen verbunden werden und der Verbundwerkstoff auf das Maß der dünnwandigen Bauteile verformt und wärmebehandelt wird und wobei die Wärmebehandlung zu einem martensitischen oder bainitischen Härten nicht aller, jedoch mindestens einer der Schichten führt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete(n) Schicht(en) aus höher legiertem Stahl bestehen als die nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte(n) Schicht(en).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kern- und/oder Randschichten gehärtete und korrosionsfreie Schichten umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Schichten die Randschichten bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Schichten ein verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit und geringer Mikrorißempfindlichkeit haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Schichten die Kernschichten bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile eine Wanddicke von weniger als 4 mm haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärteten Schichten einen Querschnittsanteil von 10 bis 50% der Wanddicke haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Legierungsgradienten breiter ist als 0,1 mm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Legierungsgradient auf etwa 10-25% der Wanddicke erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Verbundwerkstoffes für die Randschichten Platinen aus martensitisch oder bainitisch härtbarem Stahl parallel mit Abstand zueinander angeordnet werden und die dazwischen befindliche Kernschicht mit schmelzflüssigem, kohlenstoffärmeren Stahl vergossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinen von außen gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinen als Bandstahl am Rand des Gießspaltes einer kontinuierlich arbeitenden Gießanlage zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stranggießanlage eine feste Durchlaufkokille hat.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießanlage rotierende, gekühlte Rollen hat, die den Gießspalt begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformen des Verbundwerkstoffs durch Warmwalzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformen des Verbundwerkstoffs durch Kaltwalzen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Maß der Bauteile verformte Verbundwerkstoff weichgeglüht und anschließend zu Bauteilen verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten durch eine Kurzzeitwärmebehandlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Endmaß geformte Verbundwerkstoff einer Wärmebehandlung unterzogen wird zur martensitischen oder bainitischen Härtung der gehärteten Schichten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine lokal begrenzte Härtung der gehärteten Schichten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die martensitische oder bainitische Härtung der Schichten im Durchlaufverfahren erfolgt.
Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem kaltgeformten Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der gehärtete Randschichten und eine nicht gehärtete Kernschicht hat.
Dünnwandiges Bauteil nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die martensitisch oder bainitisch gehärteten Randschichten kohlenstoffreich sind und die Kernschicht relativ dazu kohlenstoffärmer ist, wobei der Kohlenstoffgradient zwischen den Schichten flach verläuft.
Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem kaltgeformten Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der nicht gehärtete Randschichten und eine gehärtete Kernschicht hat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Bauteils weniger als 4 mm beträgt.
Bauteil nach Anspruch 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kohlenstoffgradient über bis zu 10% bis 30% der Wandungsdicke des Bauteils erstreckt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kohlenstoffgradient über mehr als 0,1 mm erstreckt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Randzone ein verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit und geringer Mikrorißempfindlichkeit hat.