Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes
aus bainitischem Sphäroguss, ausgehend von einem Werkstück aus Sphäroguss
mit Kugelgraphit durch Austenitisieren und nachfolgendes Bainitisieren.
Bainitischer Sphäroguss hat gegenüber gewöhnlichem Sphäroguss
und geschmiedetem Stahl dank seines besonderen Gefüges bei gleicher
Bruchdehnung eine höhere Zugfestigkeit und vor allem eine höhere Dauerfestigkeit
bei dynamischer Belastung; nur legierter Stahl reicht an diese
Eigenschaften heran. Weitere Vorteile sind geringeres spezifisches Gewicht,
gute Dämpfungseigenschaften. Seine Wärmedehnung ist größer,
ähnlich der von Aluminium und dessen Legierungen, was bei Kombination
dieser beiden Werkstoffe ein Vorteil ist. Daher ist dieser Werkstoff
geeignet für Wellen, Zahnräder, Kurvenscheiben, Steuemocken, Getriebegehäuse
und Fahrwerksteile.
Sphäroguss ist aus den Normen DIN EN 1564 (1997), ASTM A 897-90
(1997) ("Standard Specification for Austempered Ductile Cast Iron"),
SAE J 24770 (2002) und ISO 17804 (Entwurf) bekannt und in diesen
spezifiziert. Er wird üblicherweise, nicht ganz zutreffend, als Bainitischer
Sphäroguss oder besser " Austempered Ductile Cast Iron" genannt. Bei
dessen Herstellung wird von legiertem Sphäroguss ausgegangen, das
Austenitisieren erfolgt in einer Schutzgasatmosphäre bei Temperaturen
zwischen 800 und 900° Celsius und dauert mindestens zwei Stunden, bei
Teilen mit großen Wandstärken erheblich länger. Zum darauffolgenden
Bainitisieren wird das Werkstück von der Austenitisierungstemperatur in
einem Salz- oder Metallbad auf eine Bainitisierungstemperatur von 235
bis 425° Celsius abgekühlt, während 1 bis 4 Stunden auf dieser Temperatur
gehalten und sodann abgeschreckt. Daran ist zunächst nachteilig, dass
die Legierungselemente Molybdän, Kupfer und Nickel in den erforderlichen
Mengen das Werkstück bereits vor der Wärmebehandlung schwer
bearbeitbar machen und teuer sind. Viel teurer aber kommen die langen
Verweilzeiten in besonderen aufwändigen Vorrichtungen (ein Spezialofen
mit Schutzgasatmosphäre zum Austenitisieren und ein temperaturgeregeltes
Salzbad zum Bainitisieren). Im Gefüge verbleibt aber noch ein fühlbarer
Anteil an nadeligem Ferrit, der für die mechanischen Eigenschaften
ungünstig ist.
Somit ist es Ziel der Erfindung, diesen Nachteilen zu begegnen und bainitischen
Sphäroguss zu verbilligen und dessen Eigenschaften zu verbessern.
Dazu wird ein Verfahren angegeben und begleitend werden zur weiteren
Verbesserung der Eigenschaften des Werkstückes Merkmale zur
Zusammensetzung des Werkstückes vorgeschlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in den folgenden drei Schritten:
- Austenitisieren bei einer Temperatur von 950 bis 1100° Celsius in einer
C-haltigen Atmosphäre,
- dann Abkühlen auf Raumtemperatur, und schließlich
- Bainitisieren durch Erwärmen auf eine Anlasstemperatur von 120 bis
600° Celsius.
Durch die höhere Austenitisierungstemperatur geht in diesem Temperaturbereich
erheblich mehr Kohlenstoff aus dem Kugelgraphit im sich bildenden
Austenit in Lösung, und das in viel kürzerer Zeit. Die kurze erforderliche
Haltezeit auf dieser erhöhten Temperatur verhindert die Bildung
von versprödendem grobem Korn. Die Abkühlung auf Raumtemperatur
ist unproblematisch und erfordert keine besonderen Vorkehrungen. So
entsteht ein besonders feines Austenit - Gefüge. Der apparative Aufwand
ist dadurch billiger und die Belegungszeit der Apparate kürzer. Beim Bainitisieren
sind durch den breiten Temperaturbereich und die relativ kurze
Verweilzeit die mechanischen Werkstückeigenschaften in einem weiten
Bereich prozesssicher genau einstellbar. Insgesamt wird bei diesem Verfahren
also zwischen Austenitisieren und Bainitisieren auf Raumtemperatur
abgekühlt. Anders ausgedrückt bedeutet das, dass das Bainitgebiet
(auch "Bainitnase" genannt) im Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild
(kurz: ZTU-Schaubild) nicht von oben oder von der Seite (wie beim
Stand der Technik) sondern von unten, also bei ansteigender Temperatur
erreicht wird. Dadurch bleibt kein Ferrit und nur soviel Martensit im Gefüge
zurück, als sich aus dem im Austenit gebildeten Kohlenstoff bilden
kann. Letzteres, weil die Martensitlinie wegen der hohen Austenitisierungstemperatur
im ZTU - Schaubild und wegen des höheren Kohlenstoffgehaltes
des Austenites tiefer liegt. Das bringt eine erhebliche Verbesserung
des Gefüges und insgesamt der mechanisch-technologischen
Eigenschaften mit sich.
Die folgenden Verfahrensparameter haben sich als günstig erwiesen: zum
Austenitisieren gemäß a) eine Verweildauer von 0,2 bis 6 Stunden in einer
Atmosphäre von 0,35 bis 1,2 Gewichtsprozent Kohlenstoff (Anspruch
2), dabei steht der tiefere Wert für sehr kleine und der höhere Wert für
sehr große und dicke Werkstücke, etwa einen Turbinenrotor. Die Kohlenstoffatmosphäre
beugt einer Entkohlung der Randzonen vor, sodass das
Werkstück in seiner ganzen Tiefe homogen ist.
Die Geschwindigkeit, mit der das Abkühlen auf Raumtemperatur gemäß
b) erfolgt, soll so gewählt werden, dass die Abkühlkurve im ZTU-Schaubild
die "Perlitnase" gerade nicht berührt (Anspruch 3). Das heisst, die
Abkühlung kann mit einer reduzierten Abkühlgeschwindigkeit erfolgen,
die (je nach Werkstückdicke) mit einem Gasstrom (Stickstoff, Helium
und deren Gemische, oder auch nur Luft) erzielbar ist, wieder mit geringem
apparativen Aufwand. Dadurch ist trotz der höheren Austenitisierungstemperatur
die Verzugsgefahr viel kleiner. Bei geringeren Anforderungen
an die Maßhaltigkeit des Werkstückes ist auch eine Abkühlung im
Ölbad möglich. Für Werkstücke, bei denen es auf höchste Verschleissfestigkeit
ankommt, oder bei denen die Perlitnase weit vorspringt, wird die
Abkühlgeschwindigkeit so gewählt, dass die Abkühlkurve auch die "Bainitnase"
gerade nicht berührt (Anspruch 4)
Das Bainitisieren gemäß c) erfolgt dann "von unten", wobei während 0,5
bis 4 Stunden bei der Temperatur von 120 bis 600° Celsius die Festigkeitseigenschaften
eingestellt werden (Anspruch 5). Die Dauer ist wieder
von der Größe des Werkstückes abhängig, für kleinere Wellen und Zahnräder
liegt sie selten über einer Stunde. In dem breiten Temperaturbereich
sind die mechanischen Werkstückeigenschaften durch Wahl der Temperatur
prozesssicher genau einstellbar, und zwar für höchste Verschleissfestigkeit
zwischen 120 und 250° Celsius (Anspruch 6) und für große Zähigkeit
und besonders hohe Dauerfestigkeit zwischen 250 und 600° Celsius
(Anspruch 7).
Die geringe Verzugsgefahr hat noch einen besonderen Vorteil: das Werkstück
von dem ausgegangen wird besteht aus Sphäroguss und kann bereits
bis zu seiner endgültigen Form bearbeitet sein (Anspruch 8), was bei dem
gewöhnlichen Sphäroguss, also dem unlegierten Ausgangsmaterial besonders
leicht und schnell geht (Anspruch 9).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann von gewöhnlichem Sphäroguss
(z.B. nach DIN EN 1563) ausgehen (Anspruch 9), der keine besonderen
Zusatzelemente enthält. Darüber hinaus können in Weiterbildung der Erfindung
die Eigenschaften des Werkstückes durch eine modifizierte Zusammensetzung
noch weiter verbessert werden. Ein so verbessertes Ausgangsmaterial
enthält nebst dem Eisen 2,8 bis 3,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff
und 2,7 bis 4,0 Gewichtsprozent Silizium, Rest unvermeidliche
Verunreinigungen und in gewöhnlichem Sphäroguss vorhandene Beimengungen
(Anspruch 10). Dabei sind die Eckwerte der Bereiche von
Kohlenstoff und Silizium einander kreuzweise zuzuordnen: Zum höheren
Kohlenstoffgehalt gehört der tiefere Siliziumgehalt und vice versa , sodass
sich entsprechend dem Kohlenstoffäquivalent eine Zusammensetzung
leicht über oder unter der eutektischen einstellt.
Der erhöhte Kohlenstoffgehalt ist wegen der höheren Austenitisierungstemperatur
möglich. Der erhöhte Siliziumgehalt vermeidet Karbidbildung
beim Bainitisieren. Eine bereits in gewöhnlichem Sphäroguss vorhandene
Beimengung ist etwa Magnesium, von dem erfahrungsgemäß 0,03 bis
0,06 Gewichtsprozent genügen, um den Kohlenstoff in sphärische Form
zu bringen. Besonders gute Werte wurden erzielt, wenn das Werkstück
3,1 bis 3,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff und 3,0 bis 3,5 Gewichtsprozent
Silizium enthält (Anspruch 11).
Enthält das Werkstück weiters 0,03 bis 0,06 Gewichtsprozent Kalzium
und/oder Cer (Anspruch 12), so werden die Kügelchen aus Kugelgraphit
und die Abstände zwischen ihnen besonders klein. Das ergibt ein besonders
feines und gleichmäßiges Gefüge. Soll zusätzlich zu den bereits erheblich
verbesserten mechanischen Eigenschaften auch noch die statische
Streckgrenze besonders hoch sein, kann das Werkstück schließlich doch
noch 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Nickel enthalten (Anspruch 13), aus
Kostengründen vorzugsweise 0,2 bis 0,35.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben
und erläutert. Es stellen dar:
- Fig. 1:
- Ein erfindungsgemäßes Werkstück als Beispiel,
- Fig. 2:
- das erfindungsgemäße Verfahren im ZTU - Schaubild,
- Fig. 3:
- das erfindungsgemäß erzielte Gefüge im Schliffbild,
- Fig. 4:
- einen Vergleich der Festigkeitseigenschaften des neuen
Werkstoffes mit dem Stand der Technik,
- Fig. 5:
- ein Schaubild der beim Bainitisieren einstellbaren Härte.
Als Beispiel wird die Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstückes
beschrieben. Es kann sich um eine Kurbelwelle, Nockenwelle oder Ausgleichswelle
eines Verbrennungsmotors, um Zahnräder, Kurvenscheiben,
Teile einer Werkzeugmaschine, oder hoch beanspruchte Gehäuse- oder
Fahrwerksteile eines Kraftfahrzeuges handeln. So hergestellte Teile können
geschmiedete, einsatzgehärtete, nitrierte, anders gehärtete oder vergütete
Teile oder solche aus einem Werkstoff nach dem Stand der Technik
ersetzen.
Fig. 1 zeigt beispielsweise eine Ausgleichwelle mit Zahnrad. Sie besteht
aus einer Welle 1, einem mit ihr einstückigen Zahnrad und aus den Lagerflächen
3,4. Das Werkstück in seiner Ausgangsform wird durch Giessen
als Sphäroguss in Form gebracht. Dann wird das Zahnrad 2 und werden
die Lagerflächen 3,4 bearbeitet, was wegen der guten Zerspannbarkeit in
diesem Zustand sehr leicht und schnell geht. Wenn die bekannte Volumszunahme
beim Bainitisieren berücksichtigt wird, kann das gegossene
Werkstück bereits die - entsprechend vorgehaltene - Endform haben, einschließlich
einer gröberen Verzahnung. Günstigstenfalls ist dann nach der
Wärmebehandlung, dem Bainitisieren, überhaupt keine mechanische Bearbeitung
mehr nötig.
Der Sphäroguss ist entweder ein erfindungsgemäß wärmebehandelter gewöhnlicher
Sphäroguss nach DIN EN 1563 oder ein erfindungsgemäß
modifizierter und behandelter Sphäroguss. Ein solcher entsteht durch
Hinzufügen weiterer Elemente (Ca, Ce, Ni) oder durch Erweiterung der
Prozentbereiche von Kohlenstoff und Silizium. Es folgen typische Analysen
konkreter Beispiele beider:
Beispiel 1: Gewöhnlicher Sphäroguss
C = 3,74 % |
Ni = 0,0 % |
Si = 2,83 % |
Mg = 0,056 % |
Mn= 0,2 % |
Rest Fe und unvermeidliche Beimengungen.
Beispiel 2 : modifizierter Sphäroguss
C = 3,33 % |
Mg = 0,031 % |
Si = 3,77 % |
Ca = 0,04 % |
Mn= 0,11 % |
Ce = 0,03 % |
Ni = 0,29 % |
Rest Fe und unvermeidliche Beimengungen.
Werkstücke mit diesen beiden Analysen wurden dann der erfindungsgemäßen
aus zwei Phasen bestehenden thermischen Behandlung unterzogen,
die wie das konventionelle Einsatzhärten in herkömmlichen Kammeröfen
oder Durchstoßöfen erfolgen kann. Besondere Metall- oder Salzbäder
sind nicht erforderlich.
Im ZTU - Schaubild der Fig. 2 ist auf der Ordinate die Zeit und auf der
Abszisse die Temperatur aufgetragen. Die den verschiedenen Gefügestrukturen
zugeordneten Felder sind mit A (=Austenit), B (=Bainit), F
(=Ferrit), M (=Martensit), P (=Perlit) und mit Ms (=Martensitstartlinie)
bezeichnet. Die Bainitisierung nach dem Stand der Technik erfolgt entlang
der strichlierten Kurven a, b und c.
Erfindungsgemäß wird das Werkstück aus gewöhnlichem oder verbessertem
Sphäroguss zur Austenitisierung zunächst auf 1000° Celsius erhitzt,
um eine oberflächliche Entkohlung zu verhindern in mit Kohlenstoff angereicherter
Atmosphäre. Durch die erhöhte Temperatur geht der erhöhte
Kohlenstoffanteil großteils in Lösung. Deren Wirkung ist durch ein Zahlenbeispiel
darzutun, das (nach Darwish und Elliott) den Kohlenstoffgehalt
Cy im so gebildeten Austenit für dasselbe Werkstück vergleicht:
Bei 900° Celsius und einer Verweilzeit von 330 Minuten Cy = 1,27 %,
Bei 1000° Celsius und einer Verweilzeit von 60 Minuten Cy = 1,16 %,
Bei 1050° Celsius und einer Verweilzeit von 60 Minuten Cy = 1,32 %,
Dem gemäß wird das beispielsweise Werkstück 0,2 bis 2 Stunden auf einer
Temperatur von 1050° Celsius gehalten.
In der Folge wird es beschleunigt, aber zur Vermeidung von Verzug des
Werkstückes nicht zu schnell, auf Raumtemperatur abgekühlt, entsprechend
der Kurve 7, bis zum Punkt 8. Man sieht dass sie weit an der "Perlit-Nase",
die unbedingt zu meiden ist, aber sehr nahe an der "BainitNase"
B vorbeiführt, bis zu einer Linie Ms-neu, die wegen dem bei der höheren
Austenitisierungstemperatur höheren Gehalt an Kohlenstoff tiefer
liegt. Wegen der tiefen Linie Ms-neu ist der Martensitgehalt und daher auch
die Versprödung sehr gering. Dazu trägt auch der Gehalt an Restaustenit
bei, der eine duktile Matrix bildet. Das Abkühlen erfolgt je nach Umständen
und Größe des Werkstückes durch Öl- oder Hochdruckgas.
Schließlich folgt die Bainitisierung durch Anlassen auf 120 bis 600° Celsius
und während 0,5 bis 4 Stunden. Die Temperatur richtet sich nach den
geforderten mechanischen und technologischen Eigenschaften (Härte, Zähigkeit,
Dauerfestigkeit, Zugfestigkeit, etc), die Zeitdauer hängt vorwiegend
von dem Verhältnis Masse zu Oberfläche des Werkstückes ab. In
Fig. 2 sind zwei beispielsweise Verläufe eingezeichnet. Die trapezförmige
Kurve 9 zeigt den Temperaturverlauf beim Bainitisieren auf 300°C, Kurve
10 den beim Bainitisieren auf 530°C.
Die mechanischen Eigenschaften eines nach der Kurve 9 bei 300°C behandelten
Werkstückes sind hohe Verschleissfestigkeit durch harte Oberfläche
(z.B. 56 HRC) bei mäßiger Bruchdehnung. Ein nach der Kurve 10
bei 530°C behandeltes Werkstück zeigt etwa die doppelte Dauerfestigkeit
eines Sphäroguss nach dem Stand der Technik (DIN EN 1563), eine hohe
Kernfestigkeit, wegen des kleineren Elastizitätsmoduls ein sehr hohes Geräuschdämpfungsvermögen
und wegen der sehr kleinen Kohlenstoffltügelchen
(Sphärolithen) kaum Kerbwirkung und daher hohe Bruchzähigkeit,
geringeres Gewicht (Dichte 7,1 g/cm3, gegenüber 7,85 von Stahl),
gute Gießbarkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem
von Aluminium sehr nahe kommt. Wegen des Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufgrund des Geräuschdämpfungsvermögens ideal geeignet für
Zahnräder und Wellen, die in einem Leichtmetallgehäuse laufen.
Fig. 5 zeigt schließlich noch den Zusammenhang zwischen der Anlasstemperatur
= Bainitisierunstemperatur und der damit eingestellten Oberflächenhärte
(HB). Wie zu erwarten sinkt die Härte mit der Anlasstemperatur.
Das dabei entstehende Gefüge ist in Fig. 3 stark vergrößert abgebildet.
Es ist eine sehr feine Mischung (im Bild grau) aus Austenit und Bainit,
mit nur wenigen Martensit - Nadeln (im Bild weiß) und sehr kleinen Graphitkügelchen
(im Bild schwarz).
Zum Vergleich sind die Eigenschaften Bruchdehnung und Zugfestigkeit
verschiedener Werkstoffe in Fig. 4 einander gegenübergestellt, erstere auf
der Ordinate und zweitere auf der Abszisse. Das Feld A entspricht dem
bainitischem Sphäroguss nach dem Stand der Technik, B geschmiedetem
legiertem Stahl, C geschmiedetem unlegiertem Stahl, D gewöhnlichem
Sphäroguss und E einem erfindungsgemäß bainitisierten Sphäroguss.