EP2057298B1 - Stahl und verarbeitungsverfahren für die herstellung von höherfesten bruchtrennbaren maschinenbauteilen - Google Patents

Stahl und verarbeitungsverfahren für die herstellung von höherfesten bruchtrennbaren maschinenbauteilen Download PDF

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EP2057298B1 EP07801178A EP07801178A EP2057298B1 EP 2057298 B1 EP2057298 B1 EP 2057298B1 EP 07801178 A EP07801178 A EP 07801178A EP 07801178 A EP07801178 A EP 07801178A EP 2057298 B1 EP2057298 B1 EP 2057298B1
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Definitions

  • the present invention relates to a steel and the processing method for the manufacture of higher-strength machine components, which consist of at least two fracture-separated parts. This material was developed, for example, for the production of cracking pipes.
  • the steel must be suitable for forging or other hot forming.
  • Forged heat with controlled cooling requires the setting of a largely pearlitic structure with a yield strength of more than 750 N / mm 2 , a tensile strength of 1000 to 1200 N / mm 2 , an elongation at break of more than 10% and a fracture rate of more than 25% , Particularly important is the suitability for fracture separation.
  • the desired properties can be achieved by the targeted adjustment of a pearlitic structure with precipitates of special carbides (niobium and vanadium carbides) and of manganese sulfides by a correspondingly adjusted chemical composition, a targeted temperature control during hot forming during the production of the starting material and in the final forging of the components (thermomechanical treatment) and a matched heat treatment after forging or hot forging.
  • steels of almost eutectoid composition having about 0.7% C, 0.5 to 0.9% Mn, 0.06 to 0.07% S and optionally 0.1 to 0.2 are used % V (C70S6, 70MnVS4) or with average carbon content of about 0.4% C, about 1% Mn, 0.06 to 0.07% S and about 0.3% V (36MnVS4) according to technical customer specifications.
  • the object of the present invention is to avoid the mentioned disadvantages by proposing a new steel which has the required mechanical properties in terms of strength (and fatigue strength) and in addition combines good toughness properties in the tensile test with simultaneously good crackability.
  • the steel should be readily pourable and forgeable.
  • the new steel should be able to be produced in a way that saves resources compared to the known steels by a partial substitution of the vanadium content by niobium with a correspondingly adapted forming and cooling strategy.
  • a crackable steel is also from the EP 0779 375 B1 known. However, the addition of niobium is not provided here.
  • the high value for the yield strength is achieved in accordance with the invention in addition to the basic chemical composition by precipitation of carbides of the carbide blanks, niobium and vanadium, which are dispersed as finely as possible.
  • a resolution of the existing carbides before the last hot forming step is required as well as a controlled temperature control during hot forming and the subsequent cooling.
  • Finely divided precipitates can be achieved in particular with a low final forming temperature followed by slightly accelerated cooling. As a result, in particular the yield strength is increased and thus the yield ratio significantly improved.
  • the tensile strength can be improved from the base value given by the base composition with 0.5% C, 0.6% Si, 1.0% Mn, 0.23% Cr, 0.2% Ni and 0.14% V by a slightly accelerated Cooling after hot forming can also be set in the desired range.
  • the toughness characteristics are limited in particular by the targeted addition of 0.06 to 0.07% sulfur. Also positive in this sense are the carbon content and the relatively high nitrogen content.
  • the invention relates to a steel for producing fracture-separable components for the vehicle industry according to claim 1.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stahl und das Verarbeitungsverfahren für die Herstellung von höherfestenMaschinenbauteilen, die aus mindestens zwei bruchgetrennten Teilen bestehen. Dieser Werkstoff wurde zum Beispiel für die Herstellung von Crackpleueln entwickelt.
  • Der Stahl muss zum Schmieden oder zum sonstigen Warmumformen geeignet sein. Aus der Schmiedehitze mit kontrollierter Abkühlung muss ein weitgehend perlitisches Gefüge einzustellen sein, das eine Streckgrenze von über 750 N/mm2, eine Zugfestigkeit von 1000 bis 1200 N/mm2, eine Bruchdehnung von über 10% und eine Brucheinschnürung von über 25% aufweist. Besonders wichtig ist die Eignung zum Bruchtrennen.
  • Die gewünschten Eigenschaften können erreicht werden durch die gezielte Einstellung eines perlitischen Gefüges mit Ausscheidungen von Sondercarbiden (Niob- und Vanadiumcarbide) sowie von Mangansulfiden durch eine entsprechend einzustellende chemische Zusammensetzung, eine gezielte Temperaturführung während der Warmumformung bei der Herstellung des Vormaterials sowie bei der Fertigschmiedung der Bauteilen (thermomechanische Behandlung) und eine abgestimmte Wärmebehandlung nach erfolgter Schmiedung bzw. Warmumformung.
  • Bisher werden für diesen Verwendungszweck zum Beispiel entweder Stähle von beinahe eutektoider Zusammensetzung mit etwa 0,7% C, 0,5 bis 0,9% Mn, 0,06 bis 0,07% S und ggf. 0,1 bis 0,2% V (C70S6, 70MnVS4) oder mit mittlerem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4% C, etwa 1 % Mn, 0,06 bis 0,07% S und etwa 0,3% V (36MnVS4) nach technischen Kundenvorschriften eingesetzt.
  • Diese Stähle weisen ein weitgehend perlitisches Gefüge mit Vanadiumcarbiden sowie Mangansulfiden auf und halten die Vorgaben bezüglich der mechanischen Eigenschaften ein. Nachteile der bekannten Werkstoffvarianten liegen darin, dass die bisherigen Werkstoffvarianten einen hohen Ressourcenverbrauch an teuren und knappen Legierungsmitteln aufweisen. Insbesondere Vanadium wird derzeit vermehrt im Bereich ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stähle (AFP-Stähle) eingesetzt, wodurch Vanadium zu einem zunehmend knappen Gut wird.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung der genannten Nachteile durch den Vorschlag eines neuen Stahles, der die geforderten mechanischen Eigenschaften bezüglich der Festigkeit (und Dauerfestigkeit) aufweist und zusätzlich gute Zähigkeitseigenschaften im Zugversuch mit gleichzeitig guter Crackbarkeit vereint. Gleichzeitig soll der Stahl gut strangvergießbar und schmiedbar sein. Des Weiteren soll der neue Stahl ressourcenschonender herstellbar sein als die bekannten Stähle durch eine partielle Substitution des Vanadiumgehaltes durch Niob mit einer entsprechend angepassten Umform- und Abkühlstrategie.
  • Ein crackbarer Stahl ist auch aus der EP 0779 375 B1 bekannt. Die Zugabe von Niob ist hier jedoch nicht vorgesehen.
  • Der hohe Wert für die Streckgrenze wird erfindungsgemäß neben der chemischen Basiszusammensetzung durch eine Ausscheidung von möglichst fein verteilten Carbiden der Sondercarbidblidner Niob und Vanadium erzielt. Hierfür ist eine Auflösung der vorhandenen Carbide vor dem letzten Warmumformschritt erforderlich sowie eine kontrollierte Temperaturführung während der Warmumformung und der anschließenden Abkühlung. Fein verteilte Ausscheidungen können insbesondere bei einer niedrigen Endumformtemperatur mit anschließend leicht beschleunigter Abkühlung erzielt werden. Hierdurch wird besonders die Streckgrenze angehoben und somit das Streckgrenzenverhältnis entscheidend verbessert.
  • Die Zugfestigkeit kann von dem durch die Grundzusammensetzung mit 0,5% C, 0,6% Si, 1,0% Mn, 0,23% Cr, 0,2% Ni und 0,14% V gegebenen Basiswert durch eine leicht beschleunigte Abkühlung nach der Warmumformung ebenfalls im gewünschten Bereich eingestellt werden.
  • Die Zähigkeitskennwerte werden insbesondere durch die gezielte Zulegierung von 0,06 bis 0,07% Schwefel begrenzt. Ebenfalls positiv in diesem Sinne wirken der Kohlenstoffgehalt und der relativ hohe Stickstoffgehalt.
  • Entscheidend für eine gute Crackbarkeit des Werkstoffes ist ein kristalliner Bruch ohne makroskopische Verformung. Dies wird durch das Legierungskonzept mit hohem Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelgehalt und vergleichsweise geringen Gehalten an Chrom, Nickel und Molybdän vorgegeben.
  • Lösungsgemäß betrifft die Erfindung einen Stahl zur Herstellung von bruchtrennbaren Bauteilen für die Fahrzeugindustrie gemäß Anspruch 1.

Claims (11)

  1. Stahl für höherfeste Maschinenbauteile, die aus mindestens zwei bruchgetrennten Teilen bestehen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass dessen chemische Zusammensetzung folgende Gehalte in Gewichtsprozent aufweist: 0,45% ≤ C ≤ 0,55% 0,50% ≤ Si ≤ 0,70% 0,90% ≤ Mn ≤ 1,10% 0,10% ≤ Cr ≤ 0,40% 0,10% ≤ Ni ≤ 0,30% 0% ≤ Mo ≤ 0,20% 0,10% ≤ V ≤ 0,20% 0.010% ≤ Al ≤ 0,020% 0,020% ≤ Nb ≤ 0,030% 0,010% ≤N≤ 0,020% Optional 0,02% ≤ Ti ≤ 0,030%
    wobei der Rest aus Eisen und den erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
  2. Stahl nach Anspruch1, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,45% ≤ C ≤ 0,55% 0,50% ≤ Si ≤ 0,70% 0,90% ≤ Mn ≤ 1,10% 0,10% ≤ Cr ≤ 0,40% 0,10% ≤ Ni ≤ 0,30% 0,10% ≤ V ≤ 0,20% 0,010% ≤ Al ≤ 0,020% 0,020% ≤ Nb ≤ 0,030% 0,010% ≤ N ≤ 0,020% 0,020% ≤ Ti ≤ 0,030%
  3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine chemische Zusammensetzung derart ist, dass gilt: 0,45% ≤ C ≤ 0,55% 0,50% ≤ Si ≤ 0,70% 0,90% ≤ Mn ≤ 1,10% 0,30% ≤ Cr ≤ 0,40% 0.10% ≤ Ni ≤ 0,20% 0,10% ≤ V ≤ 0,20% 0,010% ≤ Al ≤ 0,020% 0,020% ≤ Nb ≤ 0,030% 0,015% ≤ N ≤ 0,020%
  4. Verwendung eines Stahles nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung von bruchtrennbaren Bauteilen für den Fahrzeugbau, die nach dem Schmieden und einer kontrollierten Abkühlung eine weitgehend perlitische Struktur mit Ausscheidungen von Sondercarbiden aufweisen.
  5. Bauteil hergestellt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckgrenze nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 750 N/mm2 beträgt.
  6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfestigkeit nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 950 N/mm2 und unter 1200 N/mm2 beträgt.
  7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 10% beträgt.
  8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brucheinschnürung nach einer kontrollierten Abkühlung aus der Umformwärme über 25% beträgt.
  9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es bruchtrennbar ist.
  10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es zum induktiven Härten geeignet ist.
  11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenschaften sowohl im Schmiedevormaterial als auch im Bauteil durch eine thermomechanische Behandlung eingestellt werden können.
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