EP2732061A1 - Chrom-molybden-legierung - Google Patents

Chrom-molybden-legierung

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EP2732061A1
EP2732061A1 EP12710674.8A EP12710674A EP2732061A1 EP 2732061 A1 EP2732061 A1 EP 2732061A1 EP 12710674 A EP12710674 A EP 12710674A EP 2732061 A1 EP2732061 A1 EP 2732061A1
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EP
European Patent Office
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alloy
temperature
range
period
minutes
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EP12710674.8A
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EP2732061B1 (de
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Matthias Kuntz
Friedrich Muehleder
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP2732061B1 publication Critical patent/EP2732061B1/de
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/08—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium

Definitions

  • the present invention relates to a chromium-molybdenum alloy. More particularly, the present invention relates to an alloy based on 42CrMo4 or 18CrNiMo7-6 which comprises an alloy of manganese and a
  • high-strength materials are needed.
  • a significant limitation of the use of high-strength materials is given for example by their mechanical properties.
  • the component manufacturing route may impose limitations. Especially for large-sized components, a high strength of importance, since often act large forces and a replacement of damaged parts is very expensive.
  • This steel is based on an AFP steel and has the following composition, each in weight%: carbon: 0.35-0.50; Silicon: 0.15-0.80; Manganese: 1, 20-2, 00; Phosphorus: 0.00-0.0025; Nitrogen: 0.010-0.035; Chromium: 0.00-0.50; Molybdenum: 0.00-0.050; Nickel: 0.00-0.15; Copper: 0.00-0.40; Vanadium: 0.13-0.40; Titanium: 0.001-0.004; Aluminum: 0.00-0.04; Niobium: 0.00-0.05; in which at least two of the elements vanadium, aluminum and niobium are included. It is stated that a low titanium content of 0.001 wt.% To 0.004 wt.% Is a decisive factor in order to obtain mechanical properties comparable to the mechanical properties of tempered steels.
  • the invention relates to a chromium-molybdenum alloy selected from the group consisting of 42CrMo4 and 18CrNiMo7-6, the alloy comprising: manganese in an amount of> 1, 0 wt .-% to ⁇ 1, 3 wt .-% ; Aluminum in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.05 wt .-%; Niobium in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.04 wt .-% and nitrogen in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.015 wt .-%.
  • the alloy according to the invention has a defined composition of characteristic alloying elements.
  • Alloy according to the invention form the tempering steel 42CrMo4 or the insert steel 18CrNiMo7-6.
  • the composition of such alloys is known to those skilled in the art.
  • a 42CrMo4 alloy and an 18CrNiMo7-6 alloy include in particular the following metallic ones
  • the per se known alloys 42CrMo4 or the insert steel 18CrNiMo7-6 are modified according to the invention by an addition of manganese, whereby the amount of manganese according to the invention no longer corresponds to the amounts given in Table 1, but are higher, in particular in a range of> 1, 0 to ⁇ 1, 3 wt .-%. Furthermore, the alloys according to the invention have a microalloy of niobium, aluminum and nitrogen.
  • aluminum is present in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.05 wt .-%; Niobium in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.04 wt .-% and nitrogen in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.015 wt .-% before.
  • Aluminum is particularly preferably present in an amount of> 0.01% by weight to ⁇ 0.025% by weight; Niobium in an amount of> 0.01 wt .-% to ⁇ 0.02 wt .-% and nitrogen in an amount of> 0.005 wt .-% to ⁇ 0.010 wt .-% before.
  • a niobium content of ⁇ 0.03 wt% may be sufficient.
  • Alloy structure leads.
  • the micro-alloying elements prevent grain growth in a heat treatment. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain an ASTM grain size in a range of> 12 to ⁇ 13 with a heat treatment route in a 42CrMo4-based alloy. Further, according to the present invention, in an alloy based on 18CrNiMo7-6, an ASTM grain size in a range of> 13 to ⁇ 14 can be obtained.
  • ASTM grain size ASTM: American Society for Testing Materials
  • microalloyed alloying partners can form aluminum and niobium according to the invention with the likewise added micro-alloyed nitrogen carbonitrides.
  • These intermetallic compounds attach themselves to the grain boundaries and can thus prevent grain growth and thus lead to smaller particle sizes.
  • the added manganese stabilizes especially the austenitic ones
  • the alloy according to the invention makes it possible, in particular, to make it possible to increase the cyclic resistance and the resistance to rolling fatigue, whereby the component production route can essentially remain unchanged. This can improve the reliability of the components without significant additional costs or without
  • Properties can be improved, for example, the power density of large gearboxes.
  • the alloy according to the invention can also be used without difficulty in existing processes in a wide range, which makes possible a wide range of application of the invention. This is particularly advantageous in the case of large transmission components, since here the component production route is severely limited due to the dimensioning of the components.
  • the alloy may further comprise phosphorus and / or sulfur and / or oxygen. These elements can occur as accompanying elements and can have a concentration in a conventional range known to the person skilled in the art.
  • phosphorus for example, can increase the strength, in particular the tensile strength, and the hardness, in particular at a carbon content of about 0.1% and at the same time
  • the manganese is present in an amount of> 1, 0 wt .-% to ⁇ 1, 2 wt .-%, and / or the aluminum is in an amount of> 0.04 wt .-% to ⁇ 0.05 Wt .-% before, and / or the nitrogen is present in an amount of ⁇ 0.010 wt .-%.
  • a composition could be particularly good
  • the alloy according to the invention is a chromium-molybdenum alloy selected from the group consisting of 42CrMo4 and 18CrNiMo7-6, the alloy being used as further alloy components, ie as alloy constituents in addition to the
  • Base alloy constituents of the 42CrMo4 alloy or the 18CrNiMo7-6 alloy exclusively comprising: aluminum, niobium, nitrogen and optionally phosphorus, sulfur and / or oxygen.
  • the alloy constituents are present in particular in the above-described concentrations, the alloy components being present together with a remainder of iron and thus adding up to 100% by weight.
  • the term "alloying component” refers in particular to substances which form mixed crystals with one another.
  • the invention further relates to a method for producing a component, comprising the steps:
  • the inventive method can be produced in a particularly simple manner, a component which consists of the alloy according to the invention or is constructed essentially of this.
  • an alloy according to the invention is first provided, which can be carried out by a conventional method known to the person skilled in the art.
  • the alloy may be provided in a conventional steelmaking process with the actual alloying adjustment in secondary metallurgy.
  • the alloy is shaped, that is brought into a shape corresponding to the component to be produced.
  • the molded alloy is subjected to a heat treatment.
  • the heat treatment can have several functions.
  • the individual constituents of the alloy can be homogenized by a heat treatment.
  • a heat treatment is used in particular to harden the alloy.
  • the alloy according to the invention is based on an 18CrNiMo7-6 alloy, by a conventional multiple hardening.
  • the shaped alloy can be repeatedly heated to a temperature in a range of> 800 ° C to ⁇ 1200 ° C and quenched after a short time of holding the temperature. This method is known to those skilled in the art.
  • the heat treatment may in particular comprise the following steps:
  • the heat treatment is thus a heat treatment comprising four steps.
  • the four steps can also be carried out individually and independently of each other as a single heat treatment or in a suitable combination of the individual steps.
  • heating ramps in a range of> 2 ° C / s to ⁇ 4 ° C / s, in particular of 3.3 ° C / s are preferably used for each heating, whereas for each cooling quench ramps in a range of> 25 ° C / s to ⁇ 75 ° C / s, in particular of 50 ° C / s used.
  • a solution annealing is carried out, which serves in particular to homogenize the individual alloy components.
  • This solution annealing is carried out in particular in a temperature range of> 1000 ° C to ⁇ 1400 ° C, preferably at 1200 ° C for a period of> 3 minutes to ⁇ 7 minutes, preferably 5 minutes.
  • the alloy becomes a two-stage
  • This step is a so-called FP annealing (ferritic-perlitic) and serves
  • This step is particularly described with reference to the first stage in a temperature range of> 800 ° C to ⁇ 1000 ° C, preferably at 900 ° C for a period of> 20 minutes to ⁇ 45 minutes, preferably for 30 minutes and then with reference to the second stage in a temperature range of> 550 ° C to ⁇ 790 ° C, preferably at 680 ° C for a period of> 60 minutes to ⁇ 120 minutes, preferably for 90 minutes performed.
  • a so-called pendulum annealing takes place.
  • the alloy is alternately heated to a temperature in a range of in particular> 750 ° C to ⁇ 1000 ° C, preferably 850 ° C and subsequent to a temperature in a range of in particular> 550 ° C to ⁇ 745 ° C,
  • the respective upper temperature is maintained for a period in a range of> 10 seconds to ⁇ 45 seconds, preferably 30 seconds
  • the respective lower temperature for a period in a range of> 5 seconds to ⁇ 10 Seconds, preferably 7.5 seconds is held.
  • Grain formation increases, which is why a plurality of smaller nuclei is formed.
  • pendulum annealing so a variety of corresponding cycles, such as three cycles, this effect can be amplified.
  • the fourth step comprises heating the alloy to a temperature in a range of> 750 ° C to ⁇ 1000 ° C, in particular
  • the invention further relates to a component comprising an alloy according to the invention.
  • the invention includes in particular components that a Cyclic stress are exposed and in particular those experiencing a Wälzbe bulkung.
  • components according to the invention include gearboxes and, in particular, large gearboxes or gearboxes whose components, such as toothed wheels or stationary components in the
  • the invention further relates to the use of an alloy according to the invention for producing a component. This is a use
  • Fig. 1 is a schematic timing diagram for illustrating a
  • FIG. 1 shows a time diagram of a method according to the invention for producing a component.
  • the inventive method is based on the use of a chromium-molybdenum alloy according to the invention, selected from the group consisting of 42CrMo4 and 18CrNiMo7-6, wherein the alloy comprises: manganese in an amount of> 1, 0 wt .-% to ⁇ 1.3 wt .-%; Aluminum in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.05 wt .-%; Niobium in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.04 wt .-% and nitrogen in an amount of> 0 wt .-% to ⁇ 0.015 wt .-%.
  • the alloy After the alloy has been shaped into the desired component, it is subjected to a heat treatment to set the desired mechanical properties.
  • the heat treatment comprises four steps and is shown schematically in FIG. 1 in a non-limiting embodiment in the form of a time diagram.
  • a solution annealing designated by a) is carried out, wherein the alloy is heated to a temperature range of 1200 ° C with a heating ramp of 3.3 ° C / s, where it remains for a period of 5 minutes and to a temperature of 0 ° C using a
  • Quench ramp of 50 ° C / s is cooled or quenched.
  • an FP annealing designated by b) is carried out, wherein the alloy is heated to a temperature of 900 ° C. with a heating ramp of 3.3 ° C./s and remains at this temperature for a period of 30 minutes. Subsequently, the alloy is cooled to a temperature of 680 ° C using a quench ramp of 50 ° C / s and left at this temperature for a period of 90 minutes, after which the alloy is heated to a temperature using a quench ramp of 50 ° C / s is cooled or quenched from 0 ° C.
  • a pendulum annealing there is a pendulum annealing called c).
  • the alloy is heated a total of three times with a heating ramp of 3.3 ° C / s to a temperature of 850 ° C and remains at that temperature for a period of 30 seconds.
  • each alloy is cooled to a temperature of 660 ° C using a quench ramp of 50 ° C / s and left there for 7.5 minutes each time is heated again to 850 ° C using the above-described Aufhardrampe.
  • a quench ramp 50 ° C / s to a temperature of 0 ° C.
  • the fourth step is a hardening referred to as d), wherein the alloy is heated to a temperature range of 850 ° C with a heating ramp of 3.3 ° C / s, there for a period of 10 minutes and to a temperature of 0 ° C below Using a Abschreckrampe of 50 ° C / s is cooled or quenched.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Chrom-Molybden-Legierung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 42CrMo4 und 18CrNiMo7-6, wobei die Legierung umfasst: Mangan in einer Menge von ≥ 1,0 Gew.-% bis ≤ 1,3 Gew.-%; Aluminium in einer Menge von > 0 Gew.-% bis ≤ 0,05 Gew.-%; Niob in einer Menge von > 0 Gew.-% bis ≤ 0,04 Gew.-% und Stickstoff in einer Menge von > 0 Gew.-% bis ≤ 0,015 Gew.-%. Die erfindungsgemäße Legierung dient insbesondere zur Herstellung eines Bauteils, das verbesserte Eigenschaften mit Bezug auf eine zyklische Beanspruchbarkeit in einem Wälzkontakt aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Chrom-Molvbden-Legierung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Chrom-Molybden-Legierung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine auf 42CrMo4 oder 18CrNiMo7-6 basierende Legierung, die eine Zulegierung von Mangan sowie eine
Mikrolegierung von Aluminium, Niob und Stickstoff aufweist.
Stand der Technik
Für viele Anwendungsgebiete werden hochfeste Werkstoffe benötigt. Eine wesentliche Begrenzung der Ausnutzung von hochfesten Werkstoffen ist beispielsweise durch ihre mechanischen Eigenschaften gegeben. Ferner kann die Bauteilherstellroute Limitierungen auferlegen. Gerade für groß dimensionierte Bauteile ist eine große Festigkeit von Bedeutung, da hier oftmals große Kräfte wirken und ein Ersatz von beschädigten Teilen sehr kostenintensiv ist.
Bei der Entwicklung von festen Werkstoffen kann dabei auf Legierungen zurückgegriffen werden, da von diesen bekannt ist, dass sie eine hohe Härte und Zugfestigkeit aufweisen können.
Aus DE 10 2007 021 101 A1 ist ein legierter Stahl bekannt, der in einem
Kraftfahrzeug und hier insbesondere in einem Verbrennungsmotor, etwa als Kolben oder als Kolbenbestandteil, Verwendung finden kann. Dieser Stahl basiert auf einem AFP-Stahl und weist die folgende Zusammensetzung auf, angegeben jeweils in Gewichts-%: Kohlenstoff: 0,35-0,50; Silizium: 0,15-0,80; Mangan: 1 ,20-2,00; Phosphor: 0,00-0,0025; Stickstoff: 0,010-0,035; Chrom: 0,00- 0,50; Molybdän: 0,00-0,050; Nickel: 0,00-0,15; Kupfer: 0,00-0,40; Vanadium: 0,13-0,40; Titan: 0,001-0,004; Aluminium: 0,00-0,04; Niob: 0,00-0,05; wobei mindestens zwei der Elemente Vanadium, Aluminium und Niob enthalten sind. Dabei wird ausgeführt, dass ein niedriger Titangehalt von 0,001Gew.-% bis 0,004 Gew.-% ein entscheidender Faktor ist, um mechanische Eigenschaften zu erhalten, die mit den mechanischen Eigenschaften von Vergütungsstählen vergleichbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine Chrom-Molybden-Legierung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 42CrMo4 und 18CrNiMo7-6, wobei die Legierung umfasst: Mangan in einer Menge von > 1 ,0 Gew.-% bis < 1 ,3 Gew.-%; Aluminium in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-%; Niob in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,04 Gew.-% und Stickstoff in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,015 Gew.-%.
Die erfindungsgemäße Legierung weist eine definierte Zusammensetzung von charakteristischen Legierungselementen auf. Die Basis für die
erfindungsgemäße Legierung bilden der Vergütungsstahl 42CrMo4 oder der Einsatzstahl 18CrNiMo7-6. Die Zusammensetzung derartiger Legierungen ist für den Fachmann bekannt. Erfindungsgemäß umfassen eine 42CrMo4-Legierung und eine 18CrNiMo7-6-Legierung insbesondere folgende metallische
Verbindungen in den folgenden Konzentrationen, wobei die Konzentrationen in Gewichtsprozent (Gew.-%) angegeben sind (Tabelle 1):
Element 42CrMo4 18CrNiMo7-6
C > 0,38 bis < 0,45 > 0, 15 bis < 0,20
Si < 0,40 < 0,40
Mn > 0,60 bis < 0,90 > 0,35 bis < 0,70
P < 0,025
S < 0,035
Cr > 0,90 bis < 1 ,20 > 1 ,50 bis < 1 ,80
Mo > 0, 15 bis < 0,30 > 0,25 bis < 0,35
Ni - > 1 ,40 bis < 1 ,70 Die an sich bekannten Legierungen 42CrMo4 oder der Einsatzstahl 18CrNiMo7-6 werden erfindungsgemäß modifiziert durch eine Zulegierung von Mangan, wodurch die Menge an Mangan erfindungsgemäß nicht mehr den in der Tabelle 1 genannten Mengen entspricht, sondern darüber liegen, insbesondere in einem Bereich von > 1 ,0 bis < 1 ,3 Gew.-%. Ferner weisen die erfindungsgemäßen Legierungen eine Mikrolegierung von Niob, Aluminium und Stickstoff auf.
Erfindungsgemäß liegt dabei Aluminium in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-%; Niob in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,04 Gew.-% und Stickstoff in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,015 Gew.-% vor. Besonders bevorzugt liegt Aluminium in einer Menge von > 0,01 Gew.-% bis < 0,025 Gew.- %; Niob in einer Menge von > 0,01 Gew.-% bis < 0,02 Gew.-% und Stickstoff in einer Menge von > 0,005 Gew.-% bis < 0,010 Gew.-% vor. Ferner kann bei einer auf 18CrNiMo7-6 basierenden Legierung ein Niob-Anteil von < 0,03 Gew.-% ausreichend sein.
Die vorgegebenen Konzentrationen ergeben sich dabei stets zu 100 Gew.-%, wobei der nicht aufgeführte Rest insbesondere durch Eisen (Fe) gegeben ist.
Durch den Zusatz der vorgenannten Mikrolegierungsstoffe wird in der Legierung ein Ausgangszustand generiert, der in weiteren Bearbeitungs- und/oder
Wärmebehandlungsschritten zu einem kornfeinenden Effekt in dem
Legierungsgefüge führt. Insbesondere verhindern die Mikrolegierungselemente das Kornwachstum bei einer Wärmebehandlung. Erfindungsgemäß ist es daher möglich, mit einer Wärmebehandlungsroute bei einer auf 42CrMo4 basierenden Legierung eine ASTM-Korngröße in einem Bereich von > 12 bis < 13 zu erreichen. Weiterhin kann erfindungsgemäß bei einer auf 18CrNiMo7-6 basierenden Legierung eine ASTM-Korngröße in einem Bereich von > 13 bis < 14 erreicht werden. Dabei wird zur Ermittlung der ASTM-Korngröße (ASTM: American Society for Testing Materials) insbesondere das Schliffbild der Legierung mit der ASTM-Richtreihe stilisierter Korngrenzennetze der Größen 1 (16 Körner / mm2) bis 8 (rund 200 Körner / mm2) in hundertfacher Vergrößerung verglichen.
Der vorgenannte Effekt tritt dabei insbesondere dadurch auf, dass die mikrolegierten Legierungspartner Aluminium und Niob erfindungsgemäß mit dem ebenfalls beigefügten mikrolegierten Stickstoff Carbonitride ausbilden können. Diese intermetallischen Verbindungen lagern sich an den Korngrenzen an und können so das Kornwachstum verhindern und damit zu geringeren Korngrößen führen. Das hinzugefügte Mangan stabilisiert insbesondere die austenitische
Hochtenmperaturphase und verzögert so, beispielsweise bei einer
Wärmebehandlung, die Umwandlung dieser Phase in die martensitische Tieftemperaturphase. Dadurch wird der kornfeinende Effekt verstärkt. Erfindungsgemäß ist es daher insbesondere möglich, Legierungen mit einer geringen Korngröße zu erreichen. Ein feines Korn kann dabei insbesondere für eine gleichmäßigere Verteilung der Verunreinigungen, vollkommenere Isotropie, eine größere Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Kerbschlagarbeit sorgen.
Durch die erfindungsgemäße Legierung wird es dabei insbesondere möglich, eine Erhöhung der zyklischen Beanspruchbarkeit und des Widerstands gegen Wälzermüdung zu ermöglichen, wobei die Bauteilherstellroute im Wesentlichen unverändert bleiben kann. Dadurch kann eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Komponenten ohne wesentliche Mehrkosten oder aber ganz ohne
Mehrkosten ermöglicht werden. Durch die verbesserten mechanischen
Eigenschaften kann dabei beispielsweise die Leistungsdichte von Großgetrieben verbessert werden.
Ferner ist es möglich, Bauteile kompakter auszugestalten, da für vergleichbare mechanische Eigenschaften entsprechend kleinere oder dünnere Bauteile vorgesehen sein können. Dadurch kann bei der Herstellung von entsprechenden Bauteilen Material gespart werden, was erhebliche Kosten sparen kann.
Insbesondere für Großgetriebekomponenten ist die Beanspruchbarkeit und/oder das Verhalten unter Wälzkontakt von entscheidender Bedeutung.
Erfindungsgemäß können dabei bestehende Bauteilherstellrouten auf Basis der erfindungsgemäßen Legierung unverändert bestehen bleiben. Änderungen an den Prozessen sind nicht, oder nur unwesentlich und in vernachlässigbarem Aufwand notwendig. Dadurch kann die erfindungsgemäße Legierung auf einfache und kostengünstige Weise ohne die Notwendigkeit von
kostenintensiven Umbauten und damit einhergehenden Stillstandszeiten in bestehende Herstellungsprozesse integriert werden. Die erfindungsgemäße Legierung ist auch in bestehenden Prozessen in weiten Bereichen problemlos einsetzbar, was eine vielfältige Anwendungsbreits der erfindungsgemäßen ermöglicht. Das ist insbesondere bei Großgetriebekomponenten von Vorteil, da hier die Bauteilherstellroute auf Grund der Dimensionierung der Bauteile stark eingeschränkt ist.
Die Legierung kann weiterhin Phosphor und/oder Schwefel und/oder Sauerstoff umfassen. Diese Elemente können als Begleitelemente vorkommen und können eine Konzentration in einem dem Fachmann bekannten herkömmlichen Bereich aufweisen. Das Vorhandensein von Phosphor beispielsweise kann insbesondere bei einem Kohlenstoffgehalt ab etwa 0.1 % die Festigkeit, insbesondere die Zugfestigkeit, und die Härte, erhöhen und gleichzeitig die
Korrosionsbeständigkeit gegen atmosphärische Einflüsse verbessern. Das Vorhandensein von Schwefel kann die Duktilität vermindern, was eine größere Stabilität von Bauteilen insbesondere im Wälzkontakt ermöglicht.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung liegt das Mangan in einer Menge von > 1 ,0 Gew.-% bis < 1 ,2 Gew.-% vor, und/oder liegt das Aluminium in einer Menge von > 0,04 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-% vor, und/oder liegt der Stickstoff in einer Menge von < 0,010 Gew.-% vor. Mit einer derartigen Zusammensetzung konnten besonders gute
Eigenschaften mit Bezug auf Härte und Stabilität gefunden werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Legierung eine Chrom-Molybden-Legierung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 42CrMo4 und 18CrNiMo7-6, wobei die Legierung als weitere Legierungsbestandteile, also als Legierungsbestandteile neben den
Basislegierungsbestandteilen der 42CrMo4-Legierung beziehungsweise der 18CrNiMo7-6-Legierung, ausschließlich aufweist: Aluminium, Niob, Stickstoff und gegebenenfalls Phosphor, Schwefel und/oder Sauerstoff. Dabei liegen die Legierungsbestandteile insbesondere in den vorbeschriebenen Konzentrationen vor, wobei die Legierungskomponenten zusammen mit einem Rest von Eisen vorliegen und sich so zu 100 Gew-% addieren. Als Legierungskomponente werden dabei insbesondere Stoffe verstanden, die untereinander Mischkristalle ausbilden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Legierung,
Formen der Legierung,
Durchführung einer Wärmebehandlung der geformten Legierung.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf besonders einfache Weise ein Bauteil hergestellt werden, das aus der erfindungsgemäßen Legierung besteht oder im Wesentlichen aus dieser aufgebaut ist. Dabei wird zunächst eine erfindungsgemäße Legierung bereitgestellt, was nach einem herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Verfahren durchführbar ist. Beispielsweise kann die Legierung in einem herkömmlichen Stahlherstellungsprozess bereitgestellt werden, wobei die eigentliche Legierungseinstellung in der Sekundärmetallurgie erfolgt. Im Anschluss daran wird die Legierung geformt, also in eine Form gebracht, die dem herzustellenden Bauteil entspricht. Anschließend wird die geformte Legierung einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei kann die Wärmebehandlung mehrere Funktionen aufweisen. Beispielsweise können durch eine Wärmebehandlung die einzelnen Bestandteile der Legierung homogenisiert werden. Ferner dient eine Wärmebehandlung insbesondere einer Härtung der Legierung. Dies kann beispielsweise für den Fall, dass die erfindungsgemäße Legierung auf einer 18CrNiMo7-6-Legierung basiert, durch ein herkömmliches Mehrfachhärten erfolgen. Dazu kann die geformte Legierung beispielsweise mehrfach auf eine Temperatur in einem Bereich von > 800°C bis < 1200°C erhitzt werden und nach kurzer Zeit des Haltens der Temperatur, abgeschreckt werden. Dieses Verfahren ist für den Fachmann bekannt.
Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Legierung auf einer 42CrMo4- Legierung basiert, kann die Wärmebehandlung insbesondere die folgenden Schritte umfassen:
Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 1000°C bis < 1400°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 3 Minuten bis < 7 Minuten und Abschrecken der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C; Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 800°C bis < 1000°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 20 Minuten bis < 45 Minuten und Abkühlen der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von > 550°C bis < 790°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 60 Minuten bis < 120 Minuten und Abkühlen der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C;
Mehrmaliges Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 750°C bis < 1000°C und Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 10 Sekunden bis < 45 Sekunden, sowie Abkühlen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 550°C bis < 745°C und Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 5 Sekunden bis < 10 Sekunden, und
anschließendes Abkühlen der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C,
Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 750°C bis < 1000°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 5 Minuten bis < 15 Minuten und Abschrecken der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C.
Die Wärmebehandlung ist demzufolge eine Wärmebehandlung umfassend vier Schritte. Die vier Schritte können dabei grundsätzlich auch einzeln und jeder für sich unabhängig von den anderen als einzige Wärmebehandlung oder in einer geeigneten Kombination der einzelnen Schritte durchgeführt werden. Insgesamt werden vorzugsweise bei jedem Aufheizen Aufheizrampen in einem Bereich von > 2°C/s bis < 4°C/s, insbesondere von 3.3°C/s verwendet, wohingegen für jedes Abkühlen Abschreckrampen in einem Bereich von > 25°C/s bis < 75°C/s, insbesondere von 50°C/s, verwendet.
Bei einem ersten Schritt wird ein Lösungsglühen ausgeführt, das insbesondere dazu dient, die einzelnen Legierungsbestandteile zu homogenisieren. Dieses Lösungsglühen wird insbesondere in einem Temperaturbereich von > 1000°C bis < 1400°C, vorzugsweise bei 1200°C für einen Zeitraum von > 3 Minuten bis < 7 Minuten, vorzugsweise von 5 Minuten durchgeführt. Bei einem zweiten Schritt wird die Legierung einer Zweistufigen
Wärmebehandlung ohne zwischenzeitliches Abschrecken unterworfen. Dieser Schritt ist ein sogenanntes FP-Glühen (ferritisch-perlitisch) und dient
insbesondere dazu, eine definierte Festigkeit einzustellen. Dieser Schritt wird insbesondere mit Bezug auf die erste Stufe in einem Temperaturbereich von > 800°C bis < 1000°C, vorzugsweise bei 900°C für einen Zeitraum von > 20 Minuten bis < 45 Minuten, vorzugsweise für 30 Minuten und daraufhin mit Bezug auf die zweite Stufe in einem Temperaturbereich von > 550°C bis < 790°C vorzugsweise bei 680°C für einen Zeitraum von > 60 Minuten bis < 120 Minuten, vorzugsweise für 90 Minuten, durchgeführt.
In einem dritten Schritt findet ein sogenanntes Pendelglühen statt. In diesem Schritt wird die Legierung abwechselnd auf eine Temperatur in einem Bereich von insbesondere > 750°C bis < 1000°C, vorzugsweise 850°C erhitzt und folgend auf einen Temperatur in einem Bereich von insbesondere > 550°C bis < 745°C, vorzugsweise 660°C abgekühlt, wobei die jeweilige obere Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 10 Sekunden bis < 45 Sekunden, vorzugsweise 30 Sekunden gehalten wird, und die jeweilige untere Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 5 Sekunden bis < 10 Sekunden, vorzugsweise 7,5 Sekunden gehalten wird. Durch dieses Pendelglühen wird insbesondere der kornfeinende Effekt verstärkt, indem bei der jeweils hohen Temperatur ein Lösungsvorgang stattfindet, wohingegen bei der niedrigen Temperatur entsprechende Carbonitride ausgeschüttet werden. Dadurch wird die
Kornbildung verstärkt, weshalb eine Mehrzahl an kleineren Keimen gebildet wird. Durch das Pendelglühen, also eine Vielzahl an entsprechenden Zyklen, wie beispielsweise drei Zyklen, kann dieser Effekt verstärkt werden.
Der vierte Schritt umfasst insbesondere ein Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 750°C bis < 1000°C, insbesondere
850°C,und Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 5 Minuten bis < 15 Minuten. Dieser Schritt dient insbesondere der Härtung der Legierung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil, das eine erfindungsgemäße Legierung umfasst. Dabei sind erfindungsgemäß insbesondere Bauteile umfasst, die einer zyklischen Beanspruchung ausgesetzt sind und insbesondere solche, die eine Wälzbeanspruchung erfahren. Beispielsweise umfassen erfindungsgemäße Bauteile Getriebe und hier insbesondere Großgetriebe beziehungswiese deren Komponenten, wie etwa Zahnräder oder auch stationäre Bauteile im
Allgemeinen.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Legierung zur Herstellung eines Bauteils. Dabei ist eine Verwendung
insbesondere zur Herstellung für solche Bauteile vorteilhaft, wie sie mit Bezug auf das erfindungsgemäße Bauteil beschrieben sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Zeitdiagramm zur Darstellung eines
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein Bauteil umfassend eine erfindungsgemäße Legierung.
In Figur 1 ist ein Zeitdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils gezeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Verwendung einer erfindungsgemäßen Chrom-Molybden-Legierung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 42CrMo4 und 18CrNiMo7-6, wobei die Legierung umfasst: Mangan in einer Menge von > 1 ,0 Gew.-% bis < 1 ,3 Gew.-%; Aluminium in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-%; Niob in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,04 Gew.-% und Stickstoff in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,015 Gew.-%. Nachdem die Legierung in die Form des gewünschten Bauteils gebracht wurde, wird sie einer Wärmebehandlung zur Einstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften unterzogen.
Die Wärmebehandlung umfasst vier Schritte und ist in Figur 1 in einem nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel in Form eines Zeitdiagramms schematisch gezeigt. Bei einem ersten Schritt wird ein mit a) bezeichnetes Lösungsglühen ausgeführt, wobei die Legierung auf einen Temperaturbereich von 1200°C mit einer Aufheizrampe von 3.3°C/s erhitzt wird, dort für einen Zeitraum von 5 Minuten verbleibt und auf eine Temperatur von 0°C unter Verwendung einer
Abschreckrampe von 50°C/s abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt wird.
Bei einem zweiten Schritt wird ein mit b) bezeichnetes FP-Glühen durchgeführt, wobei die Legierung mit einer Aufheizrampe von 3.3°C/s auf eine Temperatur von 900°C erhitzt wird und bei dieser Temperatur für einen Zeitraum von 30 Minuten verbleibt. Anschließend wird die Legierung unter Verwendung einer Abschreckrampe von 50°C/s auf eine Temperatur von 680°C abgekühlt und verbleibt bei dieser Temperatur für einen Zeitraum von 90 Minuten, wonach die Legierung unter Verwendung einer Abschreckrampe von 50°C/s auf eine Temperatur von 0°C abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt wird.
In einem dritten Schritt findet ein mit c) bezeichnetes Pendelglühen statt. Hierbei wird die Legierung insgesamt dreimal mit einer Aufheizrampe von 3.3°C/s auf eine Temperatur von 850°C erhitzt und verbleibt auf dieser Temperatur für einen Zeitraum von 30 Sekunden. Nach dem ersten und dem zweiten Verbleib der Legierung auf einer Temperatur von 850°C wird die Legierung jeweils unter Verwendung einer Abschreckrampe von 50°C/s auf eine Temperatur von 660°C abgekühlt und verbleibt dort für jeweils 7,5 Minuten, bevor sie wiederum unter Verwendung der vorbeschriebenen Aufheizrampe auf 850°C erhitzt wird. Nach dem dritten Verbleib der Legierung bei einer Temperatur von 850°C wird diese unter Verwendung einer Abschreckrampe von 50°C/s auf eine Temperatur von 0°C abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt.
Der vierte Schritt stellt ein als d) bezeichnetes Härten dar, wobei die Legierung auf einen Temperaturbereich 850°C mit einer Aufheizrampe von 3.3°C/s erhitzt wird, dort für einen Zeitraum von 10 Minuten verbleibt und auf eine Temperatur von 0°C unter Verwendung einer Abschreckrampe von 50°C/s abgekühlt beziehungsweise abgeschreckt wird.

Claims

Ansprüche
1. Chrom-Molybden-Legierung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 42CrMo4 und 18CrNiMo7-6, wobei die Legierung umfasst: Mangan in einer Menge von > 1 ,0 Gew.-% bis < 1 ,3 Gew.-%; Aluminium in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-%; Niob in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,04 Gew.-% und Stickstoff in einer Menge von > 0 Gew.-% bis < 0,015 Gew.-%.
2. Legierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mangan in einer Menge von > 1 ,0 Gew.-% bis < 1 ,2 Gew.-% vorliegt, und/oder das Aluminium in einer Menge von > 0,04 Gew.-% bis < 0,05 Gew.-% vorliegt, und/oder der Stickstoff in einer Menge von < 0,010 Gew.-% vorliegt
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Legierung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus 42CrMo4 und 18CrNiMo7-6, wobei die Legierung als weitere Legierungsbestandteile ausschließlich aufweist: Aluminium, Niob, Stickstoff und gegebenenfalls Phosphor, Schwefel und/oder Sauerstoff.
4. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Formen der Legierung,
Durchführung einer Wärmebehandlung der geformten Legierung.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung auf einer 42CrMo4-Legierung basiert; und
die Wärmebehandlung die folgenden Schritte umfasst:
Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von >
1000°C bis < 1400°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem
Bereich von > 3 Minuten bis < 7 Minuten und Abschrecken der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C;
Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 800°C bis < 1000°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 20 Minuten bis < 45 Minuten und Abkühlen der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von > 550°C bis < 790°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 60 Minuten bis < 120 Minuten und Abkühlen der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C;
Mehrmaliges Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 750°C bis < 1000°C und Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 10 Sekunden bis < 45 Sekunden, sowie Abkühlen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 550°C bis < 745°C und Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 5 Sekunden bis < 10 Sekunden, und
anschließendes Abkühlen der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C,
Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur in einem Bereich von > 750°C bis < 1000°C, Halten der Temperatur für einen Zeitraum in einem Bereich von > 5 Minuten bis < 15 Minuten und Abschrecken der Legierung in einem Zeitraum von < 1 Minute auf eine Temperatur in einem Bereich von < 50°C.
Bauteil, umfassend eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung eines Bauteils.
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