EP3017074A1 - Verschleissfestes, zumindest teilweise unbeschichtetes stahlteil - Google Patents

Verschleissfestes, zumindest teilweise unbeschichtetes stahlteil

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EP3017074A1
EP3017074A1 EP14734430.3A EP14734430A EP3017074A1 EP 3017074 A1 EP3017074 A1 EP 3017074A1 EP 14734430 A EP14734430 A EP 14734430A EP 3017074 A1 EP3017074 A1 EP 3017074A1
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EP
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steel part
steel
hardening
hardened
partially
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Janko Banik
Thiemo Wuttke
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Definitions

  • the invention relates to a wear-resistant, at least partially uncoated steel part consisting of a hardenable steel grade, which has been produced by hot forming and / or curing of a semi-finished product.
  • the invention relates to a method for producing a wear-resistant, at least partially uncoated processing, conveying and / or emetic agent of agricultural machinery, conveyors, mining equipment or construction machinery from a semi-finished product, in which the semi-finished product is heated to a temperature of more than the Acl transformation temperature is and then hot worked and / or cured.
  • abrasive forces for example, for the provision of agricultural machinery, especially plows but also for blades of an excavator or screw conveyors for abrasive materials, such as the screw conveyor of a concrete mixer needed.
  • these are preferably subjected to hot forming, in which the semi-finished products from which the steel parts are produced, are first heated to a temperature above the Acl transformation temperature point, so that by hot forming and subsequent Hardening, ie rapid cooling, a transformation hardening of the microstructure occurs and arises in the material martensitic structure.
  • the martensitic structure has a much higher hardness but also a significantly higher mechanical strength, for example tensile strength.
  • Corresponding steel parts are known, for example, from German patent DE 10 2010 050 499 B3.
  • the German patent specification describes a manufacturing method for excavator buckets, concrete mixer screw conveyors, Conveyor screw blades or other conveying vanes of conveyor systems, in which the components are hot-formed and press-hardened.
  • German patent application DE 10 2010 017 354 AI deals with the problem of hot forming of galvanized flat steel products to high or high strength steel components.
  • the melting temperature of the metal of the protective coating is exceeded, there is a risk of the so-called
  • Liquid metal embrittlement which is caused by the penetration of the molten metal of the coating into the notches or cracks produced during the forming of the flat steel product, The liquid metal entering the steel substrate deposits there at grain boundaries and reduces the maximum there
  • the patent publication offers a nitration of the edge layer areas, so that finely structured
  • the object of the present invention is therefore to propose at least partially uncoated steel parts, the suitability of which is improved for use with abrasive materials.
  • the stated object is achieved for a steel part in that the steel part at least partially has a surface area which is up to a depth of a maximum of 100 ⁇ , preferably up to a depth of up to 40 ⁇ , by a
  • the hardened surface portion of the steel part is hardened by carburizing or nitriding. Both methods offer the possibility of specifically hardening near-surface areas of the steel part prior to hot forming or hardening. Nitriding also has the advantage that the hardness is not reduced during hot forming. Carburization increases the carbon content in the surface areas, but decreases again due to hot working.
  • the hardened surface area of the steel part has at least the hardness of the base material of the steel part lying below the surface area.
  • the wear resistance of the steel part can also be improved in that the hardness of the surface portion of the steel part is greater than the hardness of the base material. It was found that in particular the hardness of the
  • the steel part for use as processing, conveying and / or emetic in
  • Hot working and / or hardening hardened surface area of the steel part at least partially a hardness of 400 to 700 HV. As a rule, these values are only achieved by ultrahigh-strength steel grades after hot forming or hardening in the base material. The surface hardening before the
  • Hot forming or curing offers in particular the possibility that
  • the above-described object is achieved by a method for producing a wear-resistant, at least partially uncoated steel part for processing, conveying and / or breaking means of agricultural machines, conveyors, mining machines or construction machines from a semifinished product, in which the semifinished product at least partially heated to a temperature of more than the Acl transformation temperature and then hot worked and / or cured, achieved in that the semi-finished is at least partially subjected to a surface hardening prior to hot forming and / or curing, in which a surface area up to a Depth of a maximum of 100 ⁇ is cured.
  • a surface area of up to 40 ⁇ depth is hardened, in which usually the decarburization processes take place during hot forming.
  • the depth of the surface area which is to be hardened is determined by the exposure time of the
  • Construction machines have a reduced wear.
  • the hardening of the surface areas before hot forming or before hardening makes it possible to carry out the surface hardening on coilable materials, ie on the steel strip, so that a particularly economical production of
  • the hardening of the surface area is carried out by nitriding or by carburizing. Both methods make it possible to provide a higher hardness in the surface area, which after hot working and / or after hardening a higher Allow wear resistance of the surface of the hot-formed or hardened steel part.
  • the dew point of the annealing atmosphere is between -50 ° C and -5 ° C, so that the effect of humidity on the curing process is reduced.
  • the latter process parameters resulted in improved and more uniform surface hardening.
  • the depth of the surface hardening can be determined by the duration of the action of the
  • the surface hardening is carried out in a continuous furnace, so that, for example, a strip-shaped semifinished product, ie a coil-capable semifinished product is surface-hardened and the further hot-forming and / or
  • Press hardening steps can be supplied. But it is also conceivable one
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of the method for producing a wear-resistant, at least partially uncoated steel part
  • Fig. 2 shows the layer structure of the according to the embodiment of FIG. 1 treated semi-finished or steel part in a schematic representation
  • Fig. 1 is first very schematically an embodiment for producing a wear-resistant, at least partially uncoated steel part in one
  • the semifinished product 1 which consists of a steel, for example of a manganese-boron steel, dual-phase steel or TRIP steel, is first supplied to a surface hardening 2. If a strip-shaped semifinished product is unwound from a coil 1a and fed to the surface hardening 2, it is advantageous, for example, to carry out the surface hardening, for example in the case of a nitration, in a strip continuous furnace at the end thereof
  • the band-shaped semi-finished product 1 provided with a surface hardening now can be wound on a (not shown) coil.
  • the surface-hardened band-shaped semi-finished product is cut to length and a
  • the correspondingly produced steel part 4 is characterized by high strength values due to the hot forming and / or hardening step.
  • the surface area of the steel part also has an increased hardness due to the nitriding of the surface taking place before hot working and / or before hardening.
  • the surface hardening in method step 2 is preferred by a
  • the depth of the surface hardening can be adjusted.
  • the surface is nitrided with a holding temperature of 30s to 120s, wherein the
  • Ribbon continuous furnace or a board in a continuous furnace can be performed much more efficient than with differently shaped and different geometries having formed steel parts.
  • the quality of Surface hardening can also be more easily ensured by the use of ribbon-shaped or sheet-formed semi-finished products.
  • FIG. 2 shows schematically a cross-section of the semifinished product at three different times of the method.
  • ferritic microstructure la which is characterized by the combination of
  • the surface area lb is hardened by diffusion of nitrogen during nitriding or carbon during carburization, wherein the microstructure changes there.
  • the thickness of the surface area lb depends on the duration of the annealing.
  • the surface area is usually up to 100 ⁇ , in which the hardness of the semifinished product is changed.
  • a preferred range, which is a compromise of sufficient surface hardening and duration of the annealing treatment for surface hardening, has a thickness of 20 to 40 ⁇ m.
  • Surface hardening for example in nitriding, is then preferably from 30 seconds to 120 seconds.
  • the structure of the material la remaining below the surface area lb remains substantially unchanged during the annealing treatment.
  • the microstructure of the base material 1a is first converted into austenite and later partially into martensite by hardening.
  • Base material lc achieved.
  • the surface area lb remains unchanged apart from the decarburization of these layers.
  • the formed steel part 4 thus has a hardened region 1b and a through the
  • Hot working and hardening hardened area lc on. 3 and 4 show typical applications of the wear-resistant, at least partially uncoated steel part in the form of a screw conveyor 5 in Fig. 3 and a ploughshare 6 for agricultural plows in Fig. 4. Both components are typical representatives of processing, conveying and / or Emetics, which in
  • Table 1 now shows measurements of the hardness of samples A and B, which consist of a grade 22MnB5 steel.
  • Samples A and B were subjected to surface nitriding in an annealing atmosphere containing 1% by volume of NH 3 and 4% by volume of NH 3 at 760 ° C. and 90 s, respectively.
  • the surface nitriding was carried out at intercritical temperatures (T> Acl) since the austenite can dissolve more nitrogen than the ferrite.
  • the samples were thermoformed and cured. From the warm Sectioned or hardened steel parts sections were made and measured at a distance of 5 ⁇ from the surface to the hardness HV 0.01 (DIN EN ISO 6507-1).
  • the microhardness measurement showed in the samples depending on the content of NH 3 in the annealing atmosphere at the same Glühparametern, ie holding time and
  • the hardness of sample A first decreases from the value 460 HV measured at the surface to a value of 333 HV at 20 ⁇ m depth. Thereafter, the hardness increases again to a value of about 492 HV, indicating that the decarburization of the
  • Comparative example represented by a dotted line shows in the range of 5 to 35 ⁇ a reduced hardness, which is below 400 HV 1 (DIN EN ISO 6507-1).
  • the reduction in hardness compared to the base material, which lies between 450 HV 1 and 500 HV 1, is achieved by the final carbonization during the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein verschleißfestes, zumindest teilweise unbeschichtetes Stahlteil bestehend aus einer härtbaren Stahlgüte, welches durch Warmumformen und/oder Härten aus einem Halbzeug hergestellt worden ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittels von Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen aus einem Halbzeug, bei welchem das Halbzeug auf eine Temperatur von mehr als der Acl-Umwandlungstemperatur erwärmt wird und anschließend warmumgeformt und/oder gehärtet wird. Die Aufgabe, zumindest teilweise unbeschichtete Stahlteile vorzuschlagen, deren Eignung für den Einsatz mit abrasiven Materialien verbessert ist, wird für ein Stahlteil dadurch gelöst, dass das Stahlteil zumindest teilweise einen Oberflächenbereich aufweist, welcher bis zu einer Tiefe von maximal 100 μm, bevorzugt bis zu einer Tiefe von bis zu 40 μm, durch eine Oberflächenhärtung vor dem Warmumformen und/oder Härten gehärtet worden ist.

Description

Verschleißfestes, zumindest teilweise unbeschichtetes Stahlteil
Die Erfindung betrifft ein verschleißfestes, zumindest teilweise unbeschichtetes Stahlteil bestehend aus einer härtbaren Stahlgüte, welches durch Warmumformen und/oder Härten aus einem Halbzeug hergestellt worden ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittels von Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen aus einem Halbzeug, bei welchem das Halbzeug auf eine Temperatur von mehr als der Acl- Umwandlungstemperatur erwärmt wird und anschließend warmumgeformt und/oder gehärtet wird.
Verschleißfeste, zumindest teilweise unbeschichtete Stahlteile, welche hohe
Festigkeiten aufweisen müssen und gleichzeitig abrasiven Kräften ausgesetzt sind, werden beispielsweise für die Bereitstellung von Landmaschinen, insbesondere Pflüge aber auch für Schaufeln eines Baggers oder Förderschnecken für abrasive Materialien, wie beispielsweise die Förderschnecke eines Betonmischers, benötigt. Um die notwendigen, hohen Festigkeiten bei den genannten Anwendungen zu realisieren, werden diese vorzugsweise einem Warmumformen unterzogen, bei welchem die Halbzeuge, aus welchen die Stahlteile hergestellt werden, zunächst auf eine Temperatur oberhalb des Acl-Umwandlungstemperaturpunktes erwärmt werden, so dass durch Warmumformen und anschließendes Härten, d.h. schnelles Abkühlen eine Umwandlungshärtung des Gefüges erfolgt und im Werkstoff martensitisches Gefüge entsteht. Das martensitische Gefüge weist eine deutlich höhere Härte aber auch eine deutlich höhere mechanische Festigkeit, beispielsweise Zugfestigkeit auf. Entsprechende Stahlteile sind beispielsweise aus dem deutschen Patent DE 10 2010 050 499 B3 bekannt. Die deutsche Patentschrift beschreibt ein Herstellverfahren für Baggerschaufeln, Betonmischerförderschnecken, Förderschneckenschaufeln oder anderen Transportschaufeln von Förderanlagen, bei welchem die Bauteile warmumgeformt und pressgehärtet werden.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die so hergestellten Bauteile insbesondere bei Kontakt mit abrasiven Materialien Probleme in Bezug auf die Verschleißfestigkeit trotz des Härtungsprozesses während der Herstellung besitzen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 017 354 AI beschäftigt sich mit dem Problem der Warmumformung von verzinkten Stahlflachprodukten zu hoch- bzw. höchstfesten Stahlbauteilen. Bei Überschreiten der Schmelztemperatur des Metalls der Schutzbeschichtung besteht die Gefahr der so bezeichneten
„Flüssigmetallversprödung", welche aufgrund des Eindringens des schmelzflüssigen Metalls des Überzugs in die bei der Umformung des Stahlflachproduktes entstehenden Kerben oder Risse verursacht wird. Das in das Stahlsubstrat gelangende flüssige Metall lagert sich dort an Korngrenzen ab und reduziert dort die maximal
aufnehmbare Zug- bzw. Druckspannung. Als Lösung bietet die Offenlegungsschrift eine Nitrierung der Randschichtbereiche an, so dass feinstrukturierte
Randschichtbereiche erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich dagegen mit dem Problem, dass
warmumgeformte und/oder gehärtete Stahlteile in den unbeschichteten Bereichen nicht die gewünschte Verschleißfestigkeit aufweisen und damit nicht optimal für den Einsatz als Fördermittel beispielsweise bei Kontakt mit abrasiven Materialien geeignet sind. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, zumindest teilweise unbeschichtete Stahlteile vorzuschlagen, deren Eignung für den Einsatz mit abrasiven Materialien verbessert ist. Zudem soll ein kostengünstiges
Herstellverfahren entsprechender Stahlteile vorgeschlagen werden.
Die aufgezeigte Aufgabe wird für ein Stahlteil dadurch gelöst, dass das Stahlteil zumindest teilweise einen Oberflächenbereich aufweist, welcher bis zu einer Tiefe von maximal 100 μπι, bevorzugt bis zu einer Tiefe von bis zu 40 μπι, durch eine
Oberflächenhärtung vor dem Warmumformen und/oder Härten gehärtet worden ist.
Es hat sich herausgestellt, dass die Erwärmung der Halbzeuge zur Herstellung der Stahlteile auf eine Temperatur von mehr als der Acl-Umwandlungstemperatur oder oberhalb der Ac3-Temperatur vor dem Warmumformen und/oder Härten zu einer Entkohlung oberflächennaher Bereiche führt, so dass der Kohlenstoffgehalt dieser Bereiche deutlich geringer ist als der Kohlenstoffgehalt des Grundwerkstoffs. In der Folge kann der oberflächennahe Bereich von bis zum 100 μπι Tiefe, insbesondere der Bereich bis 40 μιη Tiefe während des Warmumformens und/oder Härtens nicht im geforderten Maße gehärtet werden. Es zeigte sich jedoch, dass eine zumindest teilweise Oberflächenhärtung der unbeschichteten Bereiche des Halbzeugs vor dem Warmumformen und/oder Härten zum Stahlteil dazu führt, dass sowohl der
Oberflächenbereich als auch der Grundwerkstoff trotz der Entkohlung der
oberflächennahen Bereiche aufgrund der hohen Temperaturen beim Warmumformen bzw. Härten, sehr hohe Härten aufweisen. Als Ergebnis steht ein Stahlteil zur
Verfügung, welches zumindest teilweise einen Oberflächenbereich aufweist, der vorzugsweise bis zu einer Tiefe von 100 μπι bzw. im Bereich bis 40 μπι Tiefe gehärtet ist und damit deutlich verschleißfester als die bisher bekannten, zumindest teilweise unbeschichteten Stahlteile ist.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist der gehärtete Oberflächenbereich des Stahlteils durch eine Aufkohlung oder ein Nitrieren gehärtet. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, oberflächennahe Bereiche des Stahlteils vor der Warmumformung bzw. dem Härten gezielt zu härten. Das Nitrieren hat zudem den Vorteil, dass die Härte während des Warmumformens nicht verringert wird. Bei der Aufkohlung wird der Kohlenstoffgehalt in den Oberflächenbereichen erhöht, nimmt aber durch die Warmumformung erneut ab. Bevorzugt weist gemäß einer weiteren Ausführungsform nach dem Warmumformen und/oder Härten der gehärtete Oberflächenbereich des Stahlteils mindestens die Härte des unter dem Oberflächenbereich liegende Grundwerkstoffs des Stahlteils auf. Vorzugsweise kann die Verschleißfestigkeit des Stahlteils auch dadurch verbessert werden, dass die Härte des Oberflächenbereichs des Stahlteils größer ist als die Härte des Grundwerkstoffs. Es wurde festgestellt, dass insbesondere die Härte der
Oberflächenbereiche verantwortlich sind für die Verschleißfestigkeit des Stahlteils bei Kontakt mit stark abrasiven Materialen, so dass auch mit einem etwas weicheren Grundwerkstoff ein sehr verschleißfestes Stahlteil hergestellt werden kann.
Hieraus folgt das gemäß einer weiteren Ausführungsform des Stahlteils das Stahlteil für die Verwendung als Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittel in
Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen
ausgebildet ist, wobei zumindest die abrasiven Kräften ausgesetzten Bereiche des Stahlteils oberflächengehärtet sind.
Besonders vorteilhaft sind darüber hinaus auch Mangan-Bor-Stähle, Dualphasenstähle oder TRIP-Stähle, bei welchen eine besonders starke Ausprägung der
Martensitbildung bzw. der Umwandlung von restaustenitischen Teilen in Martensit eine Steigerung der Härten ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Stahlteils weist der vor der
Warmumformung und/oder dem Härten gehärtete Oberflächenbereich des Stahlteils zumindest bereichsweise eine Härte von 400 bis 700 HV auf. Diese Werte werden in der Regel nur von höchstfesten Stahlgüten nach der Warmumformung bzw. dem Härten im Grundwerkstoff erreicht. Die Oberflächenhärtung vor der
Warmumformung bzw. dem Härten bietet insbesondere die Möglichkeit, das
Ausgangsmaterial für die Erzeugung der Stahlbauteile auf einem Coil bereitzustellen. Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Stahlteils für Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittel von Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen aus einem Halbzeug, bei welchem das Halbzeug zumindest bereichsweise auf eine Temperatur von mehr als der Acl-Umwandlungstemperatur erwärmt wird und anschließend warmumgeformt und/oder gehärtet wird, gelöst dadurch, dass das Halbzeug vor dem Warmumformen und/oder Härten zumindest teilweise einer Oberflächenhärtung unterzogen wird, bei welcher ein Oberflächenbereich bis zu einer Tiefe von maximal 100 μπι gehärtet wird. Bevorzugt wird ein Oberflächenbereich von bis 40 μιη Tiefe gehärtet, in welchem üblicherweise die Entkohlungsprozesse während der Warmumformung stattfinden. Die Tiefe des Oberflächenbereichs, welcher gehärtet werden soll, wird durch die Einwirkungsdauer der
Härtungsbehandlung gesteuert. Es hat sich vor allem gezeigt, dass trotz der
Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb des Acl-Umwandlungstemperaturpunktes die oberflächengehärteten Bereiche des Stahlteils in Bezug auf deren
Oberflächenhärte stabil bleiben, so dass nach dem Warmumformen und/oder Härten hohe Oberflächenhärten erzielt werden. Dies führt dazu, dass die in Kontakt mit abrasiven Materialien stehenden Stahlteile für Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittel von Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder
Baumaschinen einen verringerten Verschleiß aufweisen.
Die Härtung der Oberflächenbereiche vor der Warmumformung bzw. vor dem Härten ermöglicht es, die Oberflächenhärtung an coilfähige Materialien, also am Stahlband, durchzuführen, so dass eine besonders wirtschaftliche Herstellung von
verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Stahlteilen aus Halbzeugen ermöglicht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Härten des Oberflächenbereichs durch Nitrieren oder durch eine Aufkohlung. Beide Verfahren ermöglichen es, eine höhere Härte im Oberflächenbereich zur Verfügung zu stellen, welche nach der Warmumformung und/oder nach dem Härten eine höhere Verschleißfestigkeit der Oberfläche des warmumgeformten bzw. gehärteten Stahlteils ermöglichen.
Besonders bevorzugt wird die Oberflächenhärtung gemäß einer weiteren
Ausgestaltung durch eine Glühbehandlung in einer Glühatmosphäre mit bis zu 25 Vol.- % H2, 0,1 - 10 Vol.-% NH3, H2O und Rest N2 sowie unvermeidbare Verunreinigungen bei einer Haltetemperatur von 600 °C bis 900 °C durchgeführt. Vorzugsweise liegt der Taupunkt der Glühatmosphäre zwischen -50°C und -5°C, so dass der Effekt der Luftfeuchtigkeit auf den Härtungsprozess reduziert wird. Bevorzugt werden darüber hinaus maximal 10 Vol.-% Η2, maximal 5 Vol.-% N H3 zugelassen und der Taupunkt auf eine Taupunkttemperatur von -40°C bis -15°C bei einer Temperatur von 680 bis 840°C eingestellt. Die zuletzt genannten Verfahrensparameter ergaben eine verbesserte und gleichmäßigere Oberflächenhärtung. Die Tiefe der Oberflächenhärtung kann durch die Dauer der Einwirkung der
Haltetemperatur eingestellt werden. Bevorzugt wird während der
Oberflächenhärtung die Dauer, bei welchem das Halbzeug die Haltetemperatur besitzt, auf 5 s bis 600 s, vorzugsweise auf 30 s bis 120 s eingestellt. Vorzugsweise wird die Oberflächenhärtung in einem Durchlaufofen durchgeführt, so dass beispielsweise auch ein bandförmiges Halbzeug, also ein coilfähiges Halbzeug oberflächengehärtet wird und den weiteren Warmumform- und/oder
Presshärtschritten zugeführt werden kann. Denkbar ist aber auch eine
Oberflächenhärtung in einem Kammerofen.
Wie bereites ausgeführt, zeigen Halbzeuge wie beispielsweise Mangan-Bor-Stähle, Dualphasenstähle sowie TRIP-Stähle einerseits eine besonders hohe
Festigkeitssteigerung während der Warmumformung bzw. beim Härten und andererseits die Möglichkeit die oberflächennahen Bereiche durch Nitrieren auf identische Härten von im Bereich 400 bis 700 HV zu bringen. Im Ergebnis können Stahlteile auf kostengünstige Weise hergestellt werden, welche sehr verschleißfest sind und besonders hohe Festigkeiten aufweisen.
Im Weiteren soll die Erfindung nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in schematisch ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Stahlteils, Fig. 2 den Schichtaufbau des entsprechend dem Ausführungsbeispiel auf Fig. 1 behandelten Halbzeugs bzw. Stahlteils in schematischer Darstellung,
Fig. 3, 4 Ausführungsbeispiele eines Stahlteils für Landmaschinen und
Fördermaschinen und
Fig. 5 in einem Diagramm den Härteverlauf in Abhängigkeit vom Abstand zur
Oberfläche von zwei Ausführungsbeispielen und einem
Vergleichsbeispiel. In Fig. 1 ist zunächst sehr schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Stahlteils in einer
schematischen Darstellung gezeigt. Das Halbzeug 1, welches aus einem Stahl, beispielsweise aus einem Mangan-Bor-Stahl, Dualphasenstahl oder TRIP-Stahl besteht, wird zunächst einer Oberflächenhärtung 2 zugeführt. Wird ein bandförmiges Halbzeug von einem Coil la abgehaspelt und der Oberflächenhärtung 2 zugeführt, ist es beispielsweise von Vorteil, die Oberflächenhärtung, beispielsweise im Fall eines Nitrierens, in einem Banddurchlaufofen durchzuführen, an dessen Ende
beispielsweise das bandförmige Halbzeug 1 mit einer Oberflächenhärtung nunmehr versehen, auf ein (nicht dargestelltes) Coil aufgewickelt werden kann. Das so oberflächengehärtete bandförmige Halbzeug wird abgelängt und einem
Warmumformen und/oder Härten 3 zugeführt, so dass durch den Verfahrensschritt 3 ein umgeformtes, zumindest teilweise unbeschichtetes Stahlteil 4 hergestellt werden kann, welches für Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittel von Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen geeignet ist. Einerseits zeichnet sich das entsprechend hergestellte Stahlteil 4 durch hohe Festigkeitswerte aufgrund des Warmumform- und/oder Härteschritts aus. Andererseits weist auch der Oberflächenbereich des Stahlteils aufgrund der vor der Warmumformung und/oder vor dem Härten stattfindenden Nitrierung der Oberfläche eine erhöhte Härte auf. Wie bereits zuvor ausgeführt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der
Entkohlung der Oberflächenbereiche, welche bis zu einer Tiefe von 100 μη
stattfindet, entgegengewirkt werden, in dem der Oberflächenbereich bis 100 μιτι Tiefe bzw. in einem Bereich bis 40 μπι Tiefe oberflächengehärtet wird. Vorzugsweise wird die Oberflächenhärtung durch Nitrieren durchgeführt. Denkbar ist aber auch eine Aufkohlung des Oberflächenbereichs. Bevorzugt wird die Oberflächenhärtung im Verfahrensschritt 2 durch eine
Glühbehandlung in einer Glühatmosphäre mit bis zu 25 Vol.-% H2, 0,1 - 10 Vol.-%
NH3, H20 und Rest N2 sowie unvermeidbare Verunreinigungen bei einer
Haltetemperatur von 600°C bis 900°C durchgeführt. Auch eine Reduktion der
Wasserstoffkonzentration auf maximal 10 Vol.-% bzw. eine Begrenzung NH3- Konzentration auf maximal 5 Vol.-% führen zu einer weiteren Verbesserung des Nitrierergebnisses.
Über die Dauer der Oberflächenhärtung, beispielsweise bei einer Haltetemperatur von 5s bis 600s kann die Tiefe der Oberflächenhärtung eingestellt werden. Bevorzugt wird mit einer Haltetemperatur von 30s bis 120s die Oberfläche nitriert, wobei die
Temperatur nach Möglichkeit 680°C bis 840°C beträgt. Die Durchführung der
Oberflächenhärtung vor der Warmumformung bzw. dem Härten hat den Vorteil, dass ein Glühprozess mit einem beispielsweise bandförmigen Halbzeug in einem
Banddurchlaufofen oder einer Platine in einem Durchlaufofen deutlich effizienter durchgeführt werden kann, als mit unterschiedlich geformten und unterschiedlichen Geometrien aufweisenden umgeformten Stahlteilen. Die Qualität der Oberflächenhärtung kann durch die Verwendung von bandförmigen bzw. als Platine ausgebildeten Halbzeugen ebenfalls leichter sichergestellt werden.
In Fig. 2 ist nun schematisch ein Querschnitt des Halbzeugs zu drei verschiedenen Zeitpunkten des Verfahrens dargestellt. Zunächst zeigt das Halbzeug 1 ein
entsprechend des Herstellungsprozesses mehr oder weniger homogenes,
beispielsweise ferritisches Gefüge la, welches durch die Kombination aus
Herstellprozess und Stahlzusammensetzung bedingt ist. Durch die
Oberflächenhärtung wird der Oberflächenbereich lb durch Eindiffusion von Stickstoff beim Nitrieren oder Kohlenstoff bei der Aufkohlung gehärtet, wobei sich das Gefüge dort ändert. Die Dicke des Oberflächenbereichs lb hängt dabei von der Dauer der Glühung ab. Üblicherweise beträgt der Oberflächenbereich bis maximal 100 μιη, in welchen die Härte des Halbzeugs geändert wird. Ein bevorzugter Bereich, welcher ein Kompromiss aus ausreichender Oberflächenhärtung und Dauer der Glühbehandlung zum Oberflächenhärten ist, weist eine Dicke von 20 bis 40 μιη auf. Die Dauer der
Oberflächenhärtung, beispielsweise beim Nitrieren beträgt dann vorzugsweise 30s bis 120s. Das unterhalb des Oberflächenbereichs lb verbliebene Gefüge des Werkstoffs la bleibt im Wesentlichen unverändert bei der Glühbehandlung. Bei dem Warmumformschritt wird nun das Gefüge des Grundwerkstoffs la zunächst in Austenit und durch das Härten später teilweise in Martensit umgewandelt.
Hierdurch werden große Härten sowie hohe mechanische Festigkeiten im
Grundwerkstoff lc erzielt. Der Oberflächenbereich lb bleibt dabei abgesehen von der Abkohlung dieser Schichten unverändert. Durch Nitrieren, kann dabei der
Oberflächenbereich weiterhin gehärtet bleiben. Bei einer gezielten Aufkohlung des Oberflächenbereichs lb anstelle des Nitrierens kann der Entkohlung entgegengewirkt werden, so dass auch hier eine Steigerung der Härte erreichbar ist. Das umgeformte Stahlteil 4 weist damit einen gehärteten Bereich lb sowie einen durch das
Warmumformen und Härten gehärteten Bereich lc auf. Fig. 3 und 4 zeigen typische Anwendungsgebiete des verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Stahlteils in Form einer Förderschnecke 5 in Fig. 3 sowie einer Pflugschar 6 für landwirtschaftliche Pflüge in Fig. 4. Beide Bauteile sind typische Vertreter von Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmitteln, welche in
Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen, beispielsweise Betonmischer, eingesetzt werden und stark abrasiven Materialien ausgesetzt sind. Der Einsatz von warmumgeformten und/oder pressgehärteten Stahlteilen war bisher aufgrund deren erhöhten Verschleißanfälligkeit nicht sehr vorteilhaft. Durch die Oberflächenhärtung des beim Warmumformen und/oder Härten entkohlten Bereichs erreichen die Warmumformstähle einen vergrößerten Anwendungsbereich.
Tabelle 1
Tabelle 1 zeigt nun Messungen der Härte von Proben A und B, welche aus einem Stahl der Güte 22MnB5 bestehen. Die Proben A und B wurden einer Oberflächennitrierung in einer Glühatmosphäre mit 1 Vol.-% NH3 bzw. 4 Vol.-% NH3 bei jeweils 760°C und 90s zugeführt. Die Oberflächennitrierung wurde bei interkritischen Temperaturen (T > Acl) durchgeführt, da der Austenit mehr Stickstoff lösen kann als der Ferrit. Anschließend wurden die Probenwarm umgeformt und gehärtet. Von den warm umgeformten bzw. gehärteten Stahlteilen wurden Schnitte angefertigt und in einem Abstand von 5 μπι von der Oberfläche an die Härte HV 0,01 (DIN EN ISO 6507-1) gemessen. Die Mikrohärtemessung zeigte bei den Proben abhängig von dem Gehalt an NH3 in der Glühatmosphäre bei gleichen Glühparametern, d.h. Haltzeit und
Haltetemperatur, eine stärkere Härte bei höherem NH3-Gehalt der Glühatmosphäre.
Die Härte der Probe A sinkt zunächst von dem an der Oberfläche gemessenen Wert 460 HV auf einen Wert von 333 HV bei 20 μηι Tiefe ab. Danach steigt die Härte wieder auf einen Wert um etwa 492 HV an, was anzeigt, dass hier die Entkohlung des
Grundwerkstoffs aufhört. Durch die Oberflächenhärtung wurde insbesondere der oberste Bereich von 5 bis 15 μπι deutlich gehärtet. Anhand der Probe B ist erkennbar, dass bei erhöhtem NH3-Gehalt die Oberflächenhärtung deutlicher ausfällt sowohl in der Amplitude als auch in der Tiefe der Härtung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der höheren NH3-Konzentration der Glühatmosphäre eine stärkere Diffusion von Stickstoff in die Oberfläche des Stahlteils erfolgte. Die Werte der Probe B beginnen bei 546 in 5 μιη Tiefe und sinken bis auf 25 μιη Tiefe auf einen Wert von 394 ab. Anschließend steigen die Werte wieder auf etwa 466 in 45 μπι Tiefe an. Deutlich erkennbar ist, dass die Oberfläche härter ausgestaltet ist als der Grundwerkstoff bei 45 μπι Tiefe.
Ein ähnliches Bild zeigen auch die in Fig. 5 dargestellten Messungen an zwei weiteren Ausführungsbeispielen im Vergleich mit einem Vergleichsbeispiel. Das
Vergleichsbeispiel dargestellt durch eine gepunktete Linie zeigt im Bereich von 5 bis 35 μπι eine reduzierte Härte, welche unterhalb von 400 HV 1 (DIN EN ISO 6507-1) liegt. Die Reduzierung der Härte im Vergleich zum Grundwerkstoff, welche zwischen 450 HV 1 und 500 HV 1 liegt, wird durch die Endkohlung während der
Warmumformung erklärt. Die beiden Vergleichsbeispiele mit zwei verschiedenen Nitrierungsvarianten wiederum l%ige NH3-Glühatmosphäre oder auch 4%ige NH3- Glühatmosphäre unterscheiden sich vor allem in diesem oberflächennahen Bereich, da hier Härten von oberhalb 500 gemessen werden konnten. Damit kann für verschleißfeste, zumindest teilweise unbeschichtete Stahlteile nicht nur die besonders hohen Zugfestigkeitswerte und der warmumgeformten und/oder gehärteten Stahlteile bereitgestellt werden, sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit aufgrund hoher Oberflächenhärten im Bereich von beispielsweise 500 bis 700 HV.

Claims

Patentansp rüche
Verschleißfestes, zumindest teilweise unbeschichtetes Stahlteil (4) bestehend aus einer härtbaren Stahlgüte, welches durch Warmumformen und/oder Härten aus einem Halbzeug (1) hergestellt worden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stahlteil (4) zumindest teilweise einen Oberflächenbereich (lb) aufweist, welcher bis zu einer Tiefe von maximal ΙΟΟμηι durch eine Oberflächenhärtung vor dem Warmumformen und/oder Härten gehärtet worden ist. Stahlteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der gehärtete Oberflächenbereich (lb) des Stahlteils durch eine Aufkohlung oder ein Nitrieren gehärtet ist.
Stahlteil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Warmumformen und/oder Presshärten der gehärtete
Oberflächenbereich (lb) des Stahlteils mindestens die Härte des unter dem
Oberflächenbereich liegende Grundwerkstoff des Stahlteils aufweist.
Stahlteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stahlteil (4) für die Verwendung als Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittel (5, 6) in Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen ausgebildet ist, wobei zumindest die abrasiven Kräften
ausgesetzten Bereiche des Stahlteils oberflächengehärtet sind. Stahlteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stahlteil (4) aus einem Mangan-Bor- Stahl, einem Dualphasenstahl oder einem TRIP-Stahl besteht.
Stahlteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der vor der Warmumformung und/oder dem Härten gehärtete
Oberflächenbereich (lb) des Stahlteils zumindest bereichsweise eine Härte von
400 bis 700 HV aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten, zumindest teilweise unbeschichteten Bearbeitungs-, Förder- und/oder Brechmittel von
Landmaschinen, Fördermaschinen, Bergbaumaschinen oder Baumaschinen aus einem Halbzeug bestehend aus einer härtbaren Stahlgüte, bei welchem das Halbzeug zumindest bereichsweise auf eine Temperatur von mehr als der Acl- Umwandlungstemperatur erwärmt wird und anschließend warmumgeformt und/oder gehärtet wird, insbesondere zur Herstellung eines Stahlteils nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halbzeug vor dem Warmumformen und/oder Härten zumindest teilweise einer Oberflächenhärtung unterzogen wird, bei welcher ein Oberflächenbereich bis zu einer Tiefe von maximal 100 μπι gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Härten des Oberflächenbereichs durch ein Nitrieren oder durch eine Aufkohlung erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenhärtung durch eine Glühbehandlung in einer Glühatmosphäre mit bis zu 25 Vol.-% H2, 0,1 - 10 Vol.-% NH3, H20 und Rest N2 sowie unvermeidbare Verunreinigungen bei einer Haltetemperatur von 600 °C bis 900 °C erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der Oberflächenhärtung die Dauer, bei welchem das Halbzeug die Haltetemperatur besitzt, 5 s bis 600 s, vorzugsweise 30 s bis 120 s beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenhärtung in einem Durchlaufofen durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Halbzeug bestehend aus einem Mangan-Bor-Stahl oder einem TRIP-Stahl oberflächengehärtet wird.
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