EP3061837A1 - Blank bainite long product and method for producing the same - Google Patents
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- EP3061837A1 EP3061837A1 EP15156898.7A EP15156898A EP3061837A1 EP 3061837 A1 EP3061837 A1 EP 3061837A1 EP 15156898 A EP15156898 A EP 15156898A EP 3061837 A1 EP3061837 A1 EP 3061837A1
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Definitions
- the invention relates to a bare bainitic long product according to the preamble of claim 1 and uses thereof and a process for its preparation.
- Bainitic steels cooled continuously from the forming heat offer similar strength and toughness properties under static load as heat-treated steels with a hardened structure. However, while tempered steels soften under dynamic load, the bainitic steels are solidified. Due to the TRIP effect (deformation-induced transformation of austenite into martensite), bainitic steels also behave more favorably with overloads (voltage peaks). This manifests itself in a higher time stability.
- bainitic materials with a tensile strength of about 1,300 MPa would increase the performance of common rails or injectors and thus of the entire internal combustion engine.
- the WO 2009/090155 A1 describes such an application for a bainitic-ferritic material without TRIP effect.
- EP 2103704 A1 describes such a product.
- inventive production process can be dispensed with the addition of aluminum and titanium. This avoids the formation of abrasive oxide inclusions.
- a high sulfur content of 0.04 to 0.25% additionally improves the machinability.
- the sulfur forms with manganese sulfide inclusions, which on the one hand facilitate the chip breaking and on the other hand form a protective layer on the tool. Tool life and productivity are increased.
- the manganese sulfides are also material weaknesses, which can cause cracks under dynamic load. This reduces the life expectancy of dynamically loaded components. Therefore, this steel can not be used for highly stressed safety components.
- EP 1426453 A1 describes a forging of a bainitic steel, which should be suitable for machining.
- the good machinability is in In this case, too, only achieved by alloying with sulfur, tellurium, selenium, bismuth or lead (see there claims 6 and 7). Both the environmental compatibility and the suitability for highly stressed components is thereby limited.
- a bright bainitic long product with a bainitic microstructure that can be machined well in machining is currently not yet available for use in dynamically stressed components.
- the object of the invention is to provide a bright bainitic long product, with which in particular the above disadvantages are avoided. Further objects of the invention relate to uses of the long product according to the invention. Yet another object of the invention is to provide a process for producing a bare bainitic long product.
- While hot-formed bainitic products have a low yield strength Rp0.2 and thus a low Rp0.2 / Rm ratio (in the examples of EP 1425453 If the Rp0.2 / Rm ratio is between 0.6 and 0.7), this can be achieved by the combination of pulling and subsequent relaxation treatment can be set almost any Rp0.2 / Rm ratios between 0.6 and 1.0.
- the steel composition according to the invention can be machined significantly better at a constant predetermined tensile strength if the yield ratio Rp0.2 / Rm is above 0.87.
- the significantly improved machinability manifests itself in significantly longer tool life.
- the alloying components are selected such that, at conventional cooling rates from 0.1 to 8.0 K / s, a bainitic-martensitic microstructure always results with a tensile strength level of 900 to 1,200 MPa, without costly alloying elements and / or or special equipment for accelerated cooling from the rolling heat must be used.
- the product In order to be able to adjust the properties according to the invention, the product must be drawn in the temperature range between room temperature and 600 ° C. and then tempered in a temperature range of 250 and 600 ° C.
- the lower limit of the carbon content to 0.16% in combination with manganese and chromium ensures that only small amounts of ferrite are present in the microstructure. Ferrite levels above 5% affect both the strength level and the impact strength of the product.
- the upper limit of the carbon to 0.26% ensures that the tensile strength does not rise above 1400 MPa. Higher strength values degrade machinability in the downstream drawing or machining process. Higher carbon contents also promote the formation of carbides, which adversely affects ductility.
- Silicon suppresses the formation of hard and in machining abrasive Fe 3 C precipitates (cementite).
- the chosen silicon concentration allows a one-hour annealing treatment at 400 ° C without coarse cementite precipitates can form (based on the description of the carbide-free bainite in WO 96/22396 ). Since silicon is an efficient solid solution hardener in bainite, its content must be limited to 1.2% by weight so as not to exceed the maximum desired tensile strength of 1400 MPa.
- the lower limit in manganese to 1.20% by weight and chromium to 0.70% by weight ensures that a bainitic structure can be produced from the forming heat when the air cools down.
- the manganese content must be limited to 1.70 wt .-%.
- Chromium constricts the bainite area, which favors the formation of martensite. For this reason, the chromium content must be limited to 1.60 wt .-%.
- molybdenum can be alloyed to suppress possible temper embrittlement.
- the precipitation of iron carbides at the primary grain boundaries and a related loss of toughness can thus be prevented.
- the molybdenum content should be as low as necessary: up to 0.3% by weight of molybdenum.
- Nickel improves notched impact strength and therefore has a negative impact on machinability. Therefore, the nickel content is limited to 0.30 wt .-%.
- Sulfur is a steel pest. It forms manganese sulfide precipitates and weakens the microstructure. This has a negative effect on the fatigue strength of dynamically loaded components. For this reason, the sulfur content was limited to 0.03 wt .-%.
- Phosphorus is a steel pest. It goes to the Austenitkornskyn and weakens the structure. This has a negative effect on the fatigue strength of dynamically loaded components. For this reason, the phosphorus content was limited to 0.03 wt .-%.
- Copper is a steel pest. At high copper contents, red brittleness occurs in hot forming. For this reason, the copper content is limited to 0.25 wt .-%.
- Hard oxide or nitride inclusions have a negative effect on the machinability above a certain size.
- titanium titanium oxides and coarse titanium carbonitrides
- aluminum hard Al 2 O 3 compounds
- a negative effect must also be assumed.
- the microalloying elements titanium, aluminum, niobium and vanadium are therefore limited to 0.01% by weight.
- Boron is usually alloyed with bainitic steels to suppress the formation of ferrite.
- the nitrogen present in the steel must be bound with titanium. Since the addition of titanium is to be avoided, this alloy concept can not be used here. Boron will therefore be present only in traces to 0.001 wt .-%.
- No aluminum is added to the bare bainitic long product produced according to the invention.
- oxide inclusions should be set with an Al 2 O 3 content of ⁇ 50%.
- the metallurgical treatment is carried out so that soft, glassy silicate inclusions are formed with the following relative proportions by weight: 20 to 50% CaO, 25 to 65% SiO 2 and less than 30% Al 2 O 3 . The tool life of the tools used in machining is then significantly extended.
- a heat treatment up to 2 hours at 300 to 600 ° C according to claim 8 may be useful. Tensions introduced by strain hardening are thereby reduced.
- a steel melt "steel 1" was cast and then rolled into bar steel.
- the molten steel was produced by the electrical steel process with a secondary metallurgical treatment on a ladle and subsequent casting to 150 ⁇ 150 mm 2 sticks in a continuous casting plant.
- the billets were then reheated in a walking beam oven to 1'150 to 1'200 ° C and then rolled into bar steel in diameter 043 mm.
- the cooling of the rods after rolling was carried out in air (cooling rate about 1.0 K / s).
- the rods were shot peened to remove the iron oxide skin. Thereafter, the rods were either drawn at room temperature or in the temperature range between 350 and 450 ° C by a multi-stage die to the final dimension of 040 mm and directed in a two-roll straightening machine. The final conductive heating at 350 resp. 500 ° C was used to reduce deformation-induced surface tensions.
- the machinability of the manufactured variants was tested in a standard test at the ISF in Dortmund.
- the test specimens used were double-turned and one-sided center bored rods with a length of 190 mm.
- the tests were carried out under the type Becher Avantin 3309 emulsion with a concentration of about 6-8%.
- the turning tool (CNMG120404-PF4215) was selected to allow the standard steel 42CrMo4 + QT (at Rm ⁇ 1'000 MPa) to have an industrially common machining time of 18 minutes without violating a wear mark width criterion of V Bmax ⁇ 300 ⁇ m.
- the cutting speed was 200 m / min
- Table 1 shows the steel compositions used for this comparison.
- the composition of the existing oxide inclusions was analyzed by scanning electron microscope with EDX.
- the structural components of steel 1 were determined quantitatively in the scanning electron microscope (for bainite and ferrite) and in the X-ray diffractometer (for retained austenite). Within the measuring accuracy the differences of the three variants are small. The results are shown in Table 2 for the various heat treatments. For steel 2 there is a 100% compensation structure (tempered martensite). The steels 3 and 4, similar to steel 1, have a mixed structure of bainite, martensite and retained austenite.
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Abstract
Ein blankes bainitisches Langprodukt weist einem Gewichtsanteil von 0.16 bis 0.26 % Kohlenstoff, 0.60 bis 1.20% Silizium, 1.20 bis 1.70% Mangan, 0.70 bis 1.60% Chrom, bis zu 0.20% Nickel, bis zu 0.30% Molybdän, bis zu 0.03% Schwefel,bis zu 0.01% Aluminium, bis zu 0.03% Phosphor, bis zu 0.25% Kupfer, bis zu 0.001% Bor, bis zu 0.01% Titan, bis zu 0.01 % Vanadium. bis zu 0.01% Niob, bis zu 0.015% Stickstoff und bis zu 0.01% in oxidischen Einschlüssen gebundener Sauerstoff, der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen auf. Es liegen folgende Gefügebestandteile vor: 60 bis 80% Bainit, bis 30% Martensit, bis zu 8% Ferrit und bis 15% Restaustenit. Der Zugversuch nach ISO 6892-1 ergibt: Rp0.2 = 950 bis 1'400 MPa, Rm = 1'150 bis 1'400 MPa, 0.87 < Rp0.2/Rm < 0.99 und A5 = 9.0 bis 17.0%.A bright bainitic long product has a weight fraction of 0.16 to 0.26% carbon, 0.60 to 1.20% silicon, 1.20 to 1.70% manganese, 0.70 to 1.60% chromium, up to 0.20% nickel, up to 0.30% molybdenum, up to 0.03% sulfur, up to 0.01% aluminum, up to 0.03% phosphorus, up to 0.25% copper, up to 0.001% boron, up to 0.01% titanium, up to 0.01% vanadium. up to 0.01% niobium, up to 0.015% nitrogen and up to 0.01% oxygen bound in oxidic inclusions, the remainder iron as well as common impurities. The following structural components are present: 60 to 80% bainite, up to 30% martensite, up to 8% ferrite and up to 15% retained austenite. The tensile test according to ISO 6892-1 gives: Rp0.2 = 950 to 1'400 MPa, Rm = 1'150 to 1'400 MPa, 0.87 <Rp0.2 / Rm <0.99 and A5 = 9.0 to 17.0%.
Description
Die Erfindung betrifft ein blankes bainitisches Langprodukt gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verwendungen davon und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a bare bainitic long product according to the preamble of
Tendenzen zum Downsizing oder Forderungen nach höherer Leistung bei geringerer Umweltbelastung in der Automobilindustrie führen zum Einsatz neuer Werkstoffe mit höherer Festigkeit.Downsizing tendencies or demands for higher performance with lower environmental impact in the automotive industry lead to the use of new materials with higher strength.
Kontinuierlich aus der Umformhitze abgekühlte bainitische Stähle bieten dabei unter statischer Last ähnliche Festigkeits-und Zähigkeitseigenschaften wie wärmebehandelte Stähle mit Vergütungsgefüge. Während sich Vergütungsstähle unter dynamischer Last jedoch entfestigen, findet man bei den bainitischen Stählen eine Verfestigung. Aufgrund des TRIP-Effekts (verformungsinduzierte Umwandlung von Austenit in Martensit) verhalten sich bainitische Stähle auch vorteilhafter bei Überlasten (Spannungsspitzen). Dies macht sich in einer höheren Zeitfestigkeit bemerkbar.Bainitic steels cooled continuously from the forming heat offer similar strength and toughness properties under static load as heat-treated steels with a hardened structure. However, while tempered steels soften under dynamic load, the bainitic steels are solidified. Due to the TRIP effect (deformation-induced transformation of austenite into martensite), bainitic steels also behave more favorably with overloads (voltage peaks). This manifests itself in a higher time stability.
Bei gleicher Ausgangsfestigkeit sind die Ermüdungseigenschaften (Dauerfestigkeit, Zeitfestigkeit, Kerbempfindlichkeit, Lebensdauer) der bainitischen Stähle den Vergütungsstählen deshalb deutlich überlegen.With the same initial strength, the fatigue properties (fatigue strength, fatigue strength, notch sensitivity, service life) of bainitic steels are therefore clearly superior to tempered steels.
Durch den Einsatz von bainitischen Werkstoffen mit einer Zugfestigkeit von ca. 1'300 MPa liesse sich beispielsweise die Leistungsfähigkeit von Common-Rails oder Injektoren und damit des gesamten Verbrennungsmotors steigern. Die
Trotz der Vorteile haben sich diese innovativen Stähle bisher nur vereinzelt durchsetzen können. Die hohe Festigkeit bringt neue Herausforderungen für die Teilefertigung mit sich. In spanenden Prozessen erhöhen sich die Schnittkräfte und die Temperaturen am Werkzeug. Dies führt zu einer kürzeren Werkzeugstandzeit bzw. zu einer geringeren Produktivität. Durch Optimierung von Werkzeuggeometrie und Zerspanungsparametern können Produktivitätsverluste häufig teilweise wieder kompensiert werden (siehe z.B.
Es gibt deshalb einen Bedarf an zerspanungsverbesserte hochfeste bainitische Stähle. Dies gilt insbesondere für Blankstahlprodukte, die in gezogener Ausführung für die spanende Bauteilfertigung eingesetzt werden.There is therefore a need for machined high strength bainitic steels. This applies in particular to bright steel products, which are used in a drawn version for cutting component production.
Ein in der Zerspanung gut bearbeitbares blankes bainitisches Langprodukt in einem Abmessungsbereich von 5.0 bis 70 mm mit bainitischer Gefügestruktur steht heute für die Anwendung in dynamisch stark beanspruchten Bauteilen noch nicht zur Verfügung.A bright bainitic long product with a bainitic microstructure that can be machined well in machining is currently not yet available for use in dynamically stressed components.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein blankes bainitisches Langprodukt bereitzustellen, mit dem insbesondere die obigen Nachteile vermieden werden. Weitere Aufgaben der Erfindung betreffen Verwendungen des erfindungsgemässen Langprodukts. Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines blanken bainitischen Langprodukts anzugeben.The object of the invention is to provide a bright bainitic long product, with which in particular the above disadvantages are avoided. Further objects of the invention relate to uses of the long product according to the invention. Yet another object of the invention is to provide a process for producing a bare bainitic long product.
Die Bezeichnung "blankes Langprodukt" bezieht sich auf ein gezogenes, kalt umgeformtes Langprodukt nach DIN EN 10'277-1.The term "bright long product" refers to a drawn, cold-formed long product according to DIN EN 10'277-1.
Gelöst werden diese Aufgaben durch das im Anspruch 1 definierte blanke bainitische Langprodukt, die in den Ansprüchen 5 und 6 definierten Verwendungen sowie das im Anspruch 7 definierte Herstellverfahren.These objects are achieved by the defined in
Die nachfolgenden Gehaltsangaben in Prozent (%) bzw. in Teilen pro Million ("parts per million, ppm") beziehen sich - sofern nicht ausdrücklich anders angegeben - auf Gewichtsanteile.The following percentages by weight (%) or parts per million (ppm) refer to parts by weight unless expressly stated otherwise.
Das erfindungsgemässe blanke bainitische Langprodukt weist einen Gewichtsanteil von
- 0.16 bis 0.26 % Kohlenstoff,
- 0.60 bis 1.20% Silizium,
- 1.20 bis 1.70% Mangan,
- 0.70 bis 1.60% Chrom,
- bis zu 0.20% Nickel,
- bis zu 0.30% Molybdän,
- bis zu 0.03% Schwefel,
- bis zu 0.01% Aluminium,
- bis zu 0.03% Phosphor,
- bis zu 0.25% Kupfer,
- bis zu 0.001% Bor,
- bis zu 0.01% Titan,
- bis zu 0.01 % Vanadium
- bis zu 0.01% Niob
- bis zu 0.015% Stickstoff und
- bis zu 0.01% in oxidischen Einschlüssen gebundener Sauerstoff
- der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen, wobei folgende Gefügebestandteile vorliegen
- 60 bis 80% Bainit,
- bis 30% Martensit,
- bis zu 8 % Ferrit und
- bis 15% Restaustenit und wobei der Zugversuch nach ISO 6892-1 ergibt:
- Rp0.2 = 950 bis 1'400 MPa
- Rm = 1'150 bis 1'400 MPa
- 0.87 < Rp0.2/Rm < 0.99
- A5 = 9.0 bis 17.0%.
- 0.16 to 0.26% carbon,
- 0.60 to 1.20% silicon,
- 1.20 to 1.70% manganese,
- 0.70 to 1.60% chromium,
- up to 0.20% nickel,
- up to 0.30% molybdenum,
- up to 0.03% sulfur,
- up to 0.01% aluminum,
- up to 0.03% phosphorus,
- up to 0.25% copper,
- up to 0.001% boron,
- up to 0.01% titanium,
- up to 0.01% vanadium
- up to 0.01% niobium
- up to 0.015% nitrogen and
- Up to 0.01% oxygen bound in oxidic inclusions
- the remainder iron and common steel impurities, the following structural constituents being present
- 60 to 80% bainite,
- up to 30% martensite,
- up to 8% ferrite and
- up to 15% residual austenite and the tensile test according to ISO 6892-1 gives:
- Rp0.2 = 950 to 1400 MPa
- Rm = 1'150 to 1'400 MPa
- 0.87 <Rp0.2 / Rm <0.99
- A5 = 9.0 to 17.0%.
Das erfindungsgemässe Herstellungsverfahren umfasst folgende Schritte:
- Herstellen einer Stahllegierung mit einem Gewichtsanteil von
- 0.16 bis 0.26 % Kohlenstoff,
- 0.60 bis 1.20% Silizium,
- 1.20 bis 1.70% Mangan,
- 0.70 bis 1.60% Chrom,
- bis zu 0.20% Nickel,
- bis zu 0.30% Molybdän,
- bis zu 0.03% Schwefel,
- bis zu 0.01% Aluminium,
- bis zu 0.03% Phosphor,
- bis zu 0.25% Kupfer,
- bis zu 0.001% Bor,
- bis zu 0.01% Titan,
- bis zu 0.01 % Vanadium
- bis zu 0.01% Niob
- bis zu 0.015% Stickstoff und
- bis zu 0.01% in oxidischen Einschlüssen gebundener Sauerstoff,
- der Rest Eisen sowie stahlübliche Verunreinigungen,
- Wiedererwärmen des Einheitsformats, Warmwalzen zu Draht oder Stab und Abkühlen auf eine Temperatur unter 400°C mit einer Abkühlrate von 0.1 bis 8.0 K/s ("Walzen");
- chemische oder mechanische Entfernung der äusseren Eisenoxidhaut ("Entzundern");
- Ziehen des Walzstahls durch ein Werkzeug mit vordefiniertem Innenprofil ("Ziehen") bei einer
Temperatur von 25 bis 600°C, wobei es sich vorzugsweise um ein Rund- oder Sechskantprofil handelt; - mechanisches Richten zur Erzeugung einer geeigneten Geradheit ("Richten");
- Entspannen bei einer Temperatur von 250 bis 600°C ("Entspannen").
- Producing a steel alloy with a weight fraction of
- 0.16 to 0.26% carbon,
- 0.60 to 1.20% silicon,
- 1.20 to 1.70% manganese,
- 0.70 to 1.60% chromium,
- up to 0.20% nickel,
- up to 0.30% molybdenum,
- up to 0.03% sulfur,
- up to 0.01% aluminum,
- up to 0.03% phosphorus,
- up to 0.25% copper,
- up to 0.001% boron,
- up to 0.01% titanium,
- up to 0.01% vanadium
- up to 0.01% niobium
- up to 0.015% nitrogen and
- up to 0.01% oxygen bound in oxidic inclusions,
- the remainder iron and common impurities,
- Reheating the unitary format, hot rolling into wire or rod and cooling to a temperature below 400 ° C with a cooling rate of 0.1 to 8.0 K / s ("rolling");
- chemical or mechanical removal of the outer iron oxide skin ("descaling");
- Pulling the rolled steel through a tool with a predefined inner profile ("pulling") at a temperature of 25 to 600 ° C, which is preferably a round or hexagonal profile;
- mechanical straightening to produce a suitable straightness ("straightening");
- Relax at a temperature of 250 to 600 ° C ("relax").
Während warmumgeformte bainitische Produkte (Schmiedebauteil, Stabstahl usw.) eine geringe Dehngrenze Rp0.2 und damit auch ein niedriges Rp0.2/Rm-Verhältnis aufweisen (in den Beispielen aus
Es wurde überraschend gefunden, dass sich die erfindungsgemässe Stahlzusammensetzung bei konstant vorgegebener Zugfestigkeit deutlich besser zerspanbar ist, wenn das Streckgrenzenverhältnis Rp0.2/Rm über 0.87 liegt. Die deutlich verbesserte Zerspanbarkeit äussert sich in markant längere Werkzeugstandzeiten.It has surprisingly been found that the steel composition according to the invention can be machined significantly better at a constant predetermined tensile strength if the yield ratio Rp0.2 / Rm is above 0.87. The significantly improved machinability manifests itself in significantly longer tool life.
Bei dem erfindungsgemäss hergestellten blanken bainitischen Langprodukt sind die Legierungskomponenten so gewählt, dass bei üblichen Abkühlraten aus der Walzhitze von 0.1 bis 8.0 K/s immer ein bainitisch-martensitisches Gefüge mit Zugfestigkeitsniveau von 900 bis 1'200 MPa resultiert, ohne dass kostspielige Legierungselemente und/oder spezielle Einrichtungen zur beschleunigten Abkühlung aus der Walzhitze verwendet werden müssen. Damit die erfindungsgemässe Eigenschaften eingestellt werden können, muss das Produkt im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 600 °C gezogen und anschliessend in einem Temperaturbereich von 250 und 600°C angelassen werden.In the bare bainitic long product produced according to the invention, the alloying components are selected such that, at conventional cooling rates from 0.1 to 8.0 K / s, a bainitic-martensitic microstructure always results with a tensile strength level of 900 to 1,200 MPa, without costly alloying elements and / or or special equipment for accelerated cooling from the rolling heat must be used. In order to be able to adjust the properties according to the invention, the product must be drawn in the temperature range between room temperature and 600 ° C. and then tempered in a temperature range of 250 and 600 ° C.
Hier evtl. kurzer Abschnitt mit Erläuterung etwa wie folgt, bitte prüfen!:
- Im Ziehprozess werden bei Abzügen über 10% (=Querschnittsreduktion) Streckgrenzenverhältnisse Rp0.2/Rm von 0.98 - 1.00 eingestellt. Beim anschliessenden Anlassen sinkt das Streckgrenzenverhältnis Rp0.2/Rm, wobei es erfindungsgemäss auf über 0.87 zu halten ist. Bei Anlasstemperaturen über 600°C fällt das Streckgrenzenverhältnis Rp0.2/Rm in der Regel unter diesem Wert.
- In the drawing process yield ratios Rp0.2 / Rm of 0.98 - 1.00 are set for deductions over 10% (= reduction in cross section). During the subsequent tempering, the yield ratio Rp0.2 / Rm decreases, and according to the invention it is to be maintained above 0.87. At tempering temperatures above 600 ° C, the yield ratio Rp0.2 / Rm usually falls below this value.
Durch die untere Begrenzung des Kohlenstoffgehalts auf 0.16% wird in Kombination mit Mangan und Chrom sichergestellt, dass nur noch geringe Ferritanteile im Gefüge vorliegen. Ferritanteile über 5% beeinträchtigen sowohl das Festigkeitsniveau wie auch die Kerbschlagzähigkeit des Produkts.The lower limit of the carbon content to 0.16% in combination with manganese and chromium ensures that only small amounts of ferrite are present in the microstructure. Ferrite levels above 5% affect both the strength level and the impact strength of the product.
Durch die obere Begrenzung des Kohlenstoffs auf 0.26% wird gewährleistet, dass die Zugfestigkeit nicht über 1'400 MPa ansteigt. Höhere Festigkeitswerte verschlechtern die Bearbeitbarkeit im nachgelagerten Ziehprozess oder Zerspanungsprozess. Höhere Kohlenstoffgehalte fördern ausserdem die Bildung von Karbiden, was die Duktilität nachteilig beeinflusst.The upper limit of the carbon to 0.26% ensures that the tensile strength does not rise above 1400 MPa. Higher strength values degrade machinability in the downstream drawing or machining process. Higher carbon contents also promote the formation of carbides, which adversely affects ductility.
Silizium unterdrückt die Bildung von harten und in der Zerspanung abrasiven Fe3C-Ausscheidungen (Zementit). Die gewählte Siliziumkonzentration erlaubt eine einstündige Anlassbehandlung bei 400°C, ohne dass sich grobe Zementitausscheidungen bilden können (in Anlehnung an die Beschreibung des karbidfreien Bainits in
Durch die untere Begrenzung in Mangan auf 1.20 Gew.-% und Chrom auf 0.70 Gew.-% wird sichergestellt, dass bei Luftabkühlung ein bainitisches Gefüge aus der Umformhitze entstehen kann.The lower limit in manganese to 1.20% by weight and chromium to 0.70% by weight ensures that a bainitic structure can be produced from the forming heat when the air cools down.
Bei einem zu hohen Mangangehalt werden die Manganseigerungen ausgeprägt und das Gefüge wird sehr inhomogen. Aus diesem Grund muss der Mangangehalt auf 1.70 Gew.-% begrenzt werden.If the manganese content is too high, the manganese segregations are pronounced and the microstructure becomes very inhomogeneous. For this reason, the manganese content must be limited to 1.70 wt .-%.
Chrom schnürt das Bainitgebiet ein, was die Bildung von Martensit begünstigt. Aus diesem Grund muss der Chromgehalt auf 1.60 Gew.-% begrenzt werden.Chromium constricts the bainite area, which favors the formation of martensite. For this reason, the chromium content must be limited to 1.60 wt .-%.
Falls der Stahl im Temperaturbereich zwischen 250 und 600°C angelassen werden soll, kann Molybdän legiert werden, um eine mögliche Anlassversprödung zu unterdrücken. Die Ausscheidung von Eisenkarbiden an den Primärkorngrenzen und einen damit verbundenen Zähigkeitsverlust kann so verhindert werden. Aus Kostengründen ist der Molybdängehalt so niedrig wie notwendig zu wählen: bis 0.3 Gew.-% Molybdän.If the steel is to be tempered in the temperature range between 250 and 600 ° C, molybdenum can be alloyed to suppress possible temper embrittlement. The precipitation of iron carbides at the primary grain boundaries and a related loss of toughness can thus be prevented. For reasons of cost, the molybdenum content should be as low as necessary: up to 0.3% by weight of molybdenum.
Nickel verbessert die Kerbschlagzähigkeit und wirkt sich deshalb negativ auf die Zerspanbarkeit aus. Deshalb wird der Nickelgehalt auf 0.30 Gew.-% begrenzt.Nickel improves notched impact strength and therefore has a negative impact on machinability. Therefore, the nickel content is limited to 0.30 wt .-%.
Schwefel ist ein Stahlschädling. Es bildet Mangansulfidausscheidungen und schwächt das Gefüge. Dies wirkt sich bei dynamisch belasteten Bauteilen negativ auf die Ermüdungsfestigkeit aus. Aus diesem Grund wurde der Schwefelgehalt auf 0.03 Gew.-% begrenzt.Sulfur is a steel pest. It forms manganese sulfide precipitates and weakens the microstructure. This has a negative effect on the fatigue strength of dynamically loaded components. For this reason, the sulfur content was limited to 0.03 wt .-%.
Die Zugabe von Aluminium ist für die erfindungsgemässe Herstellung des Produkts nicht zwingend. Falls eine spätere Wärmebehandlung des Produkts, z.B. eine Einsatzhärtung zur Einstellung einer verschleissfesten Oberfläche, notwendig ist, dann kann die Austenitkornstabilität über eine Aluminiumzugabe gewährleistet werden. In diesem Fall sind Aluminiumgehalte von 0.02 bis 0.04 Gew.% üblich.The addition of aluminum is not mandatory for the production of the product according to the invention. If a subsequent heat treatment of the product, e.g. case hardening is necessary to set a wear-resistant surface, then austenite grain stability can be ensured by adding aluminum. In this case, aluminum contents of 0.02 to 0.04 wt.% Are common.
Phosphor ist ein Stahlschädling. Es geht an die Austenitkorngrenzen und schwächt das Gefüge. Dies wirkt sich bei dynamisch belasteten Bauteilen negativ auf die Ermüdungsfestigkeit aus. Aus diesem Grund wurde der Phosphorgehalt auf 0.03 Gew.-% begrenzt.Phosphorus is a steel pest. It goes to the Austenitkorngrenzen and weakens the structure. This has a negative effect on the fatigue strength of dynamically loaded components. For this reason, the phosphorus content was limited to 0.03 wt .-%.
Kupfer ist ein Stahlschädling. Bei hohen Kupfergehalten kommt es in der Warmumformung zu Rotbrüchigkeit. Aus diesem Grund ist der Kupfergehalt auf 0.25 Gew.-% begrenzt.Copper is a steel pest. At high copper contents, red brittleness occurs in hot forming. For this reason, the copper content is limited to 0.25 wt .-%.
Harte Oxid- oder Nitrideinschlüsse wirken sich ab einer gewissen Grösse negativ auf die Zerspanbarkeit aus. Insbesondere Titan (Titanoxide und grobe Titankarbonitride) und Aluminium (harte Al2O3-Verbindungen) verschlechtern sowohl die Zerspanbarkeit wie die Lebensdauer von dynamisch belasteten Bauteilen. Bei Niob und Vanadium muss ebenfalls von einer negativen Wirkung ausgegangen werden. Die mikrolegierungselemente Titan, Aluminium, Niob und Vanadium werden deshalb auf 0.01 Gew.-% begrenzt.Hard oxide or nitride inclusions have a negative effect on the machinability above a certain size. In particular titanium (titanium oxides and coarse titanium carbonitrides) and aluminum (hard Al 2 O 3 compounds) deteriorate both the machinability and the life of dynamically loaded components. For niobium and vanadium, a negative effect must also be assumed. The microalloying elements titanium, aluminum, niobium and vanadium are therefore limited to 0.01% by weight.
Bor wird bei den bainitischen Stählen in der Regel legiert, um die Bildung von Ferrit zu unterdrücken. Damit das Bor in diesem Sinne wirksam ist, muss der im Stahl vorhandene Stickstoff mit Titan abgebunden werden. Da die Zugabe von Titan zu vermeiden ist, kann dieses Legierungskonzept hier nicht angewendet werden. Bor wird deshalb nur in Spuren bis 0.001 Gew.-% vorhanden sein.Boron is usually alloyed with bainitic steels to suppress the formation of ferrite. For the boron to be effective in this sense, the nitrogen present in the steel must be bound with titanium. Since the addition of titanium is to be avoided, this alloy concept can not be used here. Boron will therefore be present only in traces to 0.001 wt .-%.
Dem erfindungsgemäss hergestellten blanken bainitischen Langprodukt wird kein Aluminium zugegeben. In Kombination mit einem hohen Siliziumgehalt und einer geringen Kalziumzugabe am Ende der metallurgischen Behandlung sollen gemäss Anspruch 2 Oxideinschlüsse mit einem Al2O3-Gehalt von < 50% eingestellt werden. Vorzugsweise wird die metallurgische Behandlung so vorgenommen, dass weiche, glasartige Silikateinschlüsse mit folgenden relativen Gewichtsanteilen entstehen: 20 bis 50% CaO, 25 bis 65% SiO2 und weniger als 30% Al2O3. Die Werkzeugstandzeit der in der Zerspanung eingesetzten Werkzeuge wird dann deutlich verlängert.No aluminum is added to the bare bainitic long product produced according to the invention. In combination with a high silicon content and a low calcium addition at the end of the metallurgical treatment according to claim 2 oxide inclusions should be set with an Al 2 O 3 content of <50%. Preferably, the metallurgical treatment is carried out so that soft, glassy silicate inclusions are formed with the following relative proportions by weight: 20 to 50% CaO, 25 to 65% SiO 2 and less than 30% Al 2 O 3 . The tool life of the tools used in machining is then significantly extended.
Stickstoff geht an die Austenitkorngrenzen und schwächt das Gefüge. Dies wirkt sich bei dynamisch belasteten Bauteilen negativ auf die Ermüdungsfestigkeit aus Aus diesem Grund wurde der Stickstoffgehalt auf 0.0150 Gew.-% begrenzt.Nitrogen reaches the austenite grain boundaries and weakens the microstructure. This has a negative effect on the fatigue strength of dynamically loaded components. For this reason, the nitrogen content was limited to 0.0150% by weight.
Vor der weiteren Bearbeitung des blanken bainitischen Langprodukts kann eine Wärmebehandlung bis 2 Stunden bei 300 bis 600°C gemäss Anspruch 8 sinnvoll sein. Durch die Kaltverfestigung eingebrachte Spannungen werden dadurch abgebaut.Before further processing of the bare bainitic long product, a heat treatment up to 2 hours at 300 to 600 ° C according to claim 8 may be useful. Tensions introduced by strain hardening are thereby reduced.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, dabei zeigt:
- Fig. 1
- die Ergebnisse für die Werkzeugstandzeit bei zwei Werten der Werkstofffestigkeit Rm in Abhängigkeit des Streckgrenzenverhältnisses Rp0.2/Rm.
- Fig. 1
- the results for the tool life at two values of the material strength Rm as a function of the yield ratio Rp0.2 / Rm.
Im Rahmen eines Ausführungsbeispiels wurde eine Stahlschmelze "Stahl 1" vergossen und anschliessend zu Stabstahl gewalzt. Die Herstellung der Stahlschmelze erfolgte nach dem Elektrostahl-Verfahren mit einer sekundärmetallurgischen Behandlung an einem Pfannenstand und anschliessendem Vergiessen zu 150x150 mm2-Knüppeln in einer kontinuierlichen Stranggussanlage. Die Knüppel wurden danach in einem Hubbalkenofen auf 1'150 bis 1'200°C wieder erwärmt und anschliessend zu Stabstahl in Durchmesser 043 mm gewalzt. Die Abkühlung der Stäbe nach der Walzung erfolgte an Luft (Kühlrate ca. 1.0 K/s).In one embodiment, a steel melt "
In der Blankstahlfertigung wurden die Stäbe zur Entfernung der Eisenoxidhaut kugelgestrahlt. Danach wurden die Stäbe entweder bei Raumtemperatur oder im Temperaturbereich zwischen 350 und 450°C durch einen mehrstufigen Ziehstein auf das Endmass von 040 mm gezogen und in einer Zweiwalzen-Richtmaschine gerichtet. Die abschliessende konduktive Erwärmung bei 350 resp. 500°C diente zur Abbau von verformungsinduzierte Oberflächenspannungen.In the bright steel production, the rods were shot peened to remove the iron oxide skin. Thereafter, the rods were either drawn at room temperature or in the temperature range between 350 and 450 ° C by a multi-stage die to the final dimension of 040 mm and directed in a two-roll straightening machine. The final conductive heating at 350 resp. 500 ° C was used to reduce deformation-induced surface tensions.
Die Zerspanbarkeit der gefertigten Varianten wurde in einem Standardtest am ISF in Dortmund geprüft. Als Versuchsproben kamen beidseitig plangedrehte und einseitig zentriergebohrte Stäbe mit einer Länge von 190 mm zum Einsatz. Die Versuche liefen unter Emulsion vom Typ Bechern Avantin 3309 mit einer Konzentration von ca. 6-8%. Das Drehwerkzeug (CNMG120404-PF4215) wurde so ausgewählt, dass mit dem Standardstahl 42CrMo4+QT (bei Rm ≈ 1'000 MPa) eine industriell übliche Bearbeitungszeit von 18 min ermöglicht werden, ohne das ein Verschleißmarkenbreitekriterium von VBmax ≤ 300 µm verletzt wird. Bei einem Vorschub f von 0.3 mm/U und einer Schnitttiefe ap von 1 mm betrug die Schnittgeschwindigkeit 200 m/minThe machinability of the manufactured variants was tested in a standard test at the ISF in Dortmund. The test specimens used were double-turned and one-sided center bored rods with a length of 190 mm. The tests were carried out under the type Becher Avantin 3309 emulsion with a concentration of about 6-8%. The turning tool (CNMG120404-PF4215) was selected to allow the standard steel 42CrMo4 + QT (at Rm ≈ 1'000 MPa) to have an industrially common machining time of 18 minutes without violating a wear mark width criterion of V Bmax ≤ 300 μm. At a feed f of 0.3 mm / rev and a cutting depth a p of 1 mm, the cutting speed was 200 m / min
Da sich die Zerspanbarkeit mit steigender Werkstofffestigkeit Rm abnimmt (die Werkzeugstandzeit verkürzt sich), macht ein vergleichender Test nur bei konstanter Werkstofffestigkeit Sinn. Bei vorgegebener Stahlzusammensetzung lassen sich durch die Variation der Produktions- und Wärmebehandlungsparameter jedoch nicht beliebige Kombinationen von Zugfestigkeit Rm und Streckgrenzenverhältnis Rp0.2/Rm einstellen. Aus diesem Grund wurden die hergestellten Varianten mit dem Stahl 2 und mit aus der Literatur bekannten Referenzstählen Stahl 3 und Stahl 4 verglichen, die ebenfalls am ISF in Dortmund mit demselben Testverfahren charakterisiert worden waren.As the machinability decreases with increasing material strength Rm (the tool life is shortened), a comparative test only makes sense with constant material strength. However, given a given steel composition, it is not possible to adjust any combination of tensile strength Rm and yield ratio Rp0.2 / Rm by varying the production and heat treatment parameters. For this reason, the manufactured variants were compared with the steel 2 and with reference steels known from the literature steel 3 and steel 4, which had also been characterized at the ISF in Dortmund by the same test method.
Tabelle 1 zeigt die Stahlzusammensetzungen, die für diesen Vergleich verwendet wurden. Die Zusammensetzung der vorhandenen oxidischen Einschlüssen wurden im Rasterelektronenmikroskop mit EDX analysiert. Die mittlere Zusammensetzung (bei 2'222 gemessene Einschlüssen) im normierten Dreistoffsystem CaO-Al2O3-SiO2 war CaO = 46.3%, Al2O3 = 27.9%, SiO2 = 25.8%.Table 1 shows the steel compositions used for this comparison. The composition of the existing oxide inclusions was analyzed by scanning electron microscope with EDX. The average composition (inclusions measured at 2222) in the normalized ternary system CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 was CaO = 46.3%, Al 2 O 3 = 27.9%, SiO 2 = 25.8%.
Die Gefügebestandteilen von Stahl 1 wurden quantitativ im Rasterelektronenmikroskop (für Bainit und Ferrit) und im Röntgendiffraktometer (für Restaustenit) bestimmt. Innerhalb der Messgenauigkeit sind die Unterschiede der drei Varianten gering. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 für die verschiedenen Wärmebehandlungen dargestellt. Bei Stahl 2 liegt ein 100%-iges Vergütungsgefüge (angelassener Martensit) vor. Die Stähle 3 und 4 weisen ähnlich wie Stahl 1 ein Mischgefüge aus Bainit, Martensit und Restaustenit auf.
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse für die Werkzeugstandzeit bei einer ausgewählten Werkstofffestigkeit von Rm = 1'230 ± 30 MPa. Die Korrelation zwischen Streckgrenzenverhältnis Rp0.2/Rm und Werkzeugstandzeit wurde überraschend festgestellt. Durch Erhöhung des Rp0.2/Rm-Verhältnisses konnte die Werkzeugstandzeit mehr als verdoppelt werden.
Für eine Überprüfung dieses Zusammenhangs bei Rm = 1'165 MPa standen nur zwei Stahlvarianten zur Verfügung (Tabelle 4). Da sich der Verschleiss aufgrund der tieferen Festigkeit langsamer einstellt, wurde das Kriterium für die Verschleissmarkenbreite auf 200 µm reduziert. Die Gegenüberstellung zeigt, dass bereits bei einem Rp0.2/Rm-Verhältnis von 0.88 deutlich besserer Werkzeugstandzeiten erreicht werden.
Die Ergebnisse aus den Tabellen 2 und 3 sind in der
Claims (7)
und Vergiessen zu einer Form vordefinierten Formates;
and casting into a form of predefined format;
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