SK13272002A3

SK13272002A3 - Tenkostenný oceľový konštrukčný diel a spôsob jeho výroby

Info

Publication number: SK13272002A3
Application number: SK1327-2002A
Authority: SK
Inventors: Hans-Toni Junius
Original assignee: C. D. W�Lzholz Produktionsgesellschaft Mbh
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2003-07-01
Also published as: HUP0300086A2; US6953627B2; EP1263540B1; DE10011758A1; DE50102738D1; AU2372701A; MXPA02008871A; BR0109190B1; CA2404361C; DE10011758C2; CA2404361A1; ATE270163T1; WO2001068293A1; HU225711B1; SK286356B6; US20030029530A1; BR0109190A; CZ303019B6; ES2223770T3; CZ20023038A3

Description

Oblasť techniky ' ,

Vynález sa týka tenkostenného oceľového konštrukčného dielu s jadrovou vrstvou a okrajovými vrstvami. Vynález sa ďalej týka spôsobu výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu s jadrovou vrstvou a okrajovými vrstvami.

Doterajší stav techniky

Tenkostenné oceľové konštrukčné diely o hrúbke steny menej než 4 mm, pre ktoré sa požaduje obzvlášť vysoká odolnosť proti namáhaniu, napríklad pri konštrukcii strojov a vozidiel, sa najskôr za tepla a/alebo za studená tvárnia, trieskovo alebo netrieskovo obrábajú a následne zušľachťujú tepelným spracovaním, martenziticky alebo bainiticky sa zušľachťujú. Z prekalujúcej sa ocele vzniká pritom konštrukčný diel s rovnomernou vysokou tvrdosťou, prebiehajúcou cez celý prierez, ktorý má však nepatrnú húževnatosť. Priaznivá kombinácia povrchov odolných proti opotrebeniu, s vysokou húževnatosťou v jadrovej zóne, sa dosahuje použitím cementačných ocelí. Spracovaním pomocou cementácie v termochemickom procese sa vytvárajú zušľachtené tvrdé okrajové vrstvy, zatial čo jadrová vrstva si ďalej zachováva svoju vysokú húževnatosť. Proti výhodným úžitkovým vlastnostiam však stojí relatívne nákladný výrobný spôsob. Vplyvom relatívne dlhej doby cementovania, napríklad 180 minút pri 850-950 °C, a nasledovného prudkého ochladenia v olejovom kúpeli alebo v prúde plynu je totiž deformácia spôsobená kalením nevyhnutelná. Tá spôsobuje rozmerové a tvarové

-2odchýlky, ktoré vyžadujú nákladné ďalšie práce, ktoré značne zvyšujú výrobné a obstarávacie náklady. Okrem toho vznikne relatívne hrubá štruktúra tvrdenia, ktorá má austenitickú velkosť zŕn podlá normy DIN 50601 napríklad 5 alebo 6. Tým vzniká sklon k vytváraniu trhliniek na hraniciach medzi zrnami na medzikryštalických hraniciach zŕn. Ako náhrada cementovania je ďalej známe použitie navalcovaním plátovanej ocele, pričom sa spolu valcujú dva alebo viac legovaných pásov alebo tabuli, výhodne z pásovej ocele valcovanej za studená. Vplyvom tlaku a teploty sa spolu jadrové a okrajové vrstvy z rozdielne legovaných ocelí na svojich povrchoch vo valcovacej medzere vnútorne spájajú. Nasledovným žíhaním vzniká vplyvom difúznych procesov kovové spojenie. Takýto spôsob plátovania navalcovaním sa napríklad uvádza v spise DE 4137118. Tým však vzniká strmý, skokový prechod medzi rozdielnymi materiálovými vrstvami. Prechod tvrdosti medzi zušľachtenými a nezušlachtenými vrstvami je preto rovnako adekvátne strmý, takže na základe gradientov napätia, vyvolaných zaťažením, musia byť zhotovované relatívne silné okrajové vrstvy. Vplyvom relatívnych napätí existuje na hraničnej ploche naviac nevyhnutelne latentné nebezpečie, že sa okrajové zóny pri namáhaní prekročením medze prieťažnosti v spojovacej oblasti odlúpnu. Tejto nevýhode sa môže čeliť, ako už bolo vyššie zmienené, len silnejšie dimenzovanými okrajovými vrstvami, čo však zase vedie k nežiadúcej vyššej hrúbke steny konštrukčných dielov a naviac sťažuje ich výrobu. Ďalej už bolo v spise DE 19631999 pre výrobu vrstvových plechov navrhnuté zlievať v zariadení pre plynulé liatie jadrové a okrajové vrstvy spolu. Tým sa má zhotoviť ocelový vrstvový materiál. Problematika pri výrobe rozdielne zušľachtených, poprípade tvrdených vrstiev, sa však nevyrieši. Obdobný spôsob plynulého

-3liatia sa uvádza v spise DE 3346391, pri ktorom sa rovnako vrstvené plechy zapúšťajú do taveniny. Problematika pri realizácii rozdielne zušľachtených, poprípade tvrdených vrstiev, sa v ňom rovnako nerieši. Uvedené spôsoby plynulého liatia, poprípade zariadenia pre plynulé liatie, sú naviac zrejme vhodné len na výrobu relatívne silných ploštín, poprípade plechov, a nie na výrobu tenkostenných konštrukčných dielov. Podobne sa postupuje so stavom techniky, vyplývajúcim zo spisu US 3,457,984. Ten sa vzťahuje len na to, obaliť odlievaný zliatok zo zariadenia pre plynulé liatie plechom. Zo spisov DE 19515007 a DE 19850213 sú známe spôsoby a nimi vyrobené tenké kovové pásy, pri ktorých sa materiál jadra z lacného materiálu lejacím spôsobom, odlieva s tenkými kovovými pásmi po vrstvách na kompozitný materiál, pričom sa tenké kovové pásy používajú na výrobu proti korózii odolných a/alebo najmä hladkých vonkajších vrstiev. Tiež tu nie je uvedené nasledovné spracovanie, čo sa týka regulácie iných vlastností kompozitného materiálu. Cieľom vynálezu je odstránenie nevýhod doterajšieho stavu techniky. Cieľom vynálezu je ďalej zabezpečiť racionálny spôsob výroby tenkostenných konštrukčných dielov z ocele s rozdielnymi pevnostnými vlastnosťami a/alebo tvrdosťou. Ďalej má byť vytvorený konštrukčný diel s vrstvami.s rozdielnymi vlastnosťami týkajúcimi sa pevností a/alebo tvrdostí, ktorý môže byť vyrábaný s nižšími nákladmi než doteraz.

Podstata vynálezu

Nedostatky doterajšieho stavu techniky podstatnou mierou odstraňuje a ciel vynálezu spĺňa tenkostenný oceľový konštrukčný diel s jadrovou vrstvou a okrajovými vrstvami,

-4ktorý je podľa vynálezu tvorený za studená tvárneným viacvrstvovým kompozitným materiálom s premennými vlastnosťami

I týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti, pričom buď okrajové vrstvy alebo jadrová vrstva majú zmenené vlastnosti týkajúce sa pevnosti a/alebo tvrdosti. Podľa výhodného prevedenia martenziticky tvrdené okrajové vrstvy so zmenenými vlastnosťami týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti majú vyšší obsah uhlíku, než jadrová vrstva, pričom priebeh gradientu uhlíka medzi vrstvami je plochý. Podlá ďalšieho výhodného prevedenia zmenenej okrajovej vrstvy majú jemnozrnnú štruktúru odolnú proti opotrebeniu a vzhľadom na nezmenenú jadrovú vrstvu väčšiu húževnatosť a menšiu náchylnosť na mikrotrhliny. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia hrúbka steny konštrukčného dielu je menšia, než 4 mm. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia gradient uhlíka je rozložený aspoň na 0,1 mm hrúbky steny konštrukčného dielu. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia gradient uhlíka je rozložený na 10 až 30 % hrúbky steny konštrukčného dielu. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia vrstvy so zmenenými vlastnosťami týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti tvoria v reze steny 10 až 50 % hrúbky steny konštrukčného dielu. Podlá ďalšieho výhodného prevedenia oblasť gradientu legovania je širšia, než 0,1 mm. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia gradient legovania zaberá 10-25 % hrúbky steny konštrukčného dielu. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia jadrové a okrajové vrstvy zahŕňajú nekorodujúce vrstvy so zmenenými vlastnosťami týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti. Nedostatky doterajšieho stavu techniky podstatnou mierou odstraňuje a ciel vynálezu spĺňa spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu s jadrovou vrstvou a okrajovými vrstvami podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že sa jadrová a okrajové vrstvy z rozdielne

-5spracovatelných legovaných ocelí spájajú liatím do jedného viacvrstvového kompozitného materiálu s plocho prebiehajúcim gradientom legovania na hraničných plochách', kompozitný materiál sa tvárni na rozmer tenkostenných konštrukčných dielov a konštrukčné diely sa tepelne spracovávajú pre dosiahnutie rozdielnych vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti vrstiev z rozdielne spracovateľných legovaných ocelí. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti sa vykonáva martenzitickým kalením rozdielne martenziticky kaliteľných vrstiev. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia vlastnosti týkajúce sa pevnosti a/alebo tvrdosti sa menia pri vrstvách z viac legovanej ocele, pričom pri vrstvách z menej legovanej ocele sa zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti nevykonáva. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia na výrobu kompozitného materiálu okrajových vrstiev sa rovnobežne s odstupom voči sebe usporiadajú ploštiny z martenziticky kaliteľnej ocele a medzi nimi sa nachádzajúca jadrová vrstva sa odlieva roztavenou oceľou s menším obsahom uhlíka. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia ploštiny z martenziticky kaliteľnej ocele sa z vonkajška chladia. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia ploštiny z martenziticky kaliteľnej ocele sa privádzajú ako pásová oceľ na okraj lejacej medzery plynulo pracujúceho lejacieho zariadenia. Podlá ďalšieho výhodného prevedenia tvárnenie kompozitného materiálu sa vykonáva valcovaním. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti vrstiev sa vykonáva pomocou krátkodobého tepelného spracovania. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia kompozitný materiál sa mäkko žíha a následne sa tvárni na konštrukčné diely. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia na mieru tvárnený kompozitný materiál sa

-6podrobí tepelnému spracovaniu pre martenzitické kalenie vrstiev a zmenu pevnosti a/alebo tvrdosti. Podlá ďalšieho výhodného prevedenia sa vykoná lokálne obmedzená zmena , vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti vrstiev. Podľa ďalšieho výhodného prevedenia martenzitická zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti sa vykonáva priechodzím spôsobom. Podlá ďalšieho výhodného prevedenia plynulé liatie sa vykonáva pomocou pevnej priechodzej kokily. Podlá ďalšieho výhodného prevedenia plynulé liatie sa vykonáva v lejacom zariadení s rotujúcimi chladenými valcami vymedzujúcimi lejaciu medzeru. Podľa spôsobu výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu s jadrovou vrstvou a okrajovými vrstvami podľa vynálezu sa jadrové a okrajové vrstvy z oceľových materiálov s rozdielnymi vlastnosťami, týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti, totiž najmä rozdielnych martenzitických cementačných vlastností, spolu skombinujú tak, že vzniknú tenkostenné konštrukčné diely, ktoré v sebe spájajú príslušného výhody cementovania a plátovania navalcovaním. Vzhľadom na vlastnosti, týkajúce sa pevnosti a/alebo tvrdosti kompozitného materiálu, sa tepelným spracovaním podľa vynálezu vytvára rozdelenie pevnosti, ktoré je zrovnateľné s priebehom cementácie považovaným všeobecne za obzvlášť výhodný. Na rozdiel od cementovania nedochádza však pri spôsobe podľa vynálezu k prakticky žiadnej deformácii, takže sa poskytne precízny, rozmerovo a tvarovo presný konštrukčný diel, bez toho aby boli vyžadované korekcie rozmerov. Ďalej sa podľa vynálezu zadaným, plochým gradientom legovania, zabraňuje na hraničných plochách medzi vrstvami vytváraniu vnútorných materiálových vrubov, ktoré sú pri plátovaní navalcovaním, ako už bolo uvedené vyššie, nevyhnutelné. Vďaka takto optimalizovanému gradientu tvrdosti

-ΊΑ pevnosti už nevzniká žiadne nebezpečie, že sa okrajové vrstvy vplyvom prekročenia medze prieťažnosti v spojovacej oblasti, teda na hraničnej ploche, pri vysokom záťažovom napätí odlúpnu. Výhodne sa jednotlivé vrstvy z legovaných ocelí vytvárajú s rozdielnymi martenzitickými cementačnými vlastnosťami, to znamená rozdielnymi obsahmi uhlíka, chrómu a mangánu, pričom dochádza k nasledujúcej regulácii vlastností, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, martenzitickým alebo bainitickým tepelným spracovaním, to znamená tepelným spracovaním s krokmi ohrievania - prudké ochladzovanie popúšťanie. Jednotlivo vznikajú vrstvy, regulovateľné vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, z viac legovanej ocele, to znamená ocele s väčším obsahom uhlíka, i vrstvy, vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, neregulovateľné. V oblasti plocho prebiehajúceho gradientu legovania sa v tomto prípade realizuje adekvátne plocho prebiehajúci gradient uhlíka. Táto prechodová zóna medzi vrstvami, obsahujúcimi viac uhlíka, a vrstvami, obsahujúcimi menej uhlíka, sa pri hrúbke steny konštrukčných dielov menej než 4 mm rozprestiera cez menej než 20 %, výhodne menej než 15 % hrúbky steny. V každom prípade je oblasť plochého gradientu legovania, poprípade uhlíka, širšia než 0,1 mm, teda o viac než o rádovú veľkosť širšiu než u známych spôsobov plátovania navalcovaním. Výhodne tvoria vrstvy, regulovateľné vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, okrajové vrstvy konštrukčných dielov, ktoré sú tak povrchovo tvrdené a získajú priebeh tvrdosti, ktorý sa približne vyrovná cementovaniu. Nevýhode cementovania, že na základe dlhých dôb postátia v okrajových zónach vznikne relatívne hrubá štruktúra zŕn, ktorá vedie ku zvýšenej náchylnosti na mikrotrhliny, sa však usporiadaním

-8vrstiev podľa vynálezu zabráni. Vplyvom relatívne malých dôb postátia vznikne totiž v okrajových vrstvách rovnako jemnozrnná štruktúra, odolná proti opotrebeniu, s vysokou húževnatosťou v okrajovej zóne, ktorá vedie k obzvlášť malej náchylnosti na mikrotrhliny. Výhodne sa dajú spôsobom podlá vynálezu vyrábať konštrukčné diely s hrúbkou steny menšou než 4 mm. Z hrúbky steny majú vrstvy, regulovateľné vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, to znamená martenziticky tvrdené vrstvy, podiel prierezu približne 10 % až 50 %. Alternatívne môže byť tiež jadrová vrstva konštrukčných dielov regulovateľná vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, napríklad tvrdená, zatiaľ čo okrajové vrstvy pozostávajú z legovaných ocelí, vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, neregulovatelných, alebo nehrdzavejúcich ocelí. Vrstvy, vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, regulovateľné, z materiálov ako je napríklad C 55, C 67 alebo iné ocele EN, 100 Cr 6 alebo X 20 Crl3, X 35 CrMo 17, tvoria výhodne okrajové vrstvy, zatial čo jadrové vrstvy pozostávajú z materiálov, vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, neregulovatelných, ako je napríklad DC 01 alebo C 10. Pre určité použitia môžu však vrstvy, vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, regulovateľné, rovnako tvoriť jadrové vrstvy, napríklad jadro pružinovej ocele z C 60, C 67 alebo C 75, zatial čo okrajové vrstvy pozostávať z dobre tvárnych ocelí, ako je napríklad C 10 alebo DC 01, alebo i z ocelí odolných proti hrdzaveniu, ako je X 5 CrNi 1810. Gradient legovania podľa vynálezu medzi okrajovými a jadrovými vrstvami sa môže vytvoriť tým, že na výrobu kompozitného materiálu sú pre okrajové vrstvy

-9rovnobežne s odstupom voči sebe usporiadané ploštiny z martenziticky kalitelnej ocele, a medzi nimi nachádzajúca sa jadrová vrstva sa odlieva roztavenou oceľou s menším obsahom uhlíka. Na vytváranie okrajových vrstiev sa používa napríklad pásová ocel valcovaná za studená alebo povrchovo upravená pásová ocel valcovaná za tepla s vopred daným chemickým zložením, najmä vysokým obsahom uhlíka. V roztavenom stave medzi nich vlievaným jadrovým materiálom, ktorý má menší obsah uhlíka, dochádza k lokálnemu nataveniu ploštín na hraničných plochách materiálu, čím sa na základe difúznych procesov vytvorí plochý gradient legovania, poprípade uhlíka, s hĺbkou približne 0,1 - 0,3 mm. Tieto vlastnosti sa dosiahnu spojením podľa vynálezu pomocou lejacieho spôsobu, poskytujúceho rozmery blízke konečným. Výhodne sa ploštiny pomocou lejacích kolies, poprípade lejacích kokíl, pri vlievaní roztaveného jadrového materiálu z vonkajška chladia. Tým môže byť len pri tenkých ploštinách riadená šírka gradientu legovania tak, že leží v rozsahu 0,1 mm a pritom tvorí až 10 % celkového prierezu. Obzvlášť výhodné je to, že sa ploštiny do plynulo pracujúceho lejacieho zariadenia privádzajú ako pásová oceľ ku okraju lejacej medzery. Alternatívne môže byť lejacie zariadenie zariadením na plynulé liatie s pevnou priechodzou kokilou alebo byť na vykonávanie plynulého lejacieho valcovacieho procesu vybavené rotujúcimi valcami (lejacími kolesami), vymedzujúcimi lejaciu medzeru. Podľa vynálezu sa pás, ktorý tvorí okrajové vrstvy, zavádza pozdĺž valcov alebo medených vrstiev na okraji taveniny do lejacej medzery. Aspoň na svojich vnútorných stranách, kde sa vlieva tekutý jadrový materiál, musia byť pásy pomocou príslušného povrchového spracovania holé, bez okuj í a oxidov, ako i poprípade môžu byť zdrsnené. Aby sa podchytila nežiadúca oxidácia povrchu steny

- 10vplyvom ohrievania pri privádzaní do lejacej medzery, je výhodné vstupujúcu pásovú ocei, poprípade ploštiny, privádzať pri prikrýtí brániacom oxidácii. Výhodne ním môže byť ochranná atmosféra. Taký ochranný plynový zvon sa vytvára privádzaním inertných plynov, poprípade inertných plynných zmesí. Akonáhle tavenina jadrového materiálu príde do kontaktu s povrchom pásu, tak sa tento ohreje na viac než 950 °C, takže vplyvom difúzneho zvarenia taveniny s povrchom pásu vznikne kovové spojenie s podlá vynálezu plochým gradientom legovania. Pásom (oceľovým pásom valcovaným za tepla), tvoriacom okrajové vrstvy, sa teplo odovzdáva ďalej na medené valce alebo steny kokíl, takže sa pásy nenatavia úplne, čo by bolo nežiadúce. Dôsledok tohto lejacieho spojenia v rozsahu hrúbky steny, blízke konečným rozmerom, je rast lejacieho výkonu, pretože prebieha odvádzanie tepla pomocou ohrievania privádzaných okrajových vrstiev, to znamená že sa lejacia medzera chladí privádzaným studeným materiálom. Na vyššie uvedené odlievanie výhodne nadväzuje proces valcovania za tepla. Vplyvom pritom sa vyskytujúcich teplôt cez 950 °C sa na základe vysokého plošného stlačenia a tvárnenia zabezpečí, že sa bezpečne dosiahne úplné zvarenie vrstiev spôsobom, o ktorý usiluje daný vynález, a síce i vtedy, pokial by malo byť kovové spojenie pri kontakte taveniny s povrchom pásu nedostatočné. Neskôr sa potom vytvorí plochý gradient prechodu materiálu medzi vrstvami, ktorý leží v rozsahu 0,1 mm. Povrch valcovaného materiálu získa stav bez bodovej korózie a s málo okujami, bez operácií s plameňom a ďalších dokončovacích operácií. Následne sa kompozitný materiál pomocou valcovania za tepla a/alebo za studená vyvalcuje so stupňom vyvalcovania spravidla viac než 30 % na hrúbku 1 až 5 mm. Výhodne sa nadväzujúcim valcovaním za studená vykonáva konečné, rozmerovo stále tvárnenie na

- 11 hrúbku steny konštrukčných dielov, ktorá leží v rozsahu až 4,0 mm, pričom povrch má najmenšie korekčné hĺbky a nízku poréznosť, čo je predpokladom pre neskoršie použitie vysoko namáhaných konštrukčných dielov, napríklad konštrukčných dielov strojov. Rovnako môže byť na konečné tvárnenie potrebné viacnásobné valcovanie za studená s vloženým žíhaním. Pred ďalším spracovaním ohýbaním, razením alebo podobným spôsobom sa kompozitný materiál, valcovaný na mieru, podrobuje výhodne rekryštalizačnému, poprípade mäkkému žíhaniu na približne 730 °C. V tomto mäkko vyžíhanom stave sa kompozitný materiál dobre hodí na tvárnenie za studená, napríklad konštrukčných dielov strojov. Na záver sa kompozitný materiál, tvárnený na mieru, podrobuje pre reguláciu svojich vlastností, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, tepelnému spracovaniu, pri ktorom sa vykonáva martenzitické kalenie zušlachtiteľných vrstiev. Pomocou samo o sebe známeho sledu spôsobových krokov ohrievanie - prudké ochladzovanie - popúšťanie, sa rozdielne kaliteľné vrstvy, napríklad okrajové vrstvy, martenziticky tvrdia, zatial čo menej legované oblasti majú menšiu tvrdosť, a ďalej si zachovávajú svoju húževnatosť. Čiastočným tepelným spracovaním, napríklad pomocou ožarovania laserovými alebo elektrónovými lúčmi, sa môže vykonávať lokálne obmedzené regulovanie vlastností, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, to znamená kalenie. Alternatívne sa môže vykonávať regulovanie vlastností, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, v krátkodobom priechodzom spôsobe, výhodne v peci s ochranným plynom. To umožní obzvlášť racionálnu výrobu funkčne optimalizovaného pásového materiálu a konštrukčných dielov. Obzvlášť výhodné možnosti použitia má tenkostenný konštrukčný diel z ocele, vyrobený podlá vyššie uvedeného spôsobu, s mäkkou jadrovou vrstvou a martenziticky tvrdenými

- 12okrajovými vrstvami, ktorý sa skladá zo za studená tvárneného, kaleného viacvrstvového kompozitného materiálu, ktorý má martenziticky tvrdené okrajové vrstvy s vysokým obsahom uhlíka, a relatívne k nim jadrovú vrstvu s menším obsahom uhlíka, pričom gradient uhlíka medzi vrstvami prebieha plocho. Tento konštrukčný diel podľa vynálezu sa vyznačuje tým, že sa, čo sa týka priebehu tvrdosti a rozdelenia pevnosti, blíži cementovanému oceľovému konštrukčnému dielu. Použitím viacvrstvového kompozitného materiálu z rozdielne martenziticky kaliteľných vrstiev však môžu byť pritom zadané materiálové vlastnosti, ktoré nie sú inými spôsobmi kalenia dosiahnuteľné. Vďaka plochej prechodovej zóne je dané prispôsobenie porovnávacích napäťových podmienok priebehu napätia pri záťaži v prierezu. Adekvátne vyplýva racionálna výroba pri optimálnych funkčných vlastnostiach, ako je povrch bez pórov a karbónových usadenín, bez okrajovej oxidácie hraníc medzi zrnami, s austenitickou veľkosťou zŕn jemnejšou než 8 podľa normy DIN 50601. Alternatívne môže mať konštrukčný diel tiež okrajové vrstvy, ktoré nie sú vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, regulovateľné, napríklad z nehrdzavejúcich legovaných ocelí, a zušľachtenú jadrovú vrstvu, napríklad z pružinovej ocele. Hrúbka steny konštrukčného dielu podľa vynálezu tvorí výhodne až 4,0 mm. Gradient uhlíka v prechodovej oblasti sa rozprestiera cez približne 10 až 30 % hrúbky steny, teda v každom prípade cez viac než 0,1 mm. Materiály pre okrajové a jadrové vrstvy sa výhodne prispôsobujú k sebe tak, že tvrdenie jadrovej vrstvy zodpovedá aspoň 30 % až 50 % tvrdenia okrajových vrstiev. Konštrukčný diel môže pozostávať z dvoch rozdielnych materiálov, napríklad z málo legovanej jadrovej vrstvy a vysoko legovaných okrajových vrstiev. Chemické

- 13 zloženie okrajových vrstiev však môže byť podľa potreby rovnako rozdielne, takže sú k dispozícii dokopy aspoň tri vrstvy s rozdielnymi materiálovými vlastnosťami. Tým sa dá t

dosiahnuť ďalšia zlepšená funkčná optimalizácia konštrukčných dielov, ako je ochrana proti korózii alebo tavná zvariteľnosť. Ďalej sa dá konštrukčnými dielmi podľa vynálezu realizovať asymetrické pruženie alebo samo sa nastavujúce pruženie, poprípade pružnosť.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je v nasledovnom bližšie popísaný a vysvetlený na príkladoch jeho prevedenia podľa pripojených výkresov, na ktorých znázorňuje obr.l prierez konštrukčným dielom podľa vynálezu a obr.2 schematický pohľad na lejacie zariadenie na výrobu pásového materiálu podľa vynálezu.

Príklady prevedenia

Obr. 1 znázorňuje rez za studená tvárneným, martenziticky v okrajových vrstvách tvrdeným konštrukčným dielom 1^. Je výhodne vytvorený z pásového materiálu s celkovou hrúbkou 5, ktorá leží v rozsahu 0,3 až 4,0 mm. Znázornený konštrukčný diel 1 sa skladá z oceľového vrstveného materiálu s viacerými vrstvami. Tie jednotlivo zahrňujú jadrovú vrstvu B z nízkouhlíkovej zliatiny a okrajové vrstvy A z martenziticky tvrdenej ocele s vyšším obsahom uhlíka. Jadrová vrstva B sa skladá napríklad z CklO, DC01, C 10, C 35 alebo C 53.

Vonkajšie okrajové vrstvy A sa skladajú napríklad z Ck67, C 55, C 67, alebo tiež 102 Cr6, X5 Cr Ni 1810 alebo podobných ocelí. Okrajové vrstvy A sa môžu zo svojej strany tiež skladať

- 14z legovaných ocelí s rôznymi štruktúrami. Osobitosť uvedeného konštrukčného dielu 1 spočíva v tom, že vrstvy v poradí okrajová vrstva A, jadrová vrstva B a okrajová vrstva A boli už spolu pred tvárnením za studená spôsobom podlá vynálezu spojené na konečný rozmer s celkovou hrúbkou 5, takže sú na hraniciach medzi vrstvami vytvorené široké prechodové zóny s gradientom G uhlíka, ktoré sú vyznačené šrafované a v ktorých sa vplyvom difúzie uhlíka vytvoril medzi vrstvovými materiálmi plochý gradient uhlíka, ktorý sa pohybuje v rozsahu viacej 1/10 mm. Celý konštrukčný diel _1 podľa obr.l, potom čo bol napríklad tvárnený za studená na konštrukčný diel stroja, bol podrobený martenzitickému procesu kalenia. Tým sú okrajové vrstvy A tvrdené, zatial čo jadrová vrstva B si zachovala relatívne veľkú húževnatosť. Vďaka podľa vynálezu plochému gradientu G uhlíka je na hraniciach medzi vrstvami plochý priebeh napätia, takže neexistuje žiadne nebezpečenstvo odlúpnutia okrajových vrstiev A od jadrovej vrstvy B, ako sa to napríklad stáva pri páse zhotovenom plátovaním navalcovaním podlá stavu techniky. Pri martenzitickom kalení nedochádza prakticky k žiadnej deformácii, to znamená k žiadnej nežiadúcej zmene tvaru a rozmeru, takže konštrukčný diel 1 môže byť už pred procesom kalenia uvedený na konečný rozmer s celkovou hrúbkou 5, a nie sú už potrebné žiadne dodatočné práce, tak ako je to treba pri stave techniky. Voľbou vrstvových materiálov sa však pritom dosiahne výhodný priebeh pevnosti a tvrdosti, ktorý je zrovnateľný s cementovaním alebo je dokonca lepší. Prekalenie okrajových vrstiev A u vrstvového materiálu podľa vynálezu môže byť totiž dosiahnuté krátkodobým tepelným spracovaním, teda s poznateľné kratšou dobou austenitizácie, než pri cementovaní. Tým získajú okrajové vrstvy A jemnozrnnejšiu štruktúru tvrdení, než aká by bola

- 15dosiahnutelná cementovaním. Prípadný vznik a rozvoj trhliniek nie je teda ovplyvňovaný medzikryštalicky, ale transkryštalicky, čo so sebou prináša značné zlepšenie húževnatosti a adekvátne zvýšenie životnosti. Alternatívne môže mať konštrukčný diel 1^ podlá vynálezu, znázornený na obr.l, tiež zušľachtenú jadrovú vrstvu B, ktorá bola hlavne martenziticky alebo bainiticky tvrdená, a relatívne k nej nezušľachtené, alebo menej zušľachtené okrajové vrstvy A, pričom konštrukčný diel 1^ sa skladá zo za studená tvárneného, vo svojich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, regulovateľného viacvrstvového kompozitného materiálu, ktorý má vo svojich vlastnostiach,.týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, regulovateľnú jadrovú vrstvu B s vysokým obsahom uhlíka, a relatívne k nej okrajové vrstvy A s nižším obsahom uhlíka, pričom zóna gradientu G uhlíka, ako už bolo vysvetlené vyššie, prebieha medzi jadrovou vrstvou B a okrajovými vrstvami A plocho. Pritom sú na výrobu pružných elementov mysliteľné obzvlášť zaujímavé párovania materiálov s pružinovou oceľou v jadre, regulovateľnou v ich vlastnostiach, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti, a málo korodujúcimi, napríklad nehrdzavejúcimi zliatinami v okrajových vrstvách A. Tým sa dá napríklad zadávať asymetrické pruženie alebo sama sa nastavujúca pružnosť. Obr.

schematicky znázorňuje plynulo pracujúce dvojvalcové lejacie valcovacie zariadenie. To má dva rotujúce, vodou chladené medené valce 2, ktoré vymedzujú lejaciu štrbinu o šírke 1-5 mm. Zhora sa cez ponornú rúrku 4. privádza tavenina 3 s roztaveným materiálom pre jadrovú vrstvu B. Pozdĺž okrajov lejacej štrbiny sa zo zásobnej rolky privádza pásový materiál pre okrajovú vrstvu A. S materiálom pre jadrovú vrstvu B, odlievaným v lejacej štrbine, tam dochádza ku spájaniu medzi

- 16materiálom pre okrajovú vrstvu A, privádzaným ako pásová ocel valcovaná za tepla, a v roztavenom stave privádzaným materiálom pre jadrovú vrstvu B. Vplyvom vysokého plošného tlaku pri teplotách nad 950 °C dochádza pri valcovaní za tepla v každom prípade k optimálnemu kovovému spojeniu. Pri znázornenom zariadení sa odvod tepla cez medené valce 2^ cez za tepla valcovanou pásovú ocel pre okrajovú vrstvu A stará o to, aby gradient G uhlíka neprenikol príliš hlboko do za tepla valcovanej pásovej ocele pre okrajovú vrstvu A. V každom prípade zostáva teda zachovaná dostatočne hrubá okrajová vrstva A martenziticky kalitelného materiálu s vysokým obsahom uhlíka, aby sa v nasledujúcich spôsoboch tepelného spracovania a kalenia získali konštrukčné diely s uvedeným priebehom tvrdosti, poprípade rozložením pevnosti. S uvedeným zariadením podlá vynálezu je možné vyrábať oceľové vrstvové materiály s extrémne' rozdielnymi vlastnosťami ohľadne vlastností, týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti jednotlivých vrstiev. Za studená tvárny kompozitný materiál sa dá najmä dobre a racionálne spracovávať už na konečný rozmer. V protiklade so známymi spôsobmi nedochádza pri nasledujúcom kalení ani k nevýhodnej deformácii pri kalení, ani nevzniká nebezpečenstvo odlúpnutia okrajových vrstiev. Tie totiž majú jemnú, húževnatú štruktúru tvrdenia, ktorá ani pri vysokom namáhaní alebo krátkodobom preťažení nevedie ku prasknutiu konštrukčného dielu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Tenkostenný oceľový konštrukčný diel s jadrovou vrstvou a okrajovými vrstvami, vyznačujúci sa tým, že je tvorený za studená tvárneným viacvrstvovým kompozitným materiálom s premennými vlastnosťami týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti, pričom buď okrajové vrstvy alebo jadrová vrstva majú zmenené vlastnosti týkajúce sa pevnosti a/alebo tvrdosti.
2. Tenkostenný konštrukčný diel podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že martenziticky tvrdené okrajové vrstvy so zmenenými vlastnosťami týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti majú vyšší obsah uhlíka, než jadrová vrstva, pričom priebeh gradientu uhlíka medzi vrstvami je plochý.
3. Tenkostenný konštrukčný diel podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že zmenené okrajové vrstvy majú jemnozrnnú štruktúru odolnú proti opotrebeniu a vzhladom na nezmenenú jadrovú vrstvu väčšiu húževnatosť a menšiu náchylnosť na mikrotrhliny.
4. Tenkostenný konštrukčný diel podľa jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že hrúbka steny konštrukčného dielu je menšia, než 4 mm.

- 185. Tenkostenný konštrukčný diel podlá jedného z nárokov 1 až

4, vyznačujúci sa tým, že gradient uhlíka je rozložený aspoň na 0,1 mm hrúbky steny konštrukčného dielu.

6. Tenkostenný konštrukčný diel podlá jedného z nárokov 1 až
5, vyznačujúci sa tým, že gradient uhlíka je rozložený na 10 až 30 % hrúbky steny konštrukčného dielu.
7. Tenkostenný konštrukčný diel podlá jedného z nárokov 1 až vyznačujúci sa tým, že vrstvy so zmenenými vlastnosťami týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti tvoria v reze stenou 10 až 50 % hrúbky steny konštrukčného dielu.
8. Tenkostenný konštrukčný diel podlá jedného z nárokov 1 až

7, vyznačujúci sa tým, že oblasť gradientu legovania je širšia, než 0,1 mm.
9. Tenkostenný konštrukčný diel podlá jedného z nárokov 1 až

8, vyznačujúci sa tým, že gradient legovania zaberá 10 - 25 % hrúbky steny konštrukčného dielu.

- 1910. Tenkostenný konštrukčný diel podlá jedného z nárokov 1 až

9, vyznačujúci sa tým, že jadrové a okrajové vrstvy zahrňujú nekorodujúce vrstvy so zmenenými vlastnosťami týkajúcimi sa pevnosti a/alebo tvrdosti.

11. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu s jadrovou vrstvou a okrajovými vrstvami podlá nárokov 1 až
10, vyznačujúci sa tým, že sa jadrová a okrajové vrstvy z rozdielne spracovateľných legovaných ocelí spájajú liatím do jedného viacvrstvového kompozitného materiálu s plocho prebiehajúcim gradientom legovania na hraničných plochách, kompozitný materiál sa tvárni na rozmer tenkostenných konštrukčných dielov a konštrukčné diely sa tepelne spracovávajú pre dosiahnutie rozdielnych vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti vrstiev z rozdielne spracovateľných legovaných ocelí.
12. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti sa vykonáva martenzitickým kalením rozdielne martenziticky kalitelných vrstiev.

-2013. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa nároku 11 alebo 12, vyznačujúci sa tým, že vlastnosti týkajúce sa pevnosti a/alebo tvrdosti sa menia pri vrstvách z viac legovanej ocele, pričom pri vrstvách z menej legovanej ocele sa zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti nevykonáva.
14. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podlá niektorého z nárokov 11 až 13, vyznačujúci sa tým, že na výrobu kompozitného materiálu okrajových vrstiev sa rovnobežne s odstupom voči sebe usporiadajú ploštiny z martenziticky kalitelnej ocele a medzi nimi sa nachádzajúca jadrová vrstva sa odlieva roztavenou oceľou s menším obsahom uhlíka.
15. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podlá niektorého z nárokov 11 až 14, vyznačujúci sa tým, že ploštiny z martenziticky kalitelnej ocele sa chladia z vonkajška.
16. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa niektorého z nárokov 11 až 15, vyznačujúci sa tým, že ploštiny z martenziticky kalitelnej ocele sa privádzajú ako pásová oceľ na okraj lejacej medzery plynulo pracujúceho lejacieho zariadenia.

-21
17. Spôsob výroby tenkostenného ocelového konštrukčného dielu podlá niektorého z nárokov 11 až 16, vyznačujúci sa tým, že tvárnenie kompozitného materiálu sa vykonáva valcovaním.
18. Spôsob výroby tenkostenného ocelového konštrukčného dielu podlá niektorého z nárokov 11 až 17, vyznačujúci sa tým, že zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti vrstiev sa vykonáva pomocou krátkodobého tepelného spracovania.
19. Spôsob výroby tenkostenného ocelového konštrukčného dielu podlá niektorého z nárokov 11 až 18, vyznačujúci sa tým, že kompozitný materiál sa mäkko žíha a následne sa tvárni na konštrukčné diely.
20. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa niektorého z nárokov 11 až 19, vyznačujúci sa tým, že na mieru tvárnený kompozitný materiál sa podrobí tepelnému spracovaniu pre martenzitické kalenie vrstiev a zmenu vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti.
21. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa niektorého z nárokov 11 až 20, vyznačujúci sa tým, že sa vykoná lokálne obmedzená zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti vrstiev.

-2222. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa niektorého z nárokov 11 až 21, vyznačujúci sa tým, že martenzitická zmena vlastností týkajúcich sa pevnosti a/alebo tvrdosti sa vykonáva priechodzím spôsobom.
23. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa niektorého z nárokov 11 až 22, vyznačujúci sa tým, že plynulé liatie sa vykonáva pomocou pevnej priechodzej kokily.
24. Spôsob výroby tenkostenného oceľového konštrukčného dielu podľa nároku 23, vyznačujúci sa tým, že plynulé liatie sa vykonáva v lejacom zariadení s rotujúcimi chladenými valcami vymedzujúcimi lejaciu medzeru.