WO2002063050A1 - Verfahren zur herstellung einer kette - Google Patents

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
    • C21D1/30—Stress-relieving

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a chain, in particular a round steel chain from a tempered steel.
  • Chains are pulling, driving or conveying elements made up of individual links.
  • link chains the individual links of which mesh with one another and articulated chains, the individual links of which are connected in a plane so that they can rotate by means of bolts.
  • Link chains are manufactured industrially from drawn wires or rolled round steels. One therefore speaks of round steel chains. These are used for lifting and moving loads as well as for securing loads and for conveying bulk goods. Because of their mobility, they are particularly well suited for use in underground coal mining.
  • the requirements for the materials used are essentially characterized by the interaction of high strengths (hardness) with minimum values for the impact energy. This is intended to Wear resistance and break resistance under operational stress can be guaranteed.
  • the currently applicable steel standard for welded round steel chains is DIN 17115 from 1987. This concerns stainless steel with prescribed levels of manganese, chromium, nickel and molybdenum as well as limited values for phosphorus and sulfur.
  • the narrow analysis limits as well as the regulations regarding the mechanical-technological values should ensure a high level of uniformity of the finished chains.
  • Modified materials can be used for special purposes. Vanadium, tungsten or titanium, for example, are used as additional alloying elements.
  • the steels are usually tempered in the temperature range around 500 ° C.
  • Tensile strengths of up to 1,250 MPa are set in connection with impact strength values of at least 60 J.
  • the chain is calibrated in a stretching process.
  • the required chain geometry is set and the accuracy of fit, in particular as regards the interaction of the chain with drive wheels, is improved.
  • the improvement of the chain through calibration goes hand in hand with work hardening and a drop in notch impact capacity. Strain hardening is much more pronounced with higher-strength chains than with standard chains. The loss of about 10 J to 15 J impact energy in the higher-strength chains and the associated susceptibility to brittle fractures are problematic for operational use.
  • the invention is therefore based on the object of demonstrating a method for producing a chain which achieves a tensile strength R m of more than 1,550 MPa and a notched bar impact energy A v of at least 55 J.
  • this object is achieved in a method according to the measures of claim 1.
  • a chain strand made of chain links from a tempering steel is manufactured in a conventional manner and subjected to the usual heat treatment with normalization, hardening and tempering. Starting takes place at a low temperature level below 200 ° C.
  • the tempering temperature is preferably 190 ° C.
  • a tempered steel is used, the structure of which contains stable residual austenite in a content between 3% and 10% after hardening and tempering.
  • the chain strand is subjected to a post-heat treatment at a temperature between 190 ° C and 250 ° C.
  • the post-heat treatment is preferably carried out at a temperature between 210 ° C. and 240 ° C., in particular at approximately 230 ° C.
  • the heat treatment provided according to the invention reduces the stresses from the final calibration process. Although this reduces the tensile strength and the yield strength, the impact energy A v increases to values above 55 J.
  • the tensile strength R m is above 1,550 MPa despite the decrease due to the heat pretreatment.
  • the toughness reserve is drawn from the above-mentioned residual austenite, which leads to an increase in the impact energy during the post-heat treatment process.
  • the invention consequently turns away from the teaching that austenite should be avoided in steel because it is very troublesome in conventional tempered steels, since this results in a drop in strength.
  • a normalization with a temperature T N between 900 ° C and 1100 ° C takes place during the heat treatment in the course of the manufacture of the chain. This is followed by cooling in air.
  • the chain strand is then hardened at a temperature T H between 900 ° C and 1,000 ° C, followed by water quenching.
  • the tempering is carried out at a temperature T A between 180 ° C and 200 ° C with a holding time of usually four hours and a cooling in air.
  • the main calibration is carried out before the final heat treatment (compensation). After tempering, a recalibration and the adjustment of the final chain geometry is carried out. Any dimensional distortion that may be caused during the hardening process is eliminated. This is followed by the post-heat treatment.
  • the post-heat treatment not only leads to an increase in the impact energy, but also to a decrease in the elastic modulus of the chain. This makes the chain softer in its spring properties. This has advantages in practice, particularly in underground mining, because with increasing face length, longer and longer chains are used, which are correspondingly sensitive to vibrations.
  • the soft spring properties of a chain manufactured by the method according to the invention contribute to a compensation of the vibrations.
  • the composition of an advantageous tempering steel is specified in claim 4.
  • a steel alloy is then used, which is expressed in percentages by weight between 0.20% and 0.27% carbon (C), between 1.90% and 2.00% chromium (Cr), between 1.30% and 1.70% manganese (Mn) with copper (Cu) between 0.20 %% to 0.50%, nickel (Ni) between 0.15% and 0.40%, aluminum (AI) to 0.03%, molybdenum (Mo ) to 0.05%, titanium components (Ti) to 0.04%, niobium components (Nb) to 0.04% and silicon components (Si) to 0.05%, the phosphorus component being less than 0.01% and the nitrogen component ( N) is less than 0.02%.
  • the copper content (Cu) is preferably between 0.45% and 0.50%.
  • the proportion of nickel is also preferably at the upper limit of the analysis range, for example 0.35% to 0.40%.
  • a tempering steel is considered to be particularly advantageous, the chemical composition of which is expressed as mass parts in percent (%): 0.23 C, 0.05 Si, 1, 50 Mn, ⁇ 0.01 P, ⁇ 0.004 S, 1, 95 Cr, 0.37 Ni, 0.02 Mo, 0.028 AI, 0.5 Cu, 0.02 Ti, 0.024 Nb, 0.0105 N.
  • a chain made from such tempering steel is preferably tempered during the heat treatment at a temperature T A of approximately 190 ° C., the post-heat treatment being carried out at a temperature T N of approximately 210 ° C.
  • T A tensile strengths
  • T N tensile strengths
  • R m tensile strengths
  • impact strength values A v between 55 J and 65 J.
  • continuous vibration tests over 1,000,000 load changes were achieved.
  • the steel alloy used consists in percentages by weight of 0.18% to 0.24% carbon (C), 1.60% to 1.80% chromium (Cr), 0.75% to 1.00% manganese (Mn), 0.50% to 0.85% nickel (Ni), 0.20% to 0.30% molybdenum (Mo), 0.01% to 0.10% titanium (Ti), 0.20% to 0.40 % Silicon (Si), 0.015% to 0.03% aluminum (AI) and 0.001% to 0.0035% boron (B).
  • the phosphorus content (P) is below 0.025% and the nitrogen content (N) is not higher than 0.010%, in particular less than 0.003%.
  • the rest is formed by iron (Fe) including impurities due to melting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kette, insbesondere einer Rundstahlkette, aus einem Vergütungsstahl. Der Kettenstrang wird in konventioneller Weise gefertigt und der üblichen Wärmebehandlung mit Normalisieren, Härten und Anlassen unterzogen. Das Anlassen erfolgt auf einem niedrigen Temperaturniveau unterhalb von 200 °C. Es kommt ein Vergütungsstahl zum Einsatz, dessen Gefüge nach dem Härten und Anlassen stabilen Restaustenit in Gehalten zwischen 3 % und 10 % enthält. Nach dem abschließenden Kalibriervorgang wird der Kettenstrang einer Wärmenachbehandlung mit einer Temperatur zwischen 190 °C und 250 °C unterzogen. Hierdurch erfolgt ein Abbau der Spannungen aus dem Kalibriervorgang und der damit einhergehenden Kaltverfestigung. Auf diese Weise kann das Kerbschlagarbeitsvermögen gesteigert werden.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Kette
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kette, insbesondere einer Rundstahlkette aus einem Vergütungsstahl.
Ketten sind aus einzelnen Gliedern zusammengesetzte Zug-, Treib- oder Förderelemente. Man unterscheidet grundsätzlich Gliederketten, deren Einzelglieder raumbeweglich ineinander greifen und Gelenkketten, deren Einzelglieder durch Bolzen drehbeweglich in einer Ebene verbunden sind. Gliederketten werden aus gezogenen Drähten oder gewalzten Rundstählen industriell hergestellt. Man spricht daher auch von Rundstahlketten. Diese werden zum Heben und Bewegen von Lasten sowie zur Ladungssicherung als auch zur Förderung von Schüttgütern eingesetzt. Wegen ihrer Raumbeweglichkeit sind sie besonders gut geeignet für den Einsatz im untertägigen Steinkohlenbergbau.
Die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe sind im wesentlichen durch das Zusammenwirken hoher Festigkeiten (Härte) bei Mindestwerten für die Kerbschlagarbeit gekennzeichnet. Hierdurch soll eine hohe Ver- Schleißbeständigkeit und Bruchsicherheit unter Betriebsbeanspruchung gewährleistet werden.
Weitere Anforderungen werden fertigungstechnisch vorgegeben. Hierzu zählt, dass die Stähle für elektrische Widerstandsschweißverfahren, insbesondere für das Abbrennstumpfschweißen, geeignet sein müssen. Aus dieser Forderung ergibt sich zwangsläufig eine Begrenzung des Kohlenstoffäquivalents.
Die derzeit gültige Stahlnorm für geschweißte Rundstahlketten ist die DIN 17115 aus dem Jahre 1987. Diese betrifft Edelstahle mit vorgeschriebenen Gehalten an Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän sowie limitierten Werten an Phosphor und Schwefel. Ein typischer Vertreter dieser Werkstoffgruppe, aus dem heute üblicherweise hochwertige Ketten hergestellt werden, ist ein Stahl der Güte 23MnNiMoCr54. Die engen Analysengrenzen sowie die Vorschriften bezüglich der mechanisch-technologischen Werte sollen eine hohe Gleichmäßigkeit der fertigen Ketten gewährleisten. Für Sonderzwecke können modifizierte Werkstoffe eingesetzt werden. Als zusätzliche Legierungselemente werden beispielsweis Vanadium, Wolfram oder Titan eingesetzt.
Die Stähle werden üblicherweise nach dem Härten im Temperaturbereich um 500 °C angelassen. Dabei werden Zugfestigkeiten bis zu 1.250 MPa in Verbindung mit Kerbschlagarbeitswerten von mindestens 60 J eingestellt. Nach dem Anlassen wird die Kette in einem Reckvorgang kalibriert. Hierdurch wird die geforderte Kettengeometrie eingestellt und die Passgenauigkeit, insbesondere was das Zusammenspiel der Kette mit Antriebsrädern betrifft, verbessert. Die Verbesserung der Kette durch das Kalibrieren geht allerdings einher mit einer Kaltverfestigung und einem Abfall des Kerbschlagarbeitsvermögens. Bei höherfesten Ketten ist die Kaltverfestigung erheblich ausgeprägter als bei Standardketten. Für den Betriebseinsatz problematisch ist der Verlust von etwa 10 J bis 15 J Kerbschlagarbeit bei den höherfesten Ketten und die damit verbundene Anfälligkeit für Sprödbrüche. Aus anwendungstechnischer Sicht wird heute eine weitere Steigerung der Festigkeit der Ketten gefordert, wobei eine Minderung der Sprödbruch- sicherheit vermieden werden muss. Eine Kette aus einem Stahl, der nach dem Anlassen Kerbschlagarbeitswerte zwischen 35 J und 40 J aufweist, wäre für die Praxis insbesondere für den Einsatz im Steinkohlenbergbau ungeeignet.
Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Kette aufzuzeigen, die eine Zugfestigkeit Rm über 1.550 MPa und eine Kerbschlagarbeit Av von mindestens 55 J erreicht.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Verfahren gemäß den Maßnahmen von Anspruch 1.
Danach wird ein Kettenstrang aus Kettengliedern aus einem Vergütungsstahl in konventioneller Weise gefertigt und der üblichen Wärmebehandlung mit Normalisieren, Härten und Anlassen unterzogen. Das Anlassen erfolgt auf einem niedrigen Temperaturniveau unterhalb von 200 °C. Vorzugsweise beträgt die Anlasstemperatur 190 °C. Es kommt ein Vergütungsstahl zum Einsatz, dessen Gefüge nach dem Härten und Anlassen stabilen Restauste- nit in Gehalten zwischen 3 % und 10 % enthält. Nach dem abschließenden Kalibriervorgang, in dem die Kettengliedgeometrie und damit die Passgenauigkeit eingestellt wird, wird der Kettenstrang einer Wärmenachbehandlung mit einer Temperatur zwischen 190 °C und 250 °C unterzogen.
Vorzugsweise erfolgt die Wärmenachbehandlung mit einer Temperatur zwischen 210 °C und 240 °C, insbesondere mit ca. 230 °C.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Wärmenachbehandlung erfolgt ein Abbau der Spannungen aus dem abschließenden Kalibriervorgang. Hierdurch sinkt zwar die Zugfestigkeit und auch die Streckgrenze, jedoch steigt die Kerbschlagarbeit Av auf Werte oberhalb von 55 J. Die Zugfestigkeit Rm liegt trotz der Abnahme durch die Wärmevorbehandlung oberhalb von 1.550 MPa. Aus dem vorerwähnten Restaustenit wird die Zähigkeitsreserve geschöpft, die beim Wärmenachbehandlungsvorgang zur Steigerung der Kerbschlagarbeit führt. Die Erfindung kehrt folglich ab von der Lehre, wonach Austenit im Stahl vermieden werden soll, weil er bei klassischen Vergütungsstählen sehr störend ist, da hieraus ein Festigkeitsabfall resultiert.
Nach den Maßnahmen von Anspruch 3 erfolgt bei der Wärmebehandlung im Rahmen der Fertigung der Kette ein Normalisieren mit einer Temperatur TN zwischen 900 °C und 1.100 °C. Anschließend erfolgt eine Abkühlung an Luft. Hiernach wird der Kettenstrang gehärtet, und zwar bei einer Temperatur TH zwischen 900 °C und 1.000 °C, worauf ein Abschrecken mit Wasser erfolgt. Das Anlassen erfolgt bei einer Temperatur TA zwischen 180 °C und 200 °C mit einer Haltezeit von üblicherweise vier Stunden und einer Abkühlung an Luft. Die Hauptkalibrierung wird vor der abschließenden Wärmebehandlung (Vergütung) durchgeführt. Nach dem Vergüten erfolgt eine Nachkalibrierung und die Einstellung der abschließenden Kettengeometrie. Ein möglicherweise während des Härtungsvorgangs verursachter Maßverzug wird beseitigt. Hieran schließt sich die Wärmenachbehandlung an.
Die Wärmenachbehandlung führt nicht nur zu einer Erhöhung der Kerbschlagarbeit, sondern auch zu einem Absinken des Elastizitätsmoduls der Kette. Hierdurch wird die Kette in ihrer Federeigenschaft weicher. Dies hat für die Praxis insbesondere im untertägigen Bergbau Vorteile, weil mit steigender Streblänge immer längere Ketten zum Einsatz gelangen, die entsprechend schwingungsempfindlich sind. Zu einer Kompensation der Schwingungen tragen die weichen Federeigenschaften einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Kette bei.
Die Zusammensetzung eines vorteilhaften Vergütungsstahls ist in Anspruch 4 angegeben. Danach wird eine Stahllegierung verwendet, die in Gewichtsprozenten ausgedrückt zwischen 0,20 % und 0,27 % Kohlenstoff (C), zwischen 1 ,90 % und 2,00 % Chrom (Cr), zwischen 1 ,30 % und 1 ,70 % Mangan (Mn) aufweist mit Kupferanteilen (Cu) zwischen 0,20 %% bis zu 0,50 %, Nickelanteilen (Ni) zwischen 0,15 % und 0,40 %, Aluminiumanteilen (AI) bis 0,03 %, Molybdänanteilen (Mo) bis 0,05 %, Titananteilen (Ti) bis 0,04 %, Niobanteilen (Nb) bis 0,04 % und Siliziumanteilen (Si) bis 0,05 %, wobei der Phosphoranteil kleiner als 0,01 % und der Stickstoffanteil (N) geringer als 0,02 % ist. Vorzugsweise liegt der Kupferanteil (Cu) zwischen 0,45 % und 0,50 %. Auch der Nickelanteil liegt bevorzugt an der oberen Grenze der Analysenspanne, also beispielsweise bei 0,35 % bis 0,40 %.
Als besonders vorteilhaft wird ein Vergütungsstahl angesehen, dessen chemische Zusammensetzung als Massenteile in Prozent (%) ausgedrückt: 0,23 C, 0,05 Si, 1 ,50 Mn, < 0,01 P, < 0,004 S, 1 ,95 Cr, 0,37 Ni, 0,02 Mo, 0,028 AI, 0,5 Cu, 0,02 Ti, 0,024 Nb, 0,0105 N betragen.
Eine Kette aus einem solchen Vergütungsstahl wird bei der Wärmebehandlung vorzugsweise mit einer Temperatur TA von ca. 190 °C angelassen, wobei die Wärmenachbehandlung mit einer Temperatur TN von etwa 210 °C erfolgt. In praktischen Versuchen wurden mit einer solchen Kette zuverlässig Zugfestigkeiten Rm von 1.600 MPa und mehr bei Kerbschlagarbeitswerten Av zwischen 55 J und 65 J erreicht. In Dauerschwingungsversuchen konnten über 1.000.000 Lastwechsel erzielt werden.
Für die Praxis werden sehr gute mechanische Eigenschaften auch von einer Kette erwartet, die aus einem Vergütungsstahl gefertigt ist, wie er im Anspruch 5 aufgezeigt ist. Die verwendete Stahllegierung besteht in Gewichtsprozenten ausgedrückt aus 0,18 % bis 0,24 % Kohlenstoff (C), 1 ,60 % bis 1 ,80 % Chrom (Cr), 0,75 % bis 1 ,00 % Mangan (Mn), 0,50 % bis 0,85 % Nickel (Ni), 0,20 % bis 0,30 % Molybdän (Mo), 0,01 % bis 0,10 % Titan (Ti), 0,20 % bis 0,40 % Silizium (Si), 0,015 % bis 0,03 % Aluminium (AI) und 0,001 % bis 0,0035 % Bor (B). Der Phosphoranteil (P) liegt unterhalb von 0,025 % und der Stickstoffanteil (N) ist nicht höher als 0,010%, insbesondere geringer als 0,003 %. Der Rest wird durch Eisen (Fe) gebildet einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Kette, insbesondere einer Rundstahlkette, aus Vergütungsstahl, wobei ein Kettenstrang aus Kettengliedern gefertigt und dieser anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, worauf eine Kalibrierung des Kettenstrangs erfolgt, und dann der Kettenstrang nach dem abschließenden Kalibrieren einer Wärmenachbehandlung bei einer Temperatur zwischen 190° C und 250° C unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Wärmenachbehandlung mit einer Temperatur zwischen 210° C und 240° C erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmebehandlung ein Normalisieren bei einer Temperatur TN zwischen 900° C und 1100° C mit anschließender Abkühlung an Luft, ein Härten bei einer Temperatur TH zwischen 900° C und 1000° C mit anschließendem Abschrecken sowie ein Anlassen mit einer Temperatur TA zwischen 180° C und 200° C und anschließender Abkühlung an Luft umfasst, wobei vor der abschließenden Wärmebehandlung eine Hauptkalibrierung und nach dem Vergüten eine Nachkalibrierung durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Vergütungsstahl aus einer Stahllegierung verwendet wird, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Kohlenstoff (C) 0,20 % bis 0,27 %
Chrom (Cr) 1 ,90 % bis 2,00 %
Mangan (Mn) 1 ,30 % bis 1 ,70 %
Kupfer (Cu) 0,20 % bis 0,50 %
Nickel (Ni) 0,15 % bis 0,40 %
Aluminium (AI) < 0,03 %
Molybdän (Mo) ≤ 0,05 %
Titan (Ti) < 0,04 %
Niob (Nb) < 0,04 % Silizium (Si) < 0,05 %
Phosphor (P) < 0,01 %
Stickstoff (N) < 0,02 %
Rest Eisen (Fe) einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Vergütungsstahl aus einer Stahllegierung verwendet wird, die in Gewichtsprozent ausgedrückt aus
Kohlenstoff (C) 0,18 % bis 0,24 % Chrom (Cr) 1 ,60 % bis 1 ,80 %
Mangan (Mn) 0,75 % bis 1 ,00 % Nickel (Ni) 0,50 % bis 0,85 %
Molybdän (Mo) 0,20 % bis 0,30 % Titan (Ti) 0,01 % bis 0,10 %
Silizium (Si) 0,20 % bis 0,40 %
Aluminium (AI) 0,015 % bis 0,03 % Bor (B) 0,001 % bis 0,0035 %
Phosphor (P) < 0,025 % Stickstoff (N) < 0,010 %
Rest Eisen (Fe) einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.
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