DE2610388C3

DE2610388C3 - Stahl als Ausgangswerkstoff für die formgebende Bearbeitung

Info

Publication number: DE2610388C3
Application number: DE19762610388
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl.-Ing. 6719 Bechhofen Kneller
Original assignee: Gerlach Werke GmbH
Current assignee: Gerlach Werke GmbH
Priority date: 1976-02-07
Filing date: 1976-02-07
Publication date: 1984-10-25
Also published as: DE2610388B2; DE2610388A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Stahl als Ausgangswerkstoff für formgebende Bearbeitung, ohne nachträgliche Vergütung, insbesondere zur Herstellung hochbeanspruchter Schmiedestücke, mit 0.25 bis 0.60% Kohlenstoff und OJO bis 0.70% Silizium, ferner mit 0.10 bis unter 0.3% Chrom, 0.50 bis 1.20% Mangan und höchslcns 0.025% Aluminium.

Hochbeanspruchte Gesenkschmiedestücke, wie Kurbewellen, läßt man nach herkömmlicher Technik nach dem Schmieden erkalten und vergütet sie, indem man sie auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 780 bis 880 grd erhitzt, dann in öl oder Wasser abschreckt und bei 550 bis 650 grd auf die gewünschte Festigkeit anläßt.

Um den erhöhten Fertigungs- und Energieaufwand für diese Wärmebehandlung einzusparen, ist in der DE-OS 23 50 370 vorgeschlagen, einen mit 0.05 bis 0,15% Vanadium oder Niob legierten Kohlenstoff-Mangan-Stahl zu verwenden und das Teil an Luf: aus der Schmiedehitze abzukühlen. Das Legierungselement Vanadium oder Niob bewirkt dabei durch eine Ausscheidungshärtung (Bildung von Vanadin- bzw. Niobcarbonitriden) eine Steigerung der Festigkeit, die ein Vergüten entbehrlich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ebenfalls bei Abkühlung aus der Schmiedehitze genügende Festigkeit erreichenden Stahl zu schaffen, jedoch unter Ersatz des Vanadiums bzw. Niobs durch ein weniger wertvolles und billigeres Legierungselement.

Gemäß der Erfindung erfüllt diese Forderungen ein Stahl der eingangs genannten Zusammensetzung, der einen schmelzmetallurgisch eingebrachten Stickstoffgehalt von 0,0120 bis 0,0350% aufweist. Die günstigste Wirkung wird in der Regel bei einem Stickstoffgehalt von 0,0140 bis 0,0230% zu erwaFten sein. Ferner ist zu beachten, daß der Stah! möglichst nur Spurengehalte an Elementen mit hoher Stickstoffaffinität aufweist.

Das Gefüge des aus der Schmiedehitze abgekühlten erfindungsgemäßen Strahles ist ferritisch-perlitisch.

Zur Erklärung der nach der Erfindung eintretenden Verfestigung kann man sich etwa folgenden Mechanismus vorstellen:

-Ό

Der in vergleichsweise hoher Menge vorgesehene Stickstoff hat sowohl im freien Ferrit als auch im Ferrit des Perlits durch die bei Temperaturerniedrigung sinkende Stickstofflöslichkeit im Ferritgitter die Neigung, sich auszuscheiden. Dabei führen sich einphasig ausscheidend? Stickstoffatome zu einer hohen Konzentration von Versetzungen, die die Festigkeit erhöhen.

Weiter kommt es zur Bildung von Eisennitrid. Da sich dieses unmittelbar aus dem alpha-Eisen-Gitter ausscheidet, liegen die Abstände nahe beieinander entstehender Nitridausscheidungen voneinander in der Größenordnung der Atomgitterabstände des alpha-Eisens. Hierdurch können Frank-Read-Quellen entstehen, die die Eigenschaft haben, beim Anlegen einer Spannung weitere Versetzungen zu bilden und damit die Festigkeit noch einmal zu erhöhen. Die Ausbildung solcher als Frank-Read-Quellen wirkender Verteilungsordnungen wird durch die hohe Stickstoffkonzentration :<egünstigt, da diese die Wahrscheinlichkeit von Nitridausscheidungen in den betreffenden engen Abständen erhöht.

Schließlich bilden sich Eisennitridpartikel feinster Größe und Verteilung, die die entstandenen Versetzungen blockieren.

Eine Ausscheidungshärtung durch eine eigens herbeigeführte Nitridbildung mit Legierungselementen, wie es nach der DE-OS 23 50 370 für einen mindestens 02% Kohlenstoff enthaltenden Stahl mit 0,05 bis 0,15% Vanadium oder Niob als Nitridbildner vorgesehen ist, soll jedoch nicht vorgenommen werden.

Im Sinne der obigen Vorstellungen liegt es, daß in dem Stahl Elemente mit hoher Stickstoffaffinität, wie Vanadin, Niob. Titan, Bor. Aluminium usw. minimiert sind, die eine vorzeitige Ausscheidung des Stickstoffs, hauptsächlich im Austenit, bewirken; der Stickstoff soll noch in dem Ferrit, und zwar sowohl im freien Ferrit als auch in dem des Perlits, gelöst sein und sich erst bei niedrigeren Temperaturen aus diesem ausscheiden. Dies ist eine bewußte Abkehr von der Mikrolegierung.

Das Schwergewicht liegt dementsprechend mehr in der Schaffung einer besonders großen Zahl von Versetzungen als in der Schaffung von die Versetzungen blockierenden Ausscheidungen, aber gleichfalls mit dem Ergebnis einer hohen Versetzungskon/.entration.

In dem Buch »Theorie der Stahlerzeugung« von Javojskij wird auf Seite 561 über das eventuelle Auftreten von Stickstoffgehalten von bis zu 0,017% in Bessemerstählen, bis zu 0,020% in Thomasstählen und in ähnlicher Höhe in Elektrolichtbogenofen berichtet. Dabei ist der Stickstoff jedoch eine ungewollte, sogar als schädlich betrachtete Verunreinigung und kein bewußt und dosiert zugegebenes Legierungselement.

Neben dem erfindungsgemäßen Stickstoffzusatz trägt das Silizium in bekannter Weise durch Einlagerung auf den Zwischengitterplätzen des Ferrits zu dessen Verspannung und damit Verfestigung bei.

Die ferner vorgesehenen ElementeChrom und Mangan haben die übliche Bedeutung, das Umwandlungsverhalten des Stahls bzw. die Ausbildungsform des Perlits zu beeinflussen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand von Versuchen zahlenmäßig verdeutlicht.

Es wurden sechs verschiedene Chargen von der Grundzusammensetzung der unter der Bezeichnung Ck 45 bekannten und zur Herstellung von Kurbelwellen häufig verwendeten Stahlqualität erschmolzen. Von jeder Charge wurde eine Anzahl gleicher, für verschiedene Chargen jedoch unterschiedlicher Stücke (Kurbelwellen, Rundstäbe, Schwenklager) geschmiedet und auf

einem Abkühlband einzeln an Luft aus der Schmiedehitze abkühlen gelassen. Die so erhaltenen Werkstücke wurden an der Oberfläche der Bnnellprüfung mit HB 10/3000 und bis auf die Schwenldager außerdem der Zerreißprüfung unterzogen. Die Analysen und die Prüfungsergebnisse sind in der anliegenden Tabelle zusammengestellt

Versuch Nr. 1

wurde mit dem normalen Werkstoff Ck 45 durchgeführt. Die Festigkeitswerte, die ohne die für diesen Werkstoff an sich vorgesehene Vergütung bei bloßer Abkühlung aus der Schmiedehitze erhalten wurden, genügen nicht

Für Versuch Nr. 2

wurde die Schmelze gemäß folgender Richtanalyse modifiziert:

0,45 bis 0,49% C, 0,35 bis 0,50% Si,

0,75 bis 0,90% Mn, unter 0,035% P,

0,050 bis O₁QS5% S,

0,15 bis 0,25% Cr,

unter 0,05% Mo, unter 0,12% Ni,

bis 0,025% Al und 0.0150 bis 0,0200% N>.

Hier sind neben dem Stickstoff-Gehalt der Silizium-Gehalt und der Chrom-Gehalt bewußt erhöht. Es zeigt sich, daß durch die Modifizierung an dem gleichen Schmiedestück (Kurbelwelle Typ

A) die Streckgrenze um etwa 8kp/rom² und die Zugfestigkeit um etwa 12 kp/mm² gesteigert werden konnte (Mittelwerte).

Die Versuche Nr. 3 und Nr. 4

betätigen dies mit weiteren Schmelzen nach derselben Richtanalyse an den weiteren Kurbelwellentypen B und C

Versuch Nr. 5

zeigt den Einfluß einer weiteren Modifikation, nämlich der Verringerung des Aluminium-Gehalts gegenüber den Versuchen Nr. 1 bis 4: Die Streckgrenze und das Streckgrenzenverhältnis konnten noch einmal beträchtlich und die Zugfestigkeit konnte ebenfalls gesteigert werden. Der Versuch wurde mit geschmiedeten Rundstäben von 50 mm Durchmesser durchgeführt, deren Abkühlbedingungen denen der Kurbelwellen annähernd gleichkamen.

belegt die Wirkung des erhöhten Stickstoffgehalts an einem Schwenklager.

Die nach den Versuchen 2 bis 6 erhaltenen Gütewerte sind bereits ausreichend, im Fall des Versuchs 5 sogar gut.

laoeue	1	Versuch Nr.	2	L	0,47	3	4	5	0,48	6
I	1	Chargcnbczcichnung		0,49				0,54
I		G	0,84	S3	AL	Λ	0,83	N3
1			0,009				0,009
ϊί Analyse (%):	0,45	0,059	0,45	0,47	0,065	0,47
i ^c	0,20	0,24	0,49	0,44	0,25	0,45
I Si	0,92	0,02	0,85	0,84	<0,02	0,84
I Mn	0,034	0,03	0,009	0,010	<0,02	0,010
Ssä ρ	0,088	0,05	0,059	0,059	0,04	0,059
I' s	0,20	<0,02	0,24	0,23	<0,02	0,23
I ^Cr	0,04	<0,03	0,02	<0,02	<0,03	0,02
■*'i Mo	0,09	0,019	0,0?	0,03	0,003	0,03
I Ni	0,15	0,0152	0,05	0,05	0,0210	0,06
U Cu		Kurbelwellen	<0,02	<0,02	Rundslabc	<0,02
% v		Typ A	<0,03	<0,03		<0,03
;^;<; Nb	0,028		0,015	0,024		0,025
^V; Λ1	0,0080	76-81	0,0152	0,0170		0,0160
% N:	Kurbelwellen	44,9	Kurbelwellen	Kurbelwellen	49,6	Schwenk
κ Geprüfte Schmiede	Typ Λ	82.1	Typ B	TypC	83,6	lager
stücke
Prüfwerle:	65-72		78-81	78-79		79-84
Brinell (kp/mm³)	37,1	Ί4,8	44,5
sigmauj (kp/mm²)	70.0	79,9	80,5
sigma» (kp/mm²)

iede- Kurbelwellen Kurbelwellen Kurbelwellen Kurbelwellen R unds la be Schwenk-

Typ A Typ Λ Typ B Typ C ^lager

19,4	14.5	16,3	13,2	17,5
44,0	30,2	31,9	24,2	37,9
0.53	0,55	0,56	0,55	0,60
				4,67

Claims

Patentansprüche:

1. Stahl als Ausgangswerkstoff für die formgebende Bearbeitung ohne nachträgliche Vergütung, insbesondere zur Herstellung hochbeanspruchter Schmiedestücke, mit 0.25 bis 0.60% Kohlenstoff und OJO bis 0.70% Silizium, ferner mit 0.10 bis unter 0J% Chrom. 030 bis 120% Mangan und höchstens 0.025% Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß er einen schmelzmetallurgisch eingebrachten Stickstoffgehalt von 0.0120 bis 0.0350% aufweist.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Stickstoffgehalt von 0,0140 bis 0,0230% aufweist.

3. Verwendung eines Stahls nach einem der Ansprüche ! oder 2 zur Herstellung von unvergüteten Schmiedestücken, insbesondere unvergüteten Kurbelwellen. Schwenklagern und Pleuelstangen.