DE1483040B2

DE1483040B2 - Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von übereutektoidem Stahl

Info

Publication number: DE1483040B2
Application number: DE19651483040
Authority: DE
Inventors: Raymond Andrew Washington Township Pa. Grange (V.St.A.)
Original assignee: United States Steel Corp
Current assignee: United States Steel Corp
Priority date: 1964-06-24
Filing date: 1965-06-24
Publication date: 1974-12-12
Also published as: DE1483040A1; GB1061874A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesseiung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere zur Erhöhung der Härte von übereutektoidem Stahl mit einem Gesamtlegierungsgehalt bis zu 5%, bei dem der Stahl in aufeinanderfolgenden Schritten auf Austenitisierungstemperatur erhitzt, unter den Perlitpunkt abgeschreckt, über den Perlitpunkt wieder erhitzt und danach abgekühlt wird.

Üblicherweise wird derartiger Stahl gehärtet, indem er auf eine Temperatur zwischen 763 und 856° C erhitzt und abgeschreckt wird. Dadurch soll nur ein Teil des in dem Stahl vorhandenen Gesamtkohlenstoffs in Austenit aufgelöst werden. Wenn der gesamte oder nahezu gesamte Kohlenstoff aufgelöst würde, dann ergäbe sich nach dem Abschrecken eine Austenitmenge, deren Größe die Härte des Stahls erheblich verringert und seine mechanischen Eigenschaften nachteilig beeinflußt.

Des weiteren ist bekannt, Stähle zu härten, die vor der Härtungsbehandlung weichgeglüht worden sind. In einem solchen Zustand läßt sich ein einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweisender Stahl leicht bearbeiten und auch leicht härten. Auf Grund des anfänglichen körnigen Gefüges ist der nach der Härtung noch verbleibende Kohlenstoff im allgemeinen in Form von verhältnismäßig großen Karbidkörnern vorhanden. Diese großen unaufgelösten Karbide sind unerwünscht, werden jedoch in der Regel verhältnismäßig großen Mengen Restaustenit vorgezogen. Somit stellt das-bisher übliche Härten von übereutektoiden Stählen einen Kompromiß zwischen einer unerwünscht großen Restaustenitmenge und ebenfalls unerwünschten großen Karbiden dar.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von übereutektoidem Stahl zu schaffen, bei dem ein geringerer Restaustenitanteil in dem Endprodukt erhalten wird, als es bei den üblichen Härtungsbehandlungen der Fall ist, und bei dem gleichzeitig große ungelöste Karbide im wesentlichen vermieden werden sollen, die sich bei den bekannten Härtungsbehandlungen einstellen»^..

Diese Aufgabe wmTerfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stahl zwischen 912 und 1080° C erhitzt wird, bis sich Austenit gebildet hat und die Karbide in dem Austenit gelöst sind, dann eine Abschreckung erfolgt, bis sich Martensit mit Restaustenit gebildet hat, danach auf 300 bis 412° C erwärmt sind, bis der Restaustenit in Bainit und der Martensit in eine Mischung aus feinen Karbiden und Ferrit umgewandelt ist, woraufhin auf 760 bis 815° C erhitzt wird, bis der Ferrit in Austenit umgewandelt ist und die ungelösten Karbide verteilt sind, wonach schließlich abgekühlt wird.

Aus der DT-PS 975 791 ist ein Wärmebehandlungsverfahren für übereutektoide Stähle bekannt, bei dem der Stahl auf 850 bis 1050° C erwärmt, anschließend auf eine Temperatur zwischen 400 und 600° C abgeschreckt und dann einer Glühung zwischen 750 und 780° C unterworfen wird. Durch dieses sich in der Gesamtheit der Verfahrensschritte von dem erfindungsgemäßen Verfahren unterscheidenden Verfahren soll im Gegensatz zu der der Anmeldung zugrunde liegenden Aufgabe größte Weichheit und ein sehr feinkörniges Gefüge ohne lamellafen Perlit und Reste von Karbidnetz erhalten werden.

Erfindungsgemäß wird der übereutektoide Stahl mit einem Gesamtlegierungsgehalt von bis zu 5% auf eine Temperatur zwischen 912 und 1080° C erhitzt, um Ferrit in Austenit umzuwandeln und die Karbide in dem Austenit zu lösen. Die Erhitzungszeit ist von geringerer Bedeutung und wird in jedem Falle so gewählt, daß eine Auflösung der Karbide in dem Austenit erreicht wird. Nach dem Austenitisieren wird der Stahl abgeschreckt, um Martensit zu bilden, wobei ein gewisser Teil des Austenits als Restaustenit übrigbleibt. ·

Nach dem Abschrecken wird der Stahl auf eine Temperatur zwischen 300 und 412° C, bei der das Zwischenstufengefüge (Bainit) gebildet wird, für eine genügend lange Zeit erwärmt, um den gesamten Restaustenit in das Zwischenstufengefüge Bainit umzuwandeln und den Martensit in eine Mischung aus feinen Karbiden und Ferrit zu verwandeln. Die verwendete Glühdauer richtet sich nach der Stahlsorte und gewählten Temperatur. Vorzugsweise wird eine Zeit-Temperaturkombination gewählt, die zur Umwandlung des Austenits in kurzer Zeit führt. Es ist notwendig, den gesamten Restaustenit in das Zwi-

schenstufengefüge Bainit umzuwandeln, da jeglicher Austenit, der bei diesem Verfahrensschritt nicht umgewandelt ist, die abschließende Wärmebehandlung übersteht, ohne eine feine Dispersion von Karbiden aufzuweisen. Bei der Umwandlung in das Zwischenstufengefüge Bainit werden die feinen Karbide in dem gesamten Ferrit verteilt, und zurückbleibender Austenit, der nicht umgewandelt ist, enthält nicht die gewünschte Karbidverteilung.

Nach der Umwandlung in das Zwischenstufengefüge Bainit wird der Stahl schnell auf eine Temperatur im Bereich zwischen 760 und 815° C erhitzt, um den Ferrit in Austenit umzuwandeln und die ungelösten Karbide gleichmäßig zu verteilen. Vorzugsweise wird diese Temperatur nur so lange beibehalten, bis der gesamte Ferrit in Austenit umgewandelt ist, wobei ein erheblicher Teil des Kohlenstoffes in dem Stahl ungelöst bleibt. Auf diese Weise bleiben die meisten Karbide in dem Austenit verteilt, in den der Ferritanteil des Zwischenstufengefüges Bainit umgewandelt ao worden ist. Durch nur kurzzeitige Aufrechterhaltung der Ausfenitisierungstemperatur von 760 bis 815° C wird nur ein Teil der feinen Karbide in dem Austenit aufgelöst. Das schnelle Erhitzen kann durch jedes Mittel erfolgen, einschließlich des Eintauchens in ein Bad aus geschmolzenem Salz oder Metall, Induktionsheizung oder Widerstandsheizung. Die gesamte Erwärmungszeit hängt von der Masse des Werkstückes und von der Art und Weise des Erwärmens ab, sollte jedoch so lange bemessen sein, daß der gesamte Stahl auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird. Wenn es jedoch erwünscht ist, einen Gegenstand zu erzeugen, der eine harte Schale und einen weichen Kern hat, läßt sich die Wärmebehandlungszeit zu diesem Zweck steuern.

Es wurde festgestellt, daß bei dem zuvor erwähnten Verfahrensschritt der Temperaturbereich von 760 bis 815° C sehr wichtig ist, weil bei Temperaturen, die nur geringfügig unter 76O⁰C liegen, unberechenbare Ergebnisse erhalten werden und die Härte des Stahls erheblich nachläßt. Bei Temperaturen über 815° C wird das Korngefüge grob, und es ergeben sich erhöhte Mengen an Restaustenit. Die folgenden Ergebnisse, die durch die Behandlung einer Probe der Stahlsorte AISI 1095 mit der Zusammensetzung 0,9 bis 1,03% Kohlenstoff, 0,3 bis 0,5% Mangan, max. 0,04% Phosphor, max. 0,05% Schwefel, 0,15 bis 0,3% Silizium, Rest Eisen, bei verschiedenen Temperaturen erhalten wurden, veranschaulichen die verschiedenen sich ergebenden Härtegrade.

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Nachdem der Stahl auf 760 bis 815° C erwärmt worden ist, wird er durch Abkühlen gehärtet, um ein gehärtetes feinkörniges Gefüge zu erzeugen, das als Ergebnis des oben beschriebenen Wärmebehandlungsverfahrens eine geringstmögliche Menge an Restaustenit aufweist und in dem Karbide gleichmäßig verteilt sind. Das schnelle Abkühlen kann zweckmäßig durch ein Abschrecken in Öl erfolgen. Wenn der Stahl zu Martensit abgeschreckt ist, kann

Temperatur in ⁰C	Härte HV in kp/mm²
729	735
735	840
743	895
760	910
815	900

er durch Erwärmung auf 162° C oder mehr angelassen werden. Es können jedoch auch andere Härteverfahren wie z. B. Warmbadhärten und Zwischenstufenvergüten angewendet werden. So kann der Stahl schnell auf die Warmbadtemperatur abgekühlt und auf dieser Temperatur bis zum Temperaturausgleich gehalten werden, wonach er auf Raumtemperatur gekühlt wird. Im Falle des Zwischenstufenvergütens wird der Stahl auf der Zwischenstufenumwandlungstemperatur gehalten, bis die Umwandlung in das Zwischenstufengefüge Bainit im wesentlichen beendet ist. Das endgültige Gefüge besteht aus einem ungewöhnlich feinkörnigem Martensit oder Zwischenstufengefüge Bainit mit sehr feinen ungelösten Karbidteilchen, die gleichmäßig überall verteilt sind.

Als Beispiel wurde eine Probe der Stahlsorte AISI 52 100 mit der Zusammensetzung 0,98 bis 1,1 % Kohlenstoff, 0,25 bis 0,45% Mangan, 1,3 bis 1,6% Chrom, Rest Eisen, auf 968° C erhitzt und auf dieser Temperatur eine so lange Zeit gehalten, bis_Eerrit in Austenit umgewandelt war und im wesentlichen die gesamte KarbidpEase in dem Austenit aufgelöst war. Die Probe wurde dann in Öl abgeschreckt, das auf einer Temperatur von 37 bis 51⁰C gehalten wurde. Die Probe wurde gerade lang genug in dem öl gehalten, um die Temperatur des Bades zu erreichen, wodurch Mikrorisse vermieden wurden, bevor der nächste Verfahrensschritt erfolgte. Es wurde festgestellt, daß die Bildung von Mikrorissen zeitabhängig ist und daß durch sofortiges Wiedererhitzen nach dem Abschrecken die Mikrorisse auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Der Restaustenit in der Probe nach dem Abschrecken wurde durch Erwärmung der Probe bei 300° C während 2 Stunden in das Zwischenstufengefüge Bainit umgewandelt. Dabei wurde auch der Martensit in feine Karbide und Ferrit umgewandelt. Anschließend wurde der Stahl durch Eintauchen in geschmolzenes Blei in 40 Sekunden auf 787° C erhitzt. Der Stahl wurde sodann zur Härtung in öl abgeschreckt und während 2 Stunden bei 190⁰C angelassen.

Ein Vergleich des Gefüges der in der oben beschriebenen Weise wärmebehandelten Probe mit dem-Gefüge einer Probe, die in üblicher Weise durch Erwärmung auf 800⁰C zur Bildung von Austemt, Abschrecken in Öl und zweistündiges Anlassen bei 190⁰C gehärtet wurde, zeigt, daß sich die beiden Gefüge deutlich voneinander unterscheiden.

Vergleichsversuche mit vergüteten Proben der hier beschriebenen Art und in üblicher Weise gehärteten Proben haben ergeben, daß die Proben bei den verschiedenen Gefügen verschiedene mechanische Eigenschaften aufweisen, wie sie in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt sind:

Probe (7,6 mm dick)	HärteHV (kp/mm²)	Zug festigkeit (kp/mm²)	Streck grenze (kp/mm²)	Rest austenit (%)
A) B*)	755 735	228 216	221 208	9 12 bis 15

*) Erfindungsgemäße Wärmebehandlung:

Glühen bei 968° C — ölabschreckung — Anlassen bei 300° C während 2 Stunden — Glühen bei 787° C (Erhitzung in 40 Sekunden) — Ölabschreckung — Anlassen bei 190° C während 2 Stunden.
'*) In üblicherweise gehärtet:

Glühen bei 800° C — ölabschreckung — Anlassen bei 190° C während 2 Stunden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere ' zur Erhöhung der Härte, von übereutektoidem Stahl mit einem Gesamtlegierungsgehalt bis zu 5%, bei dem der Stahl in aufeinanderfolgenden Schritten auf Austenitisierungstemperatur erhitzt, unter den Perlitpunkt abgeschreckt, über den Perlitpunkt wieder erhitzt und danach abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl zwischen 912 und 1080⁰C erhitzt wird, bis sich Austenit gebildet hat und die Karbide in dem Austenit gelöst sind, dann eine Abschreckung erfolgt, bis sich Martensit mit Restaustenit gebildet hat, danach auf 300 bis 412° C erwärmt wird, bis der Restaustenit in Bainit und der Martensit in eine Mischung aus feinen Karbiden und Ferrit umgewandelt ist, woraufhin auf 760 bis 815°C erhitzt wird, bis der Ferrit in Austenit umgewandelt ist und die ungelösten Karbide gleichmäßig verteilt sind, wonach schließlich abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, "dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken nach dem ersten Erhitzen zwecks Vermeidung von Mikrorissen nur »5 so lange vorgenommen wird, wie es gerade für die Bildung von Martensit und Restaustenit erforderlich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl abschließend angelassen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abschließende Härtung durch Warmbadhärten oder Zwischenstufenvergüten erfolgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Glühen im Temperaturbereich von 300 bis 412° C eine derartige Temperatur gewählt wird, daß der Restaustenit in kurzer Zeit umgewandelt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühdauer im Temperaturbereich von 760 bis 815° C derart gewählt wird, daß der Ferrit in Austenit umgewandelt wird, die Karbide aber nur zu einem geringen Teil aufgelöst werden.