DE3201204C2

DE3201204C2 - "Verwendung eines Kohlenstoff-Mangan-Stahles für Bauteile mit hoher Festigkeit und Zähigkeit bei einfacher Wärmebehandlung"

Info

Publication number: DE3201204C2
Application number: DE19823201204
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennun Verzicht
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1982-01-16
Filing date: 1982-01-16
Publication date: 1983-12-22
Also published as: EP0085828A1; JPS58123856A; JPH0551653B2; EP0085828B1; DE3201204A1

Abstract

Als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm ↑2, die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen oder Glühtemperaturen bis zu etwa 1000 ° C und anschließendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft, gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20 Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- oder 0,2-Grenze von mindestens 580 N/mm ↑2 und eine Kerbschlagarbeit gemessen an ISO-U-Proben von mindestens 25 J aufweisen sollen, wird die Verwendung eines Stahles vorgeschlagen mit innerhalb folgender Grenzwerte bei zweckgerechter Abstimmung der einzelnen Stoffe untereinander gegebener Analyse: 0,3 bis 0,6 Kohlenstoff, 0,2 bis 0,6 Silizium, 0,55 bis 2,5 Mangan, 0,05 bis 0,2 Vanadium, 0 bis 0,3 Zirkon, 0 bis 0,2 Niob, 0 bis 0,5 Chrom, 0 bis 0,5 Nickel, 0 bis 0,5 Kupfer, 0 bis 0,3 Molybdän, 0,01 bis 0,05 Schwefel, 0 bis 0,1 Aluminium, 0,0005 bis 0,005 Bor, 0 bis 0,04 Stickstoff, weniger als 0,0003 Wasserstoff, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Description

0.43%	Kohlenstoff
0.30%	Silizium
1.80%	Mangan
0.08%	Vanadium
0.14%	Chrom
0.046%	Schwefel
0,035%	Aluminium
0.001%	Bor
0.01%	Stickstoff

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthalt, als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab 40 cm"' bis 500 cm², die nach einem Warmumformen durch Walzen. Schmieden oder Pressen bei bndverformungstemperaturen oder Glühtemperaturen von 900 bis 950 C und einem anschließenden Abkühlen In ruhender Luft liinger als 60 Minuten oder in bewegter Luft kürzer als 30 Minuten ein fcrritisch-perliiisches Gefüge mit etwa 5 bis 20% Ferrit. Rest Perlit sowie folgende Festigkeits-, Zähigkeils- und Härtewerte aufweisen:

	[N/mm'l	= 850 bis	970
Ro.:	[N/mm")	= 600 bis	720
Λ	M	= 17 bis	20
Z	[%1	= 56 bis	57
Λ,	[J](ISO-U)	= 26 bis	28
,5ZDW	[N/mm²]	= 400 bis	420

llärleabfall vom Rand zum Kern des größten Querschnittes von 500 cm² 3% bls'15%.

3. Verwendung eines Stahles nach den Ansprüchen I oder 2 als Werkstoff für wechselbeanspruchte Bauteile.

4 Verwendung eines Stahles für den Zweck nach Anspruch 3 mit der Maßgabe, daß dieser /ur llerstel-Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Stahles als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab etwa 40 cm², die nach einem Warmumformen durch Walzen,

ίο Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen bis zu etwa 1000' C oder Glühiemperaturen bis zu etwa 1000^C C und anschließendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft gegebenenfalls nach gesteuerter Abkühlung ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit etwa 5 bis 20% Ferrit, Rest Perlit und eine Streck- oder 0.2-Grenze von mindestens 580 N/mm² sowie eine Kerbschlagarbeil gemessen an ISO-U-Proben vt .i mindestens 25 J aufweisen.

Aus der DE-PS 30 09 443 ist die Verwendung eines bestimmten Stahles für Bauteile bekannt, die neben einer hohen Festigkeit auch eine beachtliche Zähigkeit haben sollen, nämlich bei einer Streck- oder 0,2-Grenze von 580 N/mm² eine Kerbschlagarbeit genossen an DVM-Proben von 35 J. ohne daß sie einer aufwendigen Wärmebehand-

-5 lung unterzogen werden müßten. Als Zusammensetzung wird für einen derartige Bedingungen erfüllenden Stahl angegeben:

0,3 bis 0,6%
0,65 bis 1,2%
0.55 bis 1.5%
0.05 bis 0.2%
0 bis 0.5%
0 bis 0.2%
0 bis 0,1%

Kohlenstoff

Silizium

Mangan

Vanadium

Chrom

Schwefel

Aluminium

0 bis 0.04% Stickstoff

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Ein solcher in der besagten Patentschrift angegebener Stahl mit innerhalb den Analysegrenzen relativ hohen Anteilen von Vanadium. Aluminium und Stickstoff soll bei Ablegen an Luft einer auf 155 mm 0 gewalzten Stange eine 0.2-Grenze von 578 N/mm^J, eine Zugfestigkeit von 865 N/mm² und eine Kerbschlagarbeit gemessen an DVM-Proben von 35 J aufweisen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin. Stahl für Bauteile mit noch höherer Festigkeit bei gleichzeitig noch ausreichend hoher Zähigkeit bereitzustellen, wobei dies durch einfache Abkühlung der Bauteile an Luft nach einer Warmumformung bzw. einem Glühvorgang ohne weitere Wärmebehandlung erzielbar sein soll.

Als Lösung dieser Aufgabe wird für den angegebenen Zweck die Verwendung von Stahl entsprechend der im Anspruch 1 angegebenen Analyse vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Erfindung liegen dabei folgende nachstehend aufgezeigte Überlegungen zugrunde:

Mit größer werdendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich der Pcrlltantell im Stahl und damit auch seine Festigkeil, Harte und Sprödlgkeit; bis zu etwa 0.6% Kohlenstoffgehalt nimmt zugleich auch seine Umwandlungsgeschwindigkelt bei Abkühlung aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur ab. Mit bis zu 3% Anteil Ist Mangan ebenso wie Chrom Im 7-Elsen sehr gut löslich und erhöh! die Festigkeit ohne Versprödung durch Härtesteigerung des Icrrltantclles. der /ur Erzielung guter ZiIhIg-

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keit nötig ist. Mangan bildet jedoch im Gegensatz zu Chrom weit weniger die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles verschlechternde Karbide und erniedrigt weit weniger als Chrom den Eutektoidpunkt; selbst bei relativ großen Mangananteilen wird die Bildung von Zementit vermieden, was die spätere Bearbeitung des Bauteiles besonders beeinträchtigen würde. Mangan verzögert ebenfalls wie vorstehend genannt ein Kohlenstoffgehalt bis 0,6% die Umwandlungsgeschwindigkeit bei Abkühlung des Bauteiles aus Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1000° C, erniedrigt jedoch zugleich auch alle Umwandlungstemperaturen; innerhalb eines großen Abkühlgeschwindigkeitsbereiches stellt sich außerdem eine fast konstante Perlilisierung mit davon abhängig gleich hoher Festigkeit ein, auch bei Bauteilen mit durch unterschiedliche Wandstärken verursachter unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen. Die durch die große Affinität von Mangan zu Verunreinigungen wie z. B. Schwefel mögliche unterschiedliche Längs- und Querfestigkeit bedingt durch langgezogene Gefügeunterbrechungen, verursacht durch Mangansulfide und Gaseinschlüsse, kann bei Einstellung des Schwefelgehaltes durch Einblase- und Evakuierungsverfahren bei der Pfannenbehandlung mit entsprechenden Zugaben durch Bildung kugeliger Verunreinigungen umgangen werden. Diese beeinträchtigen die Festigkeitsisotropie weit weniger und gewähren trotzdem eine vom Schwefelgehalt abhängig gute Bearbeitbarkeit des Bauteiles.

Mit kleinsten Zugaben von Bor und/oder kleinen Zugaben von Molybdän kann die Umwandlungsgeschwindigkeit noch um eine oder mei/rere Zi'merpotenzen weiter verlangsamt werden.

Mikrobeigaben von Vanadium und . luminium und gegebenenfalls auch von Zirkon und Niob in entsprechender Abstimmung zum Stickstoffgehalt bewirken durch Nitrid- und Karbonitridblldung als Kristallisaiionskerne für Feinkornbildung, eine gute Verteilung des Ferrits, sowie durch Ausscheidungshärtung im Ferrit eine Erhöhung des Verhältnisses Streckgrenze/Bruchfestigkeit und außerdem eine Erhöhung der Festigkeit. Besagter Vorgang erfolgt bei einem Bauteil, das unbeeinflußt In Raumluft aus einer Endverformungstemperatur oder Glühtemperatur von etwa 1000° C abgekühlt wird, in Abhängigkeit von der Wandstärke bzw. -dicke des Bauteiles mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die durch leichtes Anblasen, beispielsweise mittels einer Luftbrause, vorteilhaft verkürzt werden kann.

Unter Berücksichtigung dieser vorstehenden Überlegungen ist für ein Bauteil ein solcher Stahl zu verwenden, dessen Kohlenstoff- und Mangangehalt vornehmlich danach festgesetzt wird, daß die angestrebte Festigkeit erzielbar Ist, wobei Mangan in einem gewissen Umfang auch durch Chrom ersetzt werden kann. Die feinkornbildenden und ausscheldungshärtenden Legierungsbestandteile müssen ebenfalls sowohl untereinander als auch in Bezug auf den Kohlenstoff- und Mangangehall abgestimmt sein. Ferner muß so viel Bor und/oder Molybdän zugegeben sein, daß sich bei den den Abmessungen und Produktionsbedingungen des Bauteiles angepaßten Abkühlungsbedingungen mit langsamer oder schnellerer Abkühlung In ruhender oder bewegter Luft eine solche Politisierung einstellt, wie die gewünschten Zähigkeitswerte es verlangen.

Auf diese Welse können durch geringfügiges Legieren mit gut bereitstellbaren, billigen Beigaben bei einfachster Behandlungsmethode - da keine kostspieligen [Einrichtungen nötig sind - und mit äußerst geringem Enery ■:- verbrauch kostengünstige, gut weiterbearbeitbare Bauteile erstellt werden, die den aufgabengemäßen Festigkeits- und Zähigkeitsanforderungen genügen. Diese Anforderungen können erfindungsgemäß durch die Verwendung von Stahl mit folgenden Analysegrenzen erfüllt werden:

0,3	bis	0,6%	Kohlenstoff
0,2	bis	0,6%	Silizium
0,55	bis	2,5%	Mangan
0,05	bis	0,2%	Vanadium
0	bis	0,3%	Zirkon
0	bis	0,2%	Niob
0	bis	0,5%	Chrom
0	bis	0,5%	Nickel
0	bis	0,5%	Kupfer
0	bis	0,3%	Molybdän
0.01	bis	0,05%	Schwefel
0	bis	0,1%	Aluminium
0,0005	bis	0,005*	, Bor
Q	bis	0,04%	Stickstoff
weniger	als	0,0003% Wasserstoff

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Mit einem den obigen Bedingungen und innerhalb der entsprechenden Analysy^renzen liegenden Stahl mit

0,43%

0,30%

1,80%

0,08%

0,14%

0.046%

0,035%

0,001%

0.01%

Kohlenstoff

Silizium

Mangan

Vanadium

Chrom

Schwefel

Aluminium

Bor

Stickstoff

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen wurden Wellen mit einem Durchmesser von 250 mm aus einer Schmiedeendtemperatur von 550 C auf 500" C in Luft abgekühlt und folgende, der nachstehenden Tabelle entnehmbare Festigkeitswerte erzielt:

Bauteildurchmesser

[mm]

Kühlmittel

Kühlzeit [min]

R_n, [N/mm-¹]

Ro.2 [N/mm²]

A„ [J] an ISO-U-Probe

O₂DW [N/mm*]

bei 16 mm Probestab 0

gestrahlt

Härte H_s (Rand)
Härte H_e (Kern)

250 250

ruhende bewegte Luft

Luft (leichtes Anblasen des Bauteiles)

75 25

858 968

600 718

20 17

57 56

27,5 26

400 420

248 282

240 246

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß bei einem Bauteil mil einem nach der Erfindung vorgeschlagenen Material schon bei Abkühlung an ruhender Luft sehr hohe Festigkelts- und Zähigkeitswerte erzielbar sind, die durch gezielte Beeinflussung der Abkühlung an

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-uft noch ganz wesentlich hinsichtlich noch besserer iVerte beeinflußbar sind. Diese Werte können durch loch günstigere Legierungsabstimmung speziell der klikrobeigaben noch weiter verbessert werden. Die angesehenen Werte lassen jedenfalls erkennen, daß mit :inem solchen, einfach behandelten Mangan-Stahl prakisch Festigkeits- und Z?higkeitswerte wie mit einem ergüteten Stahl erreichbar sind, welch letzterer bei glei- :hen Abmessungen (Durchmesser 250 mm) zur Erzieung der gleichen Festigkeits- und Zähigkeitswerte venigstens dreimal so hoch legiert sein müßte mit Legie-

rungselementen wie Chrom, Nickel, Molybdän und anderer., die in ihren dann notwendigen Anteilen ganz im Gegensatz zu jenen des erfindungsgemäß verwendeten Manganstahl die spätere Bearbeitbarkeit des Bauteiles erheblich verschlechtern wurden.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Stahl erbringt diese Vorteile besonders bei der Herstellung von Bauteilen mit arößeren Querschnitten von etwa 40 cm² an aufwärts wie Kurbelwellen oder Nockenwellen von Brennkraftmaschinen und dergleichen wechselbeanspruchte Maschinenteile.

Claims

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bis 0,6% Stahles mit Patentansprüche: bis 0,6% Kohlenstoff Verwendung eines bis 2,5% Silizium 0.3 bis 0,2% Mangan 0,2 bis 0,3% Vanadium 0,55 bis 0,2% Zirkon 0,05 bis 0.5% Niob 0 bis 0.5% Chrom 0 bis 0,5% Nickel 0 bis 0,3% Kupfer 0 bis 0.04% Molybdän 0 bis 0,1% Schwefel 0 bis 0,005% Aluminium 0,01 bis 0,4% Bor 0 ■ als 0,0003% Stickstoff 0.0005 Wasserstoff 0 wenigei

lung von Kurbelwellen oder Nockenwellen von Brennkraftmaschinen verwendet wird.

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Bauteile mit einem Querschnitt ab 40 cm'', die nach einem Warmumformen durch Walzen, Schmieden oder Pressen bei Endverformungstemperaturen bis zu 10U0° C oder nach einer Glühung bis zu 1000' C sowie anschließendem Abkühlen in ruhender oder bewegter Luft ein ferritisch-perlitisches Gefüge mit 5 bis 20% Ferrit, Rest Perlit und eine Roj-Grenze von mindestens 580 N/mm² sowie eine Kerbschlagarbeit, gemessen an ISO-U-Proben, von mindestens 25 J aufweisen.

2. Verwendung eines Stahls nach Anspruch I mit der Maßgabe, daß dieser