CH637161A5

CH637161A5 - Verfahren zur erhoehung der mechanischen festigkeiten von stahl.

Info

Publication number: CH637161A5
Application number: CH471477A
Authority: CH
Inventors: Edeki Mudiare
Original assignee: Lasalle Steel Co
Priority date: 1976-04-16
Filing date: 1977-04-15
Publication date: 1983-07-15
Also published as: NL7704147A; ES457857A1; DE2716791C2; CA1083932A; SE7704059L; GB1541404A; FR2348274B1; LU77133A1; BR7702419A; FR2348274A1; US4040872A; SE436286B; DE2716791A1; JPS52155121A; AU2436877A; BE853681A; IT1075341B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der mechanischen Festigkeiten von Kohlenstoff- oder legiertem Stahl mit 0,1 Gew.-% C bis zum eutektoiden Kohlenstoffgehalt. Mittels des erfmdungsgemässen Verfahrens werden höhere mechanische Festigkeiten der Stähle erreicht, ohne dass deren Bearbeitbarkeit abnimmt.

Es ist bekannt, dass durch Verformung von warmgewalztem Stahlhalbzeug mittels Pressen, Ziehen, Walzen usw., die mechanischen Festigkeiten des Stahls erhöht werden. Die Festigkeiten, die mittels der genannten Methoden erreicht werden können, hängen aber von einigen verschiedenen Faktoren ab. Der erste Faktor ist die Erhöhung der Festigkeit des warmgewalzten Stahls aus dem Stahlwerk, welcher bearbeitet wird. Diese Verfestigung hängt zu einem grossen Teil vom Kohlenstoffgehalt des Stahls ab. Der zweite Faktor hängt von der Art der Reaktion des Stahls auf die Verformung ab.

Beispielsweise ist in den USA-Patentschriftnummern

2 767 835,2 767 836,2 767 837 und 2 767 838 dargelegt, dass die Reaktion des Stahls auf die Verformung dadurch verbessert werden kann, dass die Verformung bei einer erhöhten Temperatur ausgeführt wird. Dieses Konzept ist nun unter der Bezeichnung «Dynamic Strain Aging» bekannt. Es wird seit vielen Jahren zur Erhöhung der Verfestigung von warmgewalztem Stahlhalbzeug mittels Verformung angewendet.

Der dritte Faktor, welcher die Höhe der mittels Verformung von warmgewalztem Stahlhalbzeug erreichbaren mechanischen Festigkeiten beeinfiusst, ist der Grad der Verformung des Werkstücks. Allgemein gilt, dass je mehr das Stahlstück verformt wird, um so höher liegen die erreichten Festigkeiten. Dies gilt bis zu einem Maximum - darüber können praktisch keine weiteren Festigkeitserhöhungen realisiert werden. Diese Erhöhung der mechanischen Festigkeiten ist von einer Erniedrigung der Bearbeitbarkeit des Materials begleitet.

Wenn die angegebenen Methoden nicht genügen, um die gesuchten Festigkeitseigenschaften des Materials zu erreichen, kann der Fachmann nur noch auf eine weitere, ebenfalls bekannte Behandlungsmethode zur Festigkeitserhöhung von Stahl zurückgreifen.

Diese Methode umfasst die Wärmebehandlung des Materials. Beispielsweise beschreibt die US-Patentnummer

3 053 703 ein Verfahren, wonach die Reaktion von Stahl gegenüber grossen Härten signifikant erhöht werden kann, indem das Stahlwerkstück vorerst wärmebehandelt und anschliessend bei erhöhter Temperatur gezogen wird. Ähnliche Konzepte werden in den US-Patentschriftnummern

2 998 336,2 924 544,2 924 543,2 881 108 und 2 881 107 beschrieben.

Gemäss den zuletzt genannten Patentschriften, gibt es im wesentlichen drei Methoden für die Wärmebehandlung des warmgewalzten Stahls. In jedem Fall wird das warmgewalzte Stahlhalbzeug auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher der Stahl austenitisiert. Anschliessend wird das Material mittels einer der drei folgenden Methoden abgekühlt:

(1) Schnelles Abschrecken um Martensit zu bilden - die-i5 ses Umformungsprodukt zeigt hohe Festigkeiten aber schlechte maschinelle Bearbeitbarkeit. Es ist schwierig, aus einem normalen Kohlenstoffstahl Martensit zu erhalten.

(2) Schnelles Abkühlen auf die Temperatur zur Umwandlung des Austenits in Bainit - ebenfalls ein Umfor-

20 mungsprodukt mit erhöhter Festigkeit, Duktilität und wenig erhöhter maschineller Bearbeitbarkeit verglichen mit Martensit. Auch Bainit ist, ausgehend von einem normalen Kohlenstoffstahl, schwierig zu erhalten.

(3) Langsames Abkühlen zur Umwandlung des Gefüges 25 in eine Ferrit-perlit-Struktur. Diese Umwandlung ist zwar bei normalen Kohlenstoffstählen relativ leicht zu erreichen, die so erhaltenen Ferrit-perlit-Strukturen ergeben aber wenig oder praktisch keine Festigkeits- oder Duktilitätser-höhungen, verglichen mit dem heissgewalzten Material. 30 In den ersten zwei der obengenannten Methoden war der Hauptzweck der Wärmebehandlung zur Erhöhung der Festigkeiten eine Verfeinerung der Mikrostruktur und die Herbeiführung von Martensit, Bainit oder Mischungen davon in der Struktur. Es hat sich aber gezeigt, dass solche Struktur-35 Veränderungen über grosse Querschnitte nur bei legierten Stählen herbeizuführen sind. Um in niedrig legierten Stählen Austenit in Martensit umzuwandeln ist es nötig, die Abschreckung extrem rasch auszuführen. Eine solche drastische Temperaturänderung führt aber häufig zu Abschreckrissen. 40 Eine weitere Gefügeverfeinerung mit martensitischer oder bainitischer Mikrostruktur kann nur mit sehr grossen Schwierigkeiten und fragwürdigen wirtschaftlichen Vorteilen erreicht werden. Beispielsweise schlägt die US-Patentnum-mer 3 178 324 vor, Stahl einer Wärmevorbehandlung zur 45 Reduzierung der Korngrössen und zur Erreichung höherer Festigkeiten zu unterziehen. Gemäss dem im genannten Patent aufgeführten Verfahren wird der Stahl mehrmals hintereinander aufgewärmt und abschliessend abgeschreckt.

Am Ende eines jeden Zyklus - mit Ausnahme des letzten so - wird ein vollmartensitisches Produkt gefordert als Ausgangspunkt für die nächste Erhitzung. Um mittels dieses Verfahrens ein vollständiges martensitisches Produkt zu erreichen, muss gemäss diesem Patent praktisch von legierten Stählen ausgegangen werden, welche eine höhere Härtbar-55 keit als diejenige von Kohlenstoffstahl aufweisen.

Ein ähnlicher Prozess wird im US-Patent Nr. 3 278 345 beschrieben. Hier umfassen die einzelnen Zyklen Aufheizen, Verformen und Abschrecken. Auch dieses Verfahren weist aber die oben genannten Nachteile auf, d.h. es erfordert ein 60 vollständig martensitisches Produkt vor jedem folgenden Zyklus. Die beiden genannten Mehrfachverfahren sind, verglichen mit Einfachverfahren, logischerweise teurer.

Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, um Stahl auf höhere Festigkeiten - verglichen mit 65 denjenigen von warmgewalztem Kohlenstoff-Stahl - zu bringen.

Es ist weiter ein spezielles Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, um Stahl mit niedrigem Kohlenstoffge

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halt von genau kontrollierbarer Mikrostruktur herzustellen und dabei dessen mechanische Festigkeiten signifikant zu erhöhen.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit von Stahl ist im vorangehenden Patentanspruch 1 charakterisiert.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Art und Weise des Aufheizens des Stahls gemäss dieser Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Bearbeitung (Ziehen) gemäss dieser Erfindung.

Fig. 3 stellt schematisch das Richten mittels eines Lewis-Richtapparates dar.

Fig. 4 und 5 illustrieren schematisch die gleiche Operation wie in Fig. 3 mittels eines Medart-Richtapparates.

Fig. 6 stellt ein ZTU-Diagramm zur Anwendung auf das erfindungsgemässe Verfahren dar. Das Diagramm zeigt die Zusammenhänge zwischen der Abschreckgeschwindigkeit aus der Austenitisier-Temperatur und der damit erreichten Mikrostruktur.

Fig. 7 ist eine Photomikrographie eines geätzten Schliffes eines warmgewalzten Stahls mit niederem Kohlenstoffgehalt.

Fig. 8 ist eine Photomikrographie eines Stahls mit niederem Kohlenstoff, welche gemäss dem erfmdungsgemässen Verfahren erhalten worden ist.

Der Haupteffekt des erfmdungsgemässen Verfahrens ist die aussergewöhnlich grosse Erhöhung der mechanischen Festigkeiten von Stählen auch mit tiefen Kohlenstoffgehalten und von grossem Querschnitt. In der Ausführung des Verfahrens wird ein untereutektoider Kohlenstoffstahl einer schnellen Erhitzung auf eine solche Temperatur unterworfen, um den Stahl zu austenitisieren. Anschliessend wird der austenisierte Stahl abgeschreckt, um das austenitische Gefüge in eine Mischung aus nadeiförmigem, pro-eutektoidem Ferrit und aus einem feinverteilten, eutektoiden Aggregat aus Ferrit und Eisenkarbid umzuwandeln. Es wurde in Anwendung, dass die rasche Erhitzung und die anschliessende Abschreckung ein feinkörniges Gefüge der obengenannten Art ergibt. Es wird dabei ein Stahl erhalten, dessen mechanische Festigkeiten mittels Verformung gegenüber warmgewalzten und geformten Stählen signifikant erhöht werden. Zusätzlich zeigen Stähle, welche erfindungsgemäss hergestellt worden sind, einen hohen Grad an Duktibilität und sind maschinell gut bearbeitbar.

Zur Ausführung wird, wie gesagt, von einem hypoeutek-toiden Stahl ausgegangen; dies bedeutet, dass ein solcher Stahl Kohlenstoff von 0,1 Gew.-% bis zum eutektoiden Kohlenstoffgehalt enthält. Mit Vorteil enthält ein Stahl für das erfindungsgemässe Verfahren zwischen 0,1 und 0,5 Prozente Kohlenstoff.

Der Stahl weist üblicherweise die folgenden Limiten hinsichtlich der Legierungskomponenten auf:

C: 0,1 bis 0,8 Gew.-%, Mn: 0,5 bis 1,65 Gew.-%; S: 0,01 bis 0,5 Gew.-%, und Si: 0,1 bis 0,35 Gew.-%.

Der Stahl wird, wie gesagt, vorerst rasch auf Austenitisierungstemperatur erhitzt. Diese Umwandlungstemperatur hängt vom Kohlenstoffgehalt des Stahls ab, normalerweise wird eine vollständige Umwandlung zu Austenit im Bereich zwischen 7030 und 1094°C erreicht. Hier muss noch darauf hingewiesen werden, dass Aufheizdauer, Temperatur und Haltezeit auf die Umwandlung einen Einfluss haben. Diese Zusammenhänge sind dem Fachmann bekannt. Es ist daher ohne weiteres möglich, eine tiefere Umwandlungstemperatur zu fahren und den Stahl dafür eine längere Zeit auf der Temperatur zu belassen. Im allgemeinen ist es jedoch von Vorteil, das Aufheizen in einer Zeit von weniger als 10 Minuten auszuführen. Dadurch wird erreicht, dass die Austenitkörner nur minimal wachsen. Die besten Resultate mit dem erfmdungsgemässen Verfahren werden dann erreicht, wenn die Aufheizzeit zur gesuchten Austenitisierungstemperatur zwischen einer Sekunde und ungefähr fünf Minuten liegt.

Die bevorzugte Erhitzungsmethode zur Anwendung in erfmdungsgemässen Verfahren wird am ehesten durch Durchleiten von elektrischem Strom durch das Stahlstück ausgeführt. Das Stahlstück wird also als Widerstand geschaltet.

Diese Technik wird im US-Patent Nr. 3 908 431 detailliert beschrieben. Das genannte US-Patent wird hiermit als Referenz ausdrücklich erwähnt. Der elektrische Strom fliesst durch das Stahlstück, wobei dieses als Widerstand wirkt und so erhitzt wird. Dadurch wird das Stahlstück schnell und über seinen gesamten Querschnitt gleichmässig erhitzt. Diese gleichmässige Erhitzung über die gesamte Oberfläche wird als sehr wichtig zur Erreichung des gleichförmig kleinen Wachstums der Austenitkörner betrachtet.

Zur Erhitzung mittels elektrischen Stroms wird das Werkstück an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen. Die Anschlüsse werden vorteilhaft an die beiden Enden des Stahlhalbzeugs angebracht. Durch das gleichförmige Durch-fliessen des elektrischen Stroms durch das Material wird dieses sowohl axial als auch radial gleichförmig erhitzt. Dadurch werden auch thermische Verlegungen vermieden. Das gleichförmige Erhitzen hat, wie oben schon ausgeführt, zur Folge, dass die Austenitkörner auf der gesamten Querschnittsfläche gleichförmig wachsen. Bei einem Erhitzen in konventionellen Öfen würden die Austenitkörner aussen im Material grösser wachsen als innen wegen des Temperaturgradienten, der in solchen Öfen beim Erhitzen von Materialien nicht zu umgehen ist.

Eine geeignete Vorrichtung zur Erwärmung des Stahlstücks durch Schalten desselben als elektrischen Widerstand ist in der Fig. 1 dargestellt.

Die elektrischen Anschlüsse 12 und 14 sind an den Enden des Stücks 10 angebracht. Der elektrische Strom fliesst also zwischen den beiden Kontakten 12 und 14 durch die gesamte Länge und gleichmässig über die gesamte Querschnittsfläche des Werkstücks 10. Es ist oft von Vorteil, das Werkstück 10 während des Aufheizens einer Zugbeanspruchung zu unterziehen. Dadurch werden eventuelle thermische Ausdehnungen des Werkstücks 10 kompensiert und so eine Verbiegung desselben bei hohen Temperaturen vermieden. Die leichte Vorspannung des Werkstücks während des Erhitzens dient also nur zur Erhaltung von dessen Gräde, der Zug führt zu keiner plastischen Deformation des Materials.

Nach der Umformung des Stahlgefüges in Austenit wird das Werkstück abgeschreckt um den Austenit in eine feine Mischung aus erstens nadeiförmigem, hypoeutektoidem Ferrit und aus zweitens einem feinverteilten eutektoiden Aggregat aus Ferrit und Eisenkarbid umzuwandeln. Einem Fachmann ist dabei klar, dass der austenitisierte Stahl genügend lang auf der Austenitisierungstemperatur gehalten werden kann, um den gesamten Stahl umzuformen. Im allgemeinen ist es jedoch so, dass die totale Umwandlung eines Stahls mit niederem Kohlenstoffgehalt schon beim Erreichen der Austenitisierungstemperatur erhalten wird. Anderseits ist es kein Nachteil, wenn der umgeformte, austenitisierte Stahl auf Austenitisierungstemperaturen gehalten wird. Nur sollte dabei beachtet werden, dass das Wachstum der Körner minimalisiert bleibt.

Wenn es in speziellen Fällen von Vorteil ist, das Stahlstück längere Zeit auf Austenitisierungstemperatur zu halten, ist es oft günstig, dabei relativ tiefe Austenitisierungstemperaturen zu fahren. Die oben beschriebenen Erhitzungsund Abschreckverfahren ergeben die obengenannte feinkörnige Stahlstruktur. Die Abschreckgeschwindigkeit zur Erreichung dieser feinkörnigen Struktur ist ein wichtiges Barome-

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ter im erfmdungsgemässen Verfahren. Das Konzept der Ab-schreckgeschwindigkeit, wie sie bei der Ausführung der Erfindung verstanden werden soll, kann am besten anhand der Fig. 6 verstanden werden. Die Fig. 6 stellt dabei wie gesagt ein schematisches Umformungsdiagramm für Stähle von tiefem und hohem Kohlenstoffgehalt dar. Das Diagramm ist eine Darstellung der Temperatur gegen die Zeit und umfasst die Umformungskurven A und B für einen Stahl von mittleren Kohlenstoffgehalten. Die Kurve Fs- zeigt diejenige Temperatur-Zeitbeziehung an, bei der die Bildung von Ferrit beginnt. Die Kurve Ps< zeigt dagegen den Beginn von Perlit und die Kurve Pr der Perlitbildung ab. Im Gebiet zwischen den beiden Kurven Fs< und Ps- wird nur Ferrit gebildet. Für Punkt links der Kurve Ps. beginnt die Bildung von Perlit und die Umformung ist abgeschlossen, wenn die Zeit-Tempera-turbedingung die Kurve Pf erreicht.

Die Kurven Fs-, und Ps< sind die entsprechenden Kurven für Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt. Die Kurve Fs.

zeigt also diejenigen Bedingungen an, bei denen die Ferritbildung beginnt, die Kurve Ps- diejenigen Bedingungen bei denen Perlit beginnt und die Kurve Pr diejenigen Bedingungen, bei denen die Umwandlung abgeschlossen ist.

Gemäss dem erfmdungsgemässen Verfahren muss nun der austenitisierte Stahl so schnell abgeschreckt werden, dass die Abkühlungskurve die Umwandlungskurve der Ferrit-und Perlitbildung schneidet. In der Fig. 6 sind zwei verschiedene Abkühlungskurven E und F eingezeichnet. Diese beiden beziehen sich auf die Oberfläche und das Zentrum des Stücks. Beide Kurven starten bei einer Austenitisierungstemperatur von ungefähr 927 °C. Anschliessend durchlaufen sie das Temperatur-Zeitgebiet (Ae3), welches nötig ist, um den Austenit in Ferrit und Perlit umzuwandeln. Die Abkühlung sollte dann derart weitergeführt werden, dass sie die beiden Kurven Fs< und Pf schneidet. Die beiden Kurven stellen wie oben gesagt die Umwandlung von Ferrit in Perlit dar. Diese Umwandlung sollte abgeschlossen sein, bevor die Abkühlungskurve die Umwandlungstemperatur in Martensit (Ms) erreicht. Die beispielhaften Kurven E und F schneiden die Kurven Fs< und Pf,d.h. die Umwandlungskurven für Stahl mit tiefem Kohlenstoffgehalt. Die gleichen Kurven schneiden aber nicht Fs. und Pf, welche die Umwandlungskurven für Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt darstellen.

Bei der Ausführung des erfmdungsgemässen Verfahrens wird also die Abkühlungsgeschwindigkeit so gewählt, dass der Austenit in nadeiförmiges, hypoeutektoides Ferrit und in eine feinverteilte eutektoide Mischung von Ferrit und Eisenkarbid umgewandelt wird.

Im erfmdungsgemässen Verfahren ist nicht genügend Zeit vorhanden, um grosse Ferritkörner zu bilden, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Fig. 7 zeigt die Mikrostruktur eines warmgewalzten Stahls, welcher anschliessend langsam abgekühlt worden ist. Der grösste Teil des Austenits ist in Perlit umgewandelt worden mit einem Kohlenstoffgehalt, welcher tiefer als derjenige des Gleichgewichtsgehaltes liegt. Der Mikrostruktur der Fig. 8, d.h. die Mikrostruktur eines erfin-dungsgemäss erhaltenen Stahls zeigt die kleine Menge Ferrit, welche sich innerhalb von Austenitkörnern gebildet hat nicht genügend Zeit hat, die Korngrenzen zu erreichen, bevor der Rest Austenit in Perlit umgewandelt worden ist. Dadurch wird die nadeiförmige Mikrostruktur erreicht, welche für Gefüge erfindungsgemäss dargestellter Stähle charakteristisch ist.

Aus dem Vergleich der Mikrostrukturen gemäss Fig. 7 und 8, folgt, dass die Mikrostruktur von warmgewalzten Stählen gemäss Fig. 7 grosse Körner von Ferrit (helle Flächen) und Perlit (dunkle Flächen) enthält. Im Gegensatz dazu zeigt die Oberfläche gemäss Fig. 8 wesentlich kleinere Anteile an Ferrit, welcher zudem noch in viel kleineren Körnern vorliegt. Auch hier sind die Ferritkörner durch die hellen Flächen dargestellt. Die dunkleren Flächen zeigen das feinverteilte eutektoide Aggregat aus Ferrit und Eisenkarbid.

Wie jedem Fachmann klar ist, kann das Abschrecken zum Erreichen der oben beschriebenen Mikrostruktur in verschiedenen Abschreckungsmedien ausgeführt werden. Die Wahl dieser Medien hängt vom Kohlenstoffgehalt und von den Zulegierungen ab. Im allgemeinen wird es vorgezogen, die Abschreckung von austenitisiertem Stahl in Wasser auszuführen. Grundsätzlich können aber auch andere Mittel wie Öl, geschmolzene Metalle, wie z.B. geschmolzenes Blei oder geschmolzene Salze, dazu verwendet werden. Wasser wird im allgemeinen für Abschrecken von Stählen mit niederem Kohlenstoffgehalt bevorzugt, da es die Abkühlgeschwindigkeit steigert.

Das Abschrecken kann natürlich gemäss den an und für sich bekannten, speziellen Abschreckmethoden ausgeführt werden. Dabei berücksichtigt man die Austenitisierungstemperatur, die Wasserbewegung, die Zugabe von wasserlösenden, das Abschrecken fördernden Zusätzen und die genaue Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit.

Das Festsetzen der richtigen Abkühlungsgeschwindigkeit hängt wie gesagt unter anderem auch vom Kohlenstoffgehalt und vom Gehalt von Zulegierungen des Stahls ab. Diese Gehalte wiederum hängen von der gewünschten Festigkeit des Endproduktes ab. Je höher z.B. der Kohlenstoffgehalt im Stahl ist, um so höhere Festigkeiten werden am Schluss erreicht. Für einen Stahl mit einem gegebenen Kohlenstoffgehalt wird die Abkühlungskurve gemäss einem Diagramm festgelegt, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.

Diagramme solcher Art für Stähle mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt sind in der Fachliteratur veröffentlicht. Die Abkühlungsgeschwindigkeit wird dabei so gewählt, dass einerseits die Bildung von Martensit oder Bainit verhindert wird, und anderseits die hypoeutektoiden Ferritkörner nur minimal wachsen.

Der Stahl, welcher gemäss dem erfmdungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist, hat anschliessend die gewünschte Mikrostruktur in Form einer feinen Mischung von nadeiförmigem, hypoeutektoidem Ferrit und einem feinverteilten eutektoiden Aggregat aus Ferrit und Eisenkarbid. Ein Stahl mit eben dieser Mikrostruktur kann nun durch Verformung auf wesentlich höhere, mechanische Festigkeiten gebracht werden. Diese Festigkeiten liegen signifikant für als solche von entsprechenden Materialien die vorher nicht schnell erhitzt und anschliessend mit der Abkühlungsgeschwindigkeit abgeschreckt worden sind. Die Verformung des erfindungsgemäss vorbereiteten Materials kann durch verschiedene Verfahren ausgeführt werden. Beispiele dafür sind Pressen, Ziehen, Walzen und ähnliche. Die Verformung wird dabei bei Temperaturen ausgeführt, welche zwischen der Raumtemperatur und der unteren kritischen Umwandlungstemperatur für den Stahl liegen. Die untere kritische Umwandlungstemperatur bezeichnet diejenige Temperatur, welche zumindest nötig ist, um einen Teil des Stahls in Austenit umzuformen. Die Umwandlung dient dazu, die mechanischen Festigkeiten des Materials signifikant zu erhöhen.

Die Verformung im erfmdungsgemässen Verfahren wird mit Vorteil durch Ziehen des vorbehandelten Stahl Werkstücks ausgeführt. Das Halbzeug, d. h. das längere Stück mit gleichmässigem Querschnitt, wird dabei durch eine Form gezogen, wodurch der Querschnitt des Stahlstücks verringert wird. Dadurch wird eine grosse Erhöhung der Festigkeit des Materials erreicht. Die Ausführung geschieht dabei mit Vorteil gemäss der Anordnung von Fig. 2. Darin bedeutet 10 das längliche Stahlhalbzeug, 16 die Reduktionsform und 18

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das gezogene Material. Die speziellen Ausführungsformen des Ziehens von Stahl sind der Fachwelt natürlich bekannt.

Das Ausmass der Verminderung der Querschnittsfläche des Stahlhalbzeugs gemäss erfindungsgemässem Verfahren hängt vom Stahl und z.T. von dessen gewünschten Endeigenschaften ab. Beim Ziehen von Stahl können die Verminderungen der Querschnittsflächen zwischen 5 und 90% liegen, mit Vorteil liegen die Verminderungen zwischen 5 und 40%.

Nach all diesen Behandlungsschritten hat nun der Stahl signifikant höhere, mechanische Festigkeiten verglichen mit Stählen gleicher Analyse, welche nur warmgewalzt und anschliessend verformt worden sind. Der erfindungsgemäss erhaltene Stahl weist zugleich eine signifikant höhere Duktili-tät auf.

Nach Abschluss des erfmdungsgemässen Verfahrens können, falls dies erwünscht ist, die Halbzeuge von inneren Spannungen befreit werden. Solche Verfahren sind heute bekannt- sie sind z.B. in der US-Patentschrift Nr. 3 908 431 beschrieben. Auch dieses Patent wird speziell als Referenz erwähnt. Es ist ebenfalls möglich, das Halbzeug nach dem erfmdungsgemässen Verfahren und vor dem Abbau von inneren Spannungen noch zu richten. Dafür können konventionelle Richtanlagen verwendet werden. Als Beispiele sind in der Fig. 3 eine Richtanlage nach Lewis schematisch darge-5 stellt und in den Fig. 4 und 5 Richtanlagen nach Medart. Solche Richtapparate wirken bekanntlich derart auf das Werkstück ein, dass sie dasselbe in abnehmendem Masse abbiegen.

Nachdem im Vorangehenden das Wesentliche dieser Erio findung beschrieben worden ist, folgen nun zur Illustration derselben einige Beispiele. Es muss daraufhingewiesen werden, dass die Beispiele keinerlei Begrenzung auf spezielle Ausführungen der Erfindung darstellen.

i5 Beispiel 1

Dieses Beispiel wird zu Vergleichszwecken angeführt. Es werden darin verschiedene Probestäbe von sieben verschiedenen Chargen von AISI/SAE-1018-Stahl verglichen. Die Stähle sind alle durch Warmwalzen vergütet worden. In 20 verschiedenen Tabellen werden die chemischen Analysen und die mechanischen Eigenschaften der Stähle angegeben.

Tabelle 1

Chemische Analyse der Muster (Gehalte in Gewichts %)

Chargennummer

Kohlenstoff

Mangan

Phosphor

Schwefel

Silizium

I

0,19%

0,71%

0,007%

0,019%

0,018%

II

0,19%

0,83%

0,005%

0,019%

0,042%

III

0,17%

0,73%

0,007%

0,018%

0,03%

IV

0,20%

0,77%

0,006%

0,018%

0,047%

V

0,18%

0,71%

0,007%

0,025%

0,020%

VI

0,18%

0,78%

0,007%

0,022%

0,044%

VII

0,20%

0,73%

0,004%

0,018%

0,044%

Die mechanischen Eigenschaften der Stähle aus Tabelle 1 sind in den folgenden Tabellen zusammengefasst:

Tabelle 2

Chargennummer

Zugfestigkeit (kp • mm-2)

Fliessfestigkeit (kp • mm-2)

Längenausdehnung (%)

Querschnittsabnahme (%)

I

47,4

30,6

37,1

69,5

II

44,6

27,4

40,0

69,8

III

45,6

28,5

35,7

67,6

IV

46,7

31,4

38,6

70,3

V

43,4

29,7

38,6

71,5

VI

44,6

29,5

34,5

68,4

VII

43,5

25,2

35,5

69,0

Die statistischen Parameter aus Tabelle 2 sind in Tabelle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3

Eigenschaften Mittel

Zugfestigkeit (kp • mm"2) 45,122

Fliessfestigkeit (kp • mm-2) 28,893

Längenausdehnung (%) 37,14

Querschnittsabnahme (%) 69,44

Standard- Maximum Minimum Bereich Abweichung

47,4 43,4 ~4

31.4 25,2 -6,2 40 34,5 5,5

71.5 67,6 3,9

1,414 1,923 1,86 1,18

Probestäbe der oben aufgeführten Chargen werden einer Tabelle 4

Zugverformung mit 20%iger Querschnittsabnahme unter- 65 Zugfestigkeit (kp-mm-2) 61,86

zogen. Die Zugverformung erfolgt ohne Zwischenwärmebe- Fliessfestigkeit (kp • mm"2) 52,73

handlung. Die so erhaltenen Probestäbe weisen im allge- Längenausdehnung (4) 17,5

meinen die typischen, folgenden Eigenschaften auf: Querschnittsabnahme (%) 55,6

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Aus Tabelle 4 folgt, dass warmgewalztes Material ohne Zwischenwärmebehandlung mittels Verformung - d.h. mittels konventioneller Vergütung - auf Zugfestigkeiten von 45 bis etwa 62 kp • mm-2 gebracht werden kann.

Beispiel 2

Dieses Beispiel illustriert das erfindungsgemässe Verfahren.

Tabelle 5

Chargennummer Zugfestigkeit Fliessfestigkeit Längenausdehnung Querschnittsab-

(kp • mm"2) (kp-mm-2) (%) nähme (%)

I 75,64 51,6 22,1 60,6

II 69,60 48,72 22,9 67,8

III 67,0 44,0 23,6 69,1

IV 70,51 46,05 -* 64,9

V 66,36 43,16 24,0 65,7

VI 60,67 41,97 25,0 72,4

* Bruch ausserhalb des Messbereichs.

Stahlprobestäbe der im Beispiel 1 angegebenen Chargen werden vorerst mittels direkter elektrischer Aufheizung bei ungefähr 927 °C austenitisiert.

Die Aufheizzeit beträgt 2 Minuten. Anschliessend wer-5 den die Stäbe in Wasser abgeschreckt.

Die mechanischen Eigenschaften der so vorbehandelten Stäbe sind in Tabelle 5 zusammengestellt.

Die statistischen Werte aus der vorangehenden Tabelle sind in Tabelle 6 zusammengestellt.

Tabelle 6

Eigenschaften Mittel

Zugfestigkeit (kp • mm ~2) 69,822

Fliessfestigkeit (kp • mm-2) 46,679

Längenausdehnung (%) 23,52

Querschnittsabnahme (%) 65,62

Standard- Maximum Minimum Bereich

Abweichung

75,64 66,36 ~9,2

51,6 43,16 -8,4

25 22,1 2,9

69,1 60,6 8,5

3,297 3,106 0,98 2,92

Nach dem Abschrecken wurden die Proben gereinigt und dungsgemäss erhaltenen Stähle sind in der folgenden Tabelle kalt gezogen. Die Querschnittsabnahme betrug 30%. Die zusammengestellt.

mechanischen Eigenschaften sind derart, d.h. die erfin- 45

Tabelle 7

Chargennummer

Zugfestigkeit

Fliessfestigkeit

Längenausdehnung

Querschnittsab

(kp-mm-2)

(%)

nahme (%)

I

102,57

12

52,9

101,02

10

43,7

104,75

10,7

47,3

II

97,22

97,2

11,4

53,2

97,93

12,1

54,9

96,66

11,4

55,1

III

98,35

94,83

54,8

98,70

10,7

50,1

97,36

11,4

52,0

IV

102,52

11,4

52,1

103,83

103,64

10,0

48,5

102,64

11,4

53,9

V

110,09

9,3

42,4

VI

96,17

11,5

52,0

94,76

—

53,1

96,45

11,5

53,5

637 161 8

Die statistischen Parameter aus Tabelle 7 ergeben die Werte der Tabelle 8.

Tabelle 8

Eigenschaften

Mittel

Standard-Abweichung

Maximum

Minimum

Bereich

Zugfestigkeit (kp-mm-2) 100,093 3,962 75,64 66,36 —15,3

Fliessfestigkeit (kp-mm-2 99,868 4,146 51,6 43,16 —15,3

Längenausdehnung (%) 11,06 0,79 12,1 9,3 2,8

Querschnittsabnahme (%) 51,22 3,75 55,1 42,4 12,7

Wie aus den Daten der Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, beträgt die Zugfestigkeit der Proben gemäss Tabelle 6 im Mittel 69,822 kp • mm-2, verglichen mit ungefähr 45 kp • mm-2 aus der Tabelle 3. Die Zugfestigkeit gemäss Tabelle 8 liegt bei ungefähr 100 kp • mm-2 und ist zu vergleichen mit der Zugfestigkeit aus Tabelle 4, d.h. mit ungefähr 62 kp • mm-2. Die Duktilität der Proben, die aus der Querschnittsabnahme gefolgert werden kann, wird also, wie aus den oben angegebenen Werten ersichtlich ist. Die erfindungsgemäss erhaltenen Stahlproben weisen also gleiche Duktilität und maschinelle Bearbeitbarkeit bei wesentlich erhöhten Festigkeiten auf.

Beispiel 3

Analog dem Vorgehen in Beispiel 2 wurden wiederum is Proben desselben Stahls 2 Minuten lang auf Austenitisierungstemperatur erhitzt, in Wasser abgeschreckt und anschliessend kalt gezogen mit einer Querschnittsreduktion von 20%.

Die mechanischen Eigenschaften der so erhaltenen Pro-20 ben sind in Einzeldarstellungen in Tabelle 9 und in statischer Zusammenfassung in Tabelle 10 zu ersehen.

Tabelle 9

Chargennummer

Zugfestigkeit

Fliessfestigkeit

Längenausdehnung

Querschnittsab

(kp • mm-2)

(%)

nahme (%)

I

100,18

11,4

46,9

97,72

11,4

55,8

95,61

11,4

52,8

II

90,41

12,9

59,7

90,76

12,9

56,3

92,37

12,9

61,6

III

94,27

10,7

66,9

91,81

11,4

50,4

94,62

11,4

50,4

IV

97,29

11,4

53,4

96,52

12,1

54,3

96,03

12,1

53,5

V

103,27

10,0

49,3

VI

88,85

88,44

12,5

59,4

89,83

12,0

55,4

91,11

90,55

12,5

53,9

Tabelle 10

Eigenschaften Mittel

Zugfestigkeit (kp • mm"2) 94,343

Fliessfestigkeit (kp • mm ~ 2) 94,343

Längenausdehnung (%) 11,81

Querschnittsabnahme (%) 55

Standard- Maximum Minimum Bereich Abweichung

103,27 88,85 ~14,6

103,27 88,44 ~ 14,8

12,9 10 2,9

66,9 46,9 20

3,928 3,978 0,8 4,88

Auch aus den Werten des Beispiels 3 ist die Signifikante der mechanischen Eigenschaften von Stahlproben, welche gemäss dem erfmdungsgemässen Verfahren hergestellt worden sind, gegenüber Stahlproben, die einfach warmgewalzt worden sind, ersichtlich.

Beispiel 4

Wiederum wurden Stahlproben gemäss dem Vorgehen von Beispiel 2 erhalten. Die Querschnittsreduktion bei der

60 Verformung betrug 20%. Anschliessend wurden die Proben spannungsfrei geglüht, gemäss der Methode, wie sie im US-Patent Nr. 3 908 431 beschrieben ist. Die Temperatur des Spannungsfreiglühens war ungefähr 316 °C.

Die mechanischen Eigenschaften der so erhaltenen Pro-65 bestäbe sind in den folgenden Tabellen 11 und 12 dargestellt:

9

Tabelle!!

637 161

Chargennummer

Zugfestigkeit (kp-mm-2)

Fliessfestigkeit (kp • mm-2)

Längenausdehnung Querschnittsab-(%) nähme (%)

I

95,82

13,6

54,3

II

88,86

88,51

14,3

61,3

III

93,08

92,73

12,9

54,8

IV

94,34

14,3

57,5

V

86,68

85,98

15,0

60,8

Tabelle 12

Eigenschaften

Mittel

Standard-Abweichung

Maximum

Minimum Bereich

Zugfestigkeit (kp • mm-2) 91,742 3,438 95,82 86,68

Fliessfestigkeit (kp-mm-2) 91,460 3,679 95,82 85,98

Längenausdehnung (%) 14,02 0,71 15 12,9

Querschnittsabnahme (%) 57,74 2,92 61,3 54,3

'9,1 -9,8

2,1 7

Auch die Ergebnisse des Beispiels 4 zeigen, dass auch nach dem Spannungsfreiglühen die erfindungsgemäss hergestellten Stahlproben sehr hohe Zug- und Fliessfestigkeiten ergeben. Die Duktilität wird, wie aus den hohen Werten der Querschnittsverminderung ersichtlich ist, beibehalten.

Beispiel 5

Das Vorgehen von Beispiel 2 wurde nochmals wiederholt. Die Querschnittsreduktion bei der Verformung betrug wieder 20%. Anschliessend wurden die Proben gemäss dem Vorgehen von US-Patent Nr. 3 908 431 bei ungefähr 343 °C spannungsfrei geglüht.

Die Messwerte der so erhaltenen Probekörper sind in den 25 Tabellen 13 und 14 zusammengestellt.

Tabelle 13

Chargennummer

Zugfestigkeit (kp-mm-2)

Fliessfestigkeit (kp • mm-2)

Längenausdehnung Querschnittsab-(%) nähme.(%)

I

96,59

94,83

15,0

59,2

II

88,58

87,31

15,7

61,9

III

89,56

88,51

15,7

62,3

IV

91,81

91,11

15,0

60,2

V

84,92

84,22

16,5

61,6

Tabelle 14

Eigenschaften

Mittel

Standard-Abweichung

Maximum

Minimum Bereich

Zugfestigkeit (kp-mm-2) 90,293 3,855 96,59 84,92 -11,7

Fliessfestigkeit (kp • mm-2) 89,197 3,585 94,83 84,22 -10,6

Längenausdehnung (%) 15,58 0,56 16,5 15 1,5

Querschnittsabnahme (%) 61,04 1,16 62,3 59,2 3,1

Es werden also auch mit dieser speziellen Ausführungsform des erflndungsgemässen Verfahrens vergleichbare Resultate erhalten.

Beispiel 6

Wiederum wurden in Anwendung des Verfahrens vom Beispiel 2 Stahlproben gemäss dem erflndungsgemässen Verso fahren hergestellt. Diesmal wurden die Proben jedoch nach der Kaltverformung mit einer Querschnittsverminderung von 20% bei einer Temperatur von ungefähr 371 °C spannungsfrei geglüht.

Die mechanischen Eigenschaften der so erhaltenen Pro-55 ben sind in den folgenden Tabellen 15 und 16 zusammengestellt.

Tabelle 15

Chargennummer

I

II

III

IV

V

VI

Zugfestigkeit (kp ■ mm-2)

90,76 86,89 89,56 90,97 93.43 85.27

Fliessfestigkeit (kp-mm-2)

90,62

85,86

88,51

89,0

90,62

83,16

Längenausdehnung (%)

15,7 17,1 15,7 17.1 17,1 16,0

Querschnittsabnahme (%)

61,3 63,3 60,2 62,5 63,0 61,9

637 161

10

Tabelle 16

Eigenschaften

Mittel

Standard-Abweichung

Maximum

Minimum

Bereich

Zugfestigkeit (kp ■ mm-2) 89,478 2,703 93,43 85,27

Fliessfestigkeit (kp-mm-2) 87,960 2,677 90,62 83,16

Längenausdehnung (%) 16,45 0,66 17,1 15,7

Querschnittsabnahme (%) 62,03 1,06 63,3 60,2

'8,2 -7,4

1,4 3,1

Beispiel 7

Wiederum mit dem gleichen Verfahren wie im Beispiel 2 wurden Stahlstäbe gemäss dem erflndungsgemässen Verfahren hergestellt. Die Querschnittsreduktion bei der Kaltverformung betrug hier 30%. Die Temperatur, bei der die Proben spannungsfrei geglüht wurden, lag bei ungefähr 316 CC.

Die Messresultate der im Beispiel 7 erhaltenen Proben sind in den Tabellen 17 und 18 zusammengestellt.

Tabelle 17

Chargenn ummer

Zugfestigkeit (kp-mm-2)

Fliessfestigkeit (kp • mm-2)

Längenausdehnung Querschnittsab-(%) nähme (%)

I

104,4

13,6

56,6

II

96,66

12,9

56,6

III

96,94

13,6

55,9

IV

99,26

14,3

57,5

Tabelle 18

Eigenschaften

Mittel

Standard-Abweichung

Maximum

Minimum Bereich

Zugfestigkeit (kp • mm-2) 99,320 3,102 104,4 96,66 ~7,7

Fliessfestigkeit (kp-mm-2) 99,320 3,102 104,4 96,66 ~7,7

Längenausdehnung (%) 13,6 0,50 14,3 12,9 1,4

Querschnittsabnahme (%) 56,65 0,57 57,5 55,9 1,6

Beispiel 8

Mittels des gleichen Vorgehens wie es im Beispiel 2 beschrieben ist, wurden wiederum Proben gemäss dem erflndungsgemässen Verfahren hergestellt. Die Kaltverformung hatte diesmal eine Querschnittsverminderung von 30% zur

Folge. Die Proben wurden zuletzt bei einer Temperatur von ungefähr 343 °C spannungsfrei geglüht.

Die Messresultate der Untersuchungen der Proben aus 40 dem Beispiel 8 ergaben die Daten, die in den Tabellen 19 und 20 zusammengestellt sind.

Tabelle 19

Chargennummer

I

II

III

IV

V

Zugfestigkeit (kp • mm-2)

98,07 94,48 94,83 97,72 91,81

Fliessfestigkeit (kp-mm-2)

98,07

94,48

94,83

97,2

90,55

Längenausdehnung (%)

14,3 15,0 14,3 14,3 15,0

Querschnittsabnahme (%)

56,9 60,2 59,2 60,2 59,9

Tabelle 20

Eigenschaften Mittel Standard- Maximum Minimum Bereich

Abweichung

Zugfestigkeit (kp • mm-2)

95,383

2,303

97,72

91,81

~6,2

Fliessfestigkeit (kp • mm-2)

95,130

2,714

98,07

90,55

~7,5

Längenausdehnung (%)

14,58

0,34

15,0

14,3

0,7

Querschnittsabnahme (%)

59,3

1,24

60,2

56,9

3,3

Beispiel 9

65

In den Tabellen 21 und 22 sind die entsprechenden

Das Vorgehen von Beispiel 8 wurde wiederholt, mit der sultate der Messungen zusammengefasst. einzigen Änderung, dass das spannungsfreie Glühen der Proben bei ungefähr 371 °C geschah.

11

Tabelle 21

637 161

Chargennummer

Zugfestigkeit

Fliessfestigkeit

Längenausdehnung

Querschittsab-

(kp-mm 2)

(kp ■ mm-2)

(%)

nahme (%)

I

96,59

14,3

59,5

II

91,11

15,0

62,6

III

91,60

90,19

15,7

62,5

IV

96,59

15,0

62,0

V

87,86

86,33

16,0

62,4

Tabelle 22

Eigenschaften

Mittel

Standard-

Maximum

Minimum

Bereich

Abweichung

Zugfestigkeit (kp • mm 2)

92,866

3,227

96,59

87,86

~8,2

Fliessfestigkeit (kp

•mm 2)

92,163

3,956

96,59

86,33

~ 10,3

Längenausdehnung (%)

15,2

0,60

16,0

14,3

1,7

Querschnittsabnahme (%)

61,8

1,17

62,6

59,5

3,1

In der folgenden Tabelle 23 sind die Daten aus den im voraus beschriebenen Beispielen summarisch dargestellt.

Tabelle 23

Zusammenfassung der Mittelwerte der mechanischen Eigenschaften aus den Beispielen 1-9 Erfindungsgemässes Verfahren - Kaltziehen mit 20% Querschnittsverminderung

Eigenschaften warmgewalzt in Wasser kaltgezogen spannungsfrei geglüht bei

abgeschreckt

316 °C

343 °C

371 °C

Zugfestigkeit (kp • mm""2)

45,0

69,6

94,2

91,4

90,0

89,3

Fliessfestigkeit (kp ■ mm-2)

28,8

46,4

94,2

91,4

88,6

87,9

Längenausdehnung (%)

37

23

11,8

14

15,6

16,5

Querschnittsabnahme (%)

69

65

55

57

61

Erfindungsgemässes Verfahren - Kaltziehen mit 30%iger Querschnittsverminderung

Eigenschaften warmgewalzt in Wasser kaltgezogen spannungsfrei geglüht bei

abgeschreckt

316 °C

343 °C

371 °C

Zugfestigkeit (kp • mm""2)

45,0

69,6

99,8

99,1

95,6

92,8

Fliessfestigkeit (kp • mm-2)

28,8

46,4

99,8

99,1

94,9

92,1

Längenausdehnung (%)

37

23

11

13,6

14,6

15,2

Querschittsabnahme (%)

69

65

51

55,7

59,3

61,8

Konventionell kaltgezogener Stahl 1018 mit 20%iger Querschnittsverminderung

Zugfestigkeit (kp • mm"2) Fliessfestigkeit (kp • mm-2) Längenausdehnung (%) Querschnittsabnahme (%)

61,9 52,7

17.5

55.6

Aus den Daten der Tabelle 23 folgt, dass der Stahl, welcher gemäss dem erflndungsgemässen Verfahren erhalten wird, gegenüber einem nur warmgewalzten Stahl mit einer Zugfestigkeit von ungefähr 42,2 kp • mm 2 praktisch eine Verdoppelung der Zugfestigkeit auf ungefähr 91,4 kp • mm-2 zeigt. Signifikant dabei ist, dass die Erhöhung der mechanischen Festigkeiten des Werkstoffes viel höher sind auch verglichen mit solchen, die nach dem Warmwalzen kalt verformt worden sind. Warmgewalzte und anschliessend kalt verformte Proben gemäss dem Stand der Technik ergeben Zugfestigkeit von ungefähr 61,9 kp • mm-2, währenddem erfindungsgemäss hergestellte Proben Zugfestigkeiten von ungefähr 94,2 kp • mm-2 ergeben. Neben dieser starken Erhöhung der Festigkeiten wird die Duktilität, falls überhaupt, durch das erfindungsgemässe Verfahren nur minimal beein-

flusst. Stahlproben, die gemäss dem erflndungsgemässen 55 Verfahren erhalten werden, zeigen also gegenüber konventionell hergestellten Proben stark erhöhte Festigkeiten und praktisch gleichbleibende Duktibilität.

6o Beispiel 10

Dieses Beispiel illustriert das erfindungsgemässe Verfahren an Kohlenstoffstählen mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt. Angewendet wurde hier das Verfahren auf einer Stahl AISI/ SAE Nr. 1144. Proben dieser Stahlart wurden zuerst warm-65 gewalzt, nachher kaltgezogen und schliesslich noch einmal bei erhöhten Temperaturen verformt.

Die mechanischen Eigenschaften von derart vorbereiteten Stahlproben sind in der Tabelle 24 zusammengestellt.

637161

Tabelle 24

Eigenschaften warmge- kaltgezogen heissgezogen walzt bei 343 °C

Zugfestigkeit 75,43

104,2

116,2

(kp-mm-2)

Fliessfestigkeit 42,32

103,1

114,7

(kp • mm-2)

Längenausdehnung 16

7

6

(%)

Querschnittsabnahme 30

23,6

16,5

(%)

Stäbe der gleichen Stahlsorte wurden nun erfindungsgemäss behandelt. Vorerst wurden sie bei einer Temperatur von ungefähr 843 °C austenitisiert und hierauf in flüssigem Blei bei einer Temperatur von ungefähr 343 °C eine Minute lang abgeschreckt. Die gleichen Stäbe wurden hierauf bei der zuletzt genannten Temperatur heissgezogen. Die Querschnittsverminderung betrug dabei 20%. Die mechanischen Eigenschaften von so erhaltenen Stahlproben sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle 25

Zugfestigkeit 127,7

Fliessfestigkeit 125,6

Längenausdehnung (%) 8

Querschnittsabnahme (%) 27,8

Wie aus den Daten der Tabellen 24 und 25 ersichtlich ist, wird mittels des erflndungsgemässen Verfahrens auch an Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt eine wesentliche Erhöhung der mechanischen Festigkeiten gegenüber konventionell hergestellten Proben erreicht. Dabei werden nicht nur Zug- und Fliessfestigkeit erhöht, die Duktilität, dargestellt durch die Querschnittsverminderung, ist sogar vergleichbar mit Werten von nur warmgewalzten Proben.

Beispiel 11

Stahlproben derselben Art wie in Beispiel 10 wurden vorerst bei Temperaturen von ungefähr 982 °C austenitisiert, anschliessend 1 Minute lang in flüssigem Blei von ungefähr 343 CC abgeschreckt und hierauf bei der gleichen Temperatur heissgezogen. Die Querschnittsreduktion betrug 20%. Die mechanischen Eigenschaften dieser Proben sind in der Tabelle 26 zusammengefasst.

12

Tabelle 26

Zugfestigkeit 127,4

Fliessfestigkeit 125,6

Längenausdehnung (%) 10

5 Querschnittsabnahme (%) 33,2

Auch hier fehlt wiederum die starke Erhöhung der Festigkeiten.

10 Beispiel 12

Analog dem Vorgehen von Beispiel 10 wurden Stahlproben der Sorte 1144 bei 1010 °C austenitisiert, anschliessend 1 Minute lang in flüssigem Blei abgeschreckt und darauf an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.

15 Nachher wurden die Proben wiederum auf 343 °C erwärmt und bei dieser Temperatur heissgezogen. Die Querschnittsverminderung betrug dabei 20%. Die mechanischen Eigenschaften von derart vorbereiteten Proben sind in der Tabelle 27 zusammengestellt.

20

Tabelle 27

Zugfestigkeit 136,7

Fliessfestigkeit 136,2

25 Längenausdehnung (%) 7

Querschnittsabnahme (%) 26,5

Der Vergleich der Werte aus den Beispielen 11 und 12 zeigt, dass eine Zwischenabkühlung auf Raumtemperatur an 3o der Luft nach dem Abschrecken keine negativen Einflüsse auf die letztlich erreichbaren Festigkeitswerte hat.

Ohne die Erfindung mit der folgenden Theorie irgendwie einschränken zu wollen wird angenommen, dass der Grund für die erfindungsgemäss erhaltenen Festigkeitsverbesserun-35 gen darin liegt, dass die Abschreckung dazu dient, die Umwandlung des austenitisierten Stahls zu einem Stahl mit einem feinkörnigen Gefüge aus nadelförmigem, proeutek-toidem Ferrit und einem feinverteilten, eutektoiden Aggregat aus Ferrit und Eisenkarbid zu vervollständigen. Diese 40 vollständige Umwandlung ist ein wichtiges Charakteristikum dieser Erfindung und unterscheidet diese vom Verfahren des US-Patents Nr. 3 240 634. Im Verfahren des zuletzt genannten US-Patents werden Stähle verformt, bevor die Umwandlung von Austenit in Bainit abgeschlossen ist. 45 Im Verfahren gemäss dieser Erfindung ist die Umformung von Austenit zu Ferrit im wesentlichen abgeschlossen, bevor die Verformung ausgeführt wird. Dadurch werden ja auch die signifikanten Erhöhungen der Festigkeitswerte gegenüber den anderen Stahlsorten erreicht.

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims

637 161

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Erhöhung der mechanischen Festigkeiten von Kohlenstoff- oder legiertem Stahl mit 0,1 Gew.-% C bis zum eutektoiden Kohlenstoffgehalt, gekennzeichnet durch

(1) Erhitzen des Stahls auf Austenitisierungstemperatu-ren, wobei die Erhitzungsgeschwindigkeit so hoch gewählt wird, dass die entstandenen Austenitkörner nur minimal wachsen,

(2) Abkühlen des austenitisierten Stahls, wobei ein feinkörniges Gefüge von nadeiförmigem, hypoeutektoidem Ferrit und ein fein verteiltes, eutektoides Aggregat aus Ferrit und Eisencarbid erhalten wird und

(3) Verformen des abgekühlten Stahls.
2. Stahl erhöhter mechanischer Festigkeiten, hergestellt mittels des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1.
3. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein legierter Stahl mit den Legierungskomponenten innerhalb der folgenden Limiten c

0,1

bis

0,8

Gew.-%

Mn

0,5

bis

1,65

Gew.-%

S

0,01

bis

0,5

Gew.-% und

Si

0,1

bis

0,35

Gew.-%,

oder ein AISI/SAE 1018 Stahl ist.
4. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der unlegierte Kohlenstoff-Stahl einen Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,5 Gew.-% hat.
5. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der unlegierte Kohlenstoff-Stahl auf Austeniti-sierungstemperaturen zwischen 730 und 1094 °C erhitzt wird.
6. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unlegierte Kohlenstoff-Stahlstück in einer Zeit von weniger als 10 Minuten auf die Austenitisierungs-temperatur erhitzt wird.
7. Verfahren gemäss Patentansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das unlegierte Kohlenstoff-Stahlstück mittels Durchleiten von elektrischem Strom auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird.
8. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erhitzte unlegierte Kohlenstoff-Stahlstück zur Abkühlung in Wasser abgeschreckt wird.
9. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschreckte unlegierte Kohlenstoff-Stahlstück zur Verformung durch eine Form zur Verminderung der Querschnittsfläche des Stückes gepresst oder gezogen wird.
10. Verfahren gemäss Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Pressen oder Ziehen des Stük-kes die Querschnittsfläche um 5 bis 90% vermindert wird.
11. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des unlegierten Kohlenstoff-Stahls bei Temperaturen unter der kritischen, tieferen Umwandlungstemperatur für den Stahl ausgeführt wird.
12. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unlegierte Kohlenstoff-Stahlstück anschliessend noch von Spannungen befreit wird, um so einen Stahl zu erhalten, der hohe mechanische Festigkeiten und tiefe Restspannungen aufweist.
13. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unlegierte Kohlenstoff-Stahlstück abschliessend noch gerichtet wird.
14. Verfahren gemäss Patentanspruch 1 zur Erhöhung der mechanischen Festigkeiten von Kohlenstoff-Stahl mit 0,1 Gew.-% C bis zum eutektoiden Kohlenstoffgehalt, gekennzeichnet durch

1) schnelles Erhitzen des Stahls auf Austenitisierungs-temperaturen, wobei die Erhitzungsgeschwindigkeit so hoch gewählt wird, dass die entstandenen Austenitkörner nur minimal wachsen,

2) Abschrecken des austenitisierten Stahls, wobei ein feinkörniges Gefüge von nadeiförmigem, hypoeutektoidem Ferrit und ein fein verteiltes, eutektoides Aggregat aus Ferrit und Eisencarbid erhalten wird,

3) Verformen des abgeschreckten Stahls bei Temperaturen unterhalb der kritischen Umwandlungstemperatur des Stahls und

4) Befreien des verformten Stahls von Spannungen, um so einen Stahl zu erhalten, der hohe mechanische Festigkeiten und tiefe Restspannungen aufweist.
15. Verfahren gemäss Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,5 Gew.-% hat, dass der Stahl auf Austenitisierungstem-peraturen zwischen 730 und 1094 °C erhitzt wird, dass das Stahlstück in einer Zeit von weniger als 10 Minuten auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird, und zwar mittels Durchleiten von elektrischem Strom, dass das erhitzte Stahlstück in Wasser abgeschreckt wird, dass das abgeschreckte Stahlstück zur Verformung durch eine Form zur Verminderung der Querschnittsfläche des Stückes gepresst oder gezogen wird, und dass das Stahlstück abschliessend noch gerichtet wird.
16. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, zur Erhöhung der mechanischen Festigkeiten von Kohlenstoff-Stahl mit 0,1 Gew.-% C bis zum eutektoiden Kohlenstoffgehalt, gekennzeichnet durch

(1) schnelles Erhitzen des Stahls auf Austenitisierungs-temperaturen mittels Durchleiten von elektrischem Strom, so dass das Stahlstück im wesentlichen gleichmäs-sig über die gesamte Querschnittsfläche erhitzt wird, wobei die Erhitzungsgeschwindigkeit so hoch gewählt wird, dass die entstandenen Austenitkörner nur minimal wachsen,

(2) Abschrecken des austenitisierten Stahls, wobei ein feinkörniges Gefüge von nadeiförmigem, hypoeutektoidem Ferrit und ein fein verteiltes, eutektoides Aggregat aus Ferrit und Eisencarbid erhalten wird und

(3) Verformen des abgeschreckten Stahls bei Temperaturen unterhalb der kritischen Umwandlungstemperatur des Stahls.
17. Verfahren gemäss Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,5 Gew.-% hat, dass das Stahlstück in einer Zeit von weniger als 10 Minuten auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird dass das erhitzte Stahlstück in Wasser abgeschreckt wird, und dass das Stahlstück anschliessend noch von Spannungen befreit wird, um so einen Stahl zu erhalten, der hohe mechanische Festigkeiten und tiefe Restspannungen aufweist.
18. Stahl erhöhter mechanischer Festigkeit gemäss Patentanspruch 2 mit Legierungs-Komponenten innerhalb der folgenden Limiten:

C 0,1 bis 0,8 Gew.-%

Mn 0,5 bis 1,65 Gew.-%

S 0,01 bis 0,5 Gew.-% und

Si 0,1 bis 0,35 Gew.-%,

erhalten nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 3.
19. AISI/SAE 1018 Stahl mit erhöhten mechanischen Festigkeiten gemäss Patentanspruch 2, erhalten nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 3.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

637 161
20. Verwendung des mittels des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1 behandelten Stahls für vorgespannte Stahlelemente.
21. Verwendung gemäss Patentanspruch 20 der nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 3 behandelten Stähle.
22. Verwendung gemäss Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemäss Patentanspruch 12 hergestellter Stahl zur Herstellung von vorgespannten Stahlelementen verwendet wird.
23. Verwendung gemäss Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemäss Patentanspruch 14 hergestell-5 ter Stahl zur Herstellung von vorgestreckten Stahlelementen verwendet wird.