DE10011758C2

DE10011758C2 - Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl und danach hergestellte Bauteile

Info

Publication number: DE10011758C2
Application number: DE10011758A
Authority: DE
Inventors: Hans-Toni Junius
Original assignee: C D WAELZHOLZ PRODUKTIONSGMBH
Current assignee: Cd Waelzholz 58093 Hagen De GmbH
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: ES2223770T3; HU225711B1; EP1263540A1; CA2404361A1; BR0109190B1; HUP0300086A2; MXPA02008871A; CZ20023038A3; SK286356B6; AU2372701A; CZ303019B6; DE50102738D1; CA2404361C; US20030029530A1; EP1263540B1; DE10011758A1; WO2001068293A1; SK13272002A3; US6953627B2; ATE270163T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von dünn wandigen Bauteilen aus Stahl, die eine innere Kernschicht und äußere Randschich ten aufweisen, wobei die Schichten bezogen auf ihre Festigkeits- und/oder Härteei genschaften zumindest teilweise unterschiedlich behandelbar sind. Ferner umfaßt die Erfindung ein dünnwandiges Bauteil aus Stahl mit einer Kernschicht und marten sitisch gehärteten Randschichten.

Dünnwandige Stahlbauteile mit einer Wanddicke von weniger als 4 mm, für die eine besonders hohe Beanspruchbarkeit gefordert wird, beispielsweise im Maschinen- und Fahrzeugbau, werden zunächst warm- und/oder kaltgeformt, spanend oder nichtspanend bearbeitet und anschließend durch thermische Behandlung behandelt, nämlich martensitisch oder bainitisch wärmebehandelt. Aus durchhärtendem Stahl entsteht dabei ein Bauteil mit über den gesamten Querschnitt durchgehender, gleichmäßiger, hoher Härte, welches allerdings eine geringe Zähigkeit hat. Eine gün stigere Kombination verschleißfester Oberflächen mit hoher Zähigkeit in der Kernzo ne wird durch die Verwendung von Einsatzstählen erreicht. Durch eine aufkohlende Behandlung in einem thermochemischen Härteprozeß werden vergütete, harte Randschichten erzeugt, während die Kernschicht weiterhin eine hohe Zähigkeit bei behält. Den vorteilhaften Gebrauchseigenschaften steht jedoch ein relativ aufwendi ges Herstellungsverfahren gegenüber. Durch die relativ lange Einsatzhärtezeit von beispielsweise 180 Minuten bei 850-950°C und die anschließende Abschreckung im Ölbad oder im Gasstrom ist nämlich ein Härteverzug unvermeidlich. Diese verur sacht Maß- und Formabweichungen, welche eine aufwendige Nacharbeitung erfor derlich machen, welche den Herstellungs- und Kostenaufwand ganz erheblich er höht. Außerdem liegt ein relativ grobes Härtegefüge vor, welches eine Austenit- Korngröße nach DIN 50601 von beispielsweise 5 oder 6 hat. Dadurch entsteht eine Neigung zu Korngrenzenrissen an den interkristallinen Korngrenzen.

Als Ersatz für die Einsatzhärtung ist weiterhin die Verwendung von walzplattiertem Stahl bekannt, wobei zwei oder mehrere, unterschiedlich legierte Bänder oder Ta feln, vorzugsweise aus Kaltband, zusammengewalzt werden. Durch den Druck und die Temperatur werden die Kern- und Randschichten aus unterschiedlichen legierten Stählen im Walzspalt an den Oberflächen innig miteinander verbunden. Durch die anschließende Glühung entsteht durch Diffusionsvorgänge der metallische Verbund. Ein derartiges Walzplattierverfahren wird beispielsweise in der DE 41 37 118 A1 an gegeben. Dadurch entsteht jedoch ein abrupter, sprunghafter Übergang zwischen den unterschiedlichen Materialschichten. Der Härteübergang zwischen in ihren Fe stigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten und nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten ist daher ebenfalls entspre chend steil, so daß aufgrund der lastinduzierten Spannungsgradienten relativ dicke Randschichten erzeugt werden müssen. Durch die relativen Spannungen besteht an der Grenzfläche zudem unvermeidlich die latente Gefahr, daß die Randzonen bei Beanspruchung durch Streckgrenzenüberschreitung im Fügebereich abplatzen. Die sem Nachteil kann wie oben erwähnt, lediglich durch dicker dimensionierte Rand schichten begegnet werden, was jedoch wiederum zu einer unerwünschten höheren Wanddicke der Bauteile führt und zudem die Herstellung erschwert.

Ausweislich der DE 196 31 999 A1 ist zur Herstellung von Verbundblechen bereits vorgeschlagen worden, in einer Stranggießanlage Kern- und Randschichten zusam menzugießen. Dadurch soll ein Stahl-Schichtwerkstoff erzeugt werden. Die Proble matik bei der Erzeugung unterschiedlich wärmebehandelter bzw. gehärteter Schich ten wird jedoch nicht aufgegriffen. Ein ähnliches Stranggießverfahren wird in der DE 33 46 391 A1 angesprochen, bei dem ebenfalls Schichtbleche in eine Schmelze ein gebettet werden. Die Problematik bei der Realisierung von unterschiedlich wärme behandelten bzw. gehärteten Schichten wird darin jedoch ebenfalls nicht angespro chen. Die vorgenannten Stranggußverfahren bzw. -anlagen sind zudem offensicht lich allein zur Herstellung relativ dicker Platinen bzw. Bleche geeignet, und nicht zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen. Ähnlich verhält es sich mit dem aus der US-PS 3 457 984 hervorgehendem Stand der Technik. Dieser bezieht sich lediglich darauf, den Gußstrang einer Stranggießanlage mit Blech zu ummanteln.

Aus der DE 198 50 213 und der DE-OS 15 08 876 schließlich sind Herstellverfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen bekannt, die einen mehrschichtigen Aufbau aus unterschiedlichen Stahlwerkstoffen aufweisen und im Wege des Gießens eines flüssigen Stahlwerkstoffes in eine Umgrenzung aus einem festen Stahlwerkstoff her gestellt werden. Hierdurch werden Verbundmaterialien herstellbar, bei denen etwa an der Oberfläche gegenüber Korrosion oder chemischen Angriffen resistente Mate rialien angeordnet sind, ohne das Halbzeug vollständig aus derart teurem und hoch wertigem Material herstellen zu müssen. Eine unterschiedliche Gefügebehandlung einzelner Schichten ist hierin nicht beschrieben.

Angesichts dessen ergibt sich für die vorliegende Erfindung die Aufgabenstellung, ein rationelles Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Bauteile aus Stahl mit unter schiedlich behandelten, insbesondere unterschiedlich härtbaren Schichten an zugeben. Ferner soll ein Bauteil mit wärmebehandelten, d. h. gehärteten Schichten angegeben werden, welches verbesserte Eigenschaften hat und durch den verrin gerten Aufwand insbesondere kostengünstiger als bisher hergestellt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die nachfolgenden Verfahrensschritte vor:

- Verbinden von Kern- und Randschichten aus unterschiedlich behandelba ren Stahllegierungen in einem Gießverfahren zu einem Verbundwerkstoff mit flach verlaufendem Legierungsgradienten an den Grenzflächen,
- Verformen des Verbundwerkstoffs auf das Maß der dünnwandigen Bautei le,
- Wärmebehandlung der Bauteile, wonach die Schichten aus den unter schiedlich behandelbaren Stahllegierungen unterschiedliche Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, Kern- und Rand schichten aus Stahlwerkstoffen mit unterschiedlichen Wärmebehandlungseigen schaften, nämlich insbesondere unterschiedlichen martensitischen Härtbarkeitsei genschaften, so miteinander zu kombinieren, daß dünnwandige Bauteile zur Verfü gung gestellt werden, welche die jeweiligen Vorteile der Einsatzhärtung und der Walzplattierung in sich vereinen.

Im einzelnen wird durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung des Verbund werkstoffs eine Festigkeitsverteilung erzeugt, die mit dem allgemein als besonders vorteilhaft angesehenen Einsatzhärteverlauf vergleichbar ist. Im Gegensatz zum Einsatzhärten tritt beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch praktisch kein Verzug auf, so daß ein präzises, maß- und formgenaues Bauteil zur Verfügung gestellt wird, ohne daß Maßkorrekturen erforderlich sind. Weiterhin wird durch den erfindungsge mäß vorgegebenen, flachen Legierungsgradienten an den Grenzflächen zwischen den Schichten die Bildung von inneren Werkstoffkerben, wie sie beim Walzplattieren, wie eingangs erwähnt, unvermeidlich sind, vermieden. Dank des dadurch optimierten Härte- und Festigkeitsgradienten besteht keine Gefahr mehr, daß die Randschichten durch Streckgrenzenüberschreitung im Fügebereich, also an der Grenzfläche, bei hoher Lastspannung abplatzen.

Vorzugsweise werden die einzelnen Schichten aus Stahllegierungen mit unterschied lichen martensitischen Härtbarkeitseigenschaften, d. h. unterschiedlichen Gehalten an Kohlenstoff, Chrom und Mangan gebildet, wobei die nachfolgende Veränderung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften durch martensitisches oder bainiti sches Wärmebehandeln erfolgt, d. h. einer Wärmebehandlung mit den Schritten Auf heizen-Abschrecken-Anlassen. Im Einzelnen bestehen die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten aus höher legiertem, d. h. koh lenstoffreicherem Stahl als die nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaf ten veränderten Schichten. Im Bereich des flach verlaufenden Legierungsgradienten wird in diesem Fall ein entsprechend flach verlaufender Kohlenstoffgradient reali siert. Diese Übergangszone zwischen kohlenstoffreicheren und kohlenstofformeren Schichten erstreckt sich bei einer Wanddicke der Bauteile von weniger als 4 mm über weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 15% der Wanddicke. Auf jeden Fall ist der Bereich des flachen Legierungs- bzw. Kohlenstoffgradienten breiter als 0,1 mm, also um mehr als eine Größenordnung breiter als beim bekannten Walzplattier verfahren.

Vorzugsweise bilden die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränder ten Schichten die Randschichten der Bauteile, welche dadurch oberflächenhart sind und einen Härteverlauf bekommen, welcher in etwa der Einsatzhärtung gleichkommt. Der Nachteil der Einsatzhärtung, daß aufgrund der langen Verweildauer in den Randzonen eine relativ grobe Kornstruktur auftritt, die zu einer erhöhten Mikroriß empfindlichkeit führt, wird durch die erfindungsgemäße Schichtanordnung jedoch vermieden. Durch relativ geringe Verweildauern ergibt sich nämlich in den Rand schichten ebenfalls ein verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit in der Randzone, die zu einer besonders geringen Mikrorißempfindlichkeit führt. Bevorzugt lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteile mit einer Wanddicke von weniger als 4 mm herstellen. Von der Wanddicke haben die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten, d. h. die martensitisch gehärte ten Schichten, einen Querschnittsanteil von etwa 10% bis 50%. Alternativ kann auch die Kernschicht der Bauteile in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften ver ändert sein, beispielsweise gehärtet, während die Randschichten aus nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Stahllegierungen oder rost freien Stählen bestehen.

Die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten aus Werkstoffen wie beispielsweise C 55, C 67 oder andere Stähle der EN, 100 Cr 6 oder X 20 Cr13, X 35 CrMo 17 bilden vorteilhafterweise die Randschichten, während die Kernschichten aus nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften ver änderten Werkstoffen wie beispielsweise DC 01 oder C 10 bestehen. Für bestimmte Anwendungen können die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften verän derten Schichten jedoch ebenfalls die Kernschichten bilden, beispielsweise einen Federstahlkern aus C 60, C 67 oder C 75, während die Randschichten aus gut ver formbaren Stählen wie z. B. C 10 oder DC 01 bestehen, oder auch aus rostbeständi gen Stählen wie X 5 CrNi 1810.

Der erfindungsgemäße Legierungsgradient zwischen den Rand- und Kernschichten kann dadurch erzeugt werden, daß zur Herstellung des Verbundwerkstoffs für die Randschichten Platinen aus martensitisch härtbarem Stahl parallel mit Abstand zu einander angeordnet werden und die dazwischen befindliche Kernschicht mit schmelzflüssigem, kohlenstoffärmerem Stahl vergossen wird. Zur Ausbildung der Randschichten wird beispielsweise Kalt- oder oberflächenbehandeltes Warmband mit vorgegebener chemischer Analyse, insbesondere hohem Kohlenstoffgehalt ver wendet. Durch den schmelzflüssig dazwischen eingegossenen Kernwerkstoff, der einen geringeren Kohlenstoffgehalt hat, kommt es zu einem lokalen Aufschmelzen der Platinen an den Werkstoffgrenzflächen, wodurch sich aufgrund von Diffusions prozessen ein flacher Legierungs- bzw. Kohlenstoffgradient, mit einer Tiefe von etwa 0,1-0,3 mm ausbildet. Diese Eigenschaften werden durch die erfindungsgemäße Verbindung mittels eines endabmessungsnahen Gießverfahrens ermöglicht.

Vorzugsweise werden die Platinen durch die Gießräder bzw. die Gießkokille beim Eingießen des schmelzflüssigen Kernwerkstoffs von außen gekühlt. Dadurch kann selbst bei dünnen Platinen die Breite des Legierungsgradienten so gesteuert wer den, daß sie im Bereich von 0,1 mm liegt und dabei bis zu 10% vom Gesamtquer schnitt beträgt.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Platinen als Bandstahl am Rand des Gießspal tes einer kontinuierlich arbeitenden Gießanlage zugeführt werden. Alternativ kann die Gießanlage eine Stranggießanlage mit einer festen Durchlaufkokille sein oder zur Durchführung eines kontinuierlichen Gießwalzprozesses mit den Gießspalt begren zenden, rotierenden Rollen (Gießrädern) ausgestattet sein. Erfindungsgemäß wird das Band, welches die Randschichten bildet, beidseitig längs der Rollen oder Kup ferbacken am Rand des Schmelzensumpfes in den Gießspalt eingeführt. Zumindest auf ihren Innenseiten, wo der flüssige Kernwerkstoff eingegossen wird, müssen die Bänder durch entsprechende Oberflächenbehandlung blank, zunder- und oxydfrei sowie ggf. aufgerauht sein.

Um eine unerwünschte Oxydation der Wandoberfläche durch die Erwärmung bei der Zuführung in den Gießspalt zu unterbinden, ist es vorteilhaft, den einlaufenden Bandstahl bzw. die Platinen unter einer oxydationsverhindernden Abdeckung zuzu führen. Bevorzugt kann dies eine Schutzgasatmosphäre sein. Eine derartige Schutz gasglocke wird durch Zuführung von Inertgasen bzw. Inertgasgemischen erzeugt.

Sobald die Schmelze des Kernwerkstoffs in Kontakt mit der Bandoberfläche kommt, wird diese auf über 950°C aufgeheizt, so daß durch Diffusionsverschweißung der Schmelze mit der Bandoberfläche eine metallische Fügung mit dem erfindungsge mäßen flachen Legierungsgradienten entsteht. Durch das die Randschichten bilden de Band (Warmband) wird die Wärme weiter an die Kupferrollen oder die Kokillen wände abgegeben, so daß die Bänder nicht vollständig aufschmelzen, was nicht er wünscht wäre. Die Folge dieses Gießverbundes im endabmessungsnahen Wanddic kenbereich ist eine Steigerung der Gießleistung, da die Wärmeabfuhr durch die Auf heizung der zugeführten Randschichten erfolgt, das heißt der Gießspalt wird durch das zugeführte, kalte Material gekühlt.

Dem vorgenannten Vergießen schließt sich vorzugsweise ein Warmwalzvorgang an. Durch die dabei herrschenden Temperaturen von oberhalb 950°C wird aufgrund der hohen Flächenpressung und Verformung sichergestellt, daß eine vollständige Ver schweißung der Schichten in der erfindungsgemäß angestrebten Weise sicher er reicht wird, und zwar selbst dann, wenn die metallische Fügung beim Kontakt der Schmelze mit der Bandoberfläche nicht ausreichend gewesen sein sollte. Es bildet sich spätestens dann ein flacher Werkstoffübergangsgradient zwischen den Schich ten aus, der im 0,1 mm-Bereich liegt. Die Oberfläche des Walzgutes erhält einen walznarben- und zunderarmen Zustand ohne Flämm- oder Schlichtarbeitsgänge.

Anschließend wird der Verbundwerkstoff durch Warm- und/oder Kaltwalzen mit ei nem Abwalzgrad von regelmäßig mehr als 30% auf eine Dicke von 1 bis 5 mm aus gewalzt. Vorzugsweise durch anschließendes Kaltwalzen erfolgt die endgültige, maßhaltige Formgebung auf die Wanddicke der Bauteile, welche im Bereich bis zu 4,0 mm liegt, wobei die Oberfläche geringste Fehlertiefen und hohe Porenfreiheit aufweist, was die Voraussetzung für die spätere Verwendung für hochbeanspruchte Bauteile, beispielsweise Maschinenbauteile ist. Gegebenenfalls kann zur endgültigen Formgebung mehrfaches Kaltwalzen und Zwischenglühen erforderlich sein.

Vor der Weiterverarbeitung durch Biegen, Stanzen oder dergleichen wird der auf Maß gewalzte Verbundwerkstoff vorzugsweise einer Rekristallisations- bzw. Weich glühung auf etwa 730°C unterzogen. In diesem weichgeglühten Zustand eignet sich der Verbundwerkstoff gut zur Kaltformung, beispielsweise von Maschinenbauteilen.

Abschließend wird der auf Maß geformte Verbundwerkstoff zur Veränderung der Fe stigkeits- und/oder Härteeigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der eine martensitische Härtung der in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten erfolgt. Durch die an sich bekannte Abfolge der Verfahrens schritte Erwärmen-Abschrecken-Anlassen werden die unterschiedlich härtbaren Schichten, beispielsweise die Randschichten, martensitisch gehärtet, während die niedriger legierten Bereiche geringere Härte aufweisen und weiterhin ihre Zähigkeit behalten.

Durch eine partielle Wärmebehandlung, beispielsweise mittels Laser- oder Elektro nenbestrahlung, kann eine lokal begrenzte Veränderung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften, das heißt Härtung erfolgen. Alternativ kann eine Veränderung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften im Kurzzeit-Durchlaufverfahren erfol gen, bevorzugt in einem Schutzgasofen. Diese ermöglicht eine besonders rationelle Fertigung von funktionsoptimiertem Bandmaterial und Bauteilen.

Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten hat ein nach den vorgenannten Verfahren hergestelltes, dünnwandiges Bauteil aus Stahl, mit einer weichen Kern schicht und martensitisch gehärteten Randschichten, welches aus einem kaltgeform ten, gehärteten Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der kohlenstoffreiche, mar tensitisch gehärtete Randschichten und eine relativ dazu kohlenstofformere Kern schicht hat, wobei der Kohlenstoffgradient zwischen den Schichten flach verläuft. Dieses erfindungsgemäße Bauteil zeichnet sich dadurch aus, daß es hinsichtlich Härteverlauf und Festigkeitsverteilung einem einsatzgehärteten Stahlbauteil nahe kommt. Durch die Verwendung eines Mehrschicht-Verbundwerkstoffs aus unter schiedlich martensitisch härtbaren Schichten können dabei jedoch Materialeigen schaften vorgegeben werden, welche mit anderen Härteverfahren nicht erreichbar sind. Dank der flachen Übergangszone ist eine Angleichung der Vergleichsspan nungsbedingungen an den Lastspannungsverlauf im Querschnitt gegeben. Entspre chend ergibt sich eine rationellere Fertigung bei optimierten Funktionseigenschaften, wie poren- und entkohlungsfreie Oberfläche ohne Randoxidation der Korngrenzen mit einer Austenitkorngröße feiner als 8 nach DIN 50601. Alternativ kann das Bauteil auch nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Randschich ten, beispielsweise aus rostfreien Stahllegierungen, und eine in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Kernschicht haben, beispielsweise aus Fe derstahl.

Die Wandungsdicke des erfindungsgemäßen Bauteils beträgt vorzugsweise bis zu 4,0 mm. Der Kohlenstoffgradient im Übergangsbereich erstreckt sich über etwa 10 bis 30% der Wandungsdicke, also auf jeden Fall über mehr als 0,1 mm.

Die Werkstoffe für die Rand- und Kernschichten werden vorzugsweise so aufeinan der abgestimmt, daß die Härte der Kernschicht mindestens 30% bis 50% der Härte der Randschichten entspricht.

Das Bauteil kann sowohl aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, bei spielsweise aus einer niedrig legierten Kernschicht und hoch legierten Randschich ten. Die chemische Zusammensetzung der Randschichten kann jedoch bei Bedarf ebenfalls unterschiedlich sein, so daß insgesamt mindestens drei Schichten mit un terschiedlichen Werkstoffeigenschaften vorhanden sind. Dadurch läßt sich eine wei ter verbesserte Funktionsoptimierung der Bauteile erreichen, wie Korrosionsschutz oder Schmelzschweißbarkeit.

Weiterhin lassen sich bei erfindungsgemäß hergestellten Bauteilen asymmetrische Federwege oder selbst einstellende Federwege bzw. -kräfte realisieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezug nahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauteil;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Gießanlage zur Herstellung von erfindungsgemäßem Bandmaterial.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein kaltgeformtes, martensitisch randschichtgehärte tes Bauteil 1. Dieses wird vorzugsweise aus Bandmaterial mit einer Gesamtdicke S gebildet, die im Bereich von 0,3 bis 4,0 mm liegt.

Das dargestellte Bauteil besteht aus Stahl-Schichtwerkstoff mit mehreren Schichten. Diese umfassen im einzelnen einen Kernbereich B aus kohlenstoffarmer Legierung und Randschichten A aus kohlenstoffreicherem, martensitisch gehärtetem Stahl. Die Kernschicht B besteht beispielsweise aus Ck10, DC01, C 10, C 35 oder C 53. Die äußeren Randschichten bestehen beispielsweise aus Ck67, C 55, C 67, oder auch 102 Cr6, x5 Cr Ni 1810 oder dergleichen. Die Randschichten A können ihrerseits auch aus Stahllegierungen mit jeweils unterschiedlichen Analysen bestehen.

Die Besonderheit des dargestellten Bauteils 1 liegt darin, daß die Schichten A, B, A bereits vor der Kaltverformung auf das Endmaß S gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbunden worden sind, so daß an den Schichtgrenzen breite Übergangszonen G ausgebildet worden sind, welche schraffiert angedeutet sind und in denen sich durch Kohlenstoffdiffusion zwischen den Schichtwerkstoffen ein flacher Kohlenstoffgradient ausgebildet hat, der sich im Bereich von mehreren 1/10 mm be wegt.

Das gesamte Bauteil 1 (Fig. 1) ist, nach dem es beispielsweise zu einem Maschi nenbauteil kaltgeformt worden ist, einem martensitischen Härteprozeß unterzogen worden. Dadurch sind die Randschichten A gehärtet, während der Kern B eine relativ große Zähigkeit beibehält. Dank des erfindungsgemäß flachen Kohlenstoffgradienten G liegt an den Schichtgrenzen ein flacher Spannungsverlauf vor, so daß keine Ge fahr des Abplatzens der Randschichten A von der Kernschicht B besteht, wie dies beispielsweise bei dem walzplattierten Band gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Beim martensitischen Härten tritt praktisch kein Härteverzug, das heißt keine un erwünschte Form- und Maßänderung auf, so daß das Bauteil 1 bereits vor dem Här tevorgang auf das Endmaß S gebracht werden kann und keine Nacharbeit erforder lich ist, wie dies beim Einsatzhärten der Fall ist. Durch die Auswahl der Schichtwerk stoffe wird dabei jedoch ein vorteilhafter Festigkeits- und Härteverlauf erreicht, der mit der Einsatzhärtung vergleichbar oder besser ist. Die Durchhärtung der Rand schichten A bei dem erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff kann nämlich mit einer Kurzzeitwärmebehandlung erfolgen, also mit einer deutlich kürzeren Austenitisie rungszeit als beim Einsatzhärten. Dadurch erhalten die Randschichten A ein feinkör nigeres Härtegefüge, als es durch Einsatzhärtung erreichbar wäre. Ein etwaiger Riß fortschritt ist folglich nicht interkristallin, sondern transkristallin geprägt, was eine deutliche Verbesserung der Zähigkeit und entsprechend eine Erhöhung der Lebens dauer mit sich bringt.

Alternativ kann das erfindungsgemäße Bauteil 1 gemäß Fig. 1 auch eine in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Kernschicht B, die insbesonde re martensitisch oder bainitisch gehärtet ist, und relativ dazu nicht oder weniger in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Randschichten haben, wobei es aus einem kaltgeformten, in seinen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaf ten veränderten Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der eine kohlenstoffreiche, in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Kernschicht B und rela tiv dazu kohlenstofformere Randschichten A hat, wobei die Zone des Kohlenstoff gradienten G, wie vorangehend erläutert, zwischen den Schichten A, B flach verläuft. Dabei sind zur Herstellung von Federelementen besonders interessante Werkstoff paarungen mit einem in seinen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränder ten Federstahl im Kern und korrosionsarmen, beispielsweise rostfreien Legierungen in den Randschichten A denkbar. Dadurch läßt sich beispielsweise ein asymmetri scher Federweg oder eine selbst einstellende Federkraft vorgeben.

Fig. 2 zeigt schematisch eine kontinuierlich arbeitende Zweirollen-Gießwalzanlage. Diese weist zwei rotierende, wassergekühlte Kupferrollen 2 auf, die einen Gießspalt von 1-5 mm Breite begrenzen. Von oben wird der Schmelzensumpf 3 über ein Tauchrohr 4 mit schmelzflüssigem Material B beaufschlagt. Entlang der Ränder des Gießspalts wird von Vorratscoils Bandmaterial A zugeführt. Mit dem im Gießspalt vergossenen Kernmaterial B findet dort die Verbindung zwischen dem als Stahl warmband zugeführten Werkstoff A und dem schmelzflüssig zugeführten Werkstoff B statt. Durch die hohe Flächenpressung bei Temperaturen von oberhalb 950°C beim Warmwalzen erfolgt auf jeden Fall eine optimale metallische Fügung.

In der dargestellten Anlage sorgt die Wärmeabfuhr über die Kupferrollen 2 durch das Stahlwarmband A hindurch dafür, daß der Kohlenstoffgradient G das Stahlwarm band A nicht zu weit durchsetzt. Auf jeden Fall bleibt damit eine hinreichend dicke Randschicht des kohlenstoffreichen, martensitisch härtbaren Randmaterials A vor handen, um in den nachfolgenden Änderungen der Festigkeits- und/oder Härteei genschaften und Härteverfahren Bauteile mit dem dargestellten Härteverlauf bzw. der Festigkeitsverteilung zu erhalten.

Mit der dargestellten erfindungsgemäßen Anlage lassen sich Stahl-Schichtwerkstoffe mit extrem unterschiedlichen Eigenschaften bezüglich der Festigkeits- und/oder Här teeigenschaften der einzelnen Schichten herstellen. Der kaltverformbare Verbund werkstoff läßt sich besonders gut und rationell bereits auf Endmaß verarbeiten. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren kommt es beim nachfolgenden Härten we der zu einem nachteiligen Härteverzug, noch besteht die Gefahr des Abplatzens von Randschichten. Diese weisen nämlich ein feines, zähes Härtegefüge auf, welches selbst bei hoher Beanspruchung oder Kurzzeitüberlastung nicht zum Bruch des Bau teiles führt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen aus Stahl, die eine in nere Kernschicht und äußere Randschichten aufweisen, wobei die Schichten bezogen auf ihre Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften zumindest teilweise unterschiedlich behandelbar sind, aufweisend die Verfahrensschritte

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten un terschiedliche martensitische Härtbarkeitseigenschaften haben und die Verän derung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften durch martensitisches Härten erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten aus höher le giertem Stahl bestehen als die nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigen schaften veränderten Schichten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kern- und Randschichten in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte und korrosionsfreie Schichten umfassen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten die Randschichten bilden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten ein verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit und geringer Mikroriß empfindlichkeit haben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten die Kernschichten bilden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile eine Wanddicke von weniger als 4 mm haben.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderten Schichten einen Querschnittsanteil von 10 bis 50% der Wanddicke haben.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Legierungsgradienten breiter ist als 0,1 mm.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Legierungsgradient auf etwa 10-25% der Wanddicke erstreckt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Verbundwerkstoffes für die Randschichten Platinen aus martensitisch härtbarem Stahl parallel mit Abstand zueinander angeordnet werden und die dazwischen befindliche Kernschicht mit schmelzflüssigem, koh lenstofformeren Stahl vergossen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinen von außen gekühlt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Pla tinen als Bandstahl am Rand des Gießspaltes einer kontinuierlich arbeitenden Gießanlage zugeführt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stranggieß anlage eine feste Durchlaufkokille hat.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießanlage rotierende, gekühlte Rollen hat, die den Gießspalt begrenzen.

17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver formen des Verbundwerkstoffs durch Warmwalzen erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verformen des Verbundwerkstoffs durch Kaltwalzen erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Maß der Bauteile verformte Verbundwerkstoff weichgeglüht und anschließend zu Bauteilen verformt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften verän derten Schichten durch eine Kurzzeitwärmebehandlung erfolgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Maß geformte Verbundwerkstoff einer Wärmebehandlung unterzogen wird zur martensitischen Härtung der in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigen schaften veränderten Schichten.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine lokal begrenzte Veränderung der in ihren Festigkeits- und/oder Härteei genschaften veränderten Schichten erfolgt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die martensitische Veränderung der Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften der Schichten im Durchlaufverfahren erfolgt.

24. Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, mit einer Kernschicht und Randschichten, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem kaltgeform ten, in seinen Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderbarem Mehr schicht-Verbundwerkstoff besteht, der in ihren Festigkeits- und/oder Härteei genschaften veränderte Randschichten und eine nicht in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Kernschicht hat.

25. Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, mit einer Kernschicht und martensitisch gehärteten Randschichten, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem kaltgeformten, gehärteten Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der kohlenstoffreiche, martensitisch gehärtete Randschichten und eine relativ dazu kohlenstofformere Kernschicht hat, wobei der Kohlenstoffgradient zwi schen den Schichten flach verläuft.

26. Dünnwandiges Bauteil aus Stahl, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, mit einer Kernschicht und Randschichten, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem kaltgeform ten, gehärteten Mehrschicht-Verbundwerkstoff besteht, der nicht in ihren Fe stigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Randschichten und eine in ihren Festigkeits- und/oder Härteeigenschaften veränderte Kernschicht hat.

27. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Bauteils weniger als 4 mm beträgt.

28. Bauteil nach Anspruch 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Koh lenstoffgradient bis zu 10% bis 30% der Wandungsdicke des Bauteils erstreckt.

29. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kohlenstoffgradient über mehr als 0,1 mm erstreckt.

30. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Randzone ein verschleißfestes Feinkorngefüge mit hoher Zähigkeit und geringer Mikrorißempfindlichkeit hat.