DE10103445A1 - Stahlwerkstoff mit hoher Ermüdungsfestigkeit sowie Verfahren zur Herstellung des Stahlmaterials - Google Patents
Stahlwerkstoff mit hoher Ermüdungsfestigkeit sowie Verfahren zur Herstellung des StahlmaterialsInfo
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Abstract
Stahlwerkstoff mit hoher Verschleißfestigkeit sowie Verfahren zur Herstellung des Stahlmaterials. DOLLAR A Ein warmgewalztes Material, wie beispeilsweise eine Stange, eine Welle oder ein Rohr, hat eine Oberfläche mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit trotz des Vorhandenseins von nicht-metallischen Einschlüssen, die es an seiner Oberfläche aufweisen kann, oder das Vorhandensein von Rissen, die es ebenfalls an seiner Oberfläche aufweisen kann. Die Oberflächenschicht wird durch Aufheizen einer Nickelschicht auf der Stahloberfläche gebildet, wobei das Nickel in die Oberfläche diffundiert.
Description
Die Erfindung betrifft ein Stahlmaterial mit hoher Ermüdungsfestigkeit in Form von
Platten oder vergleichbarem Material, das durch kontinuierliches Gießen hergestellt
ist und das warm umgeformt sein kann, um ein Rohr, runde Stangen, Platten und
ähnliches herzustellen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Stahlmaterials.
Eine Stahlplatte oder vergleichbares Stahlmaterial, welches durch kontinuierliches
Gießen hergestellt ist, wird üblicherweise zum Herstellen von Rohren, runden
Stäben, Platten und ähnlichem benutzt. Allerdings entsteht das Entfernen der
Gußhaut bei diesen Materialien durch Schneiden, Schleifen oder Schlagen ein
Produkt, das nicht-metallische Einschlüsse an der Oberfläche des Materials oder in
einer Lage unmittelbar unter der Oberfläche des Materials. Es kann auch zu kleinen
Rissen kommen, die an der Oberfläche zurückbleiben oder hier gebildet werden.
Die nicht-metallischen Einschlüsse sind zumeist Oxide, wie beispielsweise
Aluminiumoxid (Al2O3) und Calciumoxid (CaO), die einen hohen Härtegrad und
einen sehr niedrigen Dehnungsgrad in Vergleich mit Stahl aufweisen. Die meisten
der nicht-metallischen Einschlüsse und der Risse haben eine maximale Größe von
etwa 20 bis 30 Mikrometer.
Diese nicht-metallischen Einschlüsse von 20 bis 30 Mikrometer und die Risse treten
an der Oberfläche des Stahls oder darin auf, wobei sie die Ermüdungsfestigkeit von
Stahlrohren, Stangen, Platten oder dergleichen herabsetzen, wenn eine
Wechsellast auf sie in einer Umgebung, die Ermüdung verursacht, einwirkt, da sie
eine Konzentration von Ermüdungsspannung verursachen und den Beginn von
Ermüdungsversagen starten. Ich, der Erfinder dieser Erfindung, habe
herausgefunden, daß die nicht-metallischen Einschlüsse für das
Ermüdungsversagen eines Stahlmaterials, das überhaupt keine Risse aufweist oder
nur sehr kleine Risse, die kein Ermüdungsversagen verursachen können, aufweist,
verantwortlich sind. Der Ermüdungsversagenstest, den ich an Stahlmaterial mit
einer bearbeiteten Oberfläche, daß sie nur Risse von kleiner als etwa 5 Mikrometern
aufwies, ergab einen Bruch, der nicht-metallische Einschüsse von einer Größe von
etwa 20 bis 30 Mikrometer zeigte. Ich habe daraus geschlossen, daß diese
Einschlüsse das Ermüdungsversagen des Materials hervorgerufen haben. Es wird
in Betracht gezogen, daß eine Reduzierung der Ermüdungsfestigkeit von Stahl, die
durch nicht-metallische Einschlüsse verursacht ist, auf eine hohe Konzentration von
Spannungen aufgrund eines Unterschiedes in der Härte und der Dehnung zwischen
dem Stahl und der nicht-metallischen Einschlüsse zurückzuführen ist.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Stahlmaterial zu
schaffen, das eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweist, um der Benutzung in einer
Umgebung zu widerstehen, in der der Einfluß der nicht-metallischen Einschlüsse an
seiner Oberfläche oder in einer Oberflächenschicht so weit wie möglich durch
Warmbearbeitung, wie beispielsweise Schmieden, Walzen oder Strangpressen oder
durch Entfernen der Gußhaut oder ähnlichem reduziert ist.
Weiterhin liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Stahlmaterials mit einer hohen Ermüdungsfestigkeit vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Stahlmaterial gelöst, das eine
Schicht mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit aufweist, die durch Diffusion von Nickel in
die Oberfläche eines warmgeformten Materials, welches nicht-metallische
Einschlüsse aufweist, gebildet ist. Das Problem wird weiterhin durch ein Verfahren
gelöst, das folgende Schritte aufweist:
- - Plattieren der Oberfläche eines warmgeformten Stahlmaterials mit nicht- metallischen Einschlüssen, die in wenigstens einem Bereich an der Oberfläche angeordnet sind, mit Nickel und
- - Aufheizen des nickelplattierten Materials, so daß der Nickel in die Oberfläche diffundiert und sich eine Oberflächensicht mit erhöhter Verschleißfestigkeit bildet.
Wenn Stahlmaterial durch Warmformen, wie beispielsweise Schmieden, Walzen
oder Strangpressen, hergestellt ist, hat es wenigstens auf einen Teilbereich seiner
Oberfläche eine Gußhaut, die wenigstens zum Teil entfernt werden muß, um daraus
das endgültige Produkt herstellen zu können. Wenigstens die Gußhaut enthält
nicht metallische Einschlüsse, die an der Oberfläche des Stahlmaterials oder in
einer Schicht unmittelbar unterhalb der Oberfläche angeordnet sind. Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird zu diesem Zweck die Oberfläche, in der oder unter der
das Stahlmaterial diese nicht-metallischen Einschlüsse enthält, mit einer
Nickelschicht plattiert. Die Nickelschicht wird sodann aufgeheizt, um eine Diffusion
des Nickels in die Oberfläche des Stahlmaterials hervorzurufen, so daß eine
Oberflächenschicht mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit gebildet wird. Die Gußhaut
kann durch jede geeignete Methode, beispielsweise durch Schneiden, Schleifen,
Polieren, Schlagen, chemisches Polieren, elektrolytisches Polieren oder Schmelzen
entfernt werden.
Die Schicht mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit weist eine höhere Härte und ein
niedrigeres Dehnungsvermögen als Stahl auf. Dabei weisen jedoch die
nicht-metallischen Einschlüsse und die erfindungsgemäß hergestellte
Stahloberfläche zueinander eine niedrige Differenz in ihrer Härte und ihrem
Dehnungsvermögen auf. Demzufolge hat die Stahloberfläche einen geringeren Grad
von Ermüdungsbeanspruchungskonzentrationen und dadurch eine verbesserte
Ermüdungsfestigkeit. Die Schicht ist nicht besonders in ihrer Dicke begrenzt, hat
aber vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 30 Mikrometer. Sie macht das
erfindungsgemäße Stahlmaterial in hohen Maße geeignet für den Einsatz sogar in
einer Umgebung, die einen hohen Grad von Ermüdungsbeanspruchungen
verursacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jeder vorhandenen Ausrüstung
durchgeführt werden, so daß ein Stahlmaterial mit hoher Ermüdungsfestigkeit bei
niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger detaillierter Ausführungsbeispiele
näher erläutert:
Eine runde Stahlstange aus S45C (JIS) mit einem Durchmesser von 15 mm, die
durch Schneiden und Schleifen eines warmgeformten Produktes eines kontinuierlich
gegossenen Blocks hergestellt ist, wurde an seiner Oberfläche mit einer
Nickelschicht plattiert. Die Nickelschicht wurde durch herkömmliches
Elektroplattieren gebildet und weist eine Dicke von etwa 4 Mikrometer auf.
Anschließend wurde die Stange auf eine Temperatur von 1120°C für vier Minuten in
einem Heizofen mit einer inerten Gasatmosphäre geheizt und abgeschreckt.
Hierdurch entsteht an der Oberfläche der Stange infolge der Diffusion von Nickel in
die Oberfläche eine Schicht mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit, die eine Dicke von
etwa 20 Mikrometer aufweist.
Ein rationaler Biegeermüdungstest (Dauerschwingversuch unter
Biegeschwellbeanspruchung) wurde durchgeführt, um die Stange mit einer runden
Vergleichsstange, die dieselben Abmessungen aufwies, jedoch nur mit Nickel
plattiert wurde, zu vergleichen. Während an der Vergleichsstange das
Ermüdungsversagen bei 4 × 106 Lastwechseln auftrat, trat bei der Stange nach der
Erfindung selbst nach 1,2 × 107 Lastwechseln kein Ermüdungsversagen trotz des
Vorhandenseins nicht-metallischer Einschlüsse in und direkt unter der Oberfläche
auf. Dieses war offenbar auf die Reduzierung von Spannungskonzentrationen
aufgrund der Schicht mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit zurückzuführen. Eine
Untersuchung der Rißfortbildung an der Vergleichsstange offenbarte das
Vorhandensein von nicht-metallischen Einschlüssen in den Bereichen, wo die
Ermüdungsrisse starteten.
Eine runde Welle aus S45C-Stahl, die einen Durchmesser von 24 mm aufwies,
wurde durch Schneiden und Schleifen eines warmgeschmiedeten Materials
hergestellt. Die Oberfläche wurde mit einer Nickellage durch konventionelles
Elektroplattieren plattiert. Die Nickellage wies eine Dicke von 3 Mikrometer auf.
Anschließend wurde die Welle auf eine Temperatur von etwa 1200°C für zwei
Minuten in einem Heizofen mit inerter Gasatmosphäre aufgeheizt und abgeschreckt,
wobei eine Schicht von erhöhter Ermüdungsfestigkeit, die eine Sichtdicke von etwa
18 Mikrometer aufwies, an der Oberfläche der Welle aufgrund der Diffusion von
Nickel in die Oberfläche gebildet wurde.
Ein rationaler Biegeermüdungstest (Dauerschwingversuch mit
Biegeschwellbeanspruchung) wurde durchgeführt, um die Welle mit einer
Vergleichswelle, die dieselben Abmessungen aufwies, jedoch nur einfach mit Nickel
plattiert war, zu vergleichen. Während an der Vergleichswelle Ermüdungsversagen
bei 4,7 × 106 Lastwechseln auftrat, traten bei der Welle mit den
Erfindungsmerkmalen auch bei 1,2 × 107 Lastwechseln kein Ermüdungsversagen
trotz des Vorhandenseins von nicht-metallischen Einschlüssen in oder an der
Oberfläche auf. Dies wurde auf die Reduzierung von Spannungskonzentrationen an
der Welle aufgrund der Lage mit höchster Verschleißfestigkeit von einer
Schichtdicke von 18 Mikrometern aufgrund des eindiffundierten Nickels
zurückgeführt.
Eine Untersuchung der Rißfortbildung an der Vergleichswelle offenbarte das
Vorhandensein nicht-metallischer Einschlüsse in einem Bereich, in dem die
Ermüdungsrisse starteten, wie dieses auch beim Beispiel 1 an der Vergleichsstange
beobachtet wurde.
Ein nahtloses Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 24 mm und einem
Innendurchmesser von 10 mm wurde durch Schneiden und Schleifen der inneren
Oberfläche des nahtlosen Rohres aus STS35-Stahl durch Warmformen hergestellt.
Die innere Oberfläche wurde mit einer Nickelschicht, die durch herkömmliches
Elekroplattieren hergestellt wurde und eine Sichtdicke von 3 Mikrometer aufwies,
plattiert. Anschließend wurde das Rohr für drei Minuten auf eine Temperatur von
1130°C in einem Heizofen mit inerter Gasatmosphäre aufgeheizt und abgeschreckt.
Hierdurch entstand eine Sicht erhöhter Ermüdungsfestigkeit mit einer Sichtdicke von
etwa 15 Mikrometer an der inneren Oberfläche des Rohres infolge des
Eindiffundierens von Nickel in die Oberfläche.
Hydrauliköl mit einem variierenden Druck in einer Sinuswelle zwischen einem
unteren Druck von 150 bar und einem Spitzendruck wurde als Innendruck auf das
Rohr ausgeübt, um den Spitzendruck herauszufinden, der der Ermüdungsgrenzen
bzw. Ermüdungsfestigkeit des Rohres entsprach. Das Ergebnis ist weiter unten in
Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 zeigt weiterhin die Resultate, die an einem nahtlosen
Vergleichsrohr (1) mit denselben Abmessungen, welches Risse mit einer Größe von
20 bis 30 Mikrometer in seiner inneren Oberfläche aufwies, die nur einfach mit
Nickel plattiert war, und einem weiteren nahtlosen Vergleichsrohr (2) derselben
Abmessung, welches sehr kleine Risse in der Größenordnung von etwa 5 bis 6
Mikrometer in seiner inneren Oberfläche aufwies, die lediglich mit Nickel plattiert
war.
Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, traten bei dem Rohr, das die Erfindungsmerkmale
aufwies, auch bei einem Spitzendruck von 1700 bar und 107 Lastwechseln trotz des
Vorhandenseins von nicht-metallischen Einschlüssen in und unmittelbar unter der
Oberfläche kein Ermüdungsversagen auf, während bereits bei einem Spitzendruck
von 1200 bar Versagen an dem Vergleichsrohr (1), welches Risse von 20 bis 30
Mikrometer an seiner inneren Oberfläche aufwies, und bei einem Spitzendruck von
1400 bar an dem Vergleichsrohr (2) mit den sehr kleinen Rissen auftrat. Die
Ermüdungsfestigkeit des Rohres mit den Erfindungsmerkmalen wurde auf die
Reduzierung von Spannungskonzentrationen in seiner Wand aufgrund seiner etwa
15 Mikrometer dicken Sicht mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit, die durch
eindiffundieren des Nickels gebildet wurde, zurückgeführt.
Claims (7)
1. Ein Stahlmaterial mit erhöhter Ermüdungsfestigkeit, welches eine Schicht
von erhöhter Ermüdungsfestigkeit aufweist, die durch Diffusion von Nickel in die
Oberfläche eines warmgeformten Materials, welches nicht-metallische Einschlüsse
aufweist, gebildet ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines Stahlmaterials mit erhöhter
Ermüdungsfestigkeit mit folgenden Verfahrensschritten:
Plattieren der Oberfläche eines warmgeformten Stahlmaterials, welches nicht-metallische Einschlüsse in wenigstens einem Bereich seiner Oberfläche aufweist, mit Nickel; und
Heizen des nickelplattierten Materials, so daß das Nickel eindiffundiert und so eine Sicht mit erhöhter Verschleißfestigkeit bildet.
Plattieren der Oberfläche eines warmgeformten Stahlmaterials, welches nicht-metallische Einschlüsse in wenigstens einem Bereich seiner Oberfläche aufweist, mit Nickel; und
Heizen des nickelplattierten Materials, so daß das Nickel eindiffundiert und so eine Sicht mit erhöhter Verschleißfestigkeit bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
nickelplattierte Material in einem Ofen mit inerter Gasatmosphäre geheizt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
nickelplattierte Material nach dem Heizen abgeschreckt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das warmgeformte
Material eine Stange ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das warmgeformte
Material ein Rohr ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das warmgeformte
Material eine Welle ist.
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