DE102018129828A1

DE102018129828A1 - Hochfester bainitischer stahl

Info

Publication number: DE102018129828A1
Application number: DE102018129828.5A
Authority: DE
Inventors: Jianghuai Yang; Qigui Wang; Daniel J. Wilson; James D Cremonesi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2019-05-29
Also published as: US20190161838A1; CN109837458A

Abstract

Eine hochfeste Stahllegierung und daraus hergestellte Fahrzeugkomponenten sowie ein Verfahren zum Bilden einer Stahllegierung sind vorgesehen. Die hochfeste Stahllegierung beinhaltet Eisen, etwa 0,24 bis etwa 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,40 bis etwa 2,10 Gew.-% Mangan, etwa 0,20 bis etwa 1,60 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,14 Gew.-% Schwefel; etwa 0,10 bis etwa 12,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,10 bis etwa 2,50 Gew.-% Nickel und etwa 0,02 bis etwa 0,07 Gew.-% Aluminium. Die Stahllegierung kann auch Bor, Molybdän, Titan, Niob und/oder Stickstoff beinhalten. Das Verfahren beinhaltet das Luftabschrecken einer Stahllegierungskomponente nach dem Formausschütteln, bis die Komponente eine Temperatur im Bereich von 420 bis 530 Grad Celsius erreicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Stahllegierungen, insbesondere auf hochfeste Stahllegierungen und Gießverfahren zu deren Herstellung sowie daraus hergestellte Komponenten wie Kurbelwellen.
EINLEITUNG
Eine Motorkurbelwelle wandelt lineare Bewegung eines Kolbens in Drehbewegung über eine Kurbelachse um, um das Drehmoment zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen, wie beispielsweise eines Zugs, eines Boots, eines Flugzeugs oder eines Automobils, ohne darauf beschränkt zu sein. Kurbelwellen sind ein wichtiger Bestandteil eines Motors und Startpunkt für Motorausführungen. Die Kurbelwellenausführung beeinflusst die gesamte Verpackung des Motors und dadurch die Gesamtmasse des Motors. Dementsprechend reduziert die Minimierung der Größe und/oder Masse der Kurbelwelle die Größe und Masse des Motors, was einen Kompoundierungseffekt auf die Baugröße, Masse und Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs hat.
Die Kurbelwelle beinhaltet mindestens einen gegenüber der Kurbelwellenachse versetzten Kurbelzapfen, an den ein Hubkolben über eine Pleuelstange befestigt ist. Kraft die vom Kolben über die Offset-Verbindung zur Kurbelwelle übertragen wird, erzeugt zwischen diesen Drehmoment in der Kurbelwelle, was die Kurbelwelle um die Kurbelachse dreht. Die Kurbelwelle beinhaltet weiterhin mindestens einen konzentrisch angeordneten Hauptlagerzapfen um die Kurbelachse. Die Kurbelwelle wird an einem Motorblock des Hauptlagerzapfens befestigt. Ein Lager ist über dem Hauptlagerbolzen zwischen der Kurbelwelle und dem Motorblock angeordnet.
Die Kurbelwelle kann durch ein Gießverfahren gebildet oder hergestellt werden, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf ein Grünsandgießverfahren oder ein Schalenformgießverfahren, bei welchem Gusseisen zum Bilden der Kurbelwelle verwendet wird. Alternativ kann die Kurbelwelle aus einer Stahllegierung geschmiedet werden. Stahl ist stärker als Gusseisen und daher ein bevorzugtes Material für Kurbelwellen. Obwohl der Schmiedeprozess teurer ist als das Gießverfahren, weisen die meisten Stahllegierungen beim Abkühlen eine hohe Schrumpfung auf und sind nicht gut gießbar, da die Schrumpfung, die beim Abkühlen des Gussproduktes auftritt, Hohlräume im Gussendprodukt bildet. Dies schwächt das Gussendprodukt und macht es ungeeignet zur Verwendung in einem Motor.
KURZDARSTELLUNG
Diese Offenbarung stellt eine hochfeste Stahllegierung bereit, die sich zur Verwendung beim Gießen einer Kurbelwelle eignet. Die Stahllegierung zeichnet sich durch einen mittleren bis niedrigen Kohlenstoffgehalt für eine ausreichend hohe Härtbarkeit, feine Korngrößen, ein Mikrogefüge mit einem hohen Anteil an Bainit und eine gute Zerspanbarkeit aus. Die endgültige Mikrostruktur kann größtenteils aus unterem Bainit und/oder oberem Bainit bestehen, sodass eine anschließende Wärmebehandlung bei Bedarf entfallen kann. Es kann eine maximale Zugfestigkeit im Bereich von 750 bis 1100 MPa erreicht werden.
Die offenbarte Stahllegierung enthält Eisen, Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Chrom, Nickel, Molybdän und Aluminium. In einigen Formen können auch Bor, Vanadium, Stickstoff, Titan und/oder Niob einbezogen werden.
In einem Beispiel, das mit den anderen hierin vorgesehenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder von diesen getrennt sein kann, enthält die Aluminiumlegierung: Eisen, etwa 0,24 bis etwa 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,40 bis etwa 2,10 Gew.-% Mangan, etwa 0,20 bis etwa 1,60 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,14 Gew.-% Schwefel, etwa 0,10 bis etwa 12,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,10 bis etwa 2,50 Gew.-% Nickel und etwa 0,02 bis etwa 0,07 Gew.-% Aluminium.
In einem weiteren Beispiel, das mit den anderen hierin vorgesehenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt sein kann, ist eine hochfeste Stahllegierung vorgesehen, im Wesentlichen bestehend aus: etwa 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1,65 Gew.-% Mangan, etwa 0,45 Gew.-% Silizium, etwa 0,4 Gew.-% Chrom, etwa 0,7 Gew.-% Nickel, etwa 0,25 Gew.-% Molybdän sowie Resteisen.
In noch einem weiteren Beispiel, das mit den anderen hierin vorgesehenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt sein kann, ist ein Verfahren zum Bilden einer Stahllegierungskomponente vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Herstellen einer Stahllegierung, umfassend: Eisen, etwa 0,24 bis etwa 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,40 bis etwa 2,10 Gew.-% Mangan, etwa 0,20 bis etwa 1,60 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,14 Gew.-% Schwefel, etwa 0,10 bis etwa 12,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,10 bis etwa 2,50 Gew.-% Nickel und etwa 0,02 bis etwa 0,07 Gew.-% Aluminium. Das Verfahren beinhaltet ferner das Gießen der Stahllegierung in einer Form, um die Komponente zu bilden. Das Verfahren beinhaltet das Ausschütteln der Form und das Luftabschrecken der Komponente, bis die Komponente eine Temperatur im Bereich von 420 bis 530 Grad Celsius aufweist.
Weitere zusätzliche Merkmale können vorgesehen sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Folgendes: die hochfeste Stahllegierung, die ferner Bor in einer Menge von nicht mehr als 0,005 Gew.-% umfasst; wobei das Eisen in einer Menge zwischen etwa 75,0 und etwa 98,88 Gew.-% vorgesehen ist; die hochfeste Stahllegierung, die ferner Vanadium in einer Menge von nicht mehr als 0,20 Gew.-% umfasst; die hochfeste Stahllegierung, die ferner Molybdän in einer Menge von nicht mehr als 0,60 Gew.-% umfasst; die hochfeste Stahllegierung, die ferner Titan in einer Menge von nicht mehr als 0,20 Gew.-% umfasst; die hochfeste Stahllegierung, die ferner Niob in einer Menge von nicht mehr als 0,20 Gew.-% umfasst; die hochfeste Stahllegierung, die ferner etwa 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Stickstoff umfasst; und/oder die hochfeste Stahllegierung, die ferner etwa 0,01 bis etwa 0,04 Gew.-% Stickstoff umfasst.
In noch einer weiteren Variation umfasst die hochfeste Stahllegierung: etwa 0,24 bis etwa 0,40 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1,50 bis etwa 2,00 Gew.-% Mangan, etwa 0,40 bis etwa 0,80 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,12 Gew.-% Schwefel, etwa 0,10 bis etwa 0,60 Gew.-% Chrom, etwa 0,60 bis etwa 0,90 Gew.-% Nickel, etwa 0,20 bis etwa 0,40 Gew.-% Molybdän, etwa 0,02 bis etwa 0,04 Gew.-% Aluminium und etwa 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Bor.
In noch einer weiteren Variation umfasst die hochfeste Stahllegierung: etwa 0,25 bis etwa 0,50 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1,50 bis etwa 2,00 Gew.-% Mangan, etwa 0,30 bis etwa 0,60 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,12 Gew.-% Schwefel, etwa 0,20 bis etwa 0,60 Gew.-% Chrom, etwa 0,50 bis etwa 0,90 Gew.-% Nickel, etwa 0,15 bis etwa 0,40 Gew.-% Molybdän, etwa 0,02 bis etwa 0,04 Gew.-% Aluminium und etwa 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Bor.
Es ist eine Kurbelwelle für ein Kraftfahrzeugantriebssystem vorgesehen, die aus einer der Variationen der hierin vorgesehenen hochfesten Stahllegierung hergestellt werden kann.
Weitere zusätzliche Merkmale können sein, sind jedoch nicht beschränkt auf: die hochfeste Stahllegierung mit einer Bruchfestigkeit im Bereich von 750 bis 1100 MPa; die hochfeste Stahllegierung mit einer ASTM-Korngrößenzahl im Bereich von 5 bis 8; wobei das Verfahren ferner das Halten der Komponente bei einer isothermen Temperatur im Bereich von 420 bis 530 Celsius ab dem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Schritt des Luftabschreckens und das Fortsetzen für einen Zeitraum im Bereich von 1,5 bis 3,5 umfasst; wobei der Schritt des Haltens der Komponente bei der isothermen Temperatur unmittelbar nach dem Schritt des Luftabschreckens durchgeführt wird, ohne die Komponente auf eine Temperatur unter 420 Grad Celsius zwischen dem Schritt des Luftabschreckens und dem Schritt des Haltens der Komponente bei der isothermen Temperatur abzukühlen; und wobei der Schritt des Herstellens der Stahllegierung ferner das Herstellen der borhaltigen Stahllegierung in einer Menge von nicht mehr als 0,005 Gewichtsprozent umfasst.
Weitere Ziele, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin vorgestellten Beschreibung offensichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen diese Offenbarung oder die hier angehängten Ansprüche nicht einschränken.

1 ist ein Schaubild, das ein konzeptionelles Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild einer Stahllegierung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 ist ein Schaubild, das ein Zeit-Temperatur-Schaubild für einen Kühlungsprozess zum Bilden von hochfesten Stahllegierungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Bilden einer Stahllegierungskomponente gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
4A ist eine perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle, die aus einer Stahllegierung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung gebildet wird; und
4B ist eine Querschnittsansicht der Kurbelwelle von 4A gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hochfeste Stahllegierungen mit einer im Wesentlichen bainitischen Mikrostruktur sind vorgesehen. Im Vergleich zu anderen Stahllegierungen weisen diese Stahllegierungen eine verbesserte Materialfestigkeit und -härte auf, mit einer relativ feinen Korngröße und ausreichender Duktilität sowie einer wünschenswerten Gießbarkeit und Zerspanbarkeit. Die Stahllegierungen sind zum Bilden von Automobil-Komponenten geeignet, die starken Belastungen und Verschleiß ausgesetzt sind, wie beispielsweise Kurbelwellen.
Diese Stahllegierungen weisen einen niedrigen bis mittleren Kohlenstoffgehalt auf, um eine ausreichend hohe Härtbarkeit, feine Korngrößen, eine günstige bainitische Mikrostruktur und eine einfache Bearbeitung zu gewährleisten. Die endgültige Mikrostruktur besteht in erster Linie aus unterem bis oberem Bainit, was durch einen Kühlprozess erreicht werden kann, der eine anschließende Wärmebehandlung erübrigt, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Eine Zugfestigkeit im Bereich von 750 bis 1150 MPa mit einer Dehnung von mehr als 8 % kann erreicht werden. Die offenbarten Stahllegierungen weisen gleichwertige Young-Module auf, wie geschmiedete Stahlgegenstücke mit besserer Zerspanbarkeit. Die Stahllegierung kann beispielsweise in Gas- oder Dieselmotorkomponenten, wie beispielsweise Kurbelwellen, verwendet werden.
Die hierin offenbarten Stahllegierungen enthalten Eisen, Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Chrom, Nickel und Aluminium. In einigen Versionen können auch Bor, Molybdän, Vanadium, Stickstoff, Titan und/oder Niob einbezogen werden.
Die hierin offenbarten Stahllegierungen können hochfeste Stahllegierungen sein und können Eisen und in Gewichtsprozent etwa 0,24 bis etwa 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,40 bis etwa 2,10 Gew.-% Mangan, etwa 0,20 bis etwa 1,60 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,14 Gew.-% Schwefel, etwa 0,10 bis etwa 12,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,10 bis etwa 2,50 Gew.-% Nickel und etwa 0,02 bis etwa 0,07 Gew.-% Aluminium beinhalten. So stellt beispielsweise Tabelle 1 dieses erste Beispiel der Stahllegierung dar, die Eisen, Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Chrom, Nickel und Aluminium enthält. Tabelle 1. Beispiel einer neuen Stahllegierung

C (Gew.-%) Mn (Gew.-%) Si (Gew.-%) S (Gew.-%) Cr (Gew.-%) Ni (Gew.-%) Al (Gew.-%) Fe

0,24-0,80 0,40-2,10 0,20-1,60 0,05-0,14 0,10-12,0 0,10-2,50 0,02-0,07 Rest oder mindestens 75 Gew.-%
Darüber hinaus kann die Stahllegierung in einigen Variationen Bor, Molybdän, Vanadium, Stickstoff, Titan und/oder Niob wie folgt beinhalten: 0,0004-0,005 Gew.-% Bor, 0,10-0,60 Gew.-% Molybdän, 0,05-0,20 Gew.-% Vanadium, 0,02-0,20 Gew.-% Titan, 0,03-0,20 Gew.-% Niob und 0,01-0,04 Gew.-% Stickstoff. Tabelle 2 stellt somit die zusätzlichen Elemente dar, die den Elementen in Tabelle 1 hinzugefügt werden können, um eine neue Stahllegierung zu bilden, wie hierin offenbart. Tabelle 2. Zusätzliche Elemente, die der in Tabelle 1 dargestellten Stahllegierung optional hinzugefügt werden können.

B (Gew.-%) Mo (Gew.-%) V (Gew.-%) Ti (Gew.-%) Nb (Gew.-%) N (Gew.-%)

0,0004-0,005 0,10-0,60 0,05-0,20 0,02-0,20 0,03-0,20 0,01-0,04

In einigen Variationen können die Bereiche der Stahllegierung weiter verfeinert werden, um Eisen und in Gewichtsprozent etwa 0,24 bis etwa 0,40 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1,50 bis etwa 2,00 Gew.-% Mangan, etwa 0,40 bis etwa 0,80 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,12 Gew.-% Schwefel; etwa 0,10 bis etwa 0,60 Gew.-% Chrom; etwa 0,60 bis etwa 0,90 Gew.-% Nickel; etwa 0,20 bis etwa 0,40 Gew.-% Molybdän; etwa 0,02 bis etwa 0,04 Gew.-% Aluminium; und etwa 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Bor beinhalten. Tabelle 3 stellt beispielsweise dieses Beispiel der Stahllegierung dar, die folgende Elemente enthält: Eisen, Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Chrom, Nickel, Molybdän, Aluminium und Bor. Tabelle 3. Beispiel einer neuen Stahllegierung

C (Gew.-%)	Mn (Gew.-%)	Si (Gew.-%)	S (Gew.-%)	Cr (Gew.-%)	Ni (Gew.-%)	Mo (Gew.-%)	Al (Gew.-%)	B (Gew.-%)
0,24-0,40	1,50-2,00	0,40-0,80	0,05-0,12	0,10-0,60	0,60-0,90	0,20-0,40	0,02-0,04	0,001-0,005

In einer weiteren Variation können die Bereiche der Stahllegierung Eisen und in Gewichtsprozent etwa 0,25 bis etwa 0,50 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1,50 bis etwa 2,00 Gew.-% Mangan, etwa 0,30 bis etwa 0,60 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,12 Gew.-% Schwefel; etwa 0,20 bis etwa 0,60 Gew.-% Chrom; etwa 0,50 bis etwa 0,90 Gew.-% Nickel; etwa 0,15 bis etwa 0,40 Gew.-% Molybdän; etwa 0,02 bis etwa 0,04 Gew.-% Aluminium; und etwa 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Bor beinhalten. Tabelle 4 stellt beispielsweise dieses Beispiel der Stahllegierung dar, die folgende Elemente enthält: Eisen, Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Chrom, Nickel, Molybdän, Aluminium und Bor. Tabelle 4. Beispiel einer neuen Stahllegierung

C (Gew.-%)	Mn (Gew.-%)	Si (Gew.-%)	S (Gew.-%)	Cr (Gew.-%)	Ni (Gew.-%)	Mo (Gew.-%)	Al (Gew. -%)	B (Gew. -%)
0,25-0,50	1,50-2,00	0,30-0,60	0,05-0,12	0,20-0,60	0,50-0,90	0,15-0,40	0,02-0,04	0,001-0,005

Die in Tabelle 3 oder Tabelle 4 dargestellten Stahllegierungen können auch Vanadium in einer Menge von höchstens 0,20 Gew.-%, Titan in einer Menge von höchstens 0,20 Gew.-%, Niob in einer Menge von höchstens 0,20 Gew.-% und Stickstoff enthalten, wobei der Stickstoff im Bereich von 0,01 bis 0,04 Gew.-% bereitgestellt werden kann.
In einem weiteren Beispiel kann eine Stahllegierung vorgesehen sein, die im Wesentlichen aus folgendem besteht: etwa 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 1,65 Gew.-% Mangan, etwa 0,45 Gew.-% Silizium, etwa 0,4 Gew.-% Chrom, etwa 0,7 Gew.-% Nickel, etwa 0,25 Gew.-% Molybdän und dem Resteisen. Eine kleine Menge Bor, wie beispielsweise 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Bor, könnte ebenfalls einbezogen werden. Vorzugsweise sollte auch Schwefel einbezogen werden, wie beispielsweise 0,05 bis 0,12 Gewichtsprozent Schwefel. Tabelle 5 stellt beispielsweise dieses Beispiel der Stahllegierung dar, die folgende Elemente enthält: Eisen, Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Chrom, Nickel und Molybdän, und optional Bor und Schwefel. Tabelle 5. Beispiel einer neuen Stahllegierung

C (Gew.-%) Mn (Gew.-%) Si (Gew.-%) Cr (Gew.-%) Ni (Gew.-%) Mo (Gew.-%) B (Gew.-%) (opt.) S (Gew.-%) (opt.)

0,35 1,65 0,45 0,4 0,7 0,25 0,001-0,005 0,05-0,12
Die neue Stahllegierung kann ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-(TTT)-Schaubild 100 aufweisen, wie in 1 konzeptionell veranschaulicht. 1 ist eine konzeptionelle Darstellung, und die neue Stahllegierung muss nicht die gleichen Phasen bzgl. Zeiten und Temperaturen aufweisen, wie in 1 dargestellt. Die Temperatur ist konzeptionell auf der Y-Achse bei Element 102 von einem Höchstwert von D7 Grad Celsius auf einen Mindestwert von 0 Grad Celsius dargestellt; und die Zeit wird auf der X-Achse bei Element 104 dargestellt.
Bei der höchsten Temperatur, wie z. B. bei D7, ist die Stahllegierung bereits verfestigt und ist gemäß Abschnitt 106 in ein Austenitgefüge umgewandelt. Beim Abkühlen der Stahllegierung kann diese in Abhängigkeit von der Zeit verschiedene Phasenumwandlungen erfahren. Bevor die Zeit die Zeit u1 erreicht, die der Nase 108 des Phasendiagramms 100 entspricht, verbleibt die Stahllegierung in einer austenitischen Form. Würde die Stahllegierung langsam durch den Bereich 110 abgekühlt werden, würde ein Ferrit- und Perlitgefüge entstehen. Würde die Stahllegierung langsam durch den Bereich 112 etwas schneller abgekühlt werden, würde ein feineres Ferrit- und Perlitgefüge entstehen. Im Bereich 114 bilden sich Ferrit und grobes Perlit. Im Bereich 116 bilden sich Ferrit und Perlit. Im Bereich 118 bildet sich feines Perlit. Eine Temperatur für die Bainitbildung ist bei 120 angegeben. Im Bereich 122 bilden sich 50 % feines Perlit und 50 % oberes Bainit. Im Bereich 124 bildet sich das obere Bainit. Im Bereich 126 bildet sich das untere Bainit. Auf der linken Seite des Schaubildes 100 entsteht metastabiler Austenit im Bereich 128, wie wenn die Stahllegierung schnell auf eine Temperatur zwischen D5 und D3 abgekühlt wird, in einer Zeitspanne von weniger als u1. Nach Eingabe des Bereichs 128 kann ein isothermisches Verfahren verwendet werden, um in die Bainitbereiche 124 und/oder 126 einzudringen. Die Eintrittstemperatur D3 würde dazu führen, dass sich Martensit im Bereich 130 zu bilden beginnt, was Martensit und leicht zurückgehaltenes Austenit bis zum Erreichen der Raumtemperatur beinhalten würde.
Um eine gewünschte bainitische Mikrostruktur zu erreichen, kann die Stahllegierung entlang der Linien 136 und 138 gekühlt werden, wobei die Oberfläche der Stahlgusslegierung entlang der Linie 136 gekühlt wird und das Zentrum der Stahlgusslegierung entlang der Linie 138 gekühlt wird. Somit wird die Stahllegierung schnell von der Temperatur D7 auf einen niedrigeren Wert als D5 vor dem Zeitpunkt u1 abgekühlt. Sobald die Stahllegierung auf den Bereich 128 abgekühlt ist, wird sie auf einer annähernd konstanten Temperatur D4 über die Bainitstartlinie 140 in den Bereich 112 und über die Bainitendlinie 142 in den Bainitbereich 126 gehalten, bis die bainitische Umwandlung abgeschlossen ist. Etwa zur Zeit u2 oder kurz darauf im Bereich 128 beginnt die Stahllegierung, eine Mikrostruktur aus Bainit zu bilden. Bei Linie 142 ist die Bainitumwandlung abgeschlossen.
1 zeigt, dass die neue Stahllegierung schnell und direkt von einem Austenitgefüge im Austenitbereich 106 bei einer hohen Temperatur D7 bis hinunter zu einem metastabilen Austenitbereich 128 abgekühlt und dann auf einer konstanten Temperatur gehalten werden kann, um in einem der Bereiche 124 und 126 Bainit zu erreichen.
Unter Bezugnahme nun auf 2 wird ein Zeit-Temperatur-Schaubild eines Stahllegierungs-Produktionsprozesses veranschaulicht. Die Temperatur wird auf einer Y-Achse bei 202 veranschaulicht und die Zeit wird auf einer X-Achse bei 204 veranschaulicht. Vor dem Zeitpunkt x0 wird die Stahllegierung in einer Form bei einer hohen Temperatur bei oder über T0 gegossen. Zum Zeitpunkt x0 wird die Verfestigung der Gusskomponente beendet und die Stahlgusslegierungskomponente in der Form abgekühlt, bis sie die Temperatur T1 zum Zeitpunkt x1 erreicht. Bei der Temperatur T1, die der Zeit x1 entspricht, wird die Stahllegierungskomponente des Gehäuses aus der Form geschüttelt und von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 luftabgeschreckt (schnell abgekühlt), was der Zeitspanne zwischen Zeit x1 und Zeit x2 entspricht. Die Stahlgusslegierungskomponente wird dann bis zum Zeitpunkt x3 auf einer konstanten Temperatur T2 gehalten. Nach Ablauf der Zeit x3 kann die Stahllegierung dann an der Luft abkühlen. Der in 2 dargestellte Kühlprozess ermöglicht die Kühlung der Stahlgusslegierungskomponente, wie entlang der Linien 136 und 138 in 1 dargestellt. Dementsprechend stellt die Temperatur T1 vor dem Ausschütteln eine hohe Temperatur dar, wie beispielsweise D7 in 1, die dann schnell auf die Temperatur T2 gemäß den in 1 dargestellten Linien 136 und 138 abgekühlt wird. Bei temperierter T2 wird die Komponente dann auf einer konstanten Temperatur T2 gehalten, die der Temperatur D4 in 1 entspricht, bis eine große Menge an Bainit im Bereich 126 zum Zeitpunkt x3 erreicht ist.
Unter Bezugnahme auf 3 wird das Verfahren zum Bilden der Stahlgusslegierungskomponente mit einer bainitischen Mikrostruktur, wie in den 1 und 2 beschrieben, als Prozessablaufdiagramm in 3 veranschaulicht. Der Prozess 300 beinhaltet einen ersten Schritt 302 zum Herstellen eines flüssigen Stahls mit einer der vorstehend beschriebenen Stahllegierungszusammensetzungen. In Schritt 304 wird eine Form hergestellt. Die Form kann eine Sandform sein, wie beispielsweise eine Grünsandform, eine Investitionsform, eine Muschelform oder eine andere gewünschte Form.
Der Prozess oder das Verfahren 300 beinhaltet dann einen Schritt 306 des Gießens der heißen flüssigen Stahllegierung in die Form und des Verfestigens der Stahlgusslegierung in der Form. Die Verfestigung erfolgt oberhalb der Temperatur T0 und vor der entsprechenden Zeit x0, in 2.
Sobald die Stahlgusslegierung verfestigt und auf die Temperatur T1 abgekühlt ist, beinhaltet das Verfahren 300 einen Schritt 308 zum Ausschütteln der Stahlgusslegierungskomponente aus der Form. Unter Bezugnahme auf 2 erfolgt das Ausschütteln bei der Temperatur T1 und zum entsprechenden Zeitpunkt x1. Bei dem Verfahren 300 liegt T1 im Bereich von 730-780 Grad Celsius. Wenn also die Komponente in der Form den Bereich 730-780 (T1) erreicht, erfolgt ein Ausschütteln.
Das Verfahren 300 beinhaltet dann einen Schritt 310 zum Luftabschrecken der Stahlgusslegierungskomponente bis zur Temperatur T2. Die Temperatur T2 liegt im Bereich von 420-530 Grad Celsius. Nachdem die Temperatur T2 durch Luftabschrecken erreicht wurde, wird die Stahlgusslegierungskomponente in einem Schritt 312 für einen Zeitraum zwischen x2 und x3, wie in 2 dargestellt, bei der Temperatur T2 konstant gehalten. Die Zeitspanne zwischen x2 und x3 liegt zwischen 1,5 Stunden und 3,5 Stunden. Nach Ablauf der Zeitspanne zwischen x2 und x3 kann das Verfahren 300 dann einen Schritt 314 zum Luftkühlen der Gusskomponente auf Raumtemperatur beinhalten. Wenn die Komponente vor der Zeitspanne im Schritt 312 luftgekühlt werden sollte, würde die Legierung vor dem Bilden des Bainits in einen Martensitbereich 130, 132 unter den Temperaturen D2 oder D1 (siehe 1) abtauchen. Da die Komponente jedoch für die gewünschte Zeitspanne zwischen x2 und x3 für die „isotherme“ Verarbeitung bei der Temperatur T2 gehalten wird, können die Phasenlinien 136, 138 gefolgt werden, um Bainit zu züchten, bevor das Teil zum Zeitpunkt x3 in 2 weiter in den Bainitbereich 134 gekühlt wird, wie in 1 dargestellt.
Somit kann der Schritt 312 zum Halten der Komponente bei einer isothermen Temperatur T2 im Bereich von 420 bis 530 Celsius unmittelbar nach dem Schritt 310 des Luftabschreckens beginnen und für einen Zeitraum im Bereich von 1,5 bis 3,5 Stunden fortgesetzt werden. In einigen Variationen wird der Schritt 312 unmittelbar nach dem Schritt 314 durchgeführt, ohne die Komponente auf eine Temperatur unter 420 Grad Celsius zwischen dem Schritt 310 des Luftabschreckens und dem Schritt 312 des Haltens der Komponente bei der isothermen Temperatur T2 abzukühlen. Auf diese Weise kann die Wärme, die bereits im Teil vorhanden ist, während es nach dem Verfestigen abkühlt, genutzt werden, ohne die Wärme zu verschwenden und das Teil aufwärmen zu müssen, um Bainit zu erzeugen.
Somit ist die neue Stahllegierung bereits stark und hart, mit einer Mikrostruktur aus Bainit, ohne dass zusätzlich nachgewärmt, vergütet, abgeschreckt und gehärtet werden muss. Dadurch werden Zeit und Kosten gespart, ohne dass das Nacherwärmen, Abschrecken, Aushärten und Vergüten durchgeführt werden muss.
Die hierin beschriebene Feinkornstahl-Legierung kann verwendet werden, um eine Fahrzeugkomponente aus Stahl herzustellen. Daher ist es hier im Sinne der Erfinder, dass die Offenbarung auf Stahl-KFZ-Komponenten ausgedehnt wird, einschließlich aber nicht beschränkt auf Kurbelwellen, Getriebewellen, Getriebegehäuse, Halbwellen, Achswellen und dergleichen. So wird beispielsweise mit Bezug auf die 4A-4B eine Kurbelwelle 400 veranschaulicht, die aus einer Variation der hierin beschriebenen Stahllegierung gefertigt ist. Die Kurbelwelle 400 kann Hohlzapfen 402 aufweisen, die durch das Gießverfahren 300 erzeugt werden (oder durch einen anderen Gießprozess oder ein Verfahren).
Weiterhin wird, während die obigen Beispiele einzeln beschrieben werden, von Fachleuten auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstanden werden, dass die hierin beschriebenen Anteile von Elementen gemischt und aus den verschiedenen Beispielen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche angepasst werden können.
Es versteht sich ferner, dass jedes der oben beschriebenen Konzepte allein oder in Kombination mit irgendeinem oder allen anderen oben beschriebenen Konzepten verwendet werden kann. Obwohl eine Ausführungsform dieser Erfindung offenbart worden ist, würden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass bestimmte Modifikationen in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen würden. Aus diesem Grund sollten die folgenden Ansprüche untersucht werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Erfindung zu bestimmen.

Claims

Hochfeste Stahllegierung, umfassend: Eisen; etwa 0,24 bis etwa 0,80 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 0,40 bis etwa 2,10 Gew.-% Mangan; etwa 0,20 bis etwa 1,60 Gew.-% Silizium; etwa 0,05 bis etwa 0,14 Gew.-% Schwefel; etwa 0,10 bis etwa 12,0 Gew.-% Chrom; etwa 0,10 bis etwa 2,50 Gew.-% Nickel; und etwa 0,02 bis etwa 0,07 Gew.-% Aluminium.
Hochfeste Stahllegierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bor in einer Menge von nicht mehr als 0,005 Gew.-%; Molybdän in einer Menge von nicht mehr als 0,60 Gew.-%; Vanadium in einer Menge von nicht mehr als 0,20 Gewichtsprozent; Titan in einer Menge von nicht mehr als 0,20 Gewichtsprozent; Niobium in einer Menge von nicht mehr als 0,20 Gewichtsprozent; und etwa 0,01 bis etwa 0,04 Gew.-% Stickstoff, worin das Eisen in einer Menge zwischen etwa 75,0 und etwa 98,88 Gew.-% bereitgestellt wird.
Hochfeste Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die hochfeste Stahllegierung Folgendes umfasst: etwa 0,24 bis etwa 0,40 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 1,50 bis etwa 2,00 Gew.-% Mangan; etwa 0,40 bis etwa 0,80 Gew.-% Silizium; etwa 0,05 bis etwa 0,12 Gew.-% Schwefel; etwa 0,10 bis etwa 0,60 Gew.-% Chrom; etwa 0,60 bis etwa 0,90 Gew.-% Nickel; etwa 0,20 bis etwa 0,40 Gew.-% Molybdän; etwa 0,02 bis etwa 0,04 Gew.-% Aluminium; und etwa 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Bor.
Hochfeste Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die hochfeste Stahllegierung Folgendes umfasst: etwa 0,25 bis etwa 0,50 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 1,50 bis etwa 2,00 Gew.-% Mangan; etwa 0,30 bis etwa 0,60 Gew.-% Silizium; etwa 0,05 bis etwa 0,12 Gew.-% Schwefel; etwa 0,20 bis etwa 0,60 Gew.-% Chrom; etwa 0,50 bis etwa 0,90 Gew.-% Nickel; etwa 0,15 bis etwa 0,40 Gew.-% Molybdän; etwa 0,02 bis etwa 0,04 Gew.-% Aluminium; und etwa 0,001 bis etwa 0,005 Gew.-% Bor.
Hochfeste Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine maximale Zugfestigkeit im Bereich von 750 bis 1100 MPa.
Hochfeste Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine ASTM-Korngrößenzahl im Bereich von 5 bis 8.
Hochfeste Stahllegierung, bestehend im Wesentlichen aus: etwa 0,35 Gew.-% Kohlenstoff; etwa 1,65 Gew.-% Mangan; etwa 0,45 Gew.-% Silizium; etwa 0,4 Gew.-% Chrom; etwa 0,7 Gew.-% Nickel; etwa 0,25 Gew.-% Molybdän; und Resteisen.
Kurbelwelle für ein Kraftfahrzeugantriebssystem, hergestellt aus einer hochfesten Stahllegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Bilden einer Stahllegierungskomponente, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Herstellen einer Stahllegierung, umfassend Eisen, etwa 0,24 bis etwa 0,80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 0,40 bis etwa 2,10 Gew.-% Mangan, etwa 0,20 bis etwa 1,60 Gew.-% Silizium, etwa 0,05 bis etwa 0,14 Gew.-% Schwefel, etwa 0,10 bis etwa 12,0 Gew.-% Chrom, etwa 0,10 bis etwa 2,50 Gew.-% Nickel und etwa 0,02 bis etwa 0,07 Gew.-% Aluminium; Gießen der Stahllegierung in einer Form, um die Komponente zu bilden; Ausschütteln der Form; und Luftabschrecken der Komponente, bis die Komponente eine Temperatur im Bereich von 420 bis 530 Grad Celsius aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Halten der Komponente bei einer isothermen Temperatur im Bereich von 420 bis 530 Celsius ab dem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Schritt des Luftabschreckens und das Fortsetzen für einen Zeitraum im Bereich von 1,5 bis 3,5 Stunden, wobei der Schritt des Haltens der Komponente bei der isothermen Temperatur unmittelbar nach dem Schritt des Luftabschreckens durchgeführt wird, ohne die Komponente auf eine Temperatur unter 420 Grad Celsius zwischen dem Schritt des Luftabschreckens und dem Schritt des Haltens der Komponente bei der isothermen Temperatur abzukühlen; und wobei der Schritt des Herstellens der Stahllegierung ferner das Herstellen der Stahllegierung umfasst, die Bor in einer Menge von nicht mehr als 0,005 Gew.-% umfasst.