DE10243179A1

DE10243179A1 - Einsatzstahl für das Direkthärten nach langer Aufkohlungsdauer und Verfahren zur Herstellung einsatzgehärteter Werkstücke

Info

Publication number: DE10243179A1
Application number: DE2002143179
Authority: DE
Inventors: Walter Grimm; Frank Dr. Hippenstiel
Original assignee: Buderus Edelstahl GmbH; Edelstahlwerke Buderus AG
Current assignee: Buderus Edelstahl GmbH
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-08

Abstract

Um einen Einsatzstahl für das Direkthärten nach dem Aufkohlungsvorgang zur Verfügung zu stellen, der insbesondere für große Werkstücke geeignet ist, wird eine Stahllegierung vorgeschlagen mit folgenden Legierungsbestandteilen (in Masse-%): DOLLAR A C 0,05-0,35, Si 1,00, Mn 2,00, P 0,05, S 0,05, Cr 0,35-2,10, Mo 0,50, Ni 5,00, Al >= 0,10, Nb 0,02-0,20, Ti 0,001-0,10, N 0,005-0,04, DOLLAR A wobei der Rest aus Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht. Das Verfahren zur Herstellung von gehärteten Werkstücken aus diesem Stahl sieht vor, daß das Werkstück nach der Formgebung während einer Dauer von mindestens 10 Stunden aufgekohlt oder carbonitriert und unmittelbar anschließend, ausgehend von der vorhandenen Temperatur oder nach dem Absenken auf eine niedrigere Härtetemperatur, durch Abschrecken gehärtet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Einsatzstähle für das Direkthärten nach langer Aufkohlungsdauer und Verfahren zur Herstellung einsatzgehärteter Werkstücke.
Einsatzstähle sind Stähle mit einem verhältnismäßig niedrigem Kohlenstoffgehalt, die zum Aufkohlen oder Carbonitrieren mit anschließendem Härten vorgesehen sind. In der Regel enthalten Einsatzstähle folgende Legierungsbestandteile (in Massen-%):
C 0,05 – 0, 35
Si ≤ 1,00
Mn ≤ 2,00
P ≤ 0, 05
S ≤ 0, 05
Cr 0,35 – 2,10
Mo ≤ 0, 50
Ni ≤ 5,00
Al ≥ 0, 10
und im übrigen Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Das Einsatzhärten gilt schon seit über 70 Jahren als wichtiges Verfahren zur Verbesserung von Bauteileigenschaften, insbesondere bei schwingender und verschleißender Beanspruchung. Einsatzgehärtete Werkstücke zeichnen sich durch eine harte, verschleißfeste Oberfläche und einen zähen Kern aus. Von Vorteil ist der weiche Übergang zwischen der hohen Härte am Rand und dem relativ weichen Kern. Bauteile aus Einsatzstählen finden hauptsächlich Anwendung im Getriebebau, so beispielsweise bei Zahnrädern oder Wellen.

Unter Einsatzhärten wird der Vorgang des Aufkohlens mit anschließender Härtung verstanden. Das Aufkohlen ist dabei als Anreichern der Randschicht im austenitischen Zustand mit Kohlenstoff definiert. Im Allgemeinen sind verschiedene Wärmebehandlungsverfahren zur thermochemischen Diffusionsbehandlung der Randschicht geläufig. Das Auf kohlen mit anschließendem Härten hat jedoch die größte technische Bedeutung. Zum Aufkohlen werden die Werkstücke in einem kohlenstoffhaltigen Gas oder in kohlenstoffhaltigen flüssigen oder körnigen Mitteln bei Temperaturen geglüht, bei denen das Gefüge des Stahles austenitisch ist. Zusätzlich zu den bewährten Verfahren besteht heute die Möglichkeit des Vakuum- und des Plasmaaufkohlens. Das Härten kann in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden. In Bild 1 sind die gängigsten Verfahrensabläufe nach DIN 17022 dargestellt.

Das Abschrecken zum Härten erfolgt bei aufgekohlten bzw. carbonitrierten Werkstücken

– unmittelbar nach Ablauf des Aufkohlens oder Carbonitrierens entweder von der Aufkohlungs- oder Carbonitriertemperatur oder nach vorherigem Absenken auf eine geeignete niedrigere Härtetemperatur (Fall A in Bild 1, Direkthärten) oder
– nach Abkühlen auf Raumtemperatur und Wiedererwärmen auf Härtetemperatur (Fall B bzw. D in Bild 1, Einfach- bzw. Doppelhärten) oder
– nach Umwandeln durch Abkühlen auf eine Temperatur zwischen 650°C und Raumtemperatur und Wiedererwärmen auf Härtetemperatur (Fall C in Bild 1).

Bedingt durch lange Aufkohlungszeiten können große Bauteile aus Einsatzstählen, z. B. Werkstücke für die Antriebstechnik im Fahrzeugbau, Großmaschinenbau, Bau von Maschinen für Kraftwerke und Hüttenwerke, insbesondere Zahnräder, Zahnkränze, Wellen mit integrierten Verzahnungen und Laufbahnen, Gelenkwellen und Wälzlager, zur Zeit lediglich nach den Verfahren B, C oder D gehärtet werden. Der Grund dafür ist das Wachstum des Austenitkorns während der langen Haltezeiten auf der Temperatur des Aufkohlungsvorgangs. Im Hinblick auf die geforderten Bauteileigenschaften ist Grobkorn sowohl in der aufgekohlten Randschicht als auch im Kern der Bauteile unerwünscht. Leider bilden jedoch die konventionellen Einsatzstähle in dem für das Aufkohlen in Frage kommenden Temperaturbereich Grobkorn, das durch die aufwendigeren Verfahren B, C oder D vor dem Härten erst wieder beseitigt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einsatzstahl sowie ein Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die ein Direkthärten insbesondere von großen, aufgekohlten Werkstücken ohne Beeinträchtigung der Gebrauchseigenschaften gestattet, und diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Legierung des Einsatzstahls zusätzlich zu den genannten Bestandteilen 0,02 – 0,20% Nb, 0,001 – 0,10% Ti und 0,005 – 0,04% N enthält. Die bevorzugten Anteilsbereiche dieser Legierungsbestandteile liegen bei 0,03 – 0,10% Nb, 0,003 – 0,03% Ti und 0,01 – 0,02% N. Für Werkstücke besonders hoher Zähigkeit und bei großen Abmessungen empfiehlt sich ein Anteil des Nickels von 1,50 – 4,50%.

Um entsprechend der Erfindungsaufgabe unter den gegebenen Voraussetzungen feinkörnige Werkstücke zu erhalten, sieht das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren vor, daß ein Einsatzstahl verwendet wird, der aus (in Massen-%)
C 0,05 – 0,35
Si ≤ 1,00
Mn 5 2,00
P ≤ 0,05
S ≤ 0,05
Cr 0,35 – 2,10
Mo ≤ 0,50
Ni ≤ 5,00
Al ≥ 0, 10
Nb 0,02 – 0,20
Ti 0, 001 – 0,10
N 0,005 – 0,04
und im übrigen Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht, und daß das Werkstück nach der Formgebung während einer Dauer von mindestens zehn Stunden aufgekohlt oder carbonitriert und unmittelbar anschließend, ausgehend von der vorhandenen Temperatur oder nach dem Absenken auf eine niedrigere Härtetemperatur durch Abschrecken gehärtet wird. Zweckmäßigerweise kommen dabei die vorstehend als bevorzugt angegebenen Einsatzstähle zur Anwendung. Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten des Verfahrens sehen vor, daß das Werkstück bei Temperaturen oberhalb von 1000°C aufgekohlt oder carbonitriert und/oder nach dem Härten angelassen wird, wenngleich auch mit niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden kann. Das neue Verfahren kann mit besonderem Vorteil dann angewendet werden, wenn die Dauer des Aufkohlungsvorgangs bei Verwendung konventioneller Stähle mindestens zwanzig Stunden beträgt.

Der Vorteil der Feinkornbeständigkeit des oben bezeichneten Einsatzstahls bei langer Prozeßdauer geht aus der graphischen Darstellung der Bilder 2 und 3 hervor.

In Bild 2 ist der prozentuale Anteil der Austenitkörner der Korngrößenkennzahl G ≥ 5 für herkömmliche Einsatzstähle (Stahl A) und den neuentwickelten Einsatzstahl (Stahl B) dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Neuentwicklung bei 950°C, eine Standardtemperatur bei Aufkohlungsvorgängen, keinerlei Kornvergröberung zeigt. Bei herkömmlichen Einsatzstählen zeigen sich hohe Grobkornanteile, die bei 120 Stunden Haltezeit etwa 50 Prozent betragen und nach einem Direkthärten die Bauteileigenschaften erheblich herabsetzen würden. In Bild 3 ist der prozentuale Anteil der Austenitkörner eines herkömmlichen Einsatzstahles und der Neuentwicklung für eine Temperatur von 980°C gegenübergestellt. Auch bei dieser höheren Temperatur zeigt sich bei dem vorgeschlagenen Einsatzstahl keinerlei Kornwachstum, während bei dem herkömmlichen Stahl eine deutliche Vergröberung des Austenitkorns auftritt.

Bedingt durch die feinere Austenitkorngröße bei der Neuentwicklung kann auch eine Verbesserung des Härteverzugsverhaltens und der mechanischen Eigenschaften erzielt werden, insbesondere kann bei Schmiedestücken die Querzähigkeit gesteigert werden (Bild 4).

Insgesamt ist somit festzustellen, daß der neuentwickelte Einsatzstahl aufgrund seiner Feinkornbeständigkeit ein Direkthärten großer Bauteile nach dem Aufkohlen oder Carbonitrieren zuläßt. Ferner stellt er aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ein besseres Zähigkeitsverhalten, insbesondere im Kern schwerer Schmiedestücke, in Aussicht.

Claims

Einsatzstahl für das Direkthärten nach dem Aufkohlungsvorgang, gekennzeichnet durch folgende Legierungsbestandteile (in Massen-%): C 0,05 – 0,35 Si ≤ 1,00 Mn ≤ 2,00 P ≤ 0, 05 S ≤ 0, 05 Cr 0,35 – 2,10 Mo ≤ 0,50 Ni ≤ 5,00 Al ≥ 0,10 Nb 0,02 – 0,20 Ti 0,001 – 0,10 N 0,005 – 0,04 und im übrigen Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Einsatzstahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,03 – 0,10 Nb, 0,003 – 0,03 Ti und 0,01 – 0,02 N enthält.
Einsatzstahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er 1,50 – 4,50 Ni enthält.
Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Werkstücks aus Einsatzstahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzstahl aus (in Massen-%) C 0,05 – 0,35 Si ≤ 1, 00 Mn ≤ 2,00 P ≤ 0, 05 S ≤ 0, 05 Cr 0,35 – 2,10 Mo ≤ 0,50 Ni ≤ 5,00 Al ≥ 0,10 Nb 0,02 – 0,20 Ti 0, 001 – 0,10 N 0,005 – 0,04 und im übrigen aus Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht, und das Werkstück nach der Formgebung während einer Dauer von mindestens zehn Stunden aufgekohlt oder carbonitriert und unmittelbar anschließend, ausgehend von der vorhandenen Temperatur oder nach dem Absenken auf eine niedrigere Härtetemperatur durch Abschrecken gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzstahl 0,03 – 0,10% Nb, 0,003 – 0,03% Ti und 0,01 – 0,02% N enthält.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück bei Temperaturen oberhalb von 1000°C aufgekohlt oder carbonitriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem Härten angelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück während einer Dauer von mindestens zwanzig Stunden aufgekohlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufkohlung im Wege der Plasmaaufkohlung oder im Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es angewendet wird zur Herstellung von Werkstücken für die Antriebstechnik im Fahrzeugbau, Großmaschinenbau, Bau von Maschinen für Kraftwerke und Hüttenwerke, insbesondere von Zahnrädern, Zahnkränzen, Wellen mit integrierten Verzahnungen und Laufbahnen, Gelenkwellen und Wälzlagern.