DE2324750A1

DE2324750A1 - MANUFACTURE OF HARDENED STEEL

Info

Publication number: DE2324750A1
Application number: DE2324750A
Authority: DE
Inventors: Jun Willard B Green; Gordon W Hunt; Jun John E Woodilla
Original assignee: Torrington Co
Current assignee: Timken US LLC
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1973-05-16
Publication date: 1973-11-29
Also published as: GB1439072A; AU5458973A; JPS568889B2; DE2324750B2; JPS4966524A; BR7303565D0; CA994656A; US3826694A; GB1439071A

Description

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN DIPL.-PHYS. DIPL.-ING. 8 MÜNCHEN 25 ■ LIPOWSKYSTR. IO HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN DIPL.-PHYS. DIPL.-ING. 8 MUNICH 25 ■ LIPOWSKYSTR. IO

The Torrington Company ir-tor-l8The Torrington Company ir-tor-l8

16. Mai 197:5May 16, 197: 5

Herstellung von gehärtetem StahlManufacture of hardened steel

Die Erfindung betrifft die Herstellung bzxv. Behandlung von Stahl zur Verbesserung von dessen mechanischen Eigenschaften. Insbesondere betrifft die Erfindung die Wärmebehandlung übereutektischer Stähle, um dem Stahl eine Struktur zu geben, die sich durch eine äußerst feine Körnung und eine natürliche Dispersion von vorwiegend äußerst kleinen überschüssigen Karbid-Bestandteilen auszeichnet.The invention relates to the production of bzxv. treatment of steel to improve its mechanical properties. In particular, the invention relates to heat treatment Hypereutectic steels to give the steel a structure that is characterized by an extremely fine grain and is characterized by a natural dispersion of predominantly extremely small excess carbide components.

Die Festigkeit und die Abnützungsresistenz vieler Stähle wird dadurch erhöht, daß man sie durch Wärmebehandlung härtet. Für Lager und andere Anwendungen, bei denen eine große Standzeit erforderlich ist, haben sich übereutektische Stähle bewährt, d.h. Stähle, die mehr als o,8 % Kohlenstoff und eine geringe Gesamtmenge an Legierungszuschlägen enthalten, um die Härtbarkeit zu erhöhen. Es ist ferner bekannt, daß eine Verfeinerung der Korngröße die Standzeit erhöht. Versuche zur Verringerung der Korngröße sind beispielsweise in der US-PS 3 337 376 beschrieben. Es hat sich gezeigt, daß bekannte Verfahren zu Stählen mit Mikrorissen - etwa gemäß Fig. 6 - führen, die sich der Korngrößenverringerung entgegenstellen. Ein anderes Verfahren zur Erzielung von Stählen ohne Mikrorisse arbeitet mit so langen Bearbeitungszeiten bei hohen Tempe-The strength and wear resistance of many steels is increased by hardening them through heat treatment. For bearings and other applications in which a long service life is required, hypereutectic steels have proven themselves, ie steels which contain more than 0.8% carbon and a small total amount of alloy surcharges in order to increase hardenability. It is also known that a refinement of the grain size increases the service life. Attempts to reduce the grain size are described, for example, in US Pat. No. 3,337,376. It has been shown that known methods lead to steels with microcracks - for example according to FIG. 6 - which oppose the grain size reduction. Another method for producing steels without microcracks works with such long machining times at high temperatures.

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raturen, daß das Verfahren wirtschaftlich uninteressant ist. Die Erfindung sucht ein Verfahren zur Herstellung
äu;3erst feinkörnigen Stahles zu schaffen, der in der Mikrostruktur sowohl äußerst fein verteilte Karbide aufweist, aber frei von Mikrorissen ist, wobei insbesondere erreicht werden soll, dai3 man einen solchen Stahl in
äußerst kurzer Zeit herstellen kann. Dadurch soll u.a.
erreicht werden, den Widerstand gegen Rollkörper-Verformung (Lager!) zu erhöhen, und die Kompressionsfestigkeit zu verbessern. Die Ansprüche 1,. 4 und 5 beschreiben auf dem gleichen technischen Grundgedanken beruhende Verfahren zur Lösung der erläuterten Aufgabe. Die weiteren Ansprüche beschreiben zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung .ratures that the process is economically uninteresting. The invention seeks a method of manufacture
To create extremely fine-grained steel, which has extremely finely distributed carbides in the microstructure, but is free of microcracks, the aim being in particular that such a steel is used in
can produce in an extremely short time. This should include
can be achieved to increase the resistance to rolling element deformation (bearings!), and to improve the compressive strength. The claims 1 ,. 4 and 5 describe methods based on the same technical principle for solving the explained problem. The further claims describe expedient embodiments of the invention.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die
Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:In the following the invention with reference to the
Drawing explained. In this show:

Figuren IA und IB in fotografischer Wiedergabe Perlit bzw. in Form kleinster Kügelchen vorliegende Karbide eines AISI 521oo-Stahles in 2 500-facher Vergrößerung;Figures IA and IB in photographic reproduction perlite or carbides of an AISI 52100 steel present in the form of tiny spheres in 2,500 fold Enlargement;

Fig. 2 das Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm;Fig. 2 shows the iron-carbon equilibrium diagram;

Fig. 3 die Zeit-Temperatur-Transformationskurve für den legierten Stahl AISI 521obj3 shows the time-temperature transformation curve for the alloy steel AISI 521obj

Fig. 4 in 5 000-facher Vergrößerung herkömmlich gehärteten Stahl der Sorte AISI 52100;Fig. 4, magnified 5,000 times, conventionally hardened AISI 52100 grade steel;

Fig. 5 in 5 000-facher Vergrößerung denselben Stahl nach Wärmebehandlung gemäß der Erfindung;5 shows the same steel after heat treatment according to the invention, enlarged 5,000 times;

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Fig. 6 in 5 ooo-facher Vergrößerung zwei typische Mikrorisse der Stahlsorte AISI 521oo; und6 shows two typical ones, magnified 5,000 times Micro-cracks made of steel grade AISI 521oo; and

Fig. 7 ein Zeit-Temperatur-Profil zum Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit anderen Wärmebehandlungsverfahren .7 shows a time-temperature profile for comparing the method according to the invention with other heat treatment methods .

Die Karbide in niedrig legierten Stählen können kleine Plättchen oder kugelähnliche Einschlüsse bilden, wie sie in den Figuren IA und IB dargestellt sind. Eine dieser Feinstrukturen ist der Ausgangspunkt für die zu beschreibende Wärmebehandlung. Das wohlbekannte Eisen-Kohlenstoff Diagramm gemäß Fig. 2 zeigt, daß dann, wenn ein hypereutektischer Stahl geheizt wird und bei erhöhter Temperatur zum Gleichgewicht kommt, dieser Stahl Phasentransformationen von Perlit und Zementit in Austenit und Zementit, dann zum Austenit, einer festen Lösung von Kohlenstoff in Gamraa-Eisen durchmacht. Wenn man langsam kühlt, um bei jeder einzelnen Temperatur das Gleichgewicht herzustellen, dann wird die der jeweiligen Temperatur normalerweise zugeordnete Phase erreicht.The carbides in low-alloy steels can form small platelets or spherical inclusions like them are shown in Figures IA and IB. One of these Fine structures is the starting point for the heat treatment to be described. The well-known iron-carbon diagram 2 shows that when a hypereutectic steel is heated and at an elevated temperature comes to equilibrium, this steel phase transformations from pearlite and cementite into austenite and cementite, then goes through to austenite, a solid solution of carbon in Gamraa iron. If you cool slowly, to to establish equilibrium at any particular temperature, then that of that particular temperature will normally be assigned phase reached.

Ein schnelles Abkühlen bewirkt; aber völlig andere Umwandlungen. Die normalerweise "S-Kurven" genannten Zeit-Temperatur-Transformationskurven nach Fig. 3 ändern sich bei unterschiedlichen Zusammensetzungen. Die in Fig. 3 dargestellten S-Kurven sind die eines Stahls der Sorte AISI 52I00, der ein niedrig legierter Stahl der Zusammensetzung ist, die am Ende der vorliegenden Beschreibung in Form einer Tabelle wiedergegeben iÄ.Die Kurven zeigen, daß die Transformation bei 371 Grad C beginnt und früher abgeschlossen ist, wenn das Metall herkömmlich bei 842 Grad C entsprechend 1 55o Grad F austenitisiert wird, als dann, wenn man die Austenit-Bildung bei 1 95o Grad F,A rapid cooling causes; but completely different conversions. The time-temperature transformation curves of FIG. 3, normally called "S-curves", change with different compositions. The S curves shown in Figure 3 are those of a steel of the grade AISI 52I00, which is a low alloy steel with the composition indicated at the end of the present description The curves show that the transformation begins at 371 degrees C and earlier is complete when the metal is conventionally austenitized at 842 degrees C, corresponding to 1550 degrees F, than then, if the austenite formation is at 1 95o degrees F,

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entsprechend 1 o64 Grad C durchführt.corresponding to 1064 degrees C.

(Es wird mit voller Absicht die Fahrenheit-Temperaturskala neben gelegentlichen Angaben in Grad Celsius verwendet, um den Vergleich mit dem eingangs genannten Stand der Technik zu erleichtern. In Fig. 3 sind die beiden aus gezogenen Kurven kennzeichnend für Austenitisierung bei 1 95o Grad F entsprechend 1 o64 Grad C, wobei die Korngröße den Wert 3 hat. Die beiden gestrichelten Kurven geben die Verhältnisse bei Austenitisierung bei 1 55o Grad F entsprechend 842 Grad C wieder, wobei die Korngröße 9 ist. A bedeutet Austenit, F bedeutet Ferrit, C bedeutet Karbid, M bedeutet Martensit, B steht für Bainit und P für Perlit.)(It becomes the Fahrenheit temperature scale on purpose In addition to occasional information in degrees Celsius, it is used to make a comparison with the status mentioned at the beginning to facilitate the technology. In Fig. 3, the two solid curves are indicative of austenitization at 1 95o degrees F corresponds to 1 o64 degrees C, the grain size being has the value 3. The two dashed curves show the ratios for austenitization at 1 55o Degree F corresponds to 842 degrees C again, the grain size being 9. A means austenite, F means ferrite, C means carbide, M means martensite, B stands for bainite and P for pearlite.)

Wenn man schnell unter die Temperatur M entsprechend der Linie X in den Figuren 35 und 7 (s. das oben genannte US-Patent) abschreckt, wird der Kohlenstoff in der Struktur erhalten und bildet kein Karbid. Es bildet sich vielmehr eine nadelartige Struktur, die man "Martensit" nennt. Es verbleiben kleine Mengen Austenit zwischen den Martensit-Nadeln, was man Rest-Austenit nennt. Wenn man einen so strukturierten Stahl auf etwa 571 Grad C (7oo Grad F) wieder für eine längere Zeit aufheizt, dann geht diese Struktur in Ferrit mit Karbid-Teilchen über; insbesondere wird das Martensit getempert und das Rest-Austenit wird zu Bainit. Wenn man nun auf die niedrigere Austenitisierungstemperatur (1 55o Grad F =872 Grad C) für eine so lange Zeit wieder aufheizt, daß das Ferrit in Austenit überführt wird, und das überschüssige Karbid verfeinert wird, dann erhält man eine der in Fig. 5 gezeigten ähnliche Struktur. Eine elektronenmikroskopische Untersuchung der Struktur hat gezeigt, daß starkes Abschrecken unter die Temperatur M auf dem ersten Abschnitt des Weges XIf one quickly falls below the temperature M accordingly the line X in Figures 35 and 7 (see the above U.S. Patent) quenched, the carbon is retained in the structure and does not form carbide. Rather, it forms a needle-like structure called "martensite". Small amounts of austenite remain between the martensite needles, what is called residual austenite. If you put steel with this structure to about 571 degrees C (7oo degrees F) heats up again for a longer period of time, then this structure changes into ferrite with carbide particles; in particular the martensite is tempered and the remaining austenite becomes bainite. If you now look at the lower austenitizing temperature (1 55o degrees F = 872 degrees C) for such a heats up again for a long time so that the ferrite is converted into austenite, and the excess carbide refines a structure similar to that shown in Fig. 5 is obtained. An electron microscopic examination the structure has shown that severe quenching below temperature M on the first portion of path X.

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zu Mikrorissen entsprechend beispielsweise der Fig. 6 führen kann, die ihrerseits zur schnellen Materialermüdung führen.to microcracks according to FIG. 6, for example which in turn lead to rapid material fatigue.

Wenn man nach dem Pfad Y in den Figuren 3 und 7 gemäß der oben genannten US-PS vorgeht, dann werden Mikrorisse eliminiert und man erhält dieselbe äußerst feinkörnige Struktur, die zur Erzielung einer langen Standzeit erwünscht ist. Die Zeit-Temperatur-Transformation "S" zeigt aber, daß diese Transformation in weniger als einer Stunde zur Hälfte abgeschlossen ist, jedoch dann mehr als zwei Stunden zur Vervollständigung benötigt. Obwohl das so erhaltene Produkt keine Mikrorisse aufweist und die Struktur gemäß Fig. 5 hat, ist ersichtlich die eben erläuterte Behandlungszeit dieses Bainit erzeugenden Verfahrensteiles für eine Massenherstellung zu lang. ^; If one proceeds according to the path Y in FIGS. 3 and 7 according to the above-mentioned US Pat. The time-temperature transformation "S" shows, however, that this transformation is half complete in less than an hour, but then takes more than two hours to complete. Although the product obtained in this way does not have any microcracks and has the structure according to FIG. 5, the treatment time just explained for this part of the process which produces bainite is obviously too long for mass production. ^;

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Vor-, geschichte des Werkstoffes diejenige Zeit und diejenige Temperatur nachhaltig beeinflußt, die zur Lösung der ursprünglichen Karbide erforderlich ist. So benötigte ein gemäß Fig. IB Sphäroid-Einschlüsse aufweisender Stahl eine Temperatur von 2 loo Grad F entsprechend 1 148 Grad C für zehn Minuten, während eine niedrigere Temperatur oder eine geringere Zeit ausreichend gefunden wurde, uni die Karbide in heiß gewalztem Stahl aufzulösen (Fig. IA). Ferner hat sich gezeigt, daß abschrecken in einem Bad aus beispielsweise Salz oder Blei im Bereich von 900 bis 1 333 Grad F (482 bis 723 Grad C) während einer ausreichend langen Zeit Perlit bildet, d.h., eine Metallphase, die in der MikroStruktur und in den mechanischen Eigenschaften bei Bainit oder Martensit kennzeichnend ist. Während die Transformation in Bainit bei 700 Grad F entsprechend 371 Grad C gemäß dem Stand der Technik zwei bisThe invention is based on the knowledge that the advantages, history of the material has a lasting influence on the time and temperature required to resolve the original Carbide is required. For example, a steel with spheroid inclusions according to FIG. 1B required a temperature of 2 loo degrees F corresponding to 1,148 degrees C for ten minutes, while a lower temperature or less time has been found sufficient to dissolve the carbides in hot rolled steel (Fig. 1A). It has also been shown that quenching in a bath of, for example, salt or lead in the range from 900 to 1,333 degrees F (482 to 723 degrees C) during one sufficient forms pearlite for a long time, i.e., a metal phase which is important in its microstructure and mechanical properties is characteristic of bainite or martensite. While transforming into bainite at 700 degrees F accordingly 371 degrees C according to the prior art two to

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drei Stunden bis zur Vollständigkeit benötigte, nimmt die Perlit-Transformation weniger als 15 Minuten bei 1 o75 Grad F (= 579 Grad C) bei Standardstahl der Sorte AISI 52I00 in Anspruch. Neben dem unmittelbaren wirtschaftlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes (s. Weg Z in den Figuren j5 und7), verhindert dieses Verfahren die mögliche Entstehfung von Mikrorissen, die von einer drastischen Abschreckung zu erwarten wären.It took three hours to complete, the perlite transformation takes less than 15 minutes 1 o75 degrees F (= 579 degrees C) for standard steel of the grade AISI 52I00 in claim. In addition to the immediate economic The advantage of the process sequence according to the invention (see path Z in FIGS. 5 and 7) prevents this Process the possible formation of microcracks that would be expected from a drastic deterrent.

Zum besseren Verständnis des Perlit-Transformationsberei-_ ches wird auf das Eisen-Kohlenstoffdiagramm der Fig. 2 verwiesen: Man sieht, daß Perlit oberhalb von 1 335 Grad F entsprechend 723 Grad C, d.h. oberhalb der Linie A,,^,, nicht stabil ist, und sich mithin über dieser Temperatur nicht bildet. Weiter zeigt die S-Kurve, daß die Zeit zur Perlit-Transformation unerwünscht lang wird, wenn man sich der oberen Temperaturgrenze nähert. Die untere Temperaturgrenze des Perlit-Bildungsbereiches ist schwieriger zu definieren, da Perlit und Bainit in einem recht erheblichen Temperaturbereich gemeinsam existieren. Dieser gemeinsame Bereich hängt von der in Lösung befindlichen Kohlenstoffmenge ab, und zwar in dem Sinne, daß der Temperaturbereich größer wird, wenn die in Lösung befindliche Kohlenstoffmenge größer wird. Außerdem hängt für einen Trog-gehärteten Stahl, wie den Stahl der Sorte AISI 52100 die Menge des gelösten Kohlenstoffs direkt von dem Grad der Vervollständigung des Hochtemperatur-Feststoff-Lösungs-Prozesses ab. Beim Aufkohlen von Stahl ändert sich der Kohlenstoffgehalt im Rohling bzw. Werkstück selber und dieser Gradient der Zusammensetzung verändert dementsprechend den Bereich, in welchem Perlit und Bainit gemeinsam vorkommen, x^enn man von außen nach innen in das Werkstück hinein fortschreitet.For a better understanding of the perlite transformation area This is done on the iron-carbon diagram of FIG. 2 referenced: You can see that pearlite is above 1,335 degrees F corresponds to 723 degrees C, i.e. above the line A ,, ^ ,, is not stable, and therefore does not form above this temperature. The S curve also shows that the time to Perlite transformation becomes undesirably long when approaching the upper temperature limit. The lower temperature limit The area of pearlite formation is more difficult to define, since pearlite and bainite are in a very considerable amount Temperature range exist together. This common area depends on the one in solution Amount of carbon from, in the sense that the temperature range increases as the amount of carbon in solution increases. Also depends for one Trough-hardened steel, such as AISI 52100 steel the amount of dissolved carbon directly from the degree of completion of the high temperature solid solution process away. When carburizing steel, the carbon content in the blank or workpiece itself changes and this gradient of the composition changes accordingly the area in which pearlite and bainite together occur when one progresses from the outside to the inside into the workpiece.

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Die mit dem Bainit zusammen vorliegenden Perlit-Blättchen haben nur einen sehr kleinen Abstand voneinander, während das Bainit, das in Fachkreisen auch als "upper bainite" bezeichnet wird, bei Bildung in diesem Temperaturbereich grobkörnig ist. Nach der abschließenden Wärmebehandlung erzeugt das feine Perlit sehr kleine überschüssige Karbid-Teilchen, während das grobkörnige Bainit während dieser Wärmebehandlung in grobe Partikel übergeht, die jedoch kleiner sind, als die herkömmlichen Teilchen in Sphäroidgestalt. Das Vorliegen eines solchen "upper bainite" in der MikroStruktur vor dem abschließenden Wärmebehandeln ist aber unerwünscht. Somit kann man die untere Temperaturgrenze des Perlit bildenden Bereiches als diejenige Temperatur definieren, bei deren Unterschreitung unverzüglich "upper bainite" gebildet wird. Diese Beobachtung an "upper bainite" kann man nur elektronenmikroskopisch vornehmen. Da der Abstand zwischen den Karbid-Blättchen kleiner wird, wenn die Transformationstemperatur kleiner viird, ist die optimale Temperatur zur Perlit-Bildung nahe der unteren Temperaturgrenze. Auf diese Weise bilden die dünnen Karbid-Blättchen im Perlit endlich die feinsten überschüssigen Karbid-Teilchen.The pearlite flakes present together with the bainite have only a very small distance from each other, while the bainite, which is also called "upper bainite "is coarse-grained when formed in this temperature range. After the final heat treatment The fine pearlite produces very small excess carbide particles, while the coarse-grained bainite during this heat treatment turns into coarse particles, which are, however, smaller than the conventional particles in spheroid shape. The presence of such an "upper bainite" in the microstructure before the final However, heat treatment is undesirable. Thus you can set the lower temperature limit of the pearlite-forming area define as the temperature below which "upper bainite" is formed immediately. These Observation of "upper bainite" can only be done with an electron microscope make. Since the distance between the carbide flakes becomes smaller as the transformation temperature becomes lower, the optimum temperature is for Perlite formation near the lower temperature limit. In this way, the thin carbide flakes form in the perlite finally the finest excess carbide particles.

Die verbleibenden Verfahrensschritte umfassen die Austenit-Bildung und nachfolgende Abschreckung zur Herstellung einer MikroStruktur gemäß Fig. 5. Diese Struktur ist eine natürliche Verteilung sehr kleiner Überschuß-Karbid-Teilchen in einer äußerst feinkörnigen Matrix. Diese Austenit-Behandlung kann unmittelbar nach der Herstellung des Perlits vorgenommen werden; es handät sich also um ein Wiedererhitzen von der Perlit-bildenden Temperatur aus, oder jederzeit später, wenn das Teil nach der Perlit-Bildung auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Die Erwär-The remaining process steps include austenite formation and subsequent quenching to produce a microstructure as shown in FIG. 5. This structure is a natural distribution of very small excess carbide particles in an extremely fine-grained matrix. This austenite treatment can be carried out immediately after production made of perlite; it is therefore a question of reheating from the pearlite-forming temperature off, or anytime later when the part has cooled to room temperature after pearlite formation. The heating

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mungszeit oder -intensität für das abschließende Austenitisieren ist wichtig, da ein kritischer Temperaturbereich vorhanden ist, durch welchen die Rohlinge schnell gewissermaßen "hindurchgeheizt" werden müssen. Wenn man durch diesen Bereich nicht schnell-genug hindurchheizt, gehen die Perlit-Blättchen in überschüssige Karbide über, die dann ihrerseits ein Korngrößenwachstum durchmachen, da die Karbid-Phase in diesem Temperaturbereich stabil ist. Durch schnelles erreichen des reinen Austenit-Bereiches im Phasendiagramm (über der Grenzlinie A) setzen sich die Perlit-Blättchen in Überschuß-Karbide um, die unstabil sind und die Neigung haben, ihre Größe zu verkleinern und sich aufzulösen. Eine richtige Steuerung der Temperatur und der Zeit.stellt sicher, daß die Blättchen vollständig aufgelöst werden, daß aber ein großer Prozentsatz des neugeformten überschüssigen Karbides sich nicht löst, sondern vielmehr in Form überschüssiger Karbide verbleibt. Der kritische Temperaturbereich eines Jeden übereutektischen Stahls liegt zwischen den Linien A-, -, und A desMeasurement time or intensity for the final austenitizing is important, since there is a critical temperature range through which the blanks have to be "heated through" quickly, so to speak. If you do not heat through this area quickly enough, the perlite flakes turn into excess carbides, which in turn grow in grain size, since the carbide phase is stable in this temperature range. By quickly reaching the pure austenite area in the phase diagram (above border line A), the pearlite flakes are converted into excess carbides, which are unstable and tend to decrease in size and dissolve. Proper control of temperature and time ensures that the leaflets are completely dissolved, but that a large percentage of the newly formed excess carbide does not dissolve but rather remains in the form of excess carbides. The critical temperature range of any hypereutectic steel lies between the lines A-, -, and A des

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Gleichgewichtsdiagramms. Für eine Stahllegierung mit einem Prozent Kohlenstoff, wie etwa den Stahl AISI 521oo sind diese Grenzen etwa 1 333 Grad F (= 723 Grad C) bzw. 1 44o Grad F ( = 782 Grad C). Die obere Grenze liegt höher, wenn der Rohling einen aufgekohlten Einsatz mit mehr als einem Prozent Kohlenstoffgehalt hat. Der kritische Temperaturbereich ist in Fig. 2 schraffiert dargestellt; die hier beschriebene Wärmebehandlung zu Härtungszwecken ist durch die Spur Z in Fig. 7 wiedergegeben.Equilibrium diagram. For a steel alloy with one percent carbon, such as AISI 521oo steel these limits are around 1,333 degrees F (= 723 degrees C) or 1,443 degrees Degree F (= 782 degrees C). The upper limit is higher if the blank has a carburized insert with more than has one percent carbon content. The critical temperature range is shown hatched in FIG. 2; the is the heat treatment described here for hardening purposes reproduced by track Z in FIG.

Die schnellen Temperaturwechsel können auf verschiedene Weise erreicht werden: so kann man beispielsweise ein Zweietufenwärmebehandlungsverfahren vorsehen, wobei mit Salz- oder Bleibädern gearbeitet wird; das erste Bad ist dann gerade unter die Temperatur A, - vorgeheizt, und dasThe rapid temperature changes can be achieved in different ways: for example one can use a Provide a two-stage heat treatment process using salt or lead baths; the first bath is then just below the temperature A, - preheated, and that

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zweite Bad befindet sich auf der gewünschten Endtemperatur. Ähnlich kann man durch Anwendung der bekannten Induktions- und/oder Widerstandsheizverfahren vorgehen.second bath is at the desired final temperature. Similarly, by using the well-known induction and / or resistive heating procedures.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung nicht nur ein neues Verfahren schafft, sondern auch ein neues Produkt, dessen Struktur in Fig. 5 für einen Stahl der Zusammensetzung AISI 521oo dargestellt ist. Die Standzeit bei Rollbelastung des erfindungsgemäßen Stahls ist hinsichtlich der B, -Standzeit um 25o-3oo % größer. Außerdem ist die Kompressionsstärke um etwa 3o-35 % gegenüber vergleichbarem herkömmlichen Stahl etwa nach Fig. 4 vergrössert. Ein besonders wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Stahles hinsichtlich der großen Standzeit ist die ultrafeine Korngröße. Eine erhebliche Erhöhung der Anzahl von Einzelkörnern innerhalb eines gegebenen.Volumens des Metalls ist möglicherweise die wichtigste Ursache für die erhöhte Belastbarkeit und sicher ein wichtiger Faktor für die Erhöhung der Standzeit. Die Korngrenzen sind bevorzugte Stellen für die Kernbildung der Phasentransformationen; bei einem äußerst feinkörnigen Werkstoff erhält man mithin eine erhebliche Vergrößerung dieser bevorzugten Stellen für die Kernbildung.From the foregoing it can be seen that the invention not only provides a new process but also a new product, the structure of which is shown in FIG. 5 for a steel of the composition AISI 52100. The service life when the steel according to the invention is subjected to rolling loads is 250-3oo % longer in terms of the B 1 service life. In addition, the compression strength is increased by about 30-35 % compared to comparable conventional steel, for example according to FIG. 4. A particularly important feature of the steel according to the invention with regard to the long service life is the ultra-fine grain size. A considerable increase in the number of individual grains within a given volume of the metal is possibly the most important cause of the increased load-bearing capacity and certainly an important factor in increasing the service life. The grain boundaries are preferred locations for the nucleation of the phase transformations; in the case of an extremely fine-grained material, a considerable enlargement of these preferred locations for core formation is obtained.

Eine ggfs. unerwünschte Transformation kann sich jedoch während des Abschreckens von der letzten Austinitisierungstemperatur her einstellen. Es handelt sich dabei um die Bildung einer Art Aggregation aus Ferriten und Karbiden, die durch langsame Abschreckung auftreten kann. Diese Aggregation fällt an den Grenzen der ultrafeinen "Körner" aus, wodurch der die Widerstandsfähigkeit so außerordentlich erhöhende Mechanismus geschwächt wird. Es hat sich gezeigt, daß Legierungselemente wie Mangan und Silicium, die bekanntlich die Härtbarkeit von StahlA possibly undesired transformation can, however, occur during the quenching of the last Austinitization temperature adjust. It is the formation of a kind of aggregation of ferrites and carbides, which can occur through slow deterrence. This aggregation falls at the limits of the ultrafine "Grains", which weaken the mechanism that increases resistance so extraordinarily. It has been shown that alloying elements such as manganese and silicon are known to increase the hardenability of steel

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verbessern, die Bildung dieser unerwünschten Aggregationen unterdrückt, die bei zu langsamem Abschrecken zu befürchten' wären. Jedoch verringert die außerordentlich geringe Korngröße die Wirksamkeit dieser Legierungselemente. Ein modifizierter AISI 521oo-Stahl, nämlich die Sorte ASTM A485, Nr. 2, mit 1,4 bis 1,7 % Mangan und o,5 bis o,8 % Silicium, das normalerweise verwendet wird, wenn eine größere Härtbarkeit gewünscht wird, hat immerhin solche unerwünschten "Aggregationen" als Ergebnis langsamen Abschreckens in der Mitte eines Querschnitts von nur 19 mm gezeigt, und zwar bei elektronenmikroskopischer Beobachtung.improve, suppresses the formation of these undesirable aggregations, which would be feared if the quenching was too slow. However, the extremely small grain size reduces the effectiveness of these alloying elements. A modified AISI 52100 steel, ASTM A485 No. 2 grade, containing 1.4 to 1.7 % manganese and 0.5 to 0.8% silicon, normally used when greater hardenability is desired, has shown such undesirable "aggregations" as a result of slow quenching in the center of a cross-section of only 19 mm, when observed with an electron microscope.

Beobachtungen haben gezeigt, daß die besten mechanischen Eigenschaften erhalten werden, wenn die auf zu langsame Abschreckung zurückzuführenden "Aggregationen" in dem ultra-feinkörnigen Stahl nicht vorliegen. Aus diesem Grunde wird die Verwendung von Legierungen hoher Härtbarkeit bevorzugt, auch wenn daraus hergestellte Endprodukte einen so kleinen Querschnitt haben, daß unter normalen Herstellungsbedingungen die tatsächliche Härtbarkeit nicht erforderlich ist.Observations have shown that the best mechanical properties are obtained when the on too slow Quenching attributable "aggregations" are absent in the ultra-fine-grain steel. For this Basically, the use of alloys with high hardenability is preferred, even if end products are made from them have such a small cross-section that, under normal manufacturing conditions, the actual hardenability will not be achieved is required.

Bei manchen Endprodukten ist es zweckmäßig, die Oberflächenbereiche, insbesondere die ausgesetzten Oberflächen, hochgekohlt zu haben, während die inneren Teile der Produkte niedriger gekohlt sind. Das hier beschriebene Verfahren kann auf das Einsatzhärten von Stahl durch Abschrecken von der Einsatzofentemperatur auf die Perlit-Transformationstemperatur verwendet werden. Das Verfahren ist sonst dasselbe wie bei übereutektischen Stählen und ergibt dieselben Ergebnisse in den mehr Kohlenstoff enthaltenden Außenbereichen des Produkts.In the case of some end products, it is useful to define the surface areas especially the exposed surfaces, while the inner parts of the products have been highly carbonized are lower carbon. The process described here can be applied to the case hardening of steel by quenching from the furnace temperature to the pearlite transformation temperature be used. The procedure is otherwise the same as for hypereutectic steels and gives the same results in those containing more carbon External areas of the product.

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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Einfügung eines zusätzlichen Verfahrensschrittes einschließlich Kaltbearbeitung und plastische Verformung nach der Bildung des Perlites. Z.B. kann man in diesem Sinne einen Draht durch eine Reihe von Matritzen ziehen, um jeweils kleinere Querschnitte zu erhalten. Dem Draht hat man hierbei zunächst die Hochtemperaturbehandlung zur Karbidlösung gegeben, sowie eine Abschreckung auf die Temperatur, bei der sich Perlit bildet. Nach einer Pause, während welcher die Kaltbearbeitung durchgeführt wird, wird dann die schnelle Austenitisierungs-Wärmebehandlung durchgeführt, die ihrerseits zu der ultrafeinen Kornverteilung führt, die sich durch äußerst kleine Karbidkörner auszeichnet. Neben dem erläuterten Kaltziehen von Draht können auch andere mechanische Verformungsverfahren verwendet werden, wie z.B. Gesenk- schmieden, kaltwalzen und Verformungsvorgänge, die man durchführen muß, bevor die abschließende rasche Austenitisierungs-Wärmebehandlung durchgeführt wird, während das entsprechende Produkt oder Teil sich immer noch im ungehärteten Zustand befindet.Another embodiment of the method according to the invention consists in the insertion of an additional method step including cold working and plastic deformation after the formation of the perlite. E.g. can In this sense, you pull a wire through a series of dies to get smaller cross-sections. The wire was first given the high-temperature treatment to form a carbide solution, as well as a quenching to the temperature at which pearlite forms. After a break during which cold working is performed, then the rapid austenitizing heat treatment is performed carried out, which in turn leads to the ultrafine grain distribution that is carried out by extremely small carbide grains. In addition to the described cold drawing of wire, other mechanical Deformation processes can be used, such as die forging, cold rolling and forming operations to be performed before the final rapid austenitizing heat treatment performed while the corresponding product or part is still in the unhardened state.

Die Erfindung umfaßt nicht nur das in einigen Ausgestaltungen beschriebene Verfahren, sondern insbesondere auch den in seiner Struktur neuen Stahl. Weiter ist darauf hinzuweisen, daß es eine Vielzahl übereutektischer Stähle mit weniger als Io % Legierungsanteil gibt, die sich mit dem erfindungageBiÄßen Verfahren im Sinne der Erfindung behandeln lassen.The invention includes not only the method described in some embodiments, but in particular also the steel, which is new in its structure. It should also be pointed out that there are a large number of hypereutectic steels with an alloy content of less than 10% which can be treated with the method according to the invention.

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Tabel

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Tabel

ASTM-A295
52I00ASTM-A295
52I00 ASTM-A485
Nr. 2
(*) ASTM-A485
No. 2
(*) H H⁺
(Ji)HH ⁺
(Ji) ■■ 0,30/0,500.30 / 0.50 A2
(*)A2
(*) CC. o,.98/l,lo, .98 / l, l 0,85/1,00.85 / 1.0 o,35/o,45o, 35 / o, 45 o,9o/l,lo, 9o / l, l o,95/l,o5o, 95 / l, o5 MnMn o,25/o,45o, 25 / o, 45 l,4o/l,7ol, 4o / l, 7o o,lo/o,4oo, lo / o, 4o -- o,4o/o,85o, 4o / o, 85 PP. o,o25 maxo, o25 max o,o25 maxo, o25 max -- 5,o /5,5o5, o / 5.5o -- SS. o,o25 maxo, o25 max 0,025 max0.025 max 1,2 /1,51.2 / 1.5 -- VV -- -- —- 0,15/0,500.15 / 0.50 SiSi o,2o/o,35o, 2o / o, 35 0,50/0,800.50 / 0.80 o,lo/o,4oo, lo / o, 4o NiNi o,25 maxo, 25 max o,25 maxo, 25 max -- CrCr l,3o/l,6ol, 3o / l, 6o l,4o/l,8ol, 4o / l, 8o 4,75/5,254.75 / 5.25 MoMon 0,08 max0.08 max ο,οβ maxο, οβ max 0,9 /1,150.9 / 1.15 CuCu o,35 maxo, 35 max o,35 maxo, 35 max --

+ Diese Legierung muß aufgekohlt werden, um verwendbar zu werden.+ This alloy must be carburized to be usable.

PatentansprücheClaims 309848/0974309848/0974

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Claims

E 2. 3 2 4 I 5E 2. 3 2 4 I 5

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN DIPL.-PHYS. DIPL-INC. β MÖNCHEN 25 · LIPOWSKYSTR. IO

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Claims

1. Process for the production of a hardened hypereutectic steel with less than about Io % of alloy surcharges, for the achievement of a micro-crack-free, extremely fine-grained steel with evenly distributed excess carbide, characterized by:

heating the material to a temperature that does not exceed the "solidus temperature" for so long Time that those present in the microstructure Carbides are dissolved;

quenching to a temperature between about 482 and 723 degrees C to form pearlite; after completion the pearlite transformation

Rapid heating through the A, - and A temperature range of its equilibrium diagram to the austenitizing temperature for only as long as is necessary to convert the carbide flakes in the pearlite into very small excess carbides and to convert the ferrite into austenite;

quenching for hardening purposes.

2. The method according to claim 1, characterized in that after the pearlite formation and before austenitizing

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the material is cooled to room temperature.

35. Steel alloy with a maximum grain size below that of ASTM No. Io and natural "distribution of small excess carbide particles made by the method according to claim 1 or 2.

4. Process for the production of a hardened hypereutectic steel with less than about Io % of alloy surcharges, to achieve a micro-crack-free, extremely fine-grained steel with evenly distributed excess carbide, characterized by:

heating the material to a temperature that does not exceed the "solidus" temperature, for so long time that the carbides present in the microstructure are dissolved;

quenching to a temperature range between 482 and 723 degrees C to produce pearlite;

after complete pearlite transformation, cooling to a temperature suitable for mechanical deformation;

Rapid heating through the A ₁ ^ and A temperature range of its equilibrium diagram to the austenitizing temperature for only as long as is necessary to convert the carbide flakes in the pearlite into very small excess carbides and to convert the ferrite into austenite;

quenching for hardening purposes.

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5. The method according to one or more of the preceding claims, characterized by analogous application in case hardening of corresponding alloys.

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