DE69307393T2

DE69307393T2 - Schmiedestück und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69307393T2
Application number: DE69307393T
Authority: DE
Inventors: Ilkka Lahti; Vesa Ollilainen
Original assignee: Imatra Steel Oy AB
Current assignee: Ovako Bar Oy
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2013-05-27
Also published as: EP0572246A1; ATE147799T1; EP0572246B1; NO931961D0; FI922461A7; DE69307393D1; FI922461A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestücks mit einer guten Dauerfestigkeit und auf ein Schmiedestück mit einer guten Dauerfestigkeit.
Für Maschinenelemente, die durch Warmumformen hergestellt werden und die einer Dauerschwingbeanspruchung ausgesetzt werden, stellt die Dauerfestigkeit Sv oft ein kritisches Merkmal dar, das die Ausmaße des Elements bestimmt. Das Problem besteht darin, daß die statische Festigkeit des in Frage stehenden Elements, beispielsweise seine Zugfestigkeit Rm einen Einfluß auf die maschinelle Bearbeitbarkeit des Materials hat. Im Hinblick auf die gesamten Produktionskosten eines Elements beträgt die optimale statische Zugfestigkeit ungefähr 1000 MPa. Wenn das Element eine statische Zugfestigkeit hat, die diesen Wert wesentlich überschreitet, ist die maschinelle Bearbeitbarkeit des Materials in vielen Fällen schlecht, was insbesondere bewirkt, daß Hochgeschwindigkeitsstahlwerkzeuge, wenn sie das Material bearbeiten, schnell abnutzen, was zu unverhältnismäßig hohen Werkzeugkosten führt. Wenn die Dauerfestigkeit eines Elements erhöht werden kann, ohne seine statische Festigkeit zu erhöhen, kann das Element schlanker gemacht werden und hohe Kosten bei der spangebenden Bearbeitung können vermieden werden. Das Element wird dann leichter sein und die Produktionskosten werden niedriger sein, was zu einem Wertanstieg des Elements und/oder niedrigeren Gesamtproduktionskosten führt.
Das kalte Zerschneiden von Stäben, um Schmiedestückbarren zu erzeugen, was dem Schmieden von modernen mikrolegierten Stahlen vorausgeht, verursacht oft ein Problem, insbesondere wenn die Zugfestigkeit in der Auswalzphase 900 MPa übersteigt. Insbesondere verursacht das Zerschneiden üblicherweise Sprünge auf der Scheroberfläche des geschnittenen Schmiedestückbarrens. Wenn die Dauerfestigkeit des endgültigen Schmiedestücks erhöht werden kann, ohne die Zugfestigkeit des Barrenrohlings zu erhöhen, dann kann das Legieren des Stahls vermindert werden, unter anderem im Hinblick auf Mangan. Dann wird die Zugfestigkeit vermindert und zugleich werden die Kaltschneideeigenschaften verbessert ohne eine Verminderung der Dauerfestigkeit des endgültigen Schmiedeprodukts. Auf diese Weise können die Schwierigkeiten des Kaltschneidens eliminiert werden und die Legierungskosten können vermindert werden.
Schmiedestücke, die aus bekannten mikrolegierten Stählen hergestellt sind, insbesondere Verbindungsstangen, Kurbelwellen, Antriebswellen und dergleichen, müssen oft fertigpoliert werden, im allgemeinen durch eine Bearbeitung der Oberfläche (Sandstrahlen, Walzen, u.s.w.) oder durch eine Oberflächenhärtung, um diedauerfestigkeit zu erhöhen. Die Kombination aus der erfindungsgemäßen Stahlzusammensetzung und der erfindungsgemäßen Behandlung vermindert wesentlich die Notwendigkeit einer Oberflächenbehandlung der in Frage stehenden Produkte, womit deren Produktionskosten vermindert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Schmiedestück mit einer hohen Dauerfestigkeit ohne die oben beschriebenen technischen Nachteile zu erzeugen. Zugleich werden die oben erwähnten Vorteile erzielt. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das Verfahren des Anspruchs 1 und das Schmiedestück der Ansprüche 6 und 7.
Legierte Stähle, die dem erfindungsgemäßen legierten Stahl des Schmiedestücks ähneln, wurden schon früher verwendet, unter anderem als Rohmaterial für Stahlfedern und verschiedene Befestigungselemente, wie das in der offengelegten finischen Veröffentlichung FI 48204 beschrieben ist. Der Hauptunterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Schmiedestück und den bekannten Federn und Befestigungselementen ist der, daß erfindungsgemäß die Mikrostruktur hauptsächlich (typischerweise zu mehr als 90 Prozent) ferritisch-perlitisch ist, was durch eine Luftkühlung erreicht wird, während die Mikrostruktur der in der FI 48204 beschriebenen Elemente zum größten Teil martensitisch oder bainitisch ist, was durch ein Abschrecken und ein Tempern oder eine Zwischenstufen-Vergütung erzielt wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Barren bei einer Temperatur von mehr als 800 ºC warm umgeformt und danach werden sie an der Luft abgekühlt. Diese Behandlung ist an sich bekannt als ein Behandlungsverfahren für mikrolegierte Stähle, um eine getrennte Abschreck- und Temperbehandlung zu vermeiden, um die Produktionskosten zu senken. Im Fall der Erfindung ist das Behandlungsergebnis anders. Der hohe Siliziumgehalt liefert eine verbesserte Dauerfestigkeit. Es wird angenommen, daß dies veruracht wird durch die Tatsache, daß kleine Mengen restlichen Austenits ausgebildet werden, welche unter Dauerbeanspruchung sich in Martensit ver wandeln. Damit findet eine sogenannte zyklische Werkstückhärtung statt, die die Dauerfestigkeit erhöht.
Neu bei der Erfindung ist die Kombination eines erfindungsgemäßen Stahls, der einen hohen Anteil Silicium enthält, mit einem Bearbeitungsverfahren, das allgemein bei der Herstellung anderer mikrolegierter Stahlschmiedestücke verwendet wird. Aus den obengenannten Gründen ergibt dies ein Produkt mit einer Dauerfestigkeit, die wesentlich besser ist als bei bisher bekannten mikrolegierten Stahlprodukten.
Ein Siliciumgehalt in luftgekühlten, mikrolegiertem Stahl, der höher als normal ist, ist aus der DE-A-3009443 bekannt. Die Erfindung unterscheidet sich davon, zum ersten dadurch, daß der Siliciumgehalt höher ist, und zum zweiten dadurch, daß die Aufgabe darin besteht, die Dauerfestigkeit zu erhöhen, wohingegen die Aufgabe der bekannten Technik darin besteht, die Kerbzähigkeit und nicht die Dauerfestigkeit zu verbessern.
Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen Elements besteht darin, daß sein Herstellungsverfahren vor der Warmumformung eine Erhitzung umfaßt auf eine so hohe Temperatur, daß sich die Vanadium-Karbonitride des Elements auflösen. Das verbessert die Festigkeit des Elements, so daß sie sich gewöhnlicherweise nahezu nahe dem optimalen Wert befindet, der auf der ersten Seite dieser Beschreibung erwähnt wurde, was auch bezüglich der Dauerfestigkeit einen Vorteil darstellt.
Durch eine Verminderung des Stickstoffgehalts des Materials auf maximal 0,012 Gewichtsprozent oder des Titangehalts auf maximal 0,01 Gewichtsprozent wird der Vorteil erzielt, daß keine großen Nitridteilchen gebildet werden, die schlecht für die Dauerfestigkeit sind. Dies wird insbesondere gewährleistet, wenn das Stranggußverfahren beim Herstellungsverfahren des Materials verwendet wird.
Um bessere mechanische Eigenschaften zu erhalten, kann die Kühlung des Schmiedestücks durch einen kühlenden Luftstrom, der vorzugsweise, beispielsweise durch einen Wasserzerstäuber, befeuchtet wird, durchgeführt werden. Es ist vorteilhaft diese Art der verstärkten Kühlung vorzunehmen, wenn die Temperatur des Elements über 600 ºC beträgt. Die verstärkte Kühlung bewirkt, daß das Schmiedestück, ohne einen negativen Einfluß auf seine Zähigkeit, eine genügende Festigkeit erhält. Das rührt daher, da die verstärkte Kühlung eine feinere Mikrostruktur des Elements bewirkt. Die Korngröße wird kleiner und der Abstand zwischen den Lamellen des Perlits bleibt klein, wodurch die Festigkeit verbessert wird aber die Zähigkeit unverändert bleibt.
Die folgenden Testergebnisse zeigen die Verbesserung der Dauerfestigkeit, die durch die Kombination und die Stahlzusammensetzung gemäß der Erfindung erzielt wird. TABELLE 1
Die Zusammensetzungen der Testmaterialen und der Referenzmaterialen sind in Gewichtsprozent angegeben. TABELLE II
Die Dauerbelastbarkeit der Testmaterialen und der Referenzmaterialen wurden in einem Ausdauertest durch ein Umlaufbiegen gemessen. Die Elemente wurden von ihrer Formungshitze durch Luft abgekühlt.
Die Dauerfestigkeit Sv wurde in einem Umlaufbiegeversuch mit Lastwechseln von 10 Millionen Umdrehungen durchgeführt. Die maximale Zugfestigkeit Rm beeinflußt die Dauerfestigkeit, was bedeutet, das das Verhältnis der Dauerfestigkeit und der Zugfestigkeit beobachtet werden muß. Verglichen mit modernen Referenzstählen liegt die Verbesserung des Verhältnisses der Dauerfestigkeit zur Zugfestigkeit, die gemäß der Erfindung erreicht wird, zwischen ungefähr 10% und 30%.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt und Modifikationen sind innerhalb des Umfangs der angefügten Ansprüche möglich.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schmiedestücks mit einer guten Dauerfestigkeit, gekennzeichnet durch die Kombination, daß der Barren für das gewünschte Schmiedestück aus einem Material gemacht ist, das zusätzlich zu Eisen die folgenden Elemente enthält:

C von 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent

10 Si von 1,25 bis 2,0 Gewichtsprozent

Mn von 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent

V von 0,04 bis 0,2 Gewichtsprozent

S von 0 bis 0,2 Gewichtsprozent

Cr von 0 bis 0,5 Gewichtsprozent

Al von 0 bis 0,1 Gewichtsprozent

N von 0 bis 0,04 Gewichtsprozent

Nb von 0 bis 0,1 Gewichtsprozent

Ti von 0 bis 0,05 Gewichtsprozent,

daß der Barren bei einer Temperatur von mehr als 800ºC geschmiedet wird und daß das so geformte Schmiedestück nachfolgend in Luft oder einem Gas gekühlt wird, die oder das im wesentlichen gleichförmig auf das Schmiedestück wirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Barren vor der Warmumformung bis auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sich seine Vanadiumkarbonitride auflösen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoffgehalt des Materials nicht mehr als 0,012 Gewichtsprozent beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Titangehalt des Materials nicht mehr als 0,01 Gewichtsprozent beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kühlen des Schmiedestückes, zumindest wenn dessen Temperatur über 600ºC beträgt, trockene oder feuchte strömende Luft oder Gas als Kühlmittel verwendet wird.

6. Nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 5 hergestelltes Schmiedestück.

7. Schmiedestück mit einer guten Dauerfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Material gemacht ist, das zusätzlich zu Eisen die folgenden Elemente enthält: